스프링클러 급수관 구경

왜 배우는가: 스프링클러 급수배관의 관경은 수리계산이나 헤드 수별 구경표로 정한다. 관경이 작으면 말단 헤드의 방사압력과 방수량이 모자라고, 크면 공사비가 늘어난다. 그래서 구경 선정 문제는 기술사 시험에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제118회 2교시 1번, 제92회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

스프링클러 급수관 구경은 헤드 수와 방수량에 따라 가지배관·교차배관·주배관의 관경을 정하는 기준이다.

• 급수관 구경
• 가지배관
• 교차배관
• 헤드 수별 구경표
• 수리계산
• 유속 제한
• 헤드 방수량

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 헤드가 많이 달린 가지배관은 물을 많이 쓰므로 관이 굵어야 한다. 관이 가늘면 마찰손실이 커져 끝에 있는 헤드까지 물이 충분히 닿지 않는다. 관이 필요 이상으로 굵으면 자재비와 설치비가 늘어난다. 그래서 관경은 필요한 유량을 흘리면서도 경제적인 크기로 정한다.

정식으로는 급수관 구경을 헤드 수와 설계 방수량에 따라 정하는 값이라고 정의한다. 방법은 두 가지다. 하나는 수리계산으로 배관 각 구간의 마찰손실과 낙차를 계산해 헤드선단 압력이 기준을 넘는지 확인하는 방법이다. 다른 하나는 헤드 수별 구경표를 보고 가지배관에 달린 헤드 수에 맞는 관경을 고르는 방법이다.

가지배관은 헤드가 설치된 배관이다. 교차배관은 가지배관에 물을 공급하는 배관이다. 두 배관 모두 구경표의 적용 대상이 된다. 유속 제한은 관 속 물의 빠르기 상한이다. 유속이 너무 빠르면 수격과 소음, 마찰손실 증가가 생기므로 관경을 키워 유속을 낮춘다.

관경 선정에서는 유속과 마찰손실을 함께 본다. 유속은 가지배관 6m/s 이하, 기타 배관 10m/s 이하로 제한한다. 교차배관은 최소 구경을 40mm 이상으로 둔다. 이 값은 교차배관 청소와 유량 확보를 위한 하한이다.

3. 등장 배경과 필요성

스프링클러설비는 화재 시 여러 헤드가 동시에 열리는 것을 전제로 설계한다. 가지배관 하나에 헤드가 많이 붙으면 그 배관을 통과하는 유량이 커진다. 배관 구경을 임의로 정하면 일부 헤드에서 방사압력이 부족해 소화 성능이 떨어진다. 반대로 모든 배관을 크게 잡으면 공사비가 증가한다.

이 문제를 해결하기 위해 기준은 두 갈래로 마련됐다. 상세한 설계에서는 수리계산으로 구간별 손실을 따진다. 소규모 설비나 표준 배관에서는 구경표를 써서 빠르게 선정한다. 구경표는 헤드 수 조건에 맞춰 관경을 정해 두었으므로 현장에서 바로 쓸 수 있다.

수원량 산정과 관경 선정은 서로 연결된다. 수원은 수리학적으로 가장 먼 가지배관 몇 개에 헤드가 동시에 열릴 때를 가정해 계산한다. 배관 구경이 작아 유량이 모자라면 수원을 늘려도 소용이 없다. 따라서 관경 선정은 수원과 펌프 성능을 확인하는 단계와 함께 이뤄져야 한다.

또한 배관 구경은 설치 후 바꾸기 어렵다. 벽체와 천장 안에 묻히므로 설계 단계에서 정확히 정해야 한다. 그래서 시험에서도 관경 선정의 근거와 기준을 설명하는 문제가 자주 나온다.

4. 구성요소·원리·절차

스프링클러 급수관의 구경은 수리계산으로 정한다. 근거는 NFTC 103B 2.5.4.3이다. 배관 구경은 2.2.1의 수원 기준을 만족하도록 계산하고, 가지배관 유속은 6m/s 이하, 그 밖의 배관 유속은 10m/s 이하로 제한한다. 구경은 유량과 유속 두 조건으로 결정된다.

구성요소별 역할과 설계 기준은 다음 표와 같다.

교차배관은 구경이 가장 크고 유량이 모이는 곳이다. 가지배관은 헤드별 유량을 받아 유속 제한을 먼저 확인해야 하는 배관이다.

헤드 방수량은 오리피스식으로 나타낸다. 헤드 방수량은 Q=K√(10p)로 표시하고 동시개방 헤드 12개 기준으로 계산한다

$Q = 12 \times 60 \times K\sqrt{10p}$

여기서 Q는 수원의 양(L), 12는 동시 개방 헤드 수(3개 가지배관×4개), 60은 방수시간(min), K는 상수 K[L/min/(MPa)^1/2], p는 헤드선단 압력(MPa)이다. 12개는 2.2.1에서 가장 먼 가지배관 3개에 각 4개씩 헤드가 동시에 열린다고 가정한 값이다.

계산 예는 다음과 같다. 최대층고 13.7m, 최대저장높이 12.2m, K=360 하향식 헤드를 쓰며 표 2.2.1의 해당 압력값을 적용한다.

1) 루트항: √(10p) 2) 헤드 1개 방수량: 360×√(10p) L/min 3) 수원량: Q=12×60×360×√(10p) L 4) 단위 정리: 계산한 수원량을 L에서 m³로 환산한다. 5) 확인: 계산한 수원량을 설계 기준과 대조한다.

구경 선정은 다음 순서로 한다.

• 설계 면적, 층고, 저장높이를 확인한다.
• 표 2.2.1에서 최소방사압력 p를 고른다.
• 가장 먼 가지배관 3개×4개, 동시 개방 헤드 12개를 정한다.
• 교차배관 방향으로 구간별 유량을 누적한다.
• 구간마다 유속이 6m/s 또는 10m/s를 넘는지 확인한다.
• 넘으면 구경을 한 단계 키워 재계산하고, 마찰손실을 합산해 펌프 양정을 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

급수관 구경과 관련된 기준은 NFTC 103B 2.2.1(수원·방사압력), 2.5.4.3(수리계산·유속), 2.5.10.2~2.5.10.3(가지배관 간격·헤드 수), 2.5.11.1(교차배관 최소구경), 2.7.1.1~2.7.1.2(헤드 방호면적·간격)이다. 기준 수치는 아래 표에 모았다.

최소방사압력은 표 2.2.1에서 최대층고, 최대저장높이, 헤드 종류에 따라 달라진다. 일부 값을 발췌하면 다음과 같다(MPa).

상향식과 하향식은 같은 층고라도 압력값이 다르므로 헤드 종류를 먼저 정해야 한다. 상향식 헤드를 쓰면 2.7.1.5의 감지부·반사판 위치 기준도 함께 본다.