기호설명

1. 서 론

건축물 내 급수설비의 부하산정 값은 배관설계나 펌프직송방식의 기기설계 그리고 경상비의 예측 등에 사용되고 있다. 부하설계 중 건물 내에 발생하는 물수요의 분 단위 순간유량인 순간급수부하는 급수관지름 결정과 펌프 용량의 결정에 사용되고 있다.

급수관지름을 결정하기 위해서는 급수관에 흐르는 유량을 알아야 하는데, 이때의 유량으로 순간최대유량을 사용하며, 순간최대유량의 대표적인 산정방법으로 Hunter에 의한 확률법에 근거한 기구급수부하단위법을 들 수 있다.^(1-4) 이 외에도 기구수에 의한 방법이나 물사용 시간 비율과 기구급수단위에 의한 방법⁽⁵⁾도 있지만, 이 중에서 급수관지름을 결정하는 데 현재 실무에서 가장 널리 사용되고 있는 산정법은 Hunter에 의해 개발된 확률법이다.

이 방법은 각 위생기구에 부여된 기구급수부하단위 값을 누계하여, 순간최대유량선도로부터 순간최대유량을 구한다. 위생기구의 기구급수부하단위 값에 대한 최초의 값이 제시된 것은 Hunter의 연구결과⁽¹⁾로서 NPC(National Plumbing Code)⁽²⁾에 수록되어 널리 사용되어 왔다. 그러나 이들 위생기구의 기본 데이터는 Hunter 시대의 위생 기구에 근거한 데이터이기 때문에, IPC(International Plumbing Code)⁽³⁾ 및 NSPC(National Standard Plumbing Code)⁽⁴⁾ 에서는 개정 당시와는 다른 위생기구 변화를 반영하여 수정한 값을 사용하여 오고 있다.

우리나라에서도 절수형 대변기에 대한 기구급수부하단위 값에 대한 재평가 연구가 수행된 적이 있다. Lee⁽⁶⁾는 비록 절수형 대변기의 물 사용량이 9 L였지만 기구급수부하단위와 순간최대유량에 대한 재평가 연구를 수행하였다.

또한 Lee⁽⁷⁾는 6 L 절수형 대변기의 사용이 의무화되었을 때, 우리나라에 적합한 위생기구 데이터를 사용 하여 기구급수부하단위와 순간최대유량을 재평가하는 대신에 미국의 NPC, IPC 및 NSPC에서의 기구급수부하 단위와 순간최대 유량의 값이 상이하였기에, 사무소 건물의 급수관 설계 시 사용이 적절한 코드에 대한 비교 평가를 하였다.

우리나라에서 1961년 대한주택공사가 서울 마포지구에 도화 아파트를 건설하여 근대식 아파트를 처음으로 도입한 이후, 2018년 기준으로는 총 주택의 61.4%인 1,083만호의 아파트가 보급되어 있으며, 매년 수십만 호의 아파트가 건설되고 있다.⁽⁸⁾ 따라서 그동안 아파트에 대한 설비설계 및 시공기술도 비약적인 발전을 하여 왔으며, 대부분의 설계기법이나 데이터도 이미 공학적 근거를 바탕으로 정형화 되어있다. 그런데 위생설비 중 급수관지름 결정에 대한 부분은 공학적 근거에 바탕하지 않은 불분명한 방법으로 관지름을 결정하여 설계해 왔다고 판단되며, 관지름의 적정성에 대한 순간최대유량의 실측을 통한 검증도 없었다.

따라서 본 연구에서는 아파트의 위생설비 설계 중 급수 관지름 결정에 대한 5개 건설사의 설계지침서를 조사하고, 이를 바탕으로 실무에서 사용하고 있는 관지름 결정 절차 중 공학적으로 불합리한 부분을 추출하고 이에 대한 대체 설계법을 제시하고자 한다. 또한 현재 실무에서 사용하고 있는 관지름 결정에 대한 방법과 대체법으로 제시된 관지름 결정 방법을 사용하여 아파트 건물에 대한 순간최대유량과 관지름을 산정하여 비교․평가하는데 그 목적이 있다.

2. 급수설비 설계방법 조사

3. 아파트에서의 관지름 결정법의 개선방안

3.1 계산 조건

펌프직송방식으로 급수되는 아파트에서 건설사의 설계지침서에 제시되어있는 방법과 다르게 관지름을 결정 하기 위한 개선된 대체 방법을 Fig. 1에 나타내었다. 먼저 기구급수부하단위를 정하고 나서 순간최대유량으로 환산 한 후, 제한 유속을 사용하여 관지름을 결정한다. 그리고 관내 마찰손실을 구하고 최종적으로 펌프 동력을 산정하게 된다. 그리고 Table 2에는 아파트 건물에서 본 연구방법에 따라 관지름 결정을 계산하기 위한 조건⁽⁴⁾을 나타내었다.

건설사의 기존 설계법이 적정한 방법은 아니지만, 본 연구의 대체 결정 방법에 의한 값이 현재 설계되고 있는 값과 어느 정도 차이가 있는지를 비교하여 평가하는 것도 의미가 있다고 사료된다. 이들 간에 비교 평가를 위해, 비교 대상 건물인 아파트에 대한 계산조건은 다음과 같이 하였다.

Fig. 1 Flow chart

Table 2. Calculation condition

FU	Bathroom 1	Water closet	-
		Lavatory	-
		Bathtub	-
	Bathroom 2	Water closet	-
		Lavatory	-
		Shower	-
	Bathroom group		4.0 FU
	Kitchen sink		0.8 FU
	Laundry		1.9 FU
	Hand-washing faucet		0.8 FU
Simultaneous use rate			-
Total FU in household			7.5 FU
Constant pipe friction loss			-
Velocity limitation			2.4 m/s

(1) 급수 조닝을 고려하여 15층 아파트로 하였으며, 지역난방 방식의 펌프직송 방식으로 상정한다.

(2) 1세대 내의 설치 위생기구는 욕실 2개소(대변기, 세면기, 욕조 또는 샤워)와 주방 싱크, 세탁기, 그리고 손빨래 수전이 설치된 것으로 하였다. Table 2에서 1세대의 총 기구급수부하단위 계산 시 욕실그룹을 사용하였으며, 총 기구급수부하단위 값은 7.5 FU로 계산되었다.

(3) 수직관 내의 유량과 관지름을 계산하기 위한 1 수직관에 연결되는 급수수평지관(세대)은 매 층 좌우 세대가 연결되는 것으로 하여 총 30세대가 하나의 수직관에 연결되는 것으로 하였다. 수직관 관지름 결정 시, 스테인리스관의 호칭지름은 KS D 3595를 따랐다.

(4) 펌프 유량 및 토출 측 급수관지름을 계산하기 위한 아파트단지 내 세대수는 동별로 각 층 4세대가 있는 것으로 하여 동수는 각각 2, 4, 6, 8 및 10개동, 즉 120, 240, 360, 480 및 600 세대로 하였다. 펌프 토츨측 접속 배관의 관지름 산정 시, 스테인리스관의 호칭지름은 KS D 3576을 따랐다.

(5) 급수관내의 유속은 2.4 m/s 이하로 하였다.

(6) 기구급수부하단위 값과 순간최대유량으로의 환산은 NSPC⁽⁴⁾를 따랐다.

3.2 계산 결과 및 고찰

3.2.1 급수 수직관

Fig. 2에는 5개 건설사의 설계지침서 중 한 세대의 기구급수부하단위 값의 최저값을 사용하는 설계지침서 1의 3 FU와 최대값을 사용하는 설계지침서 5의 4 FU 그리고 본 연구의 계산조건인 7.5 FU에 대한 순간최대유량을 급수 수직관 1층부터 15층까지 나타내었다.

급수방식이 상향식이기 때문에 상층부로 갈수록 유량은 감소하게 된다. 또한 수직관 하층부로 갈수록 본 연구 결과와 설계지침서에 따른 유량과의 차이는 커지며, 본 연구 결과와 설계지침서 1의 유량은 최하층인 1층에서 각각 4.42 L/s 및 2.62 L/s 그리고 최상층인 15층에서는 0.7 L/s 및 0.32 L/s로 나타났다.

Hunter의 확률론에 따르면 건설사 설계지침서와 같이 각 위생기구마다 기구급수부하단위를 부여해서는 안 되며, 또한 동시사용률을 적용을 해서도 안 된다. 동시사용률도 적용하지 않고 기구급수부하단위도 욕실 그룹을 사용하는 본 연구 결과가 현재 실무에서 설계하는 것보다 순간최대유량이 크게 설계되지만, 정확한 것은 아파트에서의 순간최대유량을 실제 측정하여 판단해야 될 것으로 사료된다. 만약 본 연구의 결과가 과소 또는 과대하게 산정되었다면, 기구급수부하단위의 조정 또는 재평가나 또는 욕실 2개인 평형의 세대 구성원 수를 조사하여 세대내 총 기구급수부학\단위에 포함해야할 위생기구를 다시 산정하는 방법을 사용하여 실제 유량과 일치시키는 방법이 타당하다고 사료된다.

Fig. 3에는 유량변화에 따른 건설사 설계지침서 1 및 5와 본 연구 방법에 의해 계산된 급수 수직관내의 안지름을 산정하여 나타내었다. Fig. 2에서 순간최대유량이 설계지침서 1과 설계지침서 5 그리고 본 연구의 순으로 크게 나타났고, 또한 설계지침서 1과 5는 유속 제한치를 1.5 m/s로 같게, 그리고 본 연구는 2.4 m/s로 한 결과로서, 설계지침서 5보다는 1의 경우가 안지름이 작게 된다. 그리고 3층부터 15층까지는 본 연구의 경우가 가장 작게 나타났지만, 세대수가 증가하는 1~2층의 경우에는 유량이 가장 작았던 설계지침서 1의 경우가 가장 작게 산정 되었다.

Fig. 2 Variation of peak flow of the riser

Fig. 3 Variation of internal diameter of the riser

Fig. 4에는 유량변화에 따른 건설사 설계지침서와 본 연구 방법에 의해 계산된 수직관내의 결정 관지름을 스테인리스배관의 KS D 3595의 호칭지름으로 나타낸 것이다. Fig. 3의 계산 관지름과는 다르게 모든 경우의 호칭지름이 같거나 1사이즈 정도의 차이만을 나타내고 있다.

Fig. 4 Variation of nominal diameter of the riser

Fig. 5 Variation of total friction loss of the riser

Fig. 6 Variation of peak flow of the horizontal pipe

Fig. 7 Variation of internal diameter of he horizontal pipe

Fig. 5에는 펌프압력 결정시 사용되는 최종 결정 관지름에 따른 수직관내 총 압력 손실을 나타내었다. 총 압력손실은 본 연구의 경우가 가장 큰데 이것은 Fig. 4의 관의 호칭지름에서 알 수 있듯이 관지름이 작게 산정 되었고 또한 Fig. 2에 나타난 바와 같이 순간 최대유량이 크게 산정되었기 때문이다. 관지름이 작게 산정되는 구간의 호칭지름을 한 사이즈 크게 선정하면 압력손실을 줄일 수 있는데, 15층의 관지름이 설계지침서보다 작게 나타났는데 이곳의 관지름 결정시 유속 조건을 완화하여 한 사이즈 크게 선정하면 수직관내 총 압력손실은 57.6 kPa에서 47.8 kPa로 크게 줄일 수 있다. 따라서 설계자의 판단에 의해 이와 같은 과정을 필요한 구간에 대해 반복하면 압력손실을 줄일 수 있어 펌프 동력을 감소시킬 수 있다.

3.2.2 급수 수평주관

Fig. 6에는 펌프 토출 측에 연결되는 급수수평주관에서의 유량을 나타낸 것이다. 건설사 설계지침서에서의 기구급수부하단위와 본 연구의 기구급수부하단위의 차이는 세대수가 많을수록 그 차이가 더 커지기 때문에 순간최대 유량의 차이도 세대수 증가에 따라 더 커지게 된다. Fig. 2에서 고찰했듯이 차후 연구에서는 실제 순간 최대 유량을 측정하여 기구급수부하단위의 적정 여부를 비교 평가할 필요가 있다고 사료된다.

Fig. 7에는 유량변화에 따른 건설사 설계지침서 1 및 5와 본 연구 방법에 의해 계산된 급수 수평주관내의 안지름을 산정하여 나타내었다. 급수수평관의 안지름은 설계지침서 1, 5 그리고 본 연구의 순서로 안지름이 크게 나타났으며, 또한 세대수가 증가할수록 순간최대유량의 차가 커지기 때문에 그 차이는 더 크게 산정되었다.

Fig. 8 Variation of nominal diameter of he horizontal pipe

Fig. 8에는 유량변화에 따른 건설사 설계지침서와 본 연구 방법에 의해 계산된 수평주관내의 결정 관지름을 스테인리스배관 KS D 3576의 호칭지름으로 나타내었다. 호칭지름으로 나타내었는데도 300세대 이상에서는 본 연구의 경우가 호칭지름이 1~2 사이즈 크게 나타났다.

4. 결 론

우리나라 5개 건설사의 설계지침서를 통해 아파트 급수설비 설계에 대한 적정성 여부를 조사하여 관지름 결정 절차 중 공학적으로 불합리한 부분을 추출하고 이에 대한 대체 설계법을 제시하기 위하여 아파트에서의 계산결과를 비교 평가하였다. 비교대상 건물로서 지역난방방식의 15층의 아파트로 하였으며, 급수방식은 펌프직송방식에 의해 급수하는 것으로 상정하고 계산하여 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 건설사 설계지침서를 조사한 결과, 한 세대내의 총 기구급수부하단위 값으로는 최소 3 FU부터 최대 4 FU의 값을 사용하고 있었다. 이때 잘못 설계되고 있는 부분으로 기구급수부하단위 값 산정 시 동시 사용률 30% 적용, 관지름 결정 시 0.5 kPa/m의 일정한 압력손실의 사용 그리고 1.5 m/s의 유속제한을 들 수 있다.

(2) 급수 수직관에서 순간최대유량은 본 연구에서 사용한 7.5 FU인 경우가 가장 크게 나타났다. 또한 수직관 내의 관지름은 3층부터 15층까지는 본 연구의 경우가 그리고 1~2 층의 경우에는 설계지침서 1의 경우가 가장 작게 산정되었다. 이를 호칭 지름으로 환산하였을 경우에는 설계지침서 1 및 5와 본 연구의 결과와는 같거나 1사이즈 정도 차이를 나타내었다.

(3) 급수수평주관에서는 설계지침서보다는 본 연구의 결과가 순간최대유량, 관지름 및 호칭 지름 모두 크게 나타났다.

이상의 결과로부터 급수관의 호칭지름은 건설사의 설계치와 같거나 1-2 사이즈 차이가 나지만, 세대수가 많은 경우, 순간최대유량에서는 건설사의 설계치와 큰 차이를 보이므로 순간최대유량의 실측에 의한 검증이 필요하다고 판단되며, 이를 바탕으로 기구급수부하단위 적용과 적정성에 대한 평가도 필요하다.