[논문]스프링클러 시스템에서 조도계수에 따른 CPVC 배관 마찰손실 영향의 연구

강웅일

doi:10.5762/kais.2016.17.11.355

초록
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배관 내에 유체가 흐를 때 사용되는 유체의 물리 화학적 성질에 따라 배관재질이 선택이 결정된다. 수계소화설비에 사용하는 유체는 대부분 물을 사용하므로 물속에 용해된 각종 이물질들은 관 벽에 스케일을 발생시키고 부식 및 배관 노후화를 촉진하여 마찰손실을 증가시켜 펌프의 효율을 저하시킨다. 이러한 요인을 가져오는 강관의 대체가능한 CPVC 배관은 부식에 강하고, 매끄러운 조도를 가지고 있어서 유체이송능력이 뛰어나고 배관무게가 가볍고 접착제결합 방식의 배관작업으로 시공성이 우수한 점을 들 수 있다. 그래서 설계 및 시공단계에서 마찰손실을 줄이기 위해 Hazen-Williams식을 CPVC(Chlorinated Poly-Vinyl Chloride)배관에 적용하여 조도계수에 따라 마찰손실을 조사하였다. 실제 아파트 현장에서의 적용사례를 통해 조도계수의 차이에 따라 손실수두를 조사한 결과 조도계수의 수치가 120인 강관일 때 마찰손실은 76.64MPa이고 150인 CPVC배관일 때 마찰손실은 50.72 MPa로서 34% 정도의 마찰손실이 개선되었음을 확인하였다. 또한 시공비 절감차원에서는 강관으로 시공할 때 1,585,158원이고 CPVC배관으로 시공 시에는 931,842원으로 41%정도의 시공비가 절감되는 것을 확인하여 전체 설비용량의 감소로 인한 소화시스템의 안정성 향상 및 시공비를 절감할 수 있는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The pipe material is selected according to the physical and chemical properties of the fluid flowing within it. Because the fluid used in fire extinguish systems is water, the various foreign substances dissolved in it cause scale to form on the pipe wall and accelerate the corrosion and aging of th...

The pipe material is selected according to the physical and chemical properties of the fluid flowing within it. Because the fluid used in fire extinguish systems is water, the various foreign substances dissolved in it cause scale to form on the pipe wall and accelerate the corrosion and aging of the pipe itself. This results in an increase in the friction loss and eventually degrades the efficiency of the pump. The use of CPVC (Chlorinated Poly-Vinyl Chloride) pipes was confirmed to reduce the friction loss compared to conventional steel pipes in the design and construction stages. The friction loss was found to be 76.64MPa with a C-value of 120 for the steel pipe and 50.72 MPa with a C-value of 150 for the CPVC pipe in an actual apartment construction environment. It was confirmed that the friction loss was improved by about 34% when using the CPVC pipe. When the steel and CPVC pipes were employed in the construction, the construction costs were 1,585,158 and 931,842 won, respectively. Therefore, it was shown that the construction cost was reduced by about 41%. We investigated the safety of the fire extinguishing system and the improvement in the economic performance due to the reduction in the total installed capacity by studying practical applications in the field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 스프링클러 시스템의 강관에서 발생하는 부식 및 스케일에 따른 관경축소로 인한 마찰 손실이 커지므로 매끈한 관 조도로 배관 조도계수가 큰 CPVC배관을 Hazen-Williams식에 적용하여 전체 소화배관 시스템에서 마찰손실을 줄일 수 있는 개선방안에 대한 방법을 제안하고, 실제 아파트 현장에 적용하였을 때 구체적인 마찰손실과 시공비의 절감효과에 대하여 제시하였다.
본 연구에서는 소방배관의 마찰손실을 개선하기 위하여 기존 강관 대신 CPVC배관으로 설계 및 시공하였을 경우, 조도계수에 따라 손실수두의 차이가 있음을 조사였다. 조도계수의 수치가 강관(120)일 때 마찰손실은 76.

제안 방법

CPVC배관에 대한 국내의 연구사례를 살펴보면 현재까지 국내의 소방 설계 진행방식으로 규약배관방식(Pipe Schedule System)의 안전계수의 초과 적용으로 인한 과다설계가 도출되어 최근에는 소방시설공사의 원가절감을 위한 차원에서 창의적 사고를 갖고 비용절감과 성능 실현을 함께 고려하는 VE(Value Engineering) 개념을 도입하여 화재방호 역할을 위해 건물에 설치되는 스프링클러 시스템에 대한 VE설계를 수행하기 위하여 다양한 수리해석 방식의 연구와 스프링클러의 효과적인 소화성능을 구현하기 위한 소화배관, 펌프, 헤드 등의 상호배치 구성방식에 따른 스프링클러 소화설비를 효과적으로 설계하기 위한 수리해석 접근방식을 제시하였다 [1,2]. 국외에서는 NFPA의 13(2010 edition)스프링클러시스템의 표준화된 설치 기준을 마련하였다.
제6장에서 스프링클러시스템의 구성요소와 하드웨어의 올바른 사용에 대한 요구사항이 제시되었고 ASTM F 442 “특별한 나열 염소화 폴리염화비닐 (CPVC)파이프 비금속 배관사양”을 표준으로 하고 있다[3*]. 또한 이론식을 두 가지로 정리하였고, Hauzen-williams식을 통한 배관의 선형길이 당 압력강하를 배관 별 유량에 따라 정리하여 마찰손실을 개선할 수 있는 방법을 알아보았다[4].

이론/모형

2와 같이 설계하고 Table. 6으로 수량을 산출을 하여 Hazen-Williams식에 적용하였다. 배관의 마찰손실을 개선하기 위하여 강관과 CPVC배관을 비교한 결과, Table.
이 식은 Darcy-Weisbach식에서의 "관마찰계수(⨍)"에 대응하는 "관조도(C-value)" 항목이 있고, 손쉽게 계산할 수 있도록 배관재질에 따라 유체공학자들이 이미 정해놓은 값들이 있다[5]. 일반적인 배관의 마찰계수 값은 Hazen-Williams 식을 적용하여 Table. 1과 같이 규정하고 있다.

성능/효과

또한, 시공비 측면에서도 CPVC배관을 사용하였을 경우, 배관결합방식이 나사 및 용접, 플랜지, Grooved, 분기배관방식을 적용하는 강관에 비해 본드 결합방식으로 좁은 공간에서도 시공이 편리하며, 열전도율이 매우 낮아 결로현상이 발생하지 않으므로 보온재를 생략할 수 있어 Table. 10에서와 같이 세대 당 자재비와 인건비를 대략 41%가량 원가를 절감할 뿐 아니라 장기내구성이 우수하여 시간경과에 따른 배관의 수명 및 교체비용 등의 유지보수 비용이 거의 발생하지 않아 강관에 비하여 유리하다는 것을 알 수 있었다.
그리고 실제로 CPVC배관과 강관공사에 필요한 재료비와 인건비를 보여주는 일위대가표를 Table. 8과 9로 나타내었으며, 강관으로 설계하였을 경우 마찰손실이 커짐에 따라 펌프의 전 양정 및 전동기 용량이 커지게 되어 전체 설비의 비용 또한 증가하므로 CPVC배관으로 변경 할 경우, 시스템의 비용절감이 가능함을 알 수 있었다. 아래의 Fig.
또한, 시공비 절감차원에서는 강관으로 시공할 때 1,585,158원이고 CPVC배관으로 시공 시에는 931,842원으로 41%정도의 시공비가 절감되는 것을 확인하였다. 기존에는 일반적으로 높은 압력에서는 강관을 사용하였으나, 화재안전기준의 개정에 따라 소화설비 저압축의 습식 소화설비에는 지하에 매설하는 경우나 내화구조로 구획된 덕트 또는 피트의 내부에 설치하는 경우, 천정과 반자를 불연재료 또는 준불연재료로 설치하고 그내부에 습식으로 배관을 설치하는 경우에는 소방용합성수지 배관인 CPVC배관으로 설치 할 수 있으므로 마찰손실을 줄여 소화펌프 및 입상배관의 관경을 줄 일 수 있어, 전체 설비용량의 감소로 인한 소화시스템의 안정성 유지 및 시공비를 절감 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
72MPa로서 결론적으로 34% 정도의 마찰손실이 개선되었음을 확인하였다. 또한, 시공비 절감차원에서는 강관으로 시공할 때 1,585,158원이고 CPVC배관으로 시공 시에는 931,842원으로 41%정도의 시공비가 절감되는 것을 확인하였다. 기존에는 일반적으로 높은 압력에서는 강관을 사용하였으나, 화재안전기준의 개정에 따라 소화설비 저압축의 습식 소화설비에는 지하에 매설하는 경우나 내화구조로 구획된 덕트 또는 피트의 내부에 설치하는 경우, 천정과 반자를 불연재료 또는 준불연재료로 설치하고 그내부에 습식으로 배관을 설치하는 경우에는 소방용합성수지 배관인 CPVC배관으로 설치 할 수 있으므로 마찰손실을 줄여 소화펌프 및 입상배관의 관경을 줄 일 수 있어, 전체 설비용량의 감소로 인한 소화시스템의 안정성 유지 및 시공비를 절감 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 소방배관의 마찰손실을 개선하기 위하여 기존 강관 대신 CPVC배관으로 설계 및 시공하였을 경우, 조도계수에 따라 손실수두의 차이가 있음을 조사였다. 조도계수의 수치가 강관(120)일 때 마찰손실은 76.64MPa이고 CPVC배관(150)으로 적용할 때 마찰손실은 50.72MPa로서 결론적으로 34% 정도의 마찰손실이 개선되었음을 확인하였다. 또한, 시공비 절감차원에서는 강관으로 시공할 때 1,585,158원이고 CPVC배관으로 시공 시에는 931,842원으로 41%정도의 시공비가 절감되는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 사용하는 소화배관 재질은?	스프링클러설비에서 소화배관의 재질 선택은 제반성능을 발휘하는데 매우 중요하다. 소화배관 재질에 따라 마찰손실을 줄일 수 있어 최근에는 기존 강관 재질 대신 CPVC배관을 사용하는 현장들이 증가되고 있다. 기존 강관은 용접 및 절단작업 시 기계마찰소음이 많고 작업장 주변으로 방출되는 용접가스와 쇳가루 등으로 공사현장의 환경 저해요소가 많으며 용접절단작업 등으로 화재가 빈번히 발생하여 인명과 재산피해 등의 손실을 가져오는 경우가 많다.
	배관마찰에 대한 이론적 기반이 취약한 시기에 개발된 실험식으로서 현재까지도 물을 사용하는 유동ㆍ에너지 손실 관계식으로 배관의 수리계산 시에 가장 널리 사용되고 있는 식은?	Hazen-Williams식은 배관 유동의 흐름영역이 주로 천이영역 및 난류영역에서 적응성이 뛰어난 실험을 바탕으로 얻어진 마찰손실 계산식이다. 배관마찰에 대한 이론적 기반이 취약한 시기에 개발된 실험식으로서 현재까지도 물을 사용하는 유동ㆍ에너지 손실 관계식으로 배관의 수리계산 시에 가장 널리 사용되고 있다.
	기존 강관이 갖고 있는 환경 저해요소는?	소화배관 재질에 따라 마찰손실을 줄일 수 있어 최근에는 기존 강관 재질 대신 CPVC배관을 사용하는 현장들이 증가되고 있다. 기존 강관은 용접 및 절단작업 시 기계마찰소음이 많고 작업장 주변으로 방출되는 용접가스와 쇳가루 등으로 공사현장의 환경 저해요소가 많으며 용접절단작업 등으로 화재가 빈번히 발생하여 인명과 재산피해 등의 손실을 가져오는 경우가 많다. 반면, CPVC배관은 배관 자재비가 강관에 비하여 저렴하고 부식 및 스케일에 강하여 배관 수명이 길어 건물 철거 시까지는 배관을 교체하지 않아도 되고, 프라이머 및 솔벤트 시멘트(Solvent Cement) 접착제 결합방식으로 배관이음을 하므로 시공이 간단하여 비숙련작업자도 현장에서 쉽게 배관이음작업을 수행할 수 있어 공사기간 단축과 인건비 절감의 효과가 있으므로 더욱 확대되어 적용될 것으로 보인다 [1,4].

참고문헌 (8)

S. J. Lee, "A study on Hydraulic Analysis method for Optimizing VE Design of CPVC Pipe" pp. 78-91 Master's thesis, 2010.
KSFPE, "Fire Protection Engineering Handbook" Version 4, pp. 150-166, 2015.
NFPA 13 ASTM F 442 (2010 edition)
E. M. Seong, I. S. Eo "A study on improvement stragies of friction loss according to roughness coefficient in sprinkler system" pp. 5-33 Master's thesis, 2014.
NFSC 103 "National Fire Safety Code for Sprinkler system," 2013.
D. J. Kim "A study on corrosion of sprinkler systems in fire protection," pp. 15-23, Master's thesis, 2009.
NFSC 103 "National Fire Safety Code for Sprinkler system," 2013.
GOLEE Pipe Co " Article for CPVC Pipe" Available from: http://www.goleepipe.co.kr/ (2014)

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