급수량계산 및 급탕량계산: 동시사용률·관경 설계 가이드

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급수량과 급탕량 계산의 모든 것! 동시사용률 적용 방법부터 최적 관경 설계까지, 실전 예시와 함께 알기 쉽게 정리한 완벽 가이드입니다. 설비 엔지니어와 건축 관계자 필독!

목차

1. 급수량 및 급탕량 계산의 중요성
2. 급수량 계산 방법과 동시사용률의 이해
3. 급탕량 계산 기준 및 산정 방법
4. 동시사용률 적용 방법과 사례
5. 관경 설계의 기본 원리
6. 급수·급탕 배관 관경 선정 가이드
7. 실제 건물 유형별 계산 예시

1. 급수량 및 급탕량 계산의 중요성

건물 설비 설계에서 급수량과 급탕량의 정확한 계산은 왜 중요할까요? 과대 설계하면 불필요한 비용이 발생하고, 과소 설계하면 사용자가 불편을 겪게 됩니다. 적절한 계산은 효율적인 배관 시스템의 시작점입니다.

 

급수량 계산은 건물 내 각 위치에서 필요한 물의 양과 압력을 정확히 예측하여 적절한 규모의 펌프, 배관, 저수조를 설계하는 기초가 됩니다. 필요 이상으로 크게 설계하면 초기 공사비와 에너지 비용이 증가하게 됩니다.

 

급탕량 계산은 온수 사용량을 예측하여 적정 용량의 보일러나 열교환기, 온수 저장 탱크를 선정하는 데 필수적입니다. 부정확한 계산은 온수 부족이나 에너지 낭비로 이어질 수 있습니다.

 

이처럼 급수량과 급탕량의 정확한 계산은 경제성, 효율성, 그리고 사용자 만족도에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이번 글에서는 이러한 계산 방법을 실제 예시와 함께 자세히 알아보겠습니다.

2. 급수량 계산 방법과 동시사용률의 이해

급수량 계산은 건물 내 모든 급수 설비의 물 사용량을 예측하여 총 필요 급수량을 산정하는 과정입니다. 여기에는 여러 방법이 있으나, 가장 일반적인 세 가지 방법을 살펴보겠습니다.

 

단위 급수부하법은 급수 설비(위생기구) 별로 정해진 급수부하단위를 합산하여 총급수량을 산정하는 방법입니다. 각 위생기구에는 표준 급수부하단위(FU: Fixture Unit)가 할당되어 있습니다.

 

예를 들어, 세면기는 1~2FU, 소변기는 2~4FU, 양변기는 3~6FU 정도의 값을 가집니다. 이런 값들을 모두 합산한 후, 동시사용률을 고려하여 최대 예상 급수량을 계산합니다.

계산 예시:

• 세면기 20개(각 1.5FU) = 30FU
• 소변기 10개(각 3FU) = 30FU
• 양변기 15개(각 5FU) = 75FU
• 총 급수부하단위 = 135FU

이 135FU에 해당하는 최대 예상 급수량은 약 2.5L/s(리터/초) 정도로 환산할 수 있습니다(실제 환산은 표준 환산표를 참조).

사용 인원수에 따른 방법은 건물의 용도와 예상 사용 인원수를 기준으로 급수량을 산정합니다. 1인당 일일 급수 소요량을 건물 용도에 따라 정하고, 이를 사용 인원수에 곱하여 총급수량을 계산합니다.

계산 예시:

• 사무실 건물(1인당 일 사용량 40L)
• 예상 사용 인원: 500명
• 일일 총 급수량: 40L × 500명 = 20,000L/일

이 중 최대 시간대(보통 하루 중 2시간)의 사용량을 산정하면:

• 최대 시간 사용비율: 25%
• 최대 시간 급수량: 20,000L × 0.25 = 5,000L/2시간 = 0.69L/s

설비 용량에 따른 방법은 각 급수 설비의 설계 유량을 합산하여 계산하는 방법입니다. 각 위생기구의 정격 유량에 동시사용률을 적용하여 필요 급수량을 산정합니다.

계속 읽으시면 급탕량 계산과 동시사용률에 대해 더 자세히 알아보실 수 있습니다!

3. 급탕량 계산 기준 및 산정 방법

급탕량은 건물 내에서 필요한 온수의 양을 의미하며, 이를 정확히 계산하는 것은 효율적인 급탕 시스템 설계의 기본입니다. 급탕량 계산 방법을 살펴보겠습니다.

일반적인 급탕량 산정 기준은 건물 용도별로 다르게 적용됩니다. 일반적인 기준은 다음과 같습니다:

• 주거시설: 1인당 60~80L/일(60°C 기준)
• 사무실: 1인당 10~15L/일
• 호텔: 객실당 150~200L/일
• 병원: 1병상당 60~80L/일
• 학교: 1학생당 5~10L/일

시간별 급탕 부하 분포도 중요한 고려사항입니다. 일반적으로 주거시설은 아침과 저녁에, 사무실은 점심시간에, 호텔은 아침과 저녁에 급탕 사용량이 집중됩니다. 최대 시간 부하율은 주거시설의 경우 일일 사용량의 약 20~25% 정도가 최대 사용 시간대(보통 1~2시간)에 집중됩니다.

급탕 열량 계산 방법도 알아보겠습니다. 급탕에 필요한 열량은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다:

Q = m × c × (t₂ - t₁)

여기서:

• Q: 필요 열량(kcal)
• m: 물의 질량(kg)
• c: 물의 비열(1kcal/kg°C)
• t₂: 급탕 온도(°C)
• t₁: 급수 온도(°C)

계산 예시:

• 아파트 100세대(세대당 3인 기준) = 300인
• 1인당 일일 급탕량: 70L
• 총 일일 급탕량: 300인 × 70L = 21,000L/일
• 최대 시간 부하율: 25%
• 최대 시간 급탕량: 21,000L × 0.25 = 5,250L/시간
• 급수 온도: 10°C, 급탕 온도: 60°C
• 필요 열량: 5,250kg × 1kcal/kg°C × (60-10)°C = 262,500kcal/시간

이렇게 계산된 열량을 기준으로 보일러나 열교환기의 용량을 선정할 수 있습니다.

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4. 동시사용률 적용 방법과 사례

동시사용률은 건물 내 모든 급수 및 급탕 설비가 동시에 사용되지 않는다는 현실적인 조건을 반영하는 중요한 계수입니다. 과도한 설계를 방지하고 경제적인 시스템을 구축하기 위해 필수적으로 고려해야 합니다.

 

동시사용률의 정의는 전체 설비 중 동시에 사용될 것으로 예상되는 설비의 비율을 의미합니다. 예를 들어, 100개의 양변기가 있다면, 실제로 동시에 사용될 가능성은 매우 낮으므로 적절한 동시사용률을 적용해야 합니다.

 

동시사용률 산정 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다:

1. 경험적 방법: 과거 유사 건물의 실제 사용 데이터를 기반으로 동시사용률을 추정합니다.
2. 통계적 방법: 확률 이론을 적용하여 동시사용 가능성을 계산합니다.
3. 표준 기준 적용: 건축 설비 표준에서 제공하는 동시사용률 표를 참조합니다.

건물 용도별 일반적인 동시사용률은 다음과 같습니다:

• 주거시설: 0.20.3(2030%)
• 사무실: 0.30.4(3040%)
• 학교: 0.40.5(4050%)
• 상업시설: 0.50.6(5060%)
• 공공화장실: 0.60.7(6070%)

계산 예시: 주상복합 건물에 다음과 같은 위생기구가 있다고 가정해 보겠습니다:

• 세면기 150개(각 1.5FU) = 225FU
• 소변기 50개(각 3FU) = 150FU
• 양변기 100개(각 5FU) = 500FU
• 샤워기 80개(각 2FU) = 160FU
• 부엌싱크 100개(각 2.5FU) = 250FU
• 총 급수부하단위 = 1,285FU

이 경우, 표준 환산표에 따르면 1,285FU는 약 11.5L/s의 최대 급수량에 해당합니다.

그러나 이 건물의 용도를 고려하여 동시사용률 0.3(30%)을 적용하면:

• 실제 설계 급수량 = 11.5L/s × 0.3 = 3.45L/s

이렇게 동시사용률을 적용함으로써 펌프 용량과 배관 크기를 적절하게 조정할 수 있습니다.

5. 관경 설계의 기본 원리

관경 설계는 계산된 급수량과 급탕량을 바탕으로 적절한 배관 크기를 결정하는 과정입니다. 관경 설계의 기본 원리와 고려사항에 대해 알아보겠습니다.

관경 설계의 주요 목표는 다음과 같습니다:

• 필요한 유량을 적절한 압력으로 공급
• 과도한 유속으로 인한 소음, 진동, 수격 현상 방지
• 경제적인 배관 시스템 구축

관경 설계 시 주요 고려사항으로는 유량, 유속, 압력 손실이 있습니다.

유속 제한은 일반적으로 급수관의 경우 1.52.0m/s, 급탕관의 경우 1.21.5m/s 정도가 적절합니다. 유속이 너무 빠르면 소음, 진동, 배관 침식, 수격 현상 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

압력 손실 계산은 다음과 같은 요소를 고려해야 합니다:

• 관 마찰로 인한 손실
• 배관 부속(엘보, 티, 밸브 등)으로 인한 국부 손실
• 수직 높이 차이로 인한 위치 에너지 변화

관경 선정 공식의 기본은 연속방정식과 베르누이 방정식입니다. 실용적으로는 Hazen-Williams 공식이나 Darcy-Weisbach 공식을 많이 사용합니다.

Hazen-Williams 공식: V = 0.85 × C × R^0.63 × S^0.54

여기서:

• V: 유속(m/s)
• C: Hazen-Williams 계수(주로 100~150 사이, 재질에 따라 다름)
• R: 수력반경(m)
• S: 수두 손실 구배

계산 예시: 유량 2.5L/s를 전달해야 하는 급수관의 크기를 결정해 보겠습니다.

1. 최대 허용 유속을 1.8m/s로 가정
2. 필요 관 단면적 = 유량 / 유속 = 0.0025 m³/s / 1.8m/s = 0.00139m²
3. 관 내경 = √(4 × 단면적 / π) = √(4 × 0.00139 / 3.14) = 0.042m = 42mm
4. 상용 배관 크기로 선택하면 50A(내경 약 50mm)가 적절

이렇게 계산된 관경은 압력 손실 계산을 통해 검증하고, 필요시 조정해야 합니다.

6. 급수·급탕 배관 관경 선정 가이드

적절한 관경 선정은 급수·급탕 시스템의 효율성과 내구성에 직접적인 영향을 미칩니다. 실제 관경을 선정하는 구체적인 방법을 알아보겠습니다.

급수 배관 관경 선정 절차는 다음과 같습니다:

1. 급수량 산정: 위생기구 수에 따른 급수부하단위(FU) 합산
2. 동시사용률 적용: 건물 용도에 맞는 동시사용률 반영
3. 설계 유량 결정: FU를 유량으로 환산하고 동시사용률 적용
4. 적정 유속 선택: 일반적으로 주배관 1.52.0m/s, 지관 1.01.5m/s
5. 관경 계산: 유량과 유속을 기준으로 필요 관경 계산
6. 압력 손실 검토: 계산된 관경으로 압력 손실 계산 후 검증
7. 상용 관경 선택: 계산값 이상의 가장 가까운 상용 관경 선택

급탕 배관 관경 선정은 기본적으로 급수 배관과 유사하나, 다음과 같은 차이점이 있습니다:

• 유속은 급수보다 약간 낮게 설정(1.2~1.5m/s)
• 열팽창을 고려한 여유 설계
• 환탕 배관의 경우, 일반적으로 급탕 배관보다 한 단계 작은 관경 사용

계산 예시: 사무실 건물의 화장실 구역에 다음과 같은 위생기구가 있다고 가정합니다:

• 세면기 20개(각 1.5FU) = 30FU
• 소변기 10개(각 3FU) = 30FU
• 양변기 15개(각 5FU) = 75FU
• 총 급수부하단위 = 135FU

이 135FU는 표준 환산표에 따르면 약 2.5L/s의 유량에 해당합니다. 사무실 건물의 동시사용률 0.35를 적용하면:

• 설계 유량 = 2.5L/s × 0.35 = 0.875L/s = 0.000875 m³/s

유속을 1.5m/s로 가정하면:

• 필요 관 단면적 = 유량 / 유속 = 0.000875 m³/s / 1.5m/s = 0.000583m²
• 관 내경 = √(4 × 단면적 / π) = √(4 × 0.000583 / 3.14) = 0.0272m = 27.2mm

가장 가까운 상용 관경으로는 32A(내경 약 32mm)가 적합합니다.

이 관경으로 압력 손실을 계산했을 때 허용 범위 내에 있는지 확인하고, 필요시 조정합니다.

7. 실제 건물 유형별 계산 예시

다양한 건물 유형별로 급수량과 급탕량 계산, 그리고 관경 설계의 실제 예시를 살펴보겠습니다.

주거시설(아파트) 예시

조건:

• 200세대 아파트
• 세대당 평균 거주 인원: 3인
• 세대당 위생기구: 세면기 2개, 양변기 2개, 싱크대 1개, 샤워기 1개, 세탁기 1개

급수량 계산:

1. 세대당 급수부하단위(FU) 계산:
   • 세면기: 2 × 1.5FU = 3FU
   • 양변기: 2 × 5FU = 10FU
   • 싱크대: 1 × 2.5FU = 2.5FU
   • 샤워기: 1 × 2FU = 2FU
   • 세탁기: 1 × 4FU = 4FU
   • 세대당 총 FU = 21.5FU
2. 아파트 전체 FU = 21.5FU × 200세대 = 4,300FU
3. 표준 환산표에 따른 최대 유량 ≈ 17L/s
4. 주거시설 동시사용률 0.25 적용
   • 설계 유량 = 17L/s × 0.25 = 4.25L/s

급탕량 계산:

1. 일일 급탕량 = 600인 × 70L = 42,000L/일
2. 최대 시간 부하율 20% 적용
   • 최대 시간 급탕량 = 42,000L × 0.2 = 8,400L/시간 = 2.33L/s
3. 필요 열량 = 8,400kg × 1kcal/kg°C × (60-10)°C = 420,000kcal/시간

주배관 관경 선정:

1. 급수 주배관:
   • 유량: 4.25L/s
   • 유속 제한: 1.8m/s
   • 필요 관경 = √(4 × 0.00425 / (π × 1.8)) = 0.055m = 55mm
   • 선택 관경: 65A
2. 급탕 주배관:
   • 유량: 2.33L/s
   • 유속 제한: 1.5m/s
   • 필요 관경 = √(4 × 0.00233 / (π × 1.5)) = 0.045m = 45mm
   • 선택 관경: 50A

사무실 건물 예시

조건:

• 10층 사무실 건물
• 층당 예상 근무 인원: 100명
• 총 위생기구: 세면기 80개, 소변기 40개, 양변기 60개

급수량 계산:

1. 총 급수부하단위(FU) 계산:
   • 세면기: 80 × 1.5FU = 120FU
   • 소변기: 40 × 3FU = 120FU
   • 양변기: 60 × 5FU = 300FU
   • 총 FU = 540FU
2. 표준 환산표에 따른 최대 유량 ≈ 5.8L/s
3. 사무실 건물 동시사용률 0.4 적용
   • 설계 유량 = 5.8L/s × 0.4 = 2.32L/s

급탕량 계산:

1. 일일 급탕량 = 1,000인 × 15L = 15,000L/일
2. 최대 시간 부하율 30% 적용
   • 최대 시간 급탕량 = 15,000L × 0.3 = 4,500L/시간 = 1.25L/s

주배관 관경 선정:

1. 급수 주배관:
   • 유량: 2.32L/s
   • 유속 제한: 1.8m/s
   • 필요 관경 = √(4 × 0.00232 / (π × 1.8)) = 0.041m = 41mm
   • 선택 관경: 50A
2. 급탕 주배관:
   • 유량: 1.25L/s
   • 유속 제한: 1.5m/s
   • 필요 관경 = √(4 × 0.00125 / (π × 1.5)) = 0.033m = 33mm
   • 선택 관경: 40A

이러한 계산 예시는 기본적인 가이드라인으로, 실제 설계 시에는 건물의 특성, 현지 규정, 사용 패턴 등을 종합적으로 고려하여 더 정밀한 계산이 필요합니다.

결론

급수량과 급탕량 계산, 그리고 관경 설계는 건물 설비 시스템의 성능과 효율을 결정짓는 핵심 요소입니다. 과소 설계는 사용자의 불편을, 과대 설계는 불필요한 비용을 초래하므로 정확한 계산과 적절한 동시사용률 적용이 중요합니다.

 

정확한 급수량과 급탕량 계산을 위해서는 건물의 용도, 사용 인원, 위생기구의 종류와 수량 등을 면밀히 분석하고, 적절한 동시사용률을 적용해야 합니다. 또한 시간대별 사용 패턴을 고려하여 최대 부하 시간의 요구량을 정확히 예측하는 것이 중요합니다.

 

관경 설계는 계산된 유량을 기반으로 적정 유속과 허용 압력 손실을 고려하여 이루어져야 합니다. 관경이 너무 작으면 유속 증가로 인한 소음, 진동, 침식 등의 문제가 발생할 수 있고, 너무 크면 불필요한 비용이 증가합니다.

 

최신 설계 트렌드로는 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 정밀 계산, 에너지 효율을 고려한 최적화 설계, 그리고 사용 패턴 데이터 분석을 통한 더욱 정확한 동시사용률 적용 등이 있습니다.

 

이 글에서 제시한 계산 방법과 예시들은 기본적인 가이드라인으로, 실제 설계 시에는 해당 지역의 규정과 표준, 건물의 특성 등을 종합적으로 고려해야 합니다.

 

급수, 급탕 시스템은 건물 사용자들이 매일 직접적으로 체감하는 설비입니다. 따라서 정확한 계산과 적절한 설계를 통해 효율적이고 신뢰성 있는 시스템을 구축하는 것이 무엇보다 중요합니다.