급수 압력탱크

왜 배우는가: 압력탱크 방식은 고가탱크를 올릴 수 없는 건물이나 국부적으로 높은 압력이 필요한 건물에서 쓰는 대표적인 펌프 가압 급수방식이다. 압력탱크의 필요 최저 압력과 허용 최고 압력, 유효수량은 급수설비 설계와 시스템 제어 문제에서 반복해서 묻는 개념이다.

출제 이력: 제115회 2교시 1번, 제92회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 압력탱크 방식은 밀폐 탱크 내 공기를 압축해 가압하고, 그 압력으로 물을 필요한 장소에 급수하는 방식이다.

핵심 키워드: 압력탱크, 공기 압축, 필요 최저 압력, 허용 최고 압력, 유효수량, 펌프 가압, 급수압 변동, 압력 제어

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 펌프가 물을 밀폐된 탱크에 밀어 넣고 탱크 윗부분의 공기가 눌리면서 생기는 압력으로 물을 위층까지 보내는 방식이다. 탱크가 높은 곳에 있을 필요가 없어서 건물 안 어디든 설치할 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 압력탱크 방식은 물받이 탱크에 저장한 물을 급수펌프로 압력탱크에 보내고, 탱크 상부의 공기를 압축하여 얻은 압력으로 필요한 수전과 기구에 급수하는 방식이다.

핵심 용어를 정리한다.

• 압력탱크(Pressure Tank): 밀폐된 탱크로, 상부 공기를 가압하여 물을 저장하고 공급한다. 펌프의 기동과 정지를 압력에 따라 제어하는 기능도 가진다.
• 필요 최저 압력: 압력탱크가 가져야 하는 최소 압력이다. 최고층 수전에 물이 도달하고, 기구가 요구하는 최저 필요압을 만족해야 한다.
• 허용 최고 압력: 배관과 기구를 손상시키지 않는 압력의 상한이다. 최저 압력에 여유분을 더해 정한다.
• 유효수량: 최고 압력과 최저 압력 사이에서 탱크가 실제로 내보낼 수 있는 물의 양이다.

필요 최저 압력은 다음 식으로 구한다.

$P_I = p_1 + p_2 + p_3 \ (\text{kg/cm}^2)$

여기서 p_1은 압력탱크 최고층 수전 높이에 해당하는 수압(kg/cm²), p_2는 기구별 최저 필요압(kg/cm²), p_3은 관 내 마찰손실(kg/cm²)이다.

허용 최고 압력은 필요 최저 압력에 여유 압력을 더해 구한다.

$P_{II} = P_I + (0.7 \sim 1.4\ \text{kg/cm}^2)$

여유 압력은 0.7~1.4kg/㎠로 잡는다. 최고 압력과 최저 압력의 차이가 유효수량을 결정하므로, 두 압력은 함께 이해해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 급수방식은 수도 직결, 고가탱크(옥상탱크), 압력탱크, 펌프 직송 방식으로 나뉜다. 수도 직결 방식은 수도본관의 압력만으로 급수하므로 건물 높이에 제한을 받는다. 고가탱크 방식은 건물 상부에 탱크를 올려야 하므로 구조 부담과 설치 위치 제약이 크다.

압력탱크 방식은 이런 제약을 줄이기 위해 채택한다. 탱크를 건물의 적당한 위치에 둘 수 있고, 수도 압력이 부족한 경우에도 펌프로 필요한 압력을 만들 수 있다. 특히 특정 층이나 특정 구역에만 높은 압력이 필요할 때 적합하다.

이 방식의 한계는 급수압이 일정하지 않다는 점이다. 탱크 압력이 최고와 최저 사이에서 변하므로 최고·최저의 압력차가 크면 수전의 사용감이 달라진다. 그래서 압력 범위를 설계 단계에서 정하고, 펌프 기동과 정지를 압력으로 제어해야 한다.

필요 최저 압력이 확보되지 않으면 기구가 제 기능을 발휘하지 못한다. 반대로 허용 최고 압력을 넘으면 수전의 패킹과 와셔가 손상되고 누수가 생길 수 있다. 따라서 압력탱크는 최저 압력으로 기구 기능을 보장하고, 최고 압력으로 설비 손상을 막는 두 가지 기준을 동시에 만족해야 한다.

압력탱크 방식은 중층 이상 건물, 지하 설비, 수압 부족 지역에서 널리 쓰인다. 시험에서는 이 방식이 왜 필요한지, 그리고 압력 기준을 어떻게 정하는지를 함께 묻는 경우가 많다.

4. 구성요소·원리·절차

압력탱크 방식은 물받이 탱크에 저수한 물을 급수펌프로 압력탱크에 보내고, 탱크 상부의 공기를 압축해 그 압력으로 건물 각 부에 물을 보내는 방식이다. 탱크 위치의 제한을 받지 않아 국부적으로 고압이 필요한 건물에 채택된다. 다만 탱크 내 공기의 압축과 팽창에 따라 급수압이 변하므로 최고·최저 압력차가 크다.

압력탱크는 펌프 배출관 말단에 연결된 밀폐 탱크다. 탱크 상부를 공기로 채워 가압 상태로 물을 저장한다. 펌프가 정지해도 탱크에서 물을 공급할 수 있다. 압력이 설정 하한까지 떨어지면 펌프가 기동하고, 상한에 도달하면 정지한다. 이 과정을 반복하여 급수압을 유지한다.

원리는 보일의 법칙이다. 탱크 안 공기의 절대압과 체적의 곱은 온도가 일정하면 일정하다. 물이 들어와 공기가 압축되면 압력이 올라간다. 물이 나가 공기가 팽창하면 압력이 내려간다. 따라서 탱크 안 물의 양과 압력은 서로 대응한다. 이 관계로 필요 최저 압력과 허용 최고 압력을 정한다.

압력탱크 급수방식의 압력 관계는 다음과 같다.

$P_1 = p_1 + p_2 + p_3$

• P_1: 필요 최저 급수압력 (kg/㎠)
• p_1: 압력탱크 최고층 수전 높이에 해당하는 수압 (kg/㎠)
• p_2: 기구별 최저 필요압력 (kg/㎠)
• p_3: 관 내 마찰손실 (kg/㎠)

$P_{II} = P_I + (0.7\sim1.4\ \text{kg/㎠})$

• P_{II}: 허용 최고 급수압력 (kg/㎠)
• P_I: 필요 최저 급수압력 (kg/㎠)

압력탱크 제어의 절차는 다음과 같다.

• 저수조의 물을 급수펌프로 압력탱크에 보낸다.
• 탱크 압력이 최저 압력 P_I 이하로 내려가면 펌프를 기동한다.
• 탱크 압력이 허용 최고 압력 P_{II} 에 도달하면 펌프를 정지한다.
• 탱크 내 공기량을 점검해 압력 설정이 유지되도록 한다.
• 최고층 수전에서 필요한 압력이 확보되는지 마찰손실을 포함해 확인한다.

펌프 운전 용량은 시간 최대 예상급수량을 기준으로 정한다. 펌프 양수량은 시간 최대 예상급수량의 2배를 기준으로 한다. 이는 펌프의 기동 빈도를 줄이기 위한 것이다.

탱크 두께는 내압 강도로 구한다. 다음 식을 쓴다.

$\delta = \frac{P_{II} \cdot d}{2t}$

• \delta: 탱크 판 두께 (cm)
• P_{II}: 허용 최고 압력 (kg/㎠)
• d: 탱크 내경 (cm)
• t: 허용 응력 (kg/㎠)

5. 관련 법령·기준·표준

압력탱크 방식의 급수설비 기준은 「건축법」 및 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」의 급수설비 조항과 설계기준에서 다룬다. 수질 관리는 「수도법」과 저수조 관리 기준을 따른다. 급수 압력 계산은 기구별 최저 필요압력과 관 내 마찰손실을 합산하는 방식이다. 설계기준 명칭과 조 번호는 현행 기준을 확인한 뒤 쓴다.

허용 최고 압력과 필요 최저 압력의 차이는 0.7~1.4 kg/㎠ 범위로 둔다. 이 범위를 벗어나면 펌프 기동 빈도가 늘거나 급수압 변동이 커진다. 기구별 최저 필요압력은 기구 종류마다 다르므로 표로 정리해 적용한다. 외국 기준과의 차이는 압력 단위와 제어 방식의 차이 정도로 이해하면 된다.