외기 전담 공조기(DOAS) 외기 처리: 외기를 실내 이슬점 아래로 제습해 잠열 전담

상황

예를 들어 사무실 한 층의 공조를 외기 전담 공조기(DOAS)와 실내 팬코일(FCU)로 나누어 설계한다고 하자. 환기 기준으로 정한 외기량은 3,000 CMH 이고, 실내 부하는 현열 30 kW, 잠열 6 kW(주로 재실자)이다. 팬코일 배관마다 응축수 배수를 두지 않으려면 팬코일이 제습하지 않게 하고 싶다. 그러면 실내 잠열은 DOAS 가 보내는 건조한 외기가 전부 맡아야 한다. 확인할 것은 세 가지다. DOAS 출구의 습도비(이슬점)는 얼마여야 하는가, 그때 DOAS 코일 부하와 팬코일이 맡을 현열은 얼마인가, 외기를 실내 습도비까지만 제습하고 재열해 보내는 방식과 비교하면 어떤가. 조건은 설명을 위한 예이고 실제 외기량과 설계 외기 조건은 해당 현장의 기준을 따른다.

주어진 조건

선도에서 읽는 순서

1. 외기 O(32 °C, 65 %)와 실내 R(24 °C, 50 %)을 찍는다. R 에서 왼쪽으로 수평선을 그어 포화선과 만나는 곳이 실내 이슬점 12.9 °C 이다.
2. 잠열을 맡을 급기 습도비 W_S 를 계산해 그 높이에 수평선을 긋는다. 이 선은 R 보다 아래에 있다.
3. 그 수평선과 상대습도 95 % 곡선이 만나는 점이 코일 출구 C 이다. O 에서 C 로 가는 선이 DOAS 코일의 냉각·제습이다.
4. C 에서 R 로 가는 선은 급기가 실내에 들어가 현열과 잠열을 받아 R 이 되는 과정이다. 오른쪽 위로 올라가는 기울기가 현열과 잠열을 함께 맡는다는 뜻이다.
5. 비교안은 O 에서 R 과 같은 높이의 95 % 점 N 까지 식힌 뒤, 수평으로 R 까지 재열하는 경로다.

단계별 계산

1) 외기 질량유량. 외기 흡입 상태의 비체적 0.8917 m³/kg 으로 ṁ = 3,000 / 3600 / 0.8917 = 0.9346 kg/s.

2) 필요한 급기 습도비. 급기가 실내 잠열 6 kW 를 맡으려면 ṁ × (W_R − W_S) × (2501 + 1.86 × 24) = 6 이어야 한다. W_S = 9.30 − 6 / (0.9346 × 2,545.6) × 1000 = 6.78 g/kg. 이 습도비의 이슬점은 8.26 °C 로, 실내 이슬점 12.9 °C 보다 4.7 K 낮다.

3) 코일 출구. 습도비 6.78 g/kg, 상대습도 95 % 인 점은 건구 9.02 °C, 엔탈피 26.13 kJ/kg 이다.

4) DOAS 코일 부하. ṁ × (h_O − h_C) = 0.9346 × (82.34 − 26.13) = 52.5 kW. 응축수는 ṁ × (W_O − W_S) = 시간당 43.1 kg 이다. 응축수가 가지고 나가는 엔탈피(1 % 미만)는 무시했다.

5) 급기가 맡는 실내 현열. 9.0 °C 급기가 24 °C 까지 데워지며 ṁ × c_p × (24 − 9.02) = 0.9346 × 1.0186 × 14.98 = 14.3 kW 를 맡는다. 팬코일이 맡을 현열은 30 − 14.3 = 15.7 kW 이고, 잠열은 0 이다.

6) 외기량을 바꾸면. 같은 잠열 6 kW 를 맡는 데 외기가 적을수록 습도비 차이가 커야 하므로 출구 이슬점이 내려간다.

결과 해석과 실무 판단

외기 3,000 CMH 에서는 DOAS 출구를 9.0 °C·이슬점 8.3 °C 까지 내리면 실내 잠열을 다 맡는다. 공기를 9.0 °C 까지 식히려면 냉수(또는 냉매) 온도는 그보다 낮아야 하므로, 일반 공조의 냉수 온도로 되는지 코일 선정에서 확인해야 한다. 외기 2,000 CMH 라면 출구가 6.0 °C 까지 내려가야 해서 일반 냉수 코일로는 어렵고, 냉매 직접 팽창 코일이나 데시컨트 제습을 함께 검토해야 한다. 거꾸로 외기량을 늘리면 출구 이슬점 조건은 쉬워지지만 DOAS 코일 부하가 커진다.

팬코일은 실내 공기(이슬점 12.9 °C)만 다루므로 코일의 가장 차가운 표면(냉수 입구 쪽) 온도를 이 이슬점 이상으로 두면 건코일이다. 팬코일 응축수 배관과 드레인 팬의 오염 문제가 줄고, 높은 냉수 온도를 쓸 수 있다.

비교안(중립 공급)은 외기를 실내 습도비 9.30 g/kg 까지만 제습하는 경우다. 코일 출구 N 은 13.7 °C 이고 DOAS 코일은 42.1 kW, 24 °C 까지 재열에 9.8 kW 가 든다. 그러면 팬코일이 현열 30 kW 와 잠열 6 kW 를 모두 맡아 36.0 kW 가 되고, 모든 팬코일 코일에서 결로(제습)가 일어난다.

냉각 합계 차이 9.8 kW 는 재열량 9.8 kW 와 같다(이 계산 정의에서는 정확히 같다). 식힌 공기를 다시 데우고 그만큼을 실내에서 다시 식히는 것이기 때문이다(재열은 따로 열원도 든다). 같은 외기, 같은 실내 부하이므로 이 차이는 순전히 공급 온도를 어디로 정하느냐에서 나온다.

계산 밖의 문제

9.0 °C 급기는 실내 이슬점 12.9 °C 보다 차갑다. 덕트와 취출구 표면이 실내 공기에 닿으면 결로가 생길 수 있으므로 DOAS 급기 덕트는 보온하고, 취출구는 유인비가 큰 형식을 쓰거나 급기를 팬코일 흡입 쪽에 섞어 보내는 방식을 검토한다. 덕트 보온 두께는 덕트 보온 표면 결로에서 같은 방법으로 계산할 수 있다.

이 계산은 설계 외기 한 점만 봤다. 외기가 덥고 건조한 날은 제습이 거의 필요 없고, 봄·가을처럼 서늘하고 습한 날은 현열 부하는 작은데 잠열은 그대로라 과냉이 생길 수 있다. 이때는 재열이나 전열교환기, 외기량 조절 같은 대책이 필요하고, 연간 운전은 시간별 외기 자료로 따로 확인해야 한다. 재실자 수가 줄면 잠열과 필요 외기량이 같이 변하는 점도 본다.

흔한 실수

• DOAS 출구를 실내 습도비에 맞춘다. 실내 잠열이 그대로 팬코일로 가서 팬코일이 결로한다. 잠열 전담이 목표라면 출구는 실내 이슬점보다 4.7 K 낮아야 한다(이 예).
• 외기량을 줄여도 같은 코일로 된다고 본다. 2,000 CMH 로 줄이면 출구가 6.0 °C 까지 내려가야 한다.
• 외기를 실내 습도비까지만 제습하고 실내 온도로 재열한다. 재열 9.8 kW 와 같은 크기가 냉각 합계에 다시 더해진다. 잠열 전담안에서는 찬 급기가 맡는 현열 14.3 kW 를 팬코일 용량에서 뺀다.
• 외기 질량유량을 실내 상태 비체적으로 환산한다. 외기량이 흡입 상태 기준이면 외기 비체적 0.8917 m³/kg 을 쓴다.
• 급기 덕트와 취출구 결로를 잊는다. 급기 9.0 °C 는 실내 이슬점보다 낮다.

이 계산을 사이트에서 해보기

선도에서 DOAS 외기 처리 열기

선도 링크는 외기, DOAS 출구, 실내 세 점과 외기에서 출구까지의 공정 카드를 그려 코일 부하와 응축수를 확인하게 한다. 코일 출구의 바이패스 팩터는 냉각코일 계산, 외기와 환기를 섞는 일반 공조기의 코일 선정은 냉각코일 선정과 재열 판단, 건코일과 현열비가 높은 실내 부하는 전산실 현열비 높은 부하, 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.
• 잠열을 습도비 차이로 나타내는 ṁ × ΔW × (2501 + 1.86 t) 와 습공기 비열 1.006 + 1.86 W 는 같은 장의 엔탈피 식에서 나온다.
• 외기 전담 공조(DOAS)와 실내 현열 장치를 나누는 구성은 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment 에서 다루는 일반적인 방식이다. 이 글은 장 번호와 구체적인 설계값을 인용하지 않는다.
• 외기 32 °C·65 %, 실내 24 °C·50 %, 부하, 외기량 3,000 CMH, 코일 출구 상대습도 95 % 는 예시값이다. 실제 외기량은 해당 건물에 적용되는 환기 기준으로, 설계 외기 조건은 그 지역 자료로 정한다.