Hvac Notes by Ocean

HVAC 시스템은 단순히 공기를 시원하게 하거나 따뜻하게 만드는 장치가 아닙니다. 그 속에는 열의 흐름을 이해하고 조절하는 과학적 원리가 담겨 있습니다. 이 글에서는 HVAC의 핵심 이론인 열역학의 세 가지 법칙과 열의 세 가지 전달 방식을 실제 사례와 함께 쉽게 풀어보겠습니다.

🔧 열역학의 세 가지 법칙

✔️ 제1법칙 – 에너지 보존의 법칙

에너지는 생성되거나 사라지지 않고, 형태만 바뀔 뿐이다.

이 법칙은 HVAC 시스템이 열을 제거하는 게 아니라 이동시키는 것임을 설명해줍니다. 예를 들어 에어컨은 실내에서 열을 흡수하여 냉매를 통해 외부로 방출합니다. 즉, 에너지를 ‘파괴’하는 것이 아니라 한 공간에서 다른 공간으로 옮기는 것이죠.

예시:

• 냉동 창고의 열 제거 → 실외기 열 방출
• 히트펌프는 여름에는 실내의 열을 밖으로, 겨울에는 바깥의 열을 실내로 이동시킴

✔️ 제2법칙 – 엔트로피 증가의 법칙

열은 항상 고온에서 저온으로 이동하려는 성질을 가진다.

이 법칙은 HVAC에서 매우 현실적인 원칙입니다. 실내보다 온도가 낮은 실외로 열이 나가는 것은 자연스러운 일이지만,
우리는 때로 이 자연스러운 흐름을 거스르기 위해 에너지를 사용해야 합니다. 예를 들어, 외부보다 실내가 더 시원해야 할 때(여름), 우리는 전기를 써서 압축기·팬·펌프를 작동시키고, 열을 억지로 실외로 밀어냅니다.

실무 예시:

• 증발기(Evaporator)에서 열을 흡수 → 냉매가 증발 → 압축기(Condenser)를 통해 고온·고압 상태로 → 응축기(Evaporator)로 이동

이런 모든 과정이 비자연적인 열 이동을 가능하게 해주는 것입니다.

✔️ 제3법칙 – 절대영도에서의 엔트로피

물질의 온도가 절대영도  0 K (−273.15 °C; −459.67 °F)에 가까워질수록 엔트로피는 최소화된다.

현장에서 직접적으로 쓰이진 않지만, 이론적으로는 냉각의 한계를 설명해줍니다. 즉, 아무리 기술이 발달해도 어떤 물질도 완전히 ‘열이 없는 상태’로 만들 수는 없습니다. 결론은 절대영도에 도달하기 전까지는 열이 존재한다는 개념입니다. 

이론적 응용:

• 실험실 초저온 냉동기
• LNG 저장 시스템
• 극저온 냉매 연구

🔥 열의 세 가지 전달 방식 (3 Types of Heat Transfer)

열은 단 하나의 방식으로 이동하지 않습니다. 우리 HVAC 장비는 상황에 따라 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)라는 세 가지 열 이동 방식을 모두 활용합니다.각 방식은 특정한 구조나 동작에서 뚜렷하게 나타납니다.

✔️ 전도 (Conduction)

고체 내에서 분자의 진동을 통해 열이 직접 전달되는 방식

• 열전도율이 높은 재료일수록 열이 빠르게 이동합니다.
• 구리, 알루미늄은 열전도성이 높아 코일, 배관, 히트싱크 등에 자주 사용됩니다.

예시:

• 냉매가 흐르는 구리관 내부에서 주변 공기와 열교환
• 전열 교환기, 판형 열교환기 등

✔️ 대류 (Convection)

액체나 기체가 이동하며 열을 전달하는 방식

대류는 공기 흐름이 있을 때 나타나며, HVAC에서 가장 흔하게 접할 수 있는 열 전달 방식입니다.
자연대류(온도 차로 인한 흐름)와 강제대류(팬 등으로 발생하는 흐름)로 나뉩니다.

예시:

• 팬 코일 유닛에서 공기가 코일을 지나며 냉매와 열교환
• 덕트 시스템을 통해 실내 전체에 냉난방 공기 순환
• 바람이 없는 공간에선 대류가 잘 안 일어나 쾌적도가 낮아짐

✔️ 복사 (Radiation)

열이 전자기파 형태로 이동하며, 매질 없이도 전달 가능

복사열은 눈에 보이지 않지만, 아주 강력한 에너지입니다.
복사열은 벽, 창문, 사람 피부 등에 바로 도달할 수 있으며, 일반적인 공기보다 전달 속도와 도달 범위가 다릅니다.

예시:

• 햇빛에 의해 실내가 데워질 때
• 복사 난방 시스템(Radiant Floor Heating 등)
• 적외선 히터, 복사 패널

복사열은 대류·전도와 달리 공기와 관계없이 작동하기 때문에, 공간 전체를 가열하기보다는 특정 표면이나 사람을 따뜻하게 만들 때 효과적입니다.