1-2. 여름철 냉방시 사용되는 전열교환기에 대하여 다음 사항을 각각 설명하시오. 1) 전열효율과 전열회수량의 각각의 식 2) 상태변화를 습공기선도로 표시

 

여름철 냉방 시 사용되는 전열교환기에 대한 설명

여름철 냉방 시 전열교환기는 외부의 덥고 습한 공기를 실내로 유입시키기 전에, 실내에서 배출되는 시원하고 건조한 공기를 이용하여 외부 공기를 예냉 및 제습하는 장치입니다. 이를 통해 냉방 부하를 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있습니다. 

1) 전열효율과 전열회수량의 각각의 식

가) 전열효율 (全熱效率, Total Heat Efficiency)

전열효율은 전열교환기가 얼마나 효과적으로 열과 습기를 교환하는지를 나타내는 지표입니다. 즉, 전열교환기를 통해 공급되는 공기가 이상적인 상태 변화에 얼마나 근접했는지를 백분율(%)로 나타냅니다. 여름철 냉방 운전 시 전열효율은 외기(외부 공기)의 엔탈피 변화량을 기준으로 정의됩니다.

• 정의: 전열효율(η_전열)은 외기의 엔탈피 변화량에 대한 실제 전열교환기를 거친 후의 급기의 엔탈피 변화량의 비율입니다.
• 식:

  η_전열 = (h_외기 - h_급기) / (h_외기 - h_실내) * 100 (%)
  

  여기서,
  • η_전열: 전열효율 (%)
  • h_외기: 외기의 엔탈피 (kJ/kg 건조공기) - 전열교환기 입구 측 외부 공기의 엔탈피
  • h_급기: 급기의 엔탈피 (kJ/kg 건조공기) - 전열교환기 출구 측 실내로 공급되는 공기의 엔탈피
  • h_실내: 실내 공기의 엔탈피 (kJ/kg 건조공기) - 전열교환기 입구 측 실내에서 배출되는 공기의 엔탈피 (일반적으로 배기라고도 표현함)
  설명: 위 식에서 분모 (h_외기 - h_실내)는 전열교환기가 최대로 전달할 수 있는 엔탈피 차이를 의미하며, 분자 (h_외기 - h_급기)는 실제로 전열교환기를 통해 외기가 엔탈피가 감소한 양을 나타냅니다. 따라서 전열효율은 전열교환기의 성능을 효과적으로 나타내는 지표가 됩니다. 전열효율이 높을수록 에너지 절감 효과가 큽니다.

나) 전열회수량 (全熱回收量, Total Heat Recovery Amount)

전열회수량은 전열교환기를 통해 실제로 회수되는 열에너지의 양을 의미합니다. 이는 시간당 에너지 단위 (예: kW, kJ/h)로 표현되며, 냉방 부하 감소 효과를 직접적으로 나타냅니다.

• 정의: 전열회수량(Q_전열)은 전열교환기를 통해 외기로부터 제거되어 실내로 공급되는 공기에 의해 냉방 부하가 감소되는 열량입니다.
• 식:

  Q_전열 = m_a * (h_외기 - h_급기)
  

  또는

  Q_전열 = V_a * ρ_a * (h_외기 - h_급기) / 3600  (kW)  (V_a 단위가 m³/h 인 경우)
  

  또는

  Q_전열 = V_a * ρ_a * (h_외기 - h_급기) (kJ/h) (V_a 단위가 m³/h 인 경우)
  

  여기서,
  • Q_전열: 전열회수량 (kW 또는 kJ/h)
  • m_a: 공기 질량 유량 (kg/s)
  • V_a: 공기 체적 유량 (m³/h 또는 m³/s)
  • ρ_a: 공기 밀도 (kg/m³) - 표준 공기 밀도 (약 1.2 kg/m³) 를 사용하거나, 실제 공기 상태에 따른 밀도를 적용할 수 있습니다.
  • h_외기: 외기의 엔탈피 (kJ/kg 건조공기)
  • h_급기: 급기의 엔탈피 (kJ/kg 건조공기)
  설명: 위 식에서 (h_외기 - h_급기)는 전열교환기를 통해 외기의 엔탈피가 감소한 양을 나타내며, 여기에 공기 유량을 곱하여 시간당 회수되는 총 열량을 계산합니다. 전열회수량이 클수록 냉방 에너지 절감 효과가 크며, 냉방 시스템의 초기 투자비 회수 기간을 단축시키는 데 기여합니다.

2) 상태 변화를 습공기선도로 표시

여름철 냉방 시 전열교환기의 상태 변화를 습공기선도 상에 나타내면 다음과 같습니다.

 

습공기선도 상의 상태 변화 과정 (여름철 냉방 운전 시):

1. 외기 상태 (점 1): 습공기선도 상에서 여름철의 일반적인 외부 공기 상태를 나타냅니다. 높은 온도와 높은 습도를 가집니다. (예: 35℃, 80% 상대습도)
2. 실내 배기 상태 (점 2): 실내에서 배출되는 공기의 상태를 나타냅니다. 냉방된 실내 공기이므로 외기보다는 낮은 온도와 낮은 습도를 가집니다. (예: 26℃, 50% 상대습도)
3. 전열교환 후 급기 상태 (점 3): 전열교환기를 거쳐 실내로 공급되는 공기의 상태입니다. 외기 (점 1)는 실내 배기 (점 2)와 열교환 과정을 거치면서 온도는 낮아지고 습도도 감소합니다. 점 3은 점 1과 점 2 사이의 선상에 위치하며, 전열교환기의 효율에 따라 점 2에 더 가까워질 수 있습니다.
4. 전열교환 후 배출 상태 (점 4): 전열교환기를 거쳐 외부로 배출되는 공기의 상태입니다. 실내 배기 (점 2)는 외기 (점 1)와 열교환 과정을 거치면서 온도는 높아지고 습도는 증가할 수 있습니다 (전열교환기의 종류 및 성능에 따라 습도 변화는 다를 수 있음). 점 4는 점 2보다 엔탈피가 높아진 상태로 나타납니다.

습공기선도 해석:

• 1 → 3 (급기 과정): 외기가 전열교환기를 통해 냉각 및 제습되는 과정을 나타냅니다. 습공기선도 상에서 점 1에서 점 3으로 이동하는 과정은 온도와 습도가 모두 감소하는 방향으로 나타납니다. 이 과정이 전열교환기의 핵심적인 냉방 에너지 절감 효과를 보여줍니다.
• 2 → 4 (배기 과정): 실내 배기가 전열교환기를 통해 열과 습기를 외기에 전달하는 과정을 나타냅니다. 습공기선도 상에서 점 2에서 점 4로 이동하는 과정은 온도와 습도가 (경우에 따라) 증가하는 방향으로 나타날 수 있습니다.

참고:

• 실제 전열교환기의 성능 및 효율은 제품 사양, 운전 조건, 외부 환경 조건 등에 따라 달라질 수 있습니다.
• 습공기선도 상의 상태 변화는 이상적인 경우를 나타내며, 실제 운전 시에는 약간의 차이가 발생할 수 있습니다.
• 전열교환기의 종류 (현열 교환기, 전열 교환기)에 따라 습공기선도 상의 변화 양상이 다를 수 있습니다. 일반적으로 전열 교환기는 현열 교환기에 비해 습도 변화량이 더 큽니다.

위 내용을 통해 여름철 냉방 시 사용되는 전열교환기의 전열효율, 전열회수량 및 습공기선도 상의 상태 변화에 대한 궁금증이 해결되었기를 바랍니다.