복사냉방 복습

예전에 이에 관한 토론이 한번 있었습니다만, 이즈음 해서 미리 이에 관한 담론을 한번 하고 지나가는 것이 좋을 듯 하여 가론합니다.

엔지니어링이란 밝혀진 지식으로 가설을 세우는 것이 출발이라고 생각하기 때문입니다.

어디부터 시작할까? 생각중입니다.

계에 대해서 먼저 논하는 것이 좋을 듯 합니다.

계를 해석함에 있어 가장 면밀하게 정의되어야 하는 것이 해석의 대상이되는 ZONE의 경계를 획정하는 것입니다.

이게 어리숙하면 부산인구 조사한다면서 서울사람 머리수 카운트하는 꼴이 나는거죠.

설정된 계 내에서는 뉴톤 물리학이 작동합니다.

그림에 두개의 존이 있습니다.

ZONE2는 거주시설과 환기장치와 SA에 설치된 냉방코일이 포함되어 있고 ZONE1에는 환기장치와 냉방코일은 제외된 거주시설만을 설정하고 있습니다.

두개의 ZONE모두 계의 경계를 드나드는 에너지 해석이 가능하고 ZONE 안에서의 뉴톤 물리학은 작동합니다.

예를들어 ZONE2를 살펴보면 주택의 성능에서 현열에너지소요량과 잠열에너지소요량의 합이 30kWh/㎡이라면 어떤 수단을 통해서라도 또는 ZONE내 어느 곳에 그 에너지를 투입하더라도 그 합이 30KWH/㎡이 되면 ZONE내의 냉방 부하는 처리가 됩니다.

이 원칙은 ZONE1이라고 예외는 아닙니다. 다만, ZONE1과 ZONE2는 계의 경계를 드나드는 에너지의 값이 달라지는 것이죠.

지금까지의 복사냉방 해석은 그럼 어떤 ZONE으로 해석했느냐?는 것인데, ZONE2로 해석해 왔던 것 같습니다.

저는 이 접근에 중대한 오류가 있다고 본 것입니다.

결국 냉방의 목적은 거주시설의 콘트롤에 있으므로 ZONE1을 경계로 하는 에너지 해석이 되어야하고 이렇게 해석할 때 복사냉방에 치명적인 한계가 드러난다고 본 것입니다.

먼저 일전에 HVAC님이 제시한 습공기선도를 통해서 ZONE2 를 경계로 하는 전체 해석 경로를 살펴보겠습니다.

그림이 흐릿하니까 약간의 오차를 가지고 말로써 전체 온습도 제어 경로를 해석해 보겠습니다.

① 온도 32도쯤, 상대습도 60%에 해당하는 외기를 일차로 환기장치에서 열교환하여 26도 상대습도 80%의 SA로 회수하고

② 그 다음 팬코일로 노점까지 냉각한 후 응축수를 배출하는데 그 종말점은 17도 상대습도 100%로 냉각합니다.

③ 그렇게 냉각된 SA공기가 거주시설에 공급되고

④ 그 공기가 실내에서 다시 온도가 상승하여 26도가 되면 이때 상대습도는 60%가 된다는 시나리오입니다.

이것이 ZONE2전체를 포괄하는 에너지 해석 다이아그램 구성입니다.

그러므로 ZONE2에서는 투입되는 에너지가 현열을 타킷으로 했던 잠열을 타킷으로 했던 또 실내던 열교환기던 코일이던 어느곳에서 투입이 되었던 ZONE2 안에서는 전체에너지는 평형에 도달한다는 해석이 가능합니다.

그러나, 저는 이 해석에 중대한 오류가 있다고 본 것입니다.

에너지 해석을 실제 거주  환경과 직결되는 ZONE1을 경계로 하여 해석하면 완전히 다른 양상을 보인다는 것입니다.

그럼, 습공기선도에서 ZONE1의 출발점은 어디일까요?

바로 파란색 동그라미가 쳐진 17도, 상대습도 100%의 SA가 존의 경계가 되는 것입니다.

ZONE1를 경계로 하는 계를 분리해 보겠습니다.

습공기 선도의 경로 종말점은 26도 상대습도 60%입니다.

바로 팬코일에서 제습 후 SA로 공급되는 공기가 실내 공기와 혼합되어 26도 습도 60%를 만들고 그 공기가 다시 RA로 빠져나가 열교환기로 갑니다.

이것입니다.

다시 살펴보면 17도 100%의 SA가 공급이 되고 그 공기가 실내 공기와 혼합된 후 온도가 상승하여 26도 60%가 되는 것입니다.

습공기선도상 잠열처리없이 온도만 상승하는 현열부하 처리 경로를 따라갑니다.

HVAC님은 바로 이 경로 즉 17도 습도100%의 공기가 26도 60%가 되는 부분에 대한 해석을 전혀 하고 있지 않습니다.

이에 관한 가장 상세한 해석은 제 기억으로는

"전체 에너지 경로를 봐야한다"

전 당췌 뭔 소린지 이해할 수가 없습니다.

짤라보면 설명이 안되는게 전체를 보면 설명이 된다는 말은 들어본 적이 없거든요.

물리학에서는 부분도 맞아야 하고 전체도 맞아야하는거죠.

이렇게 ZONE을 짤라서 해석이 안되는 것이 있다는 말은 듣지 못했습니다.

또 짤라보면 안되는게 붙혀본다고 말이 되는 법도 없습니다.

전체경로를 보고 해석하라는 말의 다른 표현은 딱 한가지로 수렴합니다.

실내 공기 상태를 26도 60%로 하지는 않는다는 것입니다.

그게 28도 65%가 될 수도 있는거지요.

발란스에 따라서는 29도도 될 수 있습니다.

그러나, 26도 60%에서는 에너지 발란스를 맞출 수 없습니다.

이경로가 설명이 되려면 SA로 17도 100%의 에너지값을 가진 공기가 투입이 되고 그 에너지로 거주시설에서 발생하는 현열에너지를 처리하고 그래도 부족해서 복사냉방에너지로 처리한 결과가 26도 60%로 되어지는 경로가 설명이 되어야 합니다.

SA(17도 습도 100%)가 가진 에너지 - 실내 26도 60%가 가진 에너지 = 실내 냉방에너지소요량 + 복사냉방에너지투입량

라는 평형식이 설명되어져야 합니다.

그 경로가 불가능하다는 것입니다.

다시 본론으로 이어갑니다.

17도 공기가 투입되면 그냥 자동으로 26도 상대습도 60%의 공기로 가는게 아니죠.

에너지평형으로 해석이 되어야 합니다.

즉, 17도 공기가 투입이 되고 그 공기가 실내 공기와 혼합된 결과로 26도에서 평형을 이룬 것입니다.

환기율 35% 상태라면 실내 공기가 이미 26도라면 이 평형은 22.9도에 서게 됩니다.

0.35 * 17 + 0.65 * 26 = 22.9도

실내가 과냉각됩니다.

즉, SA가 투입되지 않았을 때 실내 온도가 몇도인 상태이면 SA가 투입되었을 때 그 평형이 26도가 되느냐?를 따져야 하는 것입니다.

환기율 35%를 기준으로 해석하면

0.35 × 17 + 0.65 × X = 26

X ≒ 31도

입니다.

즉, 실내 현열부하가 SA로 냉각하지 않았을 때는 31도까지 올라가는 상태가 되는 실내 공기가 있다고 할 때 SA를 투입했을 때 26도에서 평형을 유지한다는 것입니다.

이는 현열부하처리입니다.

그럼 31도의 공기를 26도까지 내리는 현열처리 에너지값이 얼마정도이냐?는 것인데요.

오차가 있더라도 간편하게 습공기선도에 있는 건공기 엔탈피 값을 보겠습니다.

건공기 엔탈피 차이는 (31-26)=5도 * 1.006 kJ/kg/도 = 5 kJ/kg 입니다.

(정해갑님의 지적에 따라 오류 수정합니다. 이하 왕창 수정합니다. ) 

즉, 건공기라고 가정할 때 공기 1kg당 5KJ의 현열 처리 에너지가 투입되면 31도의 공기 1KG이 26도 공기 1KG이 된다는 것입니다.

이값을 부피 단위로 해석하면

26도 상대습도 60% 공기의 비체적은 0.8540 ㎥/kg(밀도 = 1.1710 kg/㎥)

이므로 5 × 1.1710 = 5.855 KJ/㎥ 이 되고 단위 환산을 하면 1.626Wh/㎥ 이 됩니다.

현재 단위 볼륨당 에너지값으로 된 값을 환기율과 계산에 사용된 표준주택(4L)의 유효바닥면적과 환기용체적값을 이용하여 파워를 계산해 보겠습니다.

1.626Wh/㎥  × 283.6 ㎥ / 113.4 ㎡ / (0.35h) = 11.6 W/㎡ 입니다.

정리하면 표준주택(4L) 기준으로 보면 17도 100%의 SA를 공급했을 때 실내 현열부하가 11.6 W/㎡ 이 있을 때 실내 온도는 26도 60%로 평형을 이룬다고 추정할 수가 있습니다.

그런데, 이 표준주택의 에너지샵상의 현열부하는 얼마인지 살펴보면 13.3 W/㎡ 입니다.

11.6 ≒ 13.3 입니다.

13.3 - 11.6 = 1.7 W/㎡ 의 차이가 있는것입니다.

좀더 유의할 점은 샵에서 계산한 냉방부하값은 기간 평균이라는 것입니다.

즉, 실제 현장 기간 중 일 평균으로도 이값보다 클수도 작을 수도 있고 하루 중에도 낮에는 이보다 높고 밤에는 이보다 낮게 됩니다. 

개괄적으로 보면 두값이 근소한 차이를 가짐으로 전체 기간 중 40% 정도는 실내 냉방부하가 11.6W/㎡보다 낮을 수도 있는데 반하여

위 계산된 SA 투입 에너지 11.6W/㎡은 불변이라는 것입니다.

복사냉방은 현열만 처리하기 때문에 실내온도 26도 상대습도 60% 조건에서 풍량을 고정하면(풍량은 온도 조건에 따라 변경되는 것이 아님) SA로 투입되는 공기는 17도 상대습도 100%이외에는 선택의 여지가 없다는 것입니다.

SA 온도를 올리면 26도에서의 상대습도도 무조껀 같이 올라갑니다.

이제 좀 신중하게 생각해야하는데요.

이게 뭔소린지 이해하려면, 위 습공기선도상의 경로에 따르면 현열부하가 11.6 W/㎡(실내온도 31도)가 되었을 때 비로써 17도 100% 공기가 실내 현열부하를 처리하고 26도 60%가 되는 것으로 보았는데, 실제 집의 현열부하는 이 값과 유사한 13.3 W/㎡ 라는 것입니다.

이로서 추정할 수 있는 것은 표준주택은 SA 공기로 냉각하지 않아도 여름 실내 온도 평균이 31도 보다는 약간 높은 값에서 평형을 이룬다는 것이죠.

그러므로 표준주택에 17도 100%의 SA를 불어넣으면 실내온도는 26도보다 약간만 더 높은 상태가 된다는 말이 됩니다.

즉, 이미 코일에서 이 집에 필요로 하는 냉방에너지의 대부분의 에너지가 투입이 된 상태이므로 거주시설에서 추가로 복사냉각 에너지를 투입할 여지가 거의 없다는 것입니다.

가정하여 만약 실내에서 복사냉각 에너지를 많이 투입하기 위해서 코일의 투입 에너지를 줄인다면 가정하여 17도가 아니라 22도로 조정 한다면 현열 기준으로는 복사 냉방의 여유가 생기겠지만 이 경우에는 22도는 외부 공기의 노점에 거의 걸쳐있기 때문에 제습이 않되고 투입되기에 이 공기를 26도로 올려면 상대습도는 75%까지 치솟게 됩니다.

이를 제어하려면 별도로 제습기를 가동해야만 하는 것입니다.

4L하우스의 에너지 발란스도 이러한데 1.5리터 급 패시브라면 현열부하는 산술적으로 봐도 4L의 38%에 불과합니다.

그런 집이라면 당췌 어떻게 하면 복사냉방이 돌아가겠느냐?는 의문이 있을 수밖에 없는 것입니다.

이런 집은 SA에서 22도 습도100%의 공기를 불어 넣어도 현열부하가 아주 낮기 때문에 실내 온도는 26도에 맞춰지게 됩니다. 그럼 상대습도는 75%가 되는 것이고요

이런 점에서 우리나라와 같이 고온다습한 기후에서는 복사냉방은 현열부하가 6L급 이상이 되는 저단열 주택에서나 작동이 가능하다는 생각이 드는 것입니다.

이게 제 해석이고 나쁘다 좋다를 떠나 해석은 바로 하고 선택은 선택이라는 견해를 밝힙니다.