공조 시스템은 특정 공간 내부를 원하는 온도, 습도로 맞추기 위해서 적용합니다. 단순한 온도와 습도의 제어 뿐만 아니라 신선 공기의 도입, 기류의 분포와 공기의 질을 높이는 기술입니다. 일상에서 쉽게 접할 수 있는 것은 가정용 에어컨이 있고 고도로 전문화된 시스템으로는 병원의 클린룸, 반도체 공장의 항온항습실 등이 있습니다. 가정에서 선박의 거주 공간, 그리고 우주선의 실내에 이르기 까지 없어서는 안되는 중요한 기술 중 하나 입니다. 지금부터 시스템이 어떻게 구성되고 어떤 원리로 동작 하는지 구체적으로 알아보도록 하겠습니다.
공조 시스템의 기본 원리
공기를 가열하거나 냉각하여 원하는 온도를 만들고 가습을 통해서 습도를 높여 줍니다. 에너지 효율을 위해서 실내의 공기를 재순환 시키고 공기 중에 있는 co2 농도 감소를 위해서 신선한 외부 공기를 혼합하여 다시 실내로 송풍 합니다. 공조기의 핵심은 필터, 가열, 냉각, 가습과 송풍의 다섯 가지로 이루어져 있습니다.
공조 시스템의 첫 번째: 필터
외기를 도입할 경우 외기에 섞인 먼지, 또는 불순물이 그대로 실내로 송풍 될 경우 공기의 질을 저하 시킵니다. 또한 먼지 등은 히팅, 쿨링 장비에 쌓여 장비의 성능 저하나 고장을 야기합니다. 그러므로 적절한 필터를 적용하여 먼지의 유입을 최소화할 수 있습니다. 먼지는 크기나 종류에 필터의 등급이 달라집니다. 클린룸, 항온항습실의 최고 사양의 필터 적용이 필요합니다. 필터는 물로 씻어 쓸 수 있는 제품부터 초미세먼지까지 걸러 주는 고사양 제품까지 다양하게 있습니다. 최근 미세먼지가 나빠 일반 가정의 공기청정기에도 초미세먼지를 걸러 주는 필터를 적용하고 있습니다. 고사양 필터는 물로 씻어 쓸 수 없고 주기적으로 교체 필요하며 가격이 고가입니다.
공조 시스템의 두 번째: 가열
공기를 가열하는데 주로 전기식 히터를 많이 적용합니다. 열수나 열매유를 사용한 히터를 적용하기도 하는데 육상에서는 전기식 히터의 사용 빈도가 높습니다. 극지방을 운행하는 선박의 경우 얼지 않는 열매유 히터를 사용하기도 하나 열매유의 보관, 저장과 보충이 쉽지 않기 때문에 일반 가정에서 사용하는 경우는 거의 없습니다. 히터는 on/off 제어 방식으로 동작하는데 공기가 원하는 온도까지 도달할 때까지 히터가 켜졌다가 원하는 온도에 도달하면 꺼지는 원리입니다.
공조 시스템의 세 번째: 냉각 및 제습
냉매를 통한 냉각이 보편적이며 냉매의 상 변화를 통해서 공기가 가진 열량을 냉매가 흡수하는 방식으로 동작합니다. 액체 냉매가 기화될 때 열을 필요로 하기 때문에 공기와 열교환하여 공기 중의 열량을 뺏고 그 열량은 응축기에서 다시 방열 하는 시스템을 구성합니다. 이 과정에서 공기는 온도가 낮아지는데 공기 중의 수분은 쿨링 코일 표면에 맺혀 응축수가 되어 떨어집니다. 공기는 수분을 포함하고 있는데 공기의 온도가 높을수록 단위 공기량 대비 많은 수분을 함유할 수 있습니다. 공기가 최대한의 수분을 머금고 있는 것을 포화 상태라고 하는데 쿨링 코일을 통과하면서 공기의 온도가 내려가면 수분 저장량이 작아지므로 그 양을 초과하는 수분들은 응축수의 형태로 차가운 표면에 맺히게 됩니다. 우리가 흔히 시원한 냉장고에 음료캔을 넣어 뒀다가 꺼낼 경우 차가운 캔 표면에 작은 물방울들이 맺히게 되는데 이것과 동일한 원리입니다.
공조 시스템의 네 번째: 가습
겨울철 공기의 온도를 상승 시키면 공기가 포함하고 있는 수분량은 그대로 이므로 상대 습도가 현저하게 낮아집니다. 습도가 낮으면 공기가 건조해지기 때문에 실내에 있는 사람이나 장비에 나쁜 영향을 줄 수 있습니다. 가습은 여러가지의 형태가 있는데 가열식은 물을 증발 시켜서 공기가 공조기를 통과할 때 분사하여 공기를 적정 습도까지 상승 시키는 방법입니다. 가열식과 함께 많이 사용하는 방식은 증발식인데 증발하기 쉬운 표면에 물을 흘려 증발이 일어나도록 유도하고 그 곳을 지나는 공기에 수분을 공급하는 원리입니다.
공조 시스템의 다섯 번째: 송풍
공조기에서 적정 온도와 습도로 맞춘 공기는 목표 지점까지 전달해야 하는데 공기를 보내는 역할을 하는 것이 송풍기입니다. 모터에 팬을 부착하여 회전 시키는 방법으로 송풍을 하는데 목표 지점의 위치와 목표 지점 까지의 덕트 구성에 따라 송풍기의 용량과 특징이 결정됩니다. 만약 실내 공간이 협소하여 덕트를 작게 설치할 수 밖에 없다면 공기가 지나가느느 길이 좁기 때문에 공기를 보내기 어려워질 것이고 송풍기는 더 큰 힘으로 공기를 불어 내야 목표 지점까지 충분한 양의 공기를 보낼 수 있습니다.
공조기의 핵심 구성 요소에 대해서 알아 보았습니다. 공조기가 원하는 공기 조건을 만들기 위해서는 제어도 중요한데 최근 사물 인터넷, 인공 지능의 발전으로 많은 개선이 이루어지고 있습니다. 또한 에어컨을 사용하실 때 전기 요금이 많이 나올까 걱정해본 적 있으실 수 있는데 대형 공조기의 경우도 에너지 사용량 감소, 비용 절감을 위해서 에너지 회수 장치 등을 적용하기도 합니다. 자세한 내용은 추후 다루어 보도록 하겠습니다.