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

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


의문 : 펌프를 포함 한 지역난방 열교환 설비 패키지 장비가,많은 회사에서 생산 판매 되고 있습니다.   헷더간의 차압밸브 설정시에는 펌프양정이 필요합니다.또 회전수 제어(SPEED control, inverter  control)란 용어는? 혹은 펌프의 유효흡입수두(NPSH :net positive suction head)는?  펌프의 선정은 ? 펌프에 대한 궁금증은 없어도 별로 아는것도 없다는 현실에 대해 답을 만들어 보 겠습니다.

- 펌프를 설비시스템에서 빼버리고 ,아니 잊어버리고 얘기한다면 심장없는 인체와 같습니다.누가 굳이 설비를 하면서 따지고 들지 않는다면 별 무리없이 지낼 수 있읍니다만, 설계사에서의 설계 도면을 보든, 현장 영업하는 경우든, 현장에서의 물 관련 운전 및 관리감독을 하든, 간혹 알 수 없는 용어 의 사용이 마음 한 구석에 찝찝하게 남아있었던 경험이 있을 듯 합니다. 개략적으로나마 한번 알아 보겠습니다.

- 펌프의 종류는 다양하고 액체(간혹 기체용 펌프도 있음: 진공펌프)유체의 경우에 한해서 언급할라 치 면 한 페이지에 그 종류만 분류하는데도 모자랄 정도 이지만, 일반 냉난방 시스템(HVAC)에서 취급하 는 종류는 원심식의 것과 축류,그리고 사류 ,터빈타입이 대부분이라 생각해도 될 듯합니다. 일반적으 로 축류는 유체의 입구방향이 출구방향과 한 방향선을 지니고 있고 ,즉 밑에서 유체를 흡입하여 위로 토출하는식의 경우입니다. 원심식의 경우는 90도 꺽이지요. 즉 유체가 옆(측면)에서 들어와서 위로 나 가는 모양이면 원심식의 펌프라 볼수 있습니다. 그 중간쯤에 있는 것이 사류(약 45도)가 있습니다. 여 기서 터빈도 원심식과 같으나 터빈은 펌프날개(impeller)에 추가로 날개 차(guide)가 있는 정도로 보면 됩니다. 또다른 분류로는 누워있는 횡축(horizontal), 서있는 형상인 입형(vertical type) 으로 분류할 수 있습니다.요즘은 입형이 기계실 공간 점유도 적고,방진 적용도 최소화 가능 하고, 효율도 많이 좋 아서 활용도가 매우 높아진 편입니다. 축류와 입형은 같은 의미로 받아들이면 안되는 것을 이해하셔 야 합니다. 또 다른 구분은 단단,다단이 있는데 고양정으로 갈수록 펌프의 날개를 직렬로 연결하여 이용합니다. 이때 2단,3 단,4 단등의 다단이라는 용어를 사용합니다. 단단은 1 단입니다. 고양정은 안된 다는 이야기 입니다. 원심식 펌프는 다른 말로 와권펌프(volute pump:볼류트펌프) 라고도 합니다. 급 수용으로 많이쓰는 부스터 펌프는 입형에 속하고, 다단에 속하고, 원심식입니다. 근데 펌프 3~4 대를 병렬로 설치하여 출구를 시공성등을 고려, 조정하기 위한 과정에서, 흡입/토출이 한 방향으로 보이는 것입니다. 내부에서는 90도로 각이 생기지요. 그래서 흡입 토출의 위치는 상하차이는 있습니다. 

입형 타입의 냉온수,냉각수 순환펌프도 많습니다.이 펌프들은 모양은 입형이지만 다단이며(물론 단단 도 있음),원심식입니다. 주로 원심식 혹은 여기에 날개차(guide vane)을 단 터빈형이 주종이라 보면 됩 니다. 날개차는 운동에너지를 압력에너지로 바꿀 수 있도록 하여 더 많은 양정이 필요한곳에 활용도 가 높다고 보시면 됩니다.같은 동력의 유량인 경우, 터빈 타입의 경우가 더 높은 양정이 가능하다고 보면 됩니다. 이정도로 분류에 대한 이해는 마감 하겠읍니다만, 이 외에도 매우 다양한 성격의 펌프 들이 많은 것은 간과하지 않으시길 바랍니다. 잘못하면 실수 할 수 있습니다.

- 일반적으로 펌프의 유량 선정은 설계사무소 몫이라고 생각 하겠지만, 엔지니어로서 알아서 나쁠 것은 없기에 한번 접근해 보겠습니다.
냉동기 용량이 100RT 이라고 한다면 302,400kcal/hr(1RT=3024kcal/HR) 입니다. 냉방용의 공조기에서 부하를 담당하는 코일 입출구 온도를 7℃생산 ,12도 환수로 하여, 그 온도차 가 5도 가 된다면, 냉수 순환펌프용량은 302,400 kcal/hr /60min/5도 =1,008 LPM.입니다.만약 펌프 를 댓수 제어 한다면 그 댓수 만큼 나누면 되지요. 근데 온수용은 ? 동일합니다. [열량 / 온도차] 개념 은 일정합니다.  하지만 냉,온수 겸용 펌프로 하고 싶은데  온도차(온도차 10도 인 경우도 많음)가 다를 경우는 펌프 를 구분할 수 있던지, 냉온수를 별도로 동절기, 하절기 댓수 제어를 할수 있도록 유도합니다. 펌프의 유량이 작아지면, 유체의 부하처리 온도 온도차가 변동되어, 부하처리에 필요한 온도차가 5도가 될 경우에 공 조기 부하를 처리할 수 있으나 ,작은 유량으로 부하를 처리하려면 공조기 출구 온도가 상승되거나(즉 7 도,12도 여야 하나 7도,15도가 될 수 있다는 얘기,이 경우도 부하처리는 할 수 없습니다, 즉 공 조기를 거쳐서 나오는 출구공기온도가 냉방에 필요한 온도가 안 된다는 의미, 덥다는 이야기), 정해진 부하를 처리할 수가 없다는 이야기 입니다. 

반대로 선정된 펌프유량이 과한 유량이 되면 부하는 처리하고도 남음이 있으나 구체적으로 펌프의 동력비가 상승하고, 냉동기외 기타 장비들에 대한 효율이 낮아지리라 판단됩니다. 만약에 부하처리 온도차 기준을 처음부터 10도 로 하여 열교환기 및 공조기 풍량의 온도차 를 수정하여 적용한 경우라면 그 온도차에 맞는 펌프온도로 유량은 선정될 것입니다.  냉각수 (냉각탑용) 순환펌프도 마찬가지 입니다.  펌프의 유량선정에 있어서 그 기준이 온도차 개념하고는 전혀 상관없이 토출 유량만의 개념이 되는 경우가 바로 위생용(급수용 펌프,오배수용 펌프,SUMP용 펌프 등) 이나 ,소방용(스프링클러 펌프, 옥내 소화전 펌프,채수구펌프 등) 인 경우입니다. 이 펌프등의 경우는 온도차 개념적용이 없으니 단순 필요 유량 산정이 매우 쉽지요. 또 하나 배관의 방열 손실량에 대한 유체의 이송개념으로 적용하는 펌프가 있는데 바로 급탕 순환 펌프입니다. 이경우는 앞의 2 가지 경우와는 매우 다르게 접근합니다. 이는 배 관 열 손실량을 구한다음 급탕 공급 온도가 늘 일정하게 유지될 수 있도록 배관에 의한 방열손실에 의해 급탕수 온도저하를 방지할 정도의 유체량만의 이송을 지속적으로 유지하는 것입니다.이도 정확 히 말하자면 온도차에 의한 펌프 유량 선정 개념입니다.(증기 배관 라인의, 라인 응축수 trap 선정시 배관 방열에 따른 trap 선정이 되어야 하는 기준처럼 ). 대체로 그 유량은 배관 방열손실을 정확히 산출하기란 설계과정에서 매우 번거럽고 힘든 일(배관의 총길이, 배관의 열전도율값, 단열재 두께,종류, 내외부 공기의 온도차등이 적용되어서 계산됨)이므로 개략적인 유량(예를 들면 급탕량의 1/2 ~ 1/4 수준,지역난방기준은 급탕량의 30% 수준 정도이지요)으로 진행합니다. 이 외에 기타 다른 펌프의 유량선정은 극히 HVAC 시장에서는 미미하므로 이정도로 유량선정은 마칩 니다.

- 펌프의 양정 기준은 HVAC 시장에서 “밀폐회로 배관계인가? 개방회로 배관계인가” 에 따른 그 개념이 차이가 있는데 개방회로라 함은 급수 시스템등의 경우이고, 밀폐 배관계는 냉온수 순환시스템 정도 입니다.  개방회로 시스템은 정수두를 극복해야 하는 양정값이 추가가 되고 , 밀폐회로 배관에서는 정수두 개 념의 양정은 없다는 것입니다. 

예를 들어 설명하면 개방계의 급수용 펌프의 양정 산정시 [정수두(수직 높이)가 50m, 최말단 급수기 구 공급 필요압 7m(수도꼭지 물 방수 압력=0.7kg/cm2),배관마찰손실 100m X 0.02mAq/mX1.5(fitting 류 개략적용)=3m, 등으로 합이 60m 가 되어 양정이 60m]가 적용됩니다. 좀더 상세하게 현장에서는 실제 계산이 적용됩니다만 개략적인 개념은 이와 같습니다.  이와는 달리 밀폐계의 예를 들면 냉온수 순환펌프의 경우 , [냉온수 header 손실2m, 냉동기 냉수계마 찰손실 5m,배관 마찰 손실 300m(왕복거리) X 0.02mAq/mX1.5(fitting 류 개략적용)=9m,각종 control  valve 마찰손실(2m) , 기타 열교환기류(3m)등이 적용되어 21m]가 적용될 수 있으나 , 시스템의 배관길 이 및 장비의 수량에 따른 마찰 손실값등의 변동요인이 있을 수 있습니다.

이와같은 개념으로 밀폐배관과 개방배관의 양정 적용 기준이 정리 될 수 있습니다. 특이한 양정 적용 이 몇가지 더 있습니다. 급탕 순환 펌프의 양정은 최고 6m 이내로 적용이 될 필요가 있고(배관 마찰 손실 값에 의한 극복 수두값을 너무 크게 적용할 경우 급탕 수전에서 부압(부압,마니너스압)이 생겨서 급탕이 안 될 경우가 있음) , 보일러 보급수 펌프는 보일러 증기 공급압을 펌프 양정에 포함할 필요가 있고, 냉각수 순환펌프는 밀폐계이지만 냉각탑의 냉각수가 외기에 접하는 부분에 해당하는 정수두 높 이값(약 5m)이 적용되어야 합니다.이는 밀폐/개방이 썩여 있는 시스템으로 본다는 것이죠.또 특별하게 소방용의 경우는 모두 개방식이이지만  말단 기구 방사압력이 소화전이나 스프링 클러인경우 각각 다르게 적용될 필요가 있다는 이야기 입니다. (방사압력이 각각17m, 10m ). 이외에  공장의 생산 공정 의 경우(process  line) 의 경우는 요구 수압이 50m 가 필요한 장비도 있다는 것등을 고려할 필요가 있습니다.