여름 냉각코일 선정: 외기 혼합 → 코일 출구 → 재열이 필요한가

상황

예를 들어 한 층에 일반 사무실과 대회의실이 있고, 구역마다 공조기(AHU) 한 대씩 냉각코일을 고른다고 하자. 두 구역 모두 실내 전체 부하는 20 kW 로 같다. 다만 회의실은 사람이 몰려 잠열(수분) 부하가 크다. 「부하가 같으니 같은 코일을 쓰면 된다」고 보기 쉽지만, 선도 위에 그려 보면 취출 온도차 10 K 에서 회의실은 코일 하나로 실내 습도를 맞출 수 없고 재열이 필요하다. 아래 조건과 값은 설명을 위해 정한 가상의 예이며, 실제 설계는 그 건물의 설계 외기 조건과 부하 계산서로 다시 계산해야 한다.

주어진 조건

선도에서 점 찍는 순서

1. 외기 OA(32 °C, 60 %)와 실내 RA(26 °C, 50 %)를 찍는다.
2. OA 와 RA 를 직선으로 잇고, RA 에서 외기 비율 30 % 만큼 OA 쪽으로 간 곳에 혼합점 M 을 찍는다.
3. RA 를 지나는 실내 SHF 선을 긋는다 (각도기 눈금에서 SHF 를 읽어 평행 이동).
4. SHF 선 위에서 건구 16 °C 인 점이 급기점 S 다.
5. M 과 S 를 잇는 직선(코일선)을 S 너머로 늘여 포화선과 만나는 점이 ADP 다. 만나지 않거나 ADP 가 너무 낮으면 코일만으로는 S 를 만들 수 없다.
6. 그 경우 S 의 절대습도 그대로 RH 90 % 가 되는 점 C 까지 코일로 냉각·제습하고, C → S 를 수평(현열)으로 재열한다.

단계별 계산 (대회의실)

1) 실내·외기 상태. RA: 절대습도 W_r = 10.50 g/kg, 엔탈피 h_r = 52.91 kJ/kg, 이슬점 14.8 °C. OA: W_o = 18.03 g/kg, h_o = 78.37 kJ/kg.

2) SHF. SHF = q_s / (q_s + q_l) = 14 / 20 = 0.70. 사무실은 16 / 20 = 0.80.

3) 급기점 S. 급기 건구 t_s = 26 − 10 = 16.0 °C. 「급기 → 실내」 공정의 SHF 가 0.70 이 되는 습도를 풀면 W_s = 8.78 g/kg (RH 77.5 %), h_s = 38.31 kJ/kg 이다. 사무실은 같은 16.0 °C 에서 W_s = 9.49 g/kg 이다. 회의실 급기가 더 말라야 한다.

4) 급기량. ṁ = q_t / (h_r − h_s) = 20 / 14.61 = 1.369 kg/s = 4,930 kg/h. 급기 비체적 0.831 m³/kg 을 곱하면 약 4,095 m³/h (CMH) 다. 사무실은 4,679 m³/h.

5) 혼합점 M. 외기 30 % : 환기 70 % 로 섞으면 M = 27.82 °C, W_m = 12.76 g/kg, h_m = 60.55 kJ/kg. 외기 부하는 10.46 kW 다.

6) ADP 판정. 코일선 M → S 를 늘이면 포화선과 만나지 않는다. 사무실은 같은 작도에서 ADP 10.8 °C (BF 0.31) 로 7 °C 보다 높아 재열 없이 코일 출구 = 급기점이 된다. 코일 표면은 냉수보다 차가워질 수 없으므로 ADP 가 너무 낮으면 실제 냉수 코일로 만들 수 없다. 이 사이트 계산기는 7 °C 를 그 하한으로 본다.

7) 코일 출구 C 와 재열. 회의실은 W_s = 8.78 g/kg 을 유지한 채 RH 90 % 가 되는 C = 13.69 °C 까지 냉각·제습한다. 이때 코일선 M → C 의 ADP 는 10.4 °C, BF = (t_c − t_ADP) / (t_m − t_ADP) = 0.19 이다. 재열 C → S 는 3.23 kW (현열만).

8) 코일 부하. 코일 부하 = ṁ·(h_m − h_c) = 33.69 kW (현열 19.92 · 잠열 13.77 kW), 응축수 약 19.6 L/h. 사무실 코일은 31.93 kW, 응축수 18.4 L/h 다.

결과 해석과 실무 판단

실내 부하는 둘 다 20 kW 인데 회의실 코일은 1.76 kW 더 크고, 여기에 재열 3.23 kW 가 따로 든다. 코일이 필요 이상으로 식힌 만큼을 재열로 다시 데우므로 냉각과 가열이 이중으로 든다. 그래서 회의실처럼 SHF 가 낮은 구역은 「재열을 넣을지」보다 먼저 「재열 없이 갈 방법이 있는지」를 본다.

같은 회의실에서 취출 온도차만 바꿔 계산하면 다음과 같다.

취출 온도차를 12 K 로 키우면 코일선 ADP 가 7.3 °C 로 7 °C 를 겨우 넘어 재열이 빠지지만 여유가 거의 없다. 14 K 이면 ADP 9.4 °C 로 여유가 생기고 급기량도 2,885 m³/h 로 줄어 코일·덕트·송풍기가 작아진다. 대신 12 K 부터 급기(14.0 °C)가 이미 실내 이슬점 14.8 °C 보다 낮고, 14 K 에서는 12.0 °C 로 더 낮아진다. 급기 RH 92.8 %, BF 0.14 이면 열수가 많은 깊은 코일이 된다는 점도 함께 본다. 이 경우 취출구·덕트 표면 결로와 찬 바람(드래프트)을 함께 확인해야 하고, 저온 급기에 맞는 취출구와 덕트 보온을 고르는 것이 전제다. 어느 쪽이든 핵심 판단 근거는 「코일선이 포화선과 어디서 만나는가」다.

흔한 실수

• 전체 부하(kW)만 보고 코일을 고른다. 같은 20 kW 라도 SHF 가 0.80 에서 0.70 으로 바뀌면 급기 습도·ADP·재열 여부가 모두 달라진다.
• 혼합점을 부피(CMH) 비율로 잡는다. 혼합은 건공기 질량 기준이다. 외기와 실내의 비체적 차이만큼 점이 어긋난다. 이 예에서는 차이가 작지만 외기가 아주 덥거나 추우면 커진다.
• SHF 선을 혼합점에서 긋는다. 실내 SHF 선은 실내점 RA 를 지난다. 혼합점을 지나는 선은 코일의 SHF 이고, 이것은 외기 부하가 더해져 실내 SHF 보다 낮다.
• 코일선이 포화선과 만나지 않는데 억지로 ADP 를 읽는다. 선을 끝까지 늘였을 때 포화선 안쪽으로 들어가지 않으면 그 급기점은 코일 하나로 만들 수 없다는 뜻이다.
• 재열 부하를 코일 부하에서 뺀다. 재열은 코일 부하를 줄여 주지 않는다. 코일은 C 까지 식히고, 재열기는 그와 별도로 C → S 를 데운다.

이 계산을 사이트에서 해보기

대회의실 조건으로 계산기 열기사무실 조건으로 계산기 열기

링크를 열면 외기·실내 점과 냉방 계산 칸이 위 조건으로 채워진다. 외기 비율, 취출 온도차, 현열·잠열을 바꿔 가며 재열 여부가 바뀌는 지점을 직접 찾아볼 수 있다. 실내 부하를 아직 모르면 냉방부하 계산기로 현열·잠열을 먼저 구하고, 작도 순서는 습공기선도 보는 법, 비슷한 시험 유형은 연습 문제에서 풀어 볼 수 있다.

근거

• ASHRAE Handbook Fundamentals 2017 (SI), 1장 Psychrometrics: 습공기 상태 식, 단열 혼합, 현열·잠열 공정. 이 글의 모든 숫자는 이 식을 구현한 사이트 계산 엔진(101.325 kPa)으로 계산했다.
• ADP 7 °C 하한, 7 ~ 9 °C 경계 확인, 재열 때 코일 출구 RH 90 % 는 이 사이트 냉방 계산기의 판정 규칙이다. 실제 코일 선정은 제조사 코일 선정 자료와 냉수 조건으로 다시 확인한다.