2-2. 공조기 운전과정에서 재열부하에 대하여 공기선도를 도시하고 설명하시오.

onha09 2025. 5. 1. 20:11

공조기(Air Handling Unit, AHU)는 건물의 실내 온습도를 쾌적하게 유지하기 위해 외부 공기와 실내 순환 공기를 혼합하여 냉각, 가열, 가습, 제습 등의 과정을 거쳐 각 실로 공급하는 장치입니다. 이 과정에서 재열(Reheat)은 특정 실내 조건, 특히 습도 제어가 중요할 때 발생하는 부하입니다.

재열 부하가 발생하는 이유

실내 습도를 낮추기 위해서는 공기를 냉각 코일을 통과시켜 공기 중의 수증기를 응축(제습)시켜야 합니다. 공기를 냉각하여 이슬점 온도 이하로 만들면 제습이 이루어집니다. 그러나 이렇게 냉각된 공기는 실내에서 요구하는 온도보다 훨씬 낮아지는 경우가 많습니다.

예를 들어, 실내 온도를 24°C, 습도를 50%로 유지하고 싶지만, 제습을 위해 공기를 12°C까지 냉각해야 할 수 있습니다. 이 12°C의 차가운 공기를 그대로 실내에 공급하면 실내 온도가 과도하게 낮아져 쾌적성을 해치게 됩니다. 따라서 제습을 위해 냉각된 차가운 공기를 실내에 공급하기 적절한 온도로 다시 가열해 주어야 하는데, 이때 필요한 열 에너지를 재열 부하라고 합니다.

즉, 재열 부하는 냉각 코일을 거쳐 제습된 공기의 온도를 원하는 급기 온도까지 높이는 데 필요한 열량입니다. 이는 에너지를 냉각에 사용하여 온도를 낮춘 뒤, 다시 에너지를 가열에 사용하여 온도를 높이는 과정이므로 에너지 효율 측면에서는 손실이 발생합니다.

공기선도를 이용한 재열 과정 도시 및 설명

공기선도는 공기의 상태 변화를 온도, 습도, 엔탈피 등의 관계를 통해 보여주는 그래프입니다. 재열 과정을 공기선도에 나타내면 다음과 같습니다.

점 라 (혼합점): 외기(Outdoor Air)와 실내 순환 공기(Return Air)가 혼합된 공기의 상태점입니다. (외기와 환기의 비율에 따라 결정됩니다.)
점 가 (냉각 코일 출구): 혼합된 공기(라)가 냉각 코일을 통과하면서 냉각 및 제습되어 도달하는 상태점입니다. 공기가 냉각 코면 온도와 절대 습도가 모두 감소하는 좌하향하는 경로를 따릅니다. 효율적인 제습을 위해서는 냉각 코일 표면 온도가 공기의 이슬점 온도보다 낮아야 합니다. 이 과정에서 공기는 냉각 코일의 유용 표면 온도(Apparatus Dew Point, ADP)를 향해 이동하며, 습도가 높은 경우 포화선을 따라 이동하며 제습이 일어납니다.
점 나 (급기점): 냉각 코일(가)을 통과한 공기가 재열 코일(Reheat Coil)을 통과하여 최종적으로 실내에 공급되는 공기의 상태점입니다. 재열 과정은 공기의 절대 습도 변화 없이(잠열 변화 거의 없이) 건구 온도만 상승시키는 과정입니다. 따라서 공기선도 상에서는 수평으로 오른쪽으로 이동하는 직선으로 표현됩니다. 점 가에서 점 나까지의 수평 이동 거리가 재열로 인한 온도 상승량을 나타냅니다. 점 S의 온도가 실내에 공급하고자 하는 급기 온도입니다.

공기선도 도시 (개념)

라: 혼합 공기 상태
가: 냉각 코일 통과 후 상태 (냉각 및 제습됨)
나: 재열 코일 통과 후 상태 (급기 상태)
라 -> 가: 냉각 및 제습 과정 (온도, 습도 감소)
가 -> 나: 재열 과정 (온도 증가, 습도 거의 일정)
가 와 나의 절대 습도는 거의 같습니다.
점 가의 건구 온도 < 점 나의 건구 온도
점 가의 엔탈피 < 점 나의 엔탈피

재열 부하 설명

공기선도 상에서 재열 과정은 점 가에서 점 나까지의 수평 이동에 해당합니다. 이 과정에서 공기는 습도비(절대 습도) 변화 없이 건구 온도만 상승합니다. 재열 부하는 이 과정에서 공기에 공급된 현열량으로 계산됩니다.

재열 부하는 공조기로 처리되는 공기의 질량 유량()과 재열 과정 전후의 공기 엔탈피 차이로 나타낼 수 있습니다.

여기서,

: 재열 부하 (kW)
: 공기의 질량 유량 (kg/s)
: 점 S (급기점)에서의 공기 엔탈피 (kJ/kg)
: 점 C (냉각 코일 출구)에서의 공기 엔탈피 (kJ/kg)

엔탈피 값은 공기선도에서 각 상태점에 해당하는 값을 읽거나, 건구 온도와 습도비를 이용하여 계산할 수 있습니다. 재열 과정에서는 주로 현열만 추가되므로, 엔탈피 증가는 대부분 현열 증가분()에 해당합니다 (: 공기의 정압 비열).

결론적으로, 공조기 운전 과정에서 재열 부하는 실내 습도 제어를 위해 공기를 과도하게 냉각 및 제습한 후, 다시 적절한 급기 온도로 만들기 위해 에너지를 추가로 공급하는 과정에서 발생하며, 공기선도 상에서는 냉각 코일 출구점(C)에서 급기점(S)까지의 수평 이동으로 표현됩니다. 이는 에너지 소비를 증가시키는 요인이 됩니다.