2-6. 고온수 난방시스템의 가압방식에 대하여 설명하시오.

고온수 난방 시스템은 물을 100°C 이상의 고온(일반적으로 100°C ~ 180°C 이상)으로 순환시켜 열을 공급하는 방식입니다. 물이 100°C 이상에서도 액체 상태를 유지하게 하려면 반드시 대기압 이상의 높은 압력을 가해주어야 합니다. 고온수 난방 시스템에서 가압이 필요한 주된 이유는 다음과 같습니다.

1. 물의 비등 방지: 압력이 낮으면 물은 100°C에서 끓어 증기가 됩니다. 시스템 압력을 높여 물의 포화 온도를 상승시킴으로써 고온에서도 물이 증발하지 않고 액체 상태를 유지하도록 합니다.
2. 시스템 최고점에서의 필요 압력 확보: 건물의 높이나 배관의 높이 차이로 인해 시스템 최고점에서는 압력이 낮아집니다. 충분한 압력을 가하여 시스템의 어느 지점에서도 물이 증발하지 않도록 합니다.
3. 시스템 순환 압력 손실 보상: 배관 마찰, 밸브, 열교환기 등을 지나면서 발생하는 압력 손실을 극복하고 원활한 물 순환을 유지하기 위해 일정한 최소 압력이 필요합니다.
4. 물의 열팽창 흡수: 물은 온도가 상승하면 부피가 팽창합니다. 밀폐된 시스템에서 이 팽창된 부피를 흡수해주지 않으면 시스템 압력이 과도하게 상승하여 설비 손상을 유발할 수 있습니다. 가압 시스템은 이 팽창량을 안전하게 처리하는 역할도 합니다.

고온수 난방 시스템의 주요 가압 방식은 사용하는 매체에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

 

1. 증기 가압 방식 (Steam Cushion Pressurization)

• 원리: 별도의 가압 용기(보통 가압기 또는 축열기라고 부름)에 물을 일부 채우고, 이 물을 가열하여 증기를 발생시킵니다. 용기 상부에 형성된 증기 공간(Steam Cushion)의 압력이 시스템 전체의 압력을 결정하게 됩니다. 시스템 온도가 상승하여 물이 팽창하면 이 팽창된 물이 가압기로 유입되어 증기 공간의 압력을 밀어 올립니다. 반대로 온도가 하강하여 물이 수축하면 가압기에서 물이 시스템으로 빠져나가 증기 공간의 압력을 유지합니다.
• 특징:
  • 시스템의 작동 유체인 물과 증기를 직접 이용하는 방식입니다.
  • 가압기가 어느 정도의 축열 기능을 겸할 수 있습니다.
  • 가압기 내부 온도를 정밀하게 제어하여 시스템 압력을 조절합니다.
  • 증기와 물 사이의 상변화 특성을 이용하므로 압력 변동이 비교적 안정적일 수 있습니다.
  • 설비가 복잡해질 수 있으며, 워터 해머 등의 발생 가능성에 유의해야 합니다.

2. 불활성 가스 가압 방식 (Inert Gas Pressurization)

• 원리: 별도의 팽창 탱크(Expansion Tank) 또는 가압 용기를 설치하고, 이 용기 내부에 일정량의 물과 함께 질소(Nitrogen)와 같은 불활성 가스를 주입합니다. 가스층(Gas Cushion)의 압력이 시스템 전체의 압력을 결정합니다. 시스템 온도가 상승하여 물이 팽창하면 팽창된 물이 가압 용기로 유입되어 가스층을 압축하고 압력이 상승합니다. 시스템 압력이 설정된 상한값을 초과하면 안전 밸브 등을 통해 가스를 방출하여 압력을 조절합니다. 가스 압축기나 고압 가스 용기를 통해 필요한 가스 압력을 공급합니다.
• 특징:
  • 시스템 작동 유체(물)와는 별도의 가스를 가압 매체로 사용합니다.
  • 가스 압력 제어를 통해 시스템 압력을 비교적 정확하게 조절할 수 있습니다.
  • 증기 가압 방식에 비해 설비 구성이 단순할 수 있습니다.
  • 가스가 물에 용해되는 것을 방지하기 위한 고려가 필요할 수 있습니다.
  • 가스 공급 설비(압축기 또는 가스 용기)가 필요합니다.

현대의 고온수 난방 시스템에서는 시스템의 안전성과 제어의 용이성 때문에 불활성 가스(주로 질소) 가압 방식이 더 일반적으로 사용되는 경향이 있습니다. 어떤 방식을 사용하든 고온수 시스템의 가압 설비는 시스템의 안전 운전과 직결되므로 설계, 설치 및 유지관리에 있어 특별한 주의가 필요합니다.