수영장 제습 부하: 수면에서 올라오는 수분을 코일로 뺄까, 외기로 뺄까

상황

예를 들어 수면 312.5 m²(25 m × 12.5 m)의 실내 수영장 홀을 30 °C·55 % 로 유지한다고 하자. 수온 28 °C 인 물의 표면은 포화 상태라 홀 공기보다 수증기압이 높고, 그 차이로 수분이 계속 증발한다. 습도를 잡지 못하면 유리와 천장 구조물에 결로가 생기고 건축 마감이 상한다. 확인할 것은 세 가지다. 증발 수분을 급기 습도비로 환산하면 얼마나 건조한 공기를 불어 넣어야 하는가, 여름과 겨울에 제습 코일과 외기 중 무엇이 일하는가, 홀 습도를 5 % 올리면 부하가 얼마나 늘어나는가. 조건은 설명을 위한 예이고, 증발량은 설계에서는 수영장 전용 식이나 제조사 자료로 구한다.

주어진 조건

증발량은 수면의 수증기압(28 °C 포화, 3,782.207 kPa)과 홀 공기의 수증기 분압(55 % 에서 2.335 kPa)의 차에 비례한다고 본다. 이 글은 설계 증발량을 홀 55 % 에서의 값으로 두고, 습도가 바뀔 때는 이 압력차 비로 조정한다.

선도에서 읽는 순서

1. 홀 공기점 R(30 °C, 55 %)과 수면 포화점 W(28 °C, 상대습도 100 %)를 찍는다. R 에서 W 로 가는 선이 수면에서 공기로 수분이 옮겨 가는 방향이다.
2. 급기점 S 는 R 과 같은 건구 근처에서 습도비만 2.06 g/kg 낮은 점이다. 증발한 수분을 받아 R 이 되도록 급기가 그만큼 건조해야 한다.
3. 외기와 R 을 섞은 혼합점 M 이 S 보다 습도비가 높으면 코일이 M 에서 상대습도 95 % 점 C 까지 식혀 습도비를 낮추고, C 에서 S 까지 재열한다.
4. M 이 S 보다 건조하면 제습 없이 S 의 온도까지 데우기만 하면 된다.

단계별 계산

1) 홀 공기와 증발량. 30 °C·55 % 의 습도비 W_R = 14.67 g/kg, 비체적 0.8790 m³/kg, 이슬점 20.0 °C. 증발 수분 m_w = 0.15 × 312.5 = 46.9 kg/h.

2) 급기 습도비. 건공기 질량유량 ṁ = 20,000 / 3600 / 0.8790 = 6.320 kg/s. 급기는 증발 수분을 받아 R 이 되어야 하므로 W_S = W_R − m_w / ṁ = 14.67 − 46.9 / 3600 / 6.320 × 1000 = 12.61 g/kg.

3) 여름 (32 °C·60 %, 외기 20 %). 혼합점 M 은 30.40 °C, 15.34 g/kg 로 W_S 보다 2.73 g/kg 높다. 코일 출구 C 는 W = 12.61 g/kg 에서 상대습도 95 % 인 18.42 °C. 코일이 빼는 수분 62.2 kg/h, 코일 부하 Q = 6.320 × (69.83 − 50.51) = 122.1 kW. 재열은 C 에서 32 °C 까지 88.3 kW.

4) 겨울 외기 20 % (-5 °C·50 %). 외기는 습도비가 1.24 g/kg 로 매우 건조해 혼합점 습도비가 11.99 g/kg 까지 내려간다. W_S 보다 낮아 제습이 필요 없고 32 °C 까지 가열 67.8 kW 만 든다.

5) 겨울 외기 50 %. 혼합점은 12.71 °C, 7.95 g/kg. W_S 보다 건조해 코일 없이 가열 199.8 kW 만 든다.

결과 해석과 실무 판단

여름에는 외기가 오히려 습해서 홀의 수분 46.9 kg/h 에 외기가 가져오는 수분이 더해지고, 코일이 62.2 kg/h 를 뺀다. 겨울에는 외기가 건조해 외기 20 % 만으로도 혼합점 습도비(11.99 g/kg)가 필요한 급기 습도비(12.61 g/kg)보다 낮아져 코일이 필요 없고, 32 °C 까지 데우는 67.8 kW 만 든다. 필요한 제습은 이미 끝났으므로 외기를 50 % 로 더 늘리면 가열만 199.8 kW 로 늘어난다. 건조한 외기는 제습을 공짜로 해 주지만 그 대가가 −5 °C 공기를 데우는 열이다. 그래서 수영장 공조에는 배기 열을 회수하는 열교환기나 제습 열펌프(코일에서 뺀 열을 재열과 풀 물 가열에 쓰는 방식)를 쓰는 경우가 많다.

홀 습도를 올리면 이렇게 달라진다 (외기 20 %, 여름 외기 32 °C·60 %).

홀 습도가 50 % 에서 65 % 로 오르면 증발량은 53.8 kg/h 에서 33.1 kg/h 로 줄어든다. 수증기압차가 작아지기 때문이다. 그런데 이슬점이 18.4 °C 에서 22.7 °C 로 올라 유리와 외벽 구조물에서 결로가 시작되는 온도가 올라간다. 습도를 높여 증발을 줄이는 방법은 결로 위험과 맞바꾸는 것이다. 구조물 표면 온도는 겨울 외벽 결로 판정의 방법으로 확인한다.

계산 밖의 문제

이 계산은 증발량을 입력값으로 둔 열수지다. 실제 증발량은 수영장 이용자 수, 물결과 분수 같은 활동, 수면의 공기 흐름에 크게 좌우되므로 설계 식과 제조사 자료로 따로 구한다. 또 홀의 현열 부하(유리·벽 손실, 조명)와 수영장 물을 데우는 열, 결합 염소 같은 수질·공기질 환기량은 이 글의 계산에 넣지 않았다. 환기량은 건물 기준에서 최소 외기량을 정하므로 외기 비율은 그 아래로 내려갈 수 없다.

수면에서 올라온 습한 공기는 홀 위쪽 천장·유리에 닿아 결로하기 쉽다. 급기를 유리와 외벽 쪽으로 불어 표면을 데우면 같은 홀 습도에서도 결로를 막는다. 선도로 구한 급기점은 이 기류 계획과 함께 봐야 한다.

흔한 실수

• 제습 부하를 상대습도 차이로 계산한다. 부하는 습도비 차이 × 건공기 질량이다. 여름 코일 부하는 122.1 kW 로 습도비로 구한다.
• 겨울에 외기를 필요 이상 늘린다. 외기 20 % 로 이미 제습이 필요 없는데 50 % 로 하면 가열이 67.8 kW 에서 199.8 kW 로 늘어난다.
• 습도를 올려 증발을 줄이면 이득이라고 본다. 증발은 줄지만 이슬점이 22.7 °C 까지 올라 결로 위험이 커진다.
• 설계 증발량을 한 가지 조건으로 쓴다. 이 글은 홀 55 % 에서의 값을 기준으로 압력차 비로만 조정했다. 이용자가 많은 시간대 값은 따로 본다.
• 급기 건구만 맞추고 유리 표면을 보지 않는다. 홀 평균 습도가 괜찮아도 찬 유리에서는 결로한다.

이 계산을 사이트에서 해보기

선도에서 여름 제습 공정 열기

선도 링크는 여름 외기, 홀 공기, 혼합점, 코일 출구, 급기점을 찍고 냉각 제습과 재열 공정 카드를 그린다. 공정 카드에서 코일 kW 와 재열 kW 가 나온다. 겨울 가습의 반대 방향 계산은 겨울 사무실 가습량 계산, 외기 비율 판단은 외기냉방 전환 판단, 코일 출구와 재열은 여름 냉각코일 선정과 재열 판단, 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.
• ASHRAE Handbook HVAC Applications 의 실내 수영장(Natatoriums) 부분: 수면 증발이 수면 수증기압과 공기 수증기 분압의 차에 비례하며 이용자 활동에 따라 달라진다는 설계 원칙, 실내 수영장 공조에서 제습·열 회수를 다루는 방식. 이 글은 그 식을 쓰지 않고 설계 증발량을 입력으로 두었다.
• 수면 312.5 m², 수온 28 °C, 홀 30 °C·55 %, 설계 증발량 0.15 kg/(m²·h), 급기량과 외기 비율은 예시값이다. 홀 온도를 수온보다 높게 두는 정도도 설명용 값이다.