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

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

개요 : 수배관 관련 배관의 크기(관경)는 매우 중요한 역할입니다. 인체에서의 동맥 경화 혹은 저혈압, 고 혈압, 혹은 심장에 무리가 가는지 등이 혈관의 문제이고, 이와 비슷한 설비의 역할이 배관이라고 보면 될 듯 합니다. 에너지가 많이 사용될지, 조금 사용되어도 가능한지등의 중요한 결정 사항이 될 수 있습니다.이 배관에는 항상 밸브라는 장치가 있어, 물의 흐름을 밸브를 통해서 통하게 하거나, 차단하거나, 그 흐르는 물의 양을, 줄이거나, 늘리거나, 혹은 역류를 막거나, 혹은 압력을 해소해 주거나, 압 력을 줄여 주든지등의 다양한 역할을 하는 밸브들이 여기 배관에 각각의 필요한 위치에 설치 됩 니다. 이와 관련 조금 상위 기술분야인 수배관 시스템에 대해서는 향후 지속적으로 말씀을 드리겠습니 다만, 수배관 시스템의 경우 해당 시스템에 따른 배관경을 어떤식으로 정하느냐에 대한 기본적 인 방법에 대해서 언급이 필요할 듯 합니다.  

본론 :  우선 냉난방을 할 냉,온수 관경 선정 기준은 , 유속의 설정 기준은 , 배관 마찰 손실 기준은 ?  왜 그 유속이 적용되는지? 왜 그 정도의 마찰 손실로만 계산해야 하는지? 무엇이 문제가 되는 지 ? 배관경과 연관된 해석이 가능한 시스템 판단 자료는 무엇이 있는지 ? 접근해 보면 어느정 도는 명쾌한 답이 있습니다.

  1. 관내 유속 및 마찰손실, 펌프 동력등에 따른 장,단점 비교 유속이 배관내에서 빠를수록 초기 투자비면에서는 배관 사이즈축소로 저렴하겠지만 그 반대로 배 관내의 마찰손실은 증가하여 펌프 동력은 증가 합니다. 또한 운전경비면으로 본다면 동일한 효과 즉 펌프 반송동력 경비는 증가할 것입니다. 즉 유속이 빠르다는 얘기는 그만큼 배관의 마찰 손실 값이 증가 한다는 의미가 될 수 있습니다.  그 외에 배관의 소음,진동면에서도 불리한 입장에 서게 됩니다. 또 다른 측면으로는 유속의 증가는 관내 부식을 증가시키는 역할을 합니다. 이는 배관의 수명과 연관이 될 수 있다는 이야기 입니다. 그러면 지금까지의 내요으로 판단 해 보면, 유속이 빠른 것은 , 유지관리자의 입장에서는 불만스러 울 수 있는 사항이 매우 많다는 이야기 이지만, 초기 설계시점에서의 입장으로 보면 배관경의 축소가 가능하게 됩니다. 즉 작은 배관을 통하여 짜른 유속으로 더 많은 통수가 가능하니, 초기 투자 비가 줄게 됩니다. 또 배관경이 작다면, 배관의 실제 크기가 건물내에 설치시,작은 공간에 설치가 가능하니, 이에 대한 축소로 시공성 및 공간측면에서 유리 하다고 말하겠습니다.

이와 정반대로 관내 유속이 느릴 경우는 상기 언급한 내용과는 상반되는 장점 및 단점을 가질 수 있습니다.

 2. 수배관 분야의 관경 결정에 관한 기준 및 유의 사항. 보통 많은 경우, 관경의 결정은 등압법(등마찰법, 배관내에서 흐르는 물의 양에따라 관경을 달리하 지만, 각 배관들의 동일한 길이당 압력 손실을 같도록 설계하는 방법)으로 선정하고 있는데, 이때 에도 유속에 대한 사항은 소음 및 부식방지에 대한 감안이 되어져야 합니다. 예로 소음 방지 차원 의 유속 한계는 2”(50mm)이하의 경우 1.2M/SEC 이하로 적용하고 ,2” 이상의 배관의 경우 40mmAq/M(마찰 손실, 1m 거리를 배관내에 물이 흐를 때 소비되는 압력손실로, 100m 거리를 배 관이 이 마찰 손실로 가게되면, 약 4m 의 압력손실이 발생한다는 의미) 이하로 하여야 합니다.  소음이 “왜 발생하느냐” 를 검토해보면 유수중에 포함된 기포, 국부 곡선부등의 큰 저항의 와류 , 급격한 압력 변화에 의한 캐비테이션(포화 증기압 이하로 떨어져 기체가 발생하는 현상), 큰 압력 강하등에 의해서 발생하며 이에 대한 방지책이 강구 되어져야 합니다.  사실 유속이 빠르다면 유체 속의 기포나 스케일 등이 배관을 더욱 침식 강화시켜 관 부식의 진행 에 한층 능동적이 된다는 이야기가 됩니다. 하지만 너무 느린 유속은 유체가 가진 온도에 성층현 상을 만들 염려도 있고, 열전달을 하는데 너무 많은 시간을 필요로 하게 됩니다. 이와 관련하여 배관의 관경 결정에 있어서는 초기 배관 설치비 및 추후 시설 운전 경비등의 경제 적 최적 검토를 요구하고 있으며, 이 결과 에너지를 절감할 수 있는 방안을 마련하여야 합니다. 건 물의 성격상 배관의 길이가 길고 운전시간이 길다면 관내 유속과 마찰 손실 값을 작게 가져갈 필 필요 있는 것 입니다. 또 상기의 공기, 기포를 배제하기 위한 기준은 2” 이하의 관의 경우 유속이 0.6M/SEC 이상으로 하며, 2” 이상에서는 8 ~40mmAq/M 로 제한 할 필요가 있습니다.    저자의 입장에서 권장 한다면, 20~30mmAq/m 로 적용 및 유속 1.5m/sec 기준으로 배관경을 적 용 합니다. 건물의 배관 용도와 특성, 펌프 입장의 양정 및 주배관, 층별 가지 배관등의 유용 가능 한 차압력등을 고려하여 선정합니다만, 기존 활용할 수 있는 배관 경 선정표들을 이용하면 됩니다.

관련 해당 배관의 물의 양을 근거로 유속을 적용하면, 개략적인 배관경을 계산 할수 있습니다.  Q=A*V  로Q는 물의 시간당 흐르는 양이며(m3/HR), A 는 관의 단면적(ΠD2/4)을 적용하고,해당 V 값은 유속으로 1.5m/sec 기준으로 적용하면, 결국 얻게 되는 A 값속의 “D” 가 우리가 얻고자 하 는 배관경이 됩니다. 배관경은 기성제품이 생산 됨으로, 해당 검토시 기성 제품 (15,20,25,32,40,50,65,80,100,125,150- 200,250,300 등) 으로 근사치 값을 활용 하게 됩니다.

3. 냉각수,냉수,온수 배관의 관경 결정 냉,온수 시스템상의 배관경 선정 기준은 보통 30~100mmAq/M 로 마찰 손실값이 적용되고 , 최대 유속측면에서 보면 냉각수의 경우 2.3M/SEC 이하 , 냉온수 배관의 경우 3.0M/SEC 이하 , 냉각수 용 헤더를 설치했다면 1M/SEC 이하(분지관의 경우 2M/SEC 이하)로 적용합니다. 유속과 유량과 배 관경,배관마찰 손실값은 서로 유기적으로 변화가 발생하므로 실제 관경 선정시 유량기준으로 시작 하여 유속 및 배관 마찰 손실이 어느 정도인지를 확인할 필요가 있습니다.  이들에 대한 값들은 일반 설비교재에는 배관의 종류에 따라서 대부분 그림,표로 자세히 찾아 볼 수 있는 자료가 있으니 찾아 보시기 바랍니다. 

결론 : 대부분의 관경 결정시 상기의 운전경비, 건물의 운전시간, 초기 투자경비 ,배관의 소음, 배관의 부 식문제 , 배관의 수충격등에 대한 사항등이 검토되기 힘든 상태로 진행이 되곤 합니다. 중요한 것 은 설계 이후의 최종 검토 단계든 시공전 검토단계든 기술적인 검토는 항시 필요하다는 인식을 가 져야 한다는 것입니다. 이외에 대체로 보편 타당한 값을, 쉽게 관경을 선정할 필요가 있을 경우 20~30 mmAq/M 의 마찰손실 값 및 유속은 1.5M/SEC ~ 2.5M/SEC 정도로 하라고 추천 하고 싶 습니다. 하지만 항상 이 관경이 최선은 아닌 경우는 있을 수있습니다. 그 해당 건물의, 설비의 특 성에 따른 최적이 기술자의 능력이라고 판단 됩니다. 어떤 하나의 건물을 두고 동일한 시스템임에도 불구하고, 1 명의 엔지니어를 통한 배관경은 200mm 가 적용되나, 다른 1명의 엔지니어는 100m로 배관경이 2배가 차이나는 설계가 있습니다. 그 설계 배경엔, 운전비를 고려한 설계가 있고, 초기 투자비를 고려한 설계가 있을 수 있습니다. 그 배경을 이해하려는 노력과 해당 엔지니어의 설계 의지를 이해하는 것이 더 나은 엔지니어로서 의 역할 입니다.