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건물의 배수 및 통기시스템: 배관 내부압력의 능동적인 제어 원문보기

설비저널 = The magazine of the Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, v.39 no.9, 2010년, pp.41 - 51  

Gormly, Michael ,  Swaffield, John. A.

초록
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건물의 배수 및 통기시스템에서 나타나는 현상중에 확실한 내용이 아직 밝혀지지 않은 부분이 몇 가지 남아 있다. 이것은 19세기 말엽의 근대 위생공학의 시작 단계에서부터 잘 알려진 사실이다. 건물의 배수 및 통기시스템 운용에 대한 내용은 일반 공학과 특정 유체역학의 범위 내에서 가장 잘 이해할 수 있다. 건물의 배수 및 통기시스템의 운영에 종사했던 초기의 기술진들은 이러한 점을 잘 알고 있었으며 유체역학에 적합하게 응용한 많은 사례를 확인할 수 있었다. 제2차 세계대전이 끝나고 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며 특히 유럽에서 시작된 전후 재건 붐을 통해 배수 및 통기시스템의 설계에 좀 더 효율적인 접근이 진척되게 되었다. 이러한 배수시스템의 중심에는 배수관 내부의 오염된 공기가 배수구 또는 위생기구를 통하여 주거 공간으로 유입되는 것을 방지하는 트랩(Water Trap)이 있다. 배수트랩의 주요 기능인 봉수는 일반적으로 깊이가 40 mm에서 50 mm 정도로 위생기구의 종류에 따라 봉수의 깊이는 다소 차이가 있다. 배수관내 공기의 흐름이 중요한 것처럼 트랩의 봉수 메커니즘이 중요하기 때문에 이 메커니즘을 소홀히 여긴다면 안전한 배수시스템의 운영을 기대하기는 어렵다. 배수관 내의 공기의 흐름은 배수에 의해 유입되거나 또는 배출된다. 배수관에서 내부 압력의 불규칙한 변화로 인하여 야기되는 불안정한 배수의 흐름은 트랩의 봉수를 파괴하고 나아가 주거공간으로 오염된 공기가 새어 나갈 수 있는 통로를 제공하게 된다. 관내압력의 천이는 이로 인한 문제가 발생할 가능성이 있는 위치에 그 압력을 완화할 수 있는 장치를 설계단계에 반영하여 적용함으로써 제어할 수 있다. 건물 내부에 상당한 길이의 통기배관을 설치하는 것은 배관의 마찰손실로 인하여 천이 현상을 효과적으로 제어할 수 있는 확실한 방법이 되지는 못한다. 그렇지만 통기밸브를 설치하는 것과 같이 배수관 내로 공기를 공급해주는 유입구를 건물 내부에 분산 설치하는 것이 효율적인 통기방식이 될 수 있고, 정압 천이로 인한 위험을 줄여줄 수 있다. 통기밸브는 정압 발생의 원인이 되지 않으며 단지 정압에 반응하여 더욱 기밀하게 닫히며, 약화된 압력파를 반사할 뿐이다. 고층 건물에서 배수입상관과 평행하게 설치된 통기입상관(Parallel Vent Pipe)의 경우 극히 일부분의 정압 천이 현상을 완화할 수 있다. (통기 배관의 직경이 배수 입상배관과 동일한 경우 대략 1/3 정도임), 그러므로 정압의 천이로 인한 압력 파동은 배수 시스템의 나머지 부분을 통해 전파되어 배수 트랩에 영향을 미치게 된다. 정압의 천이가 예상되는 위치에 정압천이 완화 장치(Positive Air Pressure Transient Alleviation Device)를 사용하면 배관 내부압력의 급격한 상승을 방지하여 연결된 트랩의 봉수를 보호할 수 있다. 이렇게 되면 순간적으로 발생하는 배관내 압력의 급등 현상을 90% 정도까지 완화 시킬 수 있다. 경험적으로 배수시스템에서 배관이 완전하게 막혀 과도한 정압이 발생하는 경우는 거의 없다. 이러한 경우에는 가장 낮은 위치에 있는 배수 트랩의 봉수가 깨지면서 자연스럽게 배수시스템의 압력이 해소되게 된다. 이러한 사례는 통기 방식과 상관없이 발생할 수 있다. 실제와 유사한 시뮬레이션을 통하여 통기 밸브(Air Admittance Valves)는 전면 통기 시스템 (Fully Vented System)에서 최소한 트랩의 봉수 보호용으로 적합한 것이 확

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문제 정의

  • 배관 내의 공기의 흐름을 조절하고 제어하는 일은 공기 역학에 관한 이해가 부족하면 어려운 일이다. 그래서 건물의 배수관 내에서 공기가 하는 역할을 알아보기로 한다.
  • 단일 배관시스템에 관해 설명한 이 논문에 대하여 세계 2차 대전이 끝난 20여년 뒤에 영국의 BRS (Building Research Station)에서 이와 관련한 연구를 수행하였다. 폐허가 된 도시를 재건하기 위한 수많은 건축 프로젝트가 이것의 원동력이 되었다.
  • 배수시스템과 연관된 각종 코드나 규정은 배수시스템의 위생기기들이 상기 조건을 만족하고 사용자들이 오수나 배수에 직접 접촉하지 못하도록 하기 위하여 제정되었다. 산업화가 이루어진 선진국에서는 대부분의 위생기기들이 상기 조건을 만족하고 배수 시스템의 영향을 받을 수 있는 위험도가 상당히 낮은 편이다.
  • 배수시스템의 마찰과 관내압력의 생성 및 전파에 관한 이론적 근거는 왜 통기시스템이 우선적으로 필요한가를 이해하기 위한 중요한 내용이다. 압력의 천이 현상을 완화하기 위하여 필요한 방법과 어떤 특정한 경우에는 통기배관이 없이도 배수 시스템이 잘 운영된다는 견해도 논의 하였다. 우수한 컴퓨터시스템의 도입을 통해 건물의 배수시스템 및 통기시스템에서의 불안정한 공기와 배수의 흐름에 대하여 모델링 기법과 모의실험을 통하여 잘 해석할 수 있는 능력을 배양하였고, 18세기에 처음으로 발표된 난해한 파동의 방정식까지 쉽게 이해 할 수 있는 능력을 제공해 주었다.
  • 이러한 역사적인 배경에 기초하여 본 레포트에서는 건물의 오, 배수 및 통기시스템 운영에 대해 오랫동안 확립된 원칙 중 일부에 대한 해설과 건물의 배수시스템에서 발생되는 불안정한 유체의 흐름을 예측하고 또 표현하기 위하여 컴퓨터를 이용한 모의실험을 통하여 효과적인 통기시스템에 대하여 설명한다.

가설 설정

  • • 배수시스템 내의 발생소음은 낮을수록 좋다.
  • 다음과 같은 상황을 상상해 보면 가시화하는데 도움이 될 수 있다. 차가 많은 러시아워 때 고속도로를 따라 정속주행 속도인 40마일로 운전을 하고 있다고 가정하자. 도로는 약간의 오르막길로 길고 굽었으며 수 마일 앞쪽의 차량 후미등이 보일 만큼 날은 어둡다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
배수관 내의 공기의 흐름은 무엇에 의해 유입되거나 배출되는가? 배수관내 공기의 흐름이 중요한 것처럼 트랩의 봉수 메커니즘이 중요하기 때문에 이 메커니즘을 소홀히 여긴다면 안전한 배수시스템의 운영을 기대하기는 어렵다. 배수관 내의 공기의 흐름은 배수에 의해 유입되거나 또는 배출된다. 배수관에서 내부 압력의 불규칙한 변화로 인하여 야기되는 불안정한 배수의 흐름은 트랩의 봉수를 파괴하고 나아가 주거공간으로 오염된 공기가 새어 나갈 수 있는 통로를 제공하게 된다.
영국에서 최초로 배수트랩을 발명한 커밍스는 어떠한 기술자인가? 영국에서 배수 트랩은 1775년경에 “커밍스”가 발명하였다. 그는 공학자이자 시계 제작자였으며, 17세기 무렵에“해링턴”이 최초로 발명했던 수세식 변기에 관한 아이디어를 실제에 적용한 기술자이다.
트랩은 무엇인가? 제2차 세계대전이 끝나고 이에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며 특히 유럽에서 시작된 전후 재건 붐을 통해 배수 및 통기시스템의 설계에 좀 더 효율적인 접근이 진척되게 되었다. 이러한 배수시스템의 중심에는 배수관 내부의 오염된 공기가 배수구 또는 위생기구를 통하여 주거 공간으로 유입되는 것을 방지하는 트랩(Water Trap)이 있다. 배수트랩의 주요 기능인 봉수는 일반적으로 깊이가 40 mm에서 50 mm 정도로 위생기구의 종류에 따라 봉수의 깊이는 다소 차이가 있다.
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