본문내용
1. 공기조화
1.1. 공기조화의 개요
1.1.1. 공기조화의 정의
공기조화란 실내의 온도, 습도, 기류, 유독가스 등의 조건을 실내에 있는 사람 또는 물품 등에 대하여 가장 좋은 조건으로 유지하는 것을 말한다. 공기조화는 크게 보건용 공조와 산업용 공조로 구분된다. 보건용 공조는 실내 인원에 대한 쾌감, 보건, 위생을 목적으로 하며, 주택, 사무실, 백화점, 병원 등의 건물에 적용된다. 산업용 공조는 실내에서 생산 또는 조립되는 물품, 또는 실내에서 운전되는 기계에 대하여 적당한 실내조건을 유지하고 부수적으로 실내 인원의 쾌적성을 유지하는 것을 목적으로 한다.
1.1.2. 공기조화의 4대요소
공기조화의 4대요소는 온도, 습도, 청결도, 기류이다. 공기조화에서 실내의 온도, 습도, 청정도, 기류 분포를 적정 수준으로 유지하는 것이 중요하다.
온도는 실내에 있는 사람의 체감온도와 관련이 있으며, 여름철에는 26℃ 내외, 겨울철에는 20℃ 내외로 유지되는 것이 쾌적하다.
습도는 실내의 수분 함량을 나타내며, 여름철 50%, 겨울철 50%로 유지하는 것이 일반적이다. 습도가 너무 낮으면 건조해져 불편함을 느끼고, 너무 높으면 곰팡이나 결로 발생의 우려가 있다.
청결도는 실내공기의 청정도를 의미하며, 실내에 있는 사람의 건강과 직결된다. 먼지, 유해가스, 박테리아 등을 제거하여 깨끗한 공기를 유지하는 것이 중요하다.
기류는 실내 공기의 흐름을 나타내며, 실내 온열 환경에 큰 영향을 미친다. 기류 분포가 불균일하면 일부 지역에서는 냉기, 일부 지역에서는 더위를 느낄 수 있다.
이처럼 공기조화의 4대요소인 온도, 습도, 청결도, 기류를 적절히 유지하는 것이 쾌적한 실내 환경을 만드는 데 필수적이다.
1.1.3. 일반공조의 실내 환경
일반공조의 실내 환경은 재실자의 쾌적감, 보건, 위생을 목적으로 하며, 실내공기의 온도, 습도, 청정도, 기류 등을 적절한 상태로 유지하는 것이 중요하다.
첫째, 인체의 열수지에 관한 것이다. 인간은 음식물 섭취와 호흡을 통해 에너지를 생산하며, 이 에너지의 일부는 체내 작업에 이용되고 나머지는 열에너지로 방출된다. 인간은 체내 열생산과 방출 사이의 균형을 유지하여 체온을 일정하게 유지해야 하는데, 이러한 열평형 상태를 벗어나면 불쾌감을 느끼고 질병이 생길 수 있다.
둘째, 인체에 가장 쾌적한 조건은 체내 열생산과 방출이 균형을 이루는 상태이다. 이를 지표화한 것이 불쾌지수, 유효온도, 수정온도, 신유효온도 등이 있다. 일반적으로 공조에서 사용하는 실내 조건은 여름철 26°C, 50%RH, 겨울철 20°C, 50%RH 정도가 권장된다.
셋째, 실내 온도가 높으면 열 스트레스로 인한 불쾌감을 느낄 수 있고, 낮으면 체온 저하로 인한 불쾌감을 느낄 수 있다. 또한 실내·외 온도 차이가 크면 열충격을 받을 수 있다. 따라서 실내 온도는 외기 온도와 5°C 이내의 차이를 유지하는 것이 바람직하다.
넷째, 공기의 청정도와 실내 공기오염물질 농도도 중요하다. 재실자의 호흡, 흡연, 기기 운전 등으로 실내에 해로운 물질이 발생할 수 있으므로, 신선 외기 도입을 통해 실내 공기를 청정하게 유지해야 한다.
이처럼 공조 시스템은 실내 온도, 습도, 청정도, 기류 등을 쾌적한 수준으로 유지함으로써 재실자의 건강과 작업 능률을 높이는 데 기여한다.
1.2. 공기조화 설비의 구성
공기조화 설비의 구성은 크게 열원 또는 냉원, 공기조화기, 공기 분배 장치, 자동 제어 장치로 이루어진다.
먼저 열원 또는 냉원은 공기를 가열할 때의 열원을 공급하는 보일러나 냉각을 위한 냉동기가 필요하다. 공기조화기(AHU: Air Handing Unit)는 먼저 공기로부터 먼지 및 불순물을 제거하여 깨끗이 하고, 열원 또는 냉원을 사용하여 공기의 온도 및 습도를 조절한다. 공기 분배 장치는 공기를 필요한 장소에 보내고 적당히 분배하는 송풍기 및 덕트로 구성된다. 마지막으로 자동 제어 장치는 실내 온도 습도를 일정하게 유지하고 가열과 냉각을 경제적으로 운전하기 위한 자동 조작 장치이다.
즉, 공기조화 설비는 열원 또는 냉원, 공기조화기, 공기 분배 장치, 자동 제어 장치로 구성되어 있다. 이러한 각 구성요소들이 유기적으로 작동하여 실내를 쾌적한 환경으로 유지하는 것이 공기조화 설비의 역할이다.
1.3. 공기의 성질
1.3.1. 공기의 종류
공기는 지구상에 널리 퍼져있는 기체로, 주된 구성성분은 질소(N2)와 산소(O2)이다. 공기조화 분야에서는 이러한 공기의 종류를 크게 다음과 같이 구분한다.
건조공기(dry air)는 수증기를 전혀 함유하지 않은 건조한 공기로, 조성은 질소 78%, 산소 20.93%, 아르곤 0.933%, 이산화탄소 0.03% 등으로 이루어져 있다. 평균 분자량은 28.964 kg·m/kg·°K이며, 기체 상수는 29.27 kg·m/kg·°K, 비중량은 1.293 kg/N㎥(20℃일 때 1.2 kg/㎥)이다.
습공기(moist air)는 건조공기에 수분이 섞여 있는 혼합 기체이다. 습공기는 건조공기의 질량과 수증기의 질량의 합으로 이루어지며, 건조공기의 분압과 수증기의 분압의 합으로 전압이 결정된다.
포화공기(saturated air)는 공기 온도에 따라 최대로 포함할 수 있는 수증기량에 도달한 공기를 말한다. 공기 온도가 상승하면 포화 수증기압도 상승하여 공기가 더 많은 수증기를 포함할 수 있게 되며, 온도가 내려가면 포화 수증기압이 낮아져 공기가 포함할 수 있는 수증기량이 감소한다.
무입공기(fog)는 공기의 온도를 서서히 내려 포화점에 도달시키면 수증기가 응축되어 미세한 물방울이나 안개 상태로 공중에 떠다니게 되는데, 이러한 공기를 무입공기라고 한다.
불포화공기(unsaturated air)는 포화점에 도달하지 못한 습공기로, 실제 공기는 대부분 이러한 불포화공기 상태이다. 가열하면 불포화공기가 되고, 냉각하면 과포화 공기가 된다.
1.3.2. 공기의 상태치
공기의 상태치는 공기조화 이론에서 매우 중요한 개념이다. 공기의 상태는 건구온도(dry bulb temperature), 습구온도(wet bulb temperature), 노점온도(dew point temperature), 절대습도(specific humidity), 상대습도(relative humidity) 등 여러 가지 요소로 표현된다.
건구온도는 보통의 온도계로 측정한 온도를 말한다. 습구온도는 물로 적셔진 천에 의해 증발 냉각되어 나타나는 온도로, 건구온도보다 낮다. 노점온도는 공기 중의 수증기가 응결되어 물방울이 생기는 온도이다.
절대습도는 공기 중에 포함된 수증기의 양을 나타내며, 1kg의 건조공기에 포함된 수증기의 질량(kg)으로 표시된다. 상대습도는 실제 공기 중의 수증기압과 그 온도에서의 포화수증기압의 비율을 백분율로 나타낸 것이다.
이러한 공기의 상태치는 공기조화 과정을 이해하고 설계하는데 매우 중요한 역할을 한다. 공기조화 설비에서 공기의 상태변화를 파악하고 분석하기 위해서는 공기의 상태치를 정확히 이해하고 활용할 필요가 있다.
1.4. 습공기 선도와 상태변화
습공기 선도는 공기조화에서 공기의 열역학적 상태를 나타내는 도표로, 수직축으로 절대습도(χ)와 사교축으로 엔탈피(h)로 구성되어 있다. 실제 선도상으로는 가로축이 건구온도(t)로 나타나지만, 이는 좌표축이 아니며 등온선이 등간격으로 분할되지 않는다.
습공기 선도상에서 공기의 상태변화는 다음과 같이 나타난다. 건조코일을 사용한 현열 냉각의 경우 수증기량은 변하지 않고 온도만 저하하므로, 절대습도가 일정한 선상을 따라 변화한다. 건구온도가 감소하고 상대습도는 증가하여 포화곡선에 도달하면 상대습도 100%, 즉 포화상태 또는 노점온도에 이르게 된다.
반대로 가열코일로 공기를 가열하는 경우에는 수증기량이 변하지 않고 건구온도가 증가하며, 상대습도는 감소하는 방향으로 수평이동을 한다.
냉각 열량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
qc = G(i1 - i2) = Q/v(i1 - i2) = GCp(t1 - t2) = 0.24G(t1 - t2) = 0.29Q(t1 - t2)
여기서 qc는 냉각 열량(kcal/h), G는 풍량(kg/h), i1과 i2는 각각 입구와 출구의 엔탈피(kcal/kg), Q는 풍량(m3/h), v는 비체적(m3/kg), Cp는 정압비열(0.24kcal/kg℃), t1과 t2는 각각 입구와 출구의 건구온도(℃)이다.
가열 열량 역시 유사한 식으로 계산할 수 있다.
이처럼 습공기 선도는 공기조화 시스템의 상태변화를 직관적으로 파악할 수 있게 해주며, 열량 계산에도 유용하게 활용된다.
2. 냉동의 원리
2.1. 냉동의 정의
냉동이란 어떤 물체나 공간의 열을 인위적으로 빼앗음으로써 주위의 온도보다 낮은 온도로 만들고, 또 그 저온을 유지하는 것을 말한다. 따라서 뜨거운 커피를 식히거나 자동차의 라디에이터를 식히는 등의 행위는 냉각이지 냉동이라고 볼 수 없다. 냉동의 대상이 되는 물질로는 농, 수, 축산물이 될 수 있고, 공산품이나 유체가 될 수도 있다. 또한 직접 이러한 물건을 냉각하기 어려운 경우에는 소위 "브라인"을 냉각시켜 이를 통해 목적하는 물체를 냉각시키는 방법도 있다.
2.2. 냉동작용의 원리
땀을 흘린 후 바람을 맞으면 시원함을 느끼게 되는데, 이는 땀이 증발하면서 증발열을 몸으로부터 가져가기 때문이다. 즉, 액체상태에서 기체상태로의 상변화 시 필요한 열을 증발하지 않은 액체에서 가져가고, 그 액체는 그만큼의 열을 피부로부터 보상을 받는 것이다. 이러한 현상은 땀, 물뿐만 아니라 모든 액체가 증발하여 기체로 될 때도 필요한 과정이다....
