혼합공기

개념과 원리

혼합공기는 서로 다른 상태의 두 공기가 섞여 만들어지는 공기입니다. 공조장치에서는 대표적으로 외기(OA)와 환기공기 또는 환류공기(RA)가 혼합되어 혼합공기(MA)를 만든 뒤 공조기로 들어갑니다.

두 공기가 단열적으로 혼합되고 외부와의 열·수분 교환이 없다고 보면, 혼합 후의 상태는 각 공기의 질량유량과 상태량에 의해 결정됩니다. 따라서 건구온도, 엔탈피, 절대습도 등은 단순 평균이 아니라 공기량에 따른 가중평균으로 계산해야 합니다.

예를 들어 외기량을 ṁ_o, 환기공기량을 ṁ_r라 하면 혼합공기의 총 질량유량은 다음과 같습니다.

ṁ_m=ṁ_o+ṁ_r

혼합공기의 엔탈피는 에너지수지로 다음과 같이 구합니다.

h_m=(ṁ_oh_o+ṁ_rh_r) ÷ (ṁ_o+ṁ_r)

절대습도 역시 같은 방식으로 질량수지를 적용할 수 있습니다.

x_m=(ṁ_ox_o+ṁ_rx_r) ÷ (ṁ_o+ṁ_r)

습공기선도에서는 두 상태점을 직선으로 연결하면 혼합공기 상태가 그 선 위에 위치합니다. 혼합점은 공기량이 많은 쪽의 상태점에 더 가깝게 형성됩니다.

실기에서는 외기비나 환기비가 직접 주어지기도 하고, 두 공기량이 주어진 뒤 혼합온도·혼합엔탈피·혼합절대습도를 구하도록 출제되기도 합니다. 이때 가장 중요한 것은 혼합비의 기준을 잘못 해석하지 않는 것입니다.

서로 다른 상태의 두 공기가 혼합되면 혼합공기의 건구온도, 절대습도와 엔탈피는 각 공기량을 기준으로 한 가중평균으로 계산한다.

t₃ = (t₁Q₁ + t₂Q₂) / (Q₁ + Q₂)

x₃ = (x₁Q₁ + x₂Q₂) / (Q₁ + Q₂)

i₃ = (i₁Q₁ + i₂Q₂) / (Q₁ + Q₂)

시험 포인트
혼합공기 상태는 단순 평균이 아니라 각 공기량을 반영한 가중평균으로 계산한다.

외기량이 2 kg/s, 외기 엔탈피가 70 kJ/kg이고, 환기공기량이 6 kg/s, 환기공기 엔탈피가 45 kJ/kg이라고 하겠습니다.

① 총 혼합공기량
ṁ_m=2+6=8 kg/s

② 혼합공기 엔탈피
h_m=(2×70+6×45)÷8

= (140+270)÷8

=410÷8=51.25 kJ/kg

혼합공기 상태는 환기공기량이 외기량보다 3배 많으므로 외기 상태보다 환기공기 상태에 더 가까운 위치에 형성됩니다.

이번에는 외기비가 25%, 환기비가 75%이고 외기 건구온도가 32℃, 환기공기 건구온도가 24℃라고 가정하겠습니다. 다른 조건의 영향을 무시하고 온도만 단순 혼합하는 연습에서는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

t_m=0.25×32+0.75×24=8+18=26℃

따라서 혼합공기는 외기 32℃와 환기공기 24℃ 사이에 위치하며, 비율이 큰 환기공기 쪽에 더 가까운 26℃가 됩니다.

실제 습공기 문제에서는 온도만 평균내기보다 엔탈피와 절대습도 등 문제에서 주어진 상태량을 기준으로 질량·에너지수지를 적용하는 것이 정확합니다.

① 두 공기의 온도를 그냥 평균내면 안 됩니다.
공기량이 서로 다르면 혼합상태는 공기량을 고려한 가중평균으로 결정됩니다. 단순 산술평균은 두 공기량이 같을 때만 성립합니다.

② 외기비와 환기비의 합을 확인하세요.
두 공기만 혼합하는 경우 일반적으로 외기비+환기비=1 또는 100%가 되어야 합니다.

③ 혼합점의 위치를 반대로 잡지 마세요.
습공기선도에서 혼합점은 공기량이 많은 쪽 상태점에 더 가까워집니다.

④ 건구온도만으로 습공기 상태를 완전히 결정할 수 없습니다.
습공기는 온도뿐 아니라 수분량도 함께 고려해야 하므로 문제에서 엔탈피, 상대습도, 절대습도 등이 주어졌다면 해당 상태량을 이용해야 합니다.

⑤ 체적유량과 질량유량을 혼용할 때는 주의하세요.
정밀한 혼합 계산은 건공기 질량유량 기준으로 수행하는 것이 원칙입니다. 체적유량이 주어졌다면 밀도 조건을 확인해야 합니다.