HVAC 시스템 설계 개요

HVAC는 냉동공조를 의미하는 약어로 사용된다. 냉동공조는 열과정 및 시스템을 통하여 실내환경을 쾌적한 공기조건으로 유지시키기 위해 제어하는 기술을 지칭한다. 이 HVAC 분야는 대부분의 산업현장에서와 마찬가지로 추천된 기술과 표준방법 등에는 상당한 선행 경험이 결합되어 있다. 아래에서는 이 HVAC 시스템 설계 요소들을 설명한다.

 

목차

1. 응용
2. 실내 환경 인자
3. 난방 및 냉방부하
4. 과정
5. 장치
6. 시스템
7. 제어
8. 에너지 사용량과 비용

 

1. 응용

 

공간의 응용이나 이용은 환경변수(예, 온도)에 크게 좌우된다. 공간 내 사람들의 거주는 매우 중요한 응용의 예이다. 선진국의 사람들은 약 90%의 시간을 실내공간에서 보낸다. 따라서 실내공간은 거주자에게 안전하고 쾌적한 환경을 제공해야 한다. 이러한 일은 보통 건물내에서 주로 이루어지게 된다. 건물의 유형으로는 주거용, 학교, 상업용 사무실 건물 및 산업 설비 등을 들 수 있다. 특별한 고려가 요구되는 곳으로는 병원수술실과 골수이식 회복실을 들 수 있다. 이런 곳에서의 환자의 면역 시스템은 공기를 통해 운반되는 세균포자의 전염을 이겨낼 수 없는 경우가 종종 있다. 사람을 수송하는 방식들 또한 매우 중요하다. 자동차, 버스, 비행기, 우주선 등이 여기에 포함된다.

 

건물 내 거주하는 또 다른 것으로 동물을 고려할 수 있다. 동물용 건물이 광범위하게 이용됨에 따라 사육과정에서의 동물들의 후생 및 제중증가 등에 가장 적합한 환경조건을 개발하여야 한다. 또한 동물원 및 실험실의 동물용 건물 등은 특별한 요구사항을 만족해야 한다.

 

식물은 주로 온실에서 배양된다. 도매 및 소매용 화훼 재배설비는 사람이나 동물을 위한 건물과는 다른 온도, 습도, 가스 조절이 요구된다.

 

보존 및 저장설비는 특별한 환경조건을 필요로 한다. 음식물 보관창고, 수송, 소매 및 전시용 상자 등에는 주로 냉동이 적용된다.

 

박물관의 경우는 온도, 습도, 채광, 공기부유 오염물 등을 조절함으로써 예술 작품 및 역사적 유물 등의 손상을 방지해야 한다.

 

특별한 산업공정에는 개별적인 요구사항이 따른다. 이러한 사항은 점점 더 보편화되어 마치 제조과정에서 허용오차가 더욱 더 엄격히 요구되고 있는 경향과 비슷하다. 한 예로 반도체 제조용 청정실의 환경조절을 들 수 있다. 컴퓨터 칩이 미크론 이하 단위의 크기가 됨에 따라 약간의 온도변화로도 서로 겹쳐있는 마스크들의 서로 다른 열팽창을 유발함으로써 그 공정의 생산량에 지대한 영향을 끼치게 된다. 또한 습도조절은 공기부유 입자들과 반응가스의 조절만큼이나 중요하다.

 

2. 실내 환경 인자

 

위에서 언급한 모든 경우에서 기초 인자들은 조화공간 내에서 제어되어야 한다. 각 인자의 상대적인 중요성, 요구되는 설정조건, 평균에 대한 허용변위 등은 모두 개별적으로 적용되어야 할 것들이다. 이러한 인자로는 다음과 같은 것이 있다.

 

1) 온도 - 건구 및 평균복사

2) 습도

3) 공기 운동

4) 공기로 운반되는 오염-기체상태 및 입자상태

 

3. 난방 및 냉방부하

 

실내와 실외의 온습도 차이만큼 에너지 교환이 발생하게 된다. 환기요구량, 태양 복사, 그리고 거주자, 조명 및 장비로부터의 내부열 취득 등이 또한 에너지 취득 및 손실 요인이 된다. 건물의 기능은 실내 환경인자의 수준에 좌우된다. 건물의 위치는 그 지역 기후 및 날씨 정보를 정하게 한다. 이것들은 건물외벽 구조와 함께 건물외벽을 통한 냉난방에너지 부하를 제공하게 된다. 추가적인 부하로는 내부열 및 습기취득이 있다. 공기환기량은 전체 건물 냉난방 시스템 부하의 한 부분이 된다. 환기부하는 배출 공기량 및 보충 공기량 사이의 열회수 형태의 방식을 채택함으로써 상당부분 저감시킬 수 있다. 기본적인 계산 과정은 거주건물 내의 강제대류-공기 가열(난방) 및 냉각(냉방) 시스템을 위해 개발된 것으로 다른 유형의 시스템 및 응용 장치에 사용해야 하는 경우는 주의해야 한다.

 

4. 과정

 

몇몇 기본적인 과정은 위에서 언급한 요구조건들을 만족시키기 위하여 공기를 적절히 조절할 필요가 있다. 기본적인 과정으로는 다음과 같다,

 

1) 현열 가열(난방) 및 냉각(냉방)

2) 잠열 가열(난방) 및 냉각(냉방) (습기의 공급 및 제거)

3) 가스와 증기의 제거

4) 미세입자의 제거

 

냉각이나 제습과 같은 경우에 과정 1)과 2)는 종종 조합된다. 혼합 과정은 전체 시스템에서 필요하다. 이들은 습공기 과정이다.

 

과정 3)과 4)는 공기정화과정이다. 정화된 공기는 건물 내 거주자들에게 적절하게 분배되어야 한다. 이는 실내공기 질과 관련이 있다.

 

5. 장치

 

공기조화 과정에 필요한 주요 장치로는 열교환기, 직접접촉식 가습기, 에어와셔, 가스 필터, 미세입자 필터 등이 있다. 기타 장치로는 보일러와 용광로(특수한 형태의 열교환기), 펌프, 팬 들이 있다.

 

6. 시스템

 

시스템은 위에서 서술한 장치의 부속품들을 서로 연결하여 공기, 물, 증기 또는 냉매를 전달한다. 어떤 시스템은 외부설비의 연결부분 만을 제외하고 공장에서 완전히 조립되어 나온다. 이러한 것은 패키지 혹은 개별 시스템이라 불린다. 대형 시스템은 설치되어야 할 현장에서 직접 조립된다.

 

흔히 볼 수 있는 시스템으로는 냉동 시스템을 들 수 있다. 냉동 시스템은 비록 극저온 시스템이 식품가공 산업에서 두루 사용되고 있지만 주로 기계식 증기압축 또는 흡수식 시스템이다.

 

다른 유형으로는 냉온수를 공급한느 순환수 시스템과 공조공간에 공기를 조절, 공급, 배출하는 공기조절 시스템을 들 수 있다. 

 

어떤 시스템은 공기와 물을 모두 수송하므로 공기와 물 시스템이 함께 사용된다.

 

주거 건물 내 시스템의 에너지 요구량은 외벽과 환기부하, 장치성능에 관한 정보 및 시스템 제원에 기초하여 예측된다.

 

7. 제어

 

장치 크기, 파이프 및 덕트 크기, 에너지 사용량을 포함한 시스템 설계는 주로 피크부하 또는 설계부하에 기초하여 이루어진다. 그러나 시스템은 거의 설계부하대로 운전되지는 않는다. 대부분 시스템은 부분부하 조건에서 가동되며 중앙장치의 용량 및 유체유량은 피크치 혹은 설계치보다 훨씬 작게 된다. 1년내내 잘 조화된 환경조건을 제공하고 연간 에너지 사용량과 시스템의 작동비용을 최소화하기 위해서는 적절한 제어가 필요하다.

 

제어 시스템은 전통적으로 매우 단순하고 견고하다. 압축공기를 사용하는 공압제어는 널리 사용되어 기존의 건물에 많이 설치되어 있다. 최신 직접디지털 제어 시스템이 개발되어 프로그램을 재수정할 수 있고 원격모니터링 기능이 추가되는 등 선택사양들이 다양하게 제공되고 있다. 냉동냉각기와 같은 패키지 장치의 부품은 종종 전체 건물제어 및 모니터링 시스템과 연동된 내장형 디지털 제어 시스템을 갖는다.

 

8. 에너지 사용량과 비용

 

적절한 제어가 되는 냉방, 환기 및 공기조화 시스템은 상당한 양의 연간 에너지비용을 필요로 한다. 순간피크 요구량은 비용과 연관되어 있으므로 전체에너지 사용량은 해당 가격체계에 맞춰져 연간 에너지 사용비용으로 전환된다. 즉 시스템 에너지 사용량은 에너지 구입비용으로 전환되는 것이다.

 

에너지비용은 건물에 에너지 저장(축열 등)방식을 도입하거나 피크요구 시간대의 몇 시간 동안 실내 환경조건을 완화함으로써 상당히 저감시킬 수 있다. 그러나 어느 정도의 축열은 건물구조물 자체에 내재되어 있다. 따라서 피크냉방 부하를 저녁이나 밤 시간대 쪽으로 이동시킬 수 있다. 추가적인 에너지 저장은 냉수 또는 고온수를 이용하여 저장할 수 있다. 에너지 저장 시스템은 야간의 비피크 전력사용 요금과 같은 저렴한 가격 시간대에 에너지를 저장시켰다가 낮 동안의 피크 시간대에 사용할 수 있게 한다.

 

공간난방 에너지 사용량을 예측하는 가장 간단한 방법으로는 도일법이 있으며 이 방법은 평균일간 외기온도에 의존한다. 또한 전통적인 빈법도 있는데 이 방법은 공기 대 공기 열펌프와 같이 난방 시스템의 성능이 외기온도에 직접적인 영향을 받는 경우에 유용하다.