고온수 난방 가압방식

왜 배우는가: 고온수 난방은 저온수 난방보다 방열면적과 배관 지름을 줄일 수 있어 지역난방과 대규모 건물에서 쓰인다. 100℃ 이상에서는 물이 대기압에서 끓으므로 계통 압력을 관리하는 가압방식의 원리가 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제120회 2교시 3번, 제89회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고온수 난방 가압방식은 온수 온도가 100℃ 이상인 난방수가 계통 안에서 끓지 않도록 계통 압력을 그 온도의 포화압력 이상으로 유지하는 방식이다.

• 고온수
• 포화압력
• 비등 방지
• 정압 유지
• 가압펌프
• 불활성가스 가압
• 질소 봉입 압력탱크
• 팽창탱크

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 물을 뜨겁게 데워도 끓지 않도록 배관 속 압력을 높여 두는 방식이다. 1기압에서 물은 100℃에서 끓는다. 그래서 온수 온도가 100℃ 이상이면 대기에 열린 상태로는 운전할 수 없고, 계통을 밀폐하고 압력을 올려야 한다.

정식으로는 난방수 온도에 따른 포화압력보다 계통의 최저 운전압력을 높게 유지하는 것을 말한다. 고온수식은 사용온수온도에 따라 난방을 나누는 분류 중 하나이며, 기준은 100℃ 이상이다. 저온수식은 100℃ 이하에서 쓰며 장치 최고부를 대기에 개방해도 된다.

고온수식은 온수온도가 높아 방열기 면적을 줄일 수 있고, 온수 온도강하를 크게 잡을 수 있어 배관을 가늘게 만들 수 있다. 이 장점 때문에 고온을 쓰려면 반드시 가압이 필요하다.

정압(靜壓)은 펌프가 운전하지 않는 정지 상태에서도 계통 내 모든 지점이 유지하는 압력이다. 정압이 낮으면 고온수 일부가 증기로 변해 배관 내부 압력이 급변하고, 펌프 흡입 측에서 캐비테이션이 생긴다.

포화압력은 어떤 온도에서 물과 증기가 평형을 이루는 압력이다. 온수 온도 120℃에서 포화압력은 약 0.2MPa(abs), 온수 온도 180℃에서는 약 1.0MPa(abs)이다. 계통 압력은 설계 온수 온도의 포화압력보다 여유를 두고 정해야 한다.

가압 방식은 가압 수단에 따라 나눈다. 펌프로 압력을 만드는 방식과 불활성가스(주로 질소)를 밀폐된 탱크에 채워 압력을 주는 방식이 대표적이다. 두 방식 모두 온수 팽창을 흡수하면서 계통 압력을 일정 범위로 묶는 것이 목적이다.

3. 등장 배경과 필요성

난방 방식은 온도와 압력 기준으로 발전해 왔다. 증기난방은 압력을 쓰지만 응축수 환수와 공기 배출 문제가 많다. 저온수 난방은 취급이 간단하고 안전하지만 방열면적과 배관 지름이 커진다. 고온수 난방은 이 문제를 줄이기 위해 도입됐다.

온수 온도를 100℃ 이상으로 올리면 열매체의 열량을 작은 유량으로 운반할 수 있다. 같은 열량이면 배관을 가늘게 하고 방열면적도 줄일 수 있다. 지역난방 배관망처럼 장거리를 보내는 계통에서 특히 유리하다. 이 이점을 얻으려면 계통을 밀폐하고 압력을 관리해야 한다.

고온수를 대기 개방 상태로 두면 비등이 일어나고, 증기가 배관과 펌프에 쌓여 수격과 공동현상을 일으킨다. 팽창탱크를 개방형으로 두면 온수가 팽창할 때 대기 중으로 빠져나가 보충수가 늘고 수질이 나빠진다. 따라서 밀폐형 계통에 가압장치를 두어 비등을 막고 팽창수를 흡수해야 한다.

온수가 식을 때는 체적이 줄어 계통 압력이 떨어진다. 압력이 떨어지면 계통 일부에 공기가 흡입될 수 있다. 가압장치는 온수 팽창과 수축을 모두 받아들여 계통 압력을 일정 범위에 묶는 역할을 한다.

고온수 계통은 설계 온도와 설비 용량에 따라 가압방식을 고른다. 펌프 가압은 압력 제어가 정밀하고 설비가 단순하다. 불활성가스 가압은 펌프 운전과 무관하게 압력을 유지할 수 있어 대규모 계통의 안정성에 유리하다.

이처럼 고온수 난방 가압방식은 열매체 온도를 올리는 이점과 비등 방지 요구를 함께 해결하는 수단으로 등장했다. 답안에서는 온도 상승의 이점과 가압이 필요한 이유를 한 흐름으로 연결해 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

고온수 난방 가압방식은 온수 온도가 100℃ 이상이므로 배관 내 물이 대기압에서 끓지 않도록 system 압력을 포화압력 이상으로 유지하는 것이 핵심이다. 이를 위해 가압장치가 계통 내 압력을 일정하게 유지하고, 온수가 팽창하거나 감온할 때 압력 변동을 흡수한다. 가압방식은 크게 펌프 가압방식과 불활성가스 가압방식으로 나뉘며, 불활성가스 가압방식은 다시 질소 봉입 방식, 개방형 가스 가압 방식, 밀폐형 가스 가압 방식 등으로 세분된다.

고온수 계통은 온수 온도에 상응하는 포화압력 이상으로 계통 압력을 유지해야 비등을 막을 수 있다.

표의 각 구성요소는 계통의 압력을 설정 범위 안에 두기 위한 역할을 나눠 맡는다. 팽창탱크는 체적 변화를 흡수하고, 가압펌프는 압력을 만든다. 안전밸브는 이상 상승 시 압력을 낮춘다.

원리는 다음과 같다. 물의 온도가 올라가면 체적이 팽창하고, 팽창분은 밀폐된 계통에서 압력 상승으로 나타난다. 온도가 100℃를 넘으면 대기압 조건에서는 증기가 발생하므로, 계통 압력을 포화압력 이상으로 유지해 액상 상태를 지속시킨다. 따라서 가압장치는 온도 상승에 따른 압력 변화를 감지하고 보충 또는 배출하는 기능을 가진다.

계통 압력 결정 절차는 다음과 같다.

• 계통 최고 운전 온도를 정한다.
• 해당 온도의 포화압력을 구한다.
• 정압 높이에 따른 수두압과 여유압을 더한다.
• 계통 최저 압력과 최고 압력을 설정한다.
• 팽창탱크 또는 가스 봉입 탱크의 용량과 충전 압력을 정한다.

계통 최소 압력은 다음 식으로 검토한다.

$P_{min} = P_{sat}(T_{max}) + \rho g h_{s} + P_{m}$

여기서 P_{min}은 계통 최소 압력(Pa), P_{sat}은 최고 온도 T_{max}의 포화압력(Pa), \rho는 물의 밀도(kg/m³), g는 중력가속도(m/s²), h_{s}는 가압점에서 최상부 방열기까지 높이(m), P_{m}은 여유압(Pa)이다. 식은 각 항을 압력 단위로 맞춰 쓴다.

예를 들어 최고 온도 120℃의 포화압력은 약 0.2MPa 수준이므로, 여기에 정압 수두와 여유를 더해 설정한다. 계산 결과가 수 MPa 범위에 들면 설계 상식 범위다.

5. 관련 법령·기준·표준

고온수 난방 설비의 압력 설정과 안전장치는 보일러 및 압력용기 관련 기준, 그리고 건축설비 설계기준을 따른다. 국내에서는 「에너지이용 합리화법」상 온수보일러 기준과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 압력 관련 규정이 적용된다. 설계 단계에서는 건축기계설비 설계기준의 난방설비 항목을 함께 본다. 아래 표는 설계에서 확인하는 기준값을 정리한 것이다.

위 표의 값은 설계 예시 수준의 참고값이다. 실제 설계는 장비 제조사 사양과 해당 기준을 우선한다. 고온수 가압장치의 정확한 압력 범위는 계통 온도와 높이에 따라 달라진다.

개정 연혁으로 보면 고온수 난방은 과거 지역난방과 대형 건물 난방에서 주로 쓰였다. 최근에는 에너지 효율과 배관 축소를 목적으로 적용 사례가 늘어나는 흐름이다. 다만 이 절에서는 구체적인 개정 조문을 특정하지 않는다.

고온수 계통의 최소 압력은 최고 온도의 포화압력 이상으로 유지한다.

6. 유형과 비교

고온수 난방의 가압방식은 펌프의 토출압으로 압력을 만드는 펌프 가압방식과 질소 등 불활성가스의 압력으로 만드는 불활성가스 가압방식으로 나뉜다. 불활성가스 가압방식은 가스와 온수가 접촉하는지에 따라 격막식과 직접접촉식으로 다시 나눈다. 세 가지 방식의 공통 목적은 계통 어느 곳에서도 온수가 비등하지 않도록 포화압력 이상의 압력을 유지하는 것이다.