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4-1 개 요
난방이란 열원기기에서 가열된 증기·온수 등의 열매를 직접 실내에 방열장치에 공급하여 난방하거나 또는 열원장치에서 가열된 열매가 공기조화기·배관·덕트 등을 지나서 실내로 공급되어 난방하는 방식 등으로 이루어진다. 전자를 직접 난방이라 하고 후자를 간접난방이라고 하는데, 전자는 후자에 비해 비교적 설비가 간단하고 취급이나 유지관리가 용이하지만, 일반적으로 실내 습도의 조절이나 공기의 청정도 유지가 곤란하다.
또한, 난방의 방식에는 개별식 난방과 중앙식 난방이 있다. 화로·스토브 등과 같이 난방하는 실에서 직접 불을 사용하는 것을 개별난방이라 부른다. 이에 대해서 보일러·온풍로 등을 기계실에 설치하고 여기에서 발생되는 증기·온수·온풍 등을 여러 실에 공급·배분하는 것을 중앙난방이라고 한다. 중앙난방을 분류하면 증기난방·온수난방·온풍난방이 있는데, 특히 중앙난방의 대규로 방식으로서 도시의 일정 구역의 다수 건물에 대해 1개소의 보일러 「플랜트」로부터 고압증기 혹은 고온수를 공급하는 방식으로 지역난방이 있다.
이들을 정리하면 다음과 같이 요약할 수 있다.
증기난방설비
증기난방은 기계실에 설치한 증기보일러에서 증기를 발생시켜 이것을 배관을 통해 각 실에 설치된 방열기에 공급한다. 공급된 방열기에서 실내 공기와 열교환하여 응축되고 온수로 된다. 이 온수를 응축수 또는 還水라 부르고 있다. 증기난방에서는 주로 증기가 갖고 있는 잠열 즉 증발열(100℃ 증기에서는 1㎏당 약 539㎉의 열량)을 이용하므로, 방열기 출구에는 거의 증기트랩(steam trap)이 설치된다. 트랩의 작동에 의해 자동적으로 증기와 응축수가 분리되면 응축수만 환수관을 통해 보일러로 보내진다. 이 응축수는 중력 또는 펌프에 의해 다시 보일러로 급수되고 가열되어, 재차 증기로 되어 장치 내를 순환하게 된다.
이와 같은 증기의 유동은 결국 압력차에 의해 이루어지게 되는데, 증기의 흐름을 일으키려면 두 가지 요소가 필요하다. 그 하나는 보일러에 열을 가하여 증발을 일으켜 체적팽창과 압력상승을 유도하는 것이고, 다른 하나는 관 및 방열기에서 응축을 일으켜서 체적을 감소하는 것이다. 따라서, 이 압력차로 인하여 보일러로부터 연속적인 증기의 공급을 받게 된다. 즉, 보일러에서 발생된 열은 매개체인 방열기를 통하여 발산하고 응축하여 보일러에 돌아오는 하나의 회로를 순환하여 난방의 효과를 가져 온다. 일반적으로 방열기로 부터의 방열은 70∼75%가 자연대류로 행해지며 나머지가 복사열에 의하고 있다.
그림 4-1 증기난방 계통도
그림 4-2 증기난방배관
증기난방 계통도와 그 배관 일례를 그림 4-1과 그림 4-2에 나타내며, 또 증기난방의 특성을 표 4-1에 나타낸다.
표 4-1 증기난방의 특징
4-3 증기난방의 분류
1. 증기압에 의한 분류
(1)高壓式
1㎏/㎠·G 이상의 증기(건축설비에서는 통상 1∼3㎏/㎠·G 정도를 사용)를 사용하는 방식이며, 공장 및 지역난방 등에 많이 사용된다. 이 방식에서는 고압증기를 발생시킨 뒤 배관 도중에서 감압장치를 설치해 저압증기로 한 다음 이용한다.
(2)低壓式
1㎏/㎠·G 이하의 증기(통상 0.1∼0.35㎏/㎠·G 정도를 사용)를 사용하는 방식이며, 일반적으로 저압증기가 많이 사용된다.
(3)眞空式
환수관에 진공펌프를 설치해서 배관 내를 진공 200㎜Hg∼0.2㎏/㎠·G 정도의 증기로 공급하는 방식이며, 증기온도를 변화시켜서 방열량을 가감할 수 있는 장점이 있다.
2. 공기배출 방식에 따른 분류
(1)自然排氣式
1)에어·벤트식(air vent system) : 그림 4-3(a)에 나타낸 바와 같이, 증기관의 말단 및 각 방열기에 공기빼기밸브를 설치해서 배관계의 공기를 배출하는 방법이다.
2) 에어·리턴식(air return system) : 그림(b)에서와 같이, 배관계의 공기를 방열기의 트랩과 증기관 등을 경유해서 환수관으로 들어오게 하고, 그 말단에서 공기밸브에 의해 배출하는 방법이다.
그림 4-3 자연배기식 증기난방
(2)機械排氣式
환수관의 말단에 진공펌프르 설치하여 배관계의 공기를 배출하는 방법으로서, 통기가 확실하므로 대형 건축에 적합하다.(그림 4-4 참조).
그림 4-4 증기난방
3.응축수의 환수방식에 따른 분류
(1)重力還水式
중력만으로 응축수를 보일러에 환수하는 방법이며, 대형 건축물인 경우에는 환수의 유통이 나쁘기 때문에 응축수 펌프(condensation pump)를 설치할 필요가 있다.
(2)機械還水式
환수관의 말단에 진공펌프(그림 4-5)를 설치해서 응축수와 관내의 공기를 흡인하여 환수를 강제적으로 행하는 방법이다. 이 방법에 의하면 의하면 환수관의 관경을 적게 하고 물매를 완만하게 할 수 있으며, 또한 방열기가 환수관 보다 밑에 있는 경우에도 그림 4-6에 나타낸 바와같이 리프트 이음(lift fitting)배관을 써서 응축수를 흡상시킬 수 있다. 또한, 이 방식은 환수의 유통이 원활하므로 대규모 건축물에 많이 사용된다.
그림 4-5 진공급수펌프
그림 4-6 리프트 이음
4.배관방법에 따른 분류
(1)單管式
그림 4-3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 방열기의 증기와 응축수를 동일관으로 사용하는 방법이다.
(2)複管式
그림 4-3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 증기관과 환수관을 별도로 한 것이며 일반적으로 많이 사용된다.
5.증기공급 방식에 의한 분류
(1)上向供給式
증기를 공급하는 수평주관을 최하층의 천장에 배치하고 거기에서 입상관을 분기하여 각 방열기로 증기를 공급하는 방식이며, 유지관리 면에서 이 방식이 하향공급식보다 유리하므로 많이 사용된다,(그림 4-3의 (a) 참조).
(2)上向供給式
증기주관을 최상층 천장에 배치하여 거기에서 입하관을 분기하여 가 방열기로 공급하는 방식이다.(그림(b)참조).
6.환수관의 배관방법에 의한 분류
(1)乾式還水式
그림 4-7의 (a) 에 나타낸 바와 같이, 보일러 기준수면보다 높은 위치에 환수주관을 설치하는 방식이다.
(2)濕式還水式
그림 4-7의 (b) 에 나타낸 바와 같이, 보일러 기준수면보다 낮은 위치에 환수주관을 설치하는 방식이다.
그림 4-7 중력환수식 증기난방
4-4 증기난방용 기기
1.보일러
증기배관에서 사용되는 보일러에는 저압보일러로서 주철제 보일러가, 고압 보일러로서는 강판제 보일러가 사용된다. 상세한 내용은 후술하는 7-3절을 참조하길 바란다.
그림 4-8 하트포드 접속법
한편, 보일러 주변의 배관은 그림 4-8에 나타낸 바와 같이 하트포트 접속법(hartford connection)으로 한다. 이 접속법은 환수관의 일부가 파손된 경우에 보일러수가 유출해서 안전수위 이하가 되어 보일러가 빈 상태로 되는 것을 방지하기 위한 것이다. 배관의 접속은 증기관과 환수관을 접속한 밸런스관(balance pipe)에 급수관을 접속한다. 이 접속법은 증기압과 환수압과의 균형을 취해줄 뿐 아니라 환수주관 안에 침전된 찌거기를 보일러에 유입시키지 않는 특징도 있으며, 환수구를 연결한 환수 헤더에 역지밸브를 써서 접속하는 것보다 신뢰도가 높다.
2. 방열기
증기난방용 방열기는 주철제 방열기, 주형방열기, 콘벡터, 베이스보드히터 등이 사용되며, 보다 상세한 내용은 7-3절을 참조하면 된다.
그림 4-9 방열기의 설치위치
방열기의 설치위치는 열손실이 가장 많은 곳에 설치하되 실내장치로서의 미관에도 유의하여야 하며, 벽면과의 거리는 보통 5∼6㎝정도가 가장 적합하다.(그림 4-9 참조)
3.방열기 부속품
(1)방열기 밸브(radiator valae)
방열기 입구에 설치하여 증기유량을 수동으로 조절하는 밸브이며, 디스크밸브를 사용한 스톱밸브(stop vaive)형이 많다, 또, 유체의 흐름 방향에 따라 그림 4-10에 나타내는 바와 같이 앵글형, 스트레이트형 등이 있다.
그림 4-10 방열기 밸브
(2)공기빼기밸브(air vent)
수동식과 자동식이 있으며, 자동식으로는 열동식과 浮子式 외에 병용식이 있다. 또 제품에 따라서는 진공역지밸브가 부착된 것과 벨로우즈(bellows)나 다이어프램밸브에 의해 밸브 속이 진공상태가 되면 공기의 역류를 방지하는 것도 있다.
그림 4-11 공기빼기밸브
한편, 공기밸브는 그림 4-11에 나타낸 바와 같이 방열기용과 배관용이 있으며, 주로 중력환수식 증기난방 배관의 방열기배관 등에 사용된다. 방열기에 설치할 경우 공기는 증기보다 무거우므로 증기 유입구의 반대측 하부에 부착하는 것이 좋으나, 응축수가 밸브에 유입할 우려가 있기 때문에 방열기 높이의 2/3 정도 위치에 부착하는 것이 보통이다.
(3) 방열기 트랩(radiator trap)
방열기 트랩은 열교환에 의하여 생긴 응축수와 증기에 혼입되어 있는 공기를 자동적으로 배출하여 열교환기의 가열작용을 유지하는 장치이다. 방열기 트랩(증기트랩, steam trap이라고도 한다.)에는 여러 가지 종류가 있고, 각각 고유의 특징을 갖고 있으므로 그 작동원리를 잘 이해하여 사용목적에 알맞는 것을 선정·사용해야 한다.
① 熱動 트랩(thermostatic trap): 휘발성 액체가 봉입된 금속제의 벨로우즈를 내장한 트랩으로, 소형이고 공기배출이 용이하여 많이 사용되고 있으며, 일명 벨로우즈(bellows)형 트랩이라고도 한다. 그림 4-12(a)와 같은 구조의 것이며, 트랩 내의 온도변화에 의하여 벨로우즈를 신축시켜 배수밸브를 자동적으로 개폐하는 형식이다.
② 버킷형 트랩(bucket trap): 버킷의 부침(浮沈)에 의하여 배수밸브롤 자동적으로 개폐하는 형식이며 응축수는 증기압력에 의하여 배출된다. 이 트랩은 대체로 감도가 둔한 결점을 갖고 있으며, 그림(b)의 상향 버킷형과 하향 버킷형으로 세분된다. 주로 고압증기의 관말트랩으로 사용된다.
③ 플로우트형 트랩(float trap): 그림 (c)에 나타낸 형태의 것이며, 트랩내의 응축수의 수위변동에 따라 浮子(float)를 상하시켜 배수밸브를 자동적으로 개폐하는 형식이다.
④ 충격형 트랩(thermodynamic trap): 트랩의 입구측과 출구측의 중간에 설치한 변압실의 압력변화 및 증기와 응축수의 밀도차를 이용하여 배수밸브를 자동개폐하는 형식의 것이다. 여기에는 디스크(disc)형과 그림 (b)에 나타낸 오리피스(orifice)형의 것이 있다.
그림 4-12 각종 트랩
4. 감압밸브와 증발탱크
감압밸브는 증기를 고압으로 사용하는 것이 좋지 않을 때 2차측의 공급압력을 적당히 감압시켜 사용할 경우에 쓰인다. 감압밸브의 성능으로는 1차측의 압력변동이 있어도 2차측 압력의 변동이 없을 것, 감압밸브가 닫혀 있을 때 2차측에 누설이 없을 것, 2차측의 증기소비량의 변화에 대한 응답속도가 빠르고, 압력변동이 적을 것 등이 요구된다. 그림 4-13에는 감압밸브주변의 배관 예를 나타낸다.
그림 4-13 감압밸브 주변의 배관도
그림 4-14 증발 탱크 주변의 배관예
한편, 고압증기 난방방식에서는 고압환수관 내의 응축수의 포화압력이 1기압 이상이므로, 이것을 그림 4-14에 나타낸 바와 같은 증발 탱크(flash tank)에 도입하여 재증발시켜, 발생한 저압증기는 저압증기관 계통에 접속하여 재이용하고, 응축수는 저압용 트랩을 통과시켜 저압환수관 또는 응축수탱크에서 접수한다. 이 응축수는 펌프에 의해 다시 보일러에 급수된다.
5. 배관재료와 부속품
(1) 배관재료
난방에 사용되는 배관재료는 여러 가지가 있는데, 그 주요한 것을 설명하면 다음과 같다.
① 배관용 탄소강 강관: 가장 널리 사용되고 있는 配管材이며 생산량도 가장 많고, 물·유류·가스·공기 등 사용용도도 아주 넓다. 사용온도는 -15℃∼350℃ 정도의 범위이며, 사용압력 10㎏/㎠ 이하의 부식성이 없는 유체에 사용할 수 있다. 증기배관용의 강관은 아연도금을 하지 않은 黑管을 사용하며, 접합법은 소규모 난방용의 경우에는 거의가 나사접합으로 한다.
② 경질염화비닐 피복강관: 피복방식 강관의 한가지이며, 염화비닐의 내식성·내약품성과 강관의 강도를 포함시킨 것으로 개발되었기 때문에 염화비닐의 충격에 약한 결점이 강관으로 보강되어 있다.
③ 스테인레스 강관: 내식성·내충격성은 강하지만 가공이 어렵고 가격이 비싼 점 등의 결점을 갖고 있어 그 사용이 제한되고 있다.
④ 동관: 내식성이 우수한 점과 열 및 전기전도성에 있어서 우수한 점, 가공성이 용이한 점 등 여러 가지 장점을 갖고 있어 널리 사용되고 있다.
(2) 신축이음쇠(expansion joint)
난방 배관에는 관내를 증기와 온수가 흐리고 있기 때문에 배관은 온도변화에 의해 신축을 한다. 철의 팽창률은 1℃일 때 1m당 0.012 ㎜로 이 신축을 흡수하기 위해 사용되는 것이 신축이음쇠이다.
그림 4-15 신축이음쇠
① 슬리브형 이음쇠(sleeve jiont): 이음쇠 내에 滑動하는 슬리브를 두고 그 滑動에 의해 신축을 흡수하는 것이다. 그림 4-15 (a)와 같은 형상의 것이며, 신축량은 비교적 크지만 활동부의 패킹이 파손되면 누수한다.
② 루프형 이음쇠(loop joint): 강관을 그림 (b)와 같이 U자형 혹은 루프형으로 구부려서 그 휨에 의해 신축을 흡수하는 것이다. 신축곡관이라고도 하며 구조가 간단하고 고압배관 및 옥외배관에도 적합하지만 넓은 스페이스를 필요로 한다.
③ 볼·조인트(ball joint): 내측 케이스와 외측 케이스로 구성된 볼·조인트 2∼3개를 써서 관의 신축을 흡수할 수 있도록 한 것이다.(그림 (c)참조). 이것은 설치공간을 필요로 하지 않고 고온 고압에 견디며 구조가 간단한 장점이 있으나 가스켓이 열화(劣化)되는 경우가 있다.
④ 벨로우즈형 이음쇠(bellows joint): 그림 (d)와 같은 모양이며, 동·스테인레스강 등으로 만든 벨로우즈의 신축을 이용하는 것이다. 이것은 누수될 염려는 없지만 값이 비싸고 고압배관에도 부적합하다.
⑤ 스위블형 이음쇠(swivel joint): 주관에서 지관을 분기시키는 경우에는 특수한 신축이음쇠를 쓰지 않고 주관에서 수평 및 수직으로 몇 번 꺾어서 지관 굴곡부의 비틀림에 의해 신축을 흡수시킨 것이다. 그림 (e)에서와 같이 두 개 이상의 엘보를 사용해서 만들며, 방열기나 FCU 등으로의 접속 배관부에 쓰인다.
(3) 밸브類
밸브는 관내에 흐르는 유체의 ①유량조절 ②관로의 개폐 ③유로의 방향 전환 ④관내 유체의 배출 등의 목적으로 사용된다.
밸브에는 글로우브(혹은 스톱)밸브, 게이트(혹은 슬루우스)밸브, 체크(혹은 역지)밸브, 버터플라이 밸브, 볼 밸브, 콕, 안전밸브 등이 있고, 그 주요한 것은 재질, 구조, 치수 등이 KS로서 규정되어
있으며, 同等한 성능을 갖는 메이커의 규격품도 있다. 그림 4-16에 몇가지 주요한 밸브류의 형상을 나타낸다.
그림 4-16 각종 밸브류
4-5 증기배관의 설계
1.난방부하의 계산
각 실 난방부하의 산출에 대해서는 第3章을 참조하면 된다.
2.기기용량의 결정
보일러형식 및 기기용량은 7-3節을 참조해서 결정한다.
3.방열기의 선정
방열기의 수, 용량 등은 7-3節을 참조해서 결정하지만, 통상 방열기 한 대의 방열면적은 10㎠ 이하가 되도록 한다.
방열기를 은폐시키는 경우에는 그림 4-17에 나타낸 예에서와 같이 그 은폐상태에 따라 방열량이 증감하므로 이를 고려해야만 한다. 이 외에도 節數와 도료에 의한 보정도경우에 따라서는 할 필요가 있다.
그림 4-17 은폐상태에 따른 방열량의 변화
4. 배관방식의 결정
여기에서는 증기난방의 시스템과 배관경로를 결정한다. 배관경로는 배관물매(표4-2 참조)를 고려하여 결정한다.
표 4-2 증기난방의 배관 물매
5. 배관경의 결정
배관경로가 정해지면 그 최대 관길이를 구하고 이것에 구하고 이것에 국부저항에 대응하는 상당관 길이를 곱해서 전 상당관 길이를 산출한다. 국부저항의 비율은 건물에 따라 다르며, 표4-3을 표준으로 한다.
표 4-3 증기배관의 국부저항 비율
다음에 표4-4로부터 전 압력강하를 구하여 이것을 전 상당관길이로 나누어 단위길이 (100m)당, 압력강하R[㎏/㎠·100m]를 다음 식으로 구한다.
100ΔP 100ΔP
R = ------ ≒ ------ [㎏/㎠/100m (4 · 1)
L+L´ 2L
여기서, ΔP : 증기관 내의 허용전압력강하 [㎏/㎠]
L : 보일러에서 가장 먼 방열기까지의 거리 [m]
L´ : 관의 저항+국부저항상당길이[m]
2L : 전 저항상당길이[m]
표 4-4 보통 사용되는 증기관내의 전압력강하
한편, 다음 식에 의해 평균증기압력을 계산하고 이것에 대응하는 밀도ρ[㎏/㎥]를 구한다.(부록의 포화증기표를 참조할 것).
평균증기압력=(보일러의 상용압력+사용증기압력)× 1/2+1 (4·2)
이상, R, ρ 및 증기량 G[㎏/h]로부터 그림 4-18에 나타낸 선도에 의해 관경이 결정된다. 그림 속의 d는 배관의 내경이다.
또한, 저압증기난방의 관경결정에는 일반적으로 표로부터 간단히 구하는 일이 많다. 증기관 및 환수관에 대해서 각각 표 4-5, 표 4-6을 사용한다. 이때 환수가 증기가 역행하는 상향공급 배관과 역구배 배관에 주의해야만 한다.또, 최소관경을 표 4-7에 나타낸다.
고압증기난방에 있어서는 환수관의 관경을 결정하기 위해 표 4-8을 쓰는 것이 좋다.
그림 4-18 증기배관의 마찰저항선도
표 4-5 저압 증기난방 배관 관경표
표 4-6 저압 증기난방 환수관 관경표
표 4-7 배관의 최소관경
(단위:mm)
표 4-8 고압 증기난방 환수관 유량표
4-7 온수난방의 분류
1.溫水溫度에 의한 分類
(1)高溫水式
100∼230℃의 고온수를 사용하는 방식이며, 밀폐식이라고도 한다. 이 방식은 배관내 압력을 대기압 이상으로 유지하기 위해 완전 밀폐되며, 지역난방 등에 많이 채용된다.
(2)高溫水式
100℃ 이하의 온수를 사용하는 방식이며, 개방식이라고도 한다. 이 방식은 배관내 압력을 대기압으로 유지하며, 일반 건물의 난방에는 저온수식이 사용된다.
2.溫水의 循環方式에 의한 分類
(1)重力式
온수의 온도차에 따른 밀도차에 의해 자연순환시키는 방식이다. 물은 4℃에서 가장 무겁고 열을 가하면 가볍게 된다. 중력식은 이 성질을 이용해서 보일러에서 가열한 물을 바열기에 보내 실내에서 방열시켜 온수를 냉각하고 순환시킨다. 온수의 순환온도는 보일러 출구에서 80∼90℃ 정도이며, 환온수는 70℃ 정도이다. 따라서, 온수의 순환을 균등하게 하는 것이 어려울 뿐 아니라, 자연순환 자체가 적으므로, 배관경도 크게 할 필요가 있고 또 온도상승에 장시간을 요하는 등의 결점이 있다.
중력식인 경우에 온수의 순환을 일으키는 자연순환수두는 다음 식으로 표현된다.
H=h(ρ2-ρ1)〔㎜Aq〕 (4 · 3)
여기서, H:자연순환수두〔㎜Aq〕
h:보일러의 기준선의 방열기 중심선 사이의 높이〔m〕
ρ2:보일러 입구 환온수의 밀도〔㎏/㎥〕
ρ1:보일러 출구 공급온수의 밀도〔㎏/㎥〕
(2)强制式
온수순환펌프를 사용하여 관내 온수를 강제적으로 순환시키는 방법이며, 온도강하는 7∼10℃ 정도이다. 따라서 대규모 건물에 있어서도 순환이 원활하고 신속하며 균일하게 온수를 공급할 수 있다. 최근에는 소규모 설비에 있어서도 강제순환식으로 하는 것이 통례이다.
3.配管方式에 의한 分類
(1)單冠式
그림 4-22의 (a),(b)에서와 같이 온수공급관과 환수관을 공용하는 방식이다. 이 방식은 배관이 간단하고 배관비가 절약되지만, 온수온도의 저하가 심하여 방열기의 개별제어가 곦란하다.
(2)復官式
그림 4-22의 (c)에서와 같이, 공급관과 환수관을 각각 계통별로 한 방식이다. 일반적으로 널리 이용되는 방식이며, 각 방열기로의 공급온수를 일정하게 할 수 있고 운전이 손쉽다.
그림 4-22 온수난방 배관 방식
4.溫水의 還水方法에 의한 分類
복관식 온수난방에서는 환수주관의 배치방법에 따라 다음의 두 가지 순환방식이 있다.
(1)直接還水式
그림 4-23 (a)에 나타낸 방식으로서, 보일러에 가장 가까운 방열기의 공급관 및 환수관의 길이가 가장 짧고, 가장 먼 거리에 있는 방열기일수록 관의 길이가 길어지는 배관을 하게 되므로 방열기로의 저항이 각각 다르다. 따라서 동일저항을 얻기 위해서는 枝管의 저항에 따라 조정하지 않으면 안된다.
(2)逆還水式
그림 4-23 (b)에 나타낸 방식으로서, 보일러에 가장 가까운 방열기는 공급관이 가장 짧고 환수관은 가장 길다. 따라서 각 방열기의 공급관과 환수관의 합은 각각 동일하다. 즉 동일저항으로 온수가 순환한다.
그림 4-23 환온수 배관 방식
5.溫水의 供給方式에 의한 分類
(1)上向供給式
그림 4-24 (a)에 나타낸 방식으로서, 증기난방배관에서의 상향공급식과 원리적으로 같다.
(2)下向供給式
그림 4-24 (b)에 나타낸 방식으로서, 일반적으로 하향공급식은 공기배출의 면에서 유리하지만 최상층 천장위에 배관할 스페이스가 없다는 점에서 보통 전자가 쓰인다. 상향공급식일 때 배관중의 공기빼기는 각 방열기의 공기빼기 콕으로 한다.
그림 4-24 온수 공급 방식
4-8 온수난방용 기기
온수난방용 보일러는 증기난방의 보일러와 거의 같으며 일반적으로 주철제 보일러가 사용된다. 그러나, 고온수난방에서는 반드시 고압보일러가 사용되어야 하는데, 보다 상세한 내용은 7-3節을 참조하길 바란다.
한편, 온수난방에서 사용되는 온수보일러 주변의 배관예를 그림 4-25에 나타낸다.
2.방열기
온수난방용 방열기도 각종 형식의 것이 다양하게 이용될 수 있다.(7-3節 참조)
표준방열량은 평균온수온도 80℃, 실내온도 18.5℃일 때 450㎉/㎡h이며, 방열량은 EDR〔㎡〕로 나타낸다.
그림 4-25 온수보일러 주변의 배관예
3.온수순환펌프
온수의 순환을 강제적으로 행하는 경우에는 온수순환펌프를 사용한다. 펌프는 내식성·내열성이 있는 구조가 요구되며, 일반적으로 와류형의 케이싱 내에서 임펠러를 회전시켜 물에 회전을 주는 와권펌프(centrifugal pump)가 사용된다.
또한, 소규모 건축에서는 배관 도중에 설치하는 라인펌프(line pump)가 많이 사용되고 있다. 라인펌프도 일종의 터어보형 펌프이며, 수직관·수평관 어디에나 설치할 수가 있다. 또, 이것은 전동기와 펌프가 일체로 된 소형 펌프로서 흡입양정이 적으므로 이를 설치할 경우에는 특별한 설치기초(base)를 필요로 하지 않는다는 특성도 갖고 있지만, 그림 4-26에 나타낸 바와 같이 최소한의 지지대를 갖추는 것이 바람직하다.
그림 4-26 온수순환펌프의 설치예
4. 방열기 부속품
(1)방열기밸브(radiator valve)
온수유량을 수동으로 조절하는 밸브이며, 증기용 밸브와 그 구조·형식이 같다.
(2)리턴콕(return cock)
온수의 유량을 조절하기 위하여 사용하는 것으로 주로 온수방열기의 환수밸브로 사용된다. 유량조절은 리턴콕의 캡을 열고 핸들을 부착하여 콕의 개폐도에 의하여 조절한다.
(3)공기빼기밸브(air valve)
온수난방장치에서는 배관 내에서 발생한 공기의 대부분을 보통 개방식 팽창탱킁로 인도되도록 하고 있으나, 이것이 불가능한 경우 즉, 배관 내에 공기가 모이는 곳에는 모두 자동 또는 수동식의 공기밸브를 설치한다. 밀폐식 팽창탱크에서는 탱크에서 공기배출을 하지 않으므로 공기배출은 모두 이 공기빼기밸브에서 행해진다. 자동공기밸브는 100℃이상의 온수에 대해서는 부적당하며, 또한 스케일 등에 의한 누설이 많다. 방열기에는 P-cock이라 불리는 소형의 수동식 공기밸브를 그 최고부에 설치한다.
5. 팽창수조
온수난방장치에서는 물의 온도변화에 따라 온수의 체적이 증감하게 된다. 이 물의 팽창·수축을 배관 내에서 흡수하지 않으면 팽창시에 배관 내에 이상압력이 발생하고, 수축시에는 배관 내에 공기침입이 초래되는 등 배관 계통의 고장 혹은 전열 저해의 원인이 된다. 따라서, 이와같은 물의 체적 팽창에 따른 위험을 도피시키기 위한 장치가 반드시 필요하게 되는데, 이를 팽창수조라고 한다.
(1)개방식 팽창수조
그림 4-27에 나타낸 바와 같이, 저온수난방 배관이나 공기조화의 밀폐식 냉온수 내관계통에서 사용되는 것으로서, 이 수조는 일반적으로 보일러의 보급수 탱크로서의 목적도 겸하고 있다. 이 수조는 그림과 같이 탱크 수면이 대기 중에 개방되며, 가장 높은 곳에 설치된 난방장치 보다 적어도 1m 이상 높은 곳에 설치되어야 한다. 또한 수조의 용량은 온수팽창량의 1.2∼1.5배, 장치 전용적의 10% 정도면 된다. 물의 팽창량은 다음 식으로 구한다.
(4 · 4)
여기서,△ν:온수의 팽창량
ν :가열장치 내의 全水量〔ℓ〕
rr :가열전 물의 比重量〔㎏/㎥〕
rs:가열된 온수의 比重量〔㎏/㎥〕
(2) 밀폐식 팽창수조
밀폐슥은 그림 4-28에 나타낸 바와 같이 가압용 가스로서 불활성 기체(고압질소가스)를 사용하여 이를 밀봉한 뒤, 온수가 팽창했을 때 이 기체의 탄력성에 의해 압력 변동을 흡수하는 것이다. 이 탱크는 100℃ 이상의 고온수 설비라든가 혹은 가장 높은 곳에 설치된 나방장치보다 낮은 위치에 팽창수조를 설치하는 경우 등에 쓰이는 것으로, 이 탱크는 소정의 압력까지 가압해야 할 필요성 때문에 마련되는 것이다.
또한, 이것은 개방식에 비하면 용적은 커지지만(물론 대규모 장치에서는 반드시 용적이 적게 되도록 설계해야 한다.), 보일러실에 직접 설치할 수 있어 편리하다. 이 탱크는 고온수일때는 압력용기에 일종이 되므로 압력용기 법규의 규제 대상이 되며, 용량은 다음 식으로 구한다.
(4 · 5)
여기서, Ve : 밀폐식팽창 탱크의 용량 〔ℓ〕
α : 餘裕率 0.1∼1.5
Pa : 대기의 압력 〔㎏/㎥〕
Pt : 최대허용압력 〔㎏/㎥〕
h : 탱크에서 장치의 가장 높은 곳까지의 높이 〔m〕
그림 4-28 밀폐식 팽창수조
6. 안정장치
(1)팽창관
온수의 체적팽창을 팽창수조로 도출시키기 위한 것이다. 팽창관의 도중에는 밸브를 설치하지 않지만, 만일 설치해야 할 경우에는 그림 4-29에 나타낸 바와 같이 3방밸브(three-way valve)를 설치하거나 혹은 보일러 출구와 밸브
사이에서 팽창관을 입상한다. 또한, 그림 4-30과 표 4-11은 일반적인 펌프와 팽창관의 접속 위치 관계를 나타낸다.
그림 4-29 안전장치
그림 4-30 펌프와 팽창관의 접속위치
(2)안전관
온수가 과열해서 증기가 발생되었을 경우에 도출을 위한 것으로, 팽창수조 수면으로 돌출 시킨다. 도출관이라고도 부른다.
표 4-11 팽창관과 펌프 접속위치의 관계
7.배관재료와 부속품
(1) 배관재료
일반적으로 물의 온도가 10℃ 상승함에 따라서 약 2배 정도 침식량이 증가하게 되며, 또 수온이 60℃ 이상이 되면 배관재료의 침식은 더욱 촉진된다. 따라서, 온수난방 배관에서는 내식성이 큰 재료를 선정하지 않으면 안된다. 더욱, 마찰손실수두를 적게 하기 위해 관내면이 매끄러운 재료를 사용하는 것이 좋다.
따라서, 온수배관용 관재료로는 아연도금강관, 동관 등이 사용되고 있으며, 최근에는 온수 배관에 대한 동관의 중요성이 점차 확산되어 동관사용율이 증대하고 있다.
(2) 신축이음쇠
증기난방배관에 준하면 된다.
(3) 밸브類
증기난방배관에 준하면 된다.
4-9 온수배관의 설계
1. 난방부하계산
난방부하의 산출에 대해서는 제3장을 참조하면 된다.
2.시스템의 결정
여기서의 시스템이란 중력순환식으로 할 것인가 또는 강제순환식으로 할 것인가를 결정한다는 의미이지만, 중력식은 100㎡ 이하의 주택 등에 간혹 사용되는 정도이며 일반적으로는 강제식이 사용되고 있다. 특별한 경우를 제외하고는 강제식으로 해도 좋다. 어느 경우에나 배관의 물매느 1/100 정도로 둔다.
3. 각 구간별 온수순환량
여기에서는 우선 온수의 온도강하라고 하는 문제가 일어난다. 온수의 온도강하란 방역기 입구와 출구에 있어서 온수의 온도차이며, 중력식에서는 일반적으로 14∼15℃정도로 한다. 온도강하가 결정되면 배관경의 결정에 필요한 각 방열기에 대한 필요순환량 G〔㎏/h〕를 다음 식에 의해 구할 수 있다.
(4 · 6)
즉, 동일방열량Q〔㎉/h〕에 대해서 온도강하 △t(=t1-t2 )〔℃〕를 크게 취하면 유량은 적게 된다. 중력식에서는 온도강하를 크게 취하면 자연순환수두도 동시에 증가하므로 관경은 가늘게 되어 유리하게 된다. 그러나, 유량이 지나치게 적게 되면 온수의 순환이 불균등해지기 쉬우므로 주의하지 않으면 안된다.
강제식에서는 온도강하를 크게 취하면 관경이 가늘게 되고 순환 펌프도 소형으로 되어 초기 투자비는 적게 들지만, 순환의 원활함과 가열의 신속성을 고려해서 온도강하를 적게하고(△t≒10℃정도)유량을 크게 하고 있는 일이 많다.
여기에서 한 가지 주의해야만 하는 것이 있는데, 이것은 유속의 문제이다. 유속이 크면 유속음에 의한 소음장애를 일으키므로, 관경 50A 이하인 경우에는 유속 1.2m/s를 초과하지 않도록 할 필요가 있다.
4. 방열기의 선정
방열기의 수, 용량, 위치 등은 7-3節을 참조해서 결정하면 된다.
5. 온수순환펌프의 결정
온수순환펌프의 기종을 결정하기 위해서는
①관경〔A:mm〕또는〔B:inch〕
②온수순환량〔ℓ/min〕또는〔㎏/min〕
③양정〔mAq〕
④동력〔kW〕또는〔HP〕
이라고 하는 네 가지 항목을 경정해야만 하지만, 온수순환량과 양정이 결정되면 관경과 동력이 결정된다.
온수순환량이란 전항 3에서 산출한 각 방열기의 필요순환량을 총 합계한 것이다. 이 온수순환량에 기초하여 펌프의 특성표에 의거하여 양정(순환수두) H의 값을 결정한다.
강제순환식 온수난방에서 순환수두 H〔mAq〕는 순환펌프의 양정을 그대로 순환수두로 해서 사용한다. 수두는 임의로 선택될 수 있지만 수두를 적게 취하면 배관이 굵어지고 역으로 수두를 크게 취하면 배관은 가늘게 된다. 전자는 배관비가 많아지는 대신에 펌프의 동력비는 적게든다.. 후자는 그 역의 관계에 있다. 일반적으로는 수두 H를 다음과 같은 기준으로 정한다.
① 가장 먼 방열기까지의 편도배관이 100m이하일 때
펌프의 양정 1mAq내외
② 가장 먼 방열기까지의 편도배관이 100m이상일 때
펌프의 양정 1∼4mAq내외
단, 주관의 유속은 3m/s이하로 하고 일반주택에서는 가급적 1.2m/s이하로 한다.
6. 배관마찰저항(R)의 산출
전항에서 결정한 펌프 양정(순환수두) H의 값 중에는 다음과 같은 손실수두가 포함되어 있다.
① 온수보일러 내의 유수저항〔mAq〕
② 방열기 내의 유수저항〔mAq〕
③ 배관저항〔mAq/m〕
여기에서, ① ②의 항목들은 각 기종, 메이커마다 다르기 때문에, 카탈로그 등의 자료를 토대로 산출한다. ③의 배관저항이란 직관마찰저항과 이음쇠 및 밸브류 등의 소위 국부저항을 합계한 것이다. 온수난방의 배관경의 설계를 위해 쓰이는 배관저항 R〔mmAq/m〕은 다음 식으로 구할 수 있다.
(4 · 7)
여기서, Hw :이용해야 할 순환수두〔mAq/m〕
K:국부저항과 직관저항의 비율(0.4∼1.0)
l:보일러에서 가장 먼 방열기에 이르는 왕복관의 길이〔m〕
l':왕복의 도중에 있는 국부저항 상당길이의 합계〔m〕
또한, 이 경우의 Hw란 펌프의 양정 H로부터 온수보일러 내의 유수저항과 가장 멀리 있는 방열기 내의 유수저항을 뺀 수치이다.
7. 배관경의 결정
관경을 결정하고자 하는 부분의 온수순환량을 먼저 구하고, 다음에 배관 마찰저항 R을 써서 온수에 대한 강관 또는 동관의 저항선도에 의해 관경을 경정한다. 주경로 이외의 분기관도 마찬가지 압력강하를 써서 결정한다. 그림 4-31에 온수용 동관의 마찰손실선도를 나타낸다.
8. 검산
1∼7까지에 걸쳐 배관경이 결정되면 다음에 검산을 할 필요가 있다. 이 검산은 다음 방법을 쓴다.
그림 4-31 마찰저항선도(K타입 동관)
온수순환량과 관경으로부터 각각 다른 배관 각 부분의 압력강하를 구한다. 그리고 다음 식에 적합하도록 관경을 수정한다.
(4 · 8)
여기서, Hw :순환수두〔mmAq〕
∑ : 보일러에서 어떤 방열기까지 이르는 배관 각 부분의 합계
l1 : 직관길이〔m〕
l1′ : 국부저항 상당길이〔m〕
R1 : 배관 각 부분의 압력강하〔mmAq/m〕
윗 식을 써서 Hw와 (l1+l1′)·R1이 일치하지 않을 때는 오리피스 또는 방열기 출구에 리턴콕을 설치하여 이것을 조절해서 저항을 가한다.
복사난방설비
복사난방은 그림 4-33에 나타낸 바와 같이 건물 구조체인 바닥·천장·벽면 등에 열원이 되는 파이프코일을 매설해서 이를 방열면(panel)으로 하여 복사열에 의해 실내를 난방하는 것이다. 복사난방은 그 표면온도에 의해 저온식과 고온식으로 나누어질 수 있다. 일반적으로 50℃이하를 저온식이라 부르며 일반건축물용 난방에 사용된다. 공온식은 공장용 또는 특수 건축물용으로 쓰인다. 복사난방설비 배관의 일례를 그림 4-34에 나타내며, 또 복사난방의 특징을 표 4-12에 나타낸다.
그림 4-33 복사난방 계통도 그림 4-34 복사난방배관
표 4-12 복사난방의 특징