SI SI 머리말 preface 우리나라는 1980년대 이후 생활권이 도시화되면서 건축물은 대형화, 고층화, 지능화되어가고 있으며, 사람의 욕구는 더욱 쾌적한 주거공간을 필요로 하게 되었다. 또한 산업은 공업화되면서 작업장의 쾌적한 공기는 물론 첨단 제품의 생산 과정에서 청정한 공기관리는 필수적인 요인이 되었다. 이러한 현상은 앞 으로 더욱 심화될 전망이어서 공기조화 분야의 기술인력 수요는 더욱 급증할 것으로 본다. 공기조화설비에 관한 문헌은 1960년대에 냉․난방기술의 도입 이래 외국문헌 에 의한 현장중심의 기술서적과 근래에는 몇 종류의 학습 서적이 출간되고 있 으며, 단위는 중력단위를 사용하고 있다. 그런데 공공기관이나 각종 기술자격고시 등에서 모든 단위는 국제단위계(SI) 를 사용하도록 되어 있다. 또한 교육인적자원부의 제7차 교육과정에서도 SI단 위를 사용하고 있으며 이에 따라서 이 책은 국제단위계에 맞춰 수식을 전개하 고, 각종 데이터를 정리하여 공기조화 입문을 위한 학습 서적으로 다음과 같이 엮었다. 제1장에서는 공기조화의 개요로서 공조장치의 구성과 보건용 공기조화 및 공 업용 공기조화를 다루었으며, 설계외기조건과 습공기의 상태량을 파악 하여, 습공기선도를 이해할 수 있도록 했다. 제2장에서는 냉․난방부하의 계산법을 CLTD법에 의해 요소별로 상세하게 제 시했다. 제3장에서는 습공기선도상에 각종 공기조화 프로세스를 작도하고, 열량 및 물질의 이동량을 수식으로 산출할 수 있도록 했으며, 이해를 돕기 위 해 예제를 많이 수록했다. 제4장에서는 공기조화의 열원방식과 각종 공조방식을 계통도를 통해 이해할 수 있도록 하고, 각각의 방식에 대한 특성을 비교함으로써 대상건물에 따라 적절한 공조방식을 선정할 수 있도록 했다. 제5장에서는 덕트에 대한 기초이론을 정립하고, 더 나아가 설계능력을 기르 며, 간단한 시공법을 익히도록 했다. 제6장에서는 취출구 및 흡입구에 대한 공기유동을 해석하고, 각종 형식에 대 한 특성을 기술했으며, 배치능력을 기르도록 했다. 제7장에서는 열원기기로서 각종 보일러와 열교환기의 종류 및 특성을 취급 했으며, 냉열원기기로서는 각종 냉동기와 냉각탑 및 열펌프의 특성에 대해 취급했다. 제8장에서는 중앙식 공기조화기의 구성요소와 선정을 위한 계산능력에 도움 이 되도록 했다. 제9장에서는 펌프와 송풍기에 대한 기초이론과 선정 및 설치․운전에 대한 능 력을 기르도록 했다. 제10장에서는 공기조화배관설계의 기초이론과 각종 시스템 및 기기주변의배 관법을 익히며, 배관재료와 기기의 선정 능력을 갖도록 했다. 제11장은 환기설비로서 각종 환기방식의 특징을 이해함으로써 목적에 따라 선정 및 환기량을 산출할 수 있도록 했다. 제12장은 지금까지 배운 능력을 종합할 수 있도록 공기조화설비 계획의 진 행과정을 전개하였다. 이 책에 게재된 표와 그림은 가능한 한 국내자료를 사용하려 했으나, 불가피 한 경우, 다른 저서로부터 인용했으며, 내용 중 혹시 미흡한 부분이 있을 것으 로 사료된 바, 그 점에 대해서는 앞으로 수정․보완해 나갈 것을 약속드린다. 끝으로 이 책이 발간되기까지 주위에서 격려해 주신 동료 교수님들과 기문 당에 감사드리는 바이다. 저자 차례 contents 제1장 공기조화의 기초 1-1 공기조화의 개요 ··································································································11 1-2 열 환경 ················································································································16 1-3 실내환경 ··············································································································20 1-4 설계 외부조건 ····································································································25 1-5 열전달 ··················································································································27 1-6 결 로 ····················································································································31 1-7 습공기 ··················································································································34 제2장 공기조화부하 계산 2-1 개 요 ···················································································································53 2-2 냉방부하 ·············································································································55 2-3 냉방부하 계산 ····································································································59 2-4 난방부하 ·············································································································83 2-5 난방부하 계산 ····································································································84 2-6 냉 난방부하의 개략값 ·····················································································88 2-7 상당외기온도차 를 이용한 냉방부하 계산법 ······································89 제3장 공기조화의 계산식과 프로세스 3-1 열평형식과 물질평형식 ···················································································105 3-2 여러 가지 과정에 따른 습공기의 상태변화 ·················································108 3-3 송풍공기(코일출구 취출공기) 상태 ·····························································125 3-4 습공기선도상의 각종 프로세스 ······································································128 6 제4장 공기조화방식 4-1 열원방식 ············································································································149 4-2 공기조화방식의 분류 ·······················································································152 4-3 단일덕트방식 ····································································································157 4-4 단일덕트 재열방식 ···························································································158 4-5 2중덕트방식 ······································································································160 4-6 변풍량방식 ········································································································161 4-7 덕트 병용 패키지방식 ·····················································································166 4-8 각 층 유닛방식 ································································································168 4-9 팬코일 유닛방식 ······························································································170 4-10 유인 유닛방식 ································································································174 4-11 복사냉난방방식 ·······························································································175 4-12 개별방식 ··········································································································177 제5장 덕트와 부속기구 5-1 덕트의 기초이론 ·······························································································185 5-2 덕트의 마찰저항선도 ·······················································································189 5-3 원형덕트에서 장방형덕트의 환산 ········································································191 5-4 국부저항 ············································································································196 5-5 덕트의 종류와 배치 ························································································200 5-6 덕트의 설계법 ··································································································206 5-7 덕트의 제작과 시공 ·························································································212 5-8 덕트의 조립 ······································································································227 5-9 덕트의 부속기기 ······························································································234 5-10 덕트의 지지 및 고정 ····················································································239 제6장 취출구 및 흡입구와 기류분포 6-1 취출구의 분류 ··································································································247 6-2 취출공기의 이동 ······························································································248 6-3 취출구의 종류 ··································································································254 6-4 흡입구 ···············································································································265 6-5 취출 흡입구의 배치계획 ···············································································268 차 례▪7 제7장 열원기기 7-1 온열원기기 ········································································································283 7-2 냉열원기기 ·······································································································293 7-3 냉각탑 ···············································································································300 7-4 열펌프(heat pump) ·······················································································305 7-5 축열시스템 ········································································································311 제8장 중앙식 공기조화기 8-1 중앙식 공기조화기의 구성 ··············································································317 8-2 공기 여과기 ······································································································319 8-3 공조기용 코일 ··································································································329 8-4 가습장치 ···········································································································332 8-5 전열교환기 ·······································································································339 제9장 펌프 및 송풍기 9-1 펌프의 기초사항 ·······························································································351 9-2 펌프의 용량 ·····································································································353 9-3 펌프의 특성 ······································································································359 9-4 펌프의 운전상태점 ··························································································366 9-5 펌프의 선정 ·····································································································370 9-6 펌프의 시공 및 운전 ······················································································373 9-7 송풍기의 기초사항 ··························································································377 9-8 송풍기의 특성 ··································································································382 9-9 송풍기에 관한 법칙 ························································································384 9-10 송풍기의 운전 및 풍량제어 ·········································································387 9-11 송풍기의 선정 ·································································································391 9-12 송풍기 시공 ····································································································394 제10장 공기조화배관 10-1 수배관 ·············································································································397 8 10-2 증기배관의 설계 ····························································································409 10-3 배관재료 및 기구 ··························································································420 10-4 배관 회로방식 ································································································433 10-5 난방 및 공조배관 시스템 ·············································································436 10-6 기기 주위 배관 ······························································································446 제11장 환기설비 11-1 환기설비의 개요 ·····························································································467 11-2 환기방식의 분류 ·····························································································469 11-3 환기량 ··············································································································473 11-4 환기계획 ··········································································································475 11-5 에너지절감 대책 ·····························································································483 제12장 공기조화 설비계획 12-1 총 론 ···············································································································487 12-2 기본구상 ·········································································································490 12-3 기본계획 ·········································································································493 부록 부록 1 습공기선도 ···································································································517 부록 2 일평년값(최저기온 ) ··············································································518 부록 3 일평년값(최고기온 ) ··············································································519 부록 4 각 지방의 월별 지중온도( ) ··································································520 부록 5 온도기준 포화증기표 ··················································································521 부록 6 압력기준 포화증기표 ·················································································522 부록 7 단위 환산표 ································································································525 그리스 문자 ··········································································································527 제 1 장 공기조화의 기초 ▪ 11 1-1 공기조화의 개요 [1] 공기와 인간 우리는 주위에 공기가 존재하고 있다는 것조차 의식하지 못하지만 그림 1-1과 같이 하루의 식단과 비교하면 많은 양의 공기를 호흡하고 있다. 또한 공기는 호흡하는 것 외에도 그림 1-2와 같이 생존을 위해 없어서는 안 될 존재이다. 그러나 급속한 경제성장 과정에서 산업은 공업화되고, 생활권은 도시화 되면서 여러 가지 원인으로 오염은 심각해지고 있어서 향후 공기관리에 많은 관 심과 대책이 필요하다. ♬ 그림 1-1▸ 하루의 식단 그림 1-2▸ 공기의 역할 [2] 공기조화 사람의 몸은 신진대사에 의하여 일정한 체온(약 36.5 )을 유지하고, 활동하면서 몸 밖으로 열을 방출한다. 이때 몸 안에서 생산되는 열량이 방출되는 열량보다 많 으면 더위를 느끼고, 반대로 방출되는 열량이 더 많으면 추위를 느낀다. 따라서 쾌적한 상태는 인체에서 생산된 열량과 방출되는 열량이 평형을 이룰 때이다. 인간은 쾌적한 주거환경이 필요하지만 외부조건(기온, 습도, 바람, 일사, 소음, 12 먼지 등)은 계절과 지역에 따라서 쾌적한 환경과 차이가 나므로 인체를 보호하기 위하여 그림 1-3과 같은 대피소(shelter)가 필요하다. 쉘터로서 옛날에는 간단한 방 법으로 움막이나 동굴을 이용했으나 지금은 주택으로부터 현대식 빌딩에까지 변모 하게 되었다. 그림 1-3▸ 쉘터(shelter) 여기서, 쉘터의 구성 요소인 벽체나 창문 등이 완벽하지 못하면 그림 1-4의 (a), (b), (c), (d)와 같이 외부환경의 영향을 받게 된다. 이 때문에 그림 (e)와 같이 쉘터 내의 환경변화가 심하게 나타난다. 따라서 그림 1-5의 (a), (b), (c), (d)와 같이 단열 벽, 기밀창, 방습벽 및 2중유리, 창에 루버(louver)나 블라인드(blind) 등에 의한 햇 빛방지 등의 건축적인 방법을 강화하면 그림 (e)와 같이 실내의 환경조건은 외부 의 영향을 비교적 적게 받는다. ԾշԿ ᧉ⧀ᚈԶ ⻁㉨ ԾոԿ ⥉⿔Զ ⻁㉨ ԾչԿ ᧉ⧀ᚈԶ ⻁ ㉨ ԾպԿ ᚸᚈԶ ⻁㉨Զ ⌀ ⌀⒀ქ ⎄଼⑤Զ ⼸ ⼸῁Զ ᤛԶ ᚸ ⒀ქԶ ᤛԶ ⒈ᶸ⌀ ក⑤Զ ়ᕨ ⑤Զ ⼸ ԾջԿԶ ව㍤⑤Զ ㍠ 그림 1-4▸ 쉘터조건을 강화하지 않았을 때의 영향 제 1 장 공기조화의 기초 ▪ 13 Զ Զ Զ Զ Զ ԾշԿԶ ⌀ᧉԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾոԿԶ ଼ᤌ⥉Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾչԿԶ ᤵ῁⭁Զ ᤛԶ Ո☝ᚸԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾպԿԶ ᗴᦐԶ ጜྠԶ ᬠᒈ⒄ᇨ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾջԿԶ ව㍤㍠⑤Զ ᅠ㍠ 그림 1-5▸ 쉘터조건을 강화했을 때의 영향 요즈음은 주거용 건축물이나 산업용 생산현장에서 요구되는 환경은 더욱 까다롭 고 다양한 조건을 요구하게 되었다. 그러나 건축적 방법으로는 이와 같이 까다로 운 조건에 접근시킬 수 없다. 따라서 건축적인 방법으로 해결하지 못하는 범위는 기계적인 방법을 도입하게 되었다. 그림 1-6은 냉·난방을 위해 온도조절을 하는 경우에 건축적인 방법과 기계적인 방법의 상호 관계를 나타내고 있다. 그림 1-6▸ 외부조건의 변화와 건축적 방법, 기계적 방법 및 쾌적범위의 관계 14 즉 외부의 나쁜 기상 조건에도 불구하고 건축적인 방법과 기계적인 방법에 의 하여 실내 기온은 쾌적한 공기의 상태를 유지하게 된다. 또한 그림에서 알 수 있 듯이 쉘터의 조건을 강화하면 그만큼 기계적인 방법의 부담량은 감소됨을 알 수 있다. 이와 같이 인위적으로 실내 또는 일정한 공간의 공기를 사용 목적에 적합한 상 태로 조정하는 것을 공기조화(air conditioning) 또는 줄여서 공조 라고 한다. 여기에서 공기의 적당한 상태 라는 것은 온도, 습도, 기류, 청정도를 조절하는 것이 주 목적이기 때문에 이것을 공기조화의 4요소라고 한다. [3] 공기조화의 분류 공기조화의 분류는 그 목적하는 대상에 따라, 보건용 공기조화(comfort air cond- itioning)와 산업용 공기조화(industrial air conditioning)로 구분되며, 세부적인 분류는 다음과 같다. 공기조화 보건용 가정용 단독주택, 아파트 등 산업용 상업용 빌딩, 호텔, 병원, 극장 등 공장, 연구소, 창고 등 (1) 보건용 공기조화 보건용 공기조화는 쾌감용 공기조화라고도 하며 사람을 적용 대상으로 한다. 즉 쾌적한 주거환경을 유지하여 보건·위생 및 근무 환경을 향상시키기 위함을 목적 으로 한다. 그리고 적용 장소는 주거공간 및 사무소, 각종 점포, 오락실, 병원, 교 통기관, 실내 작업장 등이다. (2) 산업용 공기조화 보건용 공기조화가 인체를 대상으로 하는 것에 비하여 산업용 공기조화는 생산 과정에 있는 물질을 대상으로 한다. 즉 물질의 온도·습도의 변화 및 유지와 환경 의 청정화로 생산성 향상을 목적으로 한다. 응용 범위는 정밀기계공업의 가공과 조립, 측정실과 실험실, 반도체산업, 전산 실, 제약, 제과, 양조, 섬유, 제지공업을 비롯하여 농작물의 성장촉진 및 억제, 제 품창고, 수송 등으로 산업이 다양할수록 응용범위는 다양해지고 있다. 제 1 장 공기조화의 기초 ▪ 15 [4] 공기조화설비의 개요 공기조화설비(공조설비)는 그림 1-7과 같이 열원장치, 열운반장치, 공기조화기(공 조기), 터미널기구, 자동제어장치 등으로 구성된다. 그림 1-7▸ 공기조화설비의 계통도 (1) 열원장치 난방시 필요한 온열원장치로는 보일러를 사용하는 것이 일반적이며, 온수 및 증기를 공조기 내에 있는 가열코일로 공급하여 공기와 열교환시킴으로써 온풍으 로 만든다. 또, 냉방시에는 냉열원으로 냉동기가 사용되며, 냉동기의 증발기에서 냉각된 냉 수를 공조기의 냉각코일로 공급하여 공기와 열교환시킴으로써 냉풍을 만든다. 한 편, 냉동기의 응축기는 냉각탑으로부터 공급되는 냉각수에 의해 냉각된다. (2) 열운반장치 공기조화장치에서 열을 운반하는 매개물질인 열매체는 공기와 물이며, 공기는 송풍기(fan)의 힘으로 덕트(duct)를 통해 운반되고, 물은 펌프(pump)의 힘으로 배관 을 통해 운반된다. 16 이와 같이 열매체를 각 기기로 또는 기기에서 실내로 냉열이나 온열을 운반하 는 송풍기, 펌프, 덕트, 배관 등을 열운반장치라고 한다. (3) 공기조화기(공조기) 공기조화기는 실내로 공급되는 공기를 사용 목적에 적합하도록 만들기 위하여 여러 가지 기기로 구성되어 있다. 즉 실내로 재순환되는 환기와 신선한 외기를 혼 합시키는 혼합실(mixing chamber), 난방시에 공기를 가열하기 위한 가열코일(heating coil), 냉방시에 공기를 냉각·감습을 위한 냉각코일(cooling coil), 공기 중에 혼합되 어 있는 먼지 등의 불순물을 제거하는 필터(filter), 난방시 가습을 위해 물이나 증 기를 분무하는 가습노즐(nozzle) 등이 조합되어 있다. (4) 자동제어 장치 목적하는 실내 공기의 상태를 유지하며, 장치의 경제적인 운전을 위하여 위에 있는 각종 기기의 운전, 정지, 유량의 조절 등을 하는 밸브, 댐퍼, 각종 스위치 등 을 말한다. 1-2 열 환경 [1] 인체의 열생산 인체는 신진대사에 의해 열을 생산하는데, 신진대사량의 단위는 met로 표시하 고, 1 met는 신체표면적 1 m²당 1시간 동안에 58.2 /m²의 열로 변한다. 신진대사량은 표 1-1과 같이 활동량이 많을수록 증가하며, 1인당 인체로부터 생 산되는 열량은 식 1-1과 같이 계산한다. 열생산량[W]＝신진대사량[met]×신체표면적[m²]×환산계수 58.2[W/m²] (1-1) 여기서, 신체표면적은 보통 체격의 성인 남자인 경우 1.8 m²으로 한다. 제 1 장 공기조화의 기초 ▪ 17 표 1-1▸ 인체로부터 열생산량 활동상태 신진대사량[met] 열생산량[W] 취침 0.8 84 휴식 1.0 105 사무 작업 1.4 147 보행 3.2 km/h 2.1 220 계단 내려오기 4.2 440 계단 오르기 6.1 639 [2] 열평형과 방열형식 (1) 열평형 인체의 열생산량 W 은 체온을 유지하면서 남는 열은 그림 1-8과 같이 대류 , 복사 , 증발 의 형식으로 발산한다. 이때, 인체의 열생산량과 외부로 발산하는 열량이 같아서 평형을 이루면 쾌적하 지만 평형을 이루지 못하면 표 1-2와 같은 반응을 한다. 그림 1-8▸ 인체의 열발산 표 1-2▸ 열평형 조건과 반응 조건 상태식 현상 반응 평형 ＝ ＋ ＋ 쾌적 정상 방열량 과대 ＜ ＋ ＋ 춥다 땀구멍을 막고 대사량 증가 방열량 과소 ＞ ＋ ＋ 덥다 땀구멍을 연다 제 2 장 공기조화부하 계산 ▪ 53 2-1 개 요 [1] 용어의 정의 공기조화부하를 줄여서 공조부하라고 하며, 계산할 때 사용되는 용어와 계산의 흐름을 도시화하면 그림 2-1과 같다. 실외의 출입열 열취득, 열손실 실내의 발생열 실내에 축열되는 복사열 성분 (대류) 실열부하 (간헐공조) (연속공조) 외기부하 송풍기, 덕트로부터의 열 예냉·예열부하 제거열량 공조기부하 펌프, 배관으로부터의 열 열원부하 그림 2-1▸ 공조부하 계산의 흐름 (1) 열취득/열손실 외부로부터 들어오거나 실내에서 발생한 열량을 열취득이라 하며, 반대로 실내 에서 외부로 손실된 열량을 열손실이라고 한다. (2) 순간열취득/순간열손실 실내가 항상 일정한 온·습도로 유지되고 있을 때 어떤 시각에 실내로 들어오 는 열량을 순간열취득이라고 하며, 나가는 열량을 순간열손실이라고 한다. 54 (3) 실 열부하(실내부하) 실내의 온·습도를 일정하게 유지시키기 위하여 제거해야 할 열량 또는 공급해 야 할 열량을 실 열부하라고 한다. 순간취득열량 중에는 동시에 실 열부하가 되는 양도 있지만 건물 구조체와 내장재 등에 축열되었다가 시간이 지나면서 서서히 방열되므로 실 열부하가 순간열취득량과 일치하지는 않는다. (4) 외기부하 환기를 위해 외기를 공조기로 도입하여 실내의 온·습도 상태까지 냉각·감습하 거나, 가열·가습하는데 필요한 열량을 말한다. (5) 예냉부하/예열부하 실을 사용하는 시간동안만 공기조화를 하는 경우(간헐공조) 사용 시간 전(출근시 간 이전)부터 공조기를 예냉 및 예열운전을 하게 되는데, 이 운전시간 동안에 냉 각해야 할 열량을 예냉부하, 가열해야 할 열량을 예열부하라고 한다. (6) 공조기부하 공조기의 공기 냉각기나 가열기 등에서 처리해야 할 열부하를 말하며, 이것은 실 열부하 외에 외기부하, 송풍기와 덕트의 열부하, 재열부하 등을 포함한다. (7) 열원부하 공조기부하에 펌프 및 배관 등의 열부하를 더한 것으로서 이것은 냉동기나 보 일러 용량을 결정하는데 이용된다. (8) 현열부하/잠열부하/전열부하 공기의 건구온도를 변화시키기 위하여 가열 또는 냉각하는 열부하를 현열부하라 고 하며, 절대습도의 변화를 주기 위하여 가습 또는 감습하는 열부하를 잠열부하 라고 한다. 또한 현열부하와 잠열부하를 합한 것을 전열부하라고 한다. (9) 최대열부하 공조설비의 용량을 결정하기 위하여 연중 가장 추운 날 또는 가장 더운 날로 가정된 설계용 외기조건을 이용하여 계산된 부하량을 최대열부하라고 한다. (10) 기간부하(연간부하) 기간부하(연간부하)는 지역별 기상자료를 이용하여 계절 또는 1년 동안에 발생 제 2 장 공기조화부하 계산 ▪ 55 되는 총 공조부하를 합한 것으로서 합리적인 공조설비의 계획과 연간 운전비를 산출하는데 활용된다. [2] 공조부하 계산의 목적 공기조화 부하는 설계에서 운영·관리에 이르기까지 필요하며, 다음과 같이 목 적에 따라 정밀도를 다르게 한다. (1) 기본계획 단계 공조시스템과 장비선정, 설비기기의 설치공간 확보(기계실, 공조실, 배관, 덕트 및 샤프트 등의 배치)를 위한 것으로서 개략적인 부하계산이 필요하다. (2) 실시설계 단계 공조시스템의 결정, 공조장치의 용량선정, 배관과 덕트의 크기 결정 등 공조설 비의 상세설계를 위하여 정밀한 계산이 필요하며, 이 자료들은 설계도서 중의 하 나가 된다. (3) 시공 단계 시공 도중에 변경사항이 발생하여 일부를 재설계해야 하는 경우 실시설계 정도 의 정밀한 부하계산이 필요하다. (4) 운영관리 단계 건물이 완공되어 운영되는 기간에도 용도변경이나 사용 상황변화에 따른 개·보 수가 필요하면 이 때에도 정밀한 부하계산이 요구된다. 2-2 냉방부하 [1] 냉방부하의 발생요인 그림 2-2와 같은 냉방장치의 계통에서 냉방부하의 종류와 발생요인은 표 2-1과 같다. 56 그림 2-2▸ 냉방부하의 종류와 발생 요인 표 2-1▸ 냉방부하의 종류와 발생 요인 구분 부하의 발생 요인 현열 잠열 그림 2-2의 기호 실내 취득열량 벽체로부터의 취득열량 ○ ③④⑩⑪ ○ ① 기기로부터의 유리로부터의 ������직달일사에 의한 것 ○ ② 취득열량 ������ ○○ ⑨ 재열부하 취득열량 ������전도대류에 의한 것 ○○ ⑤ 외기부하 ○○ ⑥⑦⑧ 극간풍에 의한 취득열량 ○ ⑫ ○ ⑬ 인체의 발생열량 ○ ⑭ ○○ ⑮ 기구로부터의 발생열량 송풍기에 의한 취득열량 덕트로부터의 취득열량 재열기기의 가열량(취득열량) 외기의 도입으로 인한 취득열량 [2] 냉방부하와 기기 용량 표 2-1에서 실내 취득열량은 송풍기의 용량 및 송풍량을 산출하는 요인이 된다. 여기서 장치부하와 재열부하 및 외기부하를 합하면 냉각코일의 용량을 결정할 수 있다. 또한 그림 2-2에서 냉동기의 증발기와 공조기의 냉각코일에 접속되는 냉수 배관 도 주위로부터 현열을 얻게 되는데, 이 부하를 배관부하라고 하며, 냉각코일 용량 에 배관부하까지 합하면 냉동기의 용량이 된다. 즉 냉방부하와 기기용량과의 관계는 다음과 같다. 제 2 장 공기조화부하 계산 ▪ 57 실내취득열량 ������기기로부터의 취득열량 ������������������송풍량 결정 ������������ ������재열부하 ������외기부하 냉각코일의 용량 결정 ������������������ 냉동기의 용량 결정 ������냉수펌프 및 배관부하 [3] 냉방부하 계산법 냉방부하 계산법은 여러 가지가 소개되고 있으나, 여기서는 국내에서 일반적으 로 사용하는 법을 도입하기로 한다. (Cooling Load Temperature Differential)는 냉방부하 온도차라고 정의하며, 벽체나 지붕 및 유리의 관류부하를 계산하는데 사용된다. 냉방부하 온도차는 실내·외 온도차로서 외기온도, 일사의 영향, 건물 구조체, 내장재 등에 따라 축열된 후 실내로 열발산을 하므로 시각에 따라 다르게 나타 난다. 그림 2-3은 시각에 따른 실내·외 온도차와 ℃ 를 건물 구조체의 경구조 와 중구조로 구분하여 나타내었다. 여기서 보면 실내·외 온도차에 비하여 구조체 가 중후하면 축열되어 냉방부하온도차는 낮아지고 시간이 지연됨을 알 수 있다. 그림 2-3▸ 구조체에 따른 냉방부하 온도차 [℃] (Cooling Load Factor)는 냉방부하계수라고 정의하는데, 인체, 조명기구, 실내 에 있는 각종 발열기기로부터 취득된 열량이 건물 구조체, 내장재 등에 축열된 후 시간의 경과에 따라 서서히 냉방부하로 나타나는 비율을 말한다. 그림 2-4는 조명등을 켰을 때 발열량은 모두 냉방부하가 되지 않고 일부는 실내 58 에 저장되며, 조명등을 끈 경우에도 저장되었던 열이 냉방부하로 출현되는 현상을 나타내고 있다. 그림 2-4▸ 냉방부하계수 (Solar Cooling Load)은 일사냉방부하라고 정의하며, 유리를 통해 들어오는 일사열량이 시각, 방위별, 건물 구조체의 종류, 내부차폐, 벽체 수, 바닥마감 유형 등의 영향을 감안하여 냉방부하로 나타나는 양을 뜻한다. 그림 2-5는 어느 방위의 유리창이 받는 일사량이 실제 일사냉방부하 W m 로 나타나는 비교이다. 즉 법은 위의 3가지 요소들을 종합적으로 이용하여 냉방부하 를 계산하는 방법으로서 수계산으로도 가능하다. 그림 2-5▸ 시각에 따른 일사량과 일사냉방부하 Wm 제 3 장 공기조화의 계산식과 프로세스 ▪ 105 3-1 열평형식과 물질평형식 [1] 난방장치에서 열평형(energy balance)식과 물질평형(mass balance)식 (1) 열평형식 난방을 목적으로 하는 공조장치가 그림 3-1과 같을 때 kgs의 공기가 의 상태 로 들어와서, 장치 내에 있는 가열코일(coil)에 의해 kW 의 열과, 가습노즐(nozzle)에 의해 kgs의 수분(수분의 엔탈피는 kJkg이라고 하자)을 공급받아 가열·가습되어 의 상태 로 되어 나간다. 이 과정을 습공기 선도상에 나타내면 그림 3-2와 같이 된다. 그림 3-1▸ 난방장치의 구성 그림 3-2▸ 습공기선도상에서 상태변화 과정 그림 3-1에서 점선의 안쪽을 계(system)라 하면, 정상 유동과정에서 계로 들어오는 총 열량은 이 계(공조장치)를 빠져나가는 총 열량과 같다. 이 과정을 열평형식으로 정 리하면 식 (3-1)과 같이 되며, 이 개념은 공기조화에서 열량계산의 기초가 된다. 즉 그림 3-1과 같은 장치에서 열평형식은 다음과 같다. ⒱⭤ᕨԶᇰ⋀⌰ྠԶ⨩Զ⌀ᓕ ＝ ⒱⭤ᕨ⸼ԶඤऌྠԶ⨩Զ⌀ᓕ (3-1) 그림 3-1에서 장치로 들어오는 열량은 공기량 kgs가 엔탈피 kJkg을 가지고 들어오며 가열코일로는 kW , 가습되는 물의 양 kgs이 엔탈피 kJkg을 가지고 들어오며, 또 출구로 나가는 열량은 kgs의 공기가 엔탈 피 kJkg를 가지고 나간다. 106 그러므로 이를 식 (3-1)과 같은 열평형식으로 정리하면 식 (3-2)와 같은 계산식 이 된다. ․ ＋ ․ ＝ ․ (3-2) 여기서, kJs ＝ kW (2) 물질평형식 그림 3-1에서 장치 내를 출입하는 물질의 양이 시간적으로 변화가 없는 정상류 계라고 하면, 장치로 들어간 물질의 합은 장치로부터 나간 물질의 합과 같다. 여 기에서 물질은 수분만을 거론한다면 장치로 들어간 수분의 합은 장치로부터 나간 수분의 합과 같게 된다. 이 과정을 물질평형식으로 식 (3-3)과 같이 정리한다. ⒱⭤ᕨԶᇰ⋀ऌྠԶ⨩Զᡈ⛔Ծἤ᪐Կ⑤Զ⊝ ＝ ⒱⭤ᕨ⸼ԶඤऌྠԶ⨩Զᡈ⛔Ծἤ᪐Կ⑤Զ⊝ (3-3) 그림 3-1에서 장치로 들어오는 수분의 양은 공기 kgs가 절대습도 kgkg′ 을 가지고 들어오고, 또 가습노즐로 물 kgs이 들어오며, 한편 장치로부터 나 가는 수분의 양은 공기 kgs가 절대습도 kgkg′ 를 가지고 나간다. 그러므로 이를 식 (3-3)과 같은 물질평형식으로 정리하면 식 (3-4)와 같다. ․ ＋ ＝ ․ (3-4) [2] 냉방장치에서 열평형식과 물질평형식 (1) 열평형식 냉방을 목적으로 하는 공조장치에서는 그림 3-3과 같이 의 상태 인 공기 kgs가 냉각코일에 의해 의 상태 로 되어 나간다. 이때, 냉각코일의 표면온도가 통과하는 공기의 노점온도보다 낮으면 공기중의 수분이 응축되어 응축수받이를 통하여 kgs의 물이 장치로부터 계 밖으로 빠 져 나간다. 이 과정을 습공기선도상에 표시하면 그림 3-4와 같고, 이 과정을 정상류과정으 로 보고 열평형식으로 정리하면 다음과 같으며 식 (3-6)으로 정리할 수 있다. ⒱⭤ᕨԶᇰ⋀⌰ྠԶ⨩Զ⌀ᓕ ＝ ⒱⭤ᕨ⸼ԶඤऌྠԶ⨩Զ⌀ᓕ (3-5) 즉 계산식으로 다시 정리하면 (3-6) ․ － － ․ ＝ ․ 제 3 장 공기조화의 계산식과 프로세스 ▪ 107 그림 3-3▸ 냉방장치의 구성 그림 3-4▸ 습공기선도상에서 상태변화 과정 (2) 물질평형식 앞 절에 있는 그림 3-3은 kgs의 공기가 수분 kgkg′ 을 가지고 장치로 들어와서 kgs 만큼 응축되고 kgkg′ 를 가지고 나간다. 이 과정도 정상류과정으로 보고 물질평형식으로 정리하면 다음과 같다. ⒱⭤ᕨԶᇰ⋀⌰ྠԶ⨩Զᡈ⛔Ծἤ᪐Կ⑤Զ⊝ ＝ ⒱⭤ᕨ⸼ԶඤऌྠԶ⨩Զᡈ⛔Ծ᪐ἨԿ⑤Զ⊝ (3-7) 즉 계산식으로 다시 정리하면 (3-8) ․ － ＝ ․ Ⅼ⎀ΎΡΛΟ 어떤 장치는 가열 및 가습기가 있어서 kgs 의 습공기를 ＝ kJkg, ＝ kgkg′ 로 받아들여 ＝ kJkg, ＝ kgkg′로 변화시켜 내보 낸다면, 장치에서 공기에 가해진 열량 kW 와 가습기의 가습량 kgs을 각각 구하시오. 단, 가습수는 ℃ 이다. ⋘ 다음 그림과 같은 계를 출입하는 열평형식과 물질평형식을 각각 세우면, ) 물질평형식에 의하여 가습량 kgs 은 ․ ＋ ＝ ․ 108 따라서 ＝＝ － ＝ － ≒ kgs ) 열평형식에 의하여 가열량 kW 는 ․ ＋ ＋ ․ ＝ ․ 따라서 ＝＝ － － ․ ＝－－ × × ≒ kW 여기서, 물의 엔탈피 ＝ 물의 비열×수온 물의 비열 ≒ kJkg ․ K 3-2 여러 가지 과정에 따른 습공기의 상태변화 [1] 가열(현열만에 의한 가열) (1) 상태변화 과정 그림 3-5의 (a)와 같은 가열기는 외부로부터 현열량 kW 가 공급되며, 이로 인해 가열기로 들어오는 kgs의 습공기는 의 상태 로 들어와서 의 상태 로 변화하여 나간다. ԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԾշԿԶ⒱⭤⑤ԶḽԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶ ԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԶԾոԿԶⷨ᷍㍠Զਈ┡ 그림 3-5▸ 현열만에 의한 가열 제 3 장 공기조화의 계산식과 프로세스 ▪ 109 이때 외부로부터 공급되는 열이 전기가열기나 온수코일, 증기코일 또는 난로 등 과 같이 현열만 있고 잠열이 없을 때 습공기의 상태변화 과정은 그림 3-5의 (b)와 같다. 현열만에 의한 가열과정은 그림 3-5의 (a)에서 보는 바와 같이 상태변화 과정으로서 절대습도 와 노점온도 ″는 변화하지 않으며, 건구온도는 , 엔탈피는 , 습구온도는 ′ ′, 상대습도는 , 비체적은 로 각각 변화하는 것을 알 수 있다. (2) 계산식 그림 3-5의 (a)에서 가열기로 가열한 열량을 산출하기 위해서는 이 장치에 대한 열평형식을 세우고, 이 식으로부터 가열량 kW 를 구하면 식 (3-10)과 같으며, 그 림 3-5(b)에서는 이 과정 중에 습공기의 엔탈피 변화량＝－ 으로 표시된다. 즉 열평형식은 ․ ＋ ＝ ․ (3-9) 식 (3-9)로부터 가열량 kW 는 ＝ － ≒ － (3-10) ＝ － ≒ － 여기서, 1.01 공기의 단위질량kg 당 정압비열≒ kJkg ․ K 1.2 공기의 밀도kgm³ 1.21 공기의 단위체적m³ 당 정압비열≒ kJm³ ․ K 그림 3-5의 (b)와 같이 습공기가 현열변화만 하는 경우 ＝에 가열량 를 식 (3-11)과 같이 개략적으로 건조공기의 엔탈피 변화와 같이 나타냈다. 그 이유는 다음과 같이 온도변화에 따라 습공기 중에 포함되어 있는 수분 의 엔탈피 변화 량이 매우 적기 때문이다. 즉 그림 3-5에서 상태점 와 의 엔탈피 변화량 는 다음과 같이 해석할 수 있다. ＝－ ＝ ＋ ․ － ＋ ․ ＝ ․ ＋ ＋ ․ － ․ ＋ ＋ ․ ＝＋ ＋ －＋ ＋ 110 ＝ － ＋＝ － ＋＝ － ≒ － (3-11) 여기서, 과 상태에서 습공기의 엔탈피kJkg ：①과 ②상태에서 건공기의 엔탈피kJkg ：①과 ②상태에서 수증기의 엔탈피kJkg ：①과 ②상태에서 습공기의 건구온도℃ ：①과 ②상태에서 습공기의 절대습도kgkg′ ：건공기의 정압비열≒ kJkg ․ K ：수증기의 정압비열≒ kJkg ․ K ：0 ℃에서 물의 증발잠열≒ kJkg 위 식에서 보는 바와 같이 － ≫ － 이므로 절대습도의 변화 가 없는 현열변화인 경우에는 ≒ ․ 로 해도 큰 차이는 없다. [2] 냉각(현열만에 의한 냉각) (1) 상태변화 과정 그림 3-6의 (a)와 같이 냉각기는 계 밖으로(외부로) 현열량 kW 를 방출하며, 이로 인해 계 내로 들어오는 kgs의 습공기는 의 상태 에서 의 상태 로 변화되어 나간다. 이 과정을 습공기선도상에 나타내면 그림 3-6의 (b)와 같다. (2) 계산식 (3-12) 그림 3-6의 (a)에 의한 열평형식은 (3-13) ․ － ＝ ․ 따라서 냉각기에서 냉각된 열량 kW 는 ＝ － ≒ － ＝ － ≒ － 제 3 장 공기조화의 계산식과 프로세스 ▪ 111 Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾշԿԶ ⒱⭤⑤Զ ḽԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾոԿԶ ⷨ᷍㍠Զ ਈ┡ 그림 3-6▸ 현열만에 의한 냉각 Ⅼ⎀ΎΡΛΠ 건구온도 ℃ , 상대습도 ％ 인 습공기 m³h 를 포화공기의 상태까지 냉각시키기 위한 냉각열량을 구하시오. ⋘ 상태변화 과정은 다음 그림과 같으며 이에 따른 계산식은 다음과 같다. 식 (3-13)에 의해 ＝ － ＝ × － ≒ kW 또는 ＝ － ＝ × － ≒ kW 위의 2가지 방법에서 결과에 약간의 차이가 있는 것은 선도에서 수치를 읽을 때의 오차 때문이다. [3] 가습(잠열만에 의한 가습) (1) 상태변화 과정 그림 3-7의 (a)와 같은 가습장치에서 계 내로 들어오는 kgs의 습공기를 가 습하여 의 상태 에서 의 상태 로 변화시키고 있다. 112 이 과정을 습공기선도상에 나타내면 그림 3-7(b)와 같으며, 이때 가습물질 kgs이 공기의 건구온도에 변화를 주지 않고 가습효과만 준다면 습공기의 변 화과정은 다음과 같다. Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾշԿԶ ⒱⭤⑤Զ ḽԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾոԿԶ ⷨ᷍㍠Զ ਈ┡ 그림 3-7▸ 잠열만에 의한 가습 즉 건구온도 는 변화하지 않고, 절대습도는 , 엔탈피는 , 습구온 도는 ′ ′, 노점온도는 ″ ″, 상대습도는 , 비체적은 로 각 각 변화한다. (2) 계산식 그림 3-7의 (a)에 의해 열평형식은 ․ ＋ ＝ ․ (3-14) 따라서 가습으로 인하여 공기에 가해진 가열량 kW 은 식 (3-14)에 의하여 ＝ － ＝ － (3-15) ＝ － ＝ － 그림 3-7의 (a)에 의한 물질평형식은 ․ ＋ ＝․ (3-16) 따라서 가습증기량 kgs은 식 (3-16)에 의하여 ＝ － (3-17) ＝ － 그림 3-7의 (b)와 같이 습공기가 잠열만의 변화 ＝를 하는 경우 ＝ 제 3 장 공기조화의 계산식과 프로세스 ▪ 113 로 바꾸어도 큰 차이는 없다. 그 이유는 앞 식 (3-11)에서 언급한 바와 같은 형식으 로 다음과 같이 해석할 수 있다. ＝ － (3-18) ＝ ＋ ․ － ＋ ․ ＝ ․ ＋ ＋ ․ － ․ ＋ ＋ ․ ＝＋ ＋ －＋ ＋ ＝ － ＋ － ＋＝ － ≒ － 위 식에서 보는 바와 같이 － ≫ － 이므로 건구온도의 변 화가 없고 잠열변화만 있는 경우에는 ≒ 로 놓아도 큰 차이는 없다. [4] 가열·가습 (1) 상태변화 과정 그림 3-8의 (a)와 같이 장치 내에 가열기와 가습기가 조합되어 있다. 계 외부에서 kgs의 습공기가 의 상태 로 들어와서 가열기로부터 현열량 kW 를 공급받아 의 상태 로 변화된 후, 또 계 외부로부터 가습증기kgs 을 공급받아 의 상태 ＝ 로 변화된 후 계 밖으로 나간다. 이때 가습 증기의 엔탈피는 kJkg로 가정한다. 이 과정을 그림 3-8의 (b)와 같이 습공기선도상에 나타내면 변화과정은 으로 되며, 결국은 으로 변화된 결과와 같다. Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾշԿԶ ⒱⭤⑤Զ ḽԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾոԿԶ ⷨ᷍㍠Զ ਈ┡ 그림 3-8▸ 가열·가습 114 여기에서 과정 는 습공기의 현열변화이고, 과정 은 습공기의 잠 열변화이며, 이의 합은 으로서 전열변화량이다. (2) 계산식 (3-19) 그림 3-8(a)에서 가열기만을 하나의 계로 볼 경우 열평형식은 (3-20) (3-21) ․ ＋ ＝ ․ (3-22) 따라서 식 (3-19)에 의해 가열기의 가열량인 현열량 kW 는 (3-23) ＝ － ＝ － (3-24) ＝ －＝ － (3-25) 또 가습기만을 하나의 계로 볼 경우 열평형식은 ․ ＋ ＝ ․ 따라서 식 (3-21)에 의해 가습증기로 인해 가열된 잠열량 kW 은 ＝ － ＝ － ＝ － ＝ － 그러므로 장치 전체의 가열량 kW 는 ＝＋ ＝ － ＝ － 한편, 가습기에서의 물질평형식은 ․ ＋ ＝ ․ 따라서 가습기에서의 가습증기량 kgs은 식 (3-24)에 의해 ＝ － ＝ － (3) 현열비(：Sensible Heat Factor) 그림 3-8에서 보는 바와 같이 공조장치에서 공기에 가해지는 열량은 현열량 와 잠열량 이 있다. 현열비 는 공기에 주어진 전체열량 ＋ 에 대한 현열량 의 비율로 정의하며, 다음 식과 같이 나타낸다. 제 3 장 공기조화의 계산식과 프로세스 ▪ 115 ＝ (3-26) ＋ 식 (3-26)에서 알 수 있는 바와 같이 공기에 주어지는 잠열량이 없으면(가습되지 않으면) ＝ 이 되어 습공기선도상에서 수평의 변화과정이 되며, 현열량이 없 으면 ＝ 이 되어 습공기선도상에서 수직선상의 변화과정이 된다. 공기조화에서 실의 공기부하에 대한 를 알면 그 실에 어떠한 성질의 공기 를 공급시켜야 하는가를 판단할 수 있다. (4) 열수분비 또는 수분비 [kJ/kg] 습공기의 상태변화량 중 수분의 변화량과 엔탈피변화량의 비율을 열수분비 또는 수분비(moisture ratio) 로 정의하고, 식 (3-29)와 같이 나타낸다. 예를 들면 그림 3-8과 같이 상태 의 변화과정에서 열수분비는 다음과 같 이 유도할 수 있다. 그림 3-8에서 열평형식에 의하면 ＋ ＝＋ ․ (3-27) 또 물질평형식은 － ＝ (3-28) 따라서 식 (3-27)과 식 (3-28)에 의해 열수분비 kJkg ＝ 엔탈피의 변화량 수분의 변화량 ＝ － ＝ ＋ ․ ＝ ＋ (3-29) － ＝ Ⅼ⎀ΎΡΛΡ 건구온도 20 , 상대습도 50 %인 습공기 8,000 kg/h를 가열·가습하여 건구온 도 30 , 상대습도 50 %인 상태로 만들려고 할 때 ) 현열량, ) 잠열량, ) 전열량, ) 가습증기량, ) 현열비, ) 열수분비를 습공기선도를 이용하여 각 각 구하시오. ⋘ 다음 그림과 같이 가열·가습과정①→③ 은 가열과정①→② 과 가습과정② →③ 으로 구분하여 도시하고, 각 상태점의 상태량으로 다음과 같이 계산할 116 수 있다. ) 현열량 kW 는 식 (3-20)에 의해 ＝ － ＝ － ≒ kW 또는 ＝ － ＝ × － ≒ kW ) 잠열량 kW 는 식 (3-22)에 의해 ＝ － ＝ － ≒ kW 또는 ＝ － ＝ × － ≒ kW 여기서, kW 와 kW 가 일치하지 않는 것은 선도의 판독에 오차가 있기 때문이다. ) 전열량 kW 는 ＝＋ ＝＋＝ kW ) 가습증기량 kgs은 식 (3-25)에 의해 ＝ － ＝ － ≒ kgs ) 현열비 는 식 (3-26)에 의해 ＝ ＝ ≒ ＋ ＋ ) 열수분비 는 식 (3-27)에 의해 ＝ － ＝ － ≒ kJ kg － － 제 4 장 공기조화방식 ▪ 149 4-1 열원방식 공기조화에서 사용되는 냉·온열원방식 및 냉열매( )와 온열매( )는 다음과 같은 종류가 있다. [1] 냉열매 (1) 냉수 냉수를 냉열매로 하는 열원방식은 그림 4-1과 같이 냉동기의 증발기에서 냉매의 증발에 의해 냉각된 냉수를 기계실 또는 실내에 있는 유닛(unit)의 냉수코일로 순 환시켜 공기를 냉각시키는 간접냉각 방식이다. 그림 4-1▸ 냉수를 냉열매로 하는 열원방식 이 방식의 장점은 냉매방식에 비하여 중앙공급이 용이하여 대규모 건물의 냉방 에 적합하고, 외기도입 및 소음처리가 쉬우며 또한 중앙감시제어를 할 수 있으므 로 보수·관리가 쉽다. 그러나 냉열의 수송동력비가 냉매방식에 비해 많이 들고, 개별 제어성이 좋지 않다. 따라서 냉수방식은 대규모 건축물에서 사용시간대가 동일한 중앙공급식 냉방에 적합하다. 150 (2) 냉 매 냉매를 유닛 내에서 직접 팽창시키는 열원시스템은 그림 4-2와 같이 냉각기(증 발기)를 실내에 두고 공기를 냉각코일로 통과시켜 냉각시키는 직접냉각방식이다. 이 방식의 장점은 냉수방식에 비하여 현장설치가 간단하고, 냉매의 수송 동력비 가 적게 들며, 개별 제어가 쉽다. 그러나 단점은 냉매배관이 길거나 대규모 건물과 같은 경우는 적합치 않으며, 설 치 대수가 많으면 유지·관리가 힘들고, 외기 도입 및 소음처리가 곤란하다. 따라서 냉매를 냉열원으로 하는 방식은 소규모 건물에서 운전시간이 각 실마다 현저한 차이가 있는 경우의 냉방에 적합하다. 그림 4-2▸ 냉매를 냉열매로 하는 열원방식 그림 4-3▸ 증기를 온열매로 하는 열원방식 [2] 온열매 난방을 목적으로 하는 온열매는 다음과 같이 증기, 고온수, 중온수, 저온수 등이 있다. (1) 증기 증기를 온열매로 하는 공기조화 계통은 그림 4-3과 같다. 이 방식은 보일러의 물을 가열증발시켜 그 증발잠열을 이용하는 방법으로서 배 관을 통해 열교환기 또는 공조기에 수송되어 방열된 후 응축되어 환수된다. 증기방식의 장점은 설비비가 저렴하고 유지·보수가 용이하며, 열매( )의 온 도가 높아서 방열면적이 적게 필요하며, 예열시간이 짧고 간헐난방에 대한 추종성 이 좋다. 그러나 단점은 용량 제어가 어렵고 환수관이 잘 부식되며, 응축수에 의한 열손 실이 크고, 소음 및 진동과 배관이 복잡한 점들이다. 제 4 장 공기조화방식 ▪ 151 따라서 비교적 큰 대규모 건물의 난방용으로 적합하다. (2) 고온수 고온수를 온열매로 하는 공기조화계통은 그림 4-4와 같이 보일러에서 1차측 온 수인 고온수를 만들어 열교환기에서 2차측 온수인 중온수로 열교환하여 사용한다. 이 방식은 대량의 열을 장거리로 수송하는 경우에 물의 온도차를 높여 배관경 을 줄일 수 있는 방법으로 대단위 플랜트에 이용된다. 고온수방식의 장점은 온도차를 크게 취할 수 있으므로 배관경을 줄일 수 있고 (재료비 절감), 증기에 비하여 배관부식이 적고 용량 제어가 쉽다. 그러나 단점은 보일러의 용량이 커지고, 예열시간이 길며 설비비가 많이 든다. 또한 고온이 되기 위해서는 고압이 요구되며, 이에 따른 높은 정밀도와 내압이 요 구된다. 따라서 이 방식은 대규모 아파트 단지의 중앙공급 난방설비나 플랜트설비 등에 사용한다. 그림 4-4▸ 고온수를 온열매로 하는 열원방식 그림 4-5▸ 중온수를 온열매로 하는 열원방식 (3) 중온수 중온수를 온열매로 하는 공조계통은 그림 4-5와 같이 보일러에서 생산된 1차측 온수인 중온수와 유닛을 순환하는 2차측 온수인 저온수를 부하에 따라서 3방밸브 에 의해 혼합하여 순환시킨다. 이 방식의 장·단점은 고온수방식과 비슷하며, 중규모의 아파트단지 등에서 난 방용으로 사용된다. (4) 저온수 저온수에 의한 온열원 방식의 계통은 그림 4-6과 같으며, 순환수의 온도를 152 70~80 의 온도로 순환시킨다. 장점으로는 초기투자비가 저렴하고, 기계실의 설치면적이 적게 들며, 유지·관리 가 쉽고 용량제어가 용이하다. 그러나 단점은 예열부하가 크고, 예열손실이 크다. 따라서 이 방식은 비교적 소 규모 건물이나 개인 주택의 난방에 적용된다. 그림 4-6▸ 저온수를 온열매로 하는 열원방식 4-2 공기조화방식의 분류 공조방식은 분류법에 따라 다르지만 일반적으로 표 4-1과 같이 분류한다. [1] 열의 분배 방법에 의한 분류 (1) 중앙방식(central system) 각 실이나 존(zone)에 공급해야 할 공조용 열매체인 냉·온수 또는 냉·온풍을 만드는 장소를 중앙기계실이라고 하며, 중앙방식의 공조 시스템은 중앙기계실로부터 조화된 공기나 냉·온수를 각 실로 공급하는 방식으로 열을 운반하는 매체의 종류에 따라 전공기방식(all air system), 공기·수방식(air-water system), 전수방식(all water system)으로 분류된다. 이 방식들은 보일러나 냉동기, 공조기 등이 설치되어 있는 중앙기계실로부터 각 실로 덕트나 배관을 통해 냉·온풍이나 냉·온수를 공급해야 하므로 덕트 스페이 제 4 장 공기조화방식 ▪ 153 스(duct space)나 파이프 스페이스(pipe space) 및 샤프트(shaft)가 있어야 한다. 그러나 열원기기가 중앙기계실에 집중되어 있으므로 유지관리가 편리하다. 따라서 이 방식은 주로 규모가 큰 건물에 적용된다. 표 4-1▸ 공조방식의 분류 분류 명칭 정풍량방식 말단에 재열기가 없는 방식 말단에 재열기가 있는 방식 단일덕트방식 재열기가 없는 방식 변풍량방식 재열기가 있는 방식 전공기방식 정풍량 2중덕트 방식 2중덕트방식 변풍량 2중덕트 방식 중앙방식 멀티존 유닛방식 덕트 병용의 패키지방식 각층 유닛방식 공기·수방식 덕트 병용 팬코일 유닛방식 유인 유닛방식 (유닛 병용 방식) 복사 냉난방방식 전수방식 팬코일 유닛방식 패키지방식 개별방식 냉매방식 롬 쿨러방식 멀티유닛방식 (2) 개별방식(individual system) 개별방식은 각 층 또는 각 존에 각각 공기조화 유닛(unit)을 분산시켜 설치한 것 으로서 개별 제어 및 국소운전이 가능하여 에너지 절약적이다. 그러나 각 유닛마다 냉동기를 갖추고 있어서 소음과 진동이 크며, 외기냉방을 할 수 없고 또 유닛이 여러 곳에 분산되어 있어 관리하는 것이 불편하다. [2] 운반되는 열매체에 의한 분류 (1) 전 공기방식(all air system) 전 공기방식에는 표 4-1과 같이 단일덕트방식, 2중덕트방식, 덕크 병용 패키지 (package), 각층 유닛방식 등이 있다. 이 방식들은 그림 4-7과 같이 중앙공조기로부터 덕트를 통해 냉·온풍을 공급받 는다. 154 그림 4-7▸ 전공기 방식 전공기 방식의 특징은 송풍량이 많아서 실내 공기의 오염이 적고, 중간기에 외 기냉방이 가능하다. 또한 실내에는 취출구나 흡입구를 설치하면 되므로 팬코일유 닛(fan coil unit)과 같은 기구의 노출이 없어서 실내 유효면적을 넓힐 수 있고, 실 내에 배관으로 인한 누수의 우려도 없다. 그러나 대형 덕트로 인한 덕트 스페이스가 필요하고, 열매체인 냉·온풍의 운반 에 필요한 팬의 소요동력이 냉·온수를 운반하는 펌프동력보다 많이 들며, 또한 넓은 공조실을 필요로 한다. 이 방식의 적용은 m 이하의 소규모 건축, 중규모 이상의 다층건축의 내 부 존, 극장의 관객석과 같이 많은 풍량을 필요로 하는 곳, 병원의 수술실, 공장의 클린룸(clean room)과 같이 청정을 필요로 하는 곳에 적용된다. (2) 전 수방식(all water system) 전 수방식은 보일러로부터 증기 또는 온수나 냉동기로부터의 냉수를 각 실에 있는 유닛(FCU 팬코일 유닛)으로 공급시켜 냉난방을 하는 것으로서 그림 4-8과 같이 배관에 의해 공조공간(실내)으로 냉·온수를 공급한다. 이 방식의 장점은 덕트 스페이스가 필요 없고, 열매체가 증기 또는 냉·온수이 므로 열의 운송동력이 공기에 비해 적게 소요되며 또한, 각 실의 제어가 쉽다. 그러나 단점으로는 송풍공기가 없어서 실내공기의 오염이 심하며, 실내의 배관 에 의해 누수될 우려가 있다. 이 방식의 적용은 객실, 업무용 사무실, 병실 등과 같이 극간풍이 비교적 많고, 재실인원이 적은 방에 적당하다. 제 4 장 공기조화방식 ▪ 155 그림 4-8▸ 전 수방식(FCU：코일유닛) (3) 공기·수방식(air-water system) 공기·수방식은 공기방식과 수방식을 병용한 것이다. 이 방식의 종류는 표 4-1 과 같이 덕트 병용 팬코일 유닛방식, 유인 유닛방식, 덕트 병용 복사냉난방방식 등이 있으며, 각각의 원리는 그림 4-9, 4-10, 4-11과 같다. 이 방식들은 전 공기방 식과 전 수방식의 장점을 갖고 있으며, 서로의 단점을 보완시킨 방식이다. 즉 장점으로 페리미터 존(perimeter zone, exterior zone)과 같은 곳을 수배관에 의 한 팬코일 유닛(FUC) 같은 것으로 냉·난방부하를 처리함으로써 덕트 덕트스페이 스가 작아도 된다. 또 유닛 1대로 극소의 존을 만들 수 있어서 존의 구성이 용이하고, 수동으로 각 실의 온도제어를 쉽게 할 수 있으며, 열 운반 동력은 전 공기방식에 비하면 적게 든다. 그림 4-9▸ 공기·수방식[덕트 병용 팬코일유닛 방식] 156 그림 4-10▸ 공기·수방식[IDU：유인유닛] 그림 4-11▸ 공기·수방식[덕트 병용 복사 냉·난방] 그러나 단점으로는 유닛 내의 필터(filter)가 저성능이므로 공기의 청정에 큰 도 움이 못되며, 필터를 정기적으로 청소해야 한다. 또한 실내에 수배관이 있으므로 누수의 우려와 유닛의 소음 및 유닛의 설치 공간이 필요하다. 따라서 공기·수방식의 적용은 사무소건축, 병원, 호텔 등에서 외부 존은 수방 식으로, 내부 존(interior zone)은 공기방식으로 하는 경우가 많다. (4) 냉매방식(direct expansion system) 이 방식은 냉동기 또는 히트펌프(heat pump) 등의 열원을 갖춘 패키지 유닛 (package unit)을 사용하는 방법으로 그 종류는 룸 쿨러(room cooler), 멀티 유닛형 룸 쿨러(multi unit type room cooler), 패키지형(package type) 등이 있으며, 또 사용 목적에 따라 냉방용과 냉·난방용이 있다. 제 4 장 공기조화방식 ▪ 157 이 유닛들은 설치 위치에 따라 벽걸이형, 바닥설치형, 천장매립형 등이 있으며, 또 응축기의 냉각 방법으로는 공랭식, 수랭식이 있다. [3] 제어방식에 의한 분류 공기조화 공간의 온도, 습도 및 풍량 등을 제어하는 범위에 따라 다음과 같이 분류한다. 전체 제어방식 존별 제어방식 개별 제어방식 [4] 공급 열원에 의한 분류 단열원방식 복열원방식 냉방할 때는 냉동기만을, 난방을 할 때는 보일러만을 갖춘 경우를 단열원방식이 라 한다. 복열원방식은 냉방시나 난방시에 냉동기와 보일러를 모두 갖추고 있어서 실내 의 부하변동에 즉시 대응할 수 있는 방식으로 다음에 기술하는 2중덕트 방식이나 3관식, 4관식의 배관방식을 적용시켜 연간을 통해 냉·온수를 공급할 수 있도록 한다. 4-3 단일덕트방식 [1] 시스템의 구성 단일덕트방식은 그림 4-12와 같이 공기방식으로 공조기(AHU Air Handling Unit)에서 조화된 냉풍 또는 온풍을 하나의 덕트를 통해 각 취출구로 송풍하는 가 장 보편적인 방식이다. 공조기에는 가열기, 냉각기, 가습기, 에어 필터, 송풍기 등을 갖추고 있다. 158 [2] 방식의 특징 (1) 장점(2중덕트방식과의 비교) 그림 4-12▸ 단일덕트방식(CAV방식) 덕트가 1계통이므로 시설비가 적게 들 고, 덕트 스페이스도 적게 차지한다. 냉풍과 온풍을 혼합하는 혼합상자가 필 요 없으므로 소음과 진동도 적다. 냉·온풍의 혼합손실이 없으므로 에너지 절약적이다. 전 공기방식의 특성이 있다. (2) 단점 각 실이나 존의 부하변동에 즉시 대응할 수 없다. 부하특성이 다른 여러 개의 실이나 존이 있는 건물에 적용하기가 곤란하다. 실내부하가 감소될 경우에 송풍량을 줄이면 실내 공기의 오염이 심하다. 4-4 단일덕트 재열방식 [1] 시스템의 구성 일반적으로 단일덕트 정풍량방식은 냉방부하가 감소되어도 취출되는 냉풍량이 일정하므로 실내온도가 내려간다. 또 사람이 많이 모이는 장소라든가, 식당, 주방 등과 같이 잠열부하가 많이 발생되는 장소는 현열비 가 적기 때문에 냉각기 만 있는 공조기 출구공기는 습공기선도상에서 그려 보면 냉각된 공기와 평행 선과 교차하지 않는다. 따라서 냉각기 출구공기를 재열기(reheater)로 가열(재열) 후 송풍하므로 덕트 내 의 공기를 말단재열기(terminal reheater) 또는 존별 재열기(zone reheater)를 설치하 고, 증기 또는 온수로 송풍공기를 가열하여 취출한다. 그림 4-13의 (a)는 말단재열방식이고, 그림 (b)는 존별 재열방식이다. 제 4 장 공기조화방식 ▪ 159 Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾշԿԶ ᛜⒸ⌀ᤵῩԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾոԿԶ ▀᧐Զ Ⓒ⌀ᤵῩ 그림 4-13▸ 단일덕트 재열방식 말단재열방식은 송풍되는 공기를 각 실 또는 각 취출구별로 재열기를 설치하고, 개 별 제어를 실시함으로써 연간 온·습도 제어가 가능하다. 그러나 재열기의 수가 많아 지고, 재열부하가 증대하기 때문에 설비비, 경상비가 존별 재열방식보다 많아진다. 그림 (b)는 중앙공조기로부터 각 존으로 송풍되는 공기를 존별로 설치된 재열기 로 각 존의 부하특성에 따라 재열하는 것으로 설비비 및 경상비는 말단재열방식 보다는 적게 소요된다. 따라서 단일덕트 재열방식은 여름에도 보일러를 가동해야 하는 방식으로 일반 공조용으로는 사용되지 않는다. [2] 방식의 특징 (1) 장점 부하특성이 다른 여러 개의 실이나 존이 있는 건물에 적합하다. 잠열부하가 많은 경우나 장마철 등의 공조에 적합하다. 설비비는 일반적으로 단일덕트(재열기 없는 경우) 방식보다는 많고, 2중덕트 방식보다는 적게 든다. 전 공기방식의 특성이 있다. (2) 단점 재열기의 설비비 및 유지·관리비가 많이 든다. 160 재열기의 설치 공간이 필요하다. 냉각기에 재열부하가 추가된다. 여름에도 보일러의 운전이 필요하다. 재열기가 실내측에 있는 경우 누수의 우려가 있다. 4-5 2중덕트방식 [1] 시스템의 구성 2중덕트방식은 공조기에 냉각코일과 가열코일이 각각 있어서 냉방시나 난방시를 불문하고 냉풍 및 온풍을 만든다. 냉풍과 온풍은 각각 별개의 덕트를 통해 각 실 이나 존으로 송풍하고, 냉·난방부하에 따라 혼합상자(mixing box air blender)에서 혼합하여 취출시키는 것으로 그림 4-14와 같은 방식이다. 또, 2중덕트방식의 일종으로 그림 4-15와 같이 공조기에서 송풍되는 냉·온풍을 혼합댐퍼(mixing damper)에 의해 일정한 비율로 냉·온풍을 혼합한 후 각 존 또는 실로 보내는 방식으로 이를 멀티존(multi zone)방식이라 한다. 그림 4-14▸ 2중덕트방식 그림 4-15▸ 멀티존(multi zone)방식 제 6 장 취출구 및 흡입구와 기류분포 ▪ 247 6-1 취출구의 분류 실내에 공기를 공급하는 취급구는 분류방식에 따라 여러 가지로 분류할 수 있 지만, 설치위치에 따라 분류하면 천장에 설치하여 하향으로 취출하는 천장취출구 와 벽면에 설치하여 수평방향으로 취출하는 벽면취출구 및 창틀 밑에 또는 창 위 쪽에 설치하여 상향 또는 하향으로 취출하는 라인형 취출구 등으로 분류된다. 그 러나 라인형 취출구는 천장이나 벽에도 설치된다. 또 취출공기의 흐름 형식에 따라 확산형, 축류형으로 분류하기도 한다. 이러한 형식의 취출구는 각 제작회사에서 용도 및 실내 인테리어의 미적인 환 경에 만족할 수 있도록 다양한 모양의 제품을 제작한다. 표 6-1은 종류별로 분류된 취출구의 예이다. 방식 표 6-1▸ 취출구의 분류 예 천장취출구 종류 원형；그림 6-10(b) 각형；그림 6-10(a) 라인형취출구 아네모스탯(annemostat) 그림 6-13 그림 6-14 축류형 웨이(way)형 그림 6-16 취출구 팬(pan)형 그림 6-18 베인격자형 라이트 트로퍼(light-troffer)형 취출구 다공판(multi-vent)형 그림 6-20 브리즈 라인(breeze line)형 그림 6-22 캄 라인(calm line)형 그림 6-24 T-라인(T-line)형 그림 6-26 슬롯 라인(slot line)형 그림 6-27 T-바(T-bar)형 그림 6-28 노즐(nozzle)형 그림 6-29 펑커(punka louver)형 그림 6-31 베인(vane)격자형 248 6-2 취출공기의 이동 [1] 유인작용과 속도분포 취출구에서 실내로 취출되어 나온 공기를 1차공기(primary air), 실내에 있던 공 기 중에서 취출공기와 혼합되는 공기를 2차공기(secondary air)라 한다. 취출구에서 불어내는 1차공기는 그림 6-1에서 보는 바와 같이, 주위로부터 2차공 기를 유인하여 1차공기와 혼합한다. 이 혼합된 공기를 전공기(total air)라고 한다. 그림 6-1▸ 천장취출구에서 1차공기에 의한 2차공기의 유인작용 이 유인작용은 운동량의 법칙에 의하여 다음과 같이 정리할 수 있다. ․ ＋․ ＝ ＋ × (6-1) 여기서, , 1차공기 및 2차공기의 질량 , , 1차, 2차 및 전공기의 속도 또한, 1차공기와 전공기의 비를 유인비 라 하며, 다음과 같이 정의한다. ＝ 차공기량＋차공기량 ＝ 전공기량 (6-2) 차공기량 차공기량 취출공기는 유인작용에 의해 주위 공기를 끌어 들이므로 취출구로부터 멀어질수 록 공기량은 증가하고, 속도는 감소하여 기류는 원추형태로 퍼져 나간다. 그러나 제 6 장 취출구 및 흡입구와 기류분포 ▪ 249 어느 한계를 지나면 기류의 속도가 낮아져서 유인작용을 하지 못하고 주위로 확 산된다. 한편, 동일한 풍량이 동일한 압력상태에서 실내로 취출되는 경우에 원형 단면을 갖는 취출구보다는 단면의 둘레가 긴 직사각형으로 된 취출구에서 유인작 용이 더욱 잘 일어난다. 그림 6-2는 벽면에 설치된 축류형 취출구에서 취출되는 기류의 상태를 나타낸 것으로 매우 복잡한 흐름을 볼 수 있다. 그러나 분출되는 기류는 그림 6-3과 같이 4단계의 영역으로 구분하여 취출구로부터 m 거리에서의 풍속 ms는 각각 다음과 같다. 그림 6-2▸ 축류형 취출구에서의 기류분포 그림 6-3▸ 취출기류의 속도분포 (1) 제1영역 취출구에서 분출되는 공기는 아주 짧은 거리에서 속도의 변화가 없다. 예를 들 면, 노즐이나 오리피스 형상의 취출구에서는 취출구 직경의 2~6배 정도의 범위 250 내에서는 속도의 변화가 없는 제1영역으로 본다. 즉 ＝인 영역이다. (2) 제2영역 취출거리가 점차 멀어지면 도 작아지게 되는 영역으로서 일명 천이구역이라 고도 한다. 이 영역은 장방형 혹은 격자형 취출구와 같이 아스펙트비(aspect ratio) 가 큰 취출구일수록 이 영역은 길어진다. 즉 ∝ 인 영역이다. (3) 제3영역 취출구로부터 더욱 멀리 떨어지면 주위 공기와 충분히 혼합되는 부분으로 취출 거리의 대부분을 차지하며, 이 영역은 취출구의 종류에 따라 특성이 현저하다. 제 3영역은 취출기류가 msec까지 감소되는 곳으로서 1차공기(취출공기)가 취출 속도에 의해 도착되는 한계영역이다. 즉, ∝ 인 영역이다. (4) 제4영역 취출기류의 속도가 급격히 감소되어 주위 공기를 유인하는 힘이 없어서 혼합된 공기(1차공기 2차공기)까지도 주위로 확산되는 영역이다. 즉 ＜ ms인 영역이다. [2] 도달·강하 및 상승거리 그림 6-4와 같이 벽면에서 공기를 수평으로 취출하는 경우에 취출공기와 실내공 기의 온도가 동일하면 공기의 비중도 동일하므로 그림 (a)와 같이 수평방향으로 퍼져나갈 것이다. 그러나 취출공기의 온도가 실내공기의 온도보다 높으면 취출공기가 가벼워서 (b)와 같이 천장쪽으로 뜨면서 퍼져나가고, 또 취출공기의 온도가 낮으면, (c)와 같 이 바닥으로 가라앉으면서 퍼져 나간다. 이때, 취출구로부터 기류의 중심속도 가 ms로 되는 곳까지의 수평거리 m ax 을 최대 도달거리라 하고, 또 가 ms로 되는 곳까지의 수평거리 m in 을 최소 도달거리라 한다. 또한 상승기류인 경우는 그림 (b)와 같이 최대 도달거리 제 6 장 취출구 및 흡입구와 기류분포 ▪ 251 Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾշԿԶ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ Զ ԾոԿ Զ Զ Զ ԾչԿ 그림 6-4▸ 수평취출기류의 도달·강하 및 상승거리 에 상당하는 점까지의 높이를 상승거리 라 하고, 또 강하하는 기류는 그림 (c) 와 같이 최대 도달거리에 상당하는 점까지의 높이를 강하거리 라고 한다. 따라서 도달거리는 취출기류의 풍속에 비례하고, 강하거리나 상승거리는 기류의 풍속 및 실내공기와의 온도차에 비례한다. 취출기류가 그림 6-5의 (a)와 같이 수직으로 하향취출을 하는 경우에도 온풍이면 공기의 비중량이 낮아지므로 부력에 의해 도달거리는 짧아지고, 냉풍을 하향취출 할 경우에는 그 반대작용에 의해 도달거리는 길어진다. 그림 6-5▸ 수직, 수평기류의 도달, 강하 및 상승기류