설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System)  – 수배관의 압력        

By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사

개요 :  물이라는 유체는 온도변화에 따른 부피(체적)변화가 있어서, 온도차에 따라 줄기도, 늘기도 합니 다. 또 얼면서는 겨울철 항아리를 깰 수도 있고,그 반대로 밀폐된 공간 내부(배관등)에서는 그 공 간내를 진공 상태로도 만들 수도 있습니다. 따뜻한 물을 시원하게 만들려고 페트병에 담아서 냉 장고에 넣어두면 시간이 지나 보면 페트병이 좀 쭈글쭈글 해지고 ,아니면 페트병이 몸살을 앓고 있는 듯한 상태의 경험을 간혹 해 보셨겠지요. 그 반대로 1 회용 생수병을 더운 여름 차안에 몇 시간 두면 탱탱하게 생수통이 배가 불러져 있기도 합니다. 그 통속의 물의 양이란게 기껏해봐야 0.5~1 리터 정도임에도 불구하고 겉으로는 표시가 확연히 나타나 보입니다. 그래서 물 관련 분 야의 압력은 건물내의 여러곳에서 이 압력변화를 수반한 팽창 및 수축에 대한 주의를 필요로 합 니다. 물 관련 분야의 압력이 시스템의 운전과 어떤 연관성이 어느정도 있을지 한번 쭉 지나가면 서 답을 찿아 보겠습니다.

본론    1. 수배관 시스템에서 압력계획이 필요한 이유

냉난방 배관 시스템에서 냉,온수등이 공조기로 , 팬코일 유니트로, 라디에터 혹은 컨벡터등으로 펌 프의 힘으로 보내지고 그 물이 가진 열을 주기도 하고 ,주위에서 열을 뺏기도 하고(냉방시) 하여 건물이 냉,난방이 되기도 합니다. 보통 냉온수를 같은 배관에서 흐르게 하는 겸용 배관일 경우도 많은데 이 경우가,배관의 초기투자비도 저렴하고, 열원도 냉,온수기로 하니까 많이들 선호합니다만, 건물 성격에 따라서는 냉,온수 배관을 반드시 분리하여 운전하여야 할 건물도 있습니다. 즉 냉방과 난방열이 동시에 필요한 건물등의 경우 그러합니다.즉 호텔 객실에 고객이 냉방이 필요한 고객이 이지만, 동시간대에 난방을 원하는 고객도 있다는 것입니다. 하여튼  난방의 경우를 보면 70C 에서 출발하여 돌아오는 온도가60C 정도라면 그 물의 양에 온 도차를 곱하면 이 물이 처리하고 오는 열량(**)이 되겠죠. 이 온도차 10C 는 물의 해당온도에 따 라 차이가 있겠지만 부피의 변화를 동반하고 다닙니다.
(** 굳이 공식으로 표현하면q=m*c*온도차, q=열량(kcal/hr), m=유량(ltr/hr), 물의 비열(c)은1kcal/C .kg로)  만약에 4 계절를 기준으로 배관내의 냉,온수를 1 배관으로 겸용으로 그대로 사용하고 있는 경우에 여름철은 냉수 출구온도가 7C 이고, 겨울철 온수온도가 70C 이라면온도차가 약 63도C 가 됩니다. 이는 약산으로 해 보았을 때 약2~3% 정도의 체적변화가 생긴다는 것입니다. 즉 온도에 따른 비체적의 차 이가 있다는 이야기 입니다.  그럼 배관내의 실제 유체량은 어느정도일까요? 건물 규모나 시스템 성격에 따라 달라지겠지만 개략 으로 약 30,000 리터라고 한다면 (물론 건물시스템에 따른 계산은 가능합니다. 관경 및 길이도 다 계 산하여서 말입니다,뒤에 한번 계산하기로 하겠습니다) 그 양의 2%의 부피 변화가 있다면, 약 600 리 터입니다. 엄청난 양입니다.그러면 좀 작은 건물로 5000 리터가 유량이라면 100리터가 되지요 . 예로 10층 건물 기준 냉,온수용 수직 입상관의 관경100mm 가 왕복길이로 60m 이고 , 횡주관이 약 60m 이고, 가지관(공조기,팬코일,기타등등)이 약 200m 정도로, 가지관은 50mm 배관일때 로 약산해보면 배관내의 유량은 약 1500 리터 수준입니다.(단면적에 배관길이를 곱해서 나온 값입니다).그럼 그 1500 리터의 최대 부피 변화량은 약 2%기준일때 30 리터 정도가 되는 샘입니다. 다소 극단적으로 표현했 읍니다만 (실제는 이 보다 매우 복잡하고 귀찮습니다. 그래서 견적이나 물량산출은 시간을 많이 소요 합니다)
어쨌든 과거 이 팽창,수축량에 대한 흡수 혹은 충격완화를 위한 방법으로 개방형 팽창탱크를 두었던 시절이 있었습니다. 그 이전에도 밀폐형 팽창탱크가 있었습니다만, 아직 개방형 팽창탱크를 사용하고 있는 현장이 많습니다. 신규 설계되는 요즘 건물은 거의 개방형 팽창탱크를 사용하지 않지 만, 팽창탱크에 관해서는 좀 더 나중에 얘기해 보겠습니다.
이렇듯 부피의 변화는 배관계내에서 어떤 영향을 주는데, 예를 들면 부피가 축소된다면 수배관 전체 시스템 내의 압력이 진공으로 갈 확률이 높아진다는 의미입니다.(여기서 진공이라는 의미는 단순히 대기압 이하 1mmaq 로 떨어져도 진공입니다. 단지 진공도의 차이가 있을뿐이죠) 이는 약간의 틈만있 어도 공기의 유입이 생길 수도 있고, 즉 공기의 유입은 순환 유체의 흐름에 방해가 된다는 의미가 되 고, 즉 유속이 예로 2m/sec 정도의 배관내에 공기도 같이 달린다면 실제 가야할 유체(물)의 공간이 그 만큼 줄 수도 있고, 필요한 유량 공급이 안된다는 의미가 됩니다.  또 이 공기는 배관내부를 빠른 시간내에 부식 시킬 수 있는 능력을 확보하기 시작한다는 것입니다. 이건 좋지 않습니다. 당연히 녹 슬게 된다는 것은 배관의 수명을 떨어뜨리는 원인이 됩니다.    좀 다른 모양새로 접근해 보면 우리가 잘 알고 있는 “포화증기압”이라는 용어로 표현 하여 유체의 포화 증기압이하로의 압력감소 가능성도 배제 할 수 없다는 것입니다. 이는 단순히 물의 부피축소만 으로의 문제는 아닙니다만 관련은 있습니다. 즉 물속의 해당온도에서의 압력이 형성되지 못할 때 발 생하는 플래시 현상(flash ,재증발 현상)이 있을 수 있고 ,워터해머(water hammer) 및 펌프 흡입구의 캐비테이션(양수 혹은 흡수 불능이 되는 원인, cavitation)의 원인이 제공되기도 합니다. 원인이 단적으 로 모두 부피 변화에 근거하는 것은 아니지만 서로 유기적인 연관성을 가진다는 것입니다.(더욱 온수 중에서도 고온수를 취급하는 경우, 예로서 중온수인 지역난방과 같은 경우는 이 압력에 대한 보증이 안될 경우 매우 치명적인 영향이 끼칩니다. 그래서 그 시스템 가압방법도 매우 다양하게 적용되고, 그 예비 안정장치도 매우 중요한 입장에 있습니다. 이는 추후 가압에 대한 얘기를 할 때 한번 답을 찿아 보겠습니다.)  또 그와 동반한 유수의 흐름에 소음이 더욱 쉽게 발생할 수 있기도 합니다. 또 경우에 따라서는 에어 포켓(공기 정체 구역)이 발생하기도 합니다. 그래서 에어 벤트가 필요하 듯이 요. 만약에 부피의 감소에 의한 현상이 이렇고 그걸 방지하기 위하여 약간의 가압을 해주면서 늘어나 는 유체의 경우 밀려주고, 줄어드는 부피에 맞게 밀어준다는 의도로 팽창탱크가 적절한 압력으로 적 용되기 시작한 것입니다. 또한 부피의 팽창에 의한 팽창탱크의 적용에 의한 쿠션기능이 없다면 배관내부의 압력상승의 원인이 되어 배관이 견딜 수 있는 내압한도를 넘을 수도 있고, 배관의 휨이나 불 필요한 응력(stress)이 발생할 가능성이 더욱 높아진다는 것입니다. 어찌되었건 이 부피 변화에 대응 한 방법으로 배관에서는 곡관류(앵글 혹은 루프, 혹은 벨로즈 형식등)를 형성하기도 하고 이에 동반 한 진동을 막기위한 방진 가대 혹은 행거등을 적용하기도 합니다. 총체적인 방법이 다 동원되어서 유 동적인 물의 흐름에 대한 보호방법을 적용한다는 것입니다. 
결론 수배관에서의 압력계획을 단순 부피의 변화에서 시작해 보았읍니다만, 이와 관련된 압력에 대한 보증 을 위한 장치인 팽창탱크와 각종 가압방식, 펌프의 위치 , 압력 개념 정립, 설치위치등에 대해서는 지속적으로 글을 작성 할 예정입니다.