인간의 쾌적함 위한 공기조화

 사람들은 본질적으로 연약하며 쾌적함을 추구하고자 한다. 사람들은 덥거나 춥지도 않고, 습하거나 건조하지도 않은 환경에서 살고 싶어 한다. 그러나 인간 신체의 요구와 기후는 보통 일치하지 않기 때문에 쾌적함은 쉽게 실현되지 않는다. 쾌적함을 얻기 위해서는 이를 저해하는 요소, 즉 높거나 낮은 온도 또는 높고나 낮은 습도에 대항하여 극복하려는 끊임없는 노력이 필요하다. 공학자는 인간이 쾌적함을 느끼도록 도울 의무가 있다.(이것으로 인해 공학도의 직업이 보장된다.)

 사람들이 어느 지역의 날씨를 바꿀 수는 없다는 점은 쉽게 인정한다. 사람이 할 수 있는 것은 단지 집이나 작업장 같이 제한된 공간의 기후만을 변화시킬 수 있을 뿐이다. 과거에는 이것이 불이나 단순한 실내 가열 장치에 의하여 부분적을 이루어졌다. 오늘날 현대적 공기조화장치는 공기를 가열, 냉각, 가습, 제습, 청정뿐만 아니라 제취(냄새 제거)까지 할 수 있다. 즉 공기를  사람들의 욕구에 맞게 조절한다. 공기조화장치는 신체의 요구를 만족시키기 위하여 설계된다. 따라서 신체에 대한 열역학적 관점을 이해하고 있어야 한다.

 사람의 신체는 음식물이 입력 에너지인 열기관으로 비유할 수 있다. 다른 기관과 마찬가지로 사람의 신체도 작동을 계속하면 주위에 버려야 하는 폐열이 발생한다. 열 발생 정도는 활동의 정도에 따라 달라진다. 보통 성인 남성의 경우 수면 중에서 87W, 휴식을 취하거나 사무 작업을 할 때는 115W, 볼링을 할 때는 230W, 심한 육체노동을 하면 440W 정도이다. 성인 여자인 경우는 약 15% 정도 줄어든다.(신체의 온도가 아닌 신체의 크기에 좌우된다. 건강한 사람의 신체 내부온도는 37℃로 일정하다.) 신체는 이러한 폐열을 원활하게 주위로 배출할 수 있을 때 쾌적함을 느낀다.

 

 열연전달은 온도차에 비례한다. 따라서 추운 환경에서는 보통 때 만드는 열보다 많은 열을 잃게 되어 추위를 느낀다. 신체는 피부 주위의 혈액순환을 차단하여 에너지 손실 최소화한다. 따라서 피부의 온도는 내려가고 열전달은 감소한다. 피부온도가 낮은 면 불편함을 느끼게 된다. 예를 들어 손은 피부온도가 10℃에 이르면 통증을 느낀다. 신체로부터 열손실을 줄이기 위하여 열의 통로에 장막을 치거나 운동에 의해 신체의 열 발생률을 증가시킨다. 예를 들어 10℃ 방에서 따뜻한 겨울옷을 입고 쉬고 있는 사람이 느끼는 쾌적 정도는 동일한 사람이 -23℃ 방에서 적당한 일을 하는 사람의 쾌적 정도와 동일하다. 그렇지 않으면 꼭 붙어 앉아 손을 다리 사이에 넣어 열전달 면적을 줄인다.

 더운 환경에서는 반대의 현상이 나타난다. 신체로부터 충분한 열을 방출시키지 못하면 몸이 터질 것 같이 느낀다. 열이 쉽게 방출되도록 가벼운 옷을 입고 활동을 줄여서 신체에서 발생하는 폐열 발생을 최소로 한다. 또한 선풍기를 작동시켜 신체의 열에 의해 형성된 몸 주위의 따뜻한 공기층을 방의 다른 부분에 있는 보다 차가운 공기로 대치한다. 가벼운 일을 하거나 가벼운 보행 중에서 방출되는 신체의 열 중에서 절반 정도는 땀을 통해 잠열 형태로 방출되고, 나머지 절반은 현열로서 대류와 복사에 의해 방출된다., 심한 육체적 작업 중에는 대부분의 열이 (약 60%) 잠열 형태로 방출된다. 신체는 발한(perspring)이나 더 많은 땀을 흘리게 하여 방출을 도와준다. 땀은 증발하면서 신체로부터 잠열을 흡수하여 신체를 냉각한다. 주위의 상대습도가 100%에 가까우면 발한에 의한 효과는 큰 도움이 되지 못한다. 수분을 섭취하지 않고 계속 땀을 흘리면 탈수상태가 되며 땀의 배출이 감소하면 체온이 올라가 일사병에 걸린다.

 사람의 쾌적함에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 복사에 의한 열전달이다. 이 복사열전달은 신체와 벽 또는 창문 같은 주위 면 사이에 이루어진다. 태양 광선은 복사에 의하여 우주 공간을 이동한다. 찬 공기가 불과 여러분 사이에 있어도 불 앞에서는 따뜻해진다. 마찬가지로 따뜻한 방에 있더라도 벽이나 천장의 온도가 상당히 낮으면 추위를 느낄 것이다.

 사람의 쾌적도는 기본적으로 세 가지 요소에 의하여 좌우된다. (건구) 온도, 상대습도, 공기의 순환(바람)이 그것이다. 주위의 온도는 가장 중요한 쾌적도 지수이다. 대부분 사람들은 주위 온도가 22℃에서 27℃ 사이에서 가장 쾌적감을 느낀다.

상대습도도 쾌적함에 상당한 영향을 미친다. 이는 증발에 의하여 신체가 방출하는 열량에 영향을 미치기 때문이다. 상대습도는 공기가 더 많든 수분을 흡수할 수 있는 능력의 지수이다. 높은 상대습도는 증발에 의한 열방출을 지연시키고, 낮은 상대습도는 이를 촉진시킨다. 대부분 사람은 40%에서 60%의 상대습도를 선호한다.

 공기의 순환도 쾌적감에 있어 중요한 역할을 한다. 즉, 신체 주위의 따뜻하고 습한 공기를 제거하고 신성한 공기로 대치한다. 공기 순환은 대류와 증발에 의한 열 제거를 개선한다. 공기 순환은 신체 주위로부터 열과 습기를 제거할 정도로 강해야 하지만 느끼지 못할 정도로 부드러워야 한다. 대부분 사람들은 15m/min 정도의 공기속도에서 쾌적함을 느낀다. 매우 높은 공기속도는 불쾌하게 한다. 예를 들어 공기온도가 10℃이고 48km/h 바람이 분다면 사람은 27℃, 3km/h와 같은 추위를 느끼게 한다. 이것은 공기 운동이 신체를 냉각하는 효과를 나타내기 때문이다.(wind-chill factor) 쾌적함에 영향을 미치는 다른 인자로서 공기 청정도, 냄새, 소음, 복사 효과가 있다.