설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 수배관의 압력
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
본론
수배관의 압력과 관련하여 가압의 방법은 일반 냉난방(HVAC) 시스템은 팽창탱크를 통한 급수압력으로 거 의 대부분을 적용한다고 해도 과언이 아닙니다. 특수한 지역난방용 플랜트 설비인 경우등에는 질소가스 가압 붐베 방식이나 , 에어 콤프레셔에 의한 가압방식 혹은 증기에 의한 가압방식등이 적용시스템상의 이 론면에서는 다양하게 적용 거론되어 있읍니다만, 일반 HVAC 시스템상에서의 그 적용은 거의 적용예를 확인지 못했습니다. 그래서 우리가 알아 두어야 할 단계를 HVAC 범위로 국한하고자 합니다. 혹 추후 필 요한 경우가 생기면 그때 더 상세하게 공부를 할 수도 있으리라 생각합니다.
1) 팽창탱크에 의한 가압 방식 – 개방형 팽창탱크 과거 개방형 팽창탱크의 가압은 정수두 가압방식이라고 할 수 있습니다. 다시 말하면 냉온수 시스 템에서의 가장 높은 개소의 냉온수 장치(공조기,팬코일유닛,방열기등)보다 더 높은 위치에 팽창탱크 를 설치하여 실제 가압의 힘이 수압자체의 압력으로 배관상의 압력을 포화 증기압이상으로 확보했 다고 볼 수 있습니다. 이 경우 그 설치높이는 최고 높은 부하기기보다 약 1M 정도 이상으로 설치 가 되었고 , 탱크 용량도 전 팽창량(배관내부 전체 유량 기준으로 계산한 부피 변화량)의 1.5~2 배 정도의 용량으로 선정이 되어 대기에 개방되어 있었습니다. 즉 팽창과 수축에 따른 수위 변동이 동 반되었으며 그 것을 기준으로 유체내에서의 팽창을 유지해 왔습니다. 하지만 이 시스템이 대기에 개방되어 있으면 공기가 수중에 녹아 들어갈수 있는 여력이 충분히 있으며, 외관상의 유지관리 차 원에서도 좀 오염등의 단점이 다분히 있었습니다. 즉 설치 장소자체가 최고 높은 장소로 한정되면 서 건축미관상의 문제등을 안고 있었습니다. 그후 팽창탱크가 밀폐식으로 국내에 도입되면서 이러 한 문제등이 거의 해소되었다고 볼 수 있습니다. 중앙 냉난방시스템에서 팽창탱크가 없는 건물은 거의 없습니다.
2) 밀폐형 팽창탱크 팽창탱크를 밀폐형으로 한다는 의미는 우선 공기로 인한 유체내에 손상을 주는 원인은 막을 수 있 다는 단어적인 의미는 보입니다. 실제 개방형에서 구식이라는 느낌, 즉 현장에서 배관연결과 탱크 설치등이 이루어지는 것과 비교해보면 밀폐형은 매우 현대적이라는 느낌을 준다는 것입니다. 공장에서 제작된 탱크내부에는 질소나 압축공기같은 쿠션 기능이 있는 압축성 유체가 수배관 시스템 측과 가변성이 있는 격막으로 서로 탱크내에서 나누어져서,압력증감에 댕으하여 그 고무기능의 격 막이 밀리고 혹은 그반대로 밀어서, 수배관의 압력을 인공적인 힘으로 유지한다는 의도에서 과거 구식인 개방형에 비해서는 진일보 한 것이라고 볼 수 있겠습니다. 수배관 시스템 자체의 누수되는 물에 대한 보급수를 공급하여야 할 필요성으로 급수관을 연결하여 주며 이는 수압을 유지하여 주는 기능과 함께 그 압력에 대한 보증을 위한 노력들이 필요합니다. 예를 든다면 탱크에 초기에 공급해야 할 압력이 있는데, 이는 고가수조 방식이든, 부스터 펌프 급 수 가압 방식의 급수 시스템이든 간에 팽창탱크에 필요한 압력만큼 공급될 필요가 있으며 , 이를 위하여 감압을 적용하여 급수라인과 연결 , 팽창탱크에 접속합니다. 여기에는 감압밸브가 들어갑니 다. 또한 요즘의 팽창탱크에는 일부 에어 콤푸레셔 소형 용량이 장착되어, 탱크내의 압력 유지를 보다 정밀하게 유동적으로 하는 경우의 제품도 있는 것으로 알고 있습니다. 즉 조금전에 말씀드린 격막 반대편의 질소나 압축공기의 압력도 수배관의 팽창,수축과 연동하여 매우 일정하게 압력을 유 지 할수 있도록 하려는 노력이 진일보 한 것입니다. 이후 배관내의 공기성분을 강제로 제거하기위 한 장치등이 내장되어 진공효과등을 강제유도하여, 수배관내에서의 공기 문제를 줄이려는 장치를 포함한 팽창탱크의 제품도 출시 되고 있습니다. 팽창탱크의 팽창라인과 수배관 시스템의 냉온수 환수 배관측, 환수 헤더측 혹은 순환펌프 흡입측에 연결되어서 고유한 팽창탱크의 기능을 수행하기 시작합니다. (이외에 팽창탱크의 설치위치가 냉온 수 순환펌프 흡입측이냐,토출측이냐에 대한 큰 차이가 있습니다 만, 특별히 배관내압에 문제가 없 다면 거의 HVAC 시장의 설치위치는 펌프 흡입측에 설치한다고 보시면 됩니다. 이 차이에 대해서 는 추후 다시 계산할 예정입니다 ).
여기서 팽창탱크의 크기를 선정하는 방법이 여러가지가 있겠지만 초기 봉입 압력이라는 것과 최종 압력과의 압력차이와 배관 시스템의 팽창되는 유체의 량에 대한 상수를 적용한 계산으로 탱크의 크기를 선정합니다. 중요한 것이라면 모두다 중요하겠지만 초압의 설정은 개방형 탱크를 열부하기 기보다 더 상부에 (약 1m 위) 둔다고 말씀드린 것과 같이, 최하층 기계실에 설치하는 밀폐형 팽창 탱크에도 역시 그 수두압을 인위적으로 형성한다는 것입니다. 즉 “정수두압 + 에어벤트를 위한 봉 입압(혹은 증발방지(플래시 현상방지)를 위한 가압,약 3M수두(일반 HVAC 온도기준) 입니다만, 이는 수배관의 온도에 따라 증발 방지 압력은 달라집니다. 포화 증기압력에 대한 기준이 온도에 따라 달 라지는 것입니다)” 으로 초기압력이 설정되고 최종압력은 이 초기압력에 순환펌프 양정 및 기타 안 전율(약1m 수두정도)을 포함한 압력상승분을 합하여 최종압으로 선택합니다. 이 두 압력차이로 실 제 밀폐형 팽창탱크 내부의 유효하게 활용할 수 있을 탱크의 공간에 대한 계산을 한다는 이론입니 다. 이와 같이 계산된 과정에서의 탱크 유효 용량계수와 수배관 시스템의 팽창량을 기준으로 실 탱크 크기를 산출하게 됩니다. 장황하게 설명이 된 듯합니다 물이 팽창하든 수축되든 탱크안에서 압력을 일정하게 유지하기 위한 가압(공기측)이 수배관과 연계하여 움직여 준 다는 것입니다. 관련된 계산 공식이 있읍니다만 참고 로만 보시기 바랍니다
(초압=Pi , 종압=Pe , 유효용량계수=A.F (ACCEPTANCE FACTOR : (Pe-Pi) / Pe ) ,
탱크용량=Vt , 팽창량 = Ve , 이라고 두고 Vt={Ve / A.F} , 여기서 압력단위는 절대압 기준)
팽창량은 냉동기 용량 1RT 당 약 50 리터 정도로 배관내부의 유량으로 보면(개략 추정일뿐, 실제 유량은 건물 규모에 따라 다 다릅니다) 여기에 온도차에 따른 체적 변화값을 곱하면 개략 계산시 에는 어느정도 추정이 될 수 있습니다. 이렇게 선정된 팽창탱크는 어디에 두던 위치에 제약이 없습니다. 또한 개방형의 단점과 상반되는 장점등을 가지고 있습니다. 공기인입, 부식문제, 설치 위치 문제,수명 문제등으로 장점을 가진다고 할 수 있습니다. 그러면 밀폐형 순환시스템에서의 수배관용 팽창탱크의 개념은 어느정도는 이해가 될 수 있었다고 생각이 됩니다. 그리고 이렇게 선정된 팽창탱크는 고유의 팽창탱크의 목적인 배관 계의 온도변화에 따른 체적변화를 흡수하는 쿠션기능을 성실히 수행한다는 것입니다.
기성제품으로 생산되는 팽창탱크를 전문 제작사에 문의하면, 지금과 같은 이론을 배경으로 적절히 선정 설치 가능합니다. 단지 현장의 보급수압을 해당 건물 정수두(설치위치에서 가장 높은 냉난방 기기까지의 높이)보다 약 1~3m 높게 해서 공급해주도록 하면 됩니다.
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