팽창탱크

왜 배우는가: 팽창탱크는 난방·급탕 배관의 물 온도 상승에 따른 체적 팽창을 흡수하고 시스템 압력을 일정하게 유지하는 핵심 설비다. 밀폐식과 개방식의 차이, 용량과 설치 위치는 건축기계설비 기술사 시험에서 반복해서 묻는 주제다.

출제 이력: 제104회 1교시 12번, 제97회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 팽창탱크는 온수 배관계통에서 물의 온도 상승에 따른 체적 팽창을 흡수하고 계통 압력을 일정하게 유지하는 용기다.

• 팽창탱크(Expansion Tank)
• 밀폐식 팽창탱크(Closed Expansion Tank)
• 개방식 팽창탱크(Open Expansion Tank)
• 체적 팽창(Thermal Expansion)
• 완충 작용
• 공기 배출기기(Air Separator)
• 보충수
• 압력 유지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 난방 배관은 물을 데워 돌리는 닫힌 통로다. 물은 데워지면 부피가 늘어나므로 그 늘어난 물이 갈 곳이 있어야 한다. 팽창탱크는 그 자리를 마련해 주는 장치다.

정식 정의는 다음과 같다. 팽창탱크는 2차측 배관 계통 내 배관수의 팽창 흡수 및 보충을 위한 탱크다(집단에너지시설의 기술기준 제40조 기준). 실무에서는 밀폐식과 개방식 두 가지로 나눈다.

핵심 용어를 정리한다.

• 밀폐식 팽창탱크: 탱크 내부를 다이어프램이나 공기층으로 나누고 공기(또는 질소)의 압축성으로 팽창분을 흡수하는 탱크다. 대기와 연결되지 않는다.
• 개방식 팽창탱크: 대기에 개방된 상부 탱크로, 팽창한 물이 상부로 넘치거나 흡수되는 구조다. 팽창 흡수와 동시에 공기 배출 기능을 가진다.
• 완충 작용: 탱크 내 공기층이 압축되면서 팽창 압력을 흡수하고 수격 충격을 줄이는 작용이다.

밀폐식은 공기 쿠션이 압력을 흡수하므로 시스템을 대기로부터 차단할 수 있다. 개방식은 구조가 단순하지만 대기 개방으로 산소 유입과 증발 손실이 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

난방수는 가열과 냉각에 따라 부피가 변한다. 물이 0℃에서 100℃ 가까이까지 가열되면 체적이 약 4% 정도 늘어난다는 것이 일반적인 설계 교재의 값이다. 밀폐된 배관에서는 이 팽창분을 흡수할 공간이 없으면 배관과 보일러, 밸브에 과압이 걸려 파손된다.

초기 난방 방식은 개방식 팽창탱크를 옥상이나 최상부 기기 위에 두어 팽창수를 받았다. 이 방식은 설치 위치가 높아야 하고, 개방된 물이 산소를 흡수해 배관 부식을 촉진하는 단점이 있었다. 그래서 배관을 밀폐하고 질소나 공기를 채운 밀폐식 팽창탱크를 쓰는 방식이 확산되었다.

밀폐식 팽창탱크가 필요한 이유는 다음과 같다. 첫째, 팽창 압력을 흡수해 계통 압력을 설정 범위 안에 둔다. 둘째, 보충수 공급과 함께 계통 압력을 일정하게 유지한다. 셋째, 물의 누출과 공기 침입을 막아 장치 보호에 기여한다. 집단에너지 기술기준도 난방배관 계통에 밀폐식 팽창탱크를 설치하도록 정하고 있다(제47조 기준).

또한 팽창탱크와 함께 배관 내 공기를 빼는 공기배출기기(Air Separator)가 필요하다. 난방수 온도가 오르면 용존 공기가 기포로 나오므로 이를 분리해 배출해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

팽창탱크는 가열된 물의 체적 증가분을 흡수하고 계통 압력을 일정 범위로 유지하는 장치다. 밀폐식 탱크의 구성요소는 다음과 같다.

위 표에서 격막과 공기 충전부가 밀폐식 탱크의 핵심이다. 격막이 물과 공기를 분리하므로 물이 공기 쪽으로 흡수되지 않고 공기 쿠션의 압력만 변한다.

팽창탱크는 공기 쿠션의 압축성으로 팽창수를 흡수하고 계통 압력을 일정하게 유지한다.

팽창탱크의 원리는 공기의 압축성을 이용하는 것이다. 밀폐식 탱크 안의 공기는 보일의 법칙을 따른다. 식은 다음과 같다.

$P_1 V_1 = P_2 V_2$

여기서 P_1, P_2는 팽창 전후 절대압력(Pa), V_1, V_2는 공기 체적(㎥)이다. 물이 팽창해 들어오면 공기 체적이 줄고 압력이 올라간다. 반대로 물이 식어 수축하면 공기가 팽창해 압력이 낮아지고, 이때 보충 밸브가 물을 공급한다. 이 완충 작용이 계통 정압을 거의 일정하게 유지하는 원리다.

팽창량은 물의 체적 팽창률로 계산한다. 0℃에서 100℃까지 가열하면 물의 체적은 약 4% 증가한다. 탱크 용량은 다음 식으로 산정한다.

$V_e = V_s \times 0.04$

V_e는 팽창수 체적(L), V_s는 계통 보유수량(L)이다. 실제 설계에서는 이 값에 여유를 더해 탱크 용량을 정한다. 보유수량은 배관, 방열기, 열교환기 내 물을 모두 합산한다.

계통에서 팽창탱크의 위치는 순환펌프 흡입측 근처가 일반적이다. 펌프 흡입 측에서 정압을 잡아야 펌프 입구의 압력이 낮아지지 않아 캐비테이션 위험이 줄어든다. 공기배출기기는 배관의 높은 곳이나 공기가 모이는 곳에 설치해 기포를 제거한다.

설치와 운전 절차는 다음과 같다.

• 계통 보유수량을 산정하고 팽창수 체적 V_e를 구한다.
• 밀폐식 탱크를 순환펌프 흡입측 근처에 설치하고 배관과 연결한다.
• 계통 정압에 맞춰 공기(질소) 충전 압력을 설정한다.
• 공기배출기기를 설치해 배관 내 공기를 제거한다.
• 안전밸브와 압력계를 달고, 운전 중 압력과 보충 밸브 작동을 점검한다.

5. 관련 법령·기준·표준

팽창탱크 설치 기준은 집단에너지시설의 기술기준에 규정되어 있다. 이 기준은 지역냉난방 열사용시설의 팽창탱크를 다룬다. 제40조 7호는 팽창탱크를 2차측 배관 계통 내 배관수의 팽창흡수 및 보충을 위한 탱크로 정의한다.

제47조 ②항은 팽창탱크 설치 기준을 둔다. 1호는 난방배관 계통에 밀폐식 팽창탱크를 설치하도록 정한다. 냉수배관과 급탕배관 계통에도 밀폐식 설치가 바람직하다고 규정한다. 2호는 밀폐식 팽창탱크를 설치하는 경우 공기배출기기(Air Separator, Air Eliminator 등)를 설치하도록 정한다. 제47조 ①항은 난방순환펌프를 난방제어기기와 연계해 연속 난방운전이 되도록 정한다.

기준값과 조건을 표로 정리하면 다음과 같다.

위 표의 첫 두 행은 법령 원문에 따른 기준이고, 마지막 행은 물의 열물성에서 나온 값이다. 용량 산정식은 법령에 규정되어 있지 않으므로 설계 관행의 식을 쓴다.

현행 기준에서 밀폐식 팽창탱크를 난방배관의 기본 형식으로 정한 것이 핵심이다. 개방식 저수조와 달리 밀폐식은 공기 쿠션을 쓰므로 배관 내 공기 관리와 함께 적용해야 한다. 기준 체계 자체는 집단에너지 사업의 열사용시설 기준이므로, 건축물 난방설비 설계에서는 해당 건축 기계설비 설계기준을 함께 확인하는 것이 일반적이다.

설계 시 팽창탱크, 순환펌프, 공기배출기기는 하나의 계통으로 묶어 검토한다. 이 세 설비 중 하나라도 빠지면 정압 유지와 공기 제거가 함께 무너진다.

6. 유형과 비교

팽창탱크는 설치 방식에 따라 개방식(개방형 팽창탱크)과 밀폐식(밀폐형 팽창탱크)으로 나뉜다. 두 방식은 대기 개방 여부, 설치 위치, 압력 유지 방법이 다르다. 답안에는 아래 비교표로 구분 기준을 먼저 제시하고 차이의 원인을 설명한다.