항온항습기

항온항습기(恒溫恒濕機, thermo-hygrostat)란 항상 일정한 온도와 습도를 유지하기 위해 사용하는 기계장치를 말한다. 전산실과 인터넷데이터센터(IDC) 등에서 사용한다. 항온항습기와 유피에스(UPS)를 합쳐서 부대시설이라고 부른다.

개요

항온(恒溫)이란 일정온도라는 의미이고, 항습(恒濕)이란 일정습도라는 의미다. 여기서 항온항습이란, 일정공간의 내부를 일정한 온도, 습도로 유지하는 것이다. 옛날에는 실험상자나 실험실에서 희망하는 온도, 습도를 유지하게 하고, 물품을 그 속에 넣어서 변화 상태를 관찰한다든지, 그 정도를 유지하는 것이 주된 목적이었다. 온도, 습도에는 허용차가 정해져 있지만, 그 자체는 고정되어 있었다. 또 일반적인 보건용 공조설비에서는 온도, 습도, 기류, 청정도를 조정하여 쾌감영역으로 만들어준다. 이 영역의 유효온도는 여름은 19～24℃이고, 겨울은 17～22℃이다. 이 폭은 인종, 연령, 풍토에 따라 다르다. 청정도를 유지하기 위해서는 먼지, 탄산가스, 일산화탄소 등을 제거해야 하는데, 이를 위해서 필터를 설치하든지, 신선한 공기를 공급하여 조건을 만족시켜 왔다. 지금은 이러한 것에 대한 요구도 복잡다양하게 되어, 여러 가지 요구들을 포함하게 되었다.

항온항습기는 전산장비 및 통신장비 등 기타 장비의 운용 여건상 실내의 온도 및 습도를 일정하게 필요로 하는 장소에 설치되어 냉각, 가열, 재열, 제습, 공기 청정, 가스 및 공기 순환 등의 기능으로 외기(外氣) 온습도 조건에 관계없이 실내 온습도가 항상 일정하게 되어 실내에 설치된 장비가 운용 중 온습도 조건으로 인하여 발생되는 고장 및 오작동을 방지하기 위해서 설치된 장비를 말한다. 주로 전산실이나 실험실, 반도체와 환경시험 설비의 적정한 온도, 습도를 유지하는데 사용된다.

항온항습기란, 특정한 온도 그리고 습도를 유지할 수 있도록 해주는 장비이다. 전산실과 도서실 그리고 문서고, 미술품 전시장, 박물관 등과 같은 장소에서 사용되며, 일 년 내내 24시간 동안 가동을 해야 한다. 전기 히터 방식의 항온항습기의 경우, 난방의 기능 대신에 압축기를 사용한 히트 펌프 냉난방 시스템을 적용함으로써 소비의 전력을 약 60% 이상 감소시키기도 했는데, 전기 에너지가 보다 과다하게 소비가 되는 기술을 벗어나기도 했다. 대신 히트 펌프형으로 제작된 항온항습기가 가동이 될 때 손실이 되는 응축열을 이용하여 냉매관에 가습용 물을 직접 분사하는 스프레이 증발식 가습기를 개발하여 가습 양을 약 2.5배 증가시켰다. 덕분에 기존의 항온항습기에서 고질적으로 발생하는 석회질 스케일 발생에 따른 효율 감소 혹은 작동 불능 상태를 원천적으로 차단하였다. 그뿐만 아니라, 여름철의 냉가가 제습 시 온도 보상용 재열에 전기 에너지는 당연히 필요 없다. 전산실이나 전화 교환실처럼 현열 부하량이 많아 겨울에도 난방이 필요하지 않은 장소에는 히트 펌프 기능에서 난방의 기능을 삭제하며 냉방, 가습, 제습 기능만 가능하도록 설계한 현열 냉각 방식의 항온항습기를 적용하면 폭넓게 사용이 가능하다. 히트 펌프형으로 제작된 항온항습기의 경우, 소비되는 전력이 기존의 제품과 비교했을 때 획기적으로 작다. 따라서 새로 항온항습기를 사용하게 되는 업체라면 전원의 공급에 따른 수배전 공사 금액을 더욱 최소화하고, 추가로 항온항습기를 증설하는 업체 역시 전기 증설에 따른 어려움을 모두 극복할 수 있다.

특징

항온항습 제어의 특징

1. 토출, 흡입의 온도차는 실내의 온도 편차를 작게하고 환기 횟수를 많이 하여 부하의 변동을 신속히 없앤다.
2. 송풍량에서 외기의 비율이 낮다.
3. 크린룸이나 실험실에는 재실자가 적기 때문에 실내 부하는 거의 현열 부하로 된다. 그러므로 현열비(SHF)가 1에 가깝고 잠열 부하가 적다.
4. 겨울에도 냉각장치가 사용되는 경우가 많다.
5. 항온항습실은 안장 상태를 얻는데 장시간이 필요로 하는 것이 보통이다. 이 때문에 높은 정밀도를 요구하게 되는 곳은 24시간 연속 운전을 한다.

항온항습기의 공랭식과 수랭식의 특징

항온항습기에는 공랭식과 수랭식 두 가지가 있다. 공랭식 항온항습기의 경우 응축 압력 자동 컨트롤 시스템을 채택하여 낮은 기옥 조건하에서도 과랭으로부터 보호가 되고, 에너지를 절약하기 위해 보다 효율적이면서도 지속적인 운전을 유지하도록 제작된다. 고압과 저압의 압력 센서에 의한 디지털 방식으로 정확한 압력 제어가 가능하며 고효율, 저소음의 유닛으로 개발되어 에너지 절감과 기계실 설치 면적을 더욱 최소화한다. 동배관은 필터 건조기(Filter Dryer), 시창 유리(Sight Glass), 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve), 열팽창 밸브(Thermal Expansion Valve) 등과 조합 설치되게 된다. 수랭식 항온항습기는 외기 온도 변화와 관계없이 냉방 및 제습의 조절이 간편할 뿐 아니라 에너지를 절약할 수 있도록 하기 위해 효율적이고 지속적인 운전을 유지하는 것은 비슷하다. 외기 조건 변화에 영향을 거의 받지 않으며, 고효율과 저소음의 유닛으로 개발과 에너지 절감, 기계실 설치 면적을 최소화할 수 있다. 동배관 역시 공랭식과 마찬가지로 조합 설치된다.

기능

• 항온항습기의 가장 큰 특징 중 하나가 바로 최적화된 구조의 안정적인 제어가 가능하다는 것이다. 최대 95% rh까지 안정적인 온도와 습도를 제어할 수 있으며, 7인치 컬러 터치스크린 컨트롤러를 포함하여 컨트롤러 전용 소프트웨어가 제공 및 저장에 매우 용이하다는 것이다. 내부 순환 팬 모터 2세트를 사용함으로써 가장 적절한 속도로 공기를 순환시켜 챔버 내부의 온도와 습도를 균일하게 조절한다. 견고한 고급형 손잡이를 채택함으로써 챔버의 기밀성을 유지하는 기능이 있다.
• 슬라이딩 방식으로 보다 편리하게 물을 보충할 수 있으며, 필터를 적용함으로써 가습수 공급 시 보다 청결하게 유지가 가능하다. 자동으로 가습수를 공급하여 보다 편리하게 관리가 가능하며, 이중의 센서 적용으로 물이 부족할 경우 경보를 발생하여 물의 공급 시기를 확인할 수 있다. 성에가 발생하지 않는 박막형 유리를 사용함으로써 투시 창 장착 내부를 선명하게 관찰할 수 있으며, LED 램프 적용 및 챔버 내부 관찰이 용이하다. 때문에 사용이 편리하고 유지 보수가 쉽다.
• 안쪽 문은 설치가 가능하여 온도와 습도에 영향을 적게 주며, 시험이 가능하다.

항온항습장치 분류

항온 항습기는 패키지 타입과 공기 조화기 타입으로 소형과 대형으로 나눌 수 있고, 응축 방법에 따라서 공랭식, 수랭식, 에틸렌글리콜(E/GRYCOL) 등으로 분류하고, 공기의 흐름 방향에 따라 상향 송풍(UP FLOW) 방식과 하향 송풍(DOWN FLOW) 방식으로 분류하는 것이 보통이다.

작동 원리

항온항습기의 냉각 코일에서는 냉각과 제습 그리고 난방 코일에서는 난방, 재열, 가습기에서는 양질의 스팀 분사가 이루어진다. 이러한 기능의 조합으로 보다 정밀한 온도와 습도의 제어가 이루어진다. 냉방은 냉동기를 가동해 냉매라고 하는 열매체를 이용한다. 압축과 팽창, 증발, 용축의 단계를 거치면서 이루어진다. 이때, 실내기에서는 찬바람이 나오게 되며, 실외기에서는 따뜻한 바람이 나오게 된다. 난방은 전기 히터를 사용하게 되는데, 난방이 필요한 온도라고 감지가 되면 전기 히터에 전기를 공급하며, 공기를 통과시켜 난방이 가능할 수 있도록 한다. 가습 역시 전기 히터를 이용하여 물을 끓여 발생하는 수증기로 가습을 하는 원리로 작동된다.

부품 구성

• 냉각 코일은 냉각의 효율을 높이면서 그와 동시에 진행되는 부식은 최소화했으며, 자동 유입 방식에 의한 대공학관으로 동간, 알루미늄 핀의 완전한 밀착이 전열의 효과를 증대시키고, 균일한 핀피치를 유지하도록 한 부품이다.
• 재열 히터는 발열체를 일체화함으로써 효율을 보다 극대화하도록 제작되었으며, SUS 핀을 사용하여 부식을 방지했다. 그뿐만 아니라 설치의 조건, 그리고 수요자의 요구에 따라서 형태와 전원을 보다 자유롭게 사용할 수 있다. 빠른 열의 전달, 낮은 표면의 부하로 보다 반영구적으로도 사용이 가능하다. 또한 항온항습기 사용 시 히터의 과열을 방지하기 위해 온도 과열 방지 기능이 필요하다.
• 압축기는 저소음과 저진동을 유지하면서 공조용으로써 보다 확실한 냉동의 효과를 얻을 수 있다. 원활한 운전이 될 수 있도록 설계가 됨으로써 수요자들로부터 신뢰성을 받고 있다.
• 가습기는 급수 조절 장치를 통해 자동으로, 그리고 저수위 보호 장치가 급수를 조절함으로써 가습기의 물이 자동으로 드레인 된다.
• 외부 균압관식 팽창 밸브는 증발기로부터 과열도를 조절한다. 실내 열부하에 따라서 냉매양을 조절하고, 압축기 보호와 증발기가 최대 냉각 효율을 발휘할 수 있도록 설계가 되어있다. 송풍기와 모터도 같은 역할을 한다.

종류

공냉식과 수냉식

공냉식과 수냉식

구분	공냉식(Air cooled type)	수냉식(Water cooled type)
외형	실내기(항온항습) + 실외기(압축기)	실내기(항온항습+압축기)+냉각탑
특징	1.실외기의 응축기를 공기로 냉각시키는 핀 & 튜브(Fin & Tube) 구조 2.실내기와 실외기 간의 거리가 제한(60)되며, 일반적인 냉방기와 같은 방식으로 설치 3.소규모 시설이나 단층 건물에 많이 사용되는 방식	1.실내기 내 응축기로 물을 냉각시키는 튜브 인 튜브(Tube in Tube) 구조 2.실외기가 필요 없으므로 별도 냉매 배관이 불필요 3.대규모 시설 혹은 고층 건물에 널리 쓰이는 방식
장점	1.압축기가 실외기에 설치되어 있으므로 실내의 소음이 적다. 2.실내기 크기가 작아 실내 설치면적이 적다. 3.별도의 장치가 필요 없으므로 경제적, 보수 관리가 용이하고 유지비가 적게 든다. 4.설치 공사가 간편하고 운전 관리가 편하다.	1.압축기가 실내기 내에 설치되어 있으므로 냉매배관의 길이에 제한이 없다. 2.물을 냉각수로 사용하기 때문에 냉각 효율이 공냉식보다 10 ~ 15% 우수 3.기존의 냉각탑 사용 가능
단점	1.실내기와 실외기 간의 냉매배관 거리가 제한된다.(사용거리:30m, 최대 거리:50~60m) 2.겨울철에 사용하기 위해 응축 온도의 제어가 필요하다.	1.압축기가 실내기에 장착되어 운전 중 실내 소음이 크다. 2.실내 크기 및 중량이 크고 설치면적이 공냉식에 비해 크다. 3.냉각탑을 별도로 사용하여야 한다. 4.별도의 수배관 공사비가 든다.(냉각수 배관, 전기공사, 펌프 설치) 5.설비와 운전 관리가 복잡, 보수관리가 불편하고 유지비가 많이 든다.

하향송풍방식과 상향송풍방식

하향송풍방식과 상향송풍방식

하향 송풍방식 (Down flowed type)	상향 송풍방식 (Up flowed type)
1.아래 방향으로 차가운 공기를 공급하여 주는 방식 2.실내의 2중 바닥으로 실내기의 하부에서 차가운 공기를 유입하여 전산장비실, 실험기기실, 의료기기실, 통신장비실 등에 공급	1.위 방향에서 차가운 공기를 공급하여 주는 방식 2.실내기의 상부에서 차가운 공기가 나와 주위 공기를 냉각되어야 할 장소와 실내 2중 바닥이 없는 곳에 적합
1.바닥 하부를 급기 챔버로 사용하므로 필요한 장소에서 편리하게 접근 가능 2.하향 토출로 인한 소음이 상향 송풍식보다 4~5dB(A) 적음 3.배관 노출이 되지 않아 외관이 깨끗	1.송풍방향 및 공기량을 임의로 조절할 수 있으므로 필요한 장소에 집중적인 공기 송풍 또는 실내 전체로 확산 송풍이 가능 2.덕트로 찬 공기를 공급하면 실내 공간이 부족한 곳에 사용 가능 3.설치 및 이설에 용이
1.송풍량을 균일하게 분배하지 못한 경우 공기 온도 편차 발생 2.찬 공기가 바닥 하부에서 상부로 이송되므로 인체를 대상으로 하는 공조 시스템에는 부적합 3.설치 및 이설에 따른 배관 공사가 어렵다.	1.상부 송풍에 따른 소음이 하향 송풍식보다 다소 증가 2.송풍이 도달하지 못하는 사각지역이 발생(실내기의 좌우 측면) 3.배관노출로 실내가 깨끗하지 못하다. 4.직접 송풍에 따른 피냉각체의 과냉, 과열 발생 우려가 있다.

챔버(Chamber)에 따른 항온항습기

• 표준형 항온항습기의 챔버는 최신 기술이 적용되어 있는 유럽 사양의 표준형 항온항습기로, 가격 대비 뛰어난 성능, 그리고 내구성을 보이며 빠른 납기와 신속한 서비스가 특징이다.
• 소형 항온항습기는 탁상형으로 사용할 만큼 크기가 작은 제품이다. 소규모 실험실 등에서 최적의 효과를 보이는 저소음과 저전력의 소형 항온항습기를 말한다.
• 대형 챔버는 자동차의 전장 실험과 실차 실험, 태양열 판넬 시험 등의 초대형 맞춤 제품이다.
• 장기 지속 안전성을 시험하는 챔버는 고온, 고습 혹은 습도 환경에서 장기간의 안정성 시험에 효율적인 제품이다.
• 고속 온도 변화용은 급격한 온도 변화율로 극한의 충격 환경을 가하는 급가속 온도 변화 제품으로, 제품의 결함을 조기에 발견하는데 유용한 제품이다.
• 복합 환경시험하는 챔버는 진동 시험기와 결합한 복합 환경시험과 급가속 열충격 시험 제품이다. 열차와 우주항공, 선박 등의 부품에 쓰이는 제품이다.
• 리튬 배터리 시험용 챔버는 전기 자동차와 전자 제품 등에 들어가는 배터리이며 계절과 기후 시험을 위한 제품이다.
• 약품 안전성 챔버는 의약품 등의 제품을 일정 기간 특정 온도와 습도에 노출시켜 약품의 영향력을 검증하는 항온항습기를 말한다.

항온항습기와 공조기의 차이점

항온항습기는 초창기에 전산실용으로 사용됐던 공조기로 시작했다. 주로 패케이지형 에어컨을 개선한 형태로 많이 사용된다. 사용하는 용도로 구분을 하게 되면, 일반 공조기가 오피스와 같은 곳에서 사람의 편의를 목적으로 사용하게 될 수 있다. 항온항습기는 기계, 설비의 운전 및 특수 물건의 보관, 동식물의 사육에 필요한 최적 상태를 유지하기 위해 사용된다.

일반 공조기가 여름철에는 냉방만 하고 겨울철에는 난방만 한다. 반면, 항온항습기는 계절과 전혀 상관없이 냉각과 가열, 가습과 제습을 해야 한다. 그뿐만 아니라 전산실을 포함한 많은 항온항습실은 실내 장비 발열 부하가 크므로 겨울철에도 냉각을 하고, 여름철에도 가습을 하는 경우가 있다. 같은 냉각 제습을 하는 조건에서 초저습 및 고온 같은 특수 조건이 아닐 경우 일반 공조기와 비교하여 항온항습기 내부 설비 측면에서 크게 다른 점은 두 가지이다. 온도, 습도를 동시 맞추기 위해 가습기와 재열기가 사용된다. 요즘은 일반 공조기에도 가습기를 설치하기 때문에 가습기 하나만으로는 항온항습기와 일반 공조기를 구분하기 어렵다. 하지만 항온항습기에는 재열기가 있다는 차이점이 있다. 일반 공조기에서 사용되는 냉각코일과 가열기는 순수 온도조절을 위한 냉각, 가열용으로만 사용이 된다. 물론 냉각, 가열에 의해 제습도 이루어지는데 이것은 부수적인 결과이며, 일반 공조기에는 제습을 위한 제어기능이 없다. 하지만 냉각식 항온항습기의 냉각 코일은 온도, 습도 시그널을 모두 받아 제어가 되고, 온도가 높아도 작동이 되며 습도가 높아도 작동이 된다. 습도가 높아서 작동이 되면 과냉각된 공기 가열을 위해 재열기가 사용된다. 이 두 가지의 다른 점 중 하나가 제어 측면에서 정밀한 제어가 필요하다는 것이다. 온도와 습도를 동시에 맞춰야 하기 때문에 좀 더 민감하고 응답성이 좋은 센서, 컨트롤러를 사용해야 한다.

참고 자료

• 특허청, 〈항온항습이란〉, 《대한민국 정책브리핑》, 2004-10-18
• 에어비젼, 〈항온항습기란〉, 《네이버 블로그》, 2008-02-2
• JaeSoo, 〈항온항습 개요, 분류 등 설명〉, 《재수닷컴》, 2013-12-18
• 〈항온항습기 기본 원리가 궁금하다면?〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2019-01-23
• 〈항온항습기와 공조기의 차이가 궁금하다면?〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2019-01-30
• 〈항온항습기의 공냉식과 수냉식의 특징은요?〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2018-11-13
• 〈항온항습기의 의미가 궁금하다면?〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2018-12-24
• 〈항온항습기의 기능에 대해 알아보자〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2019-01-09
• 〈공냉식과 수냉식〉, 《케리어에어컨》
• 〈항온항습기! 종류별 특징 알아보자〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2019-01-04
• 〈항온항습기의 부품은 어떻게 구성되어 있나?〉, 《㈜에스씨이앤지》, 2018-12-26

같이 보기

• 인터넷데이터센터
• 전산실
• 유피에스(UPS)

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