지역냉난방 배관망

왜 배우는가: 지역냉난방 배관망은 열원 플랜트에서 건물까지 열을 나르는 설비의 골격이며, 배관 형식과 구성방식에 따라 열손실·설비비·운전 안정성이 달라진다. 그래서 2교시와 3교시에서 형식과 구성을 설명하는 문제로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제127회 3교시 1번, 제121회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지역냉난방 배관망은 열원 플랜트에서 생산한 냉수·온수·증기를 절연된 주배관과 분배관으로 여러 건물에 공급하고 환수하는 열 수송망이다.

• 지역냉난방, 열원 플랜트, 주배관(간선), 분배관, 열교환기 방식 열사용설비(공급 구역), 환수관, 열손실, 배관 형식

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발전소나 대형 열원 설비에서 만든 열을 도시 안의 여러 건물에 나눠 보내는 지하 배관 시스템이다. 각 건물은 개별 보일러나 냉동기를 두지 않고 열을 받아 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. 지역냉난방 배관망은 열원 설비에서 생산된 열매체를 단열 배관으로 수요처까지 이송하고, 사용 후 열매체를 다시 열원으로 되돌리는 순환 회로 전체를 말한다. 공급관(feed)과 환수관(return)이 한 쌍을 이루며, 열매체는 주로 가압 온수이고 일부 시스템에서는 증기를 쓴다.

열교환기 방식 열사용설비는 배관망의 열을 건물 내부 난방 회로로 옮기는 장치다. 두 유체가 섞이지 않게 분리하는 것이 핵심이다. 열교환기 설비를 두면 공급 측 수압과 건물 측 수압을 분리할 수 있다.

주배관(간선) 은 열원과 구역 사이를 잇는 굵은 관이고, 분배관 은 구역 안에서 각 건물로 갈라지는 관이다. 두 관의 역할이 달라서 설계 기준도 다르게 잡는다.

환수관 은 사용 후 식은 열매체를 열원으로 되돌리는 관이다. 환수 온도가 낮을수록 열원의 효율이 높아지므로 공급과 환수의 온도차를 관리하는 것이 운전의 핵심이다.

배관 형식 은 공급관과 환수관을 몇 가닥으로 두고, 어떤 연결 구조(방사형, 루프형 등)로 배치하는지를 뜻한다. 같은 열량을 보내더라도 형식에 따라 설비비와 신뢰성이 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

건물마다 보일러를 두면 설치 공간이 늘고 연소 배기가 도시 곳곳에서 발생한다. 대형 열원을 한곳에 모으면 설비 효율이 높아지고 대기 오염 관리도 쉬워진다. 발전소의 폐열을 난방에 재활용하는 방법으로도 쓰인다.

도시가 조밀해지면서 건물별 열원 설치가 어려워진 것도 배경이다. 지역 단위로 열을 공급하면 건물 내부의 기계실 면적을 줄일 수 있다.

한편 배관이 길어지면 열손실이 커진다. 일반적인 지역난방 배관망에서 연간 열손실은 배관 길이와 보온 상태에 따라 상당한 비율로 보고된다. 그래서 배관 형식과 단열, 펌프 동력을 함께 설계해야 한다.

최근에는 열을 식히는 지역냉방과 냉난방을 함께 공급하는 저온 순환형 배관망으로도 발전하고 있다. 이 경우 배관 형식은 열과 냉을 같은 망으로 나를 수 있는지를 함께 고려해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

지역냉난방 배관망은 열원설비에서 만든 냉수·온수(또는 증기)를 여러 건물로 보내고 되돌려 받는 순환 배관 시스템이다. 배관망은 공급관과 환수관 한 쌍으로 구성되며, 건물 측에는 열교환을 담당하는 열교환 기계실(Substation)이 있다. 배관망의 형식과 구성방식은 열원 위치, 수용가 분포, 신뢰성 요구에 따라 정해진다.

원리는 다음과 같다. 열원에서 만든 열매체가 펌프에 의해 공급관을 따라 흐르고, 수용가의 열교환 기계실에서 열을 내준 뒤 환수관으로 돌아온다. 열매체의 현열 변화량이 수용가 열부하가 된다.

$Q = \dot{m} \, c_p \, (t_s - t_r)$

여기서 Q는 공급 열량(kW), \dot{m}은 질량유량(kg/s), c_p는 물의 정압비열(4.19kJ/(kg·K)), t_s는 공급 온도(℃), t_r은 환수 온도(℃)이다. 온도차가 클수록 같은 열량을 적은 유량으로 보낼 수 있어 배관 지름을 줄일 수 있다.

배관망 운전 절차는 다음과 같다.

• 열원 설비가 설정 공급 온도로 열매체를 생산한다.
• 주펌프가 공급관으로 열매체를 보내고 망 전체의 차압을 유지한다.
• 각 수용가의 열교환 기계실에서 1차 측 열매체가 2차 측 건물 배관과 열교환한다.
• 열을 내준 열매체는 환수관을 거쳐 열원으로 돌아간다.
• 열원 측에서 환수 온도를 감시하고 부하에 따라 유량과 공급 온도를 조절한다.

그림은 열원, 망, 수용가의 관계를 보여 준다.

5. 관련 법령·기준·표준

지역냉난방 배관망은 「집단에너지사업법」에 따라 열공급 사업으로 관리되며, 배관 설계와 시공은 해당 법령의 공급 기준과 배관 설계 기준을 따른다. 국내 설계 실무에서는 열매체의 공급 온도와 환수 온도를 기준으로 배관 설계와 열교환기 용량을 정한다. 아래 표는 본문 설명에 쓰는 기준 값이다.

배관은 지중 매설이 일반적이며, 온도 변화에 따른 열팽창은 프리인슐레이티드 배관의 마찰로 흡수한다. 이 방식은 신축이음을 줄여 시공비를 낮춘다. 열교환 기계실은 1차 측과 2차 측을 분리해 혼합을 막는다.

6. 유형과 비교

지역냉난방 배관망은 열원에서 수요처까지 열매체를 보내는 방식에 따라 나뉜다. 열매체는 온수, 고온수, 증기, 냉수로 구분하고, 배관 구조는 관 수와 연결 방식으로 나눈다. 이 절에서는 관 수(배관 본수) 와 열매체 종류, 배관 연결 형태의 세 기준으로 비교한다.

2관식은 한 쌍의 관으로 계절마다 냉수 또는 온수를 보내는 구조다. 설비가 단순하고 비용이 적지만 중간기에 냉난방이 동시에 필요한 건물에는 맞지 않는다.

3관식은 공급관 또는 환수관 중 한쪽을 냉수·온수가 공유한다. 공유 구간에서 혼합 손실이 생기므로 존별로 배관을 나누어 손실을 줄인다. 4관식은 공급·환수가 모두 분리되어 혼합 손실이 없으며, 부하기기 내 코일 수에 따라 1-coil 방식과 2-coil 방식으로 다시 나뉜다. 1-coil 방식은 코일 하나에 냉수와 온수를 절환해 공급하고, 2-coil 방식은 코일을 두 개 두어 냉수와 온수를 따로 받는다.