급탕배관의 관경은 각 계통 혹은 각 구간에서의 순간최대급탕량을 산출해서 허용마찰 손실수두 및 관내유속에 의해 결정한다. 순간 최대급탕량은 3-3 [4]항의 산정에서 기술한 다음의 방법에 의해 산출한다.
(1) 기구이용의 예측에 의한 방법
(2) 급탕단위에 의한 방법
(3) 물사용시간율과 기구급탕단위에 의한 방법
(4) 기구의 유량과 사용온도에 의한 방법
(4)는 체육시설 ‧ 공장 등의 샤워룸이나 대형 목욕탕의 씻는 곳 ‧ 샤워(shower) 등 기구의 집중적인 동시사용이 예상될 경우의 순간최대급탕량을 구할 때에 쓰는 방법이다. 기구에서의 사용온도와 계획지의 급수온도에 의해 요구되는 급탕기의 혼합비율을 기구의 사용유량에 곱하여 급탕량을 산출하고, 그 계통·구간의 급탕유량을 산출하는 것이다.
(1) 급탕 단위에 의한 방법
급수관경을 구하는 방법과 마찬가지로 유량선도(마찰저항선도)를 이용한다. 먼저 설치기구에 따른 급탕부하단위를 구하고 그 급탕부하단위 합계에서 부하유량(동시사용유량)산출한 다음, 허용마찰손실 이내가 되도록 결정한다.
열원기기를 최하층에 설치하든 최상층에 설치하든, 어느 경우라도 기구에 걸리는 공급압력이 가장 적은 최상층의 배관부터 구하고 순차적으로 하층의 배관을 구해간다. 표 3·21에 기구별 급탕 단위를, 그림 3.48에 동시유량선도를 나타내었다.
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건물종류 기구종류 |
집합주택 |
사무소 |
호텔 |
기숙사 |
병원 |
공장 |
학교 |
YMCA |
체육관 |
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개인세면기 일반세면기 서양식욕조 샤 워 기* 부 엌 싱 크 배 선 싱 크 식기세척기 청 소 싱 크 |
0.75 - 1.5 1.5 0.75 - 1.5 1.5 |
0.75 1.0 - - - - - 2.5 |
0.75 1.0 1.5 1.5 1.5 2.5
2.5 |
0.75 1.0 1.5 1.5 1.5 2.5
2.5 |
0.75 1.0 1.5 1.5 3.0 2.5
2.5 |
0.75 1.0 - 3.5 3.0 -
2.5 |
0.75 1.0 - 1.5 0.75 2.5
2.5 |
0.75 1.0 - 1.5 3.0 2.5
2.5 |
0.75 1.0 - 1.5 - -
- |
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＊ 급탕 설비의 주된 목적이, 체육관이나 공장의 교대시에 사용하는 샤워일 경우에는, 설계유량은 이 급탕 단위에 따르지 않고, 동시 사용률을 100％로 하여 구한다. | |||||||||
그림 3.48 급탕단위에 의한 동시사용 유량선도
1) 부하유량 산정
① 각 온수공급기구의 부하단위와 접속관경을 구한다.(표 3.21)
② 각 배관이 담당하는 부하단위의 합계를 구한다.
③ 각 배관이 담당하는 부하단위수에 따른 동시사용유량을 구한다.(그림 3.48)
급수꼭지와 급탕꼭지가 함께 설치되는 기구는 일반적으로 급탕부하단위를 급수부하단위의 ¾으로 한다.
2) 허용마찰손실의 산정
H - h - h′
R = ------------ × 1000
ℓ ＋ ℓ′
여기에서, R : 온수공급 배관계통에서 단위배관길이마다의 허용마찰손실[mmAq/m]
H : 온수공급개소에서의 정수두[mAq]
(고가탱크의 경우는 탱크에서 온수공급개소까지의 수직높 이, 압력탱크의경우는 압력탱크의 공급압력에서 탱크와 온수공급개소간의 수직거리를 뺀 값.)
h : 온수공급개소에서 최소로 필요한 압력수두[mAq]
h′: 급수원에서 배관경을 구하는 구간까지의 마찰손실수두[mAq]
ℓ : 온수공급관의 길이[m]
ℓ′: 온수공급관의 밸브・이음쇠 등 국부저항에 의한 상당관길이[m]
온수공급관의 마찰손실을 계산하는 경우에 주의할 사항은, 급수원에서 가열용기에 이르기까지의 손실수두를 반드시 고려해야 하며, 순환펌프는 관경 결정시에는 고려하지 않는다.
3) 관경 결정법
각 배관의 구간마다 동시사용유량 Q[ℓ/min]와 허용마찰손실수두 R[mmAq/m]을 이용하여 유량선도에서 다음 사항을 주의하며 관경을 구한다.
① 관내의 유속은 급수배관과 같이 1,5[m/s]이하가 되도록 한다. 유속이 빠르면 관내의 침식이 빨라지므로 주의해야 한다.
② 온수공급관내에서는 스케일의 부착이 많고, 순환펌프의 양정을 적게 하기 위하여 관경을 크게 한다. 특히 경수를 사용할 경우 또는 강관으로 배관한 경우는 온수에 의한 부식관계로 년수가 지남에 따라 관 내경이 현저하게 축소되고 거칠어져 마찰저항이 증대하므로, 계산값보다 1단 크게 한다.
③ 기구의 접속관경이 15[A]라도 접속개소까지는 관경을 최소 20[A]로 한다.
4) 실제의 마찰저항값 산정과 검토
각 구간의 관경을 근거로 한 실제의 마찰저항값을 산정하고, 허용값 이내에 있는지의 여부를 검토해야 한다.
① 각 배관의 구간마다 실제 배관길이[ℓ]와 상당관길이[ℓ′]를 구한다.
② 각 구간마다의 실제의 R[mmAq/m]값에 ℓ＋ℓ′를 곱하여 마찰저항값[mmAq]을 구한 다음, 전체 구간을 합계하여 전체의 마찰저항값을 구한다.
③ ②항에서 구한 마찰저항값이 허용마찰저항 R값내에 있는지 여부를 검토한다. 허용치를 넘는 경우에는 이미 정한 R값이 작게 되도록 가정한 상당관길이를 큰 값으로 규정한다.
(2) 반송관(반탕관)의 관경
반탕관의 관경은 급탕관과 반탕관으로부터의 열손실, 급탕관과 반탕관사이의 온도차로부터 구해지는 순환량에 의해 구한다. 그러나 순환관로의 열손실은 반탕관경이 결정되야 구할 수 있기 때문에 우선 표 3.22에 의해 관경을 가결정한다. 다음에 필요에 따라 순환수량 및 순환폄프를 결정하고 유속이 1.5[m/s]이하가 되도록 관경을 다시 조정한다.
표 3.22 반탕관의 관경
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급탕관경[A] |
20 ~ 32 |
40 (40 ~ 50) |
50 (65 ~ 80) |
65 ~ 80 100이상 |
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반탕관경[A] |
20 |
25 |
32 |
40 |
(3) 배관 및 장치에서의 열손실
1) 배관에서의 열손실
배관에서의 열손실은 관의 재질 ‧ 관경 ‧ 보온재의 종류와 두께 ‧ 관내 온도 ‧ 주위온도 등의 차이에 따라 다르다. 전체 배관의 열손실을 구하는 경우, 각 관경별로 전 길이를 구하고(팽창관이나 공기배출관은 제외) 이에 대한 열손실을 구하여, 이들을 합하여 전 배관의 열손실로 한다.
실제로는 전 계통의 열손실을 관경별로 구하는 계산이 복잡하므로, 전체 배관길이를 대략 구하고 그중에서 배관길이가 가장 긴 관경을 대표로 취하여 전체 배관길이의 열손실로 계산한다.
배관에서의 열손실은 다음 식으로 구한다.
2π(to - tr)
Hℓ = ------------------------
2 1 d1
------ ＋ --- ln ----
d1α λ do
여기에서, Hℓ : 단위 길이마다의 열손실[kcal/m‧h]
d1 : 보온재의 외경[m]
do : 관의 외경[m]
λ : 보온재의 열전도율[kcal/m‧h‧℃]
α : 표면 열전달율[kcal/m2‧h‧℃]
to : 관내 온도[℃]
tr : 주위 온도[℃]
2) 기기에서의 열손실
기기에서의 열손실은 주로 온수탱크에서 있다. 온수탱크를 관으로 가정할 때는 배관에서의 열손실을 구하는 식으로 구하며, 지름이 큰 경우는 평면으로 생각하여 다음 식으로 구한다.
to ＋ tr
hℓ = --------------
1 χ
--- ＋ ----
α λ
여기에서, hℓ : 온수탱크의 단위면적마다 손실열량[kcal/m2 ‧h]
χ : 보온재의 두께 [m]
전체 배관에서의 열손실과 기기 전체의 열손실을 합하고, 밸브나 순환펌프에서의 열손실을 20%정도로 보아 가산하여 급탕계통 전체의 열손실로 한다.
표 3.23 각종 재료의 열전도율
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재 료 명 |
열전도율 |
재 료 명 |
열전도율 | ||
|
[kcal/m‧h‧℃] |
[w/m‧℃] |
[kcal/m‧h‧℃] |
[w/m‧℃] | ||
|
규조토 |
0.037~0.097 |
0.043~0.113 |
동 |
333 |
388 |
|
암 면 |
0.039~0.052 |
0.046~0.051 |
알루미늄 |
204 |
238 |
|
유리섬유 |
0.036~0.042 |
0.042~0.049 |
황동 |
83 |
97 |
|
규산칼슘 |
0.058 |
0.068 |
연강 |
41 |
48 |
|
폼폴리스틸렌 |
0.033~0.036 |
0.039~0.042 |
스테인리스강 |
14 |
16 |
|
펄라이트 |
0.053~0.065 |
0.062~0.076 |
유리 |
0.67 |
0.78 |
표 3.24 배관으로부터의 열손실[w/m·℃]
|
호칭경(A) 종별 |
15 |
20 |
25 |
30 |
32 |
40 |
50 |
60 |
65 |
75 |
80 |
100 |
125 |
150 |
|
보온을 실시한 동관 보온을 실시한 스테인레스강관 피복하지 않은 동관 피복하지 않은 스테인레스강관 |
0.20 0.20 0.58 0.58 |
0.24 0.24 0.81 0.81 |
0.29 0.29 1.04 1.04 |
- 0.32 - 1.24 |
0.33 - 1.27 - |
0.37 0.37 1.51 1.56 |
0.44 0.41 1.97 1.77 |
- 0.42 - 2.20 |
0.45 - 2.43 - |
- 0.50 - 2.78 |
0.52 0.56 2.90 3.25 |
0.64 0.69 3.82 4.16 |
0.77 0.82 4.75 5.09 |
0.78 0.82 5.67 6.01 |
|
(주) 외표면열전달율은 11.63[W/㎡·℃], 내표면열전달율은 7,000[W/㎡·℃], 동관의 열전도율은 388[W/m·℃], 스테인레스강관의 열전도율은 16[W/m·℃], 보온재의 열전도율은 0.045[W/m·℃], 배관의 보온재의 두께는 15~50A는 20mm, 60~125A는 25mm, 150A는 30mm로 한다. | ||||||||||||||
표 3.25 배관으로부터의 열손실[kcal/m·h·℃]
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호칭경(A) 종별 |
15 |
20 |
25 |
30 |
32 |
40 |
50 |
60 |
65 |
75 |
80 |
100 |
125 |
150 |
|
보온을 실시한 동관 보온을 실시한 스테인레스강관 피복하지 않은 동관 피복하지 않은 스테인레스강관 |
0.17 0.17 0.50 0.50 |
0.21 0.21 0.69 0.69 |
0.25 0.25 0.89 0.89 |
- 0.27 - 1.06 |
0.28 - 1.08 - |
0.32 0.32 1.29 1.34 |
0.38 0.35 1.69 1.52 |
- 0.36 - 1.87 |
0.39
2.08 - |
- 0.43 - 2.38 |
0.45 0.48 2.48 2.79 |
0.55 0.59 3.27 3.57 |
0.66 0.70 4.07 4.33 |
0.67 0.70 4.86 5.15 |
|
(주) 외표면열전달율은 9.97[kcal/㎡·h·℃], 내표면열전달율은 5,950[kcal/㎡·h·℃], 동관의 열전도율은 333[kcal/m·h·℃], 스테인레스강관의 열전도율은 14[kcal/m·h·℃], 보온재의 열전도율은 0.039[kcal/m·h·℃], 배관의 보온재의 두께는 15~50A는 20mm, 60~125A는 25mm, 150A는 30mm로 한다. | ||||||||||||||
(4) 순환펌프
순환펌프(circulating pump)는 마찰저항손실만 이길 수 있는 저양정(양정 2～5mAq)펌프로, 용량에 비해 취급수량이 많다. 축류펌프, 볼류트펌프, 라인펌프 등이 사용된다.
펌프의 기동, 정지는 온수탱크의 출구온도와 반송구에서의 온도가 일정값 이상이 되면 서모스탯(thermostat)에 의해 자동으로 작동하며, 경우에 따라서는 수동으로 운전하기도 한다.
라인펌프(in line pump)는 소규모 설비의 경우 배관 도중에 설치하는 순환펌프로서, 진동이 배관에 전파되어 소음이 발생되거나 옥외에 설치하는 경우 동파의 위험이 따르므로 주의가 필요하다.
그림 3.49 순환펌프의 구조
1) 순환량(양수량)
펌프의 순환량은 배관 및 기기에서의 열손실량과, 온수 공급관 및 반송관의 온도차에 의해 다음 식으로 구한다.
Hℓ
Q = ---------
60 ‧ Δt
Hℓ = Σqi ‧ ℓi + hℓ
여기에서, Q : 온수의 순환량 [ℓ/min]
Hℓ : 배관 및 기기류에서의 열손실 [kcal/h] ⇒[w]
Δt : 온수 공급관과 반송관의 온도차 [℃] ⇒강제 순환식;2～5℃, 자연 순환식;10℃
qi : 배관길이 1m당 열손실 [kcal/h] - (표 3.25) ⇒[w] - (표 3.24)
ℓi : 관길이 [m]
hℓ : 기기류에서의 열손실 [kcal/h] ⇒[w] - 일반적으로 배관 열손실의 30～50%로 하고 소규모의 경우 100%까지한다.)
☞ 순환량을 개략으로 산정하는 경우는 시간당 급탕량의 2～2.5배로 한다.
2) 양정
순환량이 결정되면 배관계통의 마찰손실이 계산된다. 이 마찰손실을 보충하는 것이 순환수두 즉, 순환펌프의 양정이 된다. 따라서 순환펌프의 양정이 되는 마찰손실은 가장 먼 공급개소의 급탕관과 반송관에 대해 계산하고, 각 지관의 마찰손실은 가산하지 않는다.
순환펌프에 의해 강제순환하는 경우의 순환수두는 다음 식으로 구한다.
H = R ‧ ℓ (1 + k)
여기에서, H : 강제 순환수두[mmAq]
R : 배관 저항 [mmAq/m]
ℓ : 왕복 온수관의 길이 [m]
k : 국부저항과 직관저항과의 비
순환펌프의 양정 산정법은 다음과 같다.
① 각 배관구간 모두 배관길이ℓ과 전 손실열량 Hℓ을 구한 다음 전체의 순환수량 Q를 각 구간에 분배한다.
② 각 배관구간 모두 관경과 유량에 의해 유량선도를 이용하여 단위길이마다의 마찰손실수두[mmAq/m]를 구한다.
③ ①과 ②에서 직관부분에 생기는 마찰손실수두를 구한다.
④ 이음류 ‧ 밸브류 등에서 생기는 국부마찰저항손실을 계산하고, ③의 값을 가산하여 전체 마찰손실수두를 구한다.
순환펌프의 양정을 간편하게 개략적으로 구하는 식은 다음과 같다.
L
H = 0.01(--- + ℓ)
2
여기에서, H : 펌프의 전양정 [m]
L : 급탕주관 길이 [m]
ℓ: 반송주관 길이 [m]
[문제 9] 급탕관 전체의 열손실이 3,000[kcal/h](⇒ 3,500[w])이고 급탕기기(온수탱크와 순환펌프)의 열손실이 배관손실의 50[%]라 한다면, 온수의 공급온도 75[℃], 반송온도 70[℃]일 경우 순환펌프의 소요동력은? 단만, 펌프의 양정은 1[m], 효율은 60%로 한다.