증발식 냉각기 적용 판단: 습구온도차가 결과를 정한다

상황

예를 들어 기계 발열이 큰 작업장에서 여름 더위를 줄이려고 증발식 냉각기(패드에 물을 적셔 외기를 통과시키는 방식)를 검토한다고 하자. 외기를 100 % 들여 실내를 지나 배기하고, 실내 건구 29 °C 를 목표로 한다. 작업장 현열은 60 kW, 사람 등에서 나오는 잠열은 3 kW 다. 확인할 것은 네 가지다. 그날 외기에서 급기가 몇 °C 까지 내려가는가, 그 급기로 60 kW 를 처리하려면 풍량이 얼마인가, 실내 상대습도가 얼마가 되는가, 물은 얼마나 쓰는가. 같은 계산을 간접 증발을 앞에 붙인 2단 방식으로도 해 본다. 조건은 설명을 위한 예이고 실제 판단은 그 지역의 설계 외기와 제품 성능표로 한다.

주어진 조건

선도에서 읽는 순서

1. 외기점 O(35 °C·40 %)를 찍고 그 점을 지나는 습구온도선을 읽는다. 습구온도는 23.93 °C, 습구온도차는 11.07 K 다.
2. 직접 증발은 O 에서 습구온도선을 따라 왼쪽 위로 간다. 포화선까지 가면 습구온도와 같아지고, 효율 0.85 이면 그 거리의 85 % 지점 D 에서 멈춘다.
3. 간접 증발은 판형 열교환기 너머에서 물이 증발하므로 급기에는 수분이 더해지지 않는다. O 에서 수평으로 왼쪽으로 가 I 에 닿는다. 2단이면 I 의 습구온도선을 따라 다시 직접 증발해 T 에 닿는다.
4. 급기점에서 실내점 R 까지는 실내 부하선이다. 현열이 커서 거의 수평으로 오른쪽으로 가고, 잠열만큼 조금 올라간다. R 이 상대습도 70 % 곡선 아래인지 본다.

단계별 계산

1) 습구온도. 외기 35 °C·40 % 의 습도비 14.13 g/kg, 습구온도 23.93 °C. 습구온도차 35 − 23.93 = 11.07 K 가 직접 증발 냉각으로 얻을 수 있는 최대 온도 강하다(간접 증발을 앞에 두면 외기 습구온도보다 더 내려갈 수 있다).

2) 직접 증발 출구 D. t_D = 35 − 0.85 × 11.07 = 25.59 °C. 습구온도가 23.93 °C 로 같으므로 D 의 습도비는 18.10 g/kg, 상대습도 87.3 % 다. 물이 공기에 3.97 g/kg 더해졌다. 엔탈피는 71.47 → 71.87 kJ/kg 로 거의 같다(더해진 물의 엔탈피만큼 조금 오른다). 증발 냉각은 열을 빼는 것이 아니라 현열을 잠열로 바꾸는 것이다.

3) 풍량. 급기 25.59 °C 로 실내 29 °C 를 맞추면 온도차는 3.41 K. c_p = 1.006 + 1.86 × 0.01810 = 1.0397 kJ/kg·K, ṁ = 60 / (1.0397 × 3.41) = 16.946 kg/s. 급기 비체적 0.8709 m³/kg 로 53,131 CMH 다.

4) 실내 습도. 잠열 3 kW 가 더해져 W_R = 18.10 + 3 / (16.946 × (2501 + 1.86 × 29)) × 1000 = 18.17 g/kg. 실내 29 °C 에서 상대습도 71.7 % 다. 증발 수량은 16.946 × (18.10 − 14.13) / 1000 × 3600 = 241.9 kg/h 다.

5) 2단(간접 → 직접). 간접 출구 t_I = 35 − 0.6 × 11.07 = 28.36 °C, 습도비는 그대로 14.13 g/kg 이고 습구온도가 22.10 °C 로 내려간다. 여기서 직접 증발하면 t_T = 28.36 − 0.85 × (28.36 − 22.10) = 23.04 °C·92.3 %. 온도차가 5.96 K 로 커져 풍량은 30,097 CMH, 실내 상대습도는 65.3 % 다.

네 외기 조건에서 같은 계산을 하면 다음과 같다 (풍량은 실내 29 °C 를 맞추는 값).

2단의 증발 수량은 급기 쪽에서 더해진 물만 센 값이다. 간접 증발의 2차 공기 쪽에서 증발하는 물은 따로 든다.

결과 해석과 실무 판단

건조한 외기(35 °C·20 %)는 습구온도차가 16.1 K 라서 직접 증발만으로 급기가 21.3 °C 까지 내려가고 풍량 23,159 CMH, 실내 51 % 로 충분히 쓸 만하다. 대표 조건(35 °C·40 %)에서는 급기 25.6 °C 로 온도차가 3.4 K 뿐이라 풍량이 53,131 CMH 로 커지고, 실내 상대습도 72 % 는 이 글의 기준 70 % 를 넘는다. 습한 외기(30 °C·80 %)는 습구온도차가 2.9 K 라서 급기 27.5 °C, 풍량 123,537 CMH 로 현실적인 냉방이 되지 않는다.

그래서 증발식 냉각은 습구온도가 낮은 기후나 시간대에 맞는 방식이다. 습한 여름에는 직접 증발이 공기를 더 습하게 할 뿐 온도는 거의 낮추지 못한다. 간접 증발을 앞에 붙이면 수분을 더하지 않고 습구온도부터 낮추므로 대표 조건에서 급기가 23.0 °C, 풍량 30,097 CMH 로 좋아지지만, 습한 외기에서는 2단도 급기 26.9 °C 에 그친다. 이런 날이 설계 조건이라면 냉각코일(압축식 냉방)과 함께 쓰거나, 작업자 주변만 식히는 국소 냉방으로 목표를 낮춘다.

판단은 「그 지역 설계 외기의 습구온도가 몇 °C 인가」로 시작한다. 건구온도만 보고 고르면 같은 35 °C 에서도 급기가 21.3 °C 와 25.6 °C 로 갈린다.

계산 밖의 문제

포화 효율은 패드 두께와 통과 풍속에 따라 달라진다. 같은 패드라도 풍속을 높이면 효율이 떨어지므로, 위 표처럼 풍량이 크게 늘어나는 조건에서는 0.85 를 그대로 쓸 수 없다. 제품 성능표에서 그 풍속의 효율을 읽는다.

물 사용량은 증발량만이 아니다. 증발하면 물속 광물질이 남아 농축되므로 일부를 계속 버리고(블로다운) 새 물을 넣는다. 고인 물과 젖은 패드는 위생 관리가 필요하고, 사용하지 않는 기간에는 물을 빼 말린다. 외기를 100 % 쓰므로 배기 경로가 막히면 실내 습도가 더 오른다. 이 계산은 배기가 충분히 열려 있다고 보았다.

흔한 실수

• 건구온도로 성능을 판단한다. 같은 35 °C 라도 습구온도차가 16.1 K 와 11.1 K 로 다르고 급기는 21.3 °C 와 25.6 °C 가 된다.
• 급기 온도만 보고 풍량은 확인하지 않는다. 실내와의 온도차가 3.4 K 이면 60 kW 에 53,131 CMH 가 필요하다.
• 직접 증발이 수분을 더한다는 것을 잊는다. 대표 조건에서 급기 상대습도 87 %, 실내 72 % 다. 실내 상대습도로 결과를 확인한다.
• 증발 냉각이 열을 없앤다고 생각한다. 엔탈피는 71.5 → 71.9 kJ/kg 로 거의 그대로다. 실내 열은 배기로 나간다.
• 실내 공기를 다시 순환시킨다. 증발식 냉각은 수분이 쌓이므로 외기를 들이고 배기하는 방식이 기본이다. 재순환하면 습구온도가 올라가 효과가 줄어든다.

이 계산을 사이트에서 해보기

선도에서 증발 냉각 공정 열기

선도 링크는 외기점(습구온도 방향선 표시), 직접 증발 출구, 실내점과 두 공정 카드를 그려 습구온도선을 따라가는 공정과 실내 부하선을 확인하게 한다. 외기 조건을 바꾸면 급기와 실내가 어떻게 달라지는지 볼 수 있다. 외기 상태의 엔탈피 비교는 엔탈피 계산기, 압축식 냉방과의 비교는 여름 냉각코일 선정과 재열 판단, 외기를 쓰는 다른 방식은 외기냉방 전환 판단, 습구온도선 읽기는 습공기선도 보는 법에서 볼 수 있다.

근거

• ASHRAE Handbook Fundamentals 2017 (SI), 1장 Psychrometrics: 습도비·엔탈피·비체적·습구온도·포화 수증기압(Hyland-Wexler). 이 글의 습공기 숫자는 이 식을 구현한 사이트 계산 엔진(101.325 kPa)으로 계산했다.
• 직접 증발의 포화 효율 (t_o − t_s)/(t_o − t_wb) 와 간접 증발의 습구 효율 정의는 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment 의 증발식 냉각 장비(Evaporative Air-Cooling Equipment) 장에서 쓰는 정의다. 직접 증발을 습구온도 일정 공정으로 본 것은 단열 포화에 가까운 공정이라는 일반적인 근사다.
• 효율 0.85·0.6, 외기 네 조건, 작업장 부하와 실내 29 °C, 상대습도 70 % 기준은 설명용 예시값이다. 특정 지역의 기후 통계나 특정 제품의 성능이 아니다.