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항온항습실 습도 미달 문제 해결 방안 (여름철)
항온항습실 (실내 조건: 25±3℃ DB, 50±10%RH)에 냉각식(직접팽창식) 항온항습기를 설치하였으나, 여름철에 온도는 만족하나 습도가 목표 범위에 미치지 못하는 상황입니다. 이는 여름철 고온다습한 외부 환경과 항온항습기의 제습 능력 부족이 복합적으로 작용한 결과일 가능성이 높습니다.
1) 실내 조건을 만족하지 못하는 이유와 원인
① 높은 외기 습도와 잠열 부하 증가:
- 여름철은 외부 공기의 습도가 높아 자연적으로 실내 잠열 부하가 증가합니다. 외기 도입량이 많거나 건물 기밀성이 낮은 경우, 습한 외기가 실내로 유입되어 습도 상승의 직접적인 원인이 됩니다.
- 항온항습실 내부의 인체, 조명, 장비 등에서도 수분 발생이 있을 수 있으며, 이 또한 잠열 부하를 증가시켜 제습 능력을 초과하게 만들 수 있습니다.
② 냉각식 항온항습기의 제습 원리 및 능력 제한:
- 냉각 제습 원리: 냉각식 항온항습기는 냉각 코일을 이용하여 공기를 냉각시켜 노점온도 이하로 만들고, 응축수를 제거하여 제습하는 방식을 사용합니다.
- 현열/잠열비 (SHR) 특성: 냉각식 항온항습기는 현열 제어 (온도 제어)에 유리하지만, 잠열 제어 (습도 제어) 능력에는 한계가 있습니다. 특히 설정 온도와 목표 습도가 동시에 낮을수록 제습 능력이 저하될 수 있습니다.
- 재열 운전의 필요성: 냉각 제습 과정에서 공기가 과냉각될 수 있으므로, 설정 온도 유지를 위해 재열 과정이 필요합니다. 과도한 재열 운전은 제습 효과를 상쇄시켜 습도 제어를 더욱 어렵게 만들 수 있습니다.
③ 항온항습기 용량 부족 또는 성능 저하:
- 냉방/제습 용량 부족: 항온항습기의 냉방 및 제습 용량이 여름철 최대 부하를 감당하기에 부족할 수 있습니다. 설계 용량 자체가 부족하거나, 시간이 지남에 따라 냉매 누설, 압축기 효율 저하, 코일 오염 등으로 인해 성능이 저하되었을 가능성이 있습니다.
- 냉각 코일 성능 저하: 냉각 코일 표면에 먼지, 곰팡이 등이 쌓이면 열전달 효율이 저하되어 냉각 및 제습 능력이 감소합니다.
- 필터 막힘: 공기 흡입 필터가 막히면 풍량이 감소하고, 냉각 코일 통과 공기량이 줄어들어 냉방 및 제습 능력이 저하될 수 있습니다.
④ 시스템 운전 및 제어 문제:
- 제습 운전 부족: 항온항습기의 제습 운전 모드가 제대로 작동하지 않거나, 제습 운전 시간이 부족할 수 있습니다.
- 센서 오차 및 제어 불량: 온도 및 습도 센서의 오차, 제어 로직 오류 등으로 인해 실제 실내 습도를 제대로 감지하지 못하거나, 제습 운전 제어가 부정확할 수 있습니다.
- 과도한 외기 도입 또는 누설: 외기 도입량이 과도하게 설정되었거나, 항온항습실의 기밀성이 낮아 외기가 과도하게 침입하는 경우, 습도 제어에 부담을 줄 수 있습니다.
⑤ 기타 요인:
- 항온항습실 내부 발습원 증가: 여름철 내부 발열 기기 가동 증가, 인원 증가 등으로 인해 실내 발습량이 예상보다 증가했을 수 있습니다.
- 건물 구조 및 단열 성능: 건물 외피의 단열 성능이 부족하거나, 습기에 취약한 재료 사용 시 외부 습도의 영향을 더 크게 받을 수 있습니다.
2) 실내 조건을 만족할 수 있는 대책
습도 문제를 해결하고 실내 조건을 만족시키기 위해서는 복합적인 접근 방식이 필요합니다. 다음은 단계별 대책 방안입니다.
[1단계: 문제 원인 진단 및 시스템 점검]
- 정밀 점검: 항온항습기 및 시스템 전반에 대한 정밀 점검을 실시하여 문제의 정확한 원인을 파악해야 합니다.
- 항온항습기 점검: 냉매 압력, 압축기 작동 상태, 팬/모터 작동 상태, 냉각 코일 및 필터 오염 상태, 드레인 배관 막힘 여부, 가습기 작동 상태 (해당 시) 등을 점검합니다.
- 센서 점검: 온도 및 습도 센서의 정확도, 연결 상태 등을 점검하고, 필요시 교정 또는 교체를 진행합니다.
- 제어 시스템 점검: 제어 로직 설정, 운전 모드, 설정값 등을 확인하고, 오류 여부를 검토합니다.
- 기밀성 점검: 항온항습실의 도어, 창문, 벽체 틈새 등 기밀 상태를 점검하고, 누설 부위를 확인합니다.
- 부하 요인 점검: 실내 발열 및 발습 기기 목록, 운전 시간, 인원, 외기 도입량 등을 재확인하고, 설계 부하와 실제 부하를 비교 분석합니다.
[2단계: 단기적 해결 방안 (응급조치)]
- 제습 운전 강화: 항온항습기의 제습 운전 시간을 늘리거나, 제습 모드를 강화하는 등 제습 능력을 최대한 활용합니다.
- 재열 운전 최소화: 과도한 재열 운전을 줄여 제습 효과를 극대화합니다 (온도 제어에 영향이 없는 범위 내에서).
- 외기 도입 최소화: 외기 도입량을 최소화하고, 필요시 외기 도입 차단 조치를 고려합니다 (실내 공기 질에 영향이 없는 범위 내에서).
- 실내 발습원 관리: 실내 발습 기기 운전 시간 조정, 습도 발생 억제 등 실내 발습원을 최대한 관리합니다.
- 응축수 배수 점검: 응축수 배수 배관 막힘 여부를 확인하고, 원활한 배수를 확보합니다.
[3단계: 장기적 해결 방안 (설비 개선 및 보강)]
- 제습 능력 강화:
- 제습 용량 증대: 항온항습기의 제습 용량이 부족하다고 판단될 경우, 용량이 더 큰 항온항습기로 교체하거나, 추가 제습 장치 (예: 제습기) 를 설치합니다.
- 냉각 코일 성능 향상: 고효율 냉각 코일로 교체하거나, 코일 면적을 늘리는 방안을 검토합니다.
- 2단 냉각 방식 도입: 2단 냉각 방식 (1차 냉각 코일 + 2차 냉각 코일) 을 도입하여 제습 능력을 향상시키는 방안을 고려합니다.
- 액체식 제습 냉방 시스템 적용: 액체식 제습 냉방 시스템은 일반 냉각식 시스템보다 제습 효율이 높아 항온항습실에 적합할 수 있습니다.
- 데시칸트 제습기 병용: 화학적 제습 방식인 데시칸트 제습기를 항온항습기와 함께 사용하여 잠열 부하를 효과적으로 처리합니다. 특히 외기 잠열 부하가 높은 여름철에 효과적입니다.
- 실내 잠열 부하 감소:
- 건물 기밀성 강화: 항온항습실의 벽체, 천장, 바닥, 도어, 창문 등의 기밀성을 강화하여 외기 침입을 최소화합니다. 틈새 막음 처리, 기밀 밴드 시공 등을 적용합니다.
- 단열 성능 강화: 벽체, 천장, 바닥, 창문 등의 단열 성능을 강화하여 외부 온도 변화에 대한 영향을 줄입니다. 고성능 단열재 보강, 복층 유리 시공 등을 고려합니다.
- 내부 발습원 관리 강화: 실내 발습 기기 사용 제한, 습도 발생 억제 설비 도입 등 내부 발습원을 근본적으로 줄이는 방안을 검토합니다.
- 제어 시스템 개선:
- 정밀 제어 시스템 도입: PID 제어, 퍼지 제어 등 정밀 제어 알고리즘을 적용하여 온도 및 습도 제어 성능을 향상시킵니다.
- PID 파라미터 최적화: 기존 제어 시스템의 PID 파라미터를 재조정하여 제어 응답성을 개선합니다.
- 상/하한 습도 제어 도입: 목표 습도 범위 (50±10%RH) 내에서 상/하한 습도 제어를 통해 불필요한 제습 운전을 줄이고 에너지 효율을 높입니다.
- 외기 연동 제어: 외기 습도 변화에 따라 외기 도입량을 자동 조절하는 외기 연동 제어 시스템을 도입하여 잠열 부하 변동에 능동적으로 대응합니다.
- 운전 방식 개선:
- 간헐 운전 방식 검토: 24시간 연속 운전 대신, 부하 변동에 따라 간헐 운전 방식을 적용하여 에너지 소비를 줄입니다 (항온항습 조건 유지에 영향이 없는 범위 내에서).
- 야간 운전 모드 설정: 야간에는 냉방 부하가 감소하므로, 야간 운전 모드를 설정하여 에너지 소비를 최적화합니다.
[4단계: 전문가 자문 및 종합 검토]
- 전문가 컨설팅: 항온항습 설비 전문 업체, 설계 전문가, 에너지 컨설턴트 등 전문가의 도움을 받아 문제 원인을 심층적으로 분석하고, 최적의 해결 방안을 모색합니다.
- 경제성 평가 (LCC 분석): 각 개선 방안별 초기 투자비, 운영비 절감 효과, 에너지 절감량 등을 종합적으로 분석하여 경제성을 평가하고, 투자 회수 기간을 고려하여 최종 대책을 결정합니다.
3) TAB 실시를 위한 측정 요소
항온항습 시스템의 성능을 검증하고 문제점을 진단하기 위한 TAB (Test, Adjust, Balancing) 실시 시 주요 측정 요소는 다음과 같습니다.
① 온도 측정:
- 건구 온도 (DBT):
- 실내: 항온항습실 내 여러 지점 (중앙, 코너, 벽면 등) 에서 높이별 (바닥, 중간, 천장) 건구 온도를 측정하여 실내 온도 분포를 확인합니다.
- 공기조화기: 급기 덕트 및 환기 덕트에서 건구 온도를 측정하여 공기조화기의 냉방 및 난방 성능을 평가합니다.
- 외기: 외기 온도 센서의 정확도를 검증하고, 실제 외기 온도를 측정하여 외기 조건 변화를 파악합니다.
- 냉각 코일: 냉각 코일 입구 및 출구 공기 온도를 측정하여 코일의 열교환 성능을 평가합니다.
- 습구 온도 (WBT):
- 실내: 항온항습실 내 여러 지점에서 습구 온도를 측정하여 실내 습도 분포를 파악합니다 (상대 습도와 함께 측정).
- 공기조화기: 급기 덕트 및 환기 덕트에서 습구 온도를 측정하여 공기조화기의 제습 및 가습 성능을 평가합니다.
- 외기: 외기 습구 온도 센서의 정확도를 검증하고, 실제 외기 습구 온도를 측정하여 외기 습도 조건 변화를 파악합니다.
- 냉각 코일: 냉각 코일 입구 및 출구 공기 습구 온도를 측정하여 코일의 제습 성능을 평가합니다.
② 습도 측정:
- 상대 습도 (RH):
- 실내: 항온항습실 내 여러 지점에서 상대 습도를 측정하여 실내 습도 분포를 확인합니다. 목표 습도 (50±10%RH) 와 비교하여 만족 여부를 평가합니다.
- 공기조화기: 급기 덕트 및 환기 덕트에서 상대 습도를 측정하여 공기조화기의 제습 및 가습 성능을 평가합니다.
- 외기: 외기 습도 센서의 정확도를 검증하고, 실제 외기 상대 습도를 측정하여 외기 습도 조건 변화를 파악합니다.
- 절대 습도 (Humidity Ratio):
- 건구 온도 및 습구 온도 측정값을 이용하여 습공기 선도 또는 습공기 계산 프로그램을 통해 절대 습도를 계산합니다.
- 절대 습도 변화량을 통해 공기조화 과정에서의 제습량, 가습량 등을 정량적으로 분석할 수 있습니다.
③ 풍량 측정:
- 급기 풍량 (Supply Air Flow Rate):
- 급기 덕트에서 풍량 측정기를 사용하여 급기 풍량을 측정합니다. 설계 풍량과 비교하여 실제 풍량이 적절한지 평가합니다.
- 풍량 측정 시 덕트 내부 압력 분포, 풍속 분포 등을 함께 측정하여 풍량 측정의 정확도를 높입니다.
- 환기 풍량 (Return Air Flow Rate):
- 환기 덕트에서 풍량 측정기를 사용하여 환기 풍량을 측정합니다. 급기 풍량과 환기 풍량의 균형 (외기 도입량) 을 평가합니다.
- 환기 덕트가 여러 갈래로 나뉘는 경우, 각 덕트별 풍량을 측정하여 전체 환기 풍량을 합산합니다.
- 외기 도입 풍량 (Outdoor Air Flow Rate):
- 외기 도입 덕트가 있는 경우, 외기 도입 덕트에서 풍량을 측정합니다. 설계 외기 도입량과 비교하여 적절한 외기 도입이 이루어지고 있는지 평가합니다.
- 외기 도입 덕트가 없는 경우, 급기 풍량과 환기 풍량 차이를 통해 간접적으로 외기 도입량을 추정할 수 있습니다.
- 각 취출구/흡입구 풍량:
- 각 급기 디퓨저 및 환기 그릴에서 풍량 측정기를 사용하여 풍량을 측정합니다. 설계 풍량 분배와 비교하여 실제 풍량 분배가 균일한지, 특정 구역에 풍량이 집중되거나 부족한 곳은 없는지 확인합니다.
④ 기타 측정 요소:
- 전압 및 전류: 항온항습기 및 펌프, 팬 등 주요 설비의 전압 및 전류를 측정하여 정상적인 전력 공급 및 설비 작동 상태를 확인합니다.
- 냉매 압력 (고압/저압): 냉매 압력 게이지를 사용하여 냉동 시스템의 고압 및 저압을 측정하고, 냉매 누설 또는 압축기 성능 저하 여부를 진단합니다 (전문가 점검 필요).
- 소음 및 진동: 항온항습기 및 덕트, 취출구/흡입구 등에서 발생하는 소음 및 진동 레벨을 측정하여 쾌적성 저해 요소 또는 설비 이상 징후를 파악합니다.
- 압력차: 필터 전후단 압력차, 코일 전후단 압력차 등을 측정하여 필터 막힘, 코일 오염, 덕트 막힘 등을 진단합니다.
측정 시 주의 사항:
- 정확한 측정 기구 사용: 온도계, 습도계, 풍량계 등 각 측정 요소에 적합한 정밀도의 측정 기구를 사용해야 합니다.
- 측정 위치 선정: 대표성을 갖는 측정 위치를 선정하고, 덕트 내부 풍량 측정 시에는 덕트 직관 구간에서 측정하는 등 정확한 측정을 위한 측정 방법 및 위치를 준수해야 합니다.
- 측정 환경 기록: 측정 시 외기 조건 (온도, 습도), 항온항습실 운전 상태 (설정 온도/습도, 운전 모드), 실내 부하 조건 등을 상세하게 기록하여 측정 결과 분석 시 참고합니다.
- 반복 측정 및 평균값 활용: 측정 오차를 줄이기 위해 동일 지점에서 여러 번 반복 측정하고, 평균값을 활용하는 것이 좋습니다.
4) 풍량 측정 기구
TAB 업무 시 풍량 측정에 사용되는 주요 기구는 다음과 같습니다.
① 풍속계 (Anemometer):
- 종류:
- 베인 풍속계 (Vane Anemometer): 회전하는 베인을 이용하여 풍속을 측정하는 방식입니다. 덕트 내부, 취출구/흡입구 등 다양한 장소에서 사용 가능하며, 비교적 넓은 풍속 범위에서 정확한 측정이 가능합니다. 덕트 풍량 측정 시 덕트 단면을 격자 형태로 나누어 여러 지점에서 측정하여 평균 풍속을 구하는 덕트 트래버스 (Duct Traverse) 방식에 주로 사용됩니다.
- 열선 풍속계 (Hot-wire Anemometer): 가열된 열선의 냉각 정도를 이용하여 풍속을 측정하는 방식입니다. 미풍속, 난류 측정에 유리하며, 덕트 내부, 취출구/흡입구, 실내 기류 측정 등에 사용됩니다. 베인 풍속계에 비해 정밀도가 높지만, 내구성이 약하고 먼지, 습도 등에 민감할 수 있습니다.
- 컵 풍속계 (Cup Anemometer): 반구형 컵의 회전 속도를 이용하여 풍속을 측정하는 방식입니다. 주로 풍력 발전, 기상 관측 등 옥외 풍속 측정에 사용됩니다.
- 사용 용도: 덕트 풍량 측정 (덕트 트래버스), 취출구/흡입구 풍량 측정, 실내 기류 측정 등
② 피토관 (Pitot Tube) 및 마노미터 (Manometer):
- 피토관: 덕트 내 전압 (Total Pressure) 과 정압 (Static Pressure) 을 측정하는 센서입니다. 전압과 정압 차이인 동압 (Dynamic Pressure) 을 이용하여 풍속을 계산합니다.
- 마노미터: 피토관에서 측정한 압력 차이를 액주 높이 또는 디지털 값으로 표시하는 계측기입니다. 액주 마노미터 (U자관 마노미터) 와 디지털 마노미터가 있습니다.
- 사용 용도: 덕트 풍량 측정 (덕트 트래버스), 덕트 내부 압력 측정
③ 벤츄리미터 (Venturi Meter) 및 오리피스 (Orifice Meter):
- 벤츄리미터/오리피스: 덕트 내에 설치하여 공기 흐름에 압력 강하를 유발시키고, 압력 강하량과 유량의 관계를 이용하여 풍량을 측정하는 유량계입니다.
- 사용 용도: 덕트 풍량 측정 (주로 덕트 시스템에 고정 설치하여 사용)
④ 풍량 측정 캡 (Flow Capture Hood 또는 Balometer):
- 특징: 취출구 또는 흡입구에 캡을 씌워 캡 내부로 유입되거나 배출되는 공기를 모아 풍량을 측정하는 기구입니다.
- 사용 용도: 디퓨저, 그릴 등 취출구/흡입구 풍량 측정, 덕트리스 (Ductless) 공조 시스템 풍량 측정
⑤ 열풍속계 (Thermo-anemometer):
- 열선 풍속계와 유사하지만, 온도 센서가 추가되어 풍속과 온도를 동시에 측정할 수 있는 기구입니다.
- 사용 용도: 덕트 내부 풍량 측정, 취출구/흡입구 풍량 측정, 실내 기류 측정, 온도 분포 측정
⑥ 연기 시험 (Smoke Test):
- 특징: 연막 발생 장치를 사용하여 연기를 발생시켜 공기 흐름을 가시화하는 시험 방법입니다. 정량적인 풍량 측정은 불가능하지만, 공기 흐름 방향, 누설, 정체 구역 등을 시각적으로 확인하는 데 유용합니다.
- 사용 용도: 공기 흐름 방향 확인, 누설 부위 확인, 환기 효율 평가, 실내 기류 패턴 분석
풍량 측정 기구 선택 시 고려 사항:
- 측정 목적 및 장소: 덕트 내부, 취출구, 실내 등 측정 장소와 측정 목적에 적합한 기구를 선택해야 합니다.
- 측정 정확도: 요구되는 측정 정확도에 따라 기구의 정밀도를 고려해야 합니다.
- 풍속 범위: 예상되는 풍속 범위에 적합한 측정 범위를 가진 기구를 선택해야 합니다.
- 휴대성 및 사용 편의성: TAB 현장 작업의 효율성을 높이기 위해 휴대 및 사용이 편리한 기구를 선택하는 것이 좋습니다.
- 가격: 예산 범위 내에서 성능과 기능을 고려하여 합리적인 가격의 기구를 선택해야 합니다.
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