기사 시험 습공기선도 유형 풀이: 새로 만든 연습 문제 다섯 개
공기조화 시험과 교재에 자주 나오는 다섯 가지 유형(혼합, 냉각코일 부하, 바이패스 팩터, 현열비와 급기량, 가열과 증기 가습)을 이 사이트가 새로 만든 문제로 풀어 본다. 실제 기출 문제는 옮기지 않았고 유형만 같다. 선도에서 읽는 값, 시험식의 근사값, 엔진 값을 나란히 놓아 어디서 얼마나 달라지는지 본다.
이 글을 쓰는 방법
시험 문제는 선도에서 점을 읽거나, 엔탈피와 습도비에 근사 공식을 적용해서 푼다. 근사 공식은 공기 밀도 1.2 kg/m³, 정압비열 1.005 kJ/kg·K 처럼 편한 값을 쓰므로 정확한 계산과 몇 %의 차이가 난다. 아래 문제는 모두 이 사이트가 새로 만든 것이고, 조건을 문제 형식으로 쓰고 풀이를 단계별로 보인다. 정답은 엔진으로 계산한 값이며 시험식 값을 괄호로 같이 둔다. 시험에서는 문제가 정해 준 근사 방법과 선도 읽기 값에 맞춰 답을 고른다.
문제 1 혼합 상태
문제. 외기 33 °C·60 % 를 25 %, 환기 26 °C·50 % 를 75 % (건공기 질량 기준) 섞었다. 혼합 공기의 건구온도, 절대습도, 엔탈피, 상대습도를 구하라.
풀이. 외기의 W = 19.11 g/kg, h = 82.17 kJ/kg. 환기의 W = 10.50 g/kg, h = 52.91 kJ/kg. 혼합은 엔탈피와 절대습도를 질량으로 가중 평균한다.
WM = 0.25 × 19.11 + 0.75 × 10.50 = 12.65 g/kg
hM = 0.25 × 82.17 + 0.75 × 52.91 = 60.23 kJ/kg
건구온도는 h = 1.006 t + W (2501 + 1.86 t) 에서 tM = 27.77 °C, 상대습도 54.1 %.
시험식. 건구온도를 선형으로 섞으면 27.75 °C 로 엔진 값과 0.02 K 차이가 난다. 엔탈피와 절대습도를 먼저 섞고 선도에서 건구를 읽는 방법이 정확하다. 이 혼합선은 선도에서 외기점과 환기점을 잇는 직선 위에 있고, 외기 쪽에서 75 % 지점이다.
문제 2 냉각코일 부하
문제. 문제 1의 혼합 공기 6,000 CMH(코일 입구 상태 기준)를 냉각코일로 14 °C·90 % 까지 식힌다. 냉각 부하, 그중 현열과 잠열, 응축수량을 구하라.
풀이. 혼합 공기의 비체적 0.8698 m³/kg 이므로 건공기 질량유량 ṁ = 6,000 / 3600 / 0.8698 = 1.916 kg/s. 코일 출구의 h = 36.72 kJ/kg, W = 8.96 g/kg.
총 부하 Q = ṁ (hM − hC) = 1.916 × (60.23 − 36.72) = 45.0 kW
현열 Qs = ṁ (1.006 + 1.86 WM) (tM − tC) = 27.2 kW, 잠열 Ql = Q − Qs = 17.9 kW
응축수 ṁ (WM − WC) = 1.916 × 0.00369 × 3600 = 25.5 kg/h.
현열비는 Qs / Q = 0.60 로, 이 코일은 열의 약 40 % 를 제습에 쓴다. 현열과 잠열을 나누는 방식은 문제에서 정해 주는 대로 따른다.
문제 3 현열비와 급기량
문제. 실내 26 °C·50 % 에 현열 부하 12 kW, 잠열 부하 3 kW 가 있다. 취출 온도차를 10 K 로 할 때 현열비, 급기 온도, 급기량(CMH)과 급기 습도비를 구하라.
풀이. 현열비 SHF = 12 / (12 + 3) = 0.80. 급기 온도 26 − 10 = 16 °C. 실내 W = 10.50 g/kg 에서 습공기 비열 cp = 1.0255 kJ/kg·K, ṁ = 12 / (1.0255 × 10) = 1.170 kg/s. 급기 비체적 0.8316 m³/kg 이므로 급기량 3,503 CMH. 급기 습도비는 WS = WR − 3 / (ṁ × (2501 + 1.86 × 26)) = 9.49 g/kg.
시험식. 밀도 1.2 kg/m³ 와 비열 1.005 kJ/kg·K 를 쓰면 Qs = 1.2 × V × 1.005 × ΔT 에서 V = 12 / (1.2 × 1.005 × 10) × 3600 = 3,582 CMH. 엔진 값과 2.3 % 차이다. 선도의 현열비선은 실내점에서 현열비 0.80 방향으로 그어 급기 온도에서 급기점을 읽는다.
문제 4 바이패스 팩터
문제. 냉각코일 입구 공기 28 °C, 출구 공기 16 °C, 코일 표면 평균 온도(장치 노점온도, ADP) 10 °C 일 때 바이패스 팩터와 콘택트 팩터를 구하라.
풀이. 바이패스 팩터는 코일을 지나면서 표면과 접촉하지 못한 공기의 비율로 BF = (tout − tADP) / (tin − tADP) = (16 − 10) / (28 − 10) = 0.333. 콘택트 팩터는 1 − BF = 0.667. 입구, 출구, ADP 세 점은 선도에서 한 직선 위에 있고 출구는 ADP 에서 입구 쪽으로 BF 만큼 간 지점이다. 출구 온도를 BF 로 거꾸로 구하는 문제도 같은 식을 쓴다.
문제 5 가열과 증기 가습
문제. 겨울 실내를 22 °C·40 % 로 유지한다. 외기 0 °C·50 % 를 25 % 섞고, 풍량 5,000 CMH(실내 상태 기준)를 가열한 뒤 증기로 가습해 28 °C, 실내와 같은 절대습도로 급기한다. 혼합 상태, 가열량, 가습량을 구하라.
풀이. 실내 W = 6.56 g/kg, 비체적 0.8449 m³/kg, ṁ = 5,000 / 3600 / 0.8449 = 1.644 kg/s. 외기 W = 1.88 g/kg 이므로 혼합 WM = 5.39 g/kg, 혼합 건구 16.54 °C, hM = 30.29 kJ/kg.
가습량 = ṁ (WS − WM) = 1.644 × 0.00117 × 3600 = 6.9 kg/h. 증기의 열을 반영해 가습 전 공기를 구하면 h = hS − ΔW × 2676 = 44.92 − 0.00117 × 2676 = 41.79 kJ/kg, 건구 27.86 °C. 가열량 Q = ṁ (hH − hM) = 1.644 × (41.79 − 30.29) = 18.9 kW.
증기가 아니라 물분무라면 습구온도 일정선을 따라 건구가 내려가므로 가열을 더 높게 해야 한다. 증기의 열을 무시하는 교재 방식에서는 가열 후 온도가 급기 온도와 같아 가열량이 조금 다르게 나오므로, 문제가 정한 방식을 따른다. 자세한 비교는 겨울 사무실 가습량 계산에서 볼 수 있다.
시험에서 놓치기 쉬운 것
- 혼합은 질량 기준. 풍량(CMH) 비율과 질량 비율은 공기 밀도가 다르면 달라진다. 문제가 정한 기준을 확인한다.
- 부하는 엔탈피 차. 코일 부하는 온도 차이가 아니라 엔탈피 차에 풍량을 곱한 것이다. 온도 차이만 쓰면 현열만 구한 것이다.
- 현열비는 현열 / 전열. 잠열 / 현열이 아니다. 문제 3 에서 0.80 이다.
- BF 의 분모는 입구와 ADP 의 차. BF = (tout − tADP) / (tin − tADP) 이다. 분자에 출구와 ADP 의 차, 분모에 입구와 ADP 의 차를 넣는다.
- 풍량 기준 상태. CMH 는 어느 상태의 부피인지 문제에서 정한다. 이 글 문제 2 는 코일 입구, 문제 5 는 실내 상태다.
- 단위. 습도비는 g/kg, kg/kg 두 가지가 섞인다. g/kg 를 kg/kg 로 바꿀 때 1000 으로 나눈다.
이 계산을 사이트에서 해보기
문제 1 혼합을 선도에서 열기문제 3 현열비선을 선도에서 열기
문제 1 링크는 외기, 환기, 외기 25 % 혼합점을 찍어 혼합 건구와 습도를 보여 준다. 문제 3 링크는 실내점에 현열비 0.80 의 선을 그려, 취출 온도에서 급기점을 읽을 수 있다. 냉각코일 계산과 재열은 여름 냉각코일 선정과 재열 판단, 외기 비율 판단은 외기냉방 전환 판단, 풍량 단위는 단위 변환, 연습 문제 모음은 연습 문제, 작도 원리는 습공기선도 보는 법에서 볼 수 있다.
근거
- ASHRAE Handbook Fundamentals 2017 (SI), 1장 Psychrometrics: 습도비·엔탈피·비체적·포화 수증기압(Hyland-Wexler), 혼합과 냉각·가습 과정. 이 글의 숫자는 이 식을 구현한 사이트 계산 엔진(101.325 kPa)으로 계산했다.
- 바이패스 팩터와 콘택트 팩터, 현열비, 장치 노점온도(ADP)는 공기조화 교재에서 공통으로 쓰는 정의다. 시험 근사식의 밀도 1.2 kg/m³, 비열 1.005 kJ/kg·K 는 교재와 문제에 따라 조금씩 다르다.
- 증기 가습의 열수지는 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment 의 Humidifiers 장을 따르며, 증기 엔탈피 2676 kJ/kg 은 100 °C 포화 증기 값(IAPWS-IF97 2675.6)이다.
- 문제는 모두 이 사이트가 새로 만든 연습 문제이고 기출 문제를 옮기지 않았다. 상황과 숫자는 예시값이다.