열 전달과 BTU

쾌적성 뒤의 과학

HVAC는 응용 열역학입니다. 모든 난방 및 냉각 시스템은 한 곳에서 다른 곳으로 열을 이동함으로써 작동합니다. 열역학 제1법칙은 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며 오직 전달될 수 있다고 알려줍니다. 에어컨은 찬 공기를 만들지 않습니다. 건물 내부의 열을 외부로 이동시킵니다.

BTU (영국 열 단위) — HVAC 직종의 표준 열 에너지 단위입니다. 1 BTU는 1파운드의 물의 온도를 화씨 1도 올리는 데 필요한 열의 양입니다. 일반적인 주거용 에어컨 시스템은 시간당 24,000~60,000 BTU의 용량으로 평가됩니다. 냉각 1톤은 시간당 12,000 BTU와 같습니다 — 이는 24시간 동안 1톤의 얼음을 녹이는 데 필요한 열의 양에서 비롯됩니다.

세 가지 열 전달 방식:

전도 — 재료 간의 직접 접촉을 통해 열이 이동하는 것입니다. 뜨거운 구리 냉매 배관이 손을 따뜻하게 하는 것은 전도입니다. 열은 열 교환기의 벽을 통해 전도로 흐릅니다.

대류 — 움직이는 유체(공기 또는 액체)에 의해 운반되는 열입니다. 강제 송풍식 용광로는 공기를 데우고 송풍기가 이를 덕트를 통해 밀어냅니다 — 이것이 대류입니다. 시스템을 통해 흐르는 냉매는 대류로 열을 운반합니다.

복사 — 매질 없이 전자기파에 의해 전달되는 열입니다. 햇빛이 지붕을 따뜻하게 하는 것은 복사입니다. 복사식 바닥 난방은 먼저 공기를 따뜻하게 하지 않고 물체를 직접 데웁니다.

현열 vs. 잠열 — 현열은 물질의 온도를 변화시키며 온도계로 측정할 수 있습니다. 잠열은 물질의 상태를 변화시키지만(액체에서 기체로 또는 기체에서 액체로) 온도를 변화시키지 않습니다. HVAC에서 잠열은 냉매가 증발기 코일 내부에서 액체에서 기체로 증발할 때 엄청난 양의 열을 흡수하기 때문에 중요합니다. 그 상태 변화가 에어컨을 가능하게 합니다.

현열 vs. 잠열

습한 여름날, 여러분은 에어컨이 나오는 건물에 들어갑니다. 공기가 밖보다 시원하고 건조해 느껴집니다. 실내 장치 근처의 응축수 배수 라인에서 물이 떨어지는 것을 봅니다.

네 가지 구성 요소, 하나의 루프

모든 에어컨과 히트펌프의 심장

기화-압축 냉동 순환은 모든 에어컨, 히트펌프, 냉장고, 그리고 냉동고를 구동하는 엔진입니다. 시원하게 유지하고 싶은 곳에서 열을 이동시켜 버릴 수 있는 곳으로 이동시킵니다. 순환은 닫힌 루프로 연결된 네 가지 주요 구성 요소를 가집니다.

1. 압축기 — 시스템의 펌프입니다. 증발기에서 저압, 저온의 냉매 기체를 받아 고압, 고온의 냉매 기체로 압축합니다. 압축은 냉매에 에너지를 더하고 온도를 실외 공기 온도보다 훨씬 높게 올려서 외부로 열을 방출할 수 있게 합니다. 압축기는 가장 비싼 구성 요소이며 가장 많은 전기를 소비하는 것입니다.

2. 응축기(실외 코일) — 고압, 고온의 냉매 기체가 응축기 코일에 들어갑니다. 송풍기가 실외 공기를 코일 위로 불어줍니다. 냉매가 실외 공기보다 뜨겁기 때문에 냉매에서 공기로 열이 전달됩니다. 냉매는 열을 방출하고(내부에서 흡수한 잠열 포함) 기체에서 고압 액체로 응축됩니다. 과냉각은 응축 온도 아래로 액체를 추가로 냉각하는 것입니다 — 모든 냉매가 팽창 장치에 도달하기 전에 완전히 액체 상태인지 확인합니다.

3. 팽창 장치(계량 장치) — 고압 액체가 제한을 통과합니다 — 온도 팽창 밸브(TXV) 또는 고정 오리피스입니다. 갑작스러운 압력 저하로 냉매의 끓는점이 급격히 떨어집니다. 액체의 일부가 기체로 점프하고 온도가 급격히 떨어집니다. 냉매는 이제 차갑고 저압의 액체와 기체 혼합물입니다.

4. 증발기(실내 코일) — 차가운 냉매가 증발기 코일에 들어갑니다. 실내 공기는 송풍기 모터에 의해 코일 위로 불어줍니다. 냉매는 따뜻한 실내 공기에서 열을 흡수하고 액체에서 기체로 증발합니다. 과열은 끓는점 위로 기체를 추가로 가열하는 것입니다 — 모든 냉매가 압축기로 돌아가기 전에 완전히 기화된 상태인지 확인합니다. 액체가 압축기로 들어가면 압축기를 파괴할 수 있습니다.

순환은 계속 반복됩니다: 압축, 응축, 팽창, 증발. 열은 실내에서 흡수되고 실외로 방출됩니다.

냉매 — 순환에서 작동하는 유체입니다. R-22(Freon)은 수십 년 동안 표준이었지만 오존층 파괴로 인해 현재 단계적으로 폐지되고 있습니다. R-410A가 대부분의 주거용 시스템에서 이를 대체했습니다. R-454B는 다음 세대이며 지구 온난화 지수가 낮습니다. 냉매 취급에는 EPA 섹션 608 인증이 필요합니다 — 냉매를 대기 중으로 방출하는 것은 연방 법위반입니다.

순환 추적

주택 소유자가 전화해서 에어컨이 작동하지만 냉각되지 않는다고 말합니다. 도착하면 실외 장치의 송풍기가 회전하고 압축기가 작동하며 실내 송풍기가 공기를 이동시키고 있습니다. 그러나 통풍구에서 나오는 공기는 따뜻합니다. 냉매 라인을 확인하면 큰 흡입 라인(차갑고 응축수로 땀을 흘려야 함)이 따뜻한 느낌입니다.

용광로, 히트펌프, 보일러

건물이 따뜻해지는 방식

에어컨이 여름 작업을 지배하는 동안 난방 시스템은 겨울 내내 HVAC 기술자들을 바쁘게 유지합니다. 세 가지 주요 난방 기술은 각각 고유한 작동 원리를 가지고 있습니다.

가스 용광로 — 연소실에서 천연가스 또는 프로판을 연소시킵니다. 뜨거운 연소 가스는 열 교환기를 통과합니다 — 금속 튜브 또는 조개 모양 어셈블리입니다. 실내 공기가 열 교환기의 외부를 통과하고 열을 받아 덕트워크를 통해 분배됩니다. 연소 가스는 연도 또는 PVC 배기 파이프를 통해 실외로 배출됩니다. 갈라진 열 교환기는 HVAC에서 가장 위험한 고장 중 하나입니다 — 일산화탄소(CO)가 실내 공기 공급과 섞일 수 있습니다. 연간 연소 분석(CO 수준, 가스 압력, 온도 상승, 연도 통풍 확인)은 중요한 안전 작업입니다.

히트펌프 — 에어컨과 동일한 냉동 순환이지만 냉매 흐름 방향을 바꾸는 반전 밸브가 있습니다. 냉각 모드에서는 표준 에어컨처럼 실내에서 실외로 열을 이동시킵니다. 난방 모드에서는 반전 밸브가 뒤집히고 시스템이 실외 공기의 열을 건물 내부로 이동시킵니다. 실외 코일은 증발기(실외 공기에서 열 흡수)가 되고 실내 코일은 응축기(실내로 열 방출)가 됩니다. 히트펌프는 낮은 온도의 실외 공기에서도 열을 추출할 수 있지만 온도가 떨어지면서 효율이 떨어집니다. 대부분의 히트펌프 시스템에는 극한의 추운 날씨를 위한 보조 전기 저항 가열 스트립이 포함되어 있습니다.

보일러 — 물을 데우고(수력 시스템) 또는 증기를 생성하여 라디에이터, 베이스보드 히터, 또는 복사 바닥 튜빙을 통해 분배합니다. 보일러는 가스, 기름을 태우거나 전기 요소를 사용합니다. 수력 시스템은 오래된 건물과 상업용 응용 분야에서 일반적입니다. 보일러 작업에는 물의 화학, 압력 완화 밸브, 팽창 탱크, 및 순환 펌프에 대한 이해가 포함됩니다.

효율 등급 — 용광로는 AFUE(연간 연료 이용률)로 평가됩니다. 96% AFUE 용광로는 연료 에너지의 96%를 열로 변환합니다. 히트펌프는 난방의 경우 HSPF(계절 난방 성능 계수) 및 냉각의 경우 SEER(계절 에너지 효율 비율)로 평가됩니다. 숫자가 높을수록 효율이 높습니다.

히트펌프 vs. 용광로

온화한 기후(겨울이 화씨 30~40도 정도)의 주택 소유자가 오래된 가스 용광로를 히트펌프로 교체할지 물어봅니다. 전기료를 절약하고 탄소 발자국을 줄이기를 원합니다.

덕트워크, 기류, 및 여과

공기를 필요한 곳으로 운반하기

세상에서 가장 좋은 용광로나 에어컨은 공기 분배 시스템이 모든 방으로 냉각된 공기를 공급할 수 없으면 쓸모가 없습니다. 덕트워크 설계와 기류 관리는 핵심 HVAC 기술입니다.

덕트 유형 — 판금(강성 직사각형 또는 원형), 유연 덕트(유연한 단열 튜브), 및 덕트 보드(강성 유리섬유 패널). 판금이 가장 내구성 있고 효율적입니다. 유연 덕트는 저렴하고 설치가 쉽지만 팽팽하게 당겨져야 합니다 — 구부러지거나 압축된 유연 덕트는 기류를 죽입니다. 각 유형은 건물, 예산, 코드 요구 사항에 따라 특정 응용 분야를 가지고 있습니다.

기류 측정 — 공기량은 CFM(분당 입방 피트)으로 측정됩니다. 각 방은 크기, 열 부하, 점유자 수에 따라 특정 CFM이 필요합니다. 전형적인 2,000평방 피트 집은 총 800~1,200 CFM이 필요할 수 있습니다. 기술자들은 풍속계 또는 흐름 후드를 사용하여 각 레지스터에서 CFM을 측정합니다.

정적 압력 — 수주 인치(in. w.c.)로 측정한 덕트 시스템의 기류 저항입니다. 혈압처럼 생각해보세요 — 너무 높으면 뭔가가 흐름을 제한합니다(더러운 필터, 붕괴된 덕트, 크기가 작은 덕트워크). 너무 낮으면 누출 또는 약한 송풍기입니다. 대부분의 주거용 시스템의 목표 총 외부 정적 압력은 0.50 in. w.c. 이하입니다. 높은 정적 압력은 송풍기가 더 열심히 일하도록 강요하고 에너지를 낭비하며 기류를 줄이고 장비 수명을 단축합니다.

여과 — 공기 필터는 먼지, 꽃가루, 입자를 재순환 공기에서 제거합니다. 필터는 MERV(최소 효율 보고 값) 1~20으로 평가됩니다. 표준 주거용 필터는 MERV 8-11입니다. 병원급은 MERV 13-16입니다. MERV가 높을수록 여과가 더 잘되지만 정적 압력도 높아집니다 — 시스템에 너무 제한적인 필터는 기류를 질식시키고 증발기 코일을 동결시킬 수 있습니다.

환기 공기 — 대부분의 시스템은 공급 덕트(냉각된 공기 공급)와 환기 덕트(재냉각을 위해 장치로 공기를 당김)를 가지고 있습니다. 부족한 환기 공기는 가장 일반적인 주거용 덕트 문제 중 하나입니다 — 압력 불균형을 만들고 문을 쾅 닫아줍니다 그리고 시스템이 자신과 싸우도록 강요합니다.

기류 문제 진단

주택 소유자가 여름에 2층 침실이 항상 너무 따뜻운 반면 1층은 편안하다고 불평합니다. 시스템은 1층에 위치한 온도 계가 있는 단일 영역 에어컨입니다. 덕트워크는 뜨거운 다락방을 통해 실행되어 2층 레지스터에 도달합니다. 정적 압력을 측정하면 0.85 in. w.c. — 0.50 목표를 훨씬 위입니다.

직종 시작하기

HVAC 직업 및 인증

HVAC는 국내에서 가장 수요가 많은 기술 직종 중 하나입니다. 미국 노동 통계청은 평균보다 빠른 일자리 성장을 예측하고 있으며 숙련된 기술자는 공급 부족입니다. 이 일은 해외로 유출될 수 없습니다 — 건물은 나타나서 시스템을 수리할 수 있는 지역 기술자가 필요합니다.

EPA 섹션 608 인증 — 냉매를 구입하거나 취급하는 것이 연방법으로 요구됩니다. 네 가지 유형이 있습니다: Type I(소형 기기), Type II(주거 AC 같은 고압 시스템), Type III(대형 칠러 같은 저압 시스템), 그리고 보편적(모든 유형). 대부분의 HVAC 기술자들은 훈련 초기에 보편적 인증을 받습니다. 시험은 냉매 취급, 회수, 재활용, 및 환경 규정을 다룹니다.

NATE 인증 — North American Technician Excellence, 선도적 업계 인증입니다. NATE 시험은 특정 시스템 유형(에어컨, 히트펌프, 가스 용광로 등)을 다루고 실제 진단 기술을 검증합니다. 많은 고용주들은 NATE 인증 기술자를 선호하거나 요구합니다.

견습 vs. 직업 학교 — 직업 학교 프로그램(6개월~2년)은 교실과 실습에서 기초를 가르칩니다. 노조 견습(일반적으로 4~5년)은 교실 교육과 숙련 기술자 아래에서의 유급 현장 훈련을 결합합니다. 두 경로 모두 경력으로 이어지지만 견습은 배우는 동안 돈을 지급하고 수백 시간의 감독 현장 경험을 제공합니다.

주거 vs. 상업 — 주거 기술자들은 집에서 일합니다 — 분할 시스템, 용광로, 덕트워크. 상업 기술자들은 더 큰 장비에서 일합니다 — 옥상 장치, 칠러, 냉각탑, 건물 자동화 시스템, 및 가변 공기량(VAV) 시스템. 상업 작업은 더 복잡하고 일반적으로 더 많은 돈을 받습니다.

전문화 — 냉동(슈퍼마켓, 냉동 보관, 식품 서비스), 제어 및 건물 자동화(DDC 시스템, BACnet, 프로그래밍 가능 제어기), 실내 공기 품질, 에너지 감사, 및 시스템 설계. HVAC 기술자들이 제어 및 자동화를 배우는 것은 특히 높은 수요에 있습니다 건물이 더 스마트해질 때입니다.

수익 — 초급 HVAC 기술자들은 일반적으로 $35,000-$45,000에서 시작합니다. 숙련된 주거 기술자들은 $50,000-$75,000을 벌어들입니다. 인증 및 전문화를 가진 상업 및 산업 기술자들은 $75,000-$100,000 이상을 벌어들일 수 있습니다. 사업 소유자와 계약자는 천장이 없습니다.

경로 계획

HVAC를 미래에 연결하세요

이제 여러분은 난방과 냉각 뒤의 열역학, 냉동 순환, 용광로와 히트펌프가 어떻게 열을 생성하는지, 그리고 덕트워크가 건물로 냉각된 공기를 어떻게 공급하는지를 알고 있습니다.