냉동창고 출입구 결로: 패널은 안전한데 문틀에서 물이 맺히는 이유
영하 20 °C 냉동창고의 문은 두꺼운 패널로 되어 있어 표면이 따뜻한데도, 문틀과 문 가장자리에서 물이 맺히고 서리가 낀다. 하역장 공기의 이슬점을 기준으로 패널, 문틀 열교, 전열선 용량, 문을 열 때의 안개를 숫자로 확인한다.
상황
예를 들어 여름철 하역장에서 -20 °C 냉동창고 출입문 주변에 물이 떨어지고 문틀에 서리가 두껍게 앉는다고 하자. 하역장 공기는 30 °C·70 % 이고 문은 폴리우레탄 패널이다. 문의 넓은 면은 괜찮은데 문틀과 문 가장자리만 젖는다면, 패널의 단열 성능이 아니라 열이 쉽게 지나가는 부분(열교)이 문제다. 확인할 것은 세 가지다. 하역장 공기의 이슬점이 몇 도인가, 패널 면과 문틀 면의 표면온도가 각각 몇 도인가, 그리고 문을 열 때 안개는 왜 생기는가. 조건은 설명을 위한 예이고, 실제 판정은 그 현장의 하역장 온습도 실측값과 패널·문틀 제품 값으로 다시 계산한다.
주어진 조건
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 창고 안 공기 | -20 °C, 상대습도 90 % (냉동창고, 예시값) |
| 하역장 공기 | 건구 30 °C, 상대습도 70 % (여름 한낮, 예시값). 비교용으로 25 °C·60 % 와 냉장 전실 10 °C·70 % 도 계산 |
| 문 패널 | 폴리우레탄 50 ~ 200 mm, 열전도율 k = 0.025 + 0.0001 × (평균온도 − 10) W/m·K (설계 참고값. 실제는 제품 시험성적서 값이고, 영하 쪽은 직선 외삽이다) |
| 외피 방사율 ε | 도장 강판 0.9, 광택 아연도금강판 0.26 |
| 문틀 | 금속 문틀에 폴리우레탄 열차단 조각 10 · 20 · 30 · 50 mm 를 끼운 경우. 금속 자체의 열저항은 무시하고, 외피는 도장 ε 0.9 |
| 주변 공기 흐름 | 정지 공기 (자연대류만). 바람이 있으면 표면이 더 따뜻해져 이쪽이 안전 측 |
| 판정 여유 | 표면 − 이슬점 ≥ 1 K 이면 안전 |
| 대기압 | 101.325 kPa (해발 0 m) |
하역장 쪽 표면은 주변 공기의 대류(hcv)와 복사(hr)로 열을 받고, 그 열이 패널을 지나 창고로 빠진다. 표면은 그 둘이 균형을 이루는 온도로 정해진다. 패널이 두꺼울수록 빠지는 열이 적어 표면이 주변 공기 쪽에 가깝다.
선도에서 읽는 순서
- 하역장 공기점 A(30 °C, 70 %)를 찍는다.
- A 에서 습도비가 일정한 수평선을 따라 왼쪽으로 가 포화선과 만나는 점 DP 의 건구온도가 이슬점이다. 표면에 닿은 공기는 습도비가 그대로인 채 식는다.
- 패널 표면온도의 세로선을 긋는다. DP 오른쪽(여유 1 K 이상)이면 안전이다.
- 문틀 표면온도의 세로선은 DP 바로 왼쪽(결로)에 있고, 열차단이 얇을수록 창고 공기점 K(-20 °C) 쪽으로 더 왼쪽이다. A 와 K 를 잇는 직선은 문을 열 때 두 공기가 섞이는 경로이고, 이 직선이 포화선 왼쪽으로 나가는 구간에서 안개가 생긴다.
단계별 계산
1) 하역장 이슬점. 30 °C·70 % 의 습도비 W = 18.80 g/kg, 수증기 분압 2.972 kPa, 이슬점 tdp = 23.93 °C. 판정 기준은 표면이 24.93 °C 이상인지다.
2) 단열 없이 문틀 금속만 있을 때. 금속은 열저항이 거의 없어 표면이 창고 쪽과 같은 −20.0 °C 다. 이슬점보다 43.9 K 낮아 물이 맺히다가 0 °C 아래라서 서리로 얼어붙는다.
3) 패널 100 mm (도장). k 와 표면 열전달계수가 모두 표면온도에 따라 달라지므로 반복 계산으로 푼다. 수렴한 값은 평균온도 Tm = (-20 + 28.37)/2 = 4.18 °C, k = 0.0244 W/m·K, Rins = t/k = 0.1 / 0.0244 = 4.095 m²K/W. 표면에서 hcv = 1.60, hr = 5.64, 합 hse = 7.25 W/m²K, Rse = 0.138 m²K/W. 열수지 (Ta − Ts)/Rse = (Ts − Tf)/Rins 를 풀면 Ts = (Ta·Rins + Tf·Rse)/(Rins + Rse) = (30 × 4.095 + (-20) × 0.138)/(4.095 + 0.138) = 28.37 °C. 이슬점보다 4.44 K 높아 안전하고 열 유입은 11.8 W/m² 다.
4) 문틀의 열차단 20 mm. 같은 식을 열차단 두께에 적용하면 표면은 23.28 °C 로 이슬점보다 0.6 K 낮아 결로한다. 열차단이 10 mm 이면 18.82 °C 로 훨씬 심하고, 30 mm 이면 25.22 °C 로 여유 1.29 K 가 생겨 안전하다. 문틀도 패널과 같은 폴리우레탄이므로 필요한 두께는 아래 5)의 최소 두께와 같다. 문제는 문틀 면 폭이 좁고 금속이라 이만큼 두꺼운 열차단을 끼우기 어려운 경우가 많다는 점이다(이 예에서는 20 mm 로 가정).
5) 최소 두께. 표면 − 이슬점 ≥ 1 K 인 가장 얇은 두께는 도장 외피 28.0 mm, 광택 외피 57.5 mm 다. 표준 두께로 올리면 30 mm, 65 mm. 광택 외피(ε 0.26)는 복사로 받는 열이 작아 표면이 더 차가워지므로 두꺼워야 한다.
6) 전열선 용량. 열차단 20 mm 인 문틀 표면을 이슬점 + 1 K = 24.93 °C 로 유지하려면, 표면에서 창고로 빠지는 열 54.5 W/m² 에서 주변 공기가 표면에 주는 열 38.9 W/m² (hse = 7.68)를 뺀 15.5 W/m² 를 전열선이 내야 한다. 문틀 면 폭을 0.1 m 로 보면 길이 1 m 당 1.6 W 다.
결과 해석과 실무 판단
패널은 두께별로 다음과 같다 (하역장 30 °C·70 %, 이슬점 23.93 °C).
| 패널 두께 | 도장 표면 | 여유 | 판정 | 열 유입 (W/m²) | 광택 표면 | 판정 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 50 mm | 26.94 °C | 3.02 K | 안전 | 22.9 | 24.33 °C | 위험 (여유 부족) |
| 75 mm | 27.88 °C | 3.95 K | 안전 | 15.6 | 25.90 °C | 안전 |
| 100 mm | 28.37 °C | 4.44 K | 안전 | 11.8 | 26.77 °C | 안전 |
| 150 mm | 28.88 °C | 4.95 K | 안전 | 8.0 | 27.70 °C | 안전 |
| 200 mm | 29.14 °C | 5.22 K | 안전 | 6.0 | 28.20 °C | 안전 |
50 mm 패널에 광택 외피를 쓰면 표면 24.3 °C 로 여유 0.40 K 에 불과하다. 도장 외피 50 mm 는 3.02 K 로 안전하다. 반짝이는 외피는 열 유입을 줄이지만 표면 온도에는 불리하다는 점이 덕트 보온과 같다.
문틀은 열차단 두께로 이렇게 달라진다 (같은 하역장 조건, 도장).
| 열차단 두께 | 표면 온도 | 여유 | 판정 | 필요한 전열선 (W/m²) | 면 폭 0.1 m 환산 (W/m) |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 mm | 18.82 °C | −5.1 K | 결로 | 70.0 | 7.0 |
| 20 mm | 23.28 °C | −0.6 K | 결로 | 15.5 | 1.6 |
| 30 mm | 25.22 °C | 1.3 K | 안전 | 0.0 | 0.0 |
| 50 mm | 26.94 °C | 3.0 K | 안전 | 0.0 | 0.0 |
열차단이 이슬점 기준 최소 두께(28.0 mm)보다 얇으면 전열선이 그 차이를 메운다. 10 mm 이면 70.0 W/m², 20 mm 이면 15.5 W/m² 가 필요하고, 30 mm 부터는 전열선이 필요 없다. 열차단을 키울 수 없는 얇은 문틀에는 전열선이 들어가는 이유다. 다만 이 용량은 하역장 이슬점이 높은 날 기준이라, 날씨가 선선하거나 방풍실을 거치면 훨씬 적게 든다.
하역장 환경에 따라 필요한 패널 두께와 전열선이 이렇게 바뀐다 (패널은 도장·광택, 전열선은 열차단 20 mm).
| 환경 | 이슬점 | 패널 최소 두께 (도장) | 패널 최소 두께 (광택) | 전열선 (W/m²) |
|---|---|---|---|---|
| 하역장 여름 30 °C · 70 % | 23.9 °C | 28.0 mm | 57.5 mm | 15.5 |
| 선선한 하역장 25 °C · 60 % | 16.7 °C | 16.3 mm | 32.1 mm | 0.0 |
| 냉장 전실 10 °C · 70 % | 4.8 °C | 21.7 mm | 42.6 mm | 2.4 |
냉장 전실(10 °C)을 거치면 이슬점이 4.8 °C 로 내려가 열차단 20 mm 문틀의 전열선이 2.4 W/m² 로 줄고(하역장 직접 15.5 W/m²), 패널 최소 두께도 얇아진다. 방풍실은 문을 열 때 들어오는 습기량 자체도 줄이므로 결로 대책과 서리 대책을 함께 해결한다.
문을 열 때의 안개. 하역장 공기 30 °C·70 % 가 창고 공기(-20 °C·90 %, W = 0.57 g/kg)와 섞일 때, 혼합점의 습도비와 그 온도의 포화 습도비를 비교하면 다음과 같다.
| 하역장 공기 비율 | 혼합 온도 | 혼합 W (g/kg) | 그 온도의 포화 W (g/kg) | W / 포화 W |
|---|---|---|---|---|
| 1 % | −19.5 °C | 0.75 | 0.67 | 1.13 |
| 5 % | −17.4 °C | 1.48 | 0.81 | 1.83 |
| 10 % | −14.8 °C | 2.39 | 1.03 | 2.32 |
1 % 만 섞여도 혼합점은 포화선 밖(비율 1.13)이라 수분이 안개와 서리로 나온다. 하역장 공기가 10 % 섞이면 포화 습도비의 2.32 배로 과포화가 크다. 여기서 비율은 과포화 정도를 보여 주는 지표이고, 실제 석출량은 응결열로 공기가 데워져 이보다 적다. 문을 자주 여는 창고의 증발기에 서리가 빨리 끼는 이유다.
계산 밖의 결로: 바닥, 가스켓, 서리의 누적
위 계산은 평평한 패널과 문틀 면의 정상상태 계산이다. 실제로는 문 하부 문턱과 바닥 접합부(열교), 가스켓이 접히거나 틈이 생긴 부분, 문과 문틀 사이의 틈으로 새는 습한 공기가 더 흔한 원인이다. 틈으로 들어간 습한 공기는 찬 쪽에서 서리로 쌓여 얼음이 되고, 얼음은 문을 밀어 틈을 더 키운다.
패널이 젖었다면 이음부 실링이 터져 습기가 패널 안으로 들어갔을 가능성이 높다. 단열재가 젖으면 열전도율이 올라 표면이 더 차가워지고 결로가 커지는 악순환이 된다. 이 글의 계산은 단열이 건조하고 연속이라고 가정한 값이다.
패널 영하 쪽 열전도율은 사이트 계산기가 10 °C 기준 직선 식을 영하로 연장해서 쓴다. 평균온도가 -5 °C 부근이라 오차가 크지는 않지만, 설계에는 제품 시험성적서의 저온 열전도율을 쓴다. 정지 공기 가정과 높이 1 m 가정은 안전 쪽이고, 문이 높으면 위쪽에서 자연대류가 약해진다.
흔한 실수
- 패널이 두꺼우니 문 전체가 안전하다고 본다. 패널 100 mm 는 4.4 K 여유가 있어도, 열차단 20 mm 문틀은 23.3 °C 로 결로한다.
- 광택 외피가 유리하다고 본다. 열 유입은 줄지만 표면이 더 차갑다. 50 mm 에서 도장 26.9 °C, 광택 24.3 °C 다.
- 전열선 용량을 한 가지 조건으로 정한다. 하역장 조건이 23.9 °C 이슬점일 때와 전실을 거쳐 4.8 °C 일 때 필요한 전력이 6.6 배 다르다. 이슬점 센서로 제어한다.
- 전열선만 켜고 가스켓 틈을 방치한다. 틈으로 새는 습한 공기는 전열선이 막아 주지 못한다.
- 문을 열 때의 안개를 결로 문제와 따로 본다. 하역장 공기 1 % 만 섞여도 과포화다. 문 열림 시간과 방풍실, 에어커튼이 서리의 양을 정한다.
이 계산을 사이트에서 해보기
보온재 표면 결로: 도장 패널 100 mm 열기문틀 열차단 20 mm 열기선도에서 문틀 결로 검사 열기
이슬점 도구 링크는 하역장 30 °C·70 % 와 「보온재 표면 결로」의 평면, 창고 쪽 -20 °C, 폴리우레탄, 도장 외피를 채워 표면온도·여유·판정, 최소 두께, 두께별 표, 계산 과정을 보여 준다. 두께와 외피, 하역장 온습도를 바꿔 가며 어디서 판정이 바뀌는지 확인할 수 있다. 선도 링크는 하역장 공기점과 문틀 표면온도를 결로 검사로 그린다. 같은 방식의 계산은 덕트 보온 표면 결로, 벽 표면 결로는 겨울 외벽 결로 판정, 작도 원리는 습공기선도 보는 법에서 볼 수 있다.
근거
- ASHRAE Handbook Fundamentals 2017 (SI), 1장 Psychrometrics: 습도비·포화 수증기압(Hyland-Wexler)·이슬점·엔탈피. 이 글의 습공기 숫자는 이 식을 구현한 사이트 계산 엔진(101.325 kPa)으로 계산했다.
- ISO 12241: 설비·배관 보온의 열전달 계산 방법. 사이트 보온재 계산은 이 형식(보온재 열저항 + 표면 열전달, 복사·자연대류 분리)을 따르고, 평면의 자연대류 계수는 Holman 「Heat Transfer」의 단순화한 공기 식이다.
- ASHRAE Handbook Refrigeration: 냉동·냉장 시설에서 문틀 결로와 서리 방지를 위한 전열(door frame heater), 방풍실(vestibule), 문 열림에 따른 습기 침입 같은 일반 원칙을 다룬다. 이 글은 그 원칙을 습공기선도와 열수지로 계산해 보인 것이고, 전열선 용량은 이 글의 단순 열수지 값이지 제조사 표준 용량이 아니다.
- 폴리우레탄의 열전도율(k10 0.025 W/m·K)과 외피 방사율(0.9 · 0.26)은 사이트 계산기의 전형적 설계 참고값이다. 창고 -20 °C·90 %, 하역장 30 °C·70 % 와 문틀 열차단 두께, 면 폭은 예시값이다.