공기조화기술

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1. 개요

공기조화기술(HVAC)은 쾌적한 실내 환경을 조성하기 위한 기술로, 난방, 환기, 공기 조화, 냉방, 제습, 공기 정화 등을 포함한다. 1902년 최초의 공기조화 시스템이 개발된 이후, 산업 혁명을 거치며 지속적으로 발전해왔다. HVAC 시스템은 다양한 연료와 전기, 열 펌프 등을 사용하여 열을 발생시키고, 환기를 통해 실내 공기를 정화하며, 에어컨 시스템을 통해 냉각 및 습도 조절 기능을 제공한다. 에너지 효율을 높이기 위해 지열원 열펌프, 에너지 회수 시스템, 스마트 제어 시스템 등 다양한 기술이 활용되며, 국제 표준 및 관련 단체를 통해 산업의 발전과 품질 향상을 도모한다. HVAC 기술은 온도, 습도, 기류 분포, 공기 청정도를 측정하여 건축물 위생 관리 기준, 쾌적성 평가, 공기 오염도 평가 등을 기반으로 평가된다.

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공기조화기술
개요
분야	기계공학, 열역학, 환기
관련 학문	건축학, 기후학, 생리학
주요 목표	쾌적한 실내 환경 조성, 에너지 효율 향상, 실내 공기 질 관리
정의
정의	난방(Heating), 환기(Ventilation), 공기조화(Air Conditioning)의 머리글자를 딴 약어 실내 및 차량 환경의 쾌적성을 유지하기 위한 기술
구성 요소 및 시스템
주요 구성 요소	보일러 냉각기 열교환기 송풍기 필터 덕트 제어 시스템
난방 시스템	보일러를 이용한 난방 히트 펌프를 이용한 난방 전기 저항을 이용한 난방
환기 시스템	자연 환기 기계 환기 (급기, 배기) 전열 교환 환기
냉방 시스템	압축 냉동 사이클을 이용한 냉방 흡수 냉동 사이클을 이용한 냉방 증발 냉각을 이용한 냉방
제어 시스템	온도 조절기 습도 조절기 공기질 센서 자동 제어 밸브 댐퍼
공기조화 시스템 유형	중앙 집중식 공조 시스템 (덕트 방식, 팬 코일 방식) 개별 분산식 공조 시스템 (패키지 에어컨, 멀티 에어컨) 하이브리드 시스템
응용 분야
건축물	주거용 건물 상업용 건물 산업용 건물 병원 데이터 센터 클린룸
차량	자동차 기차 항공기 선박
산업 공정	식품 산업 제약 산업 반도체 산업 섬유 산업
고려 사항
에너지 효율	고효율 장비 사용 에너지 회수 시스템 적용 단열 강화 자연 에너지 활용
실내 공기 질	적절한 환기 필터 성능 강화 오염 물질 발생원 제거 정기적인 유지 보수
쾌적성	온도 습도 기류 복사열
환경 영향	냉매 사용 최소화 에너지 소비 절감 친환경 냉매 사용 폐열 회수
기술 및 표준
관련 기술	열역학 유체역학 전기공학 자동 제어 건축 설비
관련 표준	ASHRAE (미국 난방, 냉동, 공조 학회) ISO (국제 표준화 기구) KS (한국 산업 표준)
설계 고려사항	부하 계산 장비 선정 덕트 및 배관 설계 제어 시스템 설계
설치 및 유지 보수	시운전 정기 점검 필터 교체 냉매 관리 성능 평가
추가 정보
관련 용어	냉방도일 (CDD) 난방도일 (HDD) 습공기 선도 열쾌적성
참고 문헌	위키백과 관련 문서 및 참고 자료 링크 (제공된 문서에 명시되지 않아 생략)
관련 단체	위키백과 관련 단체 정보 링크 (제공된 문서에 명시되지 않아 생략)

2. 역사

니콜라이 르보프, 마이클 패러데이, 롤라 C. 카펜터, 윌리스 캐리어, 에드윈 루드, 루벤 트레인, 제임스 줄, 윌리엄 랭킨, 사디 카르노, 앨리스 H. 파커 등 많은 사람들의 발명과 발견으로 공기조화기술(HVAC)이 발전했다.^[11]

2. 1. 한국 HVAC 산업의 발전

산업 혁명과 함께 HVAC 시스템 구성 요소의 발명이 이루어졌으며, 전 세계의 회사와 발명가들이 현대화, 고효율 및 시스템 제어에 대한 새로운 방법을 지속적으로 도입하고 있다. 1899년에 코인 칼리지(Coyne College)는 HVAC 교육을 제공한 최초의 학교였다.^[12] 1902년 알프레드 울프(Alfred Wolff)는 뉴욕 증권 거래소를 위해 최초의 쾌적 공기조화 시스템을 설계하였고, 같은 해 윌리스 캐리어는 새케츠-윌헴스 인쇄 회사(Sacketts-Wilhems Printing Company)에 공정용 AC 장치를 설치했다. 최초의 주거용 AC는 1914년에 설치되었으며, 1950년대까지 "주거용 AC의 광범위한 보급"이 이루어졌다.^[13]

3. 난방

히터는 건물에 열(따뜻함)을 생성하는 기기이다. 중앙 난방을 통해 난방이 가능하며, 가정의 화로실이나 대형 건물의 기계실 같은 중앙 위치에서 물, 증기, 공기를 가열하는 보일러, 난로, 열펌프 등이 사용된다. 열은 대류, 전도, 복사를 통해 전달된다. 개별 난방기는 단일 실을 데우는 데 사용된다.

3. 1. 난방 방식

히터는 건물에 열을 생성하는 기기이다. 이는 중앙 난방을 통해 가능하다. 이러한 시스템에는 가정의 화로실이나 대형 건물의 기계실과 같은 중앙 위치에서 물, 증기 또는 공기를 가열하기 위한 보일러, 난로 또는 열펌프가 포함된다. 열은 대류, 전도 또는 복사를 통해 전달될 수 있다. 공간 히터는 단일 방을 가열하는 데 사용되며 단일 장치로만 구성된다.^[1]

가열된 물이나 증기의 경우, 배관을 사용하여 열을 실내로 전달한다. 대부분의 현대식 온수 보일러 난방 시스템은 순환기(펌프)를 사용하여 분배 시스템을 통해 온수를 이동시킨다 (과거의 중력 공급 시스템과 대조적으로). 열은 라디에이터, 온수 코일 (수공기) 또는 기타 열교환기를 사용하여 주변 공기로 전달될 수 있다. 라디에이터는 벽에 장착하거나 바닥 내부에 설치하여 바닥 난방을 생성할 수 있다.^[2]

열 전달 매체로 물을 사용하는 것을 유압 난방이라고 한다. 가열된 물은 또한 목욕 및 세척을 위한 온수를 공급하기 위해 보조 열교환기에 공급될 수 있다.^[3]

온풍 시스템은 가열된 공기를 금속 또는 유리 섬유 덕트의 공급 및 환기 덕트 시스템을 통해 분배한다. 많은 시스템은 동일한 덕트를 사용하여 에어컨용 증발기 코일에 의해 냉각된 공기를 분배한다. 공기 공급은 일반적으로 먼지 및 꽃가루 입자를 제거하기 위해 공기 필터를 통해 여과된다.^[4]

3. 2. 난방 연료

고체 연료, 액체 연료, 가스 등 다양한 유형의 연료를 사용하는 난방기가 있다. 또 다른 열원은 전기인데, 보통 고저항 전선(니크롬 참조)으로 만든 가열 리본을 사용한다. 이 원리는 베이스보드 히터와 휴대용 난방기에도 쓰인다. 전기 히터는 열 펌프 시스템의 보조 난방으로 사용되기도 한다.

열 펌프는 1950년대 일본과 미국에서 인기를 얻었다.^[14] 다양한 열원에서 열을 추출하는데, 환경 공기, 건물 배기 공기, 지면 등이 그 예이다. 열 펌프는 건물 외부의 열을 내부 공기로 전달한다. 초기에는 온화한 기후에서만 사용되었지만, 저온 작동 개선과 효율적인 주택으로 인한 부하 감소 덕분에 더 추운 기후에서도 인기가 높아지고 있다. 또한, 실내 냉방을 위해 역으로 작동할 수도 있다.

3. 3. 위험성

난로, 공간 난방기, 보일러를 난방 방식으로 사용하면 불완전 연소가 일어날 수 있다. 불완전 연소는 일산화 탄소, 질소 산화물, 포름알데히드, 휘발성 유기 화합물 등 연소 부산물을 배출한다.^[16] 불완전 연소는 산소가 부족할 때 발생하며, 투입물에는 다양한 오염 물질이 포함된 연료가 사용되고, 배출물에는 유해 부산물이 포함된다. 특히 일산화 탄소는 맛과 냄새가 없는 유해 가스로, 심각한 건강 문제를 일으킨다.^[16]

적절한 환기가 이루어지지 않으면 일산화 탄소 농도가 1000ppm(0.1%)일 때 치명적일 수 있다. 수백 ppm의 일산화 탄소에 노출되어도 두통, 피로, 메스꺼움, 구토를 유발한다. 일산화 탄소는 혈액 내 헤모글로빈과 결합하여 카르복시헤모글로빈을 형성하고, 이는 혈액의 산소 운반 능력을 감소시킨다. 일산화 탄소 노출은 심혈관 및 신경 행동에 영향을 미치는 주요 건강 문제와 관련이 있다. 일산화 탄소는 동맥 경화(동맥 경화)를 유발하고 심장 마비를 일으킬 수 있다. 또한, 일산화 탄소에 노출되면 손과 눈의 협응력, 경계, 지속적인 수행 능력이 저하되고, 시간 변별력에도 영향을 미칠 수 있다.^[17]

유지 관리가 제대로 되지 않은 에어컨/환기 시스템에는 곰팡이, 박테리아 및 기타 오염 물질이 포함될 수 있으며, 이러한 오염 물질은 실내 공간 전체로 순환되어 건강 문제를 야기할 수 있다.^[43]

4. 환기

환기는 온도를 조절하거나 습기, 냄새, 연기, 열, 먼지, 공기 중 박테리아, 이산화탄소 등을 제거하고 산소를 보충하기 위해 공간의 공기를 바꾸거나 교체하는 과정이다. 환기는 종종 외부 공기를 건물 실내 공간으로 의도적으로 전달하는 것을 의미하며, 건물 내 허용 가능한 실내 공기질을 유지하는 데 가장 중요한 요소 중 하나이다. 건물 환기 방법은 기계적/강제적 환기 방법과 자연적 환기 방법으로 나눌 수 있다.^[2]

난방, 환기, 공기 조화(HVAC)의 세 가지 주요 기능은 상호 관련되어 있으며, 특히 적절한 설치, 작동 및 유지 관리 비용 내에서 열적 쾌적함과 허용 가능한 실내 공기질을 제공해야 할 필요성과 관련이 있다. HVAC 시스템은 가정 및 상업 환경 모두에서 사용될 수 있으며, 환기를 제공하고 공간 간의 압력 관계를 유지할 수 있다. 공간에서 공기를 공급하고 제거하는 수단을 실내 공기 분포라고 한다.^[2]

4. 1. 환기의 중요성

환기는 온도 조절, 습기, 냄새, 연기, 열, 먼지, 공기 중의 박테리아, 이산화탄소 등을 제거하고 산소를 공급하기 위해 어떤 공간의 공기를 교체하거나 바꾸는 과정이다.^[2] 환기는 유해 오염 물질의 축적을 방지하고 신선한 공기의 순환을 보장하여 건강한 실내 환경을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 창문을 통한 자연 환기, 기계적 환기 시스템 등 다양한 방법을 건물 설계 및 공기 질 요구 사항에 따라 사용할 수 있다. 환기는 종종 건물 실내 공간으로의 의도적인 외부 공기 공급을 의미하며, 건물 내 허용 가능한 실내 공기 질을 유지하는 데 가장 중요한 요소 중 하나이다.

환기는 양호한 실내 공기 질을 유지하는 데 필수적인 요소이지만, 이것만으로는 만족스럽지 않을 수 있다.^[18] 환기의 성능을 개선하려면 실내 및 실외 공기 질 매개변수에 대한 명확한 이해가 필요하다.^[19] 실외 오염이 실내 공기 질을 악화시키는 경우에는 여과와 같은 다른 처리 장치도 필요할 수 있다.^[20]

건물을 환기시키는 방법은 '기계/강제' 방식과 '자연' 방식으로 나눌 수 있다.^[21]

4. 2. 환기 방식

환기는 온도 조절, 습기, 냄새, 연기, 열, 먼지, 공기 중의 박테리아, 이산화탄소 등을 제거하고 산소를 공급하기 위해 어떤 공간의 공기를 교체하거나 바꾸는 과정이다. 환기는 유해 오염 물질 축적을 방지하고 신선한 공기 순환을 보장하여 건강한 실내 환경을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 환기는 종종 건물 실내 공간으로 외부 공기를 의도적으로 공급하는 것을 의미하며, 건물 내 허용 가능한 실내 공기 질을 유지하는 데 가장 중요한 요소 중 하나이다.^[2]

건물 환기 방식은 '기계/강제' 방식과 '자연' 방식으로 나눌 수 있다.^[21]

지하 주차장에 설치된 축류 벨트 구동 배기 팬. 이 배기 팬의 작동은 내연 기관에서 배출되는 오염 물질의 농도와 연동되어 있다.

기계 환기기계 환기(강제 환기)는 공기 조화기(AHU)로 제공되며 실내 공기질을 제어하는 데 사용된다. 과도한 습도, 냄새 및 오염 물질은 외부 공기로 희석하거나 교체하여 제어할 수 있다. 그러나 습한 기후에서는 환기 공기에서 과도한 수분을 제거하는 데 더 많은 에너지가 필요하다.

주방과 욕실에는 일반적으로 냄새를 제어하고 때로는 습도를 제어하기 위해 기계식 배기 장치가 설치되어 있다. 이러한 시스템 설계 요인에는 유량(팬 속도 및 배기구 크기의 함수)과 소음 수준이 포함된다. 직접 구동 방식 팬은 많은 응용 분야에서 사용할 수 있으며 유지 보수 요구 사항을 줄일 수 있다.

여름에는 천장 선풍기 및 탁상/바닥 선풍기가 방 안의 공기를 순환시켜 거주자의 피부에서 땀 증발을 증가시켜 체감 온도를 낮춘다. 더운 공기는 위로 올라가기 때문에 천장 선풍기는 천장의 따뜻한 성층화된 공기를 바닥으로 순환시켜 겨울에 방을 더 따뜻하게 유지하는 데에도 사용할 수 있다.
자연 환기자연 환기는 팬이나 다른 기계 시스템을 사용하지 않고 외부 공기로 건물을 환기하는 것이다. 공간이 작고 건축이 허용하는 경우 작동 가능한 창문, 루버 또는 트리클 벤트를 통해 이루어질 수 있다. ASHRAE는 자연 환기를 열린 창문, 문, 그릴 및 기타 계획된 건물 외피 관통부를 통한 공기 흐름으로 정의했으며, 자연적 및/또는 인위적으로 생성된 압력 차이로 구동된다.^[1]

자연 환기 전략에는 건물의 반대편에서 풍압 차이에 의존하는 교차 환기도 포함된다. 창문이나 통풍구와 같은 개구부를 반대쪽 벽에 전략적으로 배치하여 공기가 공간을 통과해 냉각 및 환기를 향상시킨다. 교차 환기는 건물 내부 공기 흐름에 방해받지 않는 명확한 경로가 있을 때 가장 효과적이다.

더 복잡한 계획에서는 따뜻한 공기가 상승하여 높은 건물 개구부를 통해 외부로 흐르도록 하여 (스택 효과) 차가운 외부 공기가 낮은 건물 개구부로 유입되도록 한다. 자연 환기 계획은 에너지를 거의 사용하지 않지만, 편안함을 보장하기 위해 주의해야 한다. 덥거나 습한 기후에서는 자연 환기만으로 열적 쾌적성을 유지하는 것이 불가능할 수 있다. 에어컨 시스템은 백업 또는 보조 수단으로 사용된다. 공기 측면 이코노마이저도 실외 공기를 사용하여 공간을 조절하지만 팬, 덕트, 댐퍼 및 제어 시스템을 사용하여 적절할 때 시원한 실외 공기를 도입하고 분배한다.

자연 환기의 중요한 구성 요소는 시간당 공기 변화율 또는 시간당 공기 변화 횟수이다. 이는 시간당 환기율을 공간 부피로 나눈 값이다. 예를 들어 시간당 6회 공기 변화는 공간 부피와 동일한 양의 새로운 공기가 10분마다 추가된다는 것을 의미한다. 인간의 쾌적성을 위해 시간당 최소 4회 공기 변화가 일반적이지만, 창고는 2회만 가능할 수 있다. 공기 변화율이 너무 높으면 시간당 수천 번 변화가 있는 풍동과 유사하게 불편할 수 있다. 가장 높은 공기 변화율은 혼잡한 공간, 바, 나이트 클럽, 상업용 주방의 경우 시간당 약 30~50회이다.^[22]

실내 압력은 실외에 비해 양압 또는 음압일 수 있다. 양압은 배출되는 것보다 더 많은 공기가 공급될 때 발생하며 외부 오염 물질 침투를 줄이기 위해 일반적이다.^[23]

4. 3. 공기 전염병 예방

환기는 유해 오염 물질의 축적을 방지하고 신선한 공기의 순환을 보장하여 건강한 실내 환경을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 특히 결핵, 감기, 독감, 수막염 또는 COVID-19와 같은 공기 매개 질병의 확산을 줄이는 데 중요하다.^[24] 문과 창문을 여는 것은 자연 환기를 극대화하는 좋은 방법이며, 이는 비용이 많이 들고 유지 관리가 필요한 기계 시스템보다 공기 전염의 위험을 훨씬 낮춘다. 높은 천장과 큰 창문이 있는 구식 진료 구역은 가장 큰 보호 기능을 제공한다. 자연 환기는 비용이 거의 들지 않고 유지 관리가 필요 없으며 결핵 및 시설 내 결핵 전염의 부담이 가장 큰 자원 제한 환경 및 열대 기후에 특히 적합하다. 호흡기 격리가 어렵고 기후가 허용되는 환경에서는 공기 전염 위험을 줄이기 위해 창문과 문을 열어 두어야 한다. 자연 환기는 유지 관리가 거의 필요 없고 저렴하다.^[25]

자연 환기는 기후로 인해 많은 기반 시설에서 실용적이지 않을 수 있다. 즉, 시설에는 효과적인 기계 환기 시스템이 있거나 천장 레벨 UV 또는 FAR UV 환기 시스템을 사용해야 한다.

2023년 현재, 질병통제예방센터(CDC)는 모든 공간에 최소 5 시간당 공기 변화 횟수(ACH)를 권장한다.^[26] 공기 매개 전염병이 있는 병실의 경우 CDC는 최소 12 ACH를 권장한다.^[27]

자외선 살균 조사는 내장된 LED UV 조명을 사용하여 공기 중의 바이러스, 세균, 곰팡이를 줄이는 현대식 에어컨에 사용되는 기능이다.^[31]

5. 공기 조화

공기 조화(HVAC, Heating, Ventilation, and Air Conditioning)는 실내 및 차량 환경의 쾌적함을 제공하는 기술이다. 난방, 환기, 공기 조화의 세 가지 주요 기능은 상호 관련되어 있으며, 적절한 설치, 작동 및 유지 관리 비용 내에서 열적 쾌적함과 허용 가능한 실내 공기질을 제공한다.^[2] HVAC 시스템은 가정 및 상업 환경 모두에서 사용되며, 환기를 제공하고 공간 간의 압력 관계를 유지할 수 있다. 공간에서 공기를 공급하고 제거하는 것을 실내 공기 분포라고 한다.

중앙식 "전 공기" 공조 시스템(또는 패키지 시스템)은 실외 응축기/증발기 유닛이 결합되어 있으며 북미 주택, 사무실 및 공공 건물에 자주 설치되지만, 부피가 큰 공기 덕트가 필요하기 때문에 개조(설치를 위해 설계되지 않은 건물에 설치)하기 어렵다.^[32] 이러한 상황에서는 미니 분리형 덕트리스 시스템이 사용된다. 북미 이외 지역에서는 패키지 시스템은 경기장, 극장 또는 전시장과 같이 넓은 실내 공간이 필요한 제한적인 용도로만 사용된다.

패키지 시스템의 대안은 분리형 시스템으로, 실내 및 실외 코일을 분리하여 사용한다. 분리형 시스템은 북미를 제외한 전 세계에서 선호되며 널리 사용된다. 북미에서는 분리형 시스템이 주거용으로 가장 많이 사용되지만, 소규모 상업 건물에서도 인기를 얻고 있다. 분리형 시스템은 덕트 설치가 불가능하거나 공간 조절 효율성이 가장 중요할 때 사용된다.^[33] 덕트리스 에어컨 시스템의 장점은 쉬운 설치, 덕트 불필요, 더 뛰어난 구역별 제어, 제어 유연성 및 조용한 작동이다.^[34] 공간 조절에서 덕트 손실은 에너지 소비의 30%를 차지할 수 있다.^[35] 미니 분리형 시스템을 사용하면 덕트와 관련된 손실이 없으므로 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다.

분리형 시스템에서 증발기 코일은 실외 유닛에서 직접 공기를 덕트하는 대신 실내 및 실외 유닛 사이의 냉매 배관을 사용하여 원격 응축기 유닛에 연결된다. 방향성 통풍구가 있는 실내 유닛은 벽에 부착하거나 천장에 매달거나 천장에 설치한다. 다른 실내 유닛은 천장 공간 내부에 설치되어 짧은 길이의 덕트가 실내 유닛에서 방 주변의 통풍구 또는 디퓨저로 공기를 처리한다.

분리형 시스템은 더 효율적이며 설치 공간이 일반적으로 패키지 시스템보다 작다. 반면에 패키지 시스템은 팬 모터가 외부에 위치하기 때문에 분리형 시스템에 비해 실내 소음 수준이 약간 더 낮은 경향이 있다.

5. 1. 냉방 방식

에어컨 시스템 또는 독립형 에어컨은 건물 전체 또는 일부에 대한 냉각 및 습도 제어 기능을 제공한다. 에어컨이 설치된 건물에는 창문이 밀봉된 경우가 많은데, 창문을 열어두면 실내 공기 상태를 일정하게 유지하려는 시스템에 방해가 되기 때문이다. 외부에서는 일반적으로 혼합 공기 챔버로의 통풍구를 통해 신선한 공기가 시스템으로 유입된다. 그런 다음 혼합 공기는 공기가 냉각되는 실내 또는 실외 열 교환기 섹션으로 들어간 다음 양압을 생성하는 공간으로 안내된다. 신선한 공기로 구성된 반환 공기의 비율은 일반적으로 이 통풍구의 개방을 조정하여 조작할 수 있다. 일반적인 신선한 공기 흡입량은 전체 공급 공기의 약 10%이다.

에어컨과 냉장 시설은 열 제거를 통해 제공된다. 열은 복사, 대류, 전도를 통해 제거될 수 있다. 열전달 매체는 물, 공기, 얼음과 같은 냉동 시스템이며 화학 물질을 냉매라고 한다. 냉매는 압축기를 사용하여 열역학적 냉동 사이클을 구동하는 히트 펌프 시스템이나 펌프를 사용하여 차가운 냉매(일반적으로 물 또는 글리콜 혼합물)를 순환시키는 자유 냉각 시스템에 사용된다.

냉각되는 영역에 대해 에어컨 마력이 충분해야 한다. 전력이 부족한 에어컨 시스템은 전력 낭비와 비효율적인 사용으로 이어진다. 설치된 모든 에어컨에는 적절한 마력이 필요하다.

5. 2. 제습

에어컨 시스템에서 제습(공기 건조)은 증발기에 의해 제공된다. 증발기는 이슬점 이하의 온도에서 작동하므로 공기 중의 수분이 증발기 코일 튜브에 응결된다. 이 수분은 증발기 바닥의 팬에 모여 중앙 배수관이나 외부의 땅으로 연결된 파이프를 통해 제거된다.

제습기는 방이나 건물의 습도를 조절하는 에어컨과 유사한 장치이다. 낮은 온도로 인해 습도가 높은 상대 습도를 가진 지하실에서 자주 사용된다(젖은 바닥과 벽의 경향이 있기 때문에). 식품 소매업체에서는 대형 개방형 냉장 캐비닛이 내부 공기를 제습하는 데 매우 효과적이다. 반대로 가습기는 건물의 습도를 증가시킨다.

환기 공기를 제습하는 HVAC 구성 요소는 거의 모든 건물에 대해 연간 습도 부하의 대부분을 차지하는 외부 공기를 신중하게 고려해야 한다.^[36]

5. 3. 공기 정화

공기 청정 및 여과는 공기에서 입자, 오염 물질, 증기 및 가스를 제거한다. 여과 및 정화된 공기는 난방, 환기 및 에어컨에 사용된다. 오염 물질이 존재할 경우, 적절하게 제거하거나 여과하지 않으면 HVAC 시스템에서 나올 수 있으므로, 건물 환경을 보호할 때 공기 청정 및 여과를 고려해야 한다.^[42]

청정 공기 공급률(CADR)은 공기 청정기가 방 또는 공간에 제공하는 청정 공기의 양이다. CADR을 결정할 때 공간의 공기 흐름량을 고려한다. 예를 들어, 분당 30m³의 유량과 50%의 효율을 가진 공기 청정기는 분당 15m³의 CADR을 갖는다. CADR과 함께 여과 성능은 실내 환경의 공기와 관련하여 매우 중요하다. 이는 입자 또는 섬유의 크기, 필터 포장 밀도 및 깊이, 그리고 공기 흐름 속도에 따라 달라진다.^[42]

모든 현대식 에어컨 시스템에는 내부 공기 필터가 있다. 이 필터는 가볍고 거즈와 같은 재질로 만들어져 있으며, 상황에 따라 교체하거나 세척해야 한다. 먼지가 많은 환경의 건물이나 털이 있는 애완동물을 키우는 집은 필터를 더 자주 교체해야 한다. 필터를 제때 교체하지 않으면 열 교환률이 낮아져 에너지 낭비, 장비 수명 단축, 높은 에너지 요금으로 이어진다. 낮은 기류는 증발기 코일에 얼음이 얼어 기류가 완전히 멈출 수 있다. 또한, 매우 더럽거나 막힌 필터는 난방 사이클 동안 과열을 유발하여 시스템 손상이나 화재를 일으킬 수 있다.

에어컨은 실내 코일과 실외 코일 사이에서 열을 이동시키므로 두 코일 모두 깨끗하게 유지해야 한다. 증발기 코일의 에어 필터를 교체하는 것 외에도, 응축기 코일을 정기적으로 청소해야 한다. 응축기를 깨끗하게 유지하지 않으면 결국 압축기에 손상을 줄 수 있는데, 그 이유는 응축기 코일이 증발기에 의해 흡수된 실내 열과 압축기를 구동하는 전기 모터에 의해 생성된 열을 모두 배출하는 역할을 하기 때문이다.

관련 항목은 다음과 같다.

흡기
에어 필터
에어 클리너
공기 청정기

6. 에너지 효율

HVAC는 건물 부문에서 전 세계 에너지 소비의 큰 비중을 차지하므로 건물의 에너지 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다.^[37] 1980년대 이후 HVAC 장비 제조업체들은 에너지 비용 상승과 환경 문제에 대한 인식 증가로 인해 시스템 효율성을 높이기 위해 노력해 왔다. 또한, HVAC 시스템 효율성 개선은 거주자의 건강과 생산성 향상에도 도움이 될 수 있다.^[38] 미국 환경 보호청(EPA)은 더 엄격한 규제를 시행해 왔다.

기체 압축 냉동 사이클의 성능은 열역학 제2법칙에 의해 제한된다.^[39] 이러한 에어컨 및 히트 펌프 장치는 열을 다른 형태로 변환하는 것이 아니라 '이동'시키므로, '열효율'은 이러한 장치의 성능을 적절하게 설명하지 못한다. 성능 계수(COP)는 성능을 측정하지만, 이 무차원 척도는 아직 채택되지 않았다. 대신, 에너지 효율 비율(''EER'')이 전통적으로 많은 HVAC 시스템의 성능을 특성화하는 데 사용되었다. EER은 35°C 실외 온도를 기준으로 한 에너지 효율 비율이다. 일반적인 냉방 시즌 동안 에어컨 장치의 성능을 보다 정확하게 설명하기 위해 EER의 수정된 버전인 계절 에너지 효율 비율(''SEER'') 또는 유럽에서는 ESEER이 사용된다. SEER 등급은 35°C의 일정 실외 온도 대신 계절별 평균 온도를 기준으로 한다. 현재 업계 최소 SEER 등급은 14 SEER이다. 엔지니어들은 기존 하드웨어의 효율을 개선할 수 있는 몇 가지 영역을 지적했다. 예를 들어, 공기를 이동하는 데 사용되는 팬 블레이드는 일반적으로 판금으로 스탬핑되는데, 이는 경제적인 제조 방법이지만 결과적으로 공기역학적으로 효율적이지 않다. 잘 설계된 블레이드는 공기를 이동하는 데 필요한 전력을 3분의 1까지 줄일 수 있다.^[40]

6. 1. 고효율 HVAC 시스템

HVAC 시스템의 효율성을 높이는 방법에는 여러 가지가 있다. 과거에는 건물 난방에 온수 난방이 더 효율적이었으며, 미국에서 표준으로 사용되었다. 오늘날에는 강제 공기 시스템이 냉방 기능도 겸할 수 있어 더 널리 사용된다.

현재 교회, 학교, 고급 주택에서 널리 사용되는 강제 공기 시스템의 몇 가지 장점은 다음과 같다.

더 나은 냉방 효과
최대 15~20%의 에너지 절감
균일한 냉난방

단점은 설치 비용이 기존의 HVAC 시스템보다 약간 높을 수 있다는 것이다.

구역 난방을 도입하여 중앙 난방 시스템의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 이를 통해 비중앙 난방 시스템과 유사하게 열을 보다 세분화하여 적용할 수 있다. 구역은 여러 개의 온도 조절 장치로 제어된다. 온수 난방 시스템에서는 온도 조절 장치가 구역 밸브를 제어하고, 강제 공기 시스템에서는 환기구 내부의 구역 댐퍼를 제어하여 공기 흐름을 선택적으로 차단한다. 이 경우, 적절한 온도를 유지하기 위해서는 제어 시스템이 매우 중요하다.

예측은 각 시간 단위로 건물에 공급해야 하는 난방 에너지 수요를 계산하여 건물 난방을 제어하는 또 다른 방법이다.

지열 히트 펌프는 일반적인 히트 펌프와 유사하지만, 외부 공기로부터 열을 전달하는 대신 지구의 안정적이고 균일한 온도를 이용하여 난방과 냉방을 제공한다. 많은 지역에서 계절별 온도 변화가 심하여, 건물을 난방하거나 냉방하기 위해서는 대용량의 난방 및 냉방 장비가 필요하다. 예를 들어, 몬태나 주에서 -70°F의 낮은 온도로 건물을 난방하거나, 1913년 캘리포니아 주 데스 밸리에서 미국 최고 기온인 134°F로 건물을 냉방하는 데 사용되는 일반적인 히트 펌프 시스템은 실내와 실외의 온도 차이가 극심하기 때문에 많은 양의 에너지를 필요로 한다. 그러나 지구 표면 아래 1미터 지점에서는 땅의 온도가 비교적 일정하게 유지된다. 이처럼 비교적 완만한 온도인 땅의 대규모 열원을 활용하면 난방 또는 냉방 시스템의 용량을 상당히 줄일 수 있다. 지하 온도는 위도에 따라 다르지만, 지하 약 1.83m에서는 일반적으로 45°F에서 75°F의 온도 범위를 보인다.

태양열 냉방에서 태양광 패널은 냉방 운영 비용을 잠재적으로 줄일 수 있는 새로운 방법을 제공한다. 기존의 에어컨은 교류(AC)를 사용하여 작동하므로, 직류(DC) 태양광 발전은 이러한 장치와 호환되도록 변환되어야 한다. 새로운 가변 속도 DC 모터 장치는 이러한 변환이 필요 없고, 모터가 공급되는 태양광 발전의 변동(예: 구름의 영향)과 관련된 전압 변동에 둔감하기 때문에 태양광 발전을 사용하여 더 쉽게 작동할 수 있게 해준다.

에너지 회수 시스템은 때때로 배기된 공기로부터 현열 또는 잠열을 회수하기 위해 열교환기 또는 열 바퀴를 사용하는 열 회수 환기 또는 에너지 회수 환기 시스템을 활용한다. 이것은 집 내부의 탁한 공기에서 외부로부터 유입되는 신선한 공기로 에너지를 전달하여 수행된다.

기체 압축 냉동 사이클의 성능은 열역학 제2법칙에 의해 제한된다.^[39] 이러한 에어컨 및 히트 펌프 장치는 열을 다른 형태로 변환하는 것이 아니라 ''이동''시키므로, ''열효율''은 이러한 장치의 성능을 적절하게 설명하지 못한다. 성능 계수(COP)는 성능을 측정하지만, 이 무차원 척도는 아직 채택되지 않았다. 대신, 에너지 효율 비율(''EER'')이 전통적으로 많은 HVAC 시스템의 성능을 특성화하는 데 사용되었다. EER은 실외 온도를 기준으로 한 에너지 효율 비율이다. 일반적인 냉방 시즌 동안 에어컨 장치의 성능을 보다 정확하게 설명하기 위해 EER의 수정된 버전인 계절 에너지 효율 비율(''SEER'') 또는 유럽에서는 ESEER이 사용된다. SEER 등급은 35°C의 일정 실외 온도 대신 계절별 평균 온도를 기준으로 한다. 현재 업계 최소 SEER 등급은 14 SEER이다. 엔지니어들은 기존 하드웨어의 효율을 개선할 수 있는 몇 가지 영역을 지적했다. 예를 들어, 공기를 이동하는 데 사용되는 팬 블레이드는 일반적으로 판금으로 스탬핑되는데, 이는 경제적인 제조 방법이지만 결과적으로 공기역학적으로 효율적이지 않다. 잘 설계된 블레이드는 공기를 이동하는 데 필요한 전력을 3분의 1까지 줄일 수 있다.^[40]

요구 제어 환기(DCKV)는 상업용 주방의 실제 조리 부하에 맞춰 주방 배기 및 급기량을 제어하는 건물 제어 방식이다. 기존의 상업용 주방 환기 시스템은 조리 활동량과 관계없이 팬 속도 100%로 작동하며, DCKV 기술은 이를 변경하여 상당한 팬 에너지와 조절된 공기 절감을 제공한다. 스마트 센싱 기술을 통해 배기 및 급기 팬을 모두 제어하여 모터 에너지 절감을 위한 친화력 법칙을 활용하고, 보충 공기 난방 및 냉방 에너지를 줄이며, 안전성을 높이고, 주방의 주변 소음 수준을 낮출 수 있다.^[41]

6. 2. 스마트 제어 시스템

HVAC는 건물 부문에서 전 세계 에너지 소비의 큰 비중을 차지하므로 건물의 에너지 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다.^[37] 1980년대 이후 HVAC 장비 제조업체들은 에너지 비용 상승과 환경 문제에 대한 인식 증가로 인해 시스템 효율성을 높이기 위해 노력해 왔다. HVAC 시스템 효율성 개선은 거주자의 건강과 생산성 향상에도 도움이 될 수 있다.^[38] 미국 환경 보호청(EPA)은 더 엄격한 규제를 시행해 왔다.

과거에는 온수 난방이 건물 난방에 더 효율적이었지만, 현재는 냉방 기능도 겸할 수 있는 강제 공기 시스템이 더 널리 사용된다. 강제 공기 시스템은 교회, 학교, 고급 주택에서 널리 사용되며 다음과 같은 장점이 있다.

더 나은 냉방 효과
최대 15~20%의 에너지 절감
균일한 냉난방

단점은 설치 비용이 기존 HVAC 시스템보다 약간 높을 수 있다는 점이다.

구역 난방을 도입하면 중앙 난방 시스템의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 구역 난방은 여러 개의 온도 조절 장치로 제어된다. 온수 난방 시스템에서는 온도 조절 장치가 구역 밸브를 제어하고, 강제 공기 시스템에서는 환기구 내부의 구역 댐퍼를 제어하여 공기 흐름을 선택적으로 차단한다. 이 경우, 적절한 온도를 유지하기 위해 제어 시스템이 매우 중요하다.

예측은 각 시간 단위로 건물에 공급해야 하는 난방 에너지 수요를 계산하여 건물 난방을 제어하는 또 다른 방법이다.

7. 산업 및 표준

HVAC는 개별 건물뿐만 아니라 지역 난방(DH) 또는 지역 냉방(DC) 네트워크, 또는 결합된 DHC 네트워크의 확장으로도 실행될 수 있다. 이러한 경우 운영 및 유지 관리 측면이 단순화되고 에너지 소비에 대한 요금 청구가 가능해진다. 예를 들어, 한 건물에서 에어컨을 위해 냉수를 사용하고 반환되는 온수는 다른 건물 난방에 사용되거나 DHC 네트워크의 난방 부분에 사용될 수 있다.^[3]^[4]^[5]

HVAC를 더 큰 네트워크를 기반으로 구축하면 개별 건물에서는 불가능한 규모의 경제를 제공하고, 재생 에너지원(태양열,^[6]^[7]^[8] 겨울의 추위,^[9]^[10] 호수 또는 해수의 냉각 잠재력)을 활용하여 프리 냉각을 가능하게 하고, 계절별 열 에너지 저장 기능을 가능하게 한다.

HVAC 산업은 운영 및 유지보수, 시스템 설계 및 건설, 장비 제조 및 판매, 교육 및 연구를 포함하는 전 세계적인 사업이다. 과거에는 HVAC 장비 제조업체가 산업을 규제했지만, HARDI, ASHRAE, SMACNA, ACCA, Uniform Mechanical Code, International Mechanical Code, AMCA와 같은 규제 및 표준 제정 기관이 설립되어 산업을 지원하고 높은 표준과 성과를 장려하고 있다.

7. 1. 국제 표준

HVAC 산업은 운영 및 유지보수, 시스템 설계 및 건설, 장비 제조 및 판매, 교육 및 연구를 포함하는 전 세계적인 사업이다. HVAC 산업은 역사적으로 HVAC 장비 제조업체에 의해 규제되었지만, HARDI, ASHRAE, SMACNA, ACCA, Uniform Mechanical Code, International Mechanical Code, AMCA와 같은 규제 및 표준 제정 기관이 산업을 지원하고 높은 표준과 성과를 장려하기 위해 설립되었다. ISO 빌딩 환경 표준 중 하나인 ISO 16813:2006은 건물 환경 설계의 일반 원칙을 설정한다.^[44] 이 표준은 거주자를 위한 건강한 실내 환경을 제공해야 할 필요성과 미래 세대를 위한 환경을 보호하고 지속 가능한 건물 환경 설계에 관련된 다양한 당사자 간의 협력을 촉진해야 할 필요성을 고려한다. ISO16813은 신축 건물 및 기존 건물의 개보수에 적용할 수 있다.^[45]

빌딩 환경 설계 표준은 다음을 목표로 한다:^[45]

설계 과정의 초기 단계부터 지속 가능성 문제와 관련된 제약 조건을 제공하며, 설계 과정 초반부터 건물 및 설비의 수명 주기와 소유 및 운영 비용을 함께 고려해야 한다.
설계 과정의 모든 단계에서 실내 공기 질, 열적 쾌적성, 음향 쾌적성, 시각적 쾌적성, 에너지 효율성 및 HVAC 시스템 제어에 대한 합리적인 기준을 사용하여 제안된 설계를 평가한다.
설계 과정 전반에 걸쳐 설계 결정 및 평가를 반복한다.

영국의 건축 서비스 엔지니어링은 건물이 작동하도록 하는 필수적인 서비스 (시스템 아키텍처)를 다루는 단체이다. 여기에는 전기 기술, 난방, 환기, 공기 조화, 냉동 및 배관 산업이 포함된다. CIBSE는 영국 시장, 아일랜드 공화국, 호주, 뉴질랜드 및 홍콩과 관련된 HVAC 설계를 위한 여러 가이드를 발행한다. 이러한 가이드에는 다양한 권장 설계 기준 및 표준이 포함되어 있으며, 일부는 영국 건축 규정 내에서 인용되므로 주요 건축 서비스 작업에 대한 법적 요구 사항을 형성한다.

7. 2. 대한민국 표준

미국에서는 연방 면허가 일반적으로 EPA 인증을 통해 처리된다. 미국의 많은 주에서는 보일러 작동에 대한 면허를 요구하는데, 아칸소^[46], 조지아^[47], 미시간^[48], 미네소타^[49], 몬태나^[50], 뉴저지^[51], 노스다코타^[52], 오하이오^[53], 오클라호마^[54], 오리건^[55] 주 등이 이에 해당한다. 또한, 일부 도시에는 HVAC 전문가에게 적용되는 추가 노동법이 있을 수 있다.

미국의 설계 표준은 통일 기계 규정 또는 국제 기계 규정으로 법제화되어 있다. 특정 주, 카운티, 또는 도시는 이러한 규정 중 하나를 채택하고 다양한 입법 절차를 통해 수정할 수 있다. 이 규정들은 3년 주기로 국제 배관 및 기계 관리 협회(IAPMO) 또는 국제 규정 협회(ICC)에서 업데이트 및 게시한다. 일반적으로 지역 건축 허가 부서에서 이러한 표준을 개인 및 특정 공공 재산에 대해 시행하는 책임을 진다.

7. 3. 관련 단체

HVAC 산업은 운영 및 유지보수, 시스템 설계 및 건설, 장비 제조 및 판매, 교육 및 연구를 포함하는 전 세계적인 사업이다. HVAC 산업은 역사적으로 HVAC 장비 제조업체에 의해 규제되었지만, HARDI (Heating, Air-conditioning and Refrigeration Distributors International), ASHRAE, SMACNA, ACCA (Air Conditioning Contractors of America), Uniform Mechanical Code, International Mechanical Code, AMCA와 같은 규제 및 표준 제정 기관이 산업을 지원하고 높은 표준과 성과를 장려하기 위해 설립되었다.

많은 HVAC 엔지니어들은 미국 냉난방 공조학회(ASHRAE)의 회원이다. ASHRAE는 매년 두 개의 기술 위원회를 정기적으로 조직하고 HVAC 설계에 대한 공인된 표준을 발표하며, 이는 4년마다 업데이트된다.^[56]

또 다른 인기 있는 학회는 AHRI로, 새로운 냉동 기술에 대한 정기적인 정보를 제공하고 관련 표준 및 코드를 발행한다.

호주에는 호주 냉난방 및 기계 계약자 협회(AMCA), 호주 냉동, 공기 조화 및 난방 협회(AIRAH), 호주 냉동 기계 협회 및 CIBSE가 관련되어 있다.

8. 실내 환경 측정 및 평가

실내 환경은 쾌적하고 건강한 생활을 위해 매우 중요하다. 이러한 실내 환경을 정량적으로 파악하고 평가하기 위해 온도, 습도, 기류 분포, 공기 청정도 등의 요소를 측정하고, 이를 바탕으로 실내 환경의 질을 판단한다. 평가 기준에는 건축물 위생 관리 기준, 쾌적성 평가, 공기 오염도 평가 등이 있다.

측정 요소 및 평가 기준에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고할 수 있다.

8. 1. 측정 요소

온도
습도
기류 분포
공기 청정도

8. 2. 평가 기준

HVAC^영어 시스템의 성능 평가는 다음의 주요 기준들을 바탕으로 이루어진다.

'''건축물 위생 관리 기준''': 건축물 내부의 위생 상태를 평가하는 기준으로, 실내 공기질과 관련된 다양한 요소들을 포함한다.
'''쾌적성 평가''': 사용자가 느끼는 쾌적함의 정도를 평가하는 기준으로, 온도, 습도, 기류 등 다양한 요소들이 영향을 미친다.
'''공기 오염도 평가''': 실내 공기의 오염 정도를 평가하는 기준으로, 미세먼지, 유해 물질 등 다양한 오염 물질의 농도를 측정한다.

참조

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