공기조화란? 공기조화의 유형

'공기조화’란 HVAC(heating, ventilating and air-conditioning)의 모든 것, 난방, 환기 및 냉방기능을 포함하고 있으며, 더 포괄적인 의미로는 온도, 습도, 청정도, 실내 공기의 질, 환기 등에 관한 제어를 포함한다. 공기조화 시스템의 주목적은 재실자에게 공간의 용도와 목적에 따라 최적의 생활공간이 될 수 있도록 건강하고 쾌적한 환경을 제공하는 데 있다. 공기조화시스템의 기본적인 기능으로는 냉·난방, 환기, 청정, 가습/감습, 다른 시스템과의 통합 및 제어를 들 수 있으며, 쾌적한 환경과 건강 유지라는 일련의 목적을 달성하기 위해서 필요한 장치, 제어, 운영전략 등으로 구성된다.

건구온도의 조절 : 가열(heating), 냉각(cooling) 

여름철에는 일사 및 관류에 의한 열획득, 실내의 조명과 인체 등으로부터 발열이 있으며, 이러한 열에 의해 실내 기온은 외기온보다 상승하게 된다. 따라서, 냉각된 공기를 실내에 송풍함으로써 실내로부터 과열된 열을 제거하여 쾌적한 환경조건을 제공할 필요가 있다. 반대로 겨울철에는 외기의 온도가 낮으므로 실내로부터 열손실이 발생하기 때문에 가열된 공기를 송풍하여 손실되는 만큼의 열을 실내에 공급함으로써 쾌적한 실내 환경조건을 유지할 필요가 있다.  

상대습도의 조절 : 가습, 감습

상대습도는 공기의 습한 정도를 표현한 것으로 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해서는 이를 조절할 필요가 있다. 장마 등과 같이 습도가 아주 높아 불쾌한 경우에는 공기 중의 수분을 감소시켜야 할 필요가 있으며, 이러한 일련의 과정을 감습이라 한다. 일단 공조기 냉각코일의 표면온도를 공기의 노점온도 이하로 낮춘 다음 실내의 습한 공기를 냉각코일에 통과시키면 공기 중에 함유된 수증기가 응축하면서 제습이 이루어진다. 또한, 건조한 겨울철에는 건조한 실내공기로 인한 호흡기 질환 등을 예방하기 위해 공조기 내의 수초를 이용하여 물을 순환 분무함으로써 공기 중 수증기 함유량을 증가시키게 되는데, 이를 가습이라 한다.

기류의 조정 

기류는 인체의 열쾌적에 영향을 미치는 중요한 요소이므로 공조 시 실내에 적당한 기류를 균일하게 분포시키는 것이 중요하다. 또한, 냉방이나 난방 등을 위해서는 실내 기온에 비해 상대적으로 차갑거나 뜨거운 공기를 송풍하여 실내공기와 혼합함으로써 적절한 출구의 위치나 송풍기로부터 나오는 기류속도에 의해 재실자에게 국부적인 불쾌감을 조성할 수 있으므로 특히 유의해야 한다.

청정

재실자의 건강을 고려하여 실내공기의 청정도를 유지하려면 일정한 비율로 실내의 오염공기를 외부로 배출하고, 이에 따라 신선한 외기를 도입할 필요가 있다. 일반적인 공조에서는 송풍량의 약 30% 정도에 해당하는 외기를 도입하여 실내공기와 혼합함으로써 실내공기의 청정도를 유지하고 있으며, 경우에 따라서는 공기청정기를 사용하여 공기의 청정화를 도모하기도 한다.

공기조화의 유형

HVAC 시스템의 유형은 에너지 전달 방식(매체), 시스템 구성 방식, 분배/조절 방식에 따라 구분할 수 있다. 우선 에너지 전달 방식에 따라 전공기방식 (all-air system), 수-공기방식(air-water system), 전수방식(all-water system)으로 구분할 수 있으며, 시스템 구성 방식에 따라서는 단일덕트방식(single duet system), 이중덕트방식(dual duct system), 멀티존방식(multi-zone system)으로 구분된다. 분배/조절 방식에 따라서는 정풍량 방식(CAV : constant air volume system), 변풍량 방식(VAV : Variable air volume system), 팬코일 유닛(fan Col unit), 유인 유닛(induction unit), 열펌프(closed loop heat pump) 등으로 구분된다.

전공기방식

전공기방식(all-air system)은 중앙공조 장치에서 공급된 공기를 매체로 냉 · 난방 하는 방식으로 외기와 실내로부터 회수된 공기의 혼합공기를 공조기의 필터에 의해 제진한 후, 열원 장치로부터 제공되는 냉수와 증기 또는 온수와 열교환시킴으로써 냉풍 또는 온풍을 만들어 이를 덕트를 통해 실내로 송풍한다. 

정풍량 방식 

정풍량 방식은 각 실로 보내는 송풍량을 일정하게 유지하면서 열부하에 따라 송풍공기의 온 · 습도를 변화시켜 실내공기의 온 · 습도를 조절한다. 

단일존 · 단일덕트 정풍량방식

이 방식은 하나의 공조기에 의해 단일공간의 냉 · 난방 · 환기를 목적으로 구성된 가장 단순한 형태의 공조방식이다. 여기서는 단일덕트를 사용하며, 환기를 목적으로 일정 비율의 외기나 혼합된 공기를 부하에 따라 냉각 · 감습/가열 · 가습하여 일정한 송풍량으로 실내에 공급한다. 일반적으로 공조기는 중앙 기계실에 다른 열원기기와 함께 설치되며, 열원기기에서는 공조기 내에서의 냉각 가열을 위한 냉각수 및 증기/온수를 생산하여 코일에 제공한다. 냉각 · 감습 및 가열 · 가습한 공기를 덕트를 통해 각 실로 송풍하는 방식이다.

이중덕트 방식

부하가 다른 2개 이상의 존에 대한 공조를 목적으로 이중덕트 방식은 냉각코일과 가열코일이 별도로 설치된 2개의 덕트를 통해 뜨거운 공기와 찬 공기를 만든 후, 각 존의 필요에 따라 이를 혼합하여 요구되는 온도의 공기를 실내로 공급하는 방식이다.

멀티존 방식 

멀티존 방식은 이중덕트 방식과 매우 유사하나 2개의 덕트를 통해 냉풍과 온풍을 각각의 존에 보내어 혼합하는 대신에 혼합상자, 공급팬, 가열 · 냉각코일 등을 공조실에 집중시킴으로써 각 존별로 공조기에서 혼합된 공기를 하나의 덕트를 통해 실내에 공급하는 방식이다.

삼중덕트 방식

이 방식은 가열 또는 냉각되지 않는 공기가 송풍되는 세 번째 덕트를 제외하면 이중덕트 방식과 비슷하다. 이중덕트 방식의 경우, 상황에 따라서는 가열이나 냉각 없이 외기를 직접 실내에 공급할 수 있는 조건임에도 불구하고 외기를 가열/냉각시킨 후 이를 다시 혼합함으로써 막대한 에너지 손실을 감수하여야 한다. 반면에, 삼중덕트 방식에서는 온풍과 냉풍이 혼합되지 않는 대신에 냉방이 필요한 곳에는 최대로 냉각된 공기와 외기를 혼합하여 공급하고, 난방이 필요한 공간에는 최대로 가열된 공기와 외기를 혼합하여 공급한다. 그러므로 이 방식은 냉각과 가열의 혼합으로 인한 에너지 소비를 줄일 수 있다.

단일덕트 · 변풍량 방식

정풍량 방식에서는 송풍량을 일정하게 하고 송풍온도를 바꾸어 실온을 제어하지만, 변풍량 방식은 반대로 송풍온도를 일정하게 유지하면서 송풍량을 변화시킴으로써 부하 변동에 따라 쾌적한 실내 기온을 유지하는 방식이다. 이렇게 함으로써 각 존별로 하나의 덕트에 의해 여러 존을 제어할 수 있어 초기 투자의 측면에서도 유리할 뿐 아니라 매우 에너지 절약적인 방식으로 오늘날 가장 널리 사용되고 있다. 반면에 냉 · 난방이 동시에 요구되는 건물에서는 제약점이 있으므로 주로 냉방을 목적으로 사용되며, 최소 환기를 목적으로 냉방 부하가 없는 상태에서 최소 송풍량이 공급되는 존에서는 실내 기온이 쾌적 범위 이하로 떨어지는 것을 방지하기 위하여 재열시스템(terminal reheat)을 보조적으로 설치하기도 한다.

수-공기 방식

수-공기 방식은 열의 매체로서 물과 공기를 병용하는 방식이다. 각 존에 설치된 터미널 유닛(가열 · 냉각코일)에 냉 · 온수를 보내는 방식으로 공급되는 공기를 1차 공기(primary air), 공급되는 물을 2차 열매(secondary water)라고 부른다. 이 방식은 현열 변화폭이 크고, 습도제어를 필요로 하지 않는 다공간(multiple space)에 적용 가능하다.