외기냉방(이코노마이저) 전환 판단: 건구 온도로 볼까, 엔탈피로 볼까
봄가을에 외기가 시원하면 댐퍼를 열어 외기를 더 들이는 것이 이코노마이저다. 언제 열지를 건구 온도로 정하면 장마철에 코일이 더 일하게 되기도 한다. 날씨 네 가지로 외기 비율별 코일 부하를 계산하고 판정 방식이 어떻게 갈리는지 숫자로 확인한다.
상황
예를 들어 사무실 층의 공조기(AHU) 한 대가 평소에는 외기 20 %(환기를 위한 최소 외기)와 환기 80 %를 섞어 냉각코일에 넣고 있다. 봄가을에 바깥이 선선해지면 「외기를 더 들이면 냉동기를 덜 돌려도 되지 않을까」 하는 생각이 드는데, 이것이 외기냉방(이코노마이저)이다. 문제는 댐퍼를 언제 열고 닫느냐다. 가장 쉬운 방법은 외기 건구 온도가 환기보다 낮으면 여는 것이지만, 건구 온도가 같아도 습한 공기는 열이 훨씬 많아서 코일이 제습까지 해야 한다. 아래에서 외기 네 가지 날씨에 대해 건구·엔탈피 판정과 코일 부하를 나란히 계산해 본다. 조건은 설명을 위한 예이고, 실제 판정은 그 건물의 설계 조건과 기후대 기준으로 다시 한다.
주어진 조건
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 환기 RA | 26 °C, 상대습도 50 % |
| 코일 출구 목표 SA | 14 °C, 상대습도 90 % (냉방 급기 상태. 코일은 가습하지 못하므로 입구가 더 건조하면 습도비는 그대로 두고 식히기만 한다) |
| 급기 풍량 | 10,000 CMH (급기 상태 기준) |
| 최소 외기 | 20 % (건공기 질량 기준) |
| 고정 건구 상한 | 24 °C (설명을 위한 값. 실제 기준값은 기후대와 기준 판본마다 다르다) |
| 외기 네 가지 | 선선한 날 10 °C·60 %, 건조한 봄 18 °C·40 %, 덥고 건조한 날 28 °C·30 %, 장마철 24 °C·90 % |
| 대기압 | 101.325 kPa (해발 0 m) |
선도에서 읽는 순서
- 환기점 RA(26 °C, 50 %)와 코일 출구 목표점 SA(14 °C, 90 %)를 찍는다.
- 날씨별 외기점 OA 를 찍고, RA 와 OA 를 잇는 직선 위에서 외기 비율만큼 RA 에서 OA 쪽으로 간 점이 혼합점 M 이다. 혼합점은 엔탈피와 습도비가 질량 가중 평균이다.
- 코일은 M(또는 OA)에서 SA 쪽으로 식히고, 습도비가 SA 보다 낮으면 습도비를 유지한 채 건구만 내린다. 코일 부하는 입구와 출구의 엔탈피 차에 풍량을 곱한 값이다.
- 엔탈피 기준은 OA 의 엔탈피가 RA 보다 낮은지, 건구 기준은 OA 의 건구가 RA 보다 낮은지를 본다. 두 판정이 갈리는 날이 핵심이다.
단계별 계산
1) 급기와 환기. 급기 14 °C·90 % 의 습도비 WSA = 8.96 g/kg, 엔탈피 36.72 kJ/kg, 비체적 0.8252 m³/kg. 풍량 10,000 CMH 를 건공기 질량으로 바꾸면 ṁ = 10,000 / 3600 / 0.8252 = 3.3663 kg/s. 환기 26 °C·50 % 는 W = 10.50 g/kg, 엔탈피 52.91 kJ/kg 다.
2) 외기 상태와 판정. 날씨별 외기의 습도비·엔탈피와 세 가지 판정(켬은 외기를 늘려도 된다는 뜻)은 다음과 같다.
| 날씨 | 외기 | W (g/kg) | h (kJ/kg) | h − hRA | 차등 엔탈피 | 차등 건구 | 고정 건구 24 °C |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 선선한 날 | 10 °C · 60 % | 4.56 | 21.54 | −31.38 | 켬 | 켬 | 켬 |
| 건조한 봄 | 18 °C · 40 % | 5.11 | 31.06 | −21.85 | 켬 | 켬 | 켬 |
| 덥고 건조한 날 | 28 °C · 30 % | 7.04 | 46.15 | −6.76 | 켬 | 끔 | 끔 |
| 장마철 | 24 °C · 90 % | 16.94 | 67.27 | 14.35 | 끔 | 켬 | 켬 |
3) 코일 부하. 코일 입구가 정해지면 출구는 건구 14 °C, 습도비는 입구와 WSA 중 작은 값이다. 부하는 Q = ṁ(h입구 − h출구)다. 장마철(24 °C·90 %)을 예로 들면 최소 외기 20 % 의 혼합점 M 은 25.60 °C, 엔탈피 55.78 kJ/kg 이고 출구 엔탈피는 36.72 이므로 Q = 3.3663 × (55.78 − 36.72) = 64.17 kW 다. 외기 100 % 로 열면 입구는 외기 그대로(엔탈피 67.27)라 Q = 3.3663 × (67.27 − 36.72) = 102.82 kW 로 38.65 kW 늘어난다.
4) 외기 비율 조절. 외기가 급기보다 차가운 선선한 날(10 °C)에는 외기 100 % 로 열면 코일 입구가 10 °C 라 오히려 급기 14 °C 까지 데워야 한다(가열 13.66 kW). 이때는 환기와 섞어 혼합 건구를 급기 건구에 맞추면 코일도 가열도 필요 없다. 그 외기 비율 x 는 혼합 건구 = 14 °C 가 되는 값으로 75.2 % 다.
| 날씨 | A 최소 외기 20 % (kW) | B 외기 100 % (kW) | C 비율 조절 | 가장 적은 운전 | A 대비 절감 (kW) |
|---|---|---|---|---|---|
| 선선한 날 | 33.38 | 13.66 (가열) | 75.2 % · 0.00 | 외기 비율 조절 | 33.38 |
| 건조한 봄 | 39.79 | 13.67 | 해당 없음 | 외기 100 % | 26.11 |
| 덥고 건조한 날 | 49.95 | 48.03 | 해당 없음 | 외기 100 % | 1.92 |
| 장마철 | 64.17 | 102.82 | 해당 없음 | 최소 외기 | 0.00 |
결과 해석과 실무 판단
장마철 24 °C·90 %. 건구 24 °C 는 환기 26 °C 보다 낮고 고정 상한 24 °C 에도 걸리지 않아 건구 기준 두 방식은 모두 켬이다. 그런데 외기 엔탈피는 67.27 kJ/kg 로 환기(52.91)보다 14.35 kJ/kg 높다. 습도비가 16.94 g/kg 로 급기 목표(8.96)의 거의 두 배라 코일이 열을 식히는 것 말고도 수분을 많이 뽑아야 한다. 건구 기준으로 외기를 100 % 로 열면 코일 부하가 64.2 kW 에서 102.8 kW 로 약 60 % 늘어난다. 이 날은 최소 외기만 유지하는 것이 맞다.
건조한 봄 18 °C·40 %. 세 판정이 모두 켬이고 실제로 외기 100 % 가 가장 적게 든다(13.7 kW, 최소 외기 39.8 kW 대비 26.1 kW 절감). 외기 습도비 5.11 g/kg 가 급기 목표보다 낮아 제습 부하가 없고, 코일은 현열만 맡는다. 다만 이 경우 코일 출구는 14 °C 에 습도비 5.11 g/kg(상대습도 약 52 %)라서 급기가 목표(상대습도 90 %)보다 훨씬 건조하다. 실내 습도가 떨어지는 현장이라면 가습 여부도 같이 본다.
선선한 날 10 °C·60 %. 외기 100 % 는 코일이 필요 없지만 급기 온도에 못 미쳐 13.7 kW 를 가열해야 한다. 외기 75.2 % 로 섞으면 혼합 건구가 14 °C 가 되어 코일도 가열도 0 이다. 그래서 외기냉방은 켜고 끄는 것만이 아니라 외기 비율을 조절하는 제어까지 포함한다. 최소 외기 대비 절감은 33.4 kW 다.
덥고 건조한 날 28 °C·30 %. 건구 28 °C 는 환기 26 °C 보다 높아 건구 기준 두 방식은 끔이다. 엔탈피는 46.15 로 환기보다 6.76 kJ/kg 낮아 엔탈피 기준만 켬이다. 열린 만큼 이득은 있지만 외기 100 % 가 48.0 kW, 최소 외기가 49.9 kW 로 차이는 1.92 kW 에 불과하다. 엔탈피 기준이 더 정확하게 이득을 가려내지만, 이득이 작은 구간에서는 댐퍼를 자주 열고 닫아 얻는 것이 거의 없으므로 제어 기준에 여유 폭(불감대)을 둔다.
어떤 기준을 쓸까
건구 기준(고정 상한 또는 환기와의 차)은 센서 하나로 되고 값이 싸서 습도가 낮은 날씨에서는 대체로 충분하다. 그러나 이 예의 장마철처럼 습한 날에는 건구만 낮고 엔탈피가 높은 날이 생긴다. 엔탈피 기준은 건구와 습도 센서가 둘 다 필요하고, 습도 센서가 흔들리면 판정이 뒤집힌다. 상대습도 센서에도 오차가 있고, 같은 24 °C 에서 상대습도 5 % 포인트는 엔탈피로 약 2.4 kJ/kg 차이라서 판정이 가까운 날에는 센서 점검이 먼저다.
계산에 넣지 않은 것도 있다. 외기를 늘리면 같은 양을 건물 밖으로 내보내야 하므로 배기(릴리프) 댐퍼나 팬이 필요하고, 외기 도입이 늘면 필터 부하와 팬 동력이 달라진다. 이 계산은 코일이 가습하지 못한다고 가정했다. 실내 부하에 따라 급기 상태가 바뀌는 것도 여기서는 고정했다.
흔한 실수
- 건구 온도만 보고 100 % 로 연다. 장마철 24 °C·90 % 는 건구로는 합격이지만 코일 부하를 38.7 kW 늘린다.
- 최소 외기를 닫고 외기냉방을 한다. 외기 비율은 환기량 아래로 내려가지 않는다. 위 표의 A 는 이 최소 외기를 지킨 값이다.
- 외기가 차가운 날도 100 % 가 좋다고 본다. 10 °C 에서는 오히려 가열이 필요하다. 외기 비율을 줄여 혼합 건구를 맞춘다.
- 고정 건구 상한을 기후와 상관없이 쓴다. 기준 값은 기후대마다 다르다. 이 글의 24 °C 는 설명용 값이다.
- 습도 센서를 점검하지 않는다. 엔탈피 제어는 습도 센서가 틀리면 틀린 쪽으로 움직인다.
이 계산을 사이트에서 해보기
장마철 외기 열기선선한 날 외기 열기선도에서 장마철 열기
이코노마이저 도구 링크는 환기 26 °C·50 %, 급기 14 °C·90 %, 10,000 CMH, 최소 외기 20 %, 고정 상한 24 °C 를 채워 세 방식의 판정과 외기 비율별 코일 부하를 보여 준다. 외기 온도와 습도를 바꿔 가며 판정이 갈리는 지점을 찾아볼 수 있다. 선도 링크는 장마철 외기·환기·혼합·급기 네 점과 코일 공정을 그린다. 코일 출구 상태와 재열은 여름 냉각코일 선정과 재열 판단, 작도 원리는 습공기선도 보는 법, 계산기는 냉각코일 계산기에서 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.
- ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1, 6.5.1 Economizers: 이코노마이저 고온 차단(high-limit shutoff) 방식으로 고정 건구, 차등 건구, 고정 엔탈피, 차등 엔탈피를 두며, 허용 방식과 기준값은 기후대와 판본에 따라 다르다. 이 글의 고정 건구 24 °C 는 표의 값이 아니라 사이트 도구의 기본값이다. 설계에는 그 건물이 따르는 기준의 해당 판본을 확인한다.
- 코일 부하는 입구와 출구의 엔탈피 차로 구하는 일반적인 방법이다. 코일은 가습하지 못한다고 가정했고, 환기·급기·풍량은 예시값이다.