전열교환기(Total Heat Exchanger)는 환기 시스템에서 실내의 오염된 배기 공기가 가지고 있는 열(현열)과 습도(잠열)를 실외의 신선한 외기로 전달하여, 외기를 실내 조건에 가깝게 미리 조절(예열 또는 예냉 및 가습 또는 제습)하는 에너지 회수 장치입니다. 이를 통해 냉난방 부하를 줄여 에너지 소비를 크게 절감할 수 있습니다. 현열교환기(Sensible Heat Exchanger)가 온도(현열)만 교환하는 반면, 전열교환기는 온도와 습도(잠열)를 모두 교환합니다.
1. 전열교환기의 종류 및 특징
전열교환기는 열과 습도를 교환하는 방식에 따라 여러 종류가 있습니다. 대표적인 두 가지 방식은 다음과 같습니다.
- 판형 전열교환기 (Plate Type Total Heat Exchanger):
- 구조: 얇은 평판 형태의 열교환 소자들을 여러 겹 쌓아 만든 구조입니다. 배기 공기와 외기가 각기 다른 판의 양면을 지나가면서 판을 통해 열과 습도를 교환합니다. 전열교환 성능을 위해 소자는 투습성(Permeable) 소재(예: 특수 처리된 종이 또는 고분자 막)로 만들어집니다.
- 특징:
- 움직이는 부품이 없어 고장이 적고 유지보수가 비교적 용이합니다.
- 배기/외기 공기 흐름이 분리되어 있어 공기 혼입(Carryover)이 거의 없어 오염 물질 전달 위험이 낮습니다.
- 누기(Air Leakage)가 적어 설계 효율에 가까운 성능을 낼 수 있습니다.
- 동일 용량 대비 회전형보다 부피가 클 수 있습니다.
- 소자(Element)가 막히거나 파손될 가능성이 있습니다.
- 회전형 전열교환기 (Rotary Type Total Heat Exchanger):
- 구조: 벌집 모양의 회전 휠 내부에 열과 습도를 흡수/방출할 수 있는 소재(제습제 코팅된 금속 등)가 충진된 형태입니다. 휠이 전동기에 의해 저속으로 회전하면서, 배기 공기가 지나가는 영역과 외기가 지나가는 영역을 번갈아 통과합니다.
- 특징:
- 판형 대비 단위 부피당 열교환 면적이 커서 장비가 소형입니다.
- 현열 및 잠열 교환 효율이 모두 높습니다.
- 휠이 회전하면서 자정(Self-cleaning) 효과가 일부 있습니다.
- 움직이는 부품(모터, 휠)이 있어 유지보수가 필요하며, 공기 혼입(배기 공기가 외기 측으로 일부 넘어가는 현상)이 발생할 수 있습니다.
- 제어(회전 속도 등)를 통해 효율 조절이 가능합니다.
이 외에 히트파이프형 열교환기도 있으나, 이는 주로 현열 교환에 특화되어 있으며 잠열 교환 성능은 제한적이라 '전열교환기'로 분류할 때는 판형 또는 회전형을 주로 지칭합니다.
2. 동절기와 하절기 운전 상태를 습공기선도에 도시 및 설명
습공기선도는 건구 온도, 습구 온도, 상대 습도, 절대 습도(습도비), 엔탈피 등 공기의 다양한 상태량을 그래프로 나타낸 것입니다. 전열교환기를 통과하는 공기의 상태 변화를 습공기선도에 나타내면 다음과 같습니다.
- 점 OA (Outside Air): 전열교환기로 유입되는 외기의 초기 상태점입니다.
- 점 EA (Exhaust Air): 전열교환기로 유입되는 실내 배기의 초기 상태점입니다. (보통 실내 설정 온습도와 유사)
- 점 SA (Supply Air): 전열교환기를 통과하여 실내로 공급되는 급기의 최종 상태점입니다. (OA가 EA의 영향을 받아 변화)
- 점 EO (Exhaust Out): 전열교환기를 통과하여 외부로 배출되는 배기의 최종 상태점입니다. (EA가 OA의 영향을 받아 변화)
전열교환기에서 열교환이 일어나는 동안, OA는 EA의 상태를 향해 이동하고, EA는 OA의 상태를 향해 이동합니다. 전열교환은 현열과 잠열이 모두 교환되므로, 습공기선도 상에서 공기 상태는 온도(건구 온도)와 습도(절대 습도 또는 습도비)가 동시에 변하는 대각선 경로를 따릅니다.
- 동절기 운전:
- OA: 차가워지고 건조합니다 (습공기선도 좌하단).
- EA: 따뜻하고 습합니다 (습공기선도 우측 중앙 또는 우상단).
- OA → SA: 차고 건조한 OA가 따뜻하고 습한 EA의 열과 습기를 흡수하여 온도가 상승하고 가습됩니다. 습공기선도 상에서 OA점에서 우상향으로 이동하여 SA점에 도달합니다.
- EA → EO: 따뜻하고 습한 EA는 차고 건조한 OA에게 열과 습기를 빼앗겨 온도가 하강하고 제습됩니다. 습공기선도 상에서 EA점에서 좌하향으로 이동하여 EO점에 도달합니다.
- 결과: 차가운 외기가 실내에 공급되기 전에 따뜻하고 습해져 난방 부하 및 가습 부하를 줄여줍니다.
- 하절기 운전:
- OA: 덥고 습합니다 (습공기선도 우상단).
- EA: 차가워지고 건조합니다 (실내 냉방 설정 온습도, 습공기선도 좌측 중앙).
- OA → SA: 덥고 습한 OA가 차가워지고 건조한 EA의 열과 습기를 빼앗겨 온도가 하강하고 제습됩니다. 습공기선도 상에서 OA점에서 좌하향으로 이동하여 SA점에 도달합니다.
- EA → EO: 차가워지고 건조한 EA는 덥고 습한 OA에게 열과 습기를 흡수하여 온도가 상승하고 가습됩니다. 습공기선도 상에서 EA점에서 우상향으로 이동하여 EO점에 도달합니다.
- 결과: 덥고 습한 외기가 실내에 공급되기 전에 차가워지고 건조해져 냉방 부하 및 제습 부하를 줄여줍니다.
습공기선도 상에서 SA와 EO의 위치는 전열교환기의 효율에 따라 OA와 EA 사이의 특정 점에 도달하게 됩니다. 효율이 높을수록 SA는 EA에, EO는 OA에 더 가깝게 이동합니다.
3. 열교환에 따른 전열교환기의 효율을 엔탈피 계산식으로 나타내어 설명
전열교환기의 효율(Effectiveness 또는 Efficiency)은 교환된 열량과 교환 가능한 최대 열량의 비율로 정의됩니다. 전열교환기는 현열과 잠열을 모두 교환하므로, 공기의 전체 에너지 함량을 나타내는 **엔탈피(Enthalpy, h)**를 이용하여 효율을 계산하는 것이 일반적입니다.
엔탈피는 습공기선도 상에서 등 엔탈피 선을 통해 읽거나, 건구 온도와 습도비 등을 이용하여 계산할 수 있습니다. 단위는 보통 kJ/kg(DA) 또는 Btu/lb(DA)를 사용합니다.
전열교환기의 효율(전유효도 또는 전열교환 효율)은 보통 급기 측에서 얻은 에너지 변화량을 기준으로 계산합니다. 급기 측이 얻을 수 있는 최대 에너지는 외기가 배기 공기의 초기 엔탈피까지 변화했을 때입니다.
이를 엔탈피 값으로 표현하면 다음과 같습니다.
- : 외기(Outside Air)의 초기 엔탈피
- : 배기(Exhaust Air)의 초기 엔탈피
- : 급기(Supply Air)의 최종 엔탈피
설명:
- 분모(): 유입되는 배기 공기와 외기 공기 간의 최대 엔탈피 차이입니다. 이는 외기가 배기 공기의 초기 상태()까지 완벽하게 에너지를 전달받았을 때 얻을 수 있는 최대 에너지 교환량을 의미합니다.
- 분자(): 전열교환기를 거친 후 실제로 외기(급기)가 얻게 된 엔탈피 변화량입니다.
따라서 위 식은 외기가 전열교환기를 통해 최대로 얻을 수 있는 에너지 중 실제로 얼마만큼의 에너지를 얻었는지를 나타냅니다. 효율이 100%()라면 가 되어, 외기가 배기 공기의 엔탈피와 동일한 상태로 토출된다는 이상적인 상황을 의미합니다. 실제 효율은 전열교환기의 종류, 설계, 풍량, 운전 조건 등에 따라 달라지며 보통 50% ~ 80% 이상의 효율을 가집니다.
만약 배기 측에서 잃은 에너지 변화량을 기준으로 계산한다면 (풍량이 동일할 경우):
가 되며, 급기 측을 기준으로 계산한 효율과 동일한 값을 가집니다.
이처럼 전열교환기의 효율은 공기의 전체 에너지 함량을 나타내는 엔탈피 변화량을 통해 정량적으로 평가할 수 있으며, 이는 공조 시스템의 에너지 성능을 파악하는 중요한 지표가 됩니다.
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