급수량·관경 산정

왜 배우는가: 급수량과 급수관경은 급수설비 설계의 출발점이다. 급수량이 정해져야 저수조·고가수조·펌프 용량과 배관 관경이 결정되므로, 설계 전 과정의 기초가 된다. 두 회차에 걸쳐 출제된 만큼 산정 방법의 분류와 설계 순서를 정확히 설명하는 능력이 필요하다.

출제 이력: 제112회 3교시 6번, 제90회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

급수량 산정은 건물의 용도·인원·기구 수를 기준으로 계획 급수량(Qh·Qm·Qp)을 추정하고, 이를 바탕으로 급수관경을 결정하는 설계 작업이다.

• 계획 1일 사용수량: 1인 1일 사용수량에 사용 인원을 곱한 값
• 시간 평균 예상 급수량(Qh): 단위시간당 평균적으로 필요한 급수량
• 시간 최대 예상 급수량(Qm): 하루 중 사용이 가장 몰리는 시간의 급수량
• 순간 최대 예상 급수량(Qp): 급수 기구가 동시에 사용될 때의 순간 최대 유량
• 기구급수부하단위(FU): 세면기 1분당 사용수량을 1로 한 기구별 상대 부하
• 동시사용률: 급수기구가 동시에 사용되는 비율
• 균등표·마찰저항선도: 관경을 정하는 설계 도구

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 급수량 산정은 "이 건물에 물이 하루에 얼마나, 한 번에 얼마나 필요한가"를 미리 계산하는 일이다. 이 값을 알아야 물탱크 크기, 펌프 용량, 배관 굵기를 정할 수 있다.

급수량 산정의 정식 정의는 다음과 같다. 건물의 용도, 사용 인원, 급수 기구의 종류와 수에 따라 계획 사용수량을 구하고, 그중 시간별 최대 유량을 설계 기준으로 삼아 급수설비의 용량과 관경을 정하는 과정이다.

급수기구 단위법은 위생기구마다 정해진 급수부하단위(FU)를 합산하는 방법이다. 기구가 동시에 모두 쓰이지 않는다는 점을 반영하여, 합산 값을 동시사용률로 보정한다.

인원 기준법은 1인 1일 사용수량에 인원을 곱하는 방법이다. 기본 설계 단계에서 쉽게 쓸 수 있다. 사무실, 공동주택처럼 인원 파악이 가능한 건물에 적합하다.

시간 계수는 하루 사용량을 시간대별로 나누는 값이다. 순간 최대 유량을 구하려면 사용이 가장 몰리는 시간대의 부하가 필요하다.

동시사용률은 같은 시간에 기구가 함께 쓰이는 비율이다. 기구 수가 많을수록 동시사용률은 낮아진다. 이 보정 때문에 기구 수 합계보다 설계 유량이 작아진다.

계획 1일 사용수량을 구한 뒤에는 저수조 용량을 정한다. 저수조 용량은 계획 1일 사용수량의 4/10~6/10 를 표준으로 한다.

3. 등장 배경과 필요성

급수량을 정확히 추정하지 못하면 설계 오류가 생긴다. 과대 설계는 설비비와 유지비를 높이고, 과소 설계는 급수 부족과 압력 저하를 일으킨다. 관경이 작으면 마찰손실이 커져 상층부 수압이 떨어지고, 관경이 크면 설치비가 늘고 물이 정체되어 수질이 나빠진다.

건축물이 고층화되고 기구가 다양해지면서 단순 추정으로는 설계가 어려워졌다. 급수기구 단위법과 동시사용률 개념이 도입된 이유가 여기에 있다. 또한 절수 설비와 냉방 설비가 늘면서 냉각수 등 잡용수를 함께 고려하는 필요성도 커졌다.

급수량 산정은 다음 단계의 기초가 된다. 산정된 유량으로 관경을 정하고, 그 결과로 펌프 양정과 옥상탱크 용량을 정한다. 따라서 급수량 산정 오류는 전체 설비의 성능과 경제성에 연쇄적으로 영향을 준다.

4. 구성요소·원리·절차

급수량·관경 산정은 계획 1일 사용수량, 시간 최대 예상 급수량(Qm), 순간 최대 예상 급수량(Qp) 을 순서대로 구하고, 이 유량을 관내 유속과 마찰손실로 관경에 대응시키는 과정이다. 각 값의 의미와 산정 방법은 다음과 같다.

표 아래 설명: 시간 평균 유량은 하루 총량을 24시간으로 나눈 값이다. 실제 사용은 아침과 저녁에 몰리므로 Qm은 Qh보다 크다. 관경은 시간 평균이 아니라 순간 최대 유량 Qp로 정한다. 그래야 가장 많이 쓰는 순간에도 기구 수압이 부족하지 않다.

관경 결정의 원리는 연속 방정식과 마찰손실 관계로 설명한다. 유량 Q는 관 단면적 A와 유속 V의 곱이므로 같은 유량이라도 유속을 낮추면 관경이 커진다. 유속을 높이면 관경은 작아지지만 마찰손실과 소음·수격작용이 커진다. 그래서 유속 상한을 두고 관경을 고른다. 마찰손실은 Hazen-Williams 식으로 구한다.

$Q = 0.2785\,C\,D^{2.63}\,S^{0.54}$

Q: 유량(m³/s), C: 관종별 조도계수(무차원), D: 관의 내경(m), S: 동수경사(hf÷L, 무차원). 관 내경을 구한 뒤에는 연속식 $Q = A\,V = \frac{\pi D^2}{4}V$ 로 검산한다. A: 단면적(m²), V: 유속(m/s).

예제: 설계 순간 최대 유량 Qp가 0.5ℓ/s인 구간을 본다. 유속을 2.0m/s로 두면 Q = 5×10⁻⁴ m³/s이고 A = Q÷V = 2.5×10⁻⁴ m²이다. 내경 D = √(4A÷π) = √(3.18×10⁻⁴) ≒ 0.0178m, 즉 17.8mm이다. 내경이 17.8mm 이상이 되는 호칭 관경을 고르면 20A가 된다. 결과는 생활용 급수 구간의 관 지름으로 상식 범위에 있다.

관경 산정 절차는 다음과 같다.

• 건물 용도와 인원으로 계획 1일 사용수량을 구한다.
• 시간 평균 Qh와 시간 최대 Qm을 구한다. 저수조와 고가수조 용량에 쓴다.
• 기구급수부하단위를 합산하거나 동시사용률을 적용해 구간별 순간 최대 유량 Qp를 구한다.
• 각 구간 유량에 대해 유속 상한을 기준으로 관경을 정한다.
• 마찰손실과 말단 기구의 필요 압력을 검토해 펌프 양정과 수압을 확인한다.
• 수압이 부족하면 관경을 한 단계 키우거나 가압 방식을 바꾼다.

관경은 시간 평균이 아니라 순간 최대 유량으로 정한다. 냉방 건물에서는 냉각수 보급량도 유량에 더한다.

5. 관련 법령·기준·표준

급수량·관경 산정의 기준은 설계기준과 법령으로 나뉜다. 건축설비 분야에서는 설비(기계) 설계기준(KDS 31 00 00) 이 급수 설계의 기본 틀이 된다. 수도 공급과 저수조 관리는 수도법 과 그 시행규칙이 규정한다. 수도법 시행규칙 제11조는 급수설비의 검사 기준으로 수도용 자재의 위생안전기준 적합 여부와 저수조의 설치기준 적합 여부를 정한다. 공동주택의 비상급수시설 용량은 주택건설기준 등에 관한 규정 에서 따로 정한다.

실무 기준값은 다음 표와 같다.

표 아래 설명: 저수조 용량 비율은 계획 1일 사용수량을 기준으로 하므로 4절의 Qd 산정이 먼저다. 급수관 매설심도와 간격은 동결과 오염을 막기 위한 값이다. 특히 급수관과 하수관의 이격은 역류 오염 방지와 직결된다.

냉각수 가산량은 냉각탑을 쓰는 경우 보급수를 냉동기 냉각수의 2%로 본다. 이때 보급수는 약 0.26ℓ/min USRt가 된다. 이 값은 급수량 합산 때 잡용수와 함께 더한다.

기구급수부하단위는 세면기 1분당 사용수량을 1로 정한 단위다. 다른 위생기구는 이 기준에 비례해 단위를 정하고, 단위 합에서 동시사용 유량을 구한다. 기준값의 세부 계수는 설계기준의 표를 따른다.

관 내 마찰손실은 관종별 조도계수 C로 달라진다. 강관과 동관은 같은 관경이라도 C가 달라 손실이 다르다. 설계에서는 사용 관종의 C를 표에서 골라 식에 넣는다.

6. 유형과 비교

급수량 산정 방법은 크게 사용인원·사용기구 수에 의한 방법과 급수기구 부하단위(기구급수부하단위, FU)에 의한 방법으로 나뉜다. 기본 설계 단계에서는 인원수 방법이, 실시설계 단계에서는 기구수 방법이 많이 쓰인다. 두 방법의 차이를 표로 정리하면 다음과 같다.