냉방

냉방(Air conditioning)은 에어컨 혹은 기타 다양한 수단으로 밀폐된 공간에서 공기중의 열을 내보내고 습도를 조절하여 편안한 실내환경을 구축하는 조치를 가리킨다. 여기에서 말하는 다양한 수단에는 패시브 쿨링(Passive Cooling), 통풍냉방을 포함한 여러가지 수단이 포함되며 에어컨은 공기조화 시스템 - '난방, 환기 및 냉방'(HVAC, heating, ventilation, and air conditioning) - 을 제공하는 시스템과 기술중의 하나이다.

개요

냉방은 실내 온도를 낮추고 습도를 조절하는 조치를 가리키며 현재 가장 보편적으로 적용하는 조치는 에어컨디셔너를 이용하는 방식이다. 에어컨디셔너는 줄여서 에어컨이라고도 한다.

에어컨은 주로 증기압축냉동(vapor-compression refrigeration)기술을 사용하며 자동차나 단일 룸에서 대형 건물까지의 넓은 범위에서 냉방을 할 수 있다.

국제에너지기구(IEA)의 보고에 따르면 2018년 기준으로 전 세계에 16억 대 에어컨이 설치되어 건물에서 소비하는 에너지의 20% 정도를 소비했으며 2050년에 이르면 약 56억 대 수준으로 늘어난다고 하였다. 에어컨에 사용되는 냉매(Refrigerants)가 오존층(ozone layer)을 파괴하고 기후 변화에 나쁜 영향을 미치는 점에 비추어 유엔에서는 패시브 쿨링(passive cooling), 증발 냉각(evaporative cooling), 선택적 음영(selective shading), 윈드캐처(windcatcher), 단열재를 포함하여 지속적으로 기후 변화를 줄일 수 있는 기술의 개발을 기대하고 있다.

연혁

냉방 기술은 선사시대에 출현되어 고대 이집트 건물(Ancient Egyptian building)들은 보편적으로 패시브 쿨링(Passive cooling, 수동냉각) 기술을 사용하였다. 패시브 쿨링은 후에 이베이라반도(Iberian Peninsula)부터 북아프리카, 중동 및 인도 북부지역으로 전파되어 응용되다가 20세기에 에어컨디셔너가 개발되면서 유행에서 벗어났다. 하지만 전통 건물의 공학적인 연구를 거쳐 패시브 쿨링 기술은 21세기 아키택쳐 디자인에 다시 적용되는 추세를 보이고 있다.

1558년에 이탈리아 나폴리(Naples, Italy)의 학자 지암바티스타 델라 포르타(Giambattista della Porta)는 그의 파퓰러사이언스(popular science) 책자 '자연의 마술(Magia Naturalis)'에서 얼음과 질산칼륨(potassium nitrate)을 혼합하여 얼음의 빙점보다 훨씬 낮은 온도를 얻을 수 있는 방법을 소개하였으며 1620년에 독일의 엔지니어이자 발명가인 코르넬리스 드레벨(Cornelis Jacobszoon Drebbel)는 웨스트민스터 사원(Westminster Abbey)의 그레이트 홀( Great Hall)에서 수조(trough)와 대형 통(vat)으로 조립된 기구를 이용하여 영국의 제임스 1세(James I of England)한테 여름을 겨울로 바꾸는 장면을 보여주었다.

1758년에 미국의 벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)과 영국 케임브리지대학교 화학교수 존 해들리(John Hadley)는 증발의 원리를 활용하여 물체를 빠르게 냉각시키는 실험을 진행하고 휘발성이 강한 액체(알콜 또는 에테르)의 증발을 이용하여 물의 빙점보다 더 낮은 온도를 얻을 수 있다는 결론을 제출하였다. 19세기에 진입한 뒤, 영국의 과학가이자 발명가인 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 1820년에 액화암모니아를 증발시킬 때 공기 온도를 낮출수 있는 현상을 발견하였으며 1842년에 미국 플로리다의 의사 존 고리(John Gorrie)는 플로리다 아팔라치콜라(Apalachicola)에 있는 그의 병원에서 압축기술로 얼음을 제작하여 환자들에게 시원한 공기를 제공하는데 사용하였다. 존 고리는 그의 제빙기로 건물의 온도를 제어하려 하였으며 중앙공조시스템은 전 도시의 냉방을 실현할 수 있다고 구상하였다. 고리는 1851년에 특허를 출원하였다. 같은 해에 호주의 스코틀랜드 사람, 엔지니어이자 정치가인 제임스 해리슨(James Harrison)이 질롱(Geelong)에서 첫 번째 기계식 제빙기를 만들고 1855년에 에테르 증기 압축식 냉동 시스템(vapor-compression refrigeration system) 특허를 출원하였으며 그 시스템으로 하루에 3톤 정도의 얼음을 제작하였다.

1901년에 미국의 발명가 윌리스 캐리어(Willis H. Carrier)가 현대 에어컨의 의미를 지닌 전기 동력의 에어컨을 만들었으며 이듬해에 뉴욕 브루클린(Brooklyn, New York)에 있는 '새킷-빌헬름 석판 출판사(Sackett-Wilhelms Lithographing & Publishing Company)'에 그 의 첫 번째 공조시스템을 설치하였다. 이의 발명은 온도와 습도의 제어가 가능하여 인쇄공장에서 종이장의 치수와 잉크 정렬을 유지하는데 상당한 도움이 되었다. 윌리스 캐리어는 후에 6명의 기타 직원들과 함께 '더 캐리어 에어 컨디셔닝 컴퍼니 오브 아메리카'(The Carrier Air Conditioning Company of America)를 설립하였으며 2020년에 이 사업은 53,000명의 직원을 고용하고 186억 달러 시가를 가진 사업으로 성장하였다.

1906년에 미국 노스캐롤라이나 샬럿(Charlotte)의 엔지니어 스튜어트 워런 크레이머(Stuart Warren Cramer)가 그 의 섬유공장에서 공기중에 습도를 올려주는 방법을 찾고 그 해에 특허를 출원하면서 문서에 용어 물처리(water conditioning)와 유사한 에어 컨디셔닝(air conditioning)이라는 용어를 사용하여 섬유제작에 유리한 프로세스를 명명하였다. 크레이머는 습기와 환기를 결합하여 컨디션을 구축하고 공장내 공기를 변경하는 방식으로 섬유공장에 필요한 습도의 제어를 추진하였다.

1914년에 미국 미니애폴리스의 찰스 길버트 게이츠(Charles Gilbert Gates)가 처음으로 자택에 실내 에어컨디셔너를 설치하였으며 1933년에 노스캐롤라이나의 채펄 힐( Chapel Hill)에 있는 프라이빗 건축물 메도우 몬트 하우스(Meadowmont house)에 미국 처음으로 중앙공조시스템을 설치하였다. 1933년부터 자동차에 에어컨을 설치해주는 비즈니스가 나타났으며 1935년에 클라이슬러 모터스에서 처음으로 실용적인 반 휴대용 에어컨 장치를 소개한데 이어 1939년에 패거드(Packard)에서 처음으로 에어컨 시스템이 탑재된 승용차를 출시하였다.

1945년에 미국 메사추세츠 린(Lynn, Massachusetts)의 로버트 셔먼(Robert Sherman)이 휴대식 인-윈도우 에어컨디셔너(portable, in-window air conditioner)를 발명하였으며 이는 냉방, 난방, 가습, 제습 및 공기 필터링 기능을 갖고 있었다. 1960년대 말부터 미국에서 신축된 주택단지는 중앙공조시스템이 설치되었으며 세계적인 범위에서 에어컨의 사용이 보급화되기 시작하였다. 국제에너지기구가 제출한 자료에 따르면 2018년 기준으로 전 세계에 약 16억 대의 에어컨이 설치되었으며 2050년에 가면 약 56억 대의 에어컨이 사용될 것으로 추정하였다. 1995년부터 2004년 사이에 중국 도시 주민들의 에어컨 설치율은 8%에서 70%로 늘어났고 2015년 기준으로 미국의 87% 가구 또는 약 1억 가구가 에어컨 시스템을 설치하였다.

냉방 솔루션

실내 온도를 낮추는데 있어 여러가지 방식을 적용시킬수 있다. 크게 선풍기와 통풍(Fans and Ventilation), 에어컨(Air conditioners), 증발 냉각(Evaporative Coolers), 복사 냉각(Radiant Cooling) 방식으로 냉방이 가능하다.

□ 선풍기와 통풍(Fans and Ventilation)

통풍은 가장 원가가 적게 들고 효과적으로 에너지를 사용하는 냉방 방식이다. 건물에서 열 축적을 방지하는 방법과 결합하여 사용할 때 좋은 효과를 볼 수 있다. 자연 통풍은 냉방에 충분하지만 통상적으로 부분적인 환기(spot ventilation), 천장 선풍기, 및 창문 선풍기 등의 보완이 필요하다. 대형 주택의 경우, 소유주는 주택 전체를 대상한 선풍기(WHF, whole house fans)의 검토도 필요하다.

덥고 습도가 높을 때 밤낮 기온의 차이는 미세하며 따라서 실내 통풍의 효과가 안 좋다. 이 때, 다락방 선풍기(attic fans)가 설치되어 있으면 냉방 효과가 낳아질 수 있다. 다른 한 가지 방법으로는 지붕 안쪽에 단열재를 부착하고 다락방을 밀봉하여 주택의 공기 조화 공간으로 사용하면 효과가 훨씬 뛰어난다. 문제는 다락방의 개조가 신 주택 건설시에 가능하지만 기존 주택의 경우에는 어렵다.

□ 에어컨(Air conditioners)

에어컨은 상전이(phase transition)가 발생할 때 열을 흡수하거나 방출하는 현상을 이용하였다. 기본적으로 기체가 액체로, 액체가 고체로 되는 과정에 주변에 열을 방출하며 반대로 고체가 액체로 되고 액체가 기체로 되는 과정에 열을 흡수한다.

□ 증발 냉각(Evaporative Coolers)

증발냉각은 말 그대로 수증기를 증발시키면서 기화 열 흡수를 통해 냉방을 실현한다.

□ 복사 냉각(Radiant Cooling)

복사냉각은 주택의 바닥이나 천정에 설치한 패널로 실내의 열을 흡수하는 방식으로 냉방을 이룬다.

에어컨 종류

□ 미니 스플릿(mini-split)과 멀티 스플릿 시스템

무덕트 시스템(Ductless systems) 혹은 미니 스플릿 시스템은 건물중의 방 하나 또는 몇 개의 방에 분체 방식으로 관도가 없이 냉난방을 해주는 장치이다. 멀티 스플릿 시스템은 하나의 아웃도어 유니트를 공동으로 사용하면서 독립적으로 냉난방을 해주는 장치이며 8개 방에 실내 유니트를 둘 수 있다.

첫 번째 미니 스플릿 시스템은 일본의 미쯔비시와 도시바가 1954년부터 1968년 사이에 판매를 하였으며 개발의 취지는 그 당시 소규모 주택 개발에 따라 발생하는 소요를 만족시키자는데 있었다. 멀티 스플릿 시스템은 1973년에 일본 다이킨공업에서 개발되었으며 VRF(variable refrigerant flow systems)도 역시 이 회사에서 1982년에 개발되었다.

□ 덕트식 중앙시스템(Ducted central systems)

스플릿 시스템 중앙 에어컨디셔너는 2개의 열교환기(heat exchangers)로 구성되며 외부장치(컨덴셔, Condenser)와 실내 장치(팬 코일 유닛 또는 증발기) 사이에 연결된 관도로 냉매가 순환된다.

□ 중앙 플랜트 냉각(Central plant cooling)

대형 중앙 냉각 플랜트는 냉수를 중간 냉각제로 사용하여 펌프로 공기조화기(air handling unit) 또는 FCU(fan coil units) 또는 냉방이 필요한 공간 주변에 보내며 그 뒤에 냉방이 필요한 공간에 덕트로 냉각된 공기를 주입한다.

□ 이동식 에어컨

이동식 에어컨은 실외기와 실내기가 한 박스 또는 케이스에 설치되었으며 박스 밑에 휠을 달아 이동이 가능하게 하였다. 열 교환에서 발생하는 열은 배풍호스로 실외에 배출한다.

□ 창문형 에어컨과 피택(PTAC, packaged terminal air conditioner)

• 창문형 에어컨은 실내기와 실외기가 한 박스 또는 케이스 안에 들어 있는 에어컨 타입이다. 통상적으로 창문을 뚫고 설치한다.
• 피택은 창문형 에어컨과 유사하며 벽을 뚫고 설치한다.

에어컨 냉방 원리

에어컨의 기본 원리는 어떤 물질의 상(phase)이 변화할 때 열을 흡수하거나 방출하는 증기압축순환을 이용하여 액화 냉매를 기화시켜 열을 흡수하고 기화 냉매를 응축시켜 열을 방출하는 방식으로 실내 공기 온도를 제어한다.

에어컨의 냉동 사이클은 증발기(Evaporator), 압축기(Compressor, 콤프레샤), 응축기(Condenser, 콘덴셔), 팽창발브(Capillary Tube)로 구성된다.

• 증발기 - 팽창밸브를 통과하여 저온 저압으로 강압된 액체 냉매를 유입하여 주위의 공간 또는 피냉각 물체와 열 교환시켜 액체 증발에 의한 열 흡수로 냉동의 목적을 이루는 기기
• 압축기 - 증발기에서 증발한 저온 저압의 기체 냉매를 흡입하여 다음의 응축기에서 응축액화 할 수 있도록 응축온도에 해당되는 포화압력 까지 압력을 증대시켜 주는 기기
• 응축기 - 압축기에서 압축되어 토출되는 고온 고압의 기체냉매를 주위의 공기나 냉각수로 열 교환 시켜 기체냉매의 고온의 열을 방출 시켜 응축액화 시키는 기기
• 팽창발브 - 응축기에서 응축 액화한 고온 고압의 액체 냉매를 교축작용에 의하여 저온 저압의 액 냉매로 온도와 압력을 동시에 강화시켜 다음의 증발기에서 액체증발에 의한 열 흡수 작 용을 일으킬 수 있도록 적정량의 냉매유량을 조절공급 하는 밸브

에어컨의 냉동과정은 아래와 같다.

• 증발과정 (Vaporization) - 증발과정은 냉동장치의 증발기(실내기)에서 액냉매가 열교환기 주위에 있는 공기나 물질로부터 증발에 필요한 증발잠열을 흡수하여 증발하는 과정을 말한다. 이에 따라서 냉매에게 열을 빼앗긴 주위의 공기나 물질은 냉각되어 저온으로 유지되며, 냉매는 주위에서 열을 빼앗아 증발하게 된다. 이때 냉매가 액체에서 기체로 증발하는 과정에서의 냉매온도와 압력은 일정하게 유지된다. 이때 냉매로 흡수되는 열량은 냉매가 액체에서 기체로 변화하는 과정에 기여하는 잠열이며, 이 흡수열량이 많다는 것은 곧, 냉동 능력이 크다는 것이다.
• 압축과정 (Compression) - 압축기에서 냉매증기를 압축하는 과정을 말하며, 압축변화는 등엔트로피선을 따라 응축 압력에 도달하게 된다. 증발기에서 나온 과열증기(C점)는 압축기에 흡입되어 D점까지 압축되고 응축기로 들어간다. 압축과정은 상온의 물이나 공기에 의해 냉각되어 응축이 잘 될 수 있도록 압력을 높이는 역할을 한다.
• 응축과정 - 응축기(실외기) 내에서 냉매가 응축되는 과정을 말하며, 냉매는 응축기 외부의 물이나 공기에 의해 냉각되어 기체에서 액체 상태로 변화한다. 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매가스는 상온의 냉각수나 냉각공기에 의하여 식혀지고,쉽게 액화할 수 있는 상태가 되며, 이때 냉각수나 냉각공기로 방출되는 열량을 응축열량이라고 한다. 이 응축열량은 냉매가 증발기에서 주변의 온도를 빼앗아 흡수한 열량과 압축기에서 압축에 의해 가해진 열을 합친 열량이 된다. 응축과정도 증발과정과 같이 응축기 내에서의 냉매는 증기와 액이 혼합된 상태이며, 기체에서 액체로 변화하는 동안 응축압력과 온도 사이에는 일정한 관계가 있어 압력이 결정되면 온도가 결정되고, 역으로 온도가 결정되면 그 때의 압력도 알 수 있다. 압축기에서 나온 과열증기(D)는 냉각되어 E 점부터 기체에서 액체로 응축이 되기 시작한다. E- F 구간에서는 계속하여 기체에서 액체로 응축되다가 점 F에서 100% 액냉매가 된다. F-G 구간은 계속 냉각되어 과냉의 액냉매가 된다.
• 팽창과정 - 팽창과정은 액 냉매가 팽창밸브를 통과하며 상태가 변화하는 것을 말하며, 외부와의 열출입이 없는 단열팽창으로 엔탈피의 변화가 없다. 이 팽창과정은 응축기에서 응축된 액 냉매가 증발기에서 쉽게 증발할 수 있도록 압력을 저하시키며, 팽창과정 동안에 온도도 저하된다. 팽창밸브는 냉매의 팽창이 일어나는 곳으로 감압작용과 함께 증발기로 유입되는 냉매의 유량을 조절하는 역할을 한다. 여기에서 단열팽창이라는 것은 에어컨의 Capillary tube 를 통과하는 냉매가 좁은 곳에서 갑자기 넓은 곳으로 쏟아져 나올 때 압력이 적어지면서 부피가 순간적으로 급격히 커지는 현상을 가리키는데 이 때 외부와 열 교환이 없는 상태에서 자체 보유중인 열로 부피를 늘이게 되면서 냉매의 온도도 내려간다. 엔탈피는 물질의 내부에너지와 그 시기 압력과 체적의 곱에 해당하는 에너지를 더한 양을 가리킨다. H kcal 또는 h kcal/kg 으로 표기한다.

영향

□ 건강에 미치는 영향

더운 날씨에 에어컨은 열사병(熱射病, heat stroke)과 과도하게 땀을 흘려 발생하는 탈수(dehydration) 및 기타 과열에 따른 문제들을 방지할수 있다. 에어컨이 갖고 있는 여과, 가습, 냉방 및 소독 등의 기능은 병원의 수술실에 적용되어 깨끗하고 안전하며 과민을 일으키지 않는 공기를 제공하며 환자들의 쾌유와 안전에 필요한 기타 장소에 사용되어 적절한 품질의 공기를 제공한다.

급수냉각탑(증발기, Evaporator)의 유지관리가 제대로 안 될 경우, 레지오넬라 뉴모필라(Legionella pneumophila)와 같은 세균의 번식과 전파가 쉬워지며 이는 냉방병( Legionnaires' disease, 재향군인병)을 일으키는 주요한 전염원으로 된다. 염소처리와 같은 방식으로 냉각탑의 깨끗한 환경을 유지할 수록 건강 위험을 피하거나 감소할 수 있다. 미국의 뉴욕에서는 법적으로 냉각탑의 등록과 유지관리 및 테스트를 요구하고 있으며 이로서 레지오넬라균(Legionella)의 방지를 추진하고 있다.

□ 환경에 미치는 영향

몇 몇 나라들에서 아직까지 수소불화탄소(HFCs, hydrofluorocarbons)의 소비와 생산을 대폭 줄이자는 '키갈리 수정안(Kigali Amendment)'을 승인내지 않는 관계로 냉매는 오존층 파괴(ozone depletion)와 기후변화를 포함한 여러 환경 문제를 일으키고 있다.

현 단계에 전 세계적으로 에어컨은 건물 소비에너지의 20%를 차지하고 있으며 기후변화와 기술활용으로 에너지 소요량의 증대가 예상되고 있다. 에어컨의 지속사용 이슈를 대상으로 수동 냉각(passive cooling), 수동식 태양열 냉방 자연환기(passive solar cooling natural ventilation), 그늘의 응용(operating shades) 등을 대체 방안으로 수립할 수 있다.

2018년에 유엔은 지속적으로 기후변화를 줄일 수 있는 기술의 개발을 요구하였다.

□ 경제적인 영향

에어컨은 인구의 구성에 다양한 변화를 가져왔으며 특히 미국에서 1970년대부터 시작되었다.

• 1970년대까지 봄 계절의 출생율은 기타 계절보 낮았으나 그 뒤로는 차이가 점점 적어졌다.
• 여름 계절에 폭염 지역에서 높았던 사망율도 낮아졌다
• 선벨트 지역의 거주인구는 전체 미국 국민가운데서 20세기 초의 24%에서 현재의 30%로 늘어났다.

에어콘을 설치한 장소의 생산성이 24%에 근접하는 정도로 향상된다는 연구 결과에 따라 당초에 대기업과 신문업계와 같은 특정 대상에 이용되었던 에어컨은 급속히 공공 기관과 행정 기관으로 퍼졌다.

기타 기술

통상적으로 수동냉각 방식을 적용한 건물은 전통적인 HVAC 시스템을 적용한 건물 대비 낮은 건설원가와 유지원가를 가진다. 하지만 건물 설계를 추진할 때 현장 별 미기후(microclimate)를 감안해야 함으로 설계가 복잡하다. 건물 냉방을 목적으로 많은 기술들이 적용되고 있으며 이에는 증발 냉각(evaporative cooling), 차양(selective shading), 바람(Wind), 열 대류(thermal convection) 및 열저장(heat storage) 등이 들어 있다.

□ 수동 통풍(Passive ventilation)

수동 통풍은 기계적인 시스템을 사용하지 않고 실내에 공기를 주입하고 배출하는 방식을 가리키며 자연적인 압력의 차이에 따라 외부 공기가 실내로 흐르는 방식을 가리킨다. 수동 통풍 방식에는 바람에 따른 통풍 방식과 부력에 따른 통풍 방식이 있으며 바람에 따른 통풍 방식(Wind driven ventilation)은 건물 주변에 존재하는 압력 차이로 유발되어 건물에 공기 유통 게이트가 비치되어 있을 때 통풍이 발생하는 것을 가리키고 부력에 따른 통풍 방식(Buoyancy-driven ventilation)은 건물 실내외 온도 차이에 따르는 방향성 부력으로 통풍이 발생하는 것을 가리킨다.

□ 수동 냉각(Passive cooling)

수동냉각은 없거나 낮은 에너지 소모로 실내 온도조건을 개선하자는 취지하에 주변 환경조건을 감안한 건물의 디자인을 추진하여 건물의 열 흡수와 열 배출을 제어하는 냉방 방식이다.

□ 선풍기

부채는 선사시대에 존재하였고 사람들의 노력으로 건물에 내장된 선풍기는 중동의 푼카(punkah)와 유사한 선풍기들이 었다. 중국 서한시대에 정완(丁緩, Ding Huan)이라는 사람이 7륜선(七轮扇)이라는 회전식 선풍기를 발명하였고 당나라 헌종 시대에 수력 회전 휠로 냉방을 하였다는 기록이 있으며 송나라 시대에는 회전식 선풍기가 널리 사용되었다고 문서에 기재되어 있다.

□ 증발 냉각(Evaporative cooling)

증발냉각은 외부의 공기가 젖은 패드 예하면 물에 잠겨 있는 큰 스폰지를 통과할 때 기화현상이 발생하면서 열을 흡수하는 현상을 이용한 장치이다. 건조하고 더운 기후에 공기 흡입구에 물을 배치하면 공기가 유통될 때 기화냉각 효과가 발생하는 것과 유사하다. 이외 건조한 지역에서 증발 냉각은 공기중의 습도를 올려줄 수 있다. 이러한 이유로 사람들은 건조하고 더운 기후 조건에서 분수는 추운 지역의 벽난로와 유사하다고 말한다.

습도가 높을 때 증발식 냉각기는 작동하지 않는 것처럼 느껴지며 이는 거주자에게 가능한 시원한 공기를 제공하는 증발식 냉각기에 공급하는 건조한 공기의 부족으로 발생한다. 다른 에어컨 타입과 상이하게 증발냉각기는 외부공기가 통풍관을 경유하여 실내에 진입하기 전에 냉각패드를 통과시켜 공기를 냉각하는 방식에 의존한다. 냉각된 공기는 문이나 창문과 같은 배출구를 통해 집안의 더운 공기를 밀어낼 수 있어야 한다.

이러한 냉각방식은 원가적으로 경제적이고 기계식 대비 이해와 유지가 쉽다.

참고자료

• "Air conditioning", Wikipedia
• 국립중앙도서관, 〈일상 속의 과학, 에어컨의 원리와 이해〉, 《네이버 블로그》, 2018-08-22

같이 보기

• 냉방기
• 에어컨
• 난방

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