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공기조화

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목차

1. 개요

공기조화는 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위한 기술로, 냉방 기술은 선사 시대부터 존재해왔다. 1901년 윌리스 캐리어가 최초의 현대식 전기식 에어컨을 개발한 이후 가정용 에어컨이 보급되었고, 현재 다양한 종류의 에어컨이 사용되고 있다. 에어컨은 건강, 경제, 환경 및 사회적 측면에 영향을 미치며, 성능, 제어 시스템, 작동 원리 등에 따라 분류된다.

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공기조화

2. 역사

상업용 사무실 건물 외부에 설치된 에어컨 응축기 장치들


에어컨은 건물의 실내 환경을 외부 날씨 변화 및 내부 열 부하와 상관없이 상대적으로 일정하게 유지할 수 있게 한다. 또한 심층 계획 건물의 건설을 가능하게 하고, 사람들이 세계의 더 더운 지역에서도 편안하게 생활할 수 있도록 했다.[10]

2. 1. 초기 발전

냉방 기술 자체는 선사 시대까지 거슬러 올라가며,[7] 고대 시리아의 하무카르나 고대 이집트 등에서 다양한 수동적 냉방 기술이 사용되었다.[8][112] 이러한 기술은 이베리아 반도에서 북아프리카, 중동, 북인도에 이르기까지 널리 퍼져 있었다.[9] 수동 기술은 20세기까지 널리 쓰였으나 점차 동력을 이용한 냉방으로 대체되었다.[120][9]

과학적 원리를 이용한 냉각 기술의 발전은 근대에 이루어졌다. 1558년, 지암바티스타 델라 포르타는 그의 저서 ''자연 마술''에서 질산칼륨(당시 "초석")을 얼음과 섞어 어는점 이하로 냉각하는 방법을 설명했다.[11][12][13] 1620년에는 코르넬리스 드레벨이 영국왕 제임스 1세 앞에서 도랑과 통을 이용한 장치로 웨스트민스터 사원의 일부를 냉각시키는 시연을 보였다.[14] 프랜시스 베이컨은 이 시연을 직접 보지는 못했지만, 같은 해 출판된 책에서 이를 "인공 냉동 실험"이라 묘사하며 초석과 소금이 눈이나 얼음의 차가움을 강화한다고 기록했다.[11]

1758년, 벤저민 프랭클린과 캠브리지 대학교의 화학 교수 존 해들리는 증발의 원리를 이용한 냉각 실험을 수행했다. 그들은 알코올이나 에테르와 같이 휘발성이 높은 액체가 증발할 때 주변의 열을 빼앗아 물체를 냉각시킨다는 점을 확인했다. 실험에서 그들은 풀무를 사용하여 증발을 가속했고, 주변 온도가 18°C일 때 수은 온도계의 구부 온도를 -14°C까지 낮추는 데 성공했다. 프랭클린은 온도가 0°C 이하로 내려가자 온도계 구부 표면에 얇은 얼음막이 생겼으며, -14°C에 도달했을 때는 얼음 두께가 약 약 0.64cm이었다고 기록했다. 그는 이 실험을 통해 "따뜻한 여름날에도 사람을 얼어 죽일 가능성"을 보았다고 결론지었다.[15]

19세기에 들어서면서 압축 기술이 발전하기 시작했다. 1820년, 영국의 과학자 마이클 패러데이는 암모니아를 압축하여 액화시킨 뒤, 이 액화 암모니아가 다시 증발하면서 주변 공기를 냉각시킬 수 있다는 사실을 발견했다.[16] 이는 현대 냉동 기술의 중요한 원리가 되었다.

1842년, 플로리다의 의사 존 고리는 압축 기술을 사용하여 얼음을 만드는 기계를 제작했다. 그는 이 얼음을 플로리다주 아팔라치콜라에 있는 자신의 병원에서 환자들의 방 공기를 식히는 데 사용했다.[16][17] 고리는 궁극적으로 자신의 제빙기를 사용하여 건물의 온도를 조절하기를 바랐으며, 도시 전체를 냉각할 수 있는 중앙 집중식 공기조화 시스템을 구상했다.[16][17] 그는 1851년에 자신의 제빙기에 대한 특허를 받았지만,[18] 주요 후원자가 사망한 후 그의 발명을 실현하지 못했다.[19]

같은 해인 1851년, 호주 겔롱에서는 제임스 해리슨이 최초의 기계식 제빙기를 만들었으며, 1855년에 에테르를 냉매로 사용하는 증기 압축 냉동 시스템에 대한 특허를 받았다. 이 시스템은 하루에 3톤의 얼음을 생산할 수 있었다.[20] 해리슨은 이후 제빙 회사를 설립하고 영국으로 냉장 쇠고기를 수출하는 문제에 관여하기도 했다.[20] 이러한 초기 발명가들의 노력은 이후 윌리스 캐리어 등에 의한 현대적인 에어컨 개발의 기초가 되었다.

2. 2. 현대적 발전

최초의 현대식 전기식 에어컨을 개발한 것으로 알려진 윌리스 캐리어


전기의 발전은 효과적인 에어컨 장치 개발의 길을 열었다. 1901년, 미국의 발명가 윌리스 캐리어는 최초의 현대식 전기 에어컨으로 평가받는 장치를 만들었다.[21][22][23][24] 1902년, 그는 뉴욕주 브루클린에 위치한 새킷-빌헬름 석판 인쇄 및 출판 회사에 첫 에어컨 시스템을 설치했다.[25] 캐리어의 발명품은 온도뿐만 아니라 습도까지 조절하여, 인쇄 공장에서 종이 크기와 잉크 정렬을 일정하게 유지하는 데 큰 도움을 주었다. 이후 캐리어는 동료 6명과 함께 미국 캐리어 에어컨 회사(The Carrier Air Conditioning Company of America)를 설립했고, 이 회사는 2020년 기준으로 직원 5만 3천 명, 기업 가치 186억달러에 달하는 규모로 성장했다.[26][27]

1906년, 노스캐롤라이나주 샬럿의 스터어트 W. 크레이머는 자신의 방직 공장 공기에 수분을 더하는 방법을 연구하고 있었다. 크레이머는 그해 제출한 특허 청구서에서 처음으로 "에어컨디셔닝(air conditioning)"이라는 용어를 사용했다. 그는 이 과정이 당시 섬유 가공을 쉽게 하기 위해 잘 알려진 "물 조절(water conditioning)"과 비슷하다고 보았다.[28] 그는 환기를 통해 공기 중 수분을 조절하여 방직 공장에 필요한 습도를 맞추는 방식으로 공기를 "조절"했다. 윌리스 캐리어는 이 용어를 받아들여 자신의 회사 이름에도 포함시켰다.[29]

가정용 에어컨은 점차 대중화되기 시작했다. 1914년, 미니애폴리스의 찰스 길버트 게이츠의 저택에 최초의 가정용 에어컨이 설치되었다. 하지만 이 장치는 크기가 매우 컸고(약 약 2.13m × 약 1.83m × 약 6.10m), 집주인 게이츠가 1913년 10월에 이미 사망했기 때문에 실제로 사용되지는 않았을 가능성이 높다.[16]

1931년에는 H.H. 슐츠와 J.Q. 셔먼이 오늘날 흔히 볼 수 있는 창문형 개별 실내 에어컨을 개발했다. 이 장치는 1932년에 1만달러에서 5만달러 사이의 가격으로 판매되었다.[16] 1년 뒤에는 최초의 자동차용 에어컨이 시장에 나왔다.[30] 크라이슬러는 1935년에 실용적인 반휴대용 에어컨을 선보였고,[31] 팩커드는 1939년 자동차에 에어컨을 장착한 최초의 자동차 제조사가 되었다.[32]

20세기 후반의 기술 혁신은 에어컨 사용을 더욱 확산시켰다. 1945년, 매사추세츠주 린의 로버트 셔먼은 공기를 냉각, 난방, 가습, 제습, 정화하는 기능을 모두 갖춘 휴대용 창문형 에어컨을 발명했다.[33] 에너지 효율을 높인 최초의 인버터 에어컨은 1980년에서 1981년 사이에 출시되었다.[34][35]

1954년, 텍사스 대학교 오스틴 건축학과 졸업생 네드 콜은 각 주택에 에어컨이 기본으로 설치된 최초의 실험적인 주택 단지 개발을 주도했다. 텍사스주 오스틴 북서쪽의 나무 없는 평지에 22채의 주택이 지어졌고, 이 단지는 '오스틴 에어컨 마을(Austin Air-Conditioned Village)'로 불렸다. 주민들은 1년간 미국의 주요 에어컨 회사, 건설업자, 사회 과학자들이 참여한 에어컨 효과 연구의 대상이 되었다. 또한, 텍사스 대학교 보건 서비스 및 심리학과 연구진은 "인공적으로 냉각된 사람들"에게 미치는 영향을 조사했다. 흥미로운 발견 중 하나는 모든 가정이 전갈 문제로 어려움을 겪었다는 점인데, 이는 전갈이 시원하고 그늘진 곳을 찾아 들어왔기 때문으로 추정되었다. 또한 에어컨 사용으로 인해 주부들이 빵을 더 자주 굽고, 가족들이 더 무거운 음식을 먹으며 따뜻한 음료를 선호하는 경향이 나타나는 등 생활 방식의 변화도 관찰되었다.[36][37]

에어컨 보급률은 따뜻한 지역에서 연간 가구 소득이 1만달러를 넘어서면서 증가하는 경향을 보인다.[38] 2050년까지 예상되는 에어컨 보급률 증가의 약 85%는 전 세계 국내총생산(GDP) 성장으로, 나머지 15%는 기후 변화의 영향으로 설명될 수 있다.[38]

2016년 기준으로 전 세계적으로 약 16억 대의 에어컨이 사용되었으며, 이 중 절반 이상이 중국과 미국에 집중되어 있었고, 총 냉방 용량은 11,675 기가와트(GW)에 달했다.[94][39] 국제에너지기구(IEA)는 2018년 보고서에서 2050년까지 전 세계 에어컨 수가 약 40억 대로 증가하고 총 냉방 용량은 약 23,000 GW에 이를 것으로 예측했으며, 특히 인도와 중국에서 가장 큰 증가세를 보일 것으로 전망했다.[94] 중국의 경우, 도시 가구의 에어컨 보유율은 1995년 8%에서 2004년 70%로 급증했다.[40] 2015년 기준으로 미국에서는 약 1억 가구, 즉 전체 가구의 약 87%가 에어컨 시스템을 갖추고 있었다.[41] 2019년에는 미국에서 새로 지어진 단독 주택의 90%에 에어컨이 설치된 것으로 추정된다 (남부 지역은 99%, 서부 지역은 62%).[42][43]

오스트리아 린츠의 쇼핑몰 ''Passage'' 옥상에 설치된 산업용 에어컨


현대의 에어컨 시스템은 다양한 형태로 발전했다. 분할식 중앙 에어컨은 실외기와 실내기의 두 열교환기로 구성된다. 실외기(응축기)는 열을 외부로 방출하고, 실내기(증발기 또는 팬 코일 유닛(FCU))는 냉각된 공기를 만든다. 냉매가 두 장치 사이를 순환하며, FCU는 덕트를 통해 냉각이 필요한 공간으로 찬 공기를 보낸다.[74] 스탠딩형 에어컨도 이와 유사하지만, 냉각이 필요한 공간 내부에 설치된다.

대규모 시설에서는 중앙 냉각 설비를 사용하기도 한다. 이 방식은 냉각수(예: 차가운 물)를 중간 매체로 사용하여, 냉각할 공간 근처나 내부에 있는 공기 처리 장치나 팬 코일 유닛으로 보낸다. 여기서 만들어진 차가운 공기가 덕트나 직접적인 방식으로 공간에 공급된다. 공기는 밀도와 열용량이 낮기 때문에, 설비에서 직접 차가운 공기를 먼 공간까지 덕트로 보내는 것은 비효율적이어서 잘 사용되지 않는다. 냉각수는 설비 내의 냉각기에서 냉각되며, 이 냉각기는 냉동 사이클을 이용하고 종종 냉각탑을 통해 열을 대기로 방출한다. 냉각기는 공랭식 또는 수랭식일 수 있다.[66][67]

3. 작동 원리

공기조화는 주로 증기압축 냉동 사이클 원리를 이용하여 작동한다.[44][45] 이 방식은 냉매의 상태 변화(증발 및 응축)를 통해 실내의 열을 외부로 이동시켜 냉방을 구현하며, 주요 구성 요소로는 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기 등이 있다. 공기열원 히트펌프 기능을 갖춘 시스템은 역류 밸브 등을 이용하여 이 사이클을 역으로 운전하여 난방 기능을 수행할 수도 있다.[46]

냉방 과정 중 증발기 표면 온도가 공기의 이슬점보다 낮아지면 공기 중의 수증기가 응결되어 제습 효과가 나타난다. 이를 통해 일반적으로 실내 상대 습도를 30%~60% 수준으로 유지하여 쾌적함을 높인다.[47] 또한, 외부 공기가 실내보다 시원할 경우 압축기 가동 없이 외부 공기를 직접 활용하는 자유 냉각 방식을 사용하여 에너지 효율을 높일 수 있다.[49]

3. 1. 냉방

냉동 사이클의 간략화된 다이어그램: 1) 응축기, 2) 팽창밸브, 3) 증발기, 4) 압축기


기존의 에어컨 시스템에서 냉각은 증기압축 사이클을 사용하여 이루어진다. 이 사이클은 냉매의 강제 순환과 기체와 액체 사이의 상변화를 이용하여 열을 전달한다.[44][45] 증기압축 사이클은 일체형 또는 패키지 장비 내에서 발생하거나, 증발기 측에 터미널 냉각 장비(예: 에어 핸들러의 팬 코일 유닛)와 응축기 측에 냉각탑과 같은 열 배출 장비에 연결된 냉각기 내에서 발생할 수 있다. 공기열원 히트펌프는 에어컨 시스템과 많은 구성 요소를 공유하지만, 장치를 사용하여 공간을 냉각할 뿐만 아니라 가열할 수 있도록 하는 역류 밸브를 포함한다.[46]

에어컨 장비는 증발기 코일의 표면이 주변 공기의 이슬점보다 상당히 차가운 경우 시스템에서 처리되는 공기의 절대 습도를 낮춘다. 사용 중인 공간을 위해 설계된 에어컨은 일반적으로 사용 공간에서 30%~60%의 상대 습도를 달성한다.[47]

대부분의 최신 에어컨 시스템은 압축기가 작동하는 동안 제습 사이클을 특징으로 한다. 동시에 팬 속도가 느려져 증발기 온도가 낮아지고 더 많은 물이 응축된다. 제습기는 동일한 냉동 사이클을 사용하지만 증발기와 응축기를 동일한 공기 경로에 통합한다. 공기는 먼저 증발기 코일을 통과하여 냉각[48]되고 제습된 후 응축기 코일을 통과하여 다시 가온된 다음 실내로 배출된다.

외부 공기가 내부 공기보다 차가울 때 자유 냉각을 선택할 수 있다. 따라서 압축기를 사용할 필요가 없어 이러한 시간 동안 높은 냉각 효율을 얻을 수 있다. 이것은 계절 열에너지 저장과 결합될 수도 있다.[49]

3. 2. 난방 (히트펌프)

일부 공기조화 시스템은 냉동 사이클을 역전시켜 공기 열원 히트펌프 역할을 하여 실내 환경을 냉각하는 대신 가열할 수 있다. 이러한 시스템은 일반적으로 '역사이클 공기조화기'라고도 한다. 히트펌프는 전기 저항 가열보다 에너지 효율이 훨씬 높은데, 이는 에너지를 외부 공기나 지하수에서 실내 공간으로 이동시키고, 사용된 전기에너지의 열까지 활용하기 때문이다. 히트펌프가 난방 모드일 때는 실내 증발기 코일이 역할을 바꿔 응축기 코일이 되어 열을 발생시킨다. 실외 응축기 장치 역시 증발기 역할을 하며 주변 공기보다 더 차가운 공기를 배출한다.

대부분의 공기 열원 히트펌프는 외부 온도가 4°C보다 낮아지면 효율이 떨어진다.[50] 이는 부분적으로 실외기의 열교환기 코일에 얼음이 형성되어 공기 흐름을 방해하기 때문이다. 이를 해결하기 위해 히트펌프 시스템은 일시적으로 냉방 모드로 전환하여 실외 증발기 코일을 다시 응축기 코일로 만들어 가열하고 얼음을 녹이는 제상 운전을 수행한다. 이 과정에서 실내 공기가 일시적으로 차가워지는 것을 막기 위해, 일부 시스템은 실내 공기 경로에 전기 저항 가열 장치를 설치하여 제상 운전 중에만 작동시킨다.

최신 모델 중에는 약 -25.6°C의 낮은 온도에서도 효율적인 난방 성능을 발휘하도록 개선된 제품도 있다.[51][50][52] 하지만 성능이 개선된 모델이라도 실외기 열교환기에 습기가 얼어붙을 가능성은 여전히 존재하며, 주기적인 제상 운전이 필요하다.

결빙 문제는 외부 온도가 낮을수록 심각해지므로, 히트펌프는 종종 전기 히터나 천연가스, 등유, 나무를 사용하는 난로 또는 중앙 난방과 같은 다른 난방 방식과 함께 설치된다. 비교적 온화한 날씨에는 히트펌프를 효율적으로 사용하고, 기온이 매우 낮아지면 기존의 다른 열원으로 전환하거나 함께 사용하는 방식이다.

3. 3. 성능

공기조화 시스템의 성능계수(COP)는 투입된 일(에너지) 대비 얻을 수 있는 유용한 냉방 또는 난방 능력의 비율을 나타낸다.[53][54] COP 값이 높을수록 에너지 효율이 뛰어나 운영 비용이 절감된다. COP는 일반적으로 1을 초과하지만, 실제 값은 작동 환경 조건, 특히 열을 흡수하고 방출하는 곳의 절대 온도와 상대 온도 차이에 따라 크게 달라진다. 따라서 특정 조건에서의 값을 그래프로 나타내거나 평균값을 사용하기도 한다.[55]

미국에서는 에어컨 장비의 냉방 능력을 종종 냉동톤(ton of refrigeration, TR) 단위로 표시한다. 1 냉동톤은 1 쇼트톤(short ton, 약 907.18kg)의 얼음이 24시간 동안 녹으면서 흡수하는 열량과 같다. 이는 시간당 12,000 BTUIT 또는 3517W의 냉각 능력에 해당한다.[56] 일반적인 가정용 중앙 공조 시스템의 용량은 보통 1~5 냉동톤(3.5kW~18kW) 범위이다.

에어컨의 효율을 평가하는 또 다른 중요한 지표는 계절별 에너지 효율 비율(SEER, Seasonal Energy Efficiency Ratio)이다. 이는 미국 공조냉동협회(AHRI)가 2008년에 제정한 표준 AHRI 210/240('단위형 에어컨 및 공기열원 히트펌프 장비의 성능 등급')에 정의되어 있으며, 실제 사용 환경과 유사한 조건에서 연간 에너지 효율을 나타낸다.[57] 유럽에서는 이와 유사한 유럽 계절별 에너지 효율 비율(ESEER) 표준을 사용한다.

공기조화 시스템의 효율은 냉각 대상 공기의 습도에 큰 영향을 받는다. 공기를 냉각하기 전에 먼저 제습 과정을 거치면, 이후 냉각에 필요한 에너지를 최대 90%까지 줄일 수 있다. 따라서 제습 과정의 효율을 높이는 것이 전체 공기조화 시스템의 에너지 소비를 줄이는 데 중요한 역할을 한다.[58]

4. 제어 시스템

에어컨은 실내 온도를 사용자가 원하는 수준으로 조절하고, 냉방, 난방, 제습 등 다양한 운전 모드를 설정하기 위해 여러 종류의 제어 시스템을 활용한다. 이러한 시스템은 사용자가 에어컨의 작동 상태를 편리하게 관리할 수 있도록 돕는다.

4. 1. 무선 리모컨



이러한 유형의 컨트롤러는 적외선 LED를 사용하여 리모컨에서 에어컨으로 명령을 전달한다. 적외선 LED의 출력(모든 적외선 리모컨과 마찬가지로)은 파장이 가시광선 범위(940nm)를 벗어나기 때문에 사람의 눈에는 보이지 않는다. 이 시스템은 간단하고 휴대성이 좋기 때문에 미니 스플릿 에어컨에 일반적으로 사용된다. 일부 창문형 및 덕트식 중앙 에어컨에서도 사용된다.

5. 종류

에어컨 종류별 특징
종류일반적인 용량*공기 공급 방식설치 방식일반적인 용도
미니 스플릿(Mini-split)소형 – 대형직접 공급벽면주거용
창문형(Window)매우 소형 – 소형직접 공급창문주거용
휴대용(Portable)매우 소형 – 소형직접 공급 / 덕트식바닥주거용, 외곽 지역
덕트식(개별)(Ducted (individual))소형 – 매우 대형덕트식천장주거용, 상업용
덕트식(중앙)(Ducted (central))중형 – 매우 대형덕트식천장주거용, 상업용
천장 매립형(Ceiling suspended)중형 – 대형직접 공급천장상업용
카세트형(Cassette)중형 – 대형직접 공급 / 덕트식천장상업용
스탠드형(Floor standing)중형 – 대형직접 공급 / 덕트식바닥상업용
패키지형(Packaged)매우 대형직접 공급 / 덕트식바닥상업용
옥상 장착형 패키지 유닛(Packaged RTU (Rooftop Unit))매우 대형덕트식옥상상업용


  • 일반적인 용량은 kW 단위이며 다음과 같다.
  • 매우 소형: 1.5kW 미만
  • 소형: 1.5kW–3.5kW
  • 중형: 4.2kW–7.1kW
  • 대형: 7.2kW–14kW
  • 매우 대형: 14kW 초과


덕트리스 분할형 에어컨의 실내기(증발기)


덕트리스 시스템(흔히 미니 스플릿이라고 불리지만, 현재는 덕트식 미니 스플릿도 있음)은 일반적으로 별도의 공기 통로(덕트) 없이 건물의 하나 또는 여러 개의 방에 직접 냉난방 공기를 공급한다.[59] 다중 구역 또는 다중 분할 시스템은 이러한 덕트리스 시스템의 대표적인 형태로, 하나의 실외기에 최대 8개의 실내기를 연결하여 각 방(구역)의 온도를 독립적으로 조절할 수 있다.

최초의 미니 스플릿 시스템은 1961년 일본의 도시바에서 판매되었고, 벽걸이형 미니 스플릿 에어컨은 1968년 일본의 미쓰비시전기에서 처음 선보였다. 당시 일본의 작은 주택 규모가 이러한 형태의 에어컨 개발 배경이 되었다. 미쓰비시 모델은 크로스 플로우 팬을 장착한 최초의 에어컨이기도 했다.[60][61][62] 1969년에는 미국에서도 미니 스플릿 에어컨이 판매되기 시작했다.[63] 이후 1973년 다이킨은 여러 구역을 동시에 냉난방할 수 있는 다중 구역 덕트리스 시스템을 발명했고, 1982년에는 가변냉매유량 시스템(VRF)을 개발했다. VRF는 더 큰 규모의 다중 분할 시스템으로 볼 수 있으며, 두 시스템 모두 일본에서 처음 상용화되었다.[64]

가변냉매유량 시스템(VRF)은 중앙 집중식 냉각 방식과 비교할 때, 대형 냉각 공기 덕트, 에어 핸들러, 냉각기 등이 필요 없다. 대신 냉매가 훨씬 작은 파이프를 통해 각 공간의 실내기로 직접 운반되므로, 천장 속 공간을 덜 차지하고 건물 구조에 미치는 영향이 적다. 또한, 각 공간의 온도를 더욱 세밀하고 독립적으로 제어할 수 있으며, 실외기와 실내기를 건물 전체에 분산하여 설치할 수 있다.[65] 사용하지 않는 공간의 실내기는 개별적으로 전원을 끌 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다. VRF 시스템의 DC 인버터 압축기는 시동 전력이 낮고 DC 전력을 사용하기 때문에, 태양열 에어컨 시스템과 같이 태양 전지판에서 생산된 DC 전력으로 직접 작동할 수도 있다.

5. 1. 압축기 종류에 따른 분류

압축기 종류
압축기 종류일반적인 용도일반적인 용량효율내구성수리 용이성
왕복동식냉장고, 냉동창고, 휴대용 에어컨소형 – 대형매우 낮음 (소용량)매우 낮음중간
회전 베인식주택용 미니 스플릿소형낮음낮음쉬움
스크롤식상업용 및 중앙 시스템, VRF중형중간중간쉬움
회전 스크류식상업용 냉각기중형 – 대형중간중간어려움
원심식상업용 냉각기매우 대형중간높음어려움
마그레브 원심식상업용 냉각기매우 대형높음매우 높음매우 어려움


왕복동식 압축기는 크랭크케이스, 크랭크축, 피스톤로드, 피스톤, 피스톤 링, 실린더 헤드 및 밸브로 구성된다.
스크롤 압축기는 냉매를 압축하기 위해 서로 맞물리는 두 개의 스크롤을 사용한다.[80] 고정된 스크롤 하나와 회전하는 스크롤 하나로 구성되며, 왕복식 압축기보다 움직이는 부품이 70% 적어 더 효율적이다.
회전 스크류 압축기는 서로 매우 밀착된 두 개의 나선형 로터를 사용하여 가스를 압축한다. 가스는 흡입구 쪽으로 들어가고 스크류가 회전하면서 나사산을 따라 이동한다. 맞물리는 로터는 가스를 압축기를 통해 강제로 이동시키고, 가스는 스크류 끝에서 배출된다. 작동 영역은 수나사 로터와 암나사 로터 사이의 로브 간 부피이며, 흡입구 쪽에서는 크고 배출구까지 로터 길이를 따라 감소한다. 이 부피의 변화가 압축 과정이다.

5. 2. 용량 조절 기술

냉난방 및 공조 시스템의 냉각 용량을 조절하는 방법에는 여러 가지가 있다. 공조 시스템에서 일반적으로 사용되는 방법은 다음과 같다.

  • 온/오프 사이클링: 가장 기본적인 방식으로, 설정 온도에 도달하면 압축기를 끄고, 온도가 올라가면 다시 켜는 방식이다.
  • 열가스 바이패스: 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매 가스 일부를 다시 압축기 입구 쪽으로 보내는 방식이다. 이렇게 하면 압축기는 계속 작동하지만, 시스템을 순환하는 냉매 양이 줄어들어 냉방 용량이 감소한다. 이 방식은 압축기가 불필요하게 작동하는 단점이 있으며, 용량 조절 범위는 0%에서 100% 사이이다.[81]
  • 액체 주입: 냉매 액체를 압축 과정 중간이나 흡입측에 주입하여 용량을 조절하는 방식이다.
  • 다중 압축기 구성: 시스템에 여러 대의 압축기를 설치하여, 필요한 냉방 용량에 따라 작동하는 압축기 수를 조절하는 방식이다. 예를 들어, 3대의 압축기가 있다면 0%, 33%, 66%, 100%로, 2대가 있다면 0%, 50%, 100%로 단계적인 용량 조절이 가능하다.
  • 기계적 변조 (디지털 변조): 스크롤 압축기 등에서 사용하는 방식으로, 제어 밸브를 이용해 주기적으로 압축 과정을 중단시킨다. 예를 들어 스크롤 압축기의 두 스크롤 부품을 잠시 분리하여 압축을 멈추는 식이다. 이 방법은 모터의 회전 속도를 바꾸는 것이 아니라, 압축이 이루어지는 평균 시간을 조절하여 냉매 흐름을 제어한다. 10%에서 100%까지 비교적 넓은 범위의 용량 조절이 가능하지만, 모터는 계속 작동하기 때문에 에너지 소비가 높은 편이다.
  • 인버터 기술: 인버터(가변 주파수 드라이브)를 사용하여 압축기 모터의 회전 속도를 직접 제어하는 방식이다. 압축기 속도가 변하면 냉매 순환량도 변하여 냉방 용량이 조절된다. 시스템 구성과 제조사에 따라 조절 가능한 용량 범위는 다르지만, 단일 인버터 방식은 보통 15% 또는 25%에서 100%까지, 여러 압축기를 조합한 하이브리드 탠덤 방식은 12%에서 100%까지 조절할 수 있다. 이 방식은 에어컨 용량을 조절하는 가장 효율적인 방법으로 알려져 있으며, 정속형 시스템에 비해 에너지 효율이 최대 58% 더 높을 수 있다.

6. 영향

공기조화 기술, 특히 에어컨의 보급은 현대인의 삶과 사회 전반에 걸쳐 광범위한 영향을 미치고 있다. 건강 측면에서는 폭염으로 인한 피해를 줄이고 특정 환경의 공기 질을 개선하는 긍정적 효과가 있지만, 관리가 소홀할 경우 레지오넬라증과 같은 건강상 위험을 초래할 수도 있다. 경제적으로는 특정 산업의 생산성을 높이고 더운 지역의 경제 활동과 거주 환경 개선에 기여했지만, 동시에 전 세계적인 전력 수요 증가의 주요 원인이 되고 있다. 환경적으로는 에너지 소비 증가에 따른 온실가스 배출 문제와 더불어, 사용되는 냉매가 오존층 파괴나 지구 온난화를 유발하는 등 심각한 환경 문제를 야기한다. 사회적으로는 더운 기후에서의 생활 편의성을 크게 높였으나, 에어컨 접근성의 차이가 사회경제적 지위에 따른 불평등을 심화시키는 요인이 되기도 한다.

6. 1. 건강 영향

무더운 날씨에 공기 조절 장치는 열사병, 과도한 발한으로 인한 탈수, 전해질 불균형, 신부전 및 고열로 인한 기타 문제를 예방하는 데 기여한다.[94][82] 미국에서 열파는 가장 치명적인 유형의 기상 현상으로 꼽힌다.[83][84] 2020년 연구에 따르면, 에어컨 사용률이 낮은 지역일수록 열 관련 사망률과 입원율이 더 높은 경향을 보였다.[102] 실제로 2003년 8월 프랑스에서 발생한 폭염으로 약 1만 5천 명이 사망했으며, 이 중 80%는 75세 이상 노인이었다. 이 사건 이후 프랑스 정부는 폭염 기간 동안 모든 양로원에 각 층마다 최소 한 개의 에어컨이 설치된 방을 25°C 이상 확보하도록 의무화하는 조치를 취했다.[94]

또한 공기 조절 장치는 필터링, 가습, 냉각 및 소독 기능을 통해 병원 수술실과 같이 환자의 안전과 건강 유지가 중요한 환경에서 깨끗하고 안전하며 저자극성인 실내 환경을 조성하는 데 활용될 수 있다. 특히 곰팡이 등 알레르기 유발 물질에 민감한 사람들에게는 가정 내 사용이 권장되기도 한다.[85][86]

그러나 냉각탑과 같은 시설이 제대로 관리되지 않을 경우, 레지오넬라 폐렴균과 같은 미생물이 번식하고 확산될 위험이 있다. 이 균은 레지오넬라증을 유발하는 원인균이다. 이러한 건강 위험은 냉각탑을 청결하게 유지하고 정기적으로 염소 소독 등을 실시함으로써 예방하거나 줄일 수 있다. 미국 뉴욕주에서는 레지오넬라 감염 예방을 위해 냉각탑의 등록, 유지 관리 및 검사 요건을 법으로 규정하여 관리하고 있다.[87]

6. 2. 경제적 영향

에어컨은 처음에는 언론이나 대규모 공장과 같은 특정 산업의 생산성 향상을 위해 고안되었다. 그러나 에어컨 설치 장소의 생산성이 약 24% 증가했다는 연구 결과가 나오면서 공공기관과 행정기관으로 빠르게 확산되었다.[88]

에어컨의 보급은 인구 분포에도 영향을 미쳤다. 특히 미국에서는 1970년대 이후 에어컨의 영향으로 인구 통계에 변화가 나타났다. 20세기 초 미국 인구의 24%만이 남부의 따뜻한 지역인 선벨트(Sun Belt)에 거주했지만, 에어컨 보급이 확대된 2007년에는 이 비율이 30%까지 증가했다.[90] 이는 에어컨 덕분에 더운 기후 지역에서의 생활이 이전보다 편리해졌기 때문으로 해석될 수 있다. 또한, 과거 여름철 폭염이 심한 지역에서 높게 나타났던 사망률도 에어컨 보급 이후 다른 지역과 비슷해지는 경향을 보였다.[91]

한편, 에어컨 사용의 확산은 전 세계적인 전력 수요 증가의 주요 원인 중 하나로 꼽힌다.[92] 국제에너지기구(IEA)의 2018년 보고서에 따르면, 미국(당시 인구 약 3억 2,800만 명)의 냉방 에너지 소비량은 아프리카, 라틴아메리카, 중동, 아시아(중국 제외)의 44억 명 인구가 소비하는 에너지 양을 합친 것보다 많았다.[94] 2020년 조사 결과, 미국 가구의 약 88%가 에어컨을 사용하고 있으며, 특히 2010년 이후 지어진 주택의 경우 그 비율은 93%에 달할 정도로 에어컨은 현대 생활의 필수 요소가 되었다.[93]

6. 3. 환경적 영향

2018년 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA) 보고서에 따르면, 2016년 전 세계 냉방 에너지 사용량은 2021 테라와트시(TWh)였으며, 이 중 약 99%가 전력이었다.[94] 이 보고서는 냉방으로 인한 전력 사용량이 2050년까지 약 6200 TWh로 증가할 것으로 예측했다.[94][95] 현재 추세가 지속된다면 냉방으로 인한 온실가스 배출량은 2016년 11억 3500만 톤에서 2050년 20억 7000만 톤으로 두 배 가까이 증가할 것으로 전망된다.[94]

에어컨에 사용되는 냉매는 심각한 환경 문제를 야기해왔다. 과거에 사용된 염화불화탄소(CFCs)와 수소염화불화탄소(HCFCs) 냉매(예: R-12, R-22)는 오존층을 파괴하는 주요 원인이었다.[98] 이를 대체하기 위해 개발된 수소불화탄소(HFCs) 냉매(예: R-410A, R-404A)는 오존층 파괴 문제는 없지만, 강력한 온실 효과를 유발하여 기후변화를 악화시킨다는 문제가 있다.[99] 냉매는 주로 에어컨 수리 과정 등에서 대기 중으로 방출되어 환경 문제를 일으킨다. 최근에는 수소불화올레핀(HFO) 계열의 냉매가 개발되어 일부 신규 장비에 사용되고 있는데, 이들은 오존 파괴 지수(ODP)가 0이고 지구온난화지수(GWP)도 기존 HFC 냉매보다 훨씬 낮아 환경 문제 해결에 기여할 것으로 기대된다.[100]

국제 사회는 HFC 사용 감축을 위해 노력하고 있으며, 대표적인 예가 키갈리 개정안(Kigali Amendment)이다. 이 개정안은 HFC의 소비 및 생산량을 점진적으로 줄여나가는 것을 목표로 한다. 키갈리 개정안이 없었다면 HFC로 인해 2100년까지 지구 온도가 약 0.3°C 상승했을 것으로 예측되지만, 개정안 이행을 통해 온도 상승폭을 약 0.06°C 수준으로 억제할 수 있을 것으로 예상된다.[101] 그러나 아직 모든 국가가 키갈리 개정안을 비준한 것은 아니어서 HFC 감축 노력에 한계가 있다.[97]

에어컨 에너지 효율을 높이기 위한 노력도 진행 중이다. 유엔환경계획(UNEP)과 국제에너지기구는 에어컨 효율을 현재보다 두 배로 높이면 향후 40년간 4600억 톤의 온실가스 배출량을 줄일 수 있다고 밝혔다.[96] 또한 이들 기구는 HFC 사용 감축 외에도 건물 단열 개선, 지속 가능한 온도 조절 식품 공급망 구축 등을 위한 법률 제정을 권고하고 있다.[96]

지속 가능한 에어컨 사용을 위한 대안으로는 패시브 냉방, 자연 환기, 태양열 취득량 감소를 위한 차양 설치, 나무 심기, 건축적 차양 설계, 고성능 창문 및 창문 코팅 사용 등이 고려될 수 있다.

6. 4. 사회적 영향



에어컨은 건물의 실내 환경을 외부 날씨 변화나 내부에서 발생하는 열에 관계없이 비교적 일정하게 유지시켜 준다. 이를 통해 심층 계획 건물의 건설이 가능해졌고, 사람들이 세계의 더 더운 지역에서도 편안하게 생활할 수 있게 되었다.[10]

그러나 에어컨 접근성은 사회경제적 지위와 밀접한 관련이 있으며, 이는 사회적 불평등 문제를 야기할 수 있다. 가구 소득이 약 1만달러 미만인 사회경제적 계층은 에어컨 사용률이 낮은 경향을 보이며,[38] 이는 폭염 시 열 관련 질병이나 사망 위험을 높이는 요인이 된다.[91] 실제로 에어컨 보급률이 낮은 지역은 그렇지 않은 지역에 비해 열 관련 사망 및 병원 입원율이 더 높게 나타난다.[102] 예를 들어, 뉴욕시에서는 열 관련 조기 사망률이 향후 30년 안에 47%에서 95%까지 증가할 것으로 예측되며, 특히 저소득층과 취약 계층이 가장 큰 위험에 노출될 것으로 보인다.[102] 이러한 열 관련 질병/사망과 저소득 지역 거주 간의 상관관계는 애리조나주 피닉스,[103] 홍콩,[104] 중국,[104] 일본,[105] 이탈리아[106][107] 등 여러 지역의 연구를 통해 확인되었다. 의료비 부담 역시 에어컨 접근을 막는 장벽이 될 수 있는데, 2009년 호주 폭염 당시 민영 의료보험이 없는 사람들이 열 관련 질환으로 입원하는 경우가 더 많았다는 연구 결과도 있다.[107]

일부에서는 이러한 사회경제적 지위에 따른 에어컨 접근성의 불균형을 제도적 인종차별과 연결하기도 한다. 특정 소외된 지역 사회가 낮은 경제적 지위, 열악한 건강 상태, 더 더운 환경에 거주하면서도 육체적으로 힘든 노동에 종사하는 경우가 많고, 동시에 에어컨과 같은 냉방 기술에 대한 접근성이 제한되는 현실 때문이다.[107] 일리노이주 시카고와 미시간주 디트로이트를 조사한 연구에 따르면, 흑인 가구는 백인 가구에 비해 중앙 냉방 시스템 설치율이 절반에 불과했다.[108] 특히 도시 지역에서는 과거 인종 차별적인 주택 정책이었던 레드라이닝의 영향으로 특정 지역에 도시 열섬 현상이 심화되어 온도를 더욱 높이는 경향이 있다.[107] 이는 해당 지역에 열을 흡수하는 건축 자재나 포장 도로가 밀집되어 있고, 식물이나 그늘이 부족하기 때문이다.[109]

이러한 문제를 해결하기 위해 저소득층 지역 사회에 공공 냉방 센터를 설치하는 등 냉방 시설 접근성을 높이려는 노력이 이루어지고 있다.[94][109]

7. 쾌적성 기준 (한국)

한국에서는 건축물관리법과 같은 관련 법규를 통해 실내 활동 공간의 쾌적성 유지를 위한 기준을 규정하고 있다. 이는 주로 거주자의 건강과 활동 편의를 증진시키는 데 목적을 둔다.

7. 1. 쾌감 공기 조화

'''쾌감 공기 조화'''란 건축물, 차량, 선박 등에서 사람이 쾌적하게 활동할 수 있는 실내 환경을 확보하는 것을 의미한다.

건축물관리법에서는 위생적인 환경 확보를 위해 다음과 같은 기준을 정하고 있다.

항목기준
부유분진량1m³당 0.15mg 이하
일산화탄소 농도10ppm 이하 (단, 외부 공기의 일산화탄소 농도가 높은 경우에는 20ppm으로 완화될 수 있다.)
이산화탄소 농도1000ppm 이하 (이는 냄새나 다른 화학물질 농도를 간접적으로 나타내는 지표로 사용된다. 외부 공기의 이산화탄소 농도가 높을 경우, 냄새나 다른 화학물질 농도를 직접 측정하여 판단한다.)
온도17°C ~ 28°C (냉방 시에는 실내외 온도 차이를 7°C 이하로 유지하는 것이 바람직하다.)
상대습도40% ~ 70%
기류0.5m/s 이하



새집증후군 예방 차원에서 휘발성 유기화합물(VOCs) 농도를 낮추는 것이 권장된다.

또한, 소음, 진동, 냄새, 조명과 같이 사람의 감각에 직접적인 영향을 주는 요소들도 실내 쾌적성을 결정하는 중요한 요인이다. 그 외에도 눈으로 감지하기 어려운 병원균이나 방사성 물질 등 건강에 해로운 요소가 존재할 수도 있다.

7. 2. 작업 공기 조화

'''작업 환경 조절'''이란, 노동·스포츠가 안전하고 효율적으로 가능한 실내 환경을 확보하는 것이다.

노동자의 안전 측면에서는, 건강한 성인이 작업 시간에만 출입하는 것을 전제로 한 관리가 이루어진다.

7. 3. 산업 프로세스 공기 조화

'''산업용 공조'''는 제품의 제조·생산 과정에 적합한 실내 환경을 확보하는 것이다.

20세기 초, 미국의 인쇄 공장의 습도 제어에서 시작되었다고 한다. 농산물의 저장·운송 콜드체인, 반도체 소자 제조용 등의 클린룸, 식물 제조 공장 등 응용 분야도 넓어지고 있다.

8. 기타 냉방 기술

패시브 냉방 설계를 적용한 건물은 일반적인 HVAC 시스템을 갖춘 건물보다 건설 및 유지 관리 비용이 저렴하며 에너지 수요도 낮다.[110] 패시브 방식만으로도 시간당 수십 회의 공기 교환과 상당한 냉각 효과를 얻을 수 있지만, 건물이 위치한 곳의 미기후를 정밀하게 고려해야 하므로 건축 설계가 복잡해지는 단점이 있다.[9] 패시브 냉방에는 증발 냉각, 선택적 차광, 바람 활용, 열 대류 및 열 저장 등 다양한 기술이 포함된다.[111]

=== 자연 환기 ===



자연 환기는 건물 내부와 외부의 공기 압력 차이를 이용하여 신선한 외부 공기를 유입시키고 내부의 오염된 공기를 배출하는 방식이다. 바람이나 건물 내외부의 온도 차이로 인한 공기 밀도 차이(스택 효과)를 활용한다. 전통 건축물에서는 바람잡이(ar)와 같은 구조물을 설치하여 바람을 효과적으로 이용하거나, 천장창 환풍구(ar)를 통해 더운 공기가 자연스럽게 상승하여 빠져나가도록 설계하기도 했다.[112]

=== 수동 주간 복사 냉각 ===

upright


수동 주간 복사 냉각(Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC)은 특수한 표면을 이용하여 낮 시간 동안에도 냉각 효과를 얻는 기술이다. 이 표면은 태양 복사열의 대부분을 반사하고, 동시에 지구 대기의 적외선 창 영역을 통해 열을 우주 공간으로 효율적으로 방출하여 주변 온도보다 낮게 냉각된다.[113][114] PDRC 기술은 2014년 라만(Raman) 등의 연구를 통해 광자 구조체를 이용하여 태양열 가열을 억제하는 방법이 개발되면서 주목받기 시작했다.[114] PDRC는 페인트 코팅이나 필름 형태로 제작될 수 있으며, 높은 태양 반사율과 열 방출율을 갖도록 설계된다.[113][115]

건물 지붕이나 건물 외피에 PDRC 기술을 적용하면 에너지 소비량과 냉방 비용을 크게 줄일 수 있다.[115] 예를 들어, 교외 지역의 단독 주택 지붕에 PDRC를 적용할 경우 에너지 비용을 26%에서 46%까지 절감할 수 있다는 연구 결과도 있다.[116] PDRC 기술은 2010년대 이후 연구 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 2025년까지 관련 실내 공간 냉각 시장 규모는 약 270억달러에 달할 것으로 예상된다.[117][118]

=== 팬 ===

선풍기는 공기를 순환시켜 인체의 열 발산을 돕는 장치이다. 손선풍기는 선사 시대부터 사용되었으며, 건물에 설치된 대형 인력 선풍기로는 푼카가 있다.

기원후 2세기 한나라의 발명가 정환(丁緩)은 직경 3m 크기의 바퀴 7개를 연결한 회전식 선풍기를 발명하여 공기를 조절했는데, 이는 죄수들이 수동으로 작동시켰다고 전해진다.[119] 747년 당 현종은 황궁에 '냉궁'(涼殿)이라는 건물을 지었는데, 기록에 따르면 수력으로 작동하는 선풍기 바퀴와 분수에서 뿜어져 나오는 물줄기를 이용해 냉방 효과를 얻었다고 한다.[119] 이후 송나라 시대에는 공기 조절용 회전식 선풍기가 더욱 널리 사용되었다는 기록이 남아 있다.[119]

=== 열 저장 (열 완충) ===

열 저장은 온도가 낮은 밤이나 겨울철의 냉기를 저장했다가 필요할 때 활용하는 방식이다. 흙이나 벽돌과 같은 축열 성능이 좋은 재료에 냉기를 저장해두면, 더운 낮에 이 재료 사이로 공기를 통과시켜 시원하게 만들 수 있다.[120]

겨울철 기온이 영하로 내려가는 지역에서는 눈이나 얼음을 모아 얼음 저장고에 보관했다가 여름철 냉방에 사용하기도 했다.[120] 이 기술은 중동 지역에서 3,700년 이상 사용된 오랜 역사를 가지고 있다.[121] 겨울에 자연적으로 얼어붙은 얼음을 채취하여 여름까지 보관하는 방식은 17세기 초 유럽의 부유층 사이에서 시작되었으며,[11] 17세기 후반에는 유럽과 아메리카 대륙에서 널리 퍼졌다.[122] 이러한 자연 얼음 이용 방식은 이후 기계식 압축 냉동 사이클을 이용한 제빙기가 발명되면서 점차 사라졌다.

=== 증발 냉각 ===

증발냉각기


증발 냉각은 물이 증발하면서 주변의 열을 흡수하는 원리를 이용한 냉방 방식이다. 건조하고 더운 기후에서 특히 효과적인데, 공기 흡입구에 물을 두거나 물이 흐르는 표면을 통과시키면 물이 증발하면서 공기의 온도를 낮춘다. 이 때문에 건조 기후 지역의 전통 건축물에서 분수는 추운 기후 지역의 벽난로와 유사한 역할을 하기도 한다.[112] 증발 냉각은 공기를 냉각시키는 동시에 습도를 높여주므로 건조한 사막 기후에서 쾌적함을 더하는 효과도 있다.[123]

증발냉각기는 이러한 원리를 이용한 장치이다. 외부의 더운 공기를 물에 젖은 패드를 통과시켜 냉각한 후 실내로 공급한다. 증발 냉각 방식은 공기 중 습도가 높으면 물의 증발이 잘 일어나지 않아 냉각 효과가 떨어지는 단점이 있다. 또한, 냉각된 외부 공기를 실내로 계속 유입시키므로, 실내의 더운 공기가 밖으로 빠져나갈 수 있도록 창문이나 문을 열어두는 등의 환기 조치가 필요하다.[124]

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