급수관경 결정

왜 배우는가: 급수관경 결정은 건축기계설비 급수설비 설계의 출발점이며, 관경이 작으면 압력 부족과 소음이, 크면 공사비 낭비가 생긴다. 균등표법과 마찰저항선도법은 실무 설계와 시험에서 반복해 묻는 방법이다.

출제 이력: 제104회 2교시 1번, 제92회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

급수관경 결정은 급수 유량과 허용 마찰손실을 기준으로 각 구간의 관지름을 정하는 설계 과정이다.

• 급수관경
• 균등표법
• 마찰저항선도
• 허용마찰손실수두
• 기구급수부하단위
• 동시사용률
• 유속 제한

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 물을 필요한 만큼 보내되, 관이 너무 가늘어 압력이 모자라지도 않고 너무 굵어 낭비되지도 않도록 지름을 고르는 일이다. 급수 설계는 먼저 건물의 급수량을 구하고, 그 유량이 흐를 때 생기는 마찰손실을 계산하여 관경을 정한다.

정식으로는 급수관경 결정을 다음과 같이 정의한다. 구간별 설계유량을 정하고, 이 유량에서 허용 가능한 단위 길이당 마찰손실 범위 안에 들어가는 최소 관경을 고르는 절차다. 이때 허용 압력손실과 유속 상한을 함께 만족해야 한다.

균등표(均等表) 는 관경 d 에 흐르는 유량을 기준으로, 같은 마찰손실을 갖는 다른 관경 D 의 유량이 기본관의 몇 개분에 해당하는지를 나타낸 표다. 기본관 한 개의 유량을 1로 놓고 관경별 유량비를 적는다. 설계자는 구간의 총 부하를 이 표에 대입해 관경을 찾는다.

기구급수부하단위(Fixture Unit, FU) 는 위생기구가 한 번에 쓰는 수량을 세면기 1분 사용수량을 1로 하여 상대값으로 나타낸 단위다. 각 기구의 사용 빈도와 동시사용 가능성을 함께 반영하므로, 기구 수만 세는 방식보다 합리적인 유량 산정에 쓰인다.

마찰저항선도(Friction Chart) 는 Hazen-Williams 식을 바탕으로 유량 Q, 유속 v, 동수구배 i 의 관계를 그린 도표다. 유량과 허용 마찰손실을 알면 관경과 유속을 한 번에 읽을 수 있다.

허용 마찰손실수두 는 건물 급수압과 말단 필요압을 고려하여 배관 1m 당 허용되는 손실수두이며 단위는 mmAq/m 를 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

급수설비는 수도 본관의 압력이 한정되어 있어 건물 내부에서 압력을 낭비하지 않는 배관 설계가 필요하다. 관경을 크게 잡으면 공사비와 설치 공간이 늘고, 작게 잡으면 마찰손실이 커져 상층부에 물이 닿지 않는다. 이 균형을 잡는 기준이 관경 결정법이다.

과거에는 기구 연결관 관경을 그대로 쓰는 방식이 많았다. 그러나 건물이 높아지고 기구 수가 많아지면서 전체 유량과 마찰손실을 함께 계산하는 방법이 필요해졌다. 그래서 균등표법과 마찰저항선도법이 실무 기준으로 자리 잡았다.

관경 결정법은 급수량 산정, 펌프 양정 계산, 고가수조 높이 결정과 직접 연결된다. 한 구간의 관경이 바뀌면 그 아래 구간의 압력과 펌프 선정도 달라지므로, 급수설비 설계 전체의 기초가 된다. 이 때문에 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에서 함께 자주 출제된다.

4. 구성요소·원리·절차

급수관경 결정은 급수 계통의 각 구간에 흐르는 설계 유량을 정하고, 그 유량을 허용 유속과 허용 마찰손실 범위 안에서 보내는 관 지름을 고르는 일이다. 구성요소는 기구 급수부하단위, 구간별 설계유량, 관경, 마찰손실, 필요 압력으로 나뉜다.

원리는 유량과 관경의 관계다. 같은 유량이면 관경이 작을수록 유속이 빨라지고 마찰손실이 커진다. 관경을 키우면 손실은 줄지만 공사비가 늘어난다. 따라서 공급 압력과 유속 상한 안에서 가장 작은 관경을 고른다. 마찰손실은 Hazen-Williams 식 또는 Darcy-Weisbach 식으로 계산하며, 급수 설계에서는 Hazen-Williams 식에 근거한 선도를 많이 쓴다. 이때 유량 Q, 유속 v, 동수구배 i의 관계는 다음과 같다.

$Q = A \cdot v$

Q는 유량(㎥/s), A는 관 단면적(㎡), v는 유속(m/s)이다. 단면적 A = \pi D^2/4 에서 관경 D(m)를 구한다.

유량이 같으면 관경이 작을수록 유속과 마찰손실이 커진다

관경 결정 절차는 다음과 같다.

• 건물 급수 계통도를 그리고 급수 구간을 나눈다.
• 구간별로 하류 기구의 기구급수부하단위를 합산한다.
• 동시사용률 또는 급수부하단위-유량 곡선으로 구간의 설계유량을 구한다.
• 관경 결정 방법(균등표 또는 마찰저항선도)을 선택한다.
• 허용 유속 상한과 허용 마찰손실수두를 확인하여 관경을 정한다.
• 각 구간의 손실수두를 합산하고 필요 압력과 비교한다.
• 압력이 모자라면 관경을 키우거나 가압 방식을 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

급수관경 결정에 직접 쓰는 기준은 설계 관행과 기준서의 값이다.

위 표의 값 중 저수조 용량, 고가수조 유효용량, 매설 심도, 타 매설물 간격, 분수 간격은 급수 설계 실무 기준에서 널리 쓰는 값이다.

균등표는 관경별로 기본관 대비 유량이 몇 개분에 해당하는지 나타낸 표다. 같은 마찰손실을 내는 관경의 개수를 계산식으로 구한 뒤 표로 정리한다. 이 표를 쓰면 계산 없이 구간 유량에 맞는 관경을 빠르게 고를 수 있다.

마찰저항선도는 Hazen-Williams 식을 그래프로 옮긴 것이다. 유량, 관경, 유속, 단위길이당 손실수두 네 값의 관계를 한눈에 보여준다. 설계 유량과 허용 손실을 찾아 교차점에서 관경을 읽는다.

6. 유형과 비교

급수관경 결정방법은 크게 기구 연결관 관경에 의한 방법, 균등표에 의한 방법, 마찰 저항 선도에 의한 방법으로 나뉜다. 세 방법은 정밀도와 계산 부담이 다르므로 설계 단계에 맞춰 고른다. 기구 연결관 관경법은 기구 연결관 크기에서 바로 간선 관경을 정하는 방식이라 개략 검토에 쓴다. 균등표법은 기본관 1개의 마찰손실과 같은 손실을 내는 관의 개수를 표로 찾는 약산법이다. 마찰 저항 선도법은 허용 마찰손실 수두(mmAq/m)와 유량·유속을 선도에서 읽어 정밀하게 정하는 방식이다.