온수난방 설계자료

[남매]

2 온수 난방

2.1 개 요

온수난방은 열원에서 가열한 온수를 열매로 이관식 또는 일관식의 배관을 통하여 방열기 또는 온수코일에 공급하여 난방하는 방식으로 온수온도, 온수의 순환방식 및 배관방식 등에 따라 분류되며 열원설비, 배관, 방열기기, 순환펌프, 팽창탱크로 구성된다.

온수난방은 증기난방과는 달리 현열(sensible heat)을 이용하는 방식으로 중온수와 고온수는 지역난방의 열분배 계통과 공업용 프로세스(process)배관에 주로 사용한다.

2.1.1 온수난방의 특성

  ⑴ 장점

    ① 난방부하에 따라 온수조절을 용이하게 할 수 있다.

    ② 증기난방에 비하여 연료소비량이 적다.

    ③ 보일러의 취급은 증기발생용 보일러에 비하여 안전하고 간단하여         소규모 주택에 적합하다.

    ④ 보일러 정지후에도 여열이 남아있고 방열기 또는 코일의 온도가         낮으므로 실내의 쾌감도가 일반적으로 좋은 편이다.

    ⑤ 예열시간은 길지만 잘 식지 않으므로 증기난방에 비하여 배관의         동결 우려가 적다.

    ⑥ 산소함유량을 제한할 수 있으므로 배관내 부식방지에 유리하다.

⑵ 단점

   ① 혹한기에서는 동결의 위험이 있다.

   ② 동일방열량에 대하여 증기난방보다 큰 방열기 또는 배관이 필요하        게 되며 따라서 배관공사비가 약간 높아져 전반적으로 설비비가         많아진다.

   ③ 열용량이 크기 때문에 예열하는데 장시간이 필요하게 되어 단속적        으로 사용하는 경우에는 예열부하가 커진다. 그러나, 사용을 중지        하여도 여열을 이용하여 난방을 지속할 수 있으므로 운전을 용이        하게 할 수 있다.

2.1.2 온수난방의 분류

온수난방은 온수의 온도, 순환방식, 배관방법에 따라 다음과 같이 나누어진다.

표1 온수난방의 분류

분    류	명     칭	개          요
온수온도	저 온 수 식	온수온도 100℃미만
	고 온 수 식	온수온도 100℃이상
순환방식	중   력  식	온수의 밀도차를 이용
	강   제  식	펌프 등의 기계적인 순환력 이용
배관방식	단   관  식	온수의 공급관과 환수관이 동일
	복   관  식	온수의 공급관과 환수관이 별개
공급방향	상   향  식	온수의 공급방향이 상향
	하   향  식	온수의 공급방향이 하향
	상하 절충식	온수의 공급방향이 상향과 하향
팽창방식	개   방  식	팽창탱크의 수면이 대기압상태
	밀   폐  식	팽창탱크가 밀폐된 용기인 상태

(1) 온수온도에 의한 분류   

1) 고온수 방식

고온수 방식에서는 온수온도 100℃ 이상(보통 120℃～180℃)의 온수를 열매로 하여 난방하는 방법이며 물의 증발을 방지하기 위하여 밀폐식 팽창탱크를 사용하며, 온수를 포화압력 이상으로 가압하여 온도를 100℃이상으로 유지하며 온수를 순환시킨다. 온수온도가 높아 저온수식에 비해 방열면적이 적어도 되고, 또 온수의 온도강하를 크게 취할 수 있어 배관도 가늘게 된다. 고온의 온수를 직접 방열기에 공급하면 방열기가 소형으로 되어 경제적으로는 유리하나, 온도감각, 위험성 등의 면에서 일반적인 난방에는 좋지않으므로 대단지 아파트의 일차측 열원으로 사용되며 공장이나 기타 특별한 용도로 많이 쓰인다.

대단위 아파트 단지나 대학 캠퍼스 등 넓은 지역의 난방에는 일반적으로 열교환기나 bleed in 방식으로써 고온수를 저압저온수로 변환하는 방식이 사용된다..

고온수설비에서 고온수 온도저하는 20～60℃ 정도이며 고온수를 직접 방열기를 통해 방열기에서의 온도저하를 30℃ 이상으로 할 때는 방열기성능이 현저히 저하하는 일이 있다.

2) 중온수 방식

중온수 방식은 가장 일반적으로 사용되는 것으로서 온수온도를 80℃에서 120℃정도까지의 온수를 열매로 한다.

3) 저온수 방식

저온수 방식은 100℃이하의 온수를 열매로 한다. 대기압에서의 물의 포화온도는 100℃이므로 저온수식에서는 설비의 최고부인 팽창탱크를 대기에 개방한채 온수를 직접 난방에 사용할 수 있고 고온수식이나 증기난방에 비하여 취급이 간단하고 안전하며 또한 쾌적한 난방감이 얻어지므로 주택, 일반건물, 소규모 아파트단지 등에 널리 쓰이고 있다.

(2) 온수의 순환방법에 의한 분류

1) 중력순환식

온수의 순환방법에서 중력순환식은 배관중에 온도가 높은 온수와 낮은 온수의 밀도차에 의해 생기는 순환력을 이용하므로 자연순환식이라고도 하지만 순환력이 적고 기술적인 제약이 많아 소규모 건축물에 주로 이용한다.

2) 강제순환식

강제순환식은 순환펌프로 온수를 장치전체에 강제적으로 순환시키는 방법이며 온수순환이 신속하고 확실하며 배관도 가늘게 되므로 주택과 같은 소규모 건물에서 아파트나 일반대형건물에 이르기까지 온수난방에는 이 방식이 주로 많이 쓰이고 있다.

(3) 배관방식에 의한 분류

1) 단관식(일관식)과 복관식

  ① 단관식

     공급관과 환수관을 하나의 관으로 하는 방식으로서 1개의 순환주        관이 있어 이것이 방열기로의 공급관 및 환수관으로 동시에 사용되       는 것이다. 따라서 방열기를 통과하여 온도가 내려간 온수가 다시        주관에 돌아가 고온의 온수와 혼합하여 다음의 방열기로 순환되는       것이므로 앞으로 나갈수록 온수온도가 낮아진다.

     그에 따라 주관이 선단에 나갈수록 소요방열면적도 할증해 줄 필요       가 있다. 또한 하나의 방열기를 개폐하면 이것이 다른 방열기에 미       치는 단점이 있다. 단관식은 방열량 조절면에서 단점이 있어 별로        사용되지 않고 있다.

  ② 복관식

     공급관과 환수관이 별개로 이루어진 방식으로 단관식에 비하여 설       비비가 높아지게 되나 온도변화에 대한 안전성이 높고 운전이 확실       하다. 이것은 방열량을 밸브에 의하여 임의로 조절할 수 있고 다른       방열기에 영향을 주는 일이 적다. 일반 건물에서 주로 이 방식이 채       용되고 있다.

2) 상향공급식과 하향공급식

   ① 상향공급식

      보일러에서 나온 공급관을 건물의 최저부에 배관하고 여기              서 상향으로 입관을 분지시켜 각 방열기에 연결하는 방식이다. 중        력순환식에 이 방식을 사용할 경우에는 하향공급식에 비하여 온수        의 순환이 곤란하며 또 방열기마다 공기배출밸브의 설치가 필요하        다.

   ② 하향공급식

      보일러에서 공급관을 최상층까지 입상시켜 최상층의 천정에 배관        하고 여기에서 하향으로 배관하여 각 방열기를 연결하는 방식이다.        이 방식은 중력순환식인 경우에 유리하다.

   ③ 상하절충식

      온수의 주 공급관을 건물의 최상층과 최하층에 위치하게 하여 건        물의 윗부분은 하향식으로, 건물의 아래부분은 상향식으로 구역을        나누어 공급하는 방식이다.  건물이 높고 분지관이 많은 경우에 상        향식이나 하향식과 같이 한가지 방법으로 공급하게 되면 순환력의        차이로 순환장애나 편중으로 인한 문제가 우려되는 경우에 많이         이용하고 있다.

3) 팽창방식에 의한 분류

  ① 개방식

     팽창탱크의 수면이 대기와 면하고 있는 방식으로 탱크높이에 해당       하는 수두압이 배관계에 걸리고 온수의 팽창량이 팽창탱크의 수위       를 변화시키며 배관계의 부족한 물을 공급시킨다.

  ② 밀폐식

     배관계와 연결되어 있는 팽창탱크가 대기와 연결되지 않고 압축공       기나 가스에 의하여 가압되어 있는 방식을 말한다.  특히 물과 기체       사이에 격막이 설치되어 있는 방식을 다이아후램식이라하며 온          수의 팽창이나 수축이 팽창탱크내에 있는 기체의 체적변화로 흡수       된다.

(4) 2차측 접속방식

고온수 난방방식은 일반적으로 넓은 지역을 공급하는 경우가 많으므로 고온수를 1차측 열매로 이용하고, 부하 쪽인 2차측에는 부기계실(Sub Station)을 설치하여 고온수보다 낮은 온도의 온수 또는 증기로 바꾸어 사용하는 경우가 많다.  2차측의 접속방식으로는 직결방식, 열교환방식 및 브리드인 방식이 있다.

1) 직결방식

  가장 간단한 방식으로 1차측 열매인 고온수를 그대로 2차측에 공급하는 방식이며, 부하기기의 사용조건에 의하여 120℃ 정도로 제한되는 경우가 있고 출입구 온도차를 그다지 크게 잡을 수 없으므로 배관도 굵게 된다.  또한 부하측에 초고층 건물이 있을 때에는 보일러의 내압을 높여야 하므로 불리하게 된다.  2차측의 용량제어를 위하여는 접속점에 자동제어밸브인 2방변 또는 3방변을 설치하고, 1차측의 높은 압력이 미치는 것을 방지하기 위하여 2차측 입구에 감압밸브를 설치하여 조정하기도 한다.

  직결식에서 2차측 온도를 130℃이상으로 사용할 때에는 유량이 감소하여 각 방열기기에서의 흐름의 밸런스가 불량하기 쉽다.  이를 방지하기 위하여는 오리피스를 설치하는 등의 방법으로 각 기기의 저항을 크게 하도록 한다.

2) 브리드인 방식(Bleed in Method)

  1차측과 2차측이 직결되어 있지만 2차펌프로 2차측의 환수를 바이패스시켜 고온수와 혼합시키므로 2차측의 공급온도를 낮추어 부하기기에 공급하는 방식이다.  이 때 2차펌프는 2차측을 가압하고 순환시키는 역할을 하며, 유량은 2차측 설비에 필요한 유량과 동일하게 선정하고 양정은 순환계통의 저항과 동일하게 취한다.

  이 방식은 환수온도가 1차, 2차측 모두 동일하지만 2차측의 공급온도는 독립하여 선택할 수 있다.  그러나 압력의 점에서는 직결되어 있어 1차측의 압력이 2차측에 영향을 주므로 옥내기기 및 배관의 코스트가 올라간다.  이를 피하기 위하여 감압밸브를 펌프앞에 설치하기도 한다.

  이 방식은 감압밸브 및 유량제어밸브를 설치하는 것에 의하여 1차측 압력에 관계 없이 2차측의 압력을 낮게 유지하는 것이 가능하고, 또한 온도제어밸브의 차압을 일정하게 유지하므로 제어성이 좋아진다.

3) 열교환기 방식

  열교환기를 이용하여 1차측의 고온수로 2차측의 온수 또는 증기를 발생시켜 이용하는 방식이다.  1차측의 수온이 150℃를 초과할 때에 적당한 방법이며 2차측은 1차측과 절연되어 있으므로 필히 팽창탱크를 필요로 한다.  고온수의 리턴측에는 2방밸브를 설치하여 온도제어를 한다.

  부기계실의 설비비는 최대로 크게 되지만 1차측의 온도를 높게하고 공급과 환수 온도차도 크게 할 수 있으므로 1차측 배관을 가늘게 할 수 있다.  또한 1차측과 2차측과의 압력 문제에서도 절연되어 있기 때문에 1차측의 고압을 위하여 2차측의 내압강도를 크게하는 일이 없고, 반대로 초고층건물과 같은 경우 2차측의 압력이 1차측보다 높은 경우에도 보일러에 영향은 없다.  2차측에 증기를 사용할 때에는 1차측의 환수온도를 발생증기의 포화온도보다 10℃이상, 되도록 20℃정도 높게 하는 쪽이 열교환기가 경제적으로 된다.

2.2 온수난방의 설계

2.2.1 온수난방의 설계

⑴ 설계순서

   ① 각 실의 손실열량을 계산한다.

   ② 순환방식을 강제식 또는 중력식중에서 결정한다.

   ③ 방열기의 입구, 출구의 온수온도를 결정하고 방열량 및 온수순환량        을 구한다.

   ④ 각 실의 손실열량을 방열량으로 나누어 각 실마다 소요방열면적을        구하고 방열기를 실내에 적당히 배치하여 각각 방열면적을 할당한        다.

   ⑤ 방열기, 콘벡터, 베이스보오드 등의 사용형식을 결정한다.

   ⑥ 방열기와 보일러를 연결하는 합리적인 배관을 계획한다.

   ⑦ 순환수두를 구한다.

   ⑧ 보일러에서 최원단의 방열기까지 경로에 따라 측정한 왕복길이           를 구하고 배관저항을 구한다.

   ⑨ 관경을 정하는 부분의 온수순환량을 구한 다음 압력강하를 사용하        여 온수에 대한 배관재의 저항표에서 관경을 결정한다. 주 경로 이        외의 분지관도 배관 저항(압력강하)을 사용하여 관경을 정한다.

   ⑩ ①～⑨에 따라 구한 관경이 전부 결정되면 다음과 같은 방법으로        검산한다.

온수순환량과 관경에서 각각 다른 배관, 각부의 압력강하를 구한 다음 아래식에 적합하도록 관경을 변경한다.

         

여기서, : 순환수두 [mmAq]

         ∑ : 보일러에서 어떤 방열기에 이르는 배관각부의 합계

        : 직관의 길이 [m]

        : 국부저항의 상당길이

        : 배관각부의 압력저항 [mmAq/m]

이다.

    ⑪ 와 이 일치하지 않을 때에는 오리피스(orifice)          를 삽입하거나 또는 방열기출구에 리턴콕을 설치하여 이것을           조절하는 방법으로 저항을 가감한다.

    ⑫ 개방식 팽창수조는 옥상, 지붕밑, 또는 계단상부에 설치하여 동결         하지 않도록 보온한다.

    ⑬ 보일러의 용량을 결정하고 보일러 및 이에 부속하는 연소기, 순환         펌프 기타 부속기기를 결정한다.

  ⑵ 설계시 고려사항

    ① 부하가 되는 각 기기에 공급하는 온수온도와 온수량을 적절하게         선정한다.

    ② 각 기기에 온수량을 신속하고 균일하게 순환시키도록 한다.

    ③ 순환에 있어 유수음등 소음이 발생하지 않도록 한다.

    ④ 체적팽창에 의해 장치내에 이상 내압이 생기거나 오버 플로우에         의해 열손실이 발생하지 않도록 한다.

    ⑤ 공기주입에 의한 관내부식이 진행되지 않도록 한다.

    ⑥ 관의 신축에 의한 각종 장해가 일어나지 않도록 한다.

온수 순환량은 기기의 필요부하에 대하여 공급온도 뿐만 아니라 그 출입구 온도차에 따라 좌우되므로 특히 대규모 장치에서는 설비비와 동력비와의 경제성을 고려하여 결정한다. 또한 공급온도는 온수에 작용하는 압력에 따라 제약되므로 120℃ 이상의 고온수를 사용할 때는 적당한 가압장치가 필요하다.

2.2.2 고온수난방의 설계

⑴ 개 요

고온수난방장치는 보통 120℃(약 1.0㎏/㎠g)이상의 온수를 사용하는 장치를 말하며 고온수의 사용 최고한도는 물의 임계온도 374.1℃(22.5㎏/㎠ 절대압력)까지를 잡을 수 있으나 경제성 측면에서 230℃(약 28.5㎏/㎠ 게이지 압력)를 통상 사용한도로 하고 실용상으로는 180℃ 정도의 것이 많다.

고온수는 지역난방의 열분배계통 또는 공업용 프로세스 배관에 사용되는 외에 누설시의 위험성이 고압증기보다 적으므로 고온복사패널, 또는 특별히 설계된 저온 방사면을 가진 콘벡터에서는 210℃ 정도까지의 고온수를 직접 사용하여 실내난방을 하는 경우도 있다. 그러나, 인체에 근접하여 직접실내에 설치되는 방열기, 콘벡터등에는 고온수를 사용한 수대수열교환기를 사용하여 보통 120℃를 한도로 한 온수난방장치의 일차열원으로서 사용된다.

⑵ 고온수난방과 온수난방의 차이점

   ① 장치전체를 밀폐식으로 하고 장치중의 어떠한 위치에 있는 부분이        라도 온수온도에 해당하는 포화압력이상으로 가압하여야 한다.

   ② 공급수와 환수의 온도차는 보통의 온수난방 장치보다 크게 잡는다.

   ③ 보일러, 펌프, 기기, 배관재료등은 사용온도에 따라 적합한 것을 사        용하고 각 말단기기의 용량제어용기기 이외의 기계적 장치는 보일        러실에 집중시킨다.

   ④ 배관은 지형, 건물의 상황에 따라 구배를 고려함이 없이 자유로 입        상, 입하가 가능하다.

⑶ 사용온도와 온도차

사용온도와 온도차는 시스템의 경제성에 의하여 결정하는 내용으로 온수온도를 높게 잡으면 사용되는 기기는 내압강도가 큰 것이 필요하게 되지만 온도차를 크게 잡을 수 있고 배관 및 열교환기, 방열기의 치수를 작게 할 수 있다. 그러나 어떤 사용온도, 온도차를 선정하는가 하는 것은 장치의 규격, 배관의 연장, 사용하는 보일러, 기타의 기기에 따라 다르므로 그때마다 경제성을 판단하여 결정해야 한다.

예를들면 1,250,000～5,000,000㎉/hr 정도의 난방용에는 120～165℃ 정도의 고온수를 2,500,000～5,000,000㎉/hr 이상의 장치에서는 165～230℃ 정도의 고온수가 사용되고 있다. 공급과 환수의 온도차는 최소 55℃, 보통은 65～83℃가 권장되고 있다. 그러나 환수온도가 130～110℃정도 이하가 되어 보일러의 연소가스가 정체될 가능성이 있는 부분에 환수되면 연소가스중의 황산생성에 의한 보일러의 저온부식을 일으킬 염려가 있으므로 주의해야 한다.

⑷ 고온수난방의 특징

1) 고온수난방 방식은 증기난방에 비해 동일부하에서 운전할 때 연료는      약 20～40% 절약된다. 이것은 장치의 열효율이 높고 온수온도의 중      앙제어가 용이하기 때문이다. 장치의 열효율이 높은 이유는 다음과       같다.

   ① 증기에서 환수를 전부 보일러에 반환할 때도 트랩직후의 재증발과        환수관 내부의 냉각에 의해 열손실이 생긴다.

   ② 증기트랩의 누설때문에 다량의 증기가 환수관으로 들어가 열손실        이 생긴다.

   ③ 증기보일러에서는 매일 1회 이상 브로우다운해을 하여야 하며           이 브로우수의 폐열을 회수하지 않는 한 그만큼 열손실이 된다. 한        편 고온수에서는 보일러수의 농축이 없으며 전혀 브로우다운의          필요가 없다.  또 물의 손실이 적으며 보급수량도 대단히 작아져         그 가열량도 증기의 경우에 비하여 대단히 적다.

2) 고온수난방은 기기의 고장이나 배관의 부식이 적고 보일러의 운전,       관리도 쉬우며 증기난방에 비하여 보수관리면에서도 용이하다. 또한      고온수에 있어서는 고장을 일으키기 쉬운 증기트랩, 감압밸브와 같은      기기가 없으므로 보수가 용이하다. 또 물처리를 충분히 한다면 보일      러나, 배관재의 부식은 거의 없으며 수리비용도 적게 든다.

3) 고온수 장치내의 열용량은 증기나 저온수에 비하여 크기 때문에 최      대부하일 때도 보일러에 그 부하가 직접 가해지지 않는다. 따라서 보      일러의 운전이 안정된다.

4) 장거리에 열을 수송할 때 고온수 일수록 배관경이 작아진다. 배관은      증기와 같이 구배가 필요없어 배관스페이스가 작아진다. 또한 지형의      고저에 따른 배관의 입상, 입하를 자유롭게 설치할 수 있다.

⑸ 고온수난방의 문제점

1) 보일러 플랜트가 고온수일 경우 고온수용 순환펌프나 밀폐식 팽창탱      크를 필요로 하기 때문에 그 만큼의 비용이 증가한다.

2) 프로세스(process)나 냉동기용 증기터빈과 같이 고압증기를 다량으로      필요로 할 경우에는 부적당하다. 단, 증기부하가 난방부하에 비해 작      고, 또한 증기압력이 5atg 이하인 경우에는 고온수에 의한 증기발생      기로 해결가능하다.

3) 높이 30m가 넘는 고층건축물에서 지층에 보일러실을 두고 상층까지      열공급을 행할 경우에는 증기보다 불리하다.

4) 설계, 시공에 주의하지 않으면 누수가 생길 위험이 크다.

5) 장치의 열용량이 커서 예열시간이 길기 때문에 연료소비량이 증대한      다. 그러나 전체적으로는 이 예열분을 합해도 증기난방보다 에너지       절약면에서 유리하다.

⑹ 고온수의 적용

   1) 고온수의 적용이 적합한 개소

     ① 지역난방 또는 학교 등 구내난방과 같이 공급하여야 할 구역이          넓고, 또한 건물이 산재하여 실내배관이 길 경우

     ② 하나의 건물에 있어서도 그 높이가 비교적 낮고 건물의 건축면          적이 넓으며 배관연장이 길 경우

     ③ 중소규모건물의 직접난방에 있어서 그 건설비를 적게 할 경우

     ④ 항온의 프로세스(process)용 가열을 필요로 하는 경우.

   2) 고온수보다 고압증기의 이용이 적합한 개소

     ① 증기구동의 냉동기를 사용할 경우

     ② 2관식 지역냉난방의 경우

     ③ 프로세스용 등에서 고압증기가 다량으로 사용될 때

     ④ 높이 30m 이상의 고층건물에서 보일러를 지층에 설치하여 상층          에도 다량의 열 공급이 필요할 때     

⑺ 가압장치

   1) 고온수의 유동상태는 장치내의 어떤 부분이라도 그 포화압력 이상        으로 유지하고 (1.5～2.0㎏/㎠), 플래쉬(flash)현상이 일어나지 않도        록 한다.

   2) 팽창탱크로서의 작용을 완수하고 불필요한 보급수를 최소한으로         하는 것이어야 한다.

   3) 압력조정범위에서 확실하고 신속하게 작동하며 그 유지관리가 용        이하여야 한다.

   4) 장치내의 고온수에 대해 부식의 원인이 되는 산소의 보급원이 되        지 않아야 되는 것이 요구된다. 이 때문에 밀폐식 팽창탱크는 적당        한 용적을 갖는 동시에 가압장치는 탱크의 고저수위 및 과대압력        에 대한 안전장치와 연동되고, 또한 보일러연소 안전장치 및 순환        온수량의 제어장치와 인터로크(inter lock)될 필요가 있다.

⑻ 가압방식의 종류

① 정수두 가압방식

  고온수를 사용하는 기기보다 훨씬 높은 곳에 개방식 팽창탱크를 사용  하는 방법이며 초고층빌딩에서 고온수를 사용하는 공기조화기, 열교환기, 흡수식냉동기가 하층에 있는 경우에 사용된다.

② 증기가압방식

   가. 증기실을 가진 고온수 보일러에 의한 방법

      원통형보일러 또는 수관식보일러의 수면이하에서 고온수를 빼내고        증기스페이스(space)는 가압식 및 팽창스페이스로서 사용하는 방         식이다. 이 방식은 230℃ 정도 까지의 비교적 소규모장치로서 장         치가 보일러 설치 위치보다 낮은 설비에 사용된다.

   나. 직결식 증기가압실을 가진 밀폐식 팽창탱크에 의한 방법

      강제순환식 고온수보일러를 나온 고온수는 보일러보다 높은 곳에        위치한 밀폐탱크로 유도되며 장치의 순환펌프는 이 밀폐탱크에서        흡인된다. 장치의 순환수는 펌프 흡입측에서 환수관과 연결되어 환        수와 혼합되어서 보일러에서 발생한 고온수보다 저온으로 순환되        게 되어 있으므로 밀폐탱크내에서는 그 온도에 해당하는 포화압력        보다 높은 압력으로 재증발하여 장치전체를 증기가압 한다. 이 방        식에서는, 부하가 적은 경우에는 환수의 온도가 그다지 저하되지         않으므로 순환수의 온도가 높아지고 이에 해당하는 포화압력이 가        압압력에 접근하여 장치내에서는 사소한 압력손실이 생겨도 플래        쉬(flash)가 일어나기 쉽다. 또 보일러를 여러대 사용하고 있는 경        우에 정지되어 있는 보일러를 추가운전할 때 저온의 온수가 탱크        로 들어가면 가압압력을 감소시켜 같은 현상이 일어난다. 이 방식        은 팽창탱크를 크게 할 수 있으나 장치전체는 팽창탱크보다 낮은        곳에 있어야 한다. 

   다. 밀폐식팽창탱크를 보조가열하는 방법

      밀폐탱크내의 가압압력의 안전성을 유지하기 위해 보조가열장치를        부가시킨 것이며, 보조가열장치로서는 반응이 빠르고 기동, 정지가        용이하며 전열 또는 보조보일러를 사용한 직접가열, 간접가열 어느        것이라도 무방하다. 이 방식에 따르면 가압압력을 높일 수가 있으        므로 탱크는 장치보다 낮게 할 수도 있다.

   라. 증기흡입식 밀폐식팽창탱크에 의한 방법

      카스케이드 방식이라고도 하며 고압증기를 흡인하여 온수를 직접        가열하는 방법으로, 증기보일러외에 각종 폐기(廢氣)를 사용할 수        도 있다. 탱크내에서 환수는 가압펌프에 의해 간막이판으로 세분화        되어 흐르는 동안에 증기에 의해 가열되며 한편 응축된 온수는 카        스케이드히터에서 자동적으로 보일러로 환수된다. 카스케이드히터        에서 얻어지는 가압탱크의 온수온도는, 공급되는 과열증기 또는 포        화증기의 포화온도와 동일하거나 또는 그 이하이며 장치를 순환하        는 고온수는 이보다 낮아야 한다. 이 방식에서는 장치내 온도의 고        온수리턴은 간접가열식과 마찬가지로 보일러를 통과하지 않으므로        보일러의 저온부식 문제는 없다. 그리고 장치는 팽창탱크보다 높은        곳에 설치되어야만 한다.   

③ 질소가스 가압방식

증기가압방식에서 가압압력은 그 속의 온수온도에 따라 좌우되며 간헐난방의 경우 보일러가 가동되지 않을 때 배관도중에서 공기를 흡입하여 보일러 및 배관계의 부식을 일으킬 위험이 있다. 이같은 결점을 제거하기 위해 고안된 것이 가스 가압방식이며 가압용 가스로서의 공기는 고온수에 산소흡입에 의한 부식장해를 일으키므로 질소 등의 불활성가스가 사용된다. 질소가스는 고온수에 다소 흡수되지만 그 양은 매우 적다. 이 방식에는 다음과 같이 변압식과 정압식이 있다.

  가. 변압식

     가장 간단한 방법으로서 가스용기를 탱크에 직결하고 수온의 변화       에 따른 탱크내의 수위의 변화에 따라 가스 스페이스내의 질소가스       및 수증기에 의한 가압압력이 변화한다.

  나. 정압식

     변압식에서는 가압탱크가 커지므로 탱크내의 가압압력이 거의 일정       하게 되는 조정장치를 설치한 것이며 대규모장치에 적합하다. 이 조       절방법에는 압축기와 고압가스회수를 조합시켜 가스 스페이스압력       을 일정하게 유지하는 것과, 가스 스페이스를 일정하게 유지하고 팽       창수량은 조절밸브에 의해 부속된 오버플로탱크로 배출되며, 수축        시는 오버플로탱크에 부속된 보급수펌프에 의해 장치내로 회수되        는 것이 있다. 이 방식에서는 가스 스페이스가 일정하더라도 그 가       압압력은 온도에 따라 변화하므로 그 온도변화를 적게 할 필요가        있으며 또한 보급수펌프계통등에서 용존산소의 혼입이 없도록 주의       해야 한다.

④ 펌프가압방식

장치내의 압력을 유지하기 위해 가압급수펌프를 사용하는 방법으로 장치내의 압력이 상승되면 안전밸브에서 여분의 물은 개방식탱크로 유도되며 펌프는 압력스위치에 의해 이 개방탱크의 물을 다시 장치내로 밀어 넣는 간헐운전을 한다. 이 방식에서는 밀폐탱크가 필요없으므로 대규모장치에서 유리하지만 장치내의 압력변화는 사소한 보급수량으로 크게 변화되므로 장치내의 압력을 온도에 따라 일정하게 유지하기가 어려우며, 급수탱크가 개방되어 공기가 침입함으로써 부식을 일으킬 위험이 많아 수질처리가 필요한 동시에 저온의 보급수공급에 따른 장해가 일어나지 않도록 해야 한다.

⑼ 순환방식

1) 단식펌프방식 : 보일러와 장치 전계통을 동일펌프로 온수를 순환시키                    는 방식으로서 주로 장치의 전 저항이 적은 경우에                     사용된다. 고온수장치에서는 보통 부하가 적은 경우라                    도 고온수보일러의 최소순환량을 확보하기 위해 바이                    패스밸브가 부하계통에 부착되며 이런 경우 정속회전                    의 단식펌프방식에서는 운전경상비가 커진다. 또 증기                    가압식에서는 장치계의 온수온도를 조절하는 목적으                    로 환수를 혼합시키는 경우가 있으나, 이 경우 부하가                    적지않을 때 환수의 대부분은 펌프흡입측으로 흘러서                    보일러의 최소유량을 확보할 수 없다.

2) 복식펌프방식 : 보일러계와 장치계를 별개의 펌프로 순환시키는 방식                    이며, 보통 각 보일러마다 1차 펌프를 설치하여 팽창                    탱크 또는 장치계의 환수를 보일러를 통해 팽창탱크                    까지 순환시킨다. 이 방식에서는 보일러에 가해지는                     펌프의 압력을 감소시킬 수 있어서 부하측의 각 계통                    에는 2차 펌프에 의해 1차측의 유량과 관계없이 각각                    다른 공급온도 및 압력의 고온수를 공급할 수 있다.

⑽ 시공시 고려사항

1) 고압증기관의 기준에 따라 사용한다. 스케줄 40의 압력배관용 탄소강강관을 사용하면 170℃ 이상의 고온수배관에 대해서도 충분하다. 고온수장치에서는 거의 물의 손실이 없으므로 공급시에 물을 약 알카리성으로 한다.

2) 고온수의 배관

구배는 순구배, 역구배 어느 경우라도 1/200 이상으로 하고 제일 높은 곳에는 공기빼기밸브를 장착한 공기저류부를, 제일 낮은 곳에는 더스트포켓이 달린 배수밸브를 설치하면 고저에 관계없이 배관할 수 있다. 각 기기의 제어밸브에서 증기가압밸브는 증기가압방식에서 특히 저온의 환수측에서 가급적 낮은 곳에 정착하여 고온측에서 죄어져서 플래쉬 또는 워터해머를 일으키는 일이 없게 한다. 또 무부하상태시, 장시간온수의 흐름이 정지되는 계통에는 기기 가까이에 바이패스밸브를 설치하여 계속 소량의 온수가 흐르게하여 통수시에 냉수와 고온수가 급격히 혼합되어 해머를 일으키는 것을 방지한다.

3) 순환펌프

펌프의 동력은 저온과 고온에 따른 물의 비중차에 의해 달라지므로 장치의 어떠한 운전상태에서도 과부하가 되지 않도록 선정한다. 펌프 양정은 장치의 가압상태에 영향을 미치게 되므로 전부하와 무부하의 경우의 압력변동이 15% 이내가 되도록 평탄한 성능곡선을 가진 것이 좋다. 펌프의 실제흡입양정은 가압탱크의 경우 설치장소에 따라 크게 영향을 받으므로 흡입측에서 플래쉬를 일으키지 않도록 계획한다. 또 펌프 케이싱내에서의 플래쉬(flash)가 잘 생기지 않는 단층식의 것이 좋다.

2.3 온수난방 배관

2.3.1 배관방법

⑴ 배관은 1/200의 일정 구배로 시공하여 그 최고소의 배관에 기포가 모  이게 한다. 부득이한 경우에는 수평구배로 하여 온수의 방향으로 공기가 흐르도록 해서 말단에 공기빼기를 설치한다. 이 공기빼기는 팽창탱크로 도피시키는 자동식 또는 수동식 공기빼기밸브로 배기하게 한다.

⑵ 강제순환식에서는 팽창관을 펌프의 흡입측에 접속한다. 그러나 이 경우 팽창관과 장치의 배관계와의 접속점에서는 펌프의 운전에 의해 압력변화는 일어나지 않는 것으로 생각해도 된다. 이 접속점에서의 펌프흡입관측의 마찰저항이 과대하면 펌프흡입구에서 부압이 생겨 캐비테이션(cavitation)을 일으키는 동시에 장치내에 공기를 흡입할 염려가 있으며 또 소음장해를 일으키기도 한다.

⑶ 일반적으로는 고장수리를 위해, 특히 동절기의 난방정지시에 동결의 우려가 있는 지방에서는 배관의 최저점에 배수밸브를 설치하여 배관내의 물을 전부 배수할 수 있도록 배수밸브를 향해 하향구배로 배관한다.

⑷ 방열기에는 반드시 수동의 공기빼기밸브를 설치한다.

⑸ 밸브에는 원칙적으로 게이트밸브, 스윙체크밸브를 사용한다. 또 가로배관에 설치하는 게이트밸브는 공기 고임을 방지하기 위해 축을 수평으로 장착한다.

⑹ 보일러에서 팽창수조에 이르는 팽창관(안전관)에는 절대로 밸브를 달아서는 안된다.

⑺ 배관열팽창에 관해서는 증기난방과 같은 고려를 해야 하며 고온수배관에는 특히 유의하여야 한다.

⑻ 큰 장치에서는 가급적 각 입상관에 밸브 및 배수밸브를 설치하여 고장수리시의 물빼기를 고려해야 하며 배관저항의 불균형을 방지하는 방법의 하나로서 리버스리턴(reverse return)방식의 배관을 하는 것이 좋다.

⑼ 배관도중의 저항을 적게 하기 위하여 관의 절단시에 절단면에 생기는 덧살을 완전하게 제거하여야 한다.

⑽ 배관도중의 T자관 부분은 온수 흐르는 방향을 고려 해야 한다.

⑾ 수평주관에서 구경이 다른 관을 접속하는 경우에는 편심레듀서를 사용하고 상향구배의 배관에는 관의 상면을 맞추고, 하향구배일 때는 하면을 고르게 맞추도록 배관한다.

⑿ 밸브는 게이트밸브를 사용하고 부득이 스톱밸브를 사용할 때에는 밸브스템을 수평으로 하여 기포가 유동할 수 있도록 하여야 한다.

⒀ 관은 온도변화에 의하여 신축이 일어나므로 특히 배관의 이동을 허용하지 않는 개소는 고정하고, 직선부분에는 적당한 간격으로 신축이음 또는 신축곡관을 설치한다.

⒁ 혹한지에서는 동결방지를 고려 하여야 한다. 장시간에 걸쳐 난방을 중단 할 경우에는 관내의 물을 완전하게 배수할 수 있도록 필요개소에 배수밸브를 붙이도록 한다.

⒂ 순환펌프는 환수관에 붙이는 것이 보통이며, 팽창탱크는 펌프의 흡입측에 접속한다.

2.3.2 팽창탱크 (expansion tank)

온수난방에서는 물의 온도변화에 따라 온수의 용적이 증감하게 된다. 온수의 팽창량은 4℃의 물을 100℃까지 높였을 경우 팽창체적비율이 4.3%에 이르며, 따라서 항상 이 정도의 팽창에 대한 여유를 갖지 않으면 안된다. 이에 대응하기 위해 설치하는 것이 팽창탱크이며, 설치하는 목적은 다음과 같다.

   ① 운전장치내의 온도상승에 대한 물의 팽창에 대하여 장치의 각 부        분에 장해를 일으키는 압력을 흡수한다.

   ② 운전중 장치내에서 일정압력과 온수온도를 유지한다.

   ③ 팽창된 물의 배출을 막아 장치의 열손실을 방지한다.

   ④ 난방장치가 가동되지 않는 중에도 일정압력 이상으로 유지하여, 물        의 누설 등에 의한 장해가 되는 공기의 침입을 방지하는데 있다.     이를 위하여 팽창탱크는 팽창관은 물론 오버플로 또는 안전밸브, 압력유지장치, 보급수장치를 갖는 일정용량의 것이 요구된다.

⑴ 개방식 팽창탱크(open expansion tank)

중력식 온수난방장치에서는 보일러로부터의 온수상승관에서 릴리프관(relief pipe)을 설치하여 보일러에서 발생한 공기가 빠지기 쉽게 하며  강제순환식에서는 펌프의 흡입측에 접속한다.

  그러나 이 때에도 팽창관과 장치의 배관계와의 접속점에서는, 펌프의 운전에 의해 압력변화가 일어나지 않는 것으로 생각해도 되므로, 이 접속점부터의 펌프흡입측 펌프저항이 과대하면 펌프 흡입구에서 부압이 생겨 캐비테이션(cavitation)을 일으킴과 동시에 장치내의 공기가 흡입될 우려가 있다.

⑵ 개방식 팽창탱크 설치시 고려사항 

  ① 개방식탱크의 용량은 장치 전수량 팽창량의 1.5～2배 정도로 한다.       장치 전수량의 개략 기준은 총 방열기체적의 2배로 하고 주형방열       기에서 방열기체적은 방열면적 ㎡당 2ℓ, 휜(fin)형 방열기에서는 1.       3ℓ정도로 개략 산정한다. 또 팽창탱크의 체적(ℓ)의 개략결 정하는       방법으로 방열면적(㎡)과 같은 값으로 잡는 경우도 있다.

  ② 개방식팽창탱크는 장치의 최고부보다 적어도 1m이상의 높이에 설       치하여야 한다.

  ③ 보일러와 팽창탱크를 연결하는 팽창관(안전관)에는 밸브를 설치하여       서는 안된다.

  ④ 탱크는 보통 보온 및 방로를 위해 단열시공을 한다.  한냉지에서는

     탱크 및 안전관의 동결을 막기 위해 탱크와 안전관을 순환용관으        로 연결하고 순환용의 팽창환수관을 설치하여 소량의 온수를 탱크       에 순환시키는 동시에 통기관을 충분히 고려하여 통기의 동결도         방지한다.

  ⑤ 장치내의 온수온도를 85℃이상으로 사용하면 탱크수면에서의 증발       이 많아져서 부적당하다.

⑶ 밀폐식 팽창탱크(closed expansion tank)

팽창탱크는 온수난방장치 전계통의 최고부에 설치하는 것이 원칙이지만 밀폐식탱크는 지하 보일러실에 설치 할 수도 있다. 개방식 팽창탱크에서는 체적팽창에 의한 잉여의 온수는 오버플로우관을 통해서 계통외부로 배출되고 증기나 공기도 배기관으로 배출되지만, 밀폐식에서는 전계통이 완전히 밀폐되어 있으므로 보일러를 계속 가동하게 되면 온도는 상승하고 그 온도에 대한 포화증기에 의해 압력은 높아지고, 온도가 내려가면 압력은 낮아진다. 이 압력의 변동을 완화하는 완충대로서 밀폐탱크 상부에 공기층을 만들고 공기의 탄력성에 의해서 압력의 변동을 흡수하는 것이다. 이 때문에 밀폐탱크는 개방식탱크에 비해서 커진다. 공기층의 용적을 크게 할수록 압력의 변동은 감소한다.

⑷ 밀폐식 팽창탱크의 설치 목적

  ① 밀폐식은 시스템내에 보급수가 필요없고 온수의 팽창량에 대한 흡       수를 밀폐식팽창탱크내의 가스로 한다. 

  ② 시스템내의 물은 대기와 접촉하지 않는다. 따라서 부식의 원인이 되       는 공기가 들어가는 일이 없어서 부식의 진행이 없다.

  ③ 팽창탱크는 보통 보일러 가까이에 설치한다. 따라서 옥상 등에 설치       하는 팽창탱크에 비해 동결의 염려가 없고 건물의 미관을 손상시        키는 일이 없다. 또한 공사비면에서도 유리하게 되며 보수, 점검도       기계실에서 할 수 있다.

  ④ 팽창탱크내에 온수의 순환이 없으므로 열손실이 없다.

밀폐식 팽창탱크내 공기층의 필요압력은 다음과 같다.

     

여기서, P : 밀폐식 팽창탱크의 소요압력 [mAq]

         h : 탱크내 수면에서 배관계 최고소까지의 수직높이 [m]

        : 소요온도에 대한 포화증기압 [mAq]

        : 순환펌프의 양정 [m]

이다. 또한 밀폐식 팽창탱크의 용적은 다음 식으로 구한다.

     

여기서, V  : 밀폐식 팽창탱크의 용적 [ℓ]

        Δυ: 온수의 팽창량 [ℓ]

        : 대기압 [㎏/㎠]

        : 최대허용압력 [㎏/㎠]

         h  : 탱크의 수면에서 배관계 최고소까지의 수직 높이 [m]

         a  : 계수 (1.2～1.5)이다.

(5) 팽창관의 안전장치

온수난방장치의 안전장치로서 온도상승에 따른 체적팽창을 완화시키기 위해 팽창관을 세워 올려서 팽창탱크에 접속하는 방법과, 과열에 의해 증기가 발생했을 때 이것을 외부로 배출시키기 위해 보일러에서 안전관(도출관)을 설치하여 팽창탱크의 수면상에 나오게 하는 방법등이 취해진다.

팽창관은 배관의 일부와 접속시켜 주면 되지만, 순환펌프를 사용하는 경우에는 펌프의 흡입구 근처에 접속한다.  또한, 보일러에서 팽창탱크에 이르는 팽창관에는 밸브를 설치하여서는 안된다.  만일 온수의 출입구에 밸브를 장치하는 경우에는 과실을 방지하기 위한 안전장치가 필요하다.  안전장치로서는 도출밸브(relief valve), 도출관 및 특수삼방밸브 등이 있다.

2.4 온수난방의 자동제어

1) 온수난방에서는 보일러에서 공급되는 온수의 온도 및 압력이 각 위치별로 다르게 공급되므로 온수의 균등분배를 위한 설계가 필요하다. 예를들면, 먼저 분기되어 공급되는 건물이나 위치에서는 온도가 높고 나중 공급되는 곳에는 온도가 낮은 온수가 공급되어 난방만족도가 낮게 되는데, 이러한 불균형을 해소하기 위한 방안으로 각 구간 또는 전체를 리버스 리턴방식이나 콘트롤 밸브를 설치하여 균등분배되도록 한다. 또한 건물이나 난방입상관을 몇개 구획(zoning)으로 구분하여 설치하기도 한다. 그러나, zone별 배관방법은 공사비가 많고 파이프 닥트의 소요면적이 크므로 분기개소에 콘트롤 밸브를 설치하는 방식이 유리하다.

2) 건물내에서는 사용용도별, 방위별 등에 따라 방열기를 구획(zoning)하여 각 방열기군에 대해 제어를 할 경우 리버스 리턴 방식의 환수주관에 비례제어 3방밸브를 설치하면 각 방열기로 온도균등분배가 좋게 된다. 또한, 각 zone마다 순환펌프를 사용하고 공급주관에 혼합 3방밸브를 설치하여 보일러로부터 온수와 각 zone의 환수를 혼합해서 온수온도를 바꾸도록 하고, 방열기로 유량을 항상 일정하게 유지하는 방법도 있다.

이와같은 경우에 외기 서모스타트를 사용하여 실내 서모스타트 설정온도나 보일러 출구온수온도로 고정하는 것이 좋다.