클린룸 항온항습 공정: 큰 풍량, 작은 온도차, 좁은 습도 폭을 한 선도에서 풀기

클린룸은 먼지를 걸러 내려고 공기를 많이 돌리기 때문에 급기 온도가 실내와 몇 도밖에 차이 나지 않는다. 그래서 코일이 일하는 방식도, 온습도 허용 폭을 지키는 방법도 일반 사무실과 다르다. 외기는 조금만 넣는데도 계절마다 코일, 재열, 가습이 모두 필요해지는 이유를 숫자로 확인한다.

게시 2026-11-02

클린룸 항온항습. 가는 점선 사각형 = 허용 범위(21 ~ 23 °C, 상대습도 40 ~ 50 %). 굵은 선 = 여름 외기 10 % 혼합점 M 에서 코일 출구 C 까지 제습, 가열선 = C 에서 급기 S 까지 재열, 긴 점선 = 급기 S 에서 실내 R 까지 실내 부하선. S 와 R 이 거의 붙어 있다.

상황

예를 들어 체적 300 m³ 의 클린룸에 22 °C ±1 K, 상대습도 45 % ±5 % 를 요구하는 공정이 있다고 하자. 입자 제어를 위해 시간당 60 회 환기(예시값)로 공기를 돌리면 급기량이 18,000 CMH 가 된다. 이만큼의 풍량으로 장비 발열 30 kW 를 걷어 내면 급기 온도가 실내보다 5.0 K 만 낮아도 충분하다. 반대로 말하면 급기점과 실내점이 선도에서 거의 붙어 있다. 이 상태에서 외기 10 % 만 섞어도 계절에 따라 혼합점이 크게 움직이고, 코일 출구를 정밀하게 맞추지 않으면 허용 폭 밖으로 나간다. 확인할 것은 세 가지다. 급기점은 어디인가, 계절별로 코일·재열·가습이 각각 얼마나 필요한가, 그리고 온도 ±1 K 와 습도 ±5 % 를 동시에 지키려면 습도비를 얼마나 좁게 관리해야 하는가. 조건은 설명을 위한 예이고, 요구 온습도·환기 횟수·발열량은 공정과 설계 사양서에서 정해진다.

주어진 조건

항목	값
실내 R 와 허용 폭	22 °C ±1 K, 상대습도 45 % ±5 % (예시 요구 조건)
체적, 환기 횟수	300 m³, 60 회/h → 급기량 18,000 CMH (예시값. 실제 값은 청정도 등급과 공정에 따라 정한다)
실내 발열	현열 30 kW, 잠열 1 kW (장비·사람, 예시)
외기 비율	10 % (건공기 질량. 양압 유지와 배기 보충용, 나머지 90 % 는 재순환)
코일 출구	상대습도 95 % (제습할 때). 가습은 증기 (엔탈피 2676 kJ/kg)
외기 세 가지	여름 32 °C·60 %, 봄가을 15 °C·60 %, 겨울 -5 °C·50 %
대기압	101.325 kPa (해발 0 m)

선도에서 읽는 순서

실내점 R(22 °C, 45 %)을 찍고, 허용 영역의 네 모서리(21 °C와 23 °C, 상대습도 40 %와 50 %)를 이어 사각형을 그린다.
급기점 S 는 R 에서 현열비선을 따라 5.0 K 내려간 점이다. 급기량이 크므로 S 는 R 바로 아래에 붙어 있다.
외기 OA 와 R 을 외기 10 % 로 섞은 혼합점 M 을 찍는다. R 에서 OA 쪽으로 10 % 만 간다.
M 의 습도비가 S 보다 높으면(여름) 코일이 습도비를 S 까지 낮추도록 상대습도 95 % 점 C 까지 식히고, C 에서 S 까지 재열한다. M 이 S 보다 건조하면(겨울) 가열하며 증기로 습도비를 채운다.

단계별 계산

1) 급기량과 급기 온도. 실내 22 °C·45 % 의 습도비 W_R = 7.39 g/kg, 비체적 0.8461 m³/kg. 급기량 300 × 60 = 18,000 CMH 를 건공기 질량으로 바꾸면 ṁ = 18,000 / 3600 / 0.8461 = 5.910 kg/s. 습공기 비열 c_p = 1.006 + 1.86 × W_R = 1.0197 kJ/kg·K 이므로 급기 온도차 ΔT = 30 / (5.910 × 1.0197) = 4.98 K, 급기 건구 17.02 °C.

2) 급기 습도비. 잠열 1 kW 는 수분 1.42 kg/h 에 해당한다 (÷ (2501 + 1.86 × 22)). 급기 습도비 W_S = W_R − 0.000393 / 5.910 = 7.33 g/kg. 실내보다 0.07 g/kg 만 건조하면 되므로 급기 상대습도는 60.8 % 다.

3) 여름 (32 °C·60 %). 혼합점 M 은 23.02 °C, 습도비 8.46 g/kg, 엔탈피 44.67 kJ/kg. W_M 이 W_S 보다 1.13 g/kg 높아 제습이 필요하다. 코일 출구 C 는 W = 7.33 g/kg 에서 상대습도 95 % 인 10.16 °C(엔탈피 28.69). 코일 부하 Q = 5.910 × (44.67 − 28.69) = 94.4 kW. 그다음 C 에서 S 까지 재열 41.3 kW. 냉각하고 다시 가열하는 이중 부담이지만, 습도비를 정밀하게 맞추려면 코일 출구 이슬점으로 제어해야 한다.

4) 봄가을 (15 °C·60 %). M 은 21.30 °C, 7.29 g/kg 로 W_S 보다 0.04 g/kg 건조해 소량 가습(0.8 kg/h)이 필요하다. 가습 전 공기 H 는 17.01 °C 라 M 보다 낮아 현열 냉각 25.8 kW 도 든다. 장비 발열이 커서 외기가 선선해도 냉각이 남는다.

5) 겨울 (-5 °C·50 %). M 은 19.33 °C, 6.78 g/kg 로 W_S 보다 0.55 g/kg 건조하다. 증기를 넣기 전 공기 H 는 건구 16.94 °C(엔탈피 34.21 kJ/kg) 여야 해서 M 보다 오히려 낮다. 외기가 영하여도 재순환 공기가 90 % 라 혼합 건구가 19.3 °C 에 머물고 장비 발열 30 kW 를 걷어 내야 하므로, 겨울에도 현열 냉각 14.4 kW 와 가습 ṁ × ΔW = 5.910 × 0.00055 × 3600 = 11.7 kg/h 가 함께 든다.

계절 (외기)	혼합 M (°C · g/kg)	처리	코일 (kW)	재열 (kW)	가습 (kg/h)
여름 32 °C · 60 %	23.02 °C · 8.46	제습	94.4	41.3	0.0
봄가을 15 °C · 60 %	21.30 °C · 7.29	가습	25.8	0.0	0.8
겨울 -5 °C · 50 %	19.33 °C · 6.78	가습	14.4	0.0	11.7

결과 해석과 실무 판단

허용 폭이 생각보다 좁다. 상대습도 40 ~ 50 % 만 보면 습도비가 6.56 ~ 8.22 g/kg 로 넉넉해 보인다. 그러나 온도도 21 ~ 23 °C 로 흔들리기 때문에, 습도비가 일정해도 상대습도는 온도가 오르면 내려가고 내리면 올라간다. 습도비를 실내 목표(7.39 g/kg)에 둔 채 온도만 23 °C 로 가면 상대습도는 42.3 %, 21 °C 로 가면 47.8 % 다. 온도가 어느 쪽 끝에 있어도 상대습도를 40 ~ 50 % 안에 두려면 습도비를 6.98 ~ 7.73 g/kg 안으로, 이슬점으로는 8.7 ~ 10.2 °C(약 ±0.8 K) 안으로 관리해야 한다. 상대습도 ±5 % 가 습도비로는 ±0.83 g/kg 이지만 온도 폭까지 겹치면 ±0.38 g/kg 로 줄어든다.

외기는 10 % 인데 계절 영향이 크다. 여름에는 외기가 혼합점 습도비를 1.06 g/kg 끌어올려 코일 94.4 kW 와 재열 41.3 kW 가 든다. 겨울에는 외기 -5 °C 가 혼합 습도비를 0.62 g/kg 낮춰 가습 11.7 kg/h 가 필요한데, 혼합 건구는 19.3 °C 에 머물러 현열 냉각 14.4 kW 도 남는다. 같은 날 냉각과 가습이 동시에 필요한 것이다. 외기의 습도비 변화는 곧 실내 습도의 오차가 되므로, 클린룸에서는 외기를 따로 처리해서 일정한 이슬점으로 보내는 외기 처리 공조기를 두는 경우가 많다.

급기점이 실내점에 붙어 있다. 급기 온도차가 5.0 K 뿐이므로 코일 출구 온도가 1 K 어긋나면 급기 온도차의 20 % 에 해당하는 오차가 실내 온도에 그대로 간다. 코일 출구보다 재열 제어(또는 최종 급기 온도 제어)로 온도를 맞추고, 코일은 이슬점(제습량)만 맡기는 분담이 안정적이다.

계산 밖의 문제

이 계산은 정상상태 열수지다. 클린룸의 실제 설계에서는 청정도 등급과 공정에 따라 환기 횟수와 기류 방식이 정해지고(ISO 14644 계열 규격에 따라 시험·확인), 환기 횟수가 곧 팬 동력과 코일을 지나는 풍량이 된다. 입자 제어를 위한 HEPA 필터와 팬이 공기를 데우므로 필터·팬 발열이 실내 현열 부하에 더해진다. 이 계산은 그 발열을 실내 발열 30 kW 안에 포함했다고 보았다.

제습 방식도 하나가 아니다. 이 글은 코일로 이슬점 아래까지 식힌 뒤 재열하는 방식을 썼고, 습도 폭이 더 좁거나 이슬점이 더 낮아야 하면 제습 로터(건식 제습)를 쓰기도 한다. 또 이 글의 외기 10 % 와 환기 횟수는 예시이며, 양압 유지에 필요한 외기량은 누설과 배기량으로 정한다. 허용 온습도는 사용자 요구 사양에서 정해지고 이 글의 ±1 K·±5 % 는 설명용이다.

흔한 실수

상대습도만 보고 습도 관리 폭을 정한다. 온도가 ±1 K 흔들리면 상대습도가 ±2.7 % 포인트 같이 움직인다. 습도비(이슬점)로 관리 폭을 정한다.
급기 온도차를 일반 사무실처럼 가정한다. 클린룸은 풍량이 커서 ΔT 가 5.0 K 정도다. 코일 출구 온도를 사무실처럼 낮게 잡으면 급기가 너무 차갑다.
외기를 10 % 라서 무시한다. 여름 외기는 혼합점 습도비를 1.06 g/kg 올려 제습과 재열을 만든다.
코일과 재열을 서로 맞서게 둔다. 코일 출구를 이슬점 제어, 재열을 온도 제어로 분담하지 않으면 두 제어가 서로 흔들린다.
팬·필터 발열을 빼 먹는다. 환기 횟수가 크면 발열도 크다. 현열 부하에 포함해야 급기 온도가 맞는다.

이 계산을 사이트에서 해보기

선도에서 여름 공정 열기

선도 링크는 여름 외기 32 °C·60 %, 실내 22 °C·45 %, 혼합점, 코일 출구, 급기점을 찍고 냉각 제습과 재열 공정 카드를 그린다. 공정 카드에서 코일 kW 와 재열 kW 가 나온다. 겨울 가습의 자세한 계산은 겨울 사무실 가습량 계산, 코일 출구와 재열 판단은 여름 냉각코일 선정과 재열 판단, 외기 비율 판단은 외기냉방 전환 판단, 작도 원리는 습공기선도 보는 법에서 볼 수 있다.

근거

ASHRAE Handbook Fundamentals 2017 (SI), 1장 Psychrometrics: 습도비·엔탈피·비체적·포화 수증기압(Hyland-Wexler). 이 글의 습공기 숫자는 이 식을 구현한 사이트 계산 엔진(101.325 kPa)으로 계산했다.
ISO 14644 시리즈(청정실과 관련 관리환경): 청정도 등급 분류(1부)와 시험 방법(3부)을 다룬다. 온도·습도는 사용자 요구 사양에서 정해지는 값이고, 이 글의 22 °C ±1 K, 45 % ±5 %, 환기 횟수 60 회/h 는 규격 값이 아니라 설명용 예시다.
ASHRAE Handbook HVAC Applications, Clean Spaces 장: 청정 공간의 재순환 방식, 환기 횟수와 온습도 제어를 다룬다. 증기 가습의 열수지는 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment 의 Humidifiers 장을 따르며, 증기 엔탈피 2676 kJ/kg 은 100 °C 포화 증기 값(IAPWS-IF97 2675.6)이다.
체적, 발열, 외기 비율, 코일 출구 상대습도 95 % 는 예시값이다.

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