Ⅰ. 난방부하 (暖房負荷)
난방부하란 실내의 온도를 적절히 유지하기 위하여 공급하여야 할 열량을 말한다. 난방시스켐의 설계에 앞서 각 방이나 난방을 필요로 하는 공간에 대하여 최대 손실열량을 계산한다.
1. 난방부하 계산
(1) 상당방열면적(EDR : Equivalent Direct Radiation)으로부터 계산
① EDR : 상당방열면적이라고 하며 표준방열량을 말하며 방열면적 1㎡를 1EDR이라고 한다.
㉠ 온수난방의 경우 : 450 ㎉/㎡·h
㉡ 증기난방의 경우 : 650 ㎉/㎡·h
② 주철제 방열기의 경우 온수 평균온도가 80℃, 실내온도가 18/5℃인 경우에 온수난방시 표준방열량이 450 ㎉/㎡·h이다.
③ 표준방열량과 상당방열면적
벽체, 천장, 바닥, 유리창, 중간벽, 실내환기 등에서 손실을 총 열손실 난방부하라고 한다.
① 난방부하 = 열손실 합계 - 임의 취득열량
임의 열취득열량이란 각 전열기구나 인체 발생열 등에서 얻어지는 열량이다.
② 난방부하 계산 [㎉/h]
① 난방부하 계산 [㎉/h]
열손실 지수란 일반주택의 경우 각 지역별 보온 단열 상태에 따라 정한 값이며 일반주택에서는 모든 자료를 종합한 열량이다.
2. 열관류율(열통과율) 계산
열전도율이 다른 여러 층의 재료와 내외부 열전달에 의하여 열전달이 되는 경우 열의 흐름자체가 정상상태라고 하면 고온측으로부터 저온으로 열이 이동할 때를 평균열통과율이라고 생각할 수 있다. 그 단위는 ㎉/㎡·h·℃ 로 한다.
3. 보일러의 용량계산
(1) 보일러의 효율계산과 난방부하 계산
㉮ 온수보일러에서 보일러의 효율계산
① 난방출력
Ⅱ. 난방방식
1. 온수난방법 (Hot Water Heating System)
(1) 온수난방이 증기난방보다 우수한 점
① 난방부하의 변동에 따라 온도조절이 쉽다.
② 가열시간은 길지만 잘 식지 않아서 증기난방에 비해 배관의 동결 우려가 작다.
③ 방열기 표면온도가 낮아서 화상 염려가 없고 실내 쾌감도가 좋다.
④ 보일러 취급이 쉽다.
(2) 온수난방의 분류
① 중력순환식 온수난방
㉠ 온수 온도가 내려가면 밀도가 커지는 것을 이용하여 자연적으로 순환시킨다.
㉡ 보일러 설치는 최하위의 방열기보다 낮은 곳에 설치하여야 한다(소규모일 때에는 보일러와 방열기가 같은 층에 설치되어 동층 온수난방이라고 한다).
② 강제순환식 온수난방
㉠ 순환펌프에 의해 온수를 강제순환시키는 방법으로 대규모 난방용으로 적당하다.
㉡ 순환펌프 : 센트리퓨걸 펌프, 축류형 펌프, 하이드로레이터 펌프 등이 있다.
(4) 배관 방식에 의한 분류
① 단관식 : 송수관과 환수관을 단일관으로 한다.
② 복관식 : 송수관과 환수관을 각각 다른 관으로 사용한다.
(5) 온수 순환방향에 의한 분류
① 상향순환식 : 방열기 아래쪽에 송수주관을 설치하며 송수주관을 상향 기울기로 배관하여 난방하는 방식이다.
② 하향순환식 : 송수주관을 최상부에, 수평주관을 방열기보다 높은 쪽에 설치하여 온수를 하향으로 공급하는 방식이다.
(6) 온수 보일러 설치시 단점
① 동일 방열량에 대하여 증기난방보다 방열면적이 커야 한다.
② 배관의 직경이 큰 것을 써야 한다.
③ 설비비가 많이 든다.
④ 건축물 높이에 상당하는 수압이 보일러나 방열기에 가해져서 건축물 높이에 제한을 받는다.
(7) 온수 난방시공
온수배관은 공기빼기밸브나 팽창탱크를 향하여 상향기울기로 하며 에어포켓(Air Pocket)을 만들지 않게 배관한다. 일반적으로 기울기는 1/250로 하고, 배수밸브를 향하여 하향기울기로 한다.
㉮ 단관 중력순환식
메인 파이프에 선단 하향기울기를 하고 공기는 모두 팽창탱크에서 베출하도록 한다. 그리고 온수주관은 끝내림 기울기를 준다.
㉯ 복관 중력환수식
① 하향공급식 : 공급관이나 복귀관 모두 같이 하향기울기이다.
② 상향공급식
㉠ 공급관을 선단 상향으로 기울인다.
㉡ 복귀관을 선단 하향으로 기울인다.
㉰ 강제순환식
① 배관의 기울기는 선단상향, 하향과는 무관하다.
② 배관 내에 에어포켓을 만들어서는 안된다.
2. 증기난방법
(1) 중력환수식 증기난방법(저압보일러용)
① 단관 중력환수식 증기난방 : 단관식
㉠ 난방이 불완전하다.
㉡ 배관이 짧아 설비비가 절약된다.
㉢ 저압보일러용이다.
㉣ 소규모 주택 등의 난방에 사용된다.
㉤ 환수관이 없기 때문에 충분한 난방을 위해 공기빼기 밸브를 설치해야 한다.
㉥ 방열기 밸브는 방열기의 하부태핑에, 공기빼기 밸브는 상부태핑에 설치한다.
㉦ 증기와 응축수가 관내에서 역류하므로 증기의 흐름이 방해가 된다.
㉠ 증기와 응축수가 각각 다른 관을 통해 공급되는 난방이므로 일반적으로 방열기 밸브는 위로 설치하고 반대편 하부태핑에 열동식 트랩을 장치한다.
㉡ 배기방법 : 에어리턴식(Air Return), 에어벤트식(Air Vent)
응축수를 일단 탱크 내에 모아서 펌프를 이용하여 보일러에 급수하는 난방이다.
① 응축수가 중력 환수되지 않는 보일러에 사용되며 환수경로는 방열기 → 응축수 펌프 내 수수탱크(중력작용) → 보일러 급수이다.
② 탱크(수수탱크)는 최하위의 방열기보다 낮은 곳에 설치한다.
③ 방열기에는 공기빼기가 불필요하다.
④ 방열기 밸브의 반대편 하부태핑에 열동식 트랩을 부착한다.
⑤ 응축수 펌프는 저양정의 센트리퓨걸 펌프가 사용된다.
⑥ 탱크 내에 들어온 공기는 자동 공기빼기 밸브에 의하여 공기 속으로 배기된다.
⑦ 펌프 압력은 0.3~1.4㎏/㎠ 정도이다.
대규모 난방에 사용되며 환수관의 끝에서 보일러 바로 앞에 진공펌프를 설치하여 난방시킨다. 즉 환수관 내의 응축수와 공기를 펌프로 빨아내고 관내를 100~250㎜Hg 정도의 진공상태로 유지하여 응축수를 빨리 배출시킨다.
① 증기의 회전이 제일 빠른 낝방이다.
② 환수관의 직경이 작아도 된다.
③ 방열기 설치 장소에 제한을 받지 않는다.
④ 방열량이 광범위하게 조절된다(중력식, 기계식의 결점을 보완한 것임).
㉮ 배관기울기(구배)
① 단관중력식 증기난방
단관식의 경우에는 가급적 기울기를 크게 하여 하향식, 상향식 모두 증기와 응축수가 역류되지 않게 한다. 그러기 위하여 선단 하향기울기(끝내림 기울기)를 준다.
㉠ 하향공급식(순류관) 기울기
증기가 응축수와 동일방향으로 흐르며 기울기는 1/100~1/200이다.
㉡ 상향공급식(역류관) 기울기
② 복관 중력식 증기난방
복관식의 경우 환수관이 건식과 습식에서는 시공법이 다르지만 증기 메인 파이프는 어느 경우에도 기울기가 1/200 정도의 선단 하향기울기이다.
㉠ 건식환수관
1/200정도의 선단 하향기울기로 보일러실까지 배관하고 환수관의 위치는 보일러 표준수위보다 650㎜ 높은 위치에 시공하여 급수에 지장이 없도록 한다. 또한 증기관과 환수관이 연결되는 곳에는 반드시 증기트랩을 설치하여 증기가 환수관으로 흐르지 않도록 방지한다.
㉡ 습식환수관
증기관내 응축수를 환수관에 배출할 때 트랩장치를 사용하지 않고 직접 배출할 수 있다. 또 환수관 말단의 수면이 보일러 수면보다 응축수의 마찰손실 수면이 높아지므로 증기주관을 환수관의 수면보다 400㎜ 이상 높게 하고 이 설비가 불가능하면 응축수 펌프를 설비하여 보일러에 급수한다.
㉯ 증기 난방시공
진공환수식에서는 건식환수관을 사용한다. 또한 증기주관은 1/200~1/300 하향기울기(끝내림)를 만들고 방열기 브랜치관 등에서 선단에 트랩장치를 가지고 있지 않은 경우에는 1/50~1/100의 역기울기를 만들고 응축수를 증기주관에 역류시킨다. 그리고 저압증기 환수관이 진공펌프의 흡입구보다 낮은 위치에 있을 때 응축수를 끌어올리기 위한 설치로 리프트 피팅을 시공하는 경우에는 환수주관보다 1~2㎜ 정도 작은 치수를 사용하고 1단의 흡상높이는 1.5m이내로 한다. 리프트 피팅의 사용개수는 가급적 적게 하고 급수펌프이 가까이에는 1개만 설치한다.
3. 복사난방법 (Panel Heating System)
복사난방이란 바닥에 가열코일을 매설하여 그 코일 내에 온수를 보내어 그 복사열로 난방을 한다.
(1) 복사난방의 장단점
① 장점
㉠ 실내온도가 균일하여 쾌감도가 높다.
㉡ 방열기의 설치가 불필요하여 바닥면의 활용도가 높다.
㉢ 동일 방열량에 대해 열손실이 대체로 적다.
㉣ 공기의 대류가 적어서 공기의 오염도가 적다.
㉤ 평균온도가 낮아서 열손실이 적다.
㉥ 천장이 높은 집에 적당하다.
② 단점
㉠ 외기온도 변화에 따른 조작이 어렵다.
㉡ 배관을 매설하기 때문에 시공이 어렵다.
㉢ 고장시 발견이 어렵고 벽 표면이나 시멘트 몰타르 부분에 균열이 발생한다.
㉣ 단열재의 시공이 필요하다.
(2) 복사난방의 분류 (열매체의 종류에 의한 분류)
① 온수 복사난방 : 일반적으로 65~82℃의 온수를 매설된 가열코일에 순환시켜 난방한다.
② 증기 복사난방 : 100℃ 이상의 고온이므로 매설은 피하고 구조체의 내외벽 사이에 코일을 배치하여 간접 난방한다.
③ 온풍 난방 : 더운 바람을 천장이나 바닥 밑에서 불어넣어 가열하여 난방하는 형식
④ 전열 복사난방 : 전열선을 이용하여 천장, 바닥, 벽 등을 가열하며 특수 전열패널을 사용하다.
(3) 패널의 종류
① 바닥패널 : 패널면적이 커야 한다.
② 천장패널 : 패널면적이 작아도 된다.
③ 벽패널 : 시공이 곤란하여 활용가치가 없다.
(4) 관코일 패널의 재료와 열전도율
① 동관
② 강관
③ 폴리에틸렌관
(5) 벽면 관 코일 배열법
① 그릿 코일법
② 벤드 코일법
③ 벽면 그릿 코일법
1구역당 40~60m 정도의 길이로 한다.
(7) 패널의 구조(크기)
① 바닥코일
㉠ 탄소강 강관 : 20A~25A 정도 사용
㉡ 동관 : 13A~16A 정도 사용
② 천장코일 : 15A 정도 사용
4. 지역난방
열병합 발전소에서 열공급 시설의 열발생 장치를 통하여 고압의 증기로 중온수를 생산한 다음, 일정지역을 대상으로 건물의 열설비로 보내어 공급된 중온수를 열교환기를 통해서 저온수로 열교환을 하여 공급하는 난방방식이다. 공장이나 병원 또는 학교 아파트 등 난방에서 시가지 전지역에 걸쳐서 난방하는 것을 지역난방이라 한다.
㉠ 각각의 건물에 보일러를 설치하는 경우에 비해 대규모 설비로 되어 관리도 완벽히 할 수 있어 열효율이 좋고 연료비가 절감된다.
㉡ 각 건물에 보일러실 연돌이 필요없으므로 건물의 유효면적이 증대된다.
㉢ 설비의 고도화에 따라 도시 매연이 감소된다.
㉣ 인건비가 경감된다.
㉤ 각 건물의 난방운전이 합리적으로 된다.
② 지역난방의 열매체
㉠ 증기 : 게이지 압력 1㎏/㎠에서 15㎏/㎠까지 사용된다.
㉡ 온수 : 100℃ 이상의 고온수가 주로 사용된다.
Ⅲ. 난방시설
1. 기기 주위 배관시공
(1) 보일러 주위의 배관
하트포드 접속법(Hartford Connection)은 보일러 물이 환수관으로 역류하여 보일러 수면이 저수위 이하로 내려가는 경우가 있는데 이것을 방지하기 위하여 증기관과 환수관 사이에 표준수면에서 50㎜ 아래로 균형관을 설치하여 증기압력과 환수관의 균형을 유지시켜 주는 접속법이다.
방열기 지관은 스위블 이음을 이용해 따내고 지관의 기울기는 증기관은 끝올림, 환수관을 끝내림으로 한다. 주형방열기는 벽에서 50~60㎜ 떼어서 설치한다. 또한 벽걸이형은 방바닥에서 150㎜ 높게 설치하여야 하고 컨벡터느 90㎜ 높게 설치한다.
감압밸브 설치시에는 배관에서 유체가 흐르는 입구쪽에서부터 압력계(고압측), 글로브밸브, 여과기, 감압밸브, 스루스밸브, 안전밸브, 저압측 압력계의 순으로 설치된다. 그리고 감압밸브에서 파이롯관을 이을 때에는 감압밸브에서 3m 떨어진 유체의 출구쪽에 접속하고, 밸브는 글로브 밸브를 설치한다.
리프트 피팅에서 응축수를 끌어올리는 높이가 1.5m 이하시에는 1단 리프트 피팅을 하고, 3m 이하일 때는 2단 리프트 피팅을 한다.
① 드레인 포켓과 냉각관 (Cooling Leg)
증기주관에서 응축수를 건식 환수관에 배출하려면 주관과 동경으로 100㎜ 이상 내리고, 하부로 150㎜ 이상 연장해 드레인 포켓을 만들어 준다. 냉각관은 트랩 앞에서 1.5m 이상 떨어진 곳까지 나관(裸管) 배관한다.
트랩이나 제어밸브장치, 수량계 등의 고장, 수리, 교환 등에 대비하기 위해 설치하는 배관이다.
③ 증기주관 도중 수직 위로 된 곳의 트랩배관
드레인 포켓을 설치해 준다. 건식 환수관일 때는 반드시 트랩을 경유시킨다.
④ 증기주관 도중 수직 아래로 된 분기배관
T 이음은 상향 또는 45˚ 상향으로 세워 스위블 이음을 경유하여 수직 아래로 배관한다.
고압증기 환수관을 그대로 저압증기 환수관에 직결해서 생기는 증발을 막기 위해 증발탱크를 설치하며 이 때 증발탱크의 크기는 보통 직경 100~300㎜, 길이 900~1,800㎜ 이다.
(7) 방열기 (Radiator)
방열기(Radiator)는 주로 대류난방에 사용되며 주철제, 강판제, 강관제, 알루미늄제가 있다.
㉮ 방열기 종류
① 주형방열기 (Column Radiator)
㉠ 종류
ⓐ 2주형(II)
ⓑ 3주형(III)
ⓒ 3세주형(3)
ⓓ 5세주형(5)
㉡ 방열면적 : 한쪽(Section)당 표면적으로 나타낸다.
주철제로서 횡형(W-H)과 종형(W-V)이 있다.
③ 길드 방열기 (Gilled Radiator)
1m 정도의 주철제 파이프로 된 방열기이다. 강판제 캐비넷 속에 핀튜브형의 가열기가 들어 있는 방열기이며, 캐비넷 속에서 대류작용을 일으켜 난방한다. 특히 높이가 낮은 대류방열기를 베이스보드 히터라 하며 베이스보드 히터는 바닥면에서 최대 90㎜ 정도 높이에 설치한다.
① 설치장소 : 외기와 접한 창 밑에 설치한다.
② 배치거리 : 벽에서 50~60㎜ 떨어진 곳에 설치한다.
㉰ 방열기 호칭
① 방열기 밸브
방열기 입구에 설치해서 증기나 온수 유량을 수동으로 조절한다. 일명 팩리스 밸브(Packless Valve)라고 한다.
방열기 출구에 설치하는 열동식 트랩(Thermostatic Trap)이며 에테르 등의 휘발성 액체를 넣은 벨로우즈를 부착하여 이것에 접촉되는 열의 고저에 의한 팽창이나 수축작용으로 벨로우즈 하부의 밸브가 개폐됨으로서 응축수를 환수관에 보내는 역할을 하는 트랩이다.
(8) 팽창탱크
팽창탱크는 온수보일러 안전장치로서 온수 온도가 상승하여 체적이 증가할 때 수압이 상승하여 보일러가 파열되는 것을 방지하기 위해 설치된다.
① 보일러 운전 중 장치 내의 온도상승에 의한 체적팽창이나 이상팽창의 압력을 흡수한다.
② 운전 중 장치 내를 일정한 압력으로 유지하고 온수온도를 유지한다.
③ 팽창한 물의 배출을 방지하여 장치내 열손실을 방지한다.
④ 보충수를 공급하여 준다.
⑤ 공기를 배출하고 운전정지 후에도 일정압력이 유지된다.
㉯ 팽창탱크의 종류
* 구조에 따라 : 개방식, 밀폐식
* 재질에 따라 : 강철제, 내열성 합성수지
① 개방식 팽창탱크
㉠ 최고 부위 방열기나 방열관보다 1m 이상 높게 설치한다.
㉡ 100℃ 이상의 온도에 견딜 수 있는 재료를 선택한다.
㉢ 팽창탱크 내부의 수위를 알 수 있는 구조여야 한다.
㉣ 용량은 온수 팽창량의 2배 정도가 되어야 한다.
㉤ 동결 방지조치가 필요하다.
㉥ 필요시 자동급수 장치를 갖추는 것을 원칙으로 한다.
㉦ 팽창탱크에는 상부에 통기구멍을 설치한다.
㉧ 팽창탱크의 과잉수에 의해 화상을 당하지 않게 하기 위하여 물넘침관(Overflow Pipe)을 설치한다.
㉨ 탱크에 연결되는 팽창 흡수관은 탱크 바닥면보다 25㎜ 이상 높게 설치한다.
㉩ 수도관이나 급수관이 보일러나 배관 등에 직접 연결되지 않도록 한다.
② 밀폐식 팽창탱크
주로 고온수 난방에 사용되며 설치 위치에 관계없이 설비가 가능하다. 팽창압력을 압축공기 등으로 흡수해야 하기 때문에 여기에 다음의 부대장치가 필요하다.
㉠ 수위계
㉡ 안전밸브
㉢ 압력계
㉣ 압축 공기관
㉤ 급수관
㉥ 배수관
③ 팽창탱크 용량계산
㉠ 개방식
온수보일러 등에서 장치 내에 침입하는 공기를 외부로 방출하기 위하여 설치한다.
㉮ 구조상 종류
① 자동 에어벤트 : 물과 공기의 밀도차를 이용한다.
② 에어핀 : 수동으로 공기를 제거한다.
③ 공기 방출관 : 공기가 스스로 배기되나 고층에서는 활용가치가 없다.
㉯ 설치방법
① 상향식 보일러 : 공기방출기는 환수주관부 가장 높은 곳에 설치한다.
② 하향식 보일러 : 공기방출기는 팽창탱크와 겸하여 보일러 바로 위에 설치한다(팽창탱크와 별도로 설치하면 더욱 좋다).
③ 공기방출기 설치위치
㉠ 개방식은 팽창탱크 수면보다 50㎝ 이상 높게 한다.
㉡ 인접주관식 배관의 상향순환식은 한 갈래마다 공기방출기가 필요하다.
2. 급탕설비
급탕을 필요로 하는 곳에는 세면기, 욕조, 샤워기, 요리싱크대 등이 있고, 특히 호텔이나 병원 등에서도 급탕설비는 반드시 하고 있다. 온수의 온도는 용도별로 차이가 있지만 보통 70~80℃의 온수를 공급하여 사용 장소에서 냉수를 혼합하여 용도에 맞게 적당한 온도로 사용한다.
(1) 개별식 급탕법 (Local Hot Water Supply System)
가스, 전기, 증기 등을 열원으로 하여 욕실이나 싱크대, 세면기 등 더운 물이 필요한 곳에 탕비기를 설치하여 짧은 배관시설에 의하여 기구 급탕전에 연결하여 사용하는 간단한 방법이며 특징은 다음과 같다.
① 배관 길이가 짧아서 열손실이 적다.
② 필요한 적소에 간단하게 설비가 가능하다.
③ 급탕할 곳이 적을 때는 설비비가 싸다.
④ 소규모 설비에 급탕이 용이하다.
(2) 중앙식 급탕법 (Central Hot Water Supply System)
이 방법은 건물의 지하실 등 일정한 장소에 탕비장치를 설치하여 배관으로 사용처에 급탕하며 열원은 증기, 석탄, 중유 등이 사용된다.
㉠ 대규모 건축물에 급탕할 곳이 많을 때 사용이 가능하다.
㉡ 급탕량이 많아 사용하는데 용이하다.
㉢ 비교적 가격이 싼 연료로 급탕이 가능하다.
㉣ 다른 설비 기계장치와 같은 장소에 설치하여도 가능하기 때문에 보수관리가 편리하다.
② 급탕분류
㉠ 직접가열식 (소규모 건물용)
㉡ 간접가열식 (대규모 건물용)
㉢ 기수혼합법 (증기열원을 이용)
소음 발생 결점을 방지하기 위하여 스팀 사일런서(Steam Silencer)를 사용한다. 그리고 다량의 급탕이 요구되는 곳에 사용한다.
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