덕트 압력 측정

왜 배우는가: 덕트 설계와 송풍기 선정, 풍량 측정 결과 해석은 모두 덕트 내 정압·동압·전압의 관계를 정확히 아는 데서 출발한다. 현장 측정에서 피토관 연결 방향을 잘못 잡으면 정압 부호와 풍량 계산이 틀어지므로 실무에서 자주 문제가 된다. 시험에서는 측정 방법을 그림과 함께 설명하라는 형태로 반복해 출제되었다.

출제 이력: 제117회 1교시 2번, 제111회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

덕트 내 압력 측정은 피토정압관과 마노미터로 정압·동압·전압을 각각 분리하여 읽고, 전압 = 정압 + 동압 관계로 검증하는 방법이다.

• 정압(Static Pressure, SP)
• 동압(Velocity Pressure, VP)
• 전압(Total Pressure, TP)
• 피토정압관(Pitot-static Tube)
• 마노미터(Manometer)
• 전압공과 정압공
• 등마찰저항법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 덕트 벽에 걸리는 압력과 공기가 움직이면서 생기는 압력을 나눠서 재는 일이다. 덕트 벽을 누르는 압력은 정압이고, 공기 흐름 방향으로 작용하는 속도 에너지에 해당하는 압력이 동압이다.

정식으로는 정압은 유체가 흐름과 직각 방향으로 작용하는 압력으로, 흐름과 함께 움직이는 계기로 측정한 열역학적 압력이다. 동압은 흐름에 상대되는 압력으로 공기의 운동 에너지에 해당하며, 밀도와 속도의 함수로 P_v = \rho v^2 / 2 로 표현된다. 여기서 \rho는 공기 밀도(kg/㎥), v는 유속(m/s)이다.

전압은 정압과 동압의 합이다. 이 관계를 P_t = P_s + P_v 로 쓴다. 덕트 내 중량유량과 체적유량이 일정하면 유속이 줄 때 동압은 줄고 정압이 높아지며, 전압은 마찰 손실을 제외하면 일정하게 유지된다.

핵심 용어를 구분하면 다음과 같다.

• 정압: 덕트 벽에 수직으로 작용하는 압력. 흡인 측에서는 대기압보다 낮아 음(-)이 되고, 송풍 측에서는 양(+)이 된다.
• 동압: 항상 양(+)이며 음이 될 수 없다. 기류 방향으로 작용하므로 방향 성분이 있는 값이다.
• 전압: 정압과 동압을 더한 값으로, 송풍기가 공기에 준 에너지의 척도로 쓰인다.

피토정압관은 두 개의 압력 구멍으로 된 측정기이다. 정면을 향한 구멍은 기류를 정체시켜 전압을 받고, 측면 구멍은 흐름의 영향이 적은 정압을 받는다. 두 신호의 차이가 동압이다. 마노미터는 이 압력 차이를 액주 높이로 읽는 장치이다.

3. 등장 배경과 필요성

덕트 설계 초기에는 공기 속도만으로 풍량을 추정했지만, 덕트가 길어지고 분기와 굴곡이 많아지면서 압력 손실을 계통별로 나눠 파악할 필요가 생겼다. 그래서 정압과 동압을 분리해 재는 방법이 정착되었다.

등마찰저항법으로 덕트 치수를 정할 때는 설계 풍량과 마찰저항을 기준으로 관경을 정하고, 송풍기 선정 때는 덕트 계통의 전정압 손실을 구한다. 시공 후 시운전에서는 측정된 정압과 설계 정압을 비교해 풍량 과다 또는 과소 여부를 판단한다.

이때 측정 결과의 부호와 기준점을 틀리면 송풍기 용량 판단이 흔들린다. 그래서 흡인·송풍 구간마다 정압이 음인지 양인지 구분해 읽는 능력이 중요하다. 측정 위치는 흐름이 안정된 직관 구간에 두고, 엘보나 댐퍼 직후는 피하는 것이 기본 원칙이다.

마노미터 읽기는 차압이 없는 상태에서 영점을 맞추고, 수평을 잡고, 대기온도에서 실시한다. 수직형 마노미터의 미세 눈금은 풍속이 큰 덕트에서 쓰이며, 이 경우 측정 분해능이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

덕트 압력 측정은 피토정압관(Pitot-static tube)과 마노미터(Manometer)를 한 세트로 쓴다. 측정하는 압력은 정압(Static Pressure), 동압(Velocity Pressure), 전압(Total Pressure) 세 가지이며, 셋의 관계는 전압 = 정압 + 동압 이다. 세 압력은 마노미터의 두 연결구를 어디에 연결하느냐에 따라 정해진다.

표의 칸은 측정 연결을 짧게 정리한 것이다. 동압은 두 공의 차압으로 얻으므로 별도 연결이 필요 없다.

동압은 전압공과 정압공의 차압으로 구한다

원리는 베르누이 방정식에 있다. 정체점에서 유속이 0이 되므로 정체압(전압)은 정압에 동압이 더해진 값이 된다. 피토관 끝은 기류를 정면으로 받는 전압공이고, 관 측면의 구멍은 기류와 나란한 정압공이다. 동압 식은 다음과 같다.

$P_v = \frac{\rho v^2}{2}$

여기서 P_v는 동압(Pa), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), v는 유속(m/s)이다. 유속은 동압으로부터 v = \sqrt{2P_v/\rho} 로 구한다. 표준 공기 밀도 1.2kg/㎥ 에서 동압 12Pa 이면 v = \sqrt{2 \times 12 / 1.2} = 4.47m/s 이다. 이 값은 덕트 내 일반 풍속 범위에 드는 상식적인 결과다.

측정 절차는 다음과 같다.

• 측정 위치를 정하고 직관 구간을 확보한다. 프로브 상류에 정류기(flow straightener)를 두는 것이 권장된다.
• 덕트 중심 또는 다점 횡단(traverse)으로 프로브를 설치하고 기류 방향에 정면으로 맞춘다.
• 마노미터를 영점 조정하고 차압이 없는 상태에서 수평을 맞춘다.
• 정압공만 연결해 정압을 읽고, 부호를 흡인·배기 덕트 특성과 대조한다.
• 전압공만 연결해 전압을 읽는다.
• 두 공을 마노미터 양쪽에 연결해 동압을 읽고, 전압 = 정압 + 동압으로 교차 확인한다.
• 동압으로 평균 유속을 계산하고 덕트 단면적을 곱해 풍량을 구한다.

좁은 덕트에서 횡단이 어려우면 중심에서 측정한 값에 0.9를 곱해 평균 유속을 구한다. 이때 정확도는 ±5% 수준이다. 이 방법은 근사치이므로 답안에서는 횡단 측정이 원칙임을 함께 적는다.

5. 관련 법령·기준·표준

덕트 압력 측정에 직접 적용되는 법정 기준은 없다. 측정 방법은 공조 풍량 측정 절차와 계측기 사용 기준을 따른다. 아래 표는 측정 기준과 계산에 쓰는 핵심 값을 모은 것이다.

정압과 동압의 관계는 전압 = 정압 + 동압 이다. 이 관계는 측정값 검증에 사용한다. 동압 측정 시 표준 밀도 1.2kg/㎥ 를 쓰고, 밀도가 다르면 보정식으로 바꾼다.

마노미터 종류에 따라 사용 조건이 다르다. 2.54㎜ 이하 눈금의 수직형 마노미터는 높은 풍속 덕트에 쓰고, 차압 게이지는 정압 측정에 쓴다. 계측기 사용 원칙은 다음과 같다.

• 차압 게이지는 눈금의 중반부 이상에서 읽히도록 범위를 고른다.
• 측정 시 같은 높이에 설치해 높이차 영향을 없앤다.
• 정압 측정 시 동압 효과를 없앤 피토관 또는 정압 팁을 쓴다.
• 기준 마노미터로 주기적으로 검사한다.

개정 연혁은 확인된 자료가 없어 적지 않는다. 풍속 측정 기준은 계측기 교정 이력과 함께 관리한다.

6. 유형과 비교

덕트 압력 측정은 측정 대상(정압·동압·전압)과 측정 기구(피토관·마노미터)의 조합으로 나뉜다. 먼저 세 압력의 정의를 비교한다.