| 설비-급,배수설비:이론(계획/개요/급수량과급수방식/장비배치및용량결정外) | |
| 번호 : 266
글쓴이 : 羅星 |
조회 : 171 스크랩 : 1 날짜 : 2006.01.23 16:22 |
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1. 급배수 위생설비 계획
1)위생설비 계획 및 설계단계 (1) 기본 구상 입안된 계획의 종류, 규모, 사용목적, 예산등의 개요를 통해 주어진 조건을 결정하는 단계로 건물주로 부터의 부여조건 확인, 기초사항의 조사, 규모산정 등을 통해 급배수위생설비 계획의 기본 구상을 하고 가능성을 검토한다. 현장조사는 계획부지의 환경 및 상황 파악으로 상하수도, 도시가스, 오수정화 시설 열원 공급시설등의 조사와 관계법규, 관련사항을 비롯하여 수도법 규정에 의한 상수도보호구역, 환경정책 기본법 규정에 의한 특별대책지역, 수질환경 보존법 규정에 의한 특정호소 수질관리, 도시계획법에 의한 개발행위 제한 등 법적용사항과 건물주변의 각종 이해관계자와의 의견교환, 승락서의 입수, 각종허가 신청등의 준비기간 및 제출기간을 충분히 검토하고 계획 공정에 도입하여 이에 소요되는 시간과 인원등을 급배수 위생설비 공정표에 반영한다. (2) 기본 계획 기본 구상에서 설정된 계획과 현장조사에 따라서 주어진 조건을 정리하고 각 설비 시스템을 결정해 기기의 용량, 위치 그리고 필요 스페이스 등을 건축이나 다른 설비계획과 조정, 반영토록한다.
건물 주변 환경에 미치는 영향으로는 수원설비, 소방용수시설, 열수용시설, 오배수 처리방식등과 건물 및 각 시설간의 동선, 부지의 고저차, 풍향과 전망등의 자연조건을 고려하여 검토 결정한다. 위의 순서에 의해 현장조사보고서, 설비계획개요서, 각 계획계통도, 개략공사 예산서 및 계획 공정표가 첨부된 기본 계획서를 건축주에게 제시하고 승인을 얻어 기본설계를 착수한다. (3) 기본 설계 기본 계획에서 조사 검토된 급배수 위생설비 시스템에 대하여
또한 이 단계에서는 관계 관청과의 법적 문제점 및 계획 건물 주위의 제반 문제점이 이해 관계자와의 사전협의에 의하여 조정 해결되고 기본 설계도서에 계획된 안이 빠 짐없이 표현되어야 한다. 공사 예산서 작성시는 각 계획 시스템의 결정과 주요 기기의 사양및 재질, 각 공정별 재료가 명기된 공사 시방서 및 기본 설계도에 의하여 산출한다. 기본 설계 도서에는 기기 용량표, 기기 배치도, 각 시스템 별 계통도, 평면계 획도, 부분 상세도, 공사 시방서 및 공사 예산서로 구성된다. (4) 실시 설계 지금까지 작성된 기본설계 도서를 기초로 각 설비의 기기용량, 열원 및 전력의 소비량 등 상세한 사양과 일반 배관 평면도에 나타나지 않는 부분들의 상세도를 작성하며 공사비 산정과 아울러 연간 열원사용비 및 보수 관리비의 산출도 할 수 있도록 한다. 공사 시방서에는 특기 시방서와 표준 시방서로 구분되고 특기 시방서는 공사건명, 장소, 기간, 사용기재의 종별, 시공상의 특기사항 및 제조업체명을 기록하고 표준시방서는 기기, 재료의 규격 및 사양, 각종 공사의 시공법 및 상세, 그리고 시험 및 검사방법등을 기록한다. 실시설계 도서는 공사 계약서에 첨부되고 공사 시공상의 기본이며 지침이므로 계획상의 잘못은 물론이고 건축, 전기, 공기조화 설비 등 타 계획과의 관계에서 공사의 차질이 없도록 세밀하게 검토하는 등 만전을 기하여야 한다. (5) 현장 조사 급배수 위생설비의 현장조사는 기본구상 이전에 계획부지의 현황 즉, 토지의 고저, 주위건물의 상황 및 환경, 토질의 상태, 기온 및 풍향, 열공급 시설 능력등의 일반 사항과 관계관청, 등의 이해관계자와의 협의를 거쳐 관련법의 문제점을 상세하게 일정한 조사 양식에 의해 기술한다. 현장조사 사항을 정리하면 다음과 같다.
2) 위생설비 계획시의 기본사항 일반적인 설비 시스템의 계획은 계획건물의 종별, 규모, 사업계획의 내용, 예산등의 계획조건과 기본구상, 기본계획 단계에서 밝혀진 현장조사 사항 및 제반관련 법규등 여러 조건들에 의해 각종 시스템이 비교 검토되어 결정된다. 각종 설비 시스템의 계획에서는 다음과 같은 사항들이 특별히 고려되어야 한다.
1) 계획시의 검토사항 건축물에 필수적으로 설치하는 급수설비에 대한 계획 및 설계시 다음 사항이 검토 되어야 한다. (1) 급수방식: 수도직결방식, 고가수조방식, 압력수조방식, 펌프직송방식(tankless booster system) (2) 사용용수의 구분 : 시수, 우물물, 공업용수, 재사용수(중수, 냉각탑, 블로우 수) (3) 조우닝 : 급수설비조닝은 사용목적, 편의상 용도 등에 의해 분류하며 목적상 분류하면 다음과 같다.
(4) 사용량과 압력: 주택, 사무소, 공장, 연구소 등에 고층 또는 특수사용조건 고려 (5) 계량관리방식: 수도국 계량, 자가 계량, 구역별계량, 집중 검침등 계획대상 건축물에 알맞은 방식을 선정해야 한다. (6) 수도직결 방식은 일부 특별한 지역을 제외하고 일반적으로 수압이 낮아 3층이상의 건물에서는 채택할수가 없으므로 대규모 건물이나 고층건물에서는 타급수방식중 비교적 고장이 적고 안정된 수압과 수량이 얻어지고 또한 사용유량 변동에 용이하게 대처할수 있는 고가수조 방식이 일반적으로 많이 채용되고 있다. 그러나 고가수조방식은 개방부분이 많아 오염발생 가능성이 있으므로 건물관리자 이외는 출입을 금하도록하고 맨홀 등 개구부에는 오염물질이 들어가지 않도록 조치한다. 수도직결방식 이외의 급수방식은 모두 저수조를 필요로 하며 수도시설의 위생관리 등에 관한 규칙에 따라 지하저수조의 구조와 재질은 다음 사항을 만족 하여야 한다.
(7) 고가수조의 위치는 대변기, 세정밸브, 샤워, 탕비기 등 건물의 가장 높은곳에 설치되는 기구의 최저필요수압에 따라 결정되며 수도법상, 고가수조의 구조와 재질은 지하 저수조에 준하며 외부 또는 내부의 보수 점검이 용이하도록 하고 수조내의 청소, 보수 또는 기타 중대한 지장으로 단수가 될 경우를 고려하여 지하저수조나 고가수조를 2개 이상의 구획으로 하는 것이 바람직하다. 건축계획상 고가수조의 위치가 한정되어 최상층에 필요수량이 얻어지지 않는 경우에는 부분적으로 압력수조방식에 의하여 가압하는 방법이나 수조내에 일정한 압력을 가하는 다이어프램식 밀폐수조를 옥상에 설치하여 필요한 급수압력을 확보하는 축압수조 방식등 별도 시스템을 설치하는 경우도 있다. 우물, 상수도 이외의 수원을 이용하는 경우에는 건물의 용도 또는 거주인원(100인이상)에 따라서는 수도법에 의해 전용상수도의 적용을 받아 소독 또는 위생상 필요한 조치를 하며 감균장치의 설치의무가 부과되나 그 적용을 받지 않아도 감균장치는 위생상 설치 하도록 계획한다.
(8) 급수량 산정방법은 건물의 용도나 사용목적에
따라 일반적으로 인원에 의하여 산정하지만 특수건물에 대해서는 인원과 기구수로서 산출하고 그 건물에 맞는 수량을 취한다. 인원에 의한 사용수량
계산은 대개 외국의 자료를 이용하고 있다. 이는 생활수준의 향상으로 점차 물사용량이 증가하는 주거용 건물이나 일반건축물인 사무실, 은행, 관청
등은 하루 평균 사용수량이 많아 급수 장치가 과대하게 설계되어 비합리적 이므로 건물용 용도별로 국내 실정에 알맞은 물 사용량을 학교기관이나
학회에서 실측을 하여 기준을 정리하여야 할 것이다. 아울러 기구수에 대한 급수량 산정 방법도 동시 사용량에 대한 자료나 실험적인 근거가 없이
사용되고 있으므로 이에 대한 정립도 필요하다. 2) 급수설비의 설계순서 (1) 건물개요의 파악 대상건물의 소재지, 용도, 종류, 부지면적, 구조, 층수, 높이 등의 건축적 조건외에 사용인원, 사용용도,사용기간 등의 물 사용에 영향을 주는 요인을 파악한다. (2) 사용수량의 개략산정 (1)의 조사내용을 기초로 하고 유사건물의 자료 등을 조사 분석하여 건물사용수량의 개략치를 산정한다. (3) 현장조사 및 관계관공서와 협의 현장조사의 항목은 다음과 같다.
(4) 상수인입불가시 건물부근으로부터 상수도 인입이 안되는 경우는 수원, 수처리방식, 기기용량 등을 결정한다.
(5) 상수도에서 충분한 수량이 공급되지 않는 경우 상수도의 급수량 제한, 배수량 규제가 있는 경우 배수재 이용, 우수·지하수 이용 등을 검토한다. (6) 사용수량의 결정 경로(1)∼(5)는 기본계획의 단계로서 충분한 조사·검토를 하여야 한다. 건물규모·인원·설치예정 위생기기류 및 수이용설비가 확정되어지면 해당건물의 수 사용량 결정이 가능하다. (7) 급수방식의 결정 건물규모·층수·구조 등의 건물조건 외에 수도본관의 수압,설비비 등을 검토한 후 급수방식을 결정한다. (8) 계통구분·조닝의 결정 파이프 샤프트, 화장실, 탕비실의 위치, 각실의 용도, 부분별 사용 목적, 보수관리 측면 등을 종합적으로 검토하여 계통구분을 결정한다. (9) 기기용량·배관재료의 결정 (6)∼(8)의 자료를 이용하여 펌프, 탱크류 등 주요기기류의 용량, 설치대수 등을 결정하며 또한 내구년수, 설비비용 등을 검토하여 배관재료를 결정한다. (10) 도면작성 (8)에 의해 결정된 경로를 설계도에 작업하여 작성한다. (11) 부하유량의 산정 설계도에 기구급수 부하단위법 등의 방법에 의해 각 구간별 부하유량을 산정한다. 부하유량에 의해 유량선도를 이용하여 허용 마찰 손실수두, 유속, 배관 관경을 결정한다.
3) 상수도 시설의 목적과 규모의 결정 (1) 상수도 시설의 목적 상수도 시설의 목적은 합리적인 건설비 및 유지관리비를 투자하여 소비자에게 질적으로 안전하고 양적으로 충분한 물을 공급하는데 있다. (2) 시설규모의 결정 시설의 규모는 계획기간, 급수면적, 급수량, 원수의 수질등 다음 사항에 의하여 결정된다. ① 계획년도 설계기간 혹은 설계년도 계획 당시의 자금사정, 건설비, 유지관리비, 시설의 수명 등에 의하여 결정하며 일반적으로 새로운 수도시설 혹은 기존시설에 대한 확장계획을 하려는 경우에는 장래 5∼15년간을 고려하여 계획한다. 5년 이내의 단기간을 기준으로 하여 시설하는 경우에는 완공과 더불어 확장계획 혹은 공사를 실시하게 될 경우가 있으므로 되도록 장기계획을 수립하여 설비하는 것이 바람직 하지만, 필요이상의 장기계획을 세우는 경우에는 건설비의 추정이 어렵고 또한 설치한 시설의 노후로 계획상의 결함이 많아 비경제적이 될 수도 있다. 개개 시설의 규모 결정에 있어서 계획년도는 앞으로의 공사의 난이도를 고려하여 서로 다른 계획년도를 설정할 수 있다. ② 계획급수 면적 급수면적이라 함은 계획 기간내에 급수관을 매설하여 급수하는 대상지역의 면적을 말하며, 인구밀도가 매우 적은 산림지역이나 장래 도시의 발전전망이 적은 곳에 급수 설비를 설정하는 것은 특별한 경우를 제외하고는 건설비가 많이 소요되므로 신중한 검토가 필요하다. ③ 계획급수 인구 계획급수 인구는 계획급수량의 결정에 필수적인 사항으로 계획기간 이내의 급수대상 지역의 추정된 인구에 급수보급율을 곱하여 결정하며, 인구추정방법은 각도시 혹은 지방자치단체 등에 의하여 추정된 자료를 사용하거나 다음 방법 혹은 공인된 기타 방법에 의하여 과거 약 20년간의 인구증감을 고려하여 결정하는 것이 일반적이다.
장래 인구 추정은 상기 방법을 사용하되 그 도시의 성질을 고려하여 결정되어야 한다.즉, 산업발전에 따르는 인구의 증가 또는 기타 사회적 조건을 따르는 인구의 증감 등을 고려하여야 한다. 또한 계획 급수보급율은 급수시설을 신설하는 경우에는 대상도시와 유사한 성질을 갖는 도시와 비교하여 결정하는 것이 좋은 방법이며, 만약 시설을 확장 하는 경우에는 실적을 고려하여 결정한다. ④ 계획 급수량 일반적으로 급수량은 도시의 대소, 기후, 풍토, 문화의 정도, 생활방식, 산업상태 등 총괄적으로 말하여 도시의 크기와 성격(공업도시, 산업도시, 탄광도시, 상업도시, 관광도시 또는 주택이나 상업 용지등) 및 그 발전상황등에 따라 결정되는 것이므로 수도 매설후 해마다 증가하는 것이 상례이며, 그 증가속도도 도시의 크기나 성격에 따라 다르다. 다시 말해서 인구의 증가, 산업의 발전, 문화의 향상등 급수량 변화의 주요 원인이 되는바, 그 예를 들면 새로운 공업용지 등이 유치되면 수요수량은 급속히 증가하는 것이 일반적이다. 수돗물은 여러가지 용도에 쓰이나, 용수 모두를 포함한(단, 소화용수는 제외) 1년간 총급수량의 평균 1일분을 1일 평균급수량이라 한다. 1인 1일 평균급수량은 수도계획의 기본이 됨은 물론 그 도시의 크기나 산업 및 문화에 대한 척도가 되기도 한다. (우리 나라에서 흔히 쓰는 시설용량을 급수인구로 나눈 수치를 사용하는 경우와 구분해야 한다. (3) 취수 ① 수원지의 선정 수원지 선정의 조건은 계획 취수량이 최대 갈수기에 있어서도 확보 가능하고 수질이 양호하여 경제적으로 처리 가능한 범위 내일 것. 또 장래 이것들의 오염의 염려가 없는 상태가 계속 가능한 상태일 것. 더구나 법적으로도 확보가 가능한 것이어야 한다. 취수지점의 위치는 도수, 소수, 정수, 배수, 급수 등을 포함하여 수도시설 전체의 공사면에 큰 영향을 주므로 건설비나 유지관리비에 있어서는 장래의 확정을 고려하여 결정해야 한다. ② 취수방법
③ 저수시설 일반적으로 저수지는 수원의 평균유량이 계획수량 이상으로 되면, 부족시의 수량을 보충하기 위하여 하천의 상류에 설치하는 경우와 적당한 지형을 이용하여 도수로의 도주에 설치하는 경우가 있다. 이것들에는 흙댐(earth dam), 석괴댐(rock fill dam), 콘크리트댐 등이 있다. 댐을 계획하는 경우에는 ①공급지에 가까운지, ②저수량이 있는지, ③공사의 난이로 경제성이 있는지 등을 검토하고 지질, 지형 등도 충분히 조사하며, 장기간에 걸쳐 강우량이나 유량 등의 조사를 하고 위치, 높이, 크기 등을 결정한다. ④ 침사지 침사지는 취수된 원수 중의 쓰레기나 모래 등이 도수로 내에서 침적할 가능성이 있으므로 취수구 가까이에 설치한다. 더구나 지내의 청소를 고려하여 2지 이상의 침사지를 설치하는 것이 이상적이지만 경제적으로 어려워 1지로 할 경우는 측관 등을 설치해야 한다. 침사지의 규모는 계획적으로 10∼20분 동안의 체류시간으로 하고, 지내 통과 평균속도는 2∼7m/s로 하면 좋다. 또 형상은 거의 장방형을 무시하고 유입부를 점차 확대시킨 형으로 하며 길이는 폭의 3∼8배 정도가 양호하다. (4) 도수와 송수 ① 도수와 송수 수원에서 취수된 원수를 정수시설이 정비된 장소까지 옮기는 것을 도수라 하며, 정수시설이 정비된 정소에서 정수된 물을 배수지까지 옮기는 것을 송수라 한다. 도수와 송수의 차이점은 별로 없는데, 도수에서는 원수 자체인 것에 대하여, 송수는 정화된 물이다. 이와 같이 수질이 다르기 때문에 도수는 개수로 방식으로 할 수 있지만, 송수는 밀폐로 방식으로 하여야 한다. ② 도수와 송수의 방식 도수와 송수의 방식은 펌프가압식과 자연유하식으로 나누어진다. 자연유하식은 수면이 대기에 접촉되어 중력의 작용으로 어느 물매를 순차적으로 자연유하하는 개수로식 또는 무압식과 수압을 받아 수로 내를 흐르는 관수로식 또는 유압식으로 나누어진다. 펌프가압식은 건설거리가 짧고, 건설비가 절약되지만 정전시에 펌프의 일시적인 정지에 의해서 도수의 안전성에 문제가 생김과 동시에 전력비 등이 증가되는 결점도 있다. 자연유하식은 건설거리가 멀기 때문에 건설비가 가중되는 결점이 있지만, 도수가 확실한 만큼 보수관리가 용이하다. 개수로 방식은 도수물매와 일치시키기 위하여 높낮이를 등고선에 따라 노선을 선택할 필요가 있으며, 또 거리를 단축하기 위하여 터널이나 교량 등을 사용하여 하천이나, 와지나 산 등의 장애물을 통과시킨다. 관수로 방식은 최단거리가 되도록 하면 경제적이지만, 대구경관의 경우는 전용으로 사용할 용지가 필요하다. 그러나 구경이 작을 경우에 도로 내에 매설하면 용지비도 적게 들어 비용절감이 가능하다. 관수로의 수압이 관의 허용수압보다 높을 경우에는 관의 파열이나 누수 등의 사고가 발생하기 쉬우므로 관로의 도중에 감압장치를 이용하여 감압하지만 그렇지 않은 경우에는 고압에 견디어내는 관을 사용해야 한다.
(5) 정수 ① 정화의 의의 하천수의 탁함과 미생물 등을 제거하기 위하여 일반적으로 침전, 여과, 염소소독의 3단계의 정화가 이루어지고 있다. 지하수는 수질은 양호하지만, 염소소독 등은 해야 한다. 복류수도 수질은 양호하지만 출수를 고려하면 적어도 여과와 염소소독이 필요하다. 호소나 저수지를 수원으로 하는 경우, 미생물이 주기적으로 급격하게 발생하는 일이 있으므로 마이크로 스트레이너(micro strainer)를 이용하여 미생물을 제거하는 설비 등을 설치하여 여과장해를 일으키지 않도록 해야 한다. 철분은 물에 취미나 색도를 주어 세탁시에 의류 등을 오염시키므로 제거해야 한다. 또 관에 흑색의 스케일을 생성시켜 검정물의 원인이 되는 망간은, 예를 들면 미량으로도 유리잔류염소와 화학변화를 일으켜 망간량의 300∼400배의 색도를 나타내므로 제거해야 한다. 또 근래에는 도시의 발전으로 인하여 하천이 오염되고, 특히 갈수기의 물에는 음이온 활성제 등이 다량으로 함유되어 있으므로 그 제거가 필요하다. 더군다나 유리탄산이 다량으로 함유되에 있는 경우는 물이 부식할 염려가 있으므로 이것을 제거하고 원수가 고경도인 경우에는 연화처리를 해야 한다. ② 정수방법 원수의 수질에 의해서 정수방법이 결정되며, 원수의 수질이 좋은 경우와 나쁜 경우에 의해서 정수방법은 간단해지기도 하고 복잡해지기도 한다. 그러나 원수의 수질이 어느 정도 좋아도 이상출수 등에 의한 예측할 수 없는 오염이 될수가 있으므로 급수의 안전성을 확보하기 위하여 적어도 염소소독은 해야 한다.
③ 보통침전 보통 침전지는 수중의 불순물을 단순한 침강작용에 의해서 침전시키는 못이며, 침전 방법으로서 전에는 간헐식도 이용하였지만, 현재는 거의 연속류식이다. 연속류식의 침전제거율 E 는 다음식에 의한다. Vo 여기서 Vo : 입자의침강속도 [m/s] Q : 유량 [m3/s] A : 침전지의 표면적 [m2 ] 또 Q/A는 침전제거율을 결정하는 중요한 인자로 표면부하율이라 하고 이 값이 적을수록 제거율은 커진다. 그러나 침전지로의 물의 유입속도가 커지면 유입하는 물과 못 내의 물의 밀도가 달라지므로 침전지대에 편류가 생겨 침전효과가 악화되므로 일반적으로 이상류는 되지 않고 침전제거율이 저하된다. 구멍의 총면적은 지단면적의 5∼7% 전후로 한다. 청소·보수 등을 고려하여 지수는 2지 이상으로 하고, 용량이 종래에는 계획 정수량의 12시간 분이 표준이었지만, 현재는 정류설비를 하거나 다시 하천을 원수로 하여 출수시에는 고탁도가 되는데 약품을 사용함으로써 8시간 정도가 표준으로 되어 있다. 또 지내에 대한 평균유속이 크면 침전을 방해하고 한 번 침전된 입자를 부상시킬 염려가 있으므로 30 cm/min 이하로 해야 한다. 침전지의 구조는 수밀성이 좋은 철근 콘크리트제로 하고, 모양은 될 수 있는 한 정류부가 생기지 않도록 장방형으로 하고, 길이와 폭의 비 3∼8 : 1로 한다. 또 못의 유효 수심은 일반적으로 오니의 퇴적깊이를 고려하여 3∼4 m 정도를 표준으로 한다. 지저는 청소.배니에 편리하도록 적당한 물매를 잡아서 배수구를 설치하면 좋다. 또한 보통 침전지에는 유입관, 유출관 외에 월류관, 배수관을 설치해야 한다. ④ 완속여과 완속여과지는 원수가 비교적 깨끗한 경우에 이용되며, 일반적으로 원수를 4∼6 m/d 의 여과속도로 퇴적사층에 침투시켜 일정시간 후에 사층표면에 형성되는 아교질 여과막 및 사층자체에 의해 원수중의 불순물 및 세균류를 거의 제거하는 것이다. 여과수량을 일정하게 유지하기 위하여, 여과의 계속과 함께 여과저항이 점점 증가하므로, 여과수두를 증가시킨다. 여과수두가 어느 한도에 도달하게 되면 여과수의 수질이 악화되므로 못을 말려 사층표면을 2cm 정도 깍아내고 재차 층수하여 여과를 재개한다. 깎아내는 횟수를 거듭하여 사층두께가 400mm 에 이르면 부족한 모래를 다시 채운다. 또 깎아낸 오염된 모래는 세사기에 의해 오니를 씻어 흘려보내고 다시 사용한다. 또한 여과기에는 크기가 0.3∼0.45mm 의 가는 모래를 이용하고, 그 지지층으로서의 크기는 3∼4mm 의 거친모래 기타 잔자갈, 거친자갈, 호박돌의 순서로 세사기 밑에 층을 만들어 깔고, 여과지의 모래위 수심은 900∼1,200mm 로 하고, 여과는 일반적으로 일정한 여과속도로 운전하기 위하여 하부 집수장치에서 인출된 물은 유량 조절장치, 여과 수두계, 여과 수량지시계가 설치되어 있는 조절밸브에 들어간다. 유입관은 못의 크기에 의하여 설치하고 관내유속이 50 cm/s 정도가 되도록 한다. 유입구 주위의 여사의 교란을 고려할 필요가 있다. 또 배수관은 깎는 작업시에 지수를 속히 배제하기 위하여 모래면 위와 아래에 설치한다. ⑤ 약품침전지 약품침전지에 있어서 원수가 탁한 경우는 보통 침전만으로는 충분히 깨끗하게 되지 않으므로 침전에 앞서 원수에 응집제를 주입하고 혼화교반으로 플록을 형성시켜, 이것에 수중의 불순물을 흡착시킴으로써 침전지에서 침전이 이루어진다. 이 경우 플록의 침강속도는 크므로 단시간의 침전이 가능하다. 응집제로는 보통 유산알루미늄을 이용한다. 이것은 물을 가하면 수중의 중탄산염과 결합하여 수산화알루미늄이 되고, 천천히 교반하면 응집하여 플록을 생성시키고, 이 때 수중의 부유물질이나 용해성 물질을 흡착한다. 또 약품침전지는 혼화지, 플록 형성지, 침전지 등의 3지로 성립되어 있다.
⑥ 고속응집침전 고속 응집침전지는 어느 범위의 농도 슬러리를 항상 지내에서 순환시키고 있어 유입수와 응집제는 접촉횟수를 많게 하여 보다 큰 플록을 만들고, 이것을 동일지 내의 상향류침전부에서 능률적으로 분리하는 장치이다. 침전시간은 보통 1.5∼2.0 시간 정도로 단축되며, 용지 면적도 절약되는 이점이 있다. 장치에는 슬러리 순환형, 슬러지 블라켓형, 맥동형 등이 있다. 고속응집침전지를 채용할 때 주의할 점은, 플록의 흡착능력의 열화에서 원수탁도가 5도 이상일 것, 필요한 처리량이 유지되지 않는 장애를 발생시키지 않고 최고 탁도가 3,000도 이하일 것, 운전조작이 어려울 정도로 원수탁도가 대폭 또는 급격하게 변동을 하지 않도록 한다. ⑦ 급속여과 급속여과지는 원수가 탁한 경우나 도시의 정수장에서 여과수량이 많은 경우에 이용되며, 급속여과는 여과속도가 100∼150m/d로 상당히 빠르다. 완속여과와 같이 정화를 여과막에 기대하는 것은 불가능하므로, 급속여과는 보조 처리로서 약품 침전으로 하고, 그 상징수를 인입하여 여과한다. 여과지로의 유입수 중에는 플록이 다소 남아있으므로 이 물을 여과하면 사층면에 플록이 퇴적하여 극히 땰은막이 되는데, 이 막으로는 여과막같은 역할은 기대할 수 없다. 또 플록이 형성된 경우는 수중의 부유 물질이나 용해성 물질이 플록에 흡착되므로 사층에서 이 플록을 제거하면 된다. 여과수두는 2.5m 정도까지 허용되지만 여과수두를 허용치까지 늘려도 필요 여과수량이 얻어지지 않을 때에는 여과를 일시 중지하여 여과층의 밑으로 여수를 역송하여 여재간에 퇴적된 찌꺼기를 세정하고, 트로프(through)로 세류하는 역류세정방식, 세정을 좋게하기 위하여 사전에 여층의 밑으로부터 공기를 보내 여층으로 천천히 내려온 여수를 역송하는 공기수 병용세정방식, 여수를 역송하여 여층을 기계적으로 교반하여 여층의 표면으로부터 압력수를 붙어주는 방법 등도 이용된다. 급속여과지는 매일 세정하지만 세정완료 후 여수가 음용에 적합하게 되기까지는 1시간 정도 필요하다. 또한 급속여과지는 핸들 조작에 의해서 조작되며, 세정을 하기 위하여 2지 이상이 필요하다. ⑧ 염소주입 정수장에서 송출된 물이 도중에 오염될 염려가 있으므로 정수작업의 마지막으로 여과수의 소독에 염소가 이용된다. 이 외에 전염소처리 등에도 이용된다. 소독용 염소는 일반적으로 액체염소가 이용되며, 가루 등이 이용되는 경우도 있다. 액체염소는 염소가스를 압축액화한 것으로 봄베 등에 충전되어 있다. 이것을 기화시킨 후 수 중에 주입하여 멸균작용에 이용한다. 또 봄베는 50kg 및 1ton들이 등이 이용되고 있는데, 중규모 이상의 정수장에서는 1 ton 봄베가 이용되고, 대규모 정수장 등에서는 대용량의 리시버 탱크(receiver tank)를 이용하여 탱크롤리로 운반된 액체염소를 받아넣어 이용되지만 이 경우는 중화장치를 설치하여 염소 누설사고가 발생될 경우에 대비하여 엄중하게 해야 한다. 주입기에는 건식, 습식압력식, 습식진공식 등이 있다. 건식은 가스상 그대로 처리하여 수중에 주입하는 것으로 염소의 흩어짐이나 불균일, 철관류의 부식 등을 일으키기 쉬운 결점이 있다. 또한 습식압력식은 염소가스를 봄베에서 인출하여, 압력하에서 계량한 후 물과 혼합하고 염소용액으로 처리하여 수중에 주입하는 것으로서 염소의 혼합은 균등하게 된다. 그러나 주입기에서 염소가 누설되고, 공용기에 염소가 남는 등의 결점도 있다. 습식진공식은 염소가스를 감압밸브로 대기압 이하에서 계량한 후 이것을 이젝터(ejector)로 흡입하여 염소용액을 만들어 수중에 주입하는 것으로 염소의 누설이나 공용기에 남는 등의 결점이 없기 때문에 일반적으로 거의 이 방식을 이용하고 있다. 염소주입률은 급수전에서 유리잔류염소의 경우 0.1ppm 이상으로 하고, 결합잔류염소의 경우 0.4ppm 이상 유지되도록 하며, 여과수위 염소요구량에 이것을 가해서 정한다. 그러나 수원정수과정 배수관 등이 외부에서 물이 병원생물에 의해 오염될 염려가 있는 경우는 급수관말에 있어서 유리잔류염소 0.2ppm 이상, 결합잔류염소 1.5ppm 이상으로 유지되도록 정한다. 염소는 기화 때에 기화열을 필요로 하므로 염소주입실은 항상 15∼20℃로 유지되도록 간접적인 보온장치를 설치하고, 완전하게 환기를 해야 한다. 또 염소는 유독가스이므로 누설되지 안도록 철저히 관리하고 사고에 대비하여 방독면이나 염소, 흡수장치 등의 보안설비를 완비 해야 한다.
(6) 배수 ① 배수방법 배수방법에는 정수를 자연유하로 배수하고, 또는 펌프로 배수지 또는 배수탑으로 양수하여 이곳에서 자연유하로 배수하는 경우와 직접 펌프를 사용하여 배수하는 경우가 있다. 펌프를 이용하는 경우는 정전에 대비하여 디젤기관 등의 예비동력을 구비하여 배수의 안전성을 확보해야 한다. ② 배수지 배수지의 용량은 급수량의 시간적 변화에 대응하여 소요용량은 1일 최대급수량에 대하여 시간적 변화상황으로 결정하고 화재 등의 불의의 사고에 대비하여 여유량을 고려한 것으로 된다. 용량은 필연적인 것으로 화재 등의 목적에서 필요로 되는 여유량은 도시의 발전상황이나 소방용 수리가 수도 이외에 있는 경우 등을 고려하여 결정하지만 일반적으로 배수지의 소요용량은 계획 1일 최대급수량의 6시간 분 이상으로 되어 있다. 용량을 구하는 방법에는 면적법, 누가곡선법, 해석법이 있으며 일반적으로는 면적법과 누가 곡선법이 사용되고 있다. 배수지의 위치 및 높이는 급수상의 안전과 수압의 균등화를 도모하고, 동시에 경제성을 충분히 고려하여 급수구역내의 중앙부근의 높은 곳에 설치하면 된다. 덮개를 설치하여 우수나 오수의 침입 등으로부터의 오염을 방지하는 구조로 할 필요가 있다. ③ 배수탑과 고가수조 급수구역의 높은 곳에 배수지를 설치할 적절할 장소를 얻기 어려운 경우에는 배수량의 조정 또는 배수펌프의 수압 조정용으로서 배수탑이나 고가수조가 설치되고, 지상보다 높이 저수하는 구조로 되기 때문에 배수지에 비교하여 건설비가 고가로 된다. 또 소요용량은 일반적으로 1일 최대 급수량의 1∼3시간 분으로 되고, 따로 부족분에 상당하는 배수지를 필히 확보할 필요가 있다. 그러나 최근에는 정전도 적고, 예비 동력설비도 양호하므로 소규모 수도 이외에는 배수지는 거의 사용되지 않는다. 배수탑 및 고가수조는 지상보다 높은 곳에 설치되는 구조물로 형상은 수압, 풍압 등에 대비하여 안전한 원통형 외에 구형 등이 일반적으로 이용되고 있다. 수심은 배수탑의 경우 20m를 한도로 하고, 고가수조의 경우는 3∼6m 로 되어 있다. ④ 배수관 배수관의 배치방식에는 격자식과 수지상식이 있으며, 격자식은 배수관을 격자처럼 서로 연결하는 것으로 물이 정체하지 않고 수압도 유지하기 쉽고, 특히 화재시 유리하다. 수지상식은 배수관이 서로 연결되지 않고 나뭇가지 모양으로 서로 갈라져서 끝으로 갈수록 관경이 작고 배수량은 서로 보충할 수 없어 수압이 현저하게 저하한다. 결과적으로 큰 관경이어야 하므로 비경제적이며, 관의 말단에 물이 정체하여 적수, 냄새 등의 원인이 되므로 종종소화전을 열어 방류시켜야 한다. 배수관의 최대 정수압은 사용하는 관종의 규격 최대 정수압을 넘지 않아야 되며, 배수압이 높아 누수량이 증가하고, 관의 파열사고가 나지 않도록 주의가 필요하다. 또한 최소 동수압은 1.5kg/㎠ 이상으로 하는 것이 좋지만 화재시 발생지점 부근에서 부압으로 되지 않는 한 수압은 이것 이하로 하여도 좋다. 관망 유량계산법으로는 수학적 해석법, 등치관법, 도해법, 전기계산법, 반복근사법 등이 있으며 현재는 일반적으로 반복근사법인 하디크로스(Hardy Cross)법이 이용되고 있다. ⑤ 관로의 부속설비 관로에는 제수밸브, 공기밸브, 니토관, 감압밸브, 소화전 등의 부속설비를 필요에 따라 설치한다. 제수밸브는 관망에 있어서 소수의 제수밸브 조작으로 단수구역을 소범위로 억제하도록 배치하고 배수관의 분기점에서는 2개 분기관에 설치하고, 교차점마다 3개 설치하며, 중요한 역사이펀부 또는 괘도횡당 등의 전후나 계통이 다른 배수관의 연략관 등에 필히 설치한다. 또 간격이 긴 경우에는 500∼1,000m 간격으로 설치해야 한다. 공기밸브는 관로도중의 철부에 설치하고, 관경이 400mm 이상의 관에는 필히 쌍구 공기밸브를 설치하고, 그 이하의 관경의 경우에는 단구 공기밸브로도 좋다. 또 공기밸브실의 지하수가 높은 경우에는 필요한 높이만큼 이음관을 설치하고, 오수 등이 역류되지 않도록 해야 한다. 니토관은 관의 요부에 적당한 배수로, 또는 하천 부근을 선정하여 설치하지만 필요에 따라 배니실을 이용하여 설치한다. 니토관의 관경은 관로관경의 1/2∼1/4 정도로 되어 있다. 지반의 고저차가 심하면, 이것에 수반하여 수압이 변화하고 예정 수압보다 과대하면, 배수본관에 감압밸브를 설치하여 조정한다. 소화전은 소방활동에 편리하도록 도로 교차점이나 분기점 부근 등에 설치하고, 상황에 따라서 100∼200m 간격으로 설치한다. 또 관로의 관경이 150mm 이상인 경우에는 단구 소화전을 사용하고, 관경이 300mm 이상인 경우에는 쌍구 소화전을 설치한다. 일반적으로 소화전의 구경은 65mm 로 되어 있다. ⑥ 펌프설비 수도용 펌프로는 와권펌프, 사류펌프, 축류펌프가 이용되며 배수용에 이용되는 펌프는 와권펌프이다. 펌프는 가능한 한 최고 효율 부근에서 운전되도록 용량과 대수를 정하고 유지관리상 대수는 적게하며, 동일용량의 것을 설비하는 것이 요구되고, 효율면에서 보면 대용량의 것을 이용하도록 한다. 또, 수량이나 양정의 변화가 심한 곳을 고려하여 대소 2대의 다른 펌프를 설치해야 한다. 또한 펌프의 고장을 고려하여 예비펌프를 설치해야 한다. 펌프의 구경은 다음식으로 나타낸다. D = 1.13 √Q/V D : 펌프구경 [m] Q : 양수량 [m3/s] V : 토출유속 [m/s] 또, 토출유속은 보통 2∼3 m,/s 이지만, 고양정용은 3∼7 m/s 의 것도 있다. 또한 흡입유속은 저양정에서 1.5∼2m/s 고양정에서는 2∼2.8m/s 이다. 펌프의 전양정은 실양정에 관계한 모든 손실수두를 가한 것이지만 사이클 저하나 관로의 손실증가 등을 고려하여 1∼2활 정도의 여유를 예상한 펌프의 전양정을 결정해야 한다. 펌프의 선정은 형식에 따라 여러 가지 특성이 있는데 표준특성을 고려하여 정한다.
4) 급수수질오염의 원인과 방지 (1) 수질의 오염 원인 음료수의 수원으로는 수질기준에 적합토록 만들어진 수돗물을 이용하고 있으나, 상수도 직결식의 급수방식 이외에는 수요자가 직접 모든 시설을 관리하게 된다. 그러므로 건물내의 저수탱크, 고가탱크, 배관 등의 재료나 구조및 유지관리가 불충분함으로 인하여 수질이 오염되지 않도록 세심한 배려가 있어야 하며 급수가 오염되는 원인은 다음과 같다.
크로스컨넥션의 요인으로는 물이용 형태의 변화에 수반하여 잡배수 계통을 설치함에 따른 오배관이 있으며, 역사이펀 작용의 요인으로는 급수관과 물사용기구와 직결되는 경우에 발생한다. 고가 탱크로부터 하향식으로 급수되는 시스템에서, 탱크의 청소나 보수를 위해 탱크쪽 밸브를 잠근상태이고 어느층의 수전에 연결된 호스가 세탁기 물통속에 잠겨져 있을 때 바로 밑층의 수전이 열리면 급수관내 압력이 저하되면서 부압상태가 되고, 윗층 세탁기 물통의 물은 사이펀 작용으로 급수관내로 작용된다. 이것이 건물내의 급수배관에서 발생할 수 있는 전형적인 역 사이펀 작용이다. 또한 단수 이외의 상태에서도 급수관내에 예상 물량이상의 유량이 있으면 베르누이 방정식에 의해서 관내 유속이 빨라짐에 따라 속도 수두 v2/2g 및 관마찰 손실수두 h가 전수두 H보다 커지게 되면 압력수두 P/r는 부압이 되고 급수관내 압력도 부압이 된다. 이런 상태에서는 전수두 H가 적은 상층배관으로 역사이펀 작용이 발생할 수 있다. (2) 음용수 배관의 오염방지 대책 배관에서의 오염을 방지하기 위해서는 크로스컨넥션의 방지, 역사이펀 작용 방지를 위한 토수구 공간 확보, 버큠브레이커설치, 불침투성 재질사용, 녹 생성이나 부식이 용이한 금속재료의 경우에는 코팅 등의 내면처리, 저수탱크 등으로 유해물질이 침입하지 않도록 하여야 하며 배수를 재이용하는 시스템에서는 다음과 같은 조치가 이루어져야 한다.
역사이펀 작용을 방지하기 위해서는 급수관에 부압이 작용하더라도 급수관으로 물이 역류할 수 없도록 토출구 공간을 확보하고 대변기의 세척밸브, 호스를 연결하여 사용하는 카프링 붙이 수도꼭지, 살수전, 화학수전 등의 기능상이나 미관상 또는 사용편의상 토수구 공간을 둘수 없는 기구에는 버큠 브레이커를 설치한다. 배관시공상으로는 음료수 배관과 타용도 배관과의 이격거리에 주의해야 하며 매설되는 배관에 대해서는 수평으로 500mm 이상 띄우고 급수관이 상부에 위치하도록 배관한다. 급수입관으로 부터의 분기관에는 분기점 부근 접근과 조작이 용이한 위치에 차단밸브를 설치한다. 이것은 수량조절, 고장수리, 증설이 필요한 경우 지수, 계통간의 구분, 타 급수계통과의 오접합배관 여부 확인 등에 필요하다.
5) 음용수의 수질기준 음용수의 수질기준에 관한 규칙 (보건사외부령) 2조에 규정되어 있으며 다음의 요건을 갖추어야한다.
지하수나 우물물(well water) 등의 상수도 이외의 수원에서 음료수를 공급하는 경우 도 상기의 수질 수준에 준한 물이어야 한다. 공업용 수도는 주로 공장의 프로세스 용수로서 사용하기 때문에 직접 음료용 등에 공급하는 것은 아니다. 따라서 수질 기준도 상수도와 같은 엄격함을 요구하지 않는다. 중수도는 잡용수라고도 하며, 일단 사용된 물을 회수·재생하여 순환 이용하는 것이다. 이 재이용수의 수질은 용도에 따라 다르다. ① 미생물에 관한 기준
② 건강상 유해영향 무기물질에 관한 기준
③ 건강상 유해영향 유기물질에 관한 기준
④ 심미적 영향물질에 관한 기준
한편 국내 상수도 수질기준에 포함되어 있지 않은 방사능과 일부 미생물, 무기물,유기물, 살충제 등에 관하여 세계보건기구(WHO)와 미국환경청(EPA)은 별도의 규정에 의해 권고하고 있다. 대장균의 기준의 의미는 ① 일반세균 포함 여부, ② 타세균에 비하여 수명의 김, ③ 오수 cross connection에 여부확인 등이 있다.
6) 급수용 배관재료(건설부고시 제 1993-350호) (1) 배관재료 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 제18조, 제 3호의 규정에서 "한국산업규격표시품 중 음용수에 사용할 수 있는 배관재료"는 다음과 같이 고시하여 1993년 10월 1일부터 시행하고있다.
(2) 배관재료 선정시 고려사항 ① 관내를 흘려보내는 유체의 화학적성질
② 관속을 흘려보내는 유체의 온도
③ 유체의 압력, 즉 관이 받는 내압조건
④ 관의 외벽에 접하는 환경조건 주로 지중매설배관의 경우, 토질에 따른 영향이다. 산성토양의 습윤지에서는 내산성이 강한 관을 선택해야 한다. 화학공장등에서 기체가 발생하는 곳에 배관할 경우 그 기체가 관에 미치는 영향도 고려해야 한다. ⑤ 관이 받는 외압 지중매설관등 외압을 받는 배관에서는 규격의 외압강도도 고려하여 관종을 선택해야 한다. ⑥ 관의 접합방법
⑦ 관의 중량과 수송 조건
이상의 여러조건중의 하나 혹은 둘이상이 동시에 따르게 되므로, 그것들을 깊이 생각한 다음에 채택할 관의 종류 및 그 접합방법을 선정해야한다. 그러기 위해서는 각종관의 재질의 화학적성질, 규격의 상용정수두, 수압시험, 및 관의 내경, 외경 기타 각부의 치수등을 알아야한다. 3. 급수량과
급수방식
1) 사용수량과 필요압력 (1) 사용수량 물의 사용수량은 음료수를 비롯하여 요리와 취사, 세탁, 목욕과 세면, 청소 등 위생용과 도시활동을 위한 공용수, 소화용, 공업용 등에 많은 양이 소비되고 있으나, 사용량은 생활환경과 수준의 향상에 비례하여 더욱 더 증가될 것이다. 표1은 하루에 사용하는 물의 양을 용도별로 구분하여 한사람당으로 환산한것이다.
[표1] 용도별 사용수량 일반적으로 수세식 화장실, 세탁기 및 욕실이 갖추어진 주택에서의 사용유량은 150 ∼ 300 L/人日 정도이며, 용도별 비율은 표2와 같다.
[표2] 수세식화장실, 세탁기 및 욕실이 있는 주택에서의 용도별 사용 수량에 대한 비율 ① 물 사용량의 변화
물 사용량은 계절, 월별, 요일별로 각기 다르며 하루중에도 [그림1]과 같이 시간대에 따라 다르다. 일반적으로 계절별로는 여름이 가장 많고, 봄과 가을이 중간정도이며 겨울이 가장 적다.여름의 사용량이 가장 많은 것은 목욕과 세탁 회수가 증가하고, 수영이나 분수, 살수등의 사용량이 증가하기 때문이다. 월별의 차이는 기온의 영향 때문이므로 7, 8월이 많고 1, 2월이 적다. 주택의 경우 요일별로는 일요일이 사용량이 가장 많은데 이는 온가족이 모여있기 때문이다.
② 건물별 사용수량 건물에서의 사용수량은 건물의 규모와 설비 내용에 따라 매우 다르다. 위생과 난방설비 정도였던 건물의 설비가 이제는 냉방 또는 공조설비를 필수로 하고 있고, 주택의 경우는 수세식 화장실과 세탁기 사용의 보편화, 식기 세척기의 보급, 자동차의 증가에 따른 세차용수의 추가 등이 사용수량의 증가를 가속화하고 있다.
(2) 기구별 사용유량 및 필요압력 위생기구에 대한 표준적인 사용수량은 표본조사에 의해 자료가 나와 있다. 그러나 급수관내 압력에 따라 토출량은 다르며 기구에 따라서는 어떤 한정된 시간내에 필요한 급수를 하지 않으면 그 기능이 발휘되지 않는 것이 있다.
예로, 대변기 세척밸브, 소변기 세척밸브에서는 일정한 시간 내에 필요한 수량을 토수해야만 변기의
세척효과가 나타난다. 일반적으로 대변기 세정밸브 1회의 사용량은 15L 이며, 그 토수시간은 10초, 소변기 세정 밸브는 1개당 사용수량이 평균
4.5L이며, 세정시간은 5∼8초 정도이다. 그러나, 일반적으로 수압이 높으면 급수량이 많아져서 세면기, 수세기 등에서는 물이 튀는 경향이
있고, 반대로 수압이 낮으면 토수량이 적어지는 경향이 있어 사용상 불편하다. 그러므로 기구별 필요한 양만큼의 물이 토수되기 위해서는 규정된
수압이 유지되어야 하며, 급수설계에서는 시스템을 어떻게 구성하느냐 하는 것보다 수압을 어떻게 필요한 정도로 유지시키느냐가 더욱 중요한 사항이
된다.
왜냐하면 급수기구나 수전에는 필요한 최저수압이 확보되어야만 물이 흐를 수 있는 구조를 가지고 있고, 수압이 낮으면 차압에 의해서 작동하는 가스 순간온수기와 같은 장비에서는 가스 밸브가 열리지 않고, 착화되지 않아 급탕이 불가능 하게 된다. 급수압력이 높으면 급수기기의 수명이 단축되므로, 이런 경우에는 내압성능이 좋은 자재사용이 필요하게 된다. 또한 유량을 늘리기 위해서는 유속이 증가되어야 하며, 유속이 증가되면 워터햄머와 유수 소음이 발생하여 장애를 일으킨다. 그러므로 급수, 압력은 일정한 범위내에 있도록 설계되어야 한다. 일반적으로 주택이나 호텔 등 사람의 사생활이 보장되어야 하는 건물에서는 3∼4kgf/㎠, 기타 건축물에서는 4∼5kgf/㎠이며, 유속은 2.0m/s 이내로 제한한다
급수량의 산정에는 건물의 용도, 사용시간 및 사용인원수는 물론 공조용수, 프로세스 용수 등을 파악하여야 한다. (1) 생활용 급수량 [표 4]는 주요 건물별 거주하는 사람의 일상생활에 필요한 1인당 사용수량을 나타낸 것으로 유효면적은 복도, 계단, 창고 등과 같이 사람이 거주 또는, 근무하지 않는 부분의 면적을 제외한 실제사용면적이다. 최근의 사무소 건물에서는 물을 절약하기위한 방안으로 절수기기를 사용하는 사례가 늘고 있고 실제로 많은 효과를 보고 있다. 따라서 건물의 내용에 따라서는 기기에서 사용되는 수량도 가산할 필요가 있다.
[표 4] 건물종류별 급수량
유효면적 Qd Qm = (1.5~2.0) Qh (l/h) (3~4) Qh Qd : 1일당 급수량 (l/d) Qh : 시간 평균예상 급수량 (l/h) Qm : 시간 최대 예상 급수량 (l/h) Qp : 순시 최대 예상 급수량 (l/min) (2) 기타용수 필요량(cooling water) 사무소 건물에서는 이제 냉방 또는 공조설비가 필수적이다. 따라서 냉동기를 사용함에 따른 냉각수량 확보는 중요한 항목이 된다. 냉각수는 방류식으로 하거나 냉각탑을 사용하는 방법이 있으므로 각 경우에 대한 사용수량 계산에는 다음식을 사용한다. ① 압축식 냉동기 냉각수량 (방류식) Qr = 780×RT×T Qr = 냉각수량 [ℓ/d] RT : 냉각기능력[ US RT] T : 운전시간 [h/d] ② 냉각탑 보급수 압축식 냉동기 Qf1 = 15.6×RT×T 흡수식냉동기 (1중효용) Qf2 = 21.3×RT×T 흡수식냉동기 (2중효용) Qf3 = 20.7×RT×T Qf : 냉각탑보급수 [ℓ/d] RT : 냉동기 능력 [US RT] T : 운전시간 [h/d]
③ 수영장보급수 Qpf = v×(0.05∼0.2) Qpf : 보급수량[㎥/d] V : 수영장체적[㎥] ④ 엔진용 냉각수량 건물에 엔진이 설치되는 경우에는 이에 대한 냉각수도 확보되어야 한다. 엔진용 냉각수 계산에는 다음의 식을 사용한다. QE=qE×E×tE QE : 엔진의 사용수량[L] qE : 1kVA당 냉각수량(30∼40)[L/kVA.h] E : 엔진용량[kVA] tE : 발전시간[h] 이다. (3) 각종 예상 급수량 급수설비에서 기기, 배관 등의 용량을 산정하기 위해서는 해당 건물에서 물이 어떠한 상태로 사용될 것인가를 충분히 파악하여야 한다. 물의 사용상태를 분석하는 방법으로는 1일의 급수량을 1일 평균 사용시간으로 나눈 것을 시간평균 예상급수량, 1일중 물이 최대로 사용되는 1시간 동안의 사용량을 순시의 사용량을 순시최대 예상급수량으로 하여 계산하고 있다. Qd Qh = (1.5~2.0) Qh (l/h) (3~4) Qh Qh : 시간평균예상급수량 [L/h] Qd : 1일당급수량[L/h] Qm : 시간최대예상급수량[L/h] Qp : 순시최대예상급수량[L/M]이다. 학교, 공장, 영화관 등의 사용할 시간이 단시간에 집중되는 건물에서는 Qh 및 Qp가 대단히 크다는 점을 잘 고려해야 한다.
(4) 음료수와 잡용수의 비율 일반적인 건축물에서 세면기, 수세기, 온수기, 주방, 세탁 등의 용도에 사용되는 물은 사람이 마시거나 혹은 인체에 접촉되더라도 이상이 없는 물이어야 하므로 상수를 공급하지 않으면 안된다. 대변기, 소변기, 청소용, 살수, 기계 등의 냉각용에는 잡용수를 사용할 수가 있다. 음료로 사용할 수 있는 물은 환경의 악화 등의 이유로 갈수록 줄어들고 있는 것이 세계적인 추세이다. 물을 효율적으로 이용한다는 측면에서는 멀지않아 배수 재이용설비 등을 설치해야만 할 것이다. 배수를 재이용하는 경우에는 급수계통을 음료수 계통과 잡용수 계통으로 분리해야 하므로, 음료수와 잡용수의 사용량 비율파악이 필요하다. 음료수와 잡용수의 사용비율은 잡용수를 어떤 용도로 사용할 것인가에 따라 다르지만, 화장실 세척용 살수용도에 사용할 때는 표 4와 같은 비율이 된다.
[표 5] 건물별 음료수와 잡용수의 비율
3) 급수방식 건물내 급수방식은 수도직결방식, 고가수조방식, 가압수조방식 및 펌프 직송방식 등이 일반적으로 사용되나, 건물의 용도, 규모 및 설치 환경을 고려하여 선택한다. 생활수준의 향상은 쾌적 수압과 위생성에 대한 요구를 증대시키므로 어떠한 방식을 취하든 수압과 위생성이 확보되도록 하여야 한다.
(1) 수도직결방식
[그림2]와 같이 상수도 본관으로부터 급수관을 직접분기하여 건물내의 필요한 곳에 급수하는 방식이다. 이 방식을 적용하기 위해서는 분기지점의 상수도 압력이 해당건물의 제일높은곳에 설치 되는 위생기구에 이상없이 급수될수 있으며, 인입공사가 가능한지를 조사해 보아야 한다. 2층 이하의 단독 주택이나 소형건물에 주로 사용되는 방식이지만, 가스식 순간 온수기나, 가스 보일러등을 사용하는 건물에서는 수압이 낮을 경우 착화가 불가한 경우가 있으므로 특히 수압에 대한 주의가 필요하다. 이 방식을 적용하기 위해서는 다음 식을 만족할 수 있어야 한다. P ≥ P₁ + P₂ + P₃ 식에서 P : 상수도 본관에서의 압력[kgf/㎠]{Pa} P₁: 분기점으로부터 제일 높은곳 (최악의 조건에 설치된 수도꼭지나 기구까지의 높이에 해당하는 압력 [kgf/㎠]{Pa} P₂: 분기점으로부터 제일 높은곳에 설치된 수도꼭지나 기구까지의 관마찰 손실(부차적손실포함)[kgf/㎠]{Pa} P₃: 분기점으로부터 제일 높은곳에 설치된 수도꼭지나 기구에서 필요로 하는 압력[kgf/㎠]{Pa}이다. (2) 고가 수조 방식
상수도를 일단 지하 저수조에 저수시킨 다음 급수가압펌프로 옥상이나 또는 별도로 설치된 고가수조로 송수하여, 중력으로 필요한 곳에 급수하는 방식으로 공동주택이나 사무소 건물 등에서 가장 많이 사용하고 있는 방식이다. 이 방식에서 탱크부설 높이는 각 수도꼭지에서의 필요급수압과 배관, 밸브, 계량기의 마찰손실 등을 고려해서 결정하여야 한다. 최상층에 대변기용 세척밸브나, 샤워, 순간식 가스온수기 등을 설치할 경우는 필요 토출압력을 고려해서 이에 필요한 압력을 확보할 수 있도록 높이를 결정할 필요가 있다. 또, 초고층 건물로서 급수압이 높아질때에는 급수압력이 4 kgf/㎠를 넘지 않도록 중간수조를 설치하거나 감압장치에의해 급수압을 줄여주는 것도 필요하다. 이 방식을 적용하기 위해서는 다음을 만족할 수 있어야 한다. H ≥ H₁ + H₂식에서 H : 제일 높은곳(최악의 조건)에 설치된 수도꼭지나 기구로부터 고가수조 저수위까지의 수직높이 [m] H₁: 제일 높은곳에 설치된 수도꼭지나 기구에서 필요로 하는 압력에 상당하는 높이[m] H₂: 고가수조로 부터 제일 높은곳 또는, 최악의 조건에 설치된 수도꼭지나 기구까지의 관마찰손실(부차적 손실포함)[m]이다.
(3) 압력탱크방식
[그림4]와 같이 고가수조대신 압력탱크를 두어 급수하는 방식으로 상수도를 일단 지하저수조에 저수시킨 다음 급수가압 펌프에 의해 필요한 곳에 직접 급수한다. 펌프를 가동시켜 공기가 봉입된 밀폐 탱크로 물을 가압하여 유입시키면 탱크내부의 공기가 압축되어 물에 압력이 가해지게 되므로 높은 위치까지 물을 공급할 수 있다. 물이 공급되면 탱크내의 압력이 떨어지게 되며 탱크내의 압력이 일정한 수준이 되었을 때, 미리 조정된 압력 스위치의 작동에 의해 펌프를 회전시켜서 가압하고 정해진 탱크압력이 도달할 때 자동 정지한다. 이 방식은 전기 부품의 고장이 많거나, 혹은 탱크내의 공기가 감소하기 때문에 공기를 재충전하지 않으면 안되는 등의 단점과 탱크내의 압력이 어느범위에서 변동할 경우 수전의 급수압력이 항상 변동되는 문제점이 있다. 이 방식은 설치환경이나 경제성, 등의 제약 등으로 고가수조방식의 적용이 어려운 경우, 고가수조
방식으로는 설치장소의 제약으로 제일 높은 층에서 필요로 하는 압력을 얻을수 없는 경우, 동일한 높이에 설치된 다른 장비들의 적절한 수압을 얻을
수 없는 경우 등에 고가수조 방식과 병용하거나 소규모 주택이나 건물에 주로 사용된다.
(4) 펌프 직송방식 탱크없는 부스터(booster)방식, 탱크없는 압송방식등 여러명칭으로 표기한다. 상수를 일단 지하 저수조에 저수한 다음 급수가압펌프에 의해 필요한 장소로 직송하는 급수방식으로, 제어 방식으로는 급수관내 압력또는 유량을 감지하여 펌프의 대수를 제어하는 방법 또는, 회전수를 제어하는 방법이 있으며, 2가지 제어방식을 병용하기도 한다. 고층건물의 경우는 건물의 각층 높이를 고려하여 여러층으로 급수구역을 나누어 높이 별로 펌프를 설치하는 방법을 취할수도 있다. 현재 사용되는 펌프직송 방식을 설명하면 다음과 같다. ① 정속방식 압력스위치, 유량계, 미소 유량검출기, 압력조절밸브, 소형압력탱크 등에 의해 펌프를 대수제어(펌프가 한 대일 때에는 2위치제어)하거나, 토출압력이 일정하도록 제어한다. 압력조절밸브는 토출압력이 일정하게 유지되도록 제어하기 위해 설치되는 것이나, 토출압력이 다소 변화되어도 문제가 되지 않는 경우에는 생략될 수 있다. 소형 압력 탱크는 적은 유량이 필요할때 펌프의 기동과 정지가 빈번해지는 것을 방지하기 위하여 설치하는 것으로, 물 사용이 시작되면 소형압력탱크내의 물이 송수된다. 물 사용량이 증가되면 압력이 저하되고 기준압에 도달하면 첫번째 펌프가 기동하게 된다. 물사용량이 더 많이 증가되어 압력이 증가 되면 두 번째 펌프가 가동되어 두대의 병렬운전이 된다. 물사용량이 더 많이 감소되어 기준압이하가 되면 감소유량 검출기에 의해 첫 번째 펌프도 정지된다. 펌프를 2대이상 설치하는 경우에는 각 펌프의 수명이 동일해 지도록 한 대의 펌프만 계속 사용되지 않고, 교대로 사용할 수 있도록 자동 교체운전이 되어야 한다. ② 변속방식 펌프의 변속운전에 의한 펌프 직송방식은 토출압력을 감지하여 펌프의 회전수를 제어하는 것이므로, 펌프의 유량 Q, 양정 H 및 축동력 P와 회전수 N은 다음 식과 같은 관계를 가진다. Q ∝ N H ∝ N² P ∝ QH ∝ N³ 이러한 시스템을 적용한 급수설비에서 가변속펌프의 회전수 제어정도는 최대회전수의 80%로부터 최대회전수(100%)까지의 범위이다. 이상 4종의 급수방식은 각각 특징을 가지고 있기 때문에 어떤 방식이 건물규모에 적합한 것인가를 검토하여 채택하는 것이 좋다.
[표 6] 각 급수방식의 비교
4) 배관계획 (1)고층 건물의 급수조닝 현대의 건축물은 토지 이용의 효율성 제고와 경제성의 추구 및 건축기술의 발전에 힘입어 급격히 고층화, 대형화 하는 추세이다. 그러므로 급수설비도 고층에 적합한 시스템으로 설계되지 않으면 안된다. 고층건물의 급수 시스템을 중, 저층 건물과 마찬가지로 단일 계통으로 하면 저층에서는 수압이 과대해지므로 소음, 진동, 워터햄머 등이 심하게 발생하게 된다. 앞에서 언급된 기준이 되는 급수압력을 초과하는 경우에는 중간 탱크나 감압밸브를 설치해서 급수 압력을 조정해야 한다.
① 급수계통을 조닝(zoning)하는 방법 [그림5]와 같이 급수관을 2개이상으로 구분설치하는 방식이다. (a)는 고가수조나 중간 수조 용량에 차이가 적으나, (b)는 중간 수조용량이 커져야 하고, (c)는 고가수조의 용량이 커져야 한다. 이러한 방식들을 적용하기 위해서는 건축적으로 중간층에 수조를 설치할수 있도록 면적 확보와 구조적인 검토가 선행되어야 한다.
② 감압밸브 사용방법 중간수조를 둘 수 없을 경우 설치 공간을 적게 차지하면서 설비적으로 압력문제를 해결할 수 있는 것이 감압밸브를 설치하는 방법이다. 아래 [그림 6]은 그 대표적인 예이며 (a)는 주관에 대형의 감압밸브를 두는 방식, (b)는 수압의 높은 저층구간의 각 층별로 감압밸브를 두는 방식이며(c)는 저층 구간의 2∼3개층을 묶어서 감압밸브를 설치하는 방식이다. 아래 그림은 펌프 직송방식(탱크없는 부스타 방식)의 급수계통에 대한 죠닝 방법의 예이다. (a)는 단일 펌프를 사용하고 고층부, 중층부, 저층부로 구분한 후 중, 저층부에만 감압밸브를 두어 일정범위로 압력이 유지되도록 한 것이며 (b)는 펌프와 배관계통을 완전히 분리하여 구간별 압력이 일정범위에 오도록 한 것이다. 이상에서와 같이 감압밸브를 사용하는 경우의 상세도는 다음 그림과 같다. 즉 감압밸브를 기준으로 고압측에는 스트레이너, 차단밸브와 압력계,저압측에는 차단 밸브와 압력계를 설치하며 반드시 바이-패스를 설치한다. 특히 주 감압밸브에 이상이 있을시 특별한 문제가 예상되는 시스템에서는 바이-패스 감압밸브나 경보 또는, 안전장치를 두는 것이 좋다. 미국의 설계에서는 주관에 감압밸브를 설치하는 경우 일반적으로 감압밸브가 조절가한 최소 유량은 정격 유량의 5%정도로 하며 같이 바이-패스 감압밸브를 설치한다. 그 감압 밸브 용량은 주된 감압밸브 용량의 20%정도로 하며, 저압측 설정압력은 주된 감압밸브의 저압측 설정 압력보다 0.15∼0.3kgf/㎠ 정도 높게 설정하는 것을 표준 설계로 하고 있다. 국내에서는 아직 이와 같은 기준의 적용이 정설로 되어 있지 않으므로 사용하고자 하는 감압 밸브의 특성을 잘 검토하여 바이-패스 감압밸브의 설치여부를 결정해야 할 것이다.
(2) 배관경로 배관경로를 결정하기 위하여는 경제성, 보수관리 등을 고려하여 다음 사항에 유의 하여야 한다.
4. 장비의 배치계획과 용량결정
1) 기기의 배치계획 급수설비를 구성하는 기기는 저수탱크, 양수펌프, 압력탱크, 고가탱크 등이 있으며 이들의 기기배치시 다음의 조건을 고려하여 적절한 장소에 배치하여야 한다.
(1) 저수탱크, 고가탱크 탱크배치시 고려하여야 할 사항은 다음과 같다.
저수탱크의 설치는 위치, 크기, 하중, 층고 등이 건축계획에 큰 영향을 주므로 계획단계에서부터 충분한 협의를 하여야 한다. 고가탱크는 건물의 최고부에 설치되므로 내진을 고려하여 설치하고 건물최상층에 대변기 세정밸브와 샤워 등의 설치시 고가탱크의 하부에서 이들 기기류 까지의 높이가 최소한 10m가 필요하며 또한, 냉각탑의 보급수는 약간의 높이차로서 자유흐름에 의해 공급될 수 있는 높이가 확보되어야 한다. 초고층건물의 경우 조닝을 위하여 중간층에 설치공간이 확보 되어야 한다.
(2) 급수펌프 ① 설치시 유의 사항
② 양수펌프의 크기 결정
(3~4) Qh
Hs : 흡입양정(m) Hd : 토출양정(m) Hf : 마찰손실수두(m) v² 펌프의 동력 r Q
H 0.163 r Q H
r : 물의 비중량 (kg/l) Q : 펌프의 양수량 (㎥/min) Ep : 펌프의 효율
2) 급수용 탱크 (1) 저수 및 고가탱크 저수용으로 사용되는 탱크의 재질별 종류로는 콘크리트, 강판, FRP, 스테인레스, 강판제 등이 있다. 아파트 단지나 대형건축물의 탱크용은 주로 지하에 설치하게 되므로 콘크리트로 축조하는 경우가 대부분이며, 강판제 등은 탱크용량이 적은 경우, 공장제작품 또는 현장제작품을 사용한다. 어떤 재질을 사용하더라도 음료수용을 저장하는 탱크에는 위생성을 반드시 고려하여야 한다. 저수탱크는 내압강도를 확보하여야 하며, 결로 방지를 위하여 FRP제와 같은 것은 보온판넬을 사용하고 강판제의 경우 결로된 물을 받을 수 있도록 물받이를 설치한다.
(2) 공기 압축식 압력 탱크 압력 탱크는 내면을 수지로 코팅한 강판제가 일반적으로 사용되며, 종류는 공기 압축식과 격막식이 있다. 공기압축식은 자동공기 보급장치가 부착되며, 급수펌프와 탱크를 조합하여 유니트화한 것이 많이 사용된다. 밀폐탱크 내부 압력이 p₂로 올라가면 펌프가 정지되고, 물을 사용함으로써 탱크의 압력이 p₁으로 내려가면 펌프를 기동시킨다. 그후부터는 펌프의 기동 정지를 반복하게 된다. 펌프가 정지 했다가 재가동 될 때 까지 흘러간 물의 양은 (V₂∼V₁)이고 이 용량을 유효수량이라고 한다. 이 유효수량을 너무 적게 취하면 펌프의 기동, 정지가 빈번해져 모터의 과열이나 워터햄머 등의 원인이 되며, 기기나 기구 등에 손상을 주게 되므로 모터의 허용 기동 빈도는 동력이 클수록 적은 횟수로 하고, 펌프의 토출량의 2∼3분에 해당하는 정도 를 유효수량으로 한다. 압력 탱크내 초기 압력을 가하여 초압이 대기압 이상이 되도록 하면, 동일한 유효수량에 대한 압력탱크의 용량은 적어진다. 또 탱크내 공기는 가압되어 수중에 녹아들어가 사용되는 물과 함께 공기가 감소되기 때문에 공기 공급이 필요하게된다. 압력탱크에 초기 압력을 가하거나 자동적으로 공기를 보급하는 방법으로는 전극봉, 전자 밸브 등을 이용하는 장치가 있다. 저수위때 압력탱크내 수량이 적게 남게되면 급수관내로 공기가 빨려들어갈 수 있기 때문에 일반적으로 탱크 전체용량의 15%이상은 되어야 한다.
[표 7] 압력탱크의 유효수량
(3) 격막식 압력 탱크 격막식 압력 탱크는 물과 공기층을 다이아프램(diaphram)으로 구분한 것이다. 임의의 가압을 가할 수가 있고, 공기와 물이 직접 접촉하지 않으므로 공기압력식 탱크에서와 같이 공기가 물에 흡수되지 않아 공기 보급장치가 불필요하며 또한 탱크 체적의 대부분 을 유효수량으로 사용할 수 있다. 작동원리는 팽창탱크의 공기실은 미리초압(p)이 가해 져 있으므로 물은 팽창탱크 내로 유입되지 않는다. 시스템의 운전을 시작하여 온도가 상승하면 팽창수는 탱크내로 유입되고 공기실의 체적이 감소하면서 팽창탱크의 압력은 종압까지 상승한다. 시스템의 온도가 내려가면 팽창수는 다시 수축하고 공기실의 압력에 의해 배관내로 밀려나간다. 이와 함께 공기실의 체적이 늘어나면서 압력이 감소하고 감압상태로 되돌아가는 과정을 반복하게 된다. 격막식 탱크를 사용하는 시스템은 공기압축식에 비하여 다음과 같은 특징을 갖는다.
3) 탱크의 용량 산정 (1) 저수탱크의 용량 저수 탱크의 용량은 수원의 급수능력에 좌우한다. 1일단위로 고려하고 다음을 사용하여 계산한다. VS ≥ Qd - QsT 또는 Vs ≤ Qs(24-T) Vs : 저수탱크의 유효유량[㎥] Qd : 1일 사용수량[㎥/d] Qs : 수도 인입관 등 수원으로부터 급수능력[㎥/h] T : 1일 평균 물사용시간[h]이다. 수원의 급수능력이 시간 평균 예상급수량 이상을 확보할 수 있으면 저수 탱크 용량을 적게할 수 있지만, 수도 본관의 압력 변동에 좌우되는 불확정 요소가 있으므로 일반적으로 1일 사용량의 1/3 ∼ 1/2정도로 계획한다. 그러나 현행 수도관계법과 해당지역의 급수 조례등에서는 불필요하게 과대한 기준이 정해져있어 낭비요소가 많은 실정이므로 조속히 이러한 과대 규정들은 보완되어져야 한다. 저수 탱크의 용량이 큰 경우에는 탱크내의 물이 너무 오래 정체되어 부패하는 등 위생상의 문제가 발생할 수 있을 뿐 아니라, 물을 빼버려야 할 경우도 있으며, 별도로 순환될수 있는 배관계통을 두어야 하는 등의 조치가 필요하다. 특히, 잔류염소 확보를 위해 저수펌프와 연동하는 염소멸균장치를 설치할 필요도 있으며 또한, 소화용수도 확보해야 하므로 위생적 측면에서 소화용수탱크는 별도로 설치하는 것이 경제적일 수도 있다.
(2) 고가수조의 용량 고가수조의 용량은 급수가압펌프의 토출량에 관계 되므로 다음식을 사용하여 계산한다. VE = (Qp - Qpu)T₁ + QpuT₂ VE : 고가탱크의 유효유량[L] Qp : 매시최대 예상급수량[LPM] Qpu : 급수가압 펌프의 토출량[LPM] T₁ : 매시최대 예상급수량이 계속되는 시간[min] T₂ : 급수가압 펌프의 최단 운전시간[min] 일반적으로 펌프의 토출량은 매시 최대 예상급수량정도, 매시 최대 예상급수량(Q)이 계속되는 시간(T1)은 30분 정도, 매시운전시간(T2)은 10∼15분 정도로 한다. 또한 고층건물에서 고가수조용량을 적게 하기 위해서는 Qpu를 Qp에 근접시키고, 고가 수조의 용량은 급수가압 펌프의 기동, 정지 역할로만 사용한다. 수조 전체 용량이 충분하더라도 저수위 이하의 수량(Qp-Qpu)T₁이 확보되도록 펌프 기동, 정지용 전극봉을 설치해서 저수위 때에 매시 최대 유량이 되어도 급수량이 부족하지 않도록 한다. 또한 고가 수조 용량도 저수조의 용량과 같이, 수도관계 법규나 해당지역 급수 조례상의 규정이 있으므로 사전에 충분한 검토를 거쳐 용량을 산정한다.
[표 8] 지하저수탱크 설치기준(건축사협회 87년 7월 기준)
4) 급수관에서의 마찰 손실 (1)직관 마찰 손실 직관에 유체가 흐를 때 마찰손실수두는 다음식으로 표시되는 Darcy-Weisbch공식으로 계산한다. l
v² h : 마찰손실수두[mAq]{Pa} λ : 관마찰계수 d : 관내경[m] v : 관내평균유속[m/s] l : 직관길이[m] g : 중력가속도[9.80 m/s²]{m/s²}이다. 관마찰계수는 λ는 레이놀드수 Re = vd/ν (ν는 유체의 동점성계수)와 관벽의 조도 ε값은 동관이 0.0015mm, 강관이 0.15mm, 주철관이 3.4 ∼ 10mm정도이다. Re가 2,100 이상 일때는 층류, 약 4,000 이상일때는 난류가 된다. 2,100 ∼ 4,000 구간은 유체흐름이 불안정하기 때문에 임계역이라 부르며 급수계획 설계대상 범위는 난류역이다. 윗식으로부터, π
2g Q : 유량[㎥/s] A : 관 단면적[㎡] ｉ = h/ℓ : 동수구배[mAq/m] 무디선도로부터 λ를 구하여 윗식에 대입하면 Q, d, I의 관계를 나타낸 선도를 만들 수 있는데 이것을 유량선도로 사용할 수 있다. 급수설비에서는 william - Hazen 식이 일반적으로 사용된다. Q = 1.67C · d2.63·ｉ0.54×104 Q : 유량[ℓ/min] C : 유속계수 d : 관 내경[m] ｉ: 동수구배[mAq/m] 윗 식에서의 유속계수 c는 관의 재질에 따라 각기 다른 값을 가지는데 내면이 매 끄럽고 신품일 때의 값이 크고, 그와 반대인 관에서는 값이 적다. 또한 관의 종류별로 각각 다른 유량선도를 제시하고 있으며, 동일한 재질의 관이라도 c값이 다르므로 c값이 큰 관의 유량이 많게 된다. 그러나 필요유량은 계산결과에 의해 정해진 값이 되므로 결국 어떤 재질의 관종류를 사용하느냐에 따라 관경은 달라진다. 동일유량에 대하여 강관보다 동관의 구경이 적어지는 것이 그 예이다. 급수 배관용으로는 위생성이 확보되는 재료로 만들어진 관을 사용한다. 위생성이 좋고 내식성이 강한 동관, 염화비닐라이닝강관, PVC관, 일반배관용 스테인레스강관등이 주로 사용되나, 강관의 경우는 녹물 발생 등의 사유로 법규에서도 사용을 제한하고 있으므로 주의해야 한다. (2) 국부 마찰 손실 관로에 유체가 흐르면 직관에 의한 마찰손실 수두뿐만 아니라 관이음쇠, 밸브류, 기구 등에 의한 손실수두도 발생한다. 이것을 부차적 손실(minor loss)라 하며 V²/2g으로 표시한다. 급수설계에서는 이런것들이 대단히 많아서 일일이 계산하기가 번잡하기 때문에 부차적 손실이 동일 관경 몇m에서 발생하는 마찰손실 수두와 같은가를 환산한 값을 사용한다. 이 환산된 직관의 길이를 관이음쇠, 밸브류 등의 상당장이라 한다. 그러므로 어떤 구간에서 부차적 손실의 합을 l'[m]라고 하면 식 2.24에서의 l대신 l + l' 를 대입한 다음식으로부터 구간내 전체 마찰손실 수두가 구해진다. l + l'
V² 특히 관이음쇠와 밸브류는 종류가 많고 규격도 매우 다양하므로, 계산하기가 어려운 경우가 많아 상당장의 합계를 직관길이에 대한 비율로 약식계산하는 방법도 적용된다. 특수한 배관설비를 제외한 일반 급수설비에서 강관을 사용할 때는 직관길이의 100 ∼ 200%정도, 동관을 사용할 때는 직관길이의 100%정도로 부차적 손실 즉, 상당장의 합으로 한다. 또한 급수지관 계통에는 대부분 수도계량기와 정수위 밸브 및 볼탑이 설치되므로, 별도로 이러한 기기 자체에서 발생하는 손실수두를 가산하여야 한다.
[표 9] 각종 관이음 및 밸브류의 국부저항 상당 관길이 (3) 마찰손실 주요원인 유체가 관내를 흐를때 관내면에 닿는 유체의 분자는 상호간, 혹은 유체와 관벽과의 마찰로
인해 ① 관내에서 유체와 관내벽과의 마찰에 의한 것 이 중에 ①~③에 의한 마찰손실을 직관(관내) 마찰 손실수두, ④~⑥에 의한 마찰손실을 국부저항
5) 급수 부하유량계산 급수관의 관경을 결정하기 위해서는 해당구간을 흐르는 부하유량을 산정해야하며, 부하 유량은 매시간 최대유량을 기준으로한다. 부하유량을 산정하는 방법은 국가별로 여러 가지가 있으나, 일반적으로 ① 물 사용(율)과 기구 급수단위에 의한 방법 ② 기구급수부하 단위에 의한 방법 ③ 기구이용으로부터 예측하는방법이 있다. (1) 기구 급수부하단위에 의한 방법 각 기구의 급수부하 단위를 구하고, 그 누계를 동시사용유량선도로 부터 부하유량을 구하는 방법이다.
[표 10] 기구급수부하단위(fu)
(2) 기구 이용으로 부터 예측하는 방법 간편법으로 이용되어 오던 것으로 동시사용 기구수를 구하고 각 기구별 매시 최대 사용 유량을 곱하여 부하유량을 구하는 방법이다.
[표 11] 위생기구별 1개 1일당 급수량
Qd Qh = (1.5~2.0) Qh (l/h) (3~4) Qh Qd : 1일당 급수량 (l/d) Qh : 시간 평균예상 급수량 (l/h) Qp : 순시 최대 예상 급수량 (l/min)
[표 12] 위생기구 동시사용율 (%)
6) 급수관경결정 관경을 결정하는 방법에는 ① 유량선도에 의한 방법 ② 관균등표에 의한 방법이 있다. (1) 유량선도에 의한 방법 {참고 : 동관, PVC관, 스테인레스관의 유량선도(마찰저항선도)} 관경을 결정해야 하는 구간에 대한 부하유량을 선정하고, 사용하고자 하는 배관재에 대한 유량선도를 이용하여 관경을 구하는 방법이다. 허용 마찰손실 또는 최대유속 중의 한가지와 유량을 알면 관경이 구해진다. 어떤 구간의 허용마찰 손실은
다음식을 이용하여 구한다. H - P R : 허용마찰계수[mmAq/m]{Pa/m} H : 전수두 [mAq]{Pa/m} P : 기구에서 필요로 하는 압력[mAq/m]{Pa} K : 관경 계수[m] l : 지관의 길이[m] 유속은 유수소음 이나 워터햄머 등을 고려하여 2.0m/s 이내로 한다.
(2) 관균등표에 의한 방법 기구수가 적게 달려있는 지관 등의 관경결정에 사용되고 있는 간편법으로 구경이 큰 관(직경D)과 구경이 적은 관 각종관(직경d)의 단위 길이당 관마찰 저항(동수구배)을 일정하게 놓고, 큰 관이 도중에서 N본의 작은 관으로 나누어, 이것이 다시 큰 관에 모일 때 그 사이의 마찰 손실이 직경 D인 관 1본 값과 되도록 하려면 다음식이 성립하여야 한다. Q = KD = NK2.63d(Williams-Hazen공식) 큰 관과 적은 관에서 관마찰 계수가 동일하다고 가정하면 K=K'되므로 N =(D/d)2.63 가 성립한다는 이론에 근거한다. 그러나 급수관과 같이 한 번 분기된 관이 다시 큰 관에 집합되지 않는 경우는 큰 관과 적은 관에서의 관마찰저항(동수구배)이 균등해야 할 필요가 없으므로 제한적으로만 사용되는 방식이다.
[표 12] 급수관의 균등표
7) 급수배관에서의 워터 햄머 (1) 개요 워터햄머 현상에 관한 연구는 1878년 미국에서 처음으로 시작되었으며 고전적인 연구단계, 이론 및 실험결과 확인단계, 실용방식 출현단계 및 1960년대 초의 워터햄머 방지방법에 대한 표준규격 확정단계를 거쳐 현재에 이르고 있다. 우리나라에서는 최근건물의 고층화 및 대형화 추세와 싱글레버형 수전류의 사용에 따른 소음과 진동문제가 심각해 지면서 관심이 고조되고 있는 분야이다.
물이 흐르는 배관계통에서는 마치 물로 망치질을 하는 것과 같은 파괴적인 힘이 발생하여 배관계통을 손상시키거나, 심한 소음과 진동을 발생시켜, 주거 환경을 파괴하는 결과를 초래 한다. 워터햄머란 일정한 압력과 유속으로 배관계통을 흐르던 비압축성 유체의 흐름이 갑자기 차단 되었을때 발생하는 파괴적인 힘과 쿵쾅하는 소음 및 수반되는 진동을 정의하는데 쓰이는 용어이다. 차단시점에서 발생하는 충격은 엄청난 힘으로 실제로 폭발시의 파괴력에 비유할수 있다. 워터햄머가 발생하면 차단점으로부터 높은 압력파가 발생하여 관경이 큰 입상관이나 주관에 이르러 압력이 소멸 될 때까지 운동을 반복하게 된다. 즉, 이 압력파는 파괴적인 힘이 소멸될 때까지 차단점과 충돌되는 지점간을 왕복운동하게 되는데, 이러한 작용이 배관계에 소음과 진동을 유발 시키는 것이다. 압력차가 발생하는 원인은 밸브류나 수전류의 수동차단을 포함하여 전기, 유압 및 스프링에 의해 작동되는 밸브류나 차단장치를 급격히 폐쇄시키는데 있다. 밸브를 차단하는 속도, 특히 차단전 최후의 15%사이에 해당하는 속도는 파장압력의 강도와 직접적인 관계가 있다. [그림 12] 워터햄머의 발생
(2) 워터햄머의 영향 ① 충격강도 길이 L인 관로 말단에 설치된 밸브의 폐쇄에 걸리는 시간이 2L/a초 이하인 경우를 급폐쇄로
정의하고, 이런 경우 배관내 압력이 최대로 상승하며, 상승되는 압력 Pr은 Joukowsky공식으로 계산된다. r.a.v Pr = ━━━━━━ [kgf/㎠] 10,000·g Pr : 상승압력 [kgf/㎠] r : 유체의 비중량 [kg/㎥] (물일 때는 1,000) a : 압력파의 전파속도 [m/s] (물에 대해서는 1,200∼1,500을 평균치로 한다) v : 변화된 유속 [m/s] g : 중력 가속도 [9.8m/s²]이다. 식에 의해서 계산된 압력은 유체속도의 약 14배에 해당한다. 따라서 설계자는 일반적으로 유속을 1.5 ∼ 3.0 m/s 범위로 하여 발생하는 충격 압력을 20 ∼ 40kgf/㎠ 정도 제한 할 필요가 있다. ② 압력파 결과적으로 워터햄머에 의해 발생하는 압력파는 급폐쇄지점을 기준으로 왕복운동 하게 되며, 압력파의 전파속도는 1,200 ∼1,500m/s에 달한다. 압력파는 다음과 같은 결과를 초래할 수 있는 파괴적인 힘을 발휘한다.
③ 소음 일반적으로 워터햄머가 발생하면 소음발생이 연상되지만, 들을 수 있는 소리나 소음의 동반이 없는 워터햄머 현상도 있다는 사실에 주목해야 한다. 급폐쇄의 경우 항상 어느 정도의 충격앞은 발생되지만 소음은 발생할 수도 있고, 발생하지 않을 수도 있다. 그러므로 소음이 없다고 해서 배관계에 워터햄머나 충격압이 발생하지 않는다고는 생각할 수 없다.
(3) 워터햄머 흡수대책 배관계에 워터햄머로 인한 충격압이 발생할 경우 이것을 줄이는 방법은 충격압의 원인이 되는 에너지를 흡수해 버리는 것이다. 압축성의 공기나 기체는 이러한 목적에 가장 효과적으로 사용될 수 있는 물질이다 1) 에어챔버(air chamber) ① 에어챔버의 형태 및 역할 오랫동안 에어챔버는 배관계에 발생하는 충격압을 조절하는 한가지 방법으로 이용되 어 왔다. 배관의 동일 구경으로 0.3 ∼ 0.6m정도를 연장하고 윗부분에는 쒜을 씌우 거나 다른 방법으로 끝을 막아서 공기나 물이 새어 나가지 않도록 한 것이다. 이러한 기구는 크기가 정확치 않거나, 필요한 만큼의 공기를 포함하고 있지 않으면, 일시적인 충격압 조정용으로도 부적합하다. 따라서 에어챔버가 충격압을 적절하게 조절할 수 있으려면, 충분한 공기를 포함할 수 있도록 넓어야 하며 없어진 공기를 재충전할수 있어야 한다. 그러나 정확히 규격이 정해졌다고 해도 에어챔버는 일시적으로만 배관계에 발생하는 최대 충격압을 안정된 한계로 감소시켜 줄 뿐이다.
③ 충격압 조절의 필요성 급수계통에 사용되는 모든 밸브류와 관이음쇠류는 사용압력 10kgf/㎠로 설계 및 제조 된다. 그러므로, 에어챔버는 충격압을 이보다 낮은 압력으로 흡수할수 있어야 한다. 그렇지 않으면 배관계에 사용된 밸브류, 관이음쇠류 및 장비류에 심각한 손상을 주 게 된다. ④ 에어챔버의 규격 미국 IOWA주 수력학 연구실의 F.M.Dauson과 A.Kalinske는 기술자료집 에서 배관길 이, 유속과 수압 등의 다양한 조건에 따라 에어챔버의 대한 규칙을 정하여 권장하 고 있다. 즉, 순간적인 충격압을 흡수하기 위해서는 매우 큰 규격의 에어챔버를 필요로 한다는 것을 확인할수 있으며, 일반적으로 설치되는 규격의 에어챔버는 일시적인 충격압 조절에 필요한 공기의 용량을 갖추지 못한 것임을 알 수 있다. ⑤ 에어챔버의 공기소멸 배관내 물이 흐르지 않을 경우에는 관과 에어챔버내에 공기가 꽉 차게 된다. 물이 채워진 상태에서 물의 유동이 없을 때에는 공기가 일정한 체적을 가지나 물이 흐르기 시작하면 일시적으로 공기의 체적이 커졌다가 난류운동에 의해 공기가 고갈될 수 있다. 충격압이 발생하면 물에 잠기면서 충격 흡수능력은 상실된다. Dawson방식에 의해 정해진 에어챔버는 10kgf/㎠을 넘지 않는 한계까지는 충격압을 조절할 수 있을 것이다. 미국 시험연구소는 에어챔버가 배관내 압력이 10kgf/㎠를 넘지 않도록 충격압을 조절 해 줄 수 있는 시간과, 배관계에서 심한 소음과 진동이 발생하여 충격압 조절이 불가 능해지는 것을 입증 할 수 있는 시점까지의 시간을 측정하였다. 에어챔버라고 해도 충격압을 안전한 압력한계로 흡수해줄 수 있는 것은 일시적임을 알수 있다. 에어챔버 내에 최초로 충전된 공기의 양이 계속 보유될 수 있다면 지속적으로 충격압을 흡수해 줄 수 있는 성능을 가질 것이나, 실제로 공기는 쉽게 소멸되기 때문이다. 기구류에 설치된 에어챔버는 분기관에 설치된 밸브를 잠그고, 세면기의 수전을 열면 공기가 쉽게 재충전 된다고 믿기 쉽다. 그러나, 이러한 방법으로의 공기 충전은 불가 능하다. 급수나 급탕관은 트랩과 같은 형태를 취하고 있기 때문에 공기가 들어갈 수 있도록 배관내 물을 완전히 빼내는 것은 불가능하며 배관을 수정한다 해도 공기를 충전할 수는 없다. 유일한 방법은 입상관과 분기관내의 물을 완전히 빼낸 다음 공기를 충전하는 것이다.
2) 워터햄머 흡수기(water hammer arresters) ① 에어챔버와 워터햄머 흡수기의 차이 공기나 다른 기체로 충전된 정확한 규격의 에어챔버라 해도 처음에는 워터햄머를 조절해 주지만, 실제 사용에 들어가서는 짧은 시간내에 공기가 소멸되므로 충격압 조절성능이 급격히 저하된다. 공학적으로 설계 및 제작된 워터햄머 흡수기도 워터 햄머에 의한 충격압을 흡수하기 위해서 공기나 기타 기체의 쿠션을 이용한다. 다만 기구에 충전된 공기나 기타의 기체는 완전하게 봉함되어 있어서 영구적으로 소멸되 지 않는다는 것이 에어챔버와 다른 점이다. 이러한 특성상 워터 햄머 흡수기는 개 발된 이래 충격압 조정 및 흡수의 가장 효과적인 방법으로 적용되고 있는 것이다. ② 워터햄머 흡수기의 구조 워터햄머 흡수기는 배관계를 구성하는 관, 밸브류, 관이음쇠, 트림(trim), 기기 및 장비류와 기타 장치를 양호한 상태로 유지시키며 또한 수명을 연장시켜준다. 벨로즈(bellows)형, 다이아프램(diaphram)형 및 피스톤(piston)형 등 3종류가 생산공 급되고 있으나, 각각의 기본적인 작동원리에 다소의 차이가 있을 뿐, 충격압을 조절 하거나 흡수하기 위하여 공기나 기타 기체의 체적변동을 이용하여, 공기나 기체가 영구적으로 소멸되지 않는 구조를 가지고 있다는 것은 동일하다.
[그림 14] 워터햄머 방지 기구 |
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