공조냉동기술의 효용

공조냉동기술의 가장 기본적인 효용은 우리가 쾌적한 환경에서 생활할 수 있도록 공기의 온도와 습도를 조절할 수 있다는 것입니다. 지구 상 대부분의 지역은 인간이 살아가기에 부적합한 온도와 습도의 기후 상태입니다. 오히려 극한의 기후를 경험해야 하는 곳이 더 많을 것입니다. 4개절이 뚜렷한 우리나라는 여름철에는 고온다습하고 겨울철에는 저온저습한 환경이기 때문에 우리가 생활하는 공간의 공기 온도와 습도를 필수적으로 조절해야만 합니다. 공기 온도와 습도를 우리가 원하는 대로 조절하려면 가장 먼저 그것에 대해 알아야 합니다.

건구온도와 습구온도

건구온도는 건조한 상태의 온도계가 표시하는 온도를 나타내며, 습구온도는 온도계의 수은구 부분에 거즈를 감고 물에 적셨을 때 증발하는 상태에서의 온도를 말합니다.

온도는 건구온도, 습구온도로 나뉘고, 습도는 상대습도와 절대습도로 구분되는데 우리가 주로 이야기하는 온도와 습도는 건구온도와 상대습도를 말합니다.

우리가 통상 이야기하는 건구온도 외에 습구온도를 왜 정의하는 것일 까요? 그 이유는 공기 중에 포함된 수분 때문입니다. 같은 온도라도 수분 함유량에 따라서 체감온도가 달라지고 습구온도를 알면 상대습도도 유추할 수가 있습니다. 즉, 건구온도 외에 습구온도를 알면 공기의 상태를 정확하게 정의할 수가 있습니다.

그러면 공기조화설계에서 건구온도는 언제 언급될까? 냉방현열부하와 난방현열부하를 계산할 때 적용됩니다. 현열이란? 습도의 변화 없이 온도만 변하는 열출입 상태를 말합니다.

냉난방현열부하 = 공기비중 x 공기비열 x 풍량 x 취출공기온도차

여기서 취출공기온도차 ( 실내온도 – 취출공기온도)는 건구온도입니다. 취출공기는 취출구를 통해 나오는 공기를 말합니다. 에어컨의 예를 들면 실내온도는 에어컨으로 들어오는 흡입공기의 온도이고 취출공기온도는 에어컨에서 취출되는 공기의 온도를 의미합니다.

습구온도는 공기조화설계에 있어서 언제 사용될까요? 주로 물의 증발이 일어나는 공조기기를 설계할 때 등장합니다. 예를 들면 냉각탑의 쿨링어프로치를 구할 때 사용됩니다.

쿨링어프로치 = 냉각탑 출구 수온 – 외기의 습구온도

습구온도는 앞서 설명한 바와 같이 수분이 증발하는 상태에서의 온도이므로 건구온도보다 높을 수가 없습니다. 수분이 증발하는 것은 물이 기체로 상태변화하는 과정으로써 이 때 증발잠열만큼의 열을 주변으로 부터 흡수하여 기체로 변하기 때문에 주변의 공기온도가 낮아집니다. 습구온도가 건구온도에 가까울수록 증발이 안되는 공기 상태이며 건구온도에서 멀어질수록 증발이 잘 되는 공기 상태입니다. 증발이 잘 된다는 것은 건조한 환경이라는 것을 알 수 있습니다. 다시 말하면 증발이 잘되는 공기는 상대습도가 낮은 공기상태 입니다.

공기는 습공기선도를 통해 상태를 정의할 수 있습니다. 습공기선도는 공기조화 설계를 하기 위해 반드시 이해해야 합니다.

습공기선도 상의 온도 습도

선도상에 공기의 상태 점을 표시하기 위해서는 두가지 이상의 공기 물성치를 알아야 합니다. 건구온도와 습구온도를 알면 공기선도 상에 공기의 상태를 표시할 수 있습니다. 공기선도 상에 상태를 표시할 수 있어야 공조기기 설계가 가능해 집니다.

건구온도는 습공기선도 상에서 가로 축에 해당하며 좌측에서 우측으로 갈수록 온도가 높아집니다. 습구온도는 사선의 형태로 좌측으로 갈수록 상향하는 형태입니다. 즉, 증발을 하는 과정에서 온도가 낮아지고 습도가 올라가는 것을 나타냅니다. 절대습도는 위로 올라갈 수록 커지고, 상대습도는 좌측으로 갈수록 높아지면서 포화곡선과 만나게 됩니다.

다음은 습도에 대해 이야기해 보겠습니다. 습도는 절대습도와 상대습도로 나뉩니다.

절대습도는 말 그대로 절대적인 물의 양을 의미합니다. 즉 1kg의 건조공기 중에 포함된 수증기의 중량(kg)입니다.

상대습도는 공기의 상태에 따라 변화하는 수증기량의 비율을 의미합니다. 즉 어떤 온도에서 공기 중 수증기량과 포화수증기량의 비율(%)을 말합니다. 공기의 상태는 이상기체방정식이나, 보일샤를법칙으로 설명을 하는데 온도, 압력, 부피에 따라 다릅니다. 부피가 일정한 경우 온도가 올라가면 압력이 올라가고, 온도가 내려가면 압력이 내려갑니다. 압력이 일정한 경우에는 온도가 올라가면 부피가 증가하고 온도가 내려가면 부피가 줄어듭니다. 어떤 특정 공간이라고 가정하면 압력은 대기압상태이므로 동일한 상황에서 그 공간의 온도를 올리면 공기의 부피는 커지게 되고 온도를 낮추면 공기의 부피는 작아지게 됩니다. 따라서, 공간의 수증기의 양에 변화가 없다고 할 때 상대적으로 온도가 올라가 부피가 커지게 되면 상대습도가 낮아지고 온도가 내려가 부피가 작아지게 되면 상대습도가 올라갑니다.

상대습도가 높으면 사람은 습한 기운을 느끼고 불쾌감이 듭니다. 상대습도가 낮으면 피부가 건조해지고 화재의 위험에 쉽게 노출됩니다. 일반 공조에서 사람이 쾌적함을 느끼는 건구온도는 18~26도이며 상대습도는 40~60%입니다.

산업분야에서의 온도와 습도

또한, 다양한 산업분야에서 항온항습을 요구하는 경우가 많습니다.

반도체 생산 클린룸 공장 21~23도, 45~55%,

배터리생산공장 23~25도, 30%이하

배양실 23~26도, 40~60%,

병원 수술실 20 ~ 24도, 45~55%

저체온 수술실 17 ~ 19도

데이터센터 서버실 20 ~ 26도, 60% 이하

와인셀러 보관실 16 ~ 18도

이렇게 온도와 습도는 용도에 따라 다양한 조건으로 요구되고 있으며 공조설계의 기본 조건이 됩니다.