건축기계설비(공조배관의 분류와 수온)

공조배관의 분류

공조설비에서 배관은 크게 수(水) 배관과 증기배관, 그리고 냉매나 압축공기, 가스 등 특수한 용도의 기타 배관으로 구분할 수 있다. 이 중에서 수 배관은 냉수, 온수, 냉온수, 냉각수 등 여러 건물에서 폭넓게 적용되고 있다. 열원기기와 각 공조기기를 연결하여 열 에너지를 운반하는 수 배관에는 여러 가지 방식이 있으며, 운전상황과 부하상황 등에 따라 최적의 경제성을 갖도록 적합한 방식을 결정하게 된다. 전체 시설에서 각 공조기기의 분포나 조닝, 이에 따른 유량 분배나 운전 압력, 요구되는 온도와 사용시간 등을 종합적으로 검토하여 결정하게 된다. 아울러 배관의 전체 길이가 길어질 경우에는 설비비와 동력비가 증가하게 되므로 총연장 길이는 되도록 짧게 하는 것이 바람직하다. 사용 환경이나 조건을 고려한 효율적인 조닝과 유량 밸런싱이나 압력 조절을 위한 적정한 조치들은 경제적인 시스템 구성을 위한 출발점이 된다. 공조배관은 순환배관계의 개폐 여부에 따라 개방회로(open circuit)와 밀폐회로(closed circuit) 방식으로 나눌 수 있다. 개방회로는 배관회로 중의 일부가 수조 등으로 대기와 접촉하고 있는 방식이며, 밀폐회로는 배관 전체가 대기와는 차단 · 밀폐되어 항상 일정한 압력이 유지되는 방식이다. 또한 배관 계통의 유량을 제어하는 방법에 따라 정유량 방식과 변유량 방식이 있다. 정유량 방식 (constant water flow system)은 시스템을 순환하는 유량은 항상 일정하게 유지하고 수온을 변화시켜 부하에 대응하는 방식이다. 이에 반해 변유량 방식(variable water flow system)은 수온은 항상 일정하게 하고 공조기기에 공급되는 유량을 조절하여 부하 변동에 대응하는 방식이다.

공조배관의 수온

공조 설비의 수배관 시스템에서 이용되는 수온은 0℃에서 100℃ 이상의 온도까지 넓은 범위가 이용되고 있다. 냉수나 온수를 이용하여 냉난방을 할 경우 열원장비로부터 부하 측 장비에 이르기까지 당초에 설계된 공급 및 환수온도에 맞춰 운전되어야 하는데, 순환되는 냉수나 온수의 온도 조건이 달라지면 각 공조장비들의 성능도 달라지기 때문이다. 근래에는 공조 장비들의 성능이 많이 향상되었고 에너지 절감을 위한 자동제어 기술이 다양한 측면에서 발전하고 있어 예전처럼 공조 순환수의 온도 조건이 일률적이지 않으며, 한 건물에서도 지열이나 빙축열, 증기식 냉동기(터보, 스크루 등), 흡수식 냉동기 등 여러 종류의 열원장비로 복합적으로 구성되는 사례가 많기 때문에 각 공조계통별 순환 온도에 대한 세심한 점검이 필요하다. 공조 순환 수의 용도에 따라 살펴보면 다음과 같다.

 

(1) 냉수

일반적으로 냉방에 사용되는 냉수의 온도는 냉동기 출구에서 5~7℃로 공급되어 부하 측 공조기기를 거치면서 열교환을 한 뒤 환수배관을 통해 다시 냉동기로 되돌아오는 온도가 10~12℃인데, 공급과 환수되는 냉수의 온도차(흔히 △T라고 함)가 5℃ 정도인 경우가 많다. 터보냉동기나 빙축열시스템은 안정적인 성능 발휘가 가능하여 냉수의 공급온도 5℃(환수온도 10℃)로 주로 운용되고 있으나, 흡수식 냉동기는 장비의 냉방성능상 이보다 다소 높은 공급온도 7℃(환수 온도 12℃)로 대부분 운전되고 있다. 근래에는 흡수식 냉동기의 성능도 많이 향상되어 냉수를 5℃로 공급하는 제품이나 또는 순환 온도차(△T)가 7℃ 이상인 제품도 생산되고 있다. 이렇게 냉동기의 성능이 향상되어 가면서 냉수의 공급온도는 낮아지고 환수온도는 올라 가스 T 8~10℃ 내외의 큰 온도차로 운전되는 "대온도차 공조방식을 적용하는 사례가 점차 늘고 있다. 대온도차 방식은 적은 유량으로도 동일한 냉방 능력을 발휘할 수 있어 순환펌프의 동력비를 많이 절감할 수 있고 공조배관의 관경도 줄일 수 있어 초기 시설비의 절감이 가능하다.

 

(2) 온수

난방을 위한 온수는 보일러나 난방열교환기에서 60~80℃ 정도의 수온으로 공급되어 부하 측 공조 장비에서 열교환한 뒤 50~70℃ 정도의 온도로 다시 열원장비로 되돌아오게 된다. 온수도 공급과 환수의 온수 온도차(△T)가 5~10℃ 정도인 경우가 많다. 온수의 공급온도는 60~65℃가 일반적으로 많이 적용되고 있는데, 80℃ 내외의 높은 공급온도로 설정할 경우 일시적이라도 온수 발생장비의 제어에 에러가 발생하거나 온수순환유량이 줄어들면 자칫 온도가 100℃를 넘어서 증발될 우려가 있을 뿐만 아니라, 밸브나 배관 부속류의 기밀재(오링이나 패킹 등)의 재질인 NBR이나 EPDM의 내열성이 80~90℃에 불과하기 때문에 배관계통에서 누수 발생의 가능성이 현저히 증가하게 된다. 한편, 우리나라에서 일반적인 업무용 건물의 난방부하는 냉방부하보다 적게 발생되므로 냉온수 겸용 배관일 경우 관경은 냉수 유량을 기준으로 관경을 선정하게 되고, 공급과 환수 온수의 온도차도 냉수와 같은 조건으로 설정하는 사례가 많다.

 

(3) 고온수

고온수는 지역난방공급지역에서 사용되고 있는데, 배관 내의 압력을 대기압 이상으로 가압하여 물의 온도를 100℃ 이상으로 유지시켜 사용하는 것으로 120~180℃의 범위까지 사용된다. 일반 건물 내의 난방 계통에서는 온도 제어가 쉽지 않고 장비들이나 배관의 내압 성능이 높아져야 하므로 고온수를 직접 사용하는 사례가 거의 없고, 대부분 기계실에 열교환기를 설치하여 2차 온수계통의 온수를 필요한 온도로 가열하여 사용하는 방식으로 운용되고 있다. 제조공장이나 고온의 가열원이 필요한 일부 시설에서는 100℃ 이상에서도 증발하지 않는 열매체를 이용하여 고온수를 직접 배관계통에 순환시켜 사용하기도 하나 사례가 많지는 않다.

 

(4) 냉각수

냉각수는 건물 내 냉/난방기구(팬코일이나 공기조화기 등)를 위해서가 아니라, 터보냉동기나 흡수식 냉동기와 같은 냉열원장비의 응축열을 흡수하는 기능을 하며 냉각탑을 통해 냉각된 뒤 재순환된다. 일반적인 냉동기에 순환되는 냉각수의 입구 측 온도는 대부분 32℃ (출구온도 37℃) 내외로 운용되고 있으며, 공급과 환수 온도차(AT)가 5℃로 운전되고 있다. 그러나 공조기기나 냉각수의 용도에 따라서 냉각수의 순환온도는 20~40℃로 다양하게 설정될 수 있는데, 열병합시스템이나 발전설비 등에서는 냉각수의 온도가 90℃ 정도까지도 올라가는 경우도 있다. (5) 대온도차 공조방식 열원장비의 성능과 제어장치의 정밀도가 향상되면서 공조배관계통에서 에너지 절감 방안의 하나로 공급과 환수되는 온도차를 크게 벌려 운전시키는 대온도차 공조방식이 점차 확대되고 있다