온수난방 방식

왜 배우는가: 온수난방은 건물 난방 설비 중 보일러 열을 물로 운반해 방열기나 바닥패널로 내보내는 방식으로, 설비 설계와 운전에서 가장 널리 쓰인다. 온수 온도, 순환 방식, 배관·공급 방식을 구분하는 문제는 공조냉동기계기술사 4교시에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제99회 4교시 1번, 제98회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

온수난방은 보일러에서 가열한 물(온수)을 배관으로 순환시켜 방열기나 복사패널에서 실내로 열을 방출하는 난방 방식이다.

핵심 키워드

• 온수순환(중력순환, 강제순환)
• 온수온도(저온수식, 고온수식)
• 배관방식(단관식, 복관식)
• 온수공급방식(직접 접속, 간접 접속, 역환수)
• 방열기(라디에이터)
• 팽창탱크
• 온도강하
• 헤더(header)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 온수난방은 물을 데워 집 안을 도는 난방이다. 보일러가 물을 데우고, 펌프나 물의 비중차가 그 물을 방열기까지 보내며, 방열기에서 식은 물이 다시 보일러로 돌아온다.

정식 정의로는, 온수를 열매체로 사용하여 열원에서 발생한 열을 배관을 통해 수송하고 실내의 방열기 또는 복사 패널에서 방열시키는 난방 방식이다. 열매체가 물이므로 증기난방에 비해 온도 제어가 쉽고 응축수 처리가 필요 없다.

온수 는 물을 가열하여 얻은 열매체다. 온수 온도는 보통 100℃ 미만을 저온수, 100℃ 이상을 고온수로 나눈다. 저온수식은 100℃ 이하, 고온수식은 100℃ 이상 의 기준으로 구분된다.

순환 은 온수가 열원과 방열부 사이를 도는 것을 말한다. 순환을 일으키는 힘이 중력인지 펌프인지에 따라 방식이 달라진다.

방열 은 온수가 가진 열을 실내 공기와 주변 벽·바닥에 내보내는 과정이다. 방열기의 크기가 실내 열부하를 감당하는지 결정한다.

온도강하 는 방열 후 온수 입구와 출구의 온도 차이다. 온도강하가 클수록 필요한 유량이 줄어 배관이 가늘어진다.

3. 등장 배경과 필요성

증기난방은 증기 압력과 응축수 환수 문제로 운전이 까다롭고 온도 제어가 어렵다. 온수난방은 물을 열매체로 쓰므로 온도를 낮게 유지해도 충분히 난방할 수 있고, 운전이 안전하다.

저온수식은 장치의 최고부를 대기에 개방한 상태로 온수를 쓸 수 있어 구조가 간단하다. 취급이 쉽고 사고 위험이 낮아 주택과 중소형 건물에 널리 쓰인다. 평균 온수온도는 80℃ 내외, 온수 온도강하는 5~20℃ 정도가 일반적인 값이다.

고온수식은 온수 온도가 높아서 같은 열량을 적은 방열면적과 적은 유량으로 보낼 수 있다. 온도강하를 크게 잡으면 배관 지름도 줄어든다. 대규모 건물과 지역난방에서 배관 비용을 줄이려는 목적으로 채택된다. 다만 밀폐 압력 용기 구조가 필요해 안전관리가 더 까다롭다.

온수난방이 필요한 이유를 정리하면 다음과 같다.

• 열매체가 물이라 온도 제어와 열량 조절이 쉽다.
• 응축수 환수 문제가 없어 배관 부식과 수격이 적다.
• 열원을 보일러 외에 열병합발전, 지역난방, 히트펌프 등으로 바꾸기 쉽다.
• 저온수 방식은 히트펌프와 결합할 때 효율이 높다.

증기난방과 온수난방은 같은 난방 목적이지만 열 운반 방식과 제어 방식이 다르다. 이 차이가 이후 분류와 장단점 문항의 기준이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

온수난방은 보일러에서 가열된 온수를 온수순환 방식으로 배관을 통해 보내고, 방열기나 패널에서 열을 방출한 뒤 환수시키는 방식이다. 시스템은 열원, 배관, 순환 기구, 방열 기기, 팽창·공기 배출 장치로 구성된다. 온수의 온도는 열원 쪽에서 공급되고 실내에서 열을 내준 만큼 떨어져 돌아온다.

구성요소 중 열원과 방열 기기 사이의 열 전달량은 방열기 표면에서 공기로 전달되는 열이다. 방열기가 내는 열량은 방열면적과 온수와 실내 공기의 온도차에 비례한다. 온수온도가 높으면 같은 열량에 필요한 방열면적이 줄어든다.

온수가 순환하는 원리는 두 가지다. 첫째는 중력순환으로, 보일러 쪽 온수의 밀도가 낮아 상승하고 방열기 쪽 냉수가 하강하면서 생기는 밀도차 압력을 이용한다. 둘째는 강제순환으로, 순환펌프의 양정이 배관과 방열기의 압력손실을 이겨 물을 보낸다. 중력순환은 배관 구배와 높이차가 확보되어야 하고, 강제순환은 펌프 동력이 필요하다.

온수난방 시스템의 작동 절차는 다음과 같다.

• 열원(온수보일러)에서 물을 설정 온도까지 가열한다.
• 순환펌프 또는 밀도차로 온수를 공급관을 통해 각 방열기로 보낸다.
• 방열기 또는 패널에서 실내 공기로 열을 방출하여 온도가 낮아진다.
• 식은 물을 환수관으로 보일러에 되돌린다.
• 팽창탱크가 온수 팽창분을 흡수하고, 배관 상부의 공기는 공기 배출기로 제거한다.

이 절차에서 온수 온도강하는 5~20℃ 범위로 잡는다. 온도강하가 크면 유량이 줄어 배관이 가늘어진다. 온도강하가 작으면 유량이 늘어 배관 지름이 커진다.

온수난방은 온수 현열을 방열기에서 방출하는 방식이며, 순환은 중력 또는 펌프 강제순환으로 이루어진다.

온수순환, 밀도차 압력, 온도강하를 답안에 써야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

온수난방 설비는 건축물의 설비기준과 보일러 설치·검사 기준, 배관·압력용기 관련 기준을 따른다. 설계 단계에서는 온수온도, 온도강하, 팽창탱크 용량, 방열면적을 기준값으로 정한다. 아래 표는 설계와 검토에 쓰는 기준 수치를 모은 것이다.

저온수식 설비는 100℃ 이하 온수를 쓰므로 장치 최고부를 대기에 개방할 수 있다. 고온수식은 100℃ 이상 온수를 쓰므로 가압이 필요하고, 압력 관리 기준을 따라야 한다. 설계 시 배관 재료와 압력 등급은 해당 설비 기준으로 확인하여 정한다.

관련 기준의 개정 연혁은 본 절에서 확정하지 않는다. 온수보일러의 설치 검사와 압력 관련 규정은 법령 개정에 따라 기준이 바뀔 수 있으므로 현행 법령을 기준으로 적용한다.

6. 유형과 비교

온수난방은 온수의 온도, 순환 방식, 배관 방식에 따라 나뉜다. 기준마다 장치 구성과 설계 조건이 달라지므로 표로 나란히 놓고 비교해야 한다.