Ⅰ. 공기조화의 정의
실내 또는 특정장소에서 공기의 온도, 습도, 기류속도, 청정도 등의 조건을 실내의 사람 또는 물품 등에 대하여 가장 적합한 상태로 유지하는 것
1. 공기조화의 4대 요소
① 온도 (Temperature)
② 습도 (Humidity)
③ 청정도 (Cleanness)
④ 기류속도 (공기의 유동, Distribution)
2. 공기조화의 분류
(1) 쾌감(보건)용 공조 (Comfort Air Conditioning)
실내의 사람을 대상으로 쾌적한 환경을 유지하여 인체의 건강, 위생 및 근무환경을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
예) 주택, 사무실, 오피스텔, 백화점, 병원, 호텔, 극장 등
(2) 산업용 공조 (Industrial Air Conditioning)
산업제품의 생산 및 보관을 위해 가장 적당한 실내조건을 유지하여 제품의 품질향상, 공정속도의 증가로 생산성 향상, 불량률 감소, 제조 원가 절감 등 생산물품을 대상으로 한다.
예) 제약공장, 섬유공장, 반도체 공장, 연구소, 창고, 전산실 등
3. 실내 환경기준
(1) 온도 (Temperature)
다음은 공조부하 계산용 표준 실내 온 · 습도 기준이다.
① 효과(작용)온도(OT, Operative Temperature)
실내기류와 습도의 영향을 무시하고, 기온(t(a))과 주위벽의 평균 복사온도(t(w))의 종합효과를 고려하여 체감을 나타낸 온도이다.
OT ≒ (t(a) + t(w)) / 2
② 유효온도, 감각온도(ET, Effective Temperature)
인체가 느끼는 쾌적온도의 지표로서 정지된 포화상태(상대습도 100%) 공기 온도로 표시한, 인체가 느끼는 쾌적온도의 지표로서 야글루(Yaglou)선도에 의해 알 수 있다.
유효온도의 3요소 : 온도, 습도, 기류
수정유효온도 4요소 : 온도, 습도, 기류, 복사열
실내온도의 측정 : 바닥에서 1.5m 높이인 호흡선에서 측정
(2) 습도 (Humidity)
공기의 습한 정도는 일반적으로 상대습도로 나타내며 경우에 따라 습구온도 및 절대습도로도 나타내며 일반적으로 미생물의 활동을 방지하기 위하여 50%가 적당하다.
(3) 청정도 (Cleanness)
정밀측정 실험실이나 전자산업 등 부유분진을 대상으로 하는 산업용 클린룸과 부유물질, 세균, 미생물 등을 제한시킨 바이오 클린룸 등이 있다(병원 수실실, 제약공장, 반도체 공장 등).
(4) 기류속도 (Air Movement)
실내에서의 적당한 공기의 유동을 위하여 일반적으로 난방시 0.13~0.18 m/s, 냉방시 0.1~0.25 m/s의 범위가 좋다.
소음 (Noise)
좋아하지 않는 음(音), 즉 음악 등의 전달을 방해한다든지 또는 귀에 고통과 장애를 주는 불필요하고 장애가 되는 음을 말하며 소음의 평가를 위하여 NC곡선(Noise Criteria Curve)을 이용하고 있다. 일반적인 주택인 경우 허용소음 NC값이 25~35정도가 되도록 한다.
4. 불쾌지수 (Discomfort Index, DI)
불쾌지수 DI = 0.72 (t + t') + 40.6 t : 건구온도, t' : 습구온도
지구상 공기는 질소, 산소를 주성분으로 하고 기타 아르곤, 이산화탄소, 헬륨 등의 기체로 구성되어 있다.
1. 공기의 종류
(1) 건조공기 (Dry Air)
수증기를 전혀 포함하지 않은 건조한 공기로 자연적으로는 존재하지 않는다.
① 평균분자량 : 약 29 g/㏖ (29 ㎏/k㏖)
② 비중량 (γ) : 1.293 ㎏/㎥ (20 ℃ = 1.2 ㎏/㎥
③ 비체적 (v) : 0.7733 ㎥/㎏ (20 ℃ = 0.83 ㎥/㎏)
④ 가스정수 (R) : 29.27 ㎏ · m/㎏ · ˚K
(2) 습공기 (Moist Air)
수증기가 포함된 공기로 지구(대기)내에 있는 모든 공기는 습공기이다.
(3) 포화공기 (Saturated Air)
건조공기 중에 포함되는 주증기량은 공기의 압력과 온도에 따라 최대한계가 있는데, 어떤 압력과 온도에 따른 최대 한도의 수증기를 포함한 공기를 포화공기라 한다. 즉, 건조공기에 더 이상 수증기가 함유될 수 없는 공기
(4) 무입공기 (霧入空氣 : Fogged Air)
포화공기에 수증기를 가해 주면 그 여분의 수증기가 온도가 내려가 수증기를 응축하여 미세한 물방울이나 안개상태로 공중에 떠돌아다니는 안개 낀 공기
2. 공기의 상태치
(1) 건구온도 (乾球溫度, Dry Bulb Temperature : DB, t, ℃)
기온을 측정할 때 열을 감지하는 감열부가 건조한 상태에서 측정하는 보통의 온도
(2) 습구온도 (濕球溫度, Wet Bulb Temperature : WB, t', ℃)
온도계의 감열부를 천으로 감싼 다음 모세관 현상에 의하여 물을 흡수하여 감열부가 젖은 상태에서 측정한 온도
(3) 노점온도 (露點溫度, Dew Point Temperature : DP, t", ℃)
공기의 온도가 낮아지면 습공기 중의 수증기가 공기로부터 분리되어 이슬이 맺히(응축)기 시작할 때의 온도로 이때 절대습도는 감소한다.
(4) 절대습도 (絶對濕度, Specific Humidity : SH, x, ㎏/㎏')
공기중의 수증기 양을 알기 위한 것으로 습공기중에 함유되어 있는 수증기의 중량을 건조공기의 중량으로 나눈 것으로, 즉 건조공기 1 ㎏'에 대한 수증기의 중량으로 예를 들면 온도 26℃, 상대습도 50%인 습공기 중에는 10.5g의 수증기가 포함되어 있다면 이는 10.5 g/㎏'(g/㎏ DA) 또는 0.0105 ㎏/㎏'(㎏/㎏ DA)라고 쓴다.
x = 0.622 * P(v) / (P - P(v)) P : 대기압 (P(v) + P(s)), P(v) : 수증기 분압, P(s) : 건공기 분압
= 0.622 * φ * P(s) / (P - φ * P(s))
(5) 수증기 분압 (P(v) : ㎜Hg)
습공기(건조공기 + 수증기) 중에 수증기가 차지하는 부분압력을 말하며, 포화공기의 수증기분압은 P(s)로 나타낸다.
① P(v) = P(s) : 포화공기
② P(v) < P(s) : 불포화공기
③ P(v) = 0 : 건조공기
(6) 상대습도 (相對濕度, Relative Humidity : RH, φ, %)
습공기 수증기 분압(P(v))과 그 온도의 포화공기 수증기 분압(P(s))과의 비를 백분율로 나타낸 것이며, 또한 1 ㎥의 습공기 중에 함유된 수분 중량(γ(v))과 이와 동일 온도 1 ㎥의 포화습공기에 함유되어 있는 수분 중량(γ(s))과의 비를 나타낸다.
φ = P(v) / P(s)
= γ(v) / γ(s)
P(v) : 습공기의 수증기분압
P(s) : P(v)값에 해당하는 온도와 동일한 온도에서의 포화수증기압
γ(v) : 습공기의 1㎥ 중에 함유된 수분의 중량
γ(s) : γ(v)값에 해당하는 온도와 동일한 온도에서의 포화공기 1㎥ 중에 함유된 수분의 중량
상대습도가 0%이면 건조공기이며 100%이면 포화공기이다.
(7) 비교습도 (比較濕度, 포화도, Saturation Degree : SD, φ(s), %)
습공기에서의 절대습도(x(v))와 동일온도 포화습공기에서의 절대습도(x(s))와의 비
φ(s) = x(v) / x(s)
x(v) : 습공기 절대습도
x(s) : x(v)에 해당하는 온도와 동일한 온도 포화습증기에서의 절대습도
(8) 비체적 (比體積, Specific Volume : v, ㎥ / ㎏')
건조공기 1 ㎏'속에 포함되어 있는 습공기의 체적
(9) 엔탈피 (Enthalpy : h, i, ㎉ / ㎏)
단위중량의 습공기가 갖는 열량의 총합을 말하며 건구온도 0 ℃, 절대습도 0 ㎏/㎏' 상태에서의 공기의 엔탈피는 0 (㎉/㎏)이다.
습공기의 엔탈피 = 건조공기 엔탈피 (현열) + 수증기 엔탈피 (현열 + 잠열)
h = (C(p) * t) + (γ + C(pw) * t) * x
= (0.24 * t) + (597.5 + 0.441 * t) * x
C(p) : 건조공기의 정압비열 (0.24 ㎉/㎏)
C(pw) : 수증기의 정압비열 (0.441 ㎉/㎏)
x : 습공기의 절대습도 (㎏/㎏')
γ : 0 ℃에서 물의 증발잠열 (597.5 ㎉/㎏)
(10) 현열비, 감열비 (Sensible Heat Factor : SHF)
습공기 전열량(q(T))에 대한 현열량(q(s))의 비로서 실내로 취출되는 공기의 상태변화를 알 수 있다.
SHF = 현열 / 전열 = 현열 / (현열 + 감열) = q(s) / (q(s) + q(L))
현열 q(s) = G * C(p) * Δt = G * 0.24 * Δt = 1.2 8 q * 0.24 * Δt ≒ 0.29 * Q * Δt
잠열 q(L) = G * γ * Δx = G * 597 * Δx = 1.2 * Q * 597 ≒ 717 * Q * Δx
전열 q(T) = 현열 * 잠열 = 0.29 * Q * Δt + 717 * Q * Δx
G : 송풍량 (㎏/h)
Q : 송풍량 (㎏/h)
C : 습공기 정압비열 (㎉/㎏·℃)
γ : 0 ℃ 물의 증발잠열 (㎉/㎏)
Δt : 온도차 (℃)
Δx : 절대습도차 (㎏/㎏')
(11) 열수분비 (熱水分比, Moisture Ratio : u)
공기중의 수분량(절대습도)의 변화량에 따른 엔탈피 변화량
u = 엔탈피 차 / 절대습도 차 = (h₂- h₁) / (x₂- x₁)
3. 습공기 선도
습공기의 열역학적 상태량을 수치화하여 공기의 상태변화와 공조계산 등을 목적으로 만들어진 선도를 말한다.
(1) 습공기 선도의 종류
① h(i) - x 선도 : 엔탈피와 절대습도를 기준하며 이론적인 계산에 많이 사용된다.
② t - x 선도 : 건구온도와 절대습도를 기준하며 i - x 선도와 비슷한 점이 많으나 실용상 편리하도록 간략하게 되어 있으며 계산에 의해 열수분비를 구해야 한다.
③ t - h(i) 선도 : 건구온도와 엔탈피를 기준하며 공기와 수증기의 변화를 동시에 나타내며 실용적인 각종 계산에 사용되고, 물과 공기의 상태가 잘 나타나 있어 물과 공기가 접촉하면서 변화하는 경우의 해석에 편리하며 공기 중에 물을 분무하는 공기세정기나 냉각탑 등의 해석에 이용된다.
(2) 습공기(h-x, i-x) 선도의 구성
표준대기압 상태에서 습공기의 성질을 표시하고 건구온도, 습구온도, 노점온도, 상대습도, 절대습도, 수증기분압, 엔탈피, 비체적, 현열비, 열수분비 등올 구성되어 있다.
① 습공기 선도에서의 각 상태점
Ⅲ. 공기의 상태변화
1. 습공기선도의 이해
0 - 1 : 가열 (현열)
0 - 2 : 냉각 (현열)
0 - 3 : 가습 (등온)
0 - 4 : 감습, 제습 (등온)
0 - 5 : 가열가습
0 - 6 : 냉각가습 (단열가습)
0 - 7 : 냉각감습 (냉각제습)
0 - 8 : 가열감습
2. 공기의 상태변화와 계산
(1) 단열혼합
각각 상태가 다른 공기와 공기를 혼합하였을 때 혼합된 공기의 상태값을 구하고자 할 때에는 다음과 같다. 바깥공기를 ①, 바깥공기 도입풍량을 Q₁으로 하고 실내 환기공기를 ②, 실내 환기풍량을 Q₂라고 하면 혼합공기 ③의 온도, 습도 및 엔탈피 등은 다음과 같이 구할 수 있다.
① 건구온도 t₃= (Qt₁+ Qt₂) / (Q₁+ Q₂)
② 습구온도 t'₃= (Qt'₁+ Qt'₂) / (Q₁+ Q₂)
③ 절대습도 x₃= (Qx₁+ Qx₂) / (Q₁+ Q₂)
④ 엔탈피 h₃= (Qh₁+ Qh₂) / (Q₁+ Q₂)
(2) 가열 및 냉각 (현열만의 부하)
습공기의 절대습도 변화없이 가열 또는 냉각을 하면 온도만 변화하게 되므로 현열변화이다.
q(s) = G * (h₂-h₁)
= 1.2 * Q * (h₂-h₁)
= 0.29 * Q * Δt
(3) 가습 및 감습, 제습 (잠열만의 부하)
① 가습(제습)열량 [㎉/h]
q(L) = G * (h₂- h₁)
≒ 717 * Q * (x₂- x₁)
② 가습(제습)량 [㎏/h]
L = G * (x₂- x₁) = Q * γ * (x₂- x₁) = 1.2 * Q * (x₂- x₁)
(4) 냉각감습, 가열가습 (현열 + 잠열부하)
① 열량 [㎉/h]
q(T) = q(s) + q(L)
= G * (h₂- h₁) + G * (h₃- h₂)
= G * (h₃- h₁)
= Q * γ * (h₃- h₁)
= 1.2 * Q * (h₃- h₁)
② 가습(제습)량 [㎏/h]
L = G * (x₃- x₁) = Q * γ * (x₃- x₁) = 1.2 * Q * (x₃- x₁)
(5) 가습
가습이란 절대습도를 상승시키는 방법으로서 순환수, 온수, 증기 등을 이용하는 방법 등이 있으며 각가ㄱ의 가습방법에 따라 상태변화가 달라지게 된다.
① 순환수 분무가습 (단열가습, 세정) : 등엔탈피선을 따라 변화
② 온수 분무가습 : 열수분비선을 따라 변화
③ 증기가습 : 가습효율이 가장 좋으며 열수분비선을 따라 변화
(6) 감습 (제습)
감습이란 절대습도를 낮게 유지하는 방법으로서 일반적으로 냉각코일을 이용하여 공기중의 수증기를 응축시켜 냉각, 제습시키는 방법을 많이 이용하고 있으며, 이 외에도 화학약품인 실리카겔이나 활성알루미나 등의 고체흡착제를 쓰는 방법과 염화리튬이나 트리에틸렌글리콜 등의 액체 흡수제를 사용하는 방법이 있다.
바이패스 팩터와 콘택트 팩터
① 바이패스 팩터 (By-Pass Factor, BF)
냉온수코일 및 공기세정기에서 공기가 통과할 때 코일에 접촉하지 않고 그대로 통과하는 공기의 비율로서 BF가 작을수록 성능이 우수하다.
바이패스 팩터, BF = (t₂- t₃) / (t₁- t₃) = (h₂- h₃) / (h₁- h₃) = (x₂- x₃) / (x₁- x₃)
② 콘택트 팩터 (Contact Factor, CF)
코일에 완전히 접촉하는 공기의 비율로 CF = 1 - BF 이다.
콘택트 팩터, CF = (t₁- t₂) / (t₁- t₃) = (h₁- h₂) / (h₁- h₃) = (x₁- x₂) / (x₁- x₃)
3. 장치에 따른 습공기선도 변화
(1) 혼합 → 냉각 (여름철)
㉠ 바깥공기부하
㉡ 실내부하
㉢ 재열부하
㉣ 냉각코일부하
㉤ 냉각코일에 의한 감습량
㉥ 송풍량 (G, Q)
(3) 외기예냉 → 혼합 → 냉각제습 (여름철)
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