설비 기초

물과 열의 기초 — 설비가 쓰는 낱말들

미학습

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건축설비는 물과 열을 다루므로 그 기초 개념이 모든 계산의 바탕이 된다. 현열은 온도를 올리거나 내리는 열이고 잠열은 온도는 그대로 둔 채 상태를 바꾸는 열이다. 물을 끓는점까지 데우는 데 드는 현열보다 그것을 모두 증발시키는 데 드는 잠열이 다섯 배 넘게 커서, 냉방이 제습을 겸할 때 부하가 크게 늘어난다. 비열은 1kg을 1K 올리는 데 드는 열로 물질의 성질이고, 열용량은 그 물체 전체를 1K 올리는 데 드는 열이라 질량이 곱해진다. 온도의 단위는 켈빈 = 섭씨 + 273.15이며 459.7은 화씨용 숫자다. ppm은 백만분의 일(per million)이다. 물의 성질에서 4℃에서 밀도가 가장 크다는 점이 중요하며, 얼면 부피가 늘어 밀도가 작아지므로 얼음이 물 위에 뜨고 배관 안의 물이 얼면 관을 밀어 터뜨린다. 흐름에서는 유량 = 단면적 × 유속(Q = A·v)이라 같은 유량에서 관이 굵으면 느려지고, 정지한 물에서 임의의 점의 압력은 모든 방향으로 같다. 마찰손실수두는 h = f·(L/d)·(v²/2g)로 다섯 인자 가운데 유속만 제곱으로 들어간다.
설비의 계산은 단위를 맞추는 데서 절반이 갈린다. 관경이 mm로 주어지면 m로 고쳐야 하고, 열량이 kJ이면 시간으로 나눠야 kW가 된다. 그리고 마찰손실에서 유속만 제곱이라는 사실 하나가 설계의 방향을 정한다 — 유속을 조금만 낮춰도 손실이 크게 줄지만 같은 유량을 보내려면 관을 굵혀야 하므로, 관 값과 펌프 전력비를 맞바꾸는 것이 배관 설계의 본질이 된다.
  1. 현열은 온도를, 잠열은 상태를 바꾸며 잠열이 훨씬 크다.
  2. 비열은 단위 질량 기준, 열용량은 물체 전체 기준이다.
  3. 켈빈 = 섭씨 + 273.15이며 ppm은 백만분의 일이다.
  4. 물은 4℃에서 밀도가 가장 크고 얼면 부피가 늘어 관을 터뜨린다.
  5. h = f·(L/d)·(v²/2g) — 다섯 인자 가운데 유속만 제곱이다.
현열

온도가 변한다. 온도계에 나타나며 질량 × 비열 × 온도차로 구한다.

잠열

온도는 그대로고 상태가 변한다. 얼음이 녹거나 물이 끓는 동안의 열이며 질량 × 잠열량으로 구한다.

단위가 뜻을 말해 준다
단위무엇을 재는가어디에 쓰이나
kJ열량가열에 필요한 총 열
kW열량 ÷ 시간가열장치의 용량
mAq압력을 물기둥 높이로마찰손실수두
W/㎡·K열관류율벽체의 단열 성능
W/m·K열전도율재료 자체의 성질

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물의 비열이 크다는 것이 설비에 뜻하는 바

물은 비열이 커서 같은 열을 넣어도 온도가 천천히 오른다. 뒤집어 말하면 같은 열량을 나르는 데 필요한 유량이 공기보다 훨씬 적다는 뜻이라, 난방과 축열의 매체로 물이 널리 쓰이는 까닭이 된다. 공기로 같은 열을 나르려면 훨씬 큰 덕트가 필요하므로, 열은 물로 나르고 공기는 실내에서 마지막으로 분배하는 방식이 대형 건물의 표준이 되었다.

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1기압 하에서 순수한 물의 온도를 4 ℃에서 100 ℃로 높이면 체적은 약 4.3 % 팽창한다.

물은 4℃에서 밀도가 가장 크고 100℃까지 데우면 부피가 약 4.3% 늘어, 급탕설비에 팽창탱크를 둔다.

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물질을 가열이나 냉각했을 때 상변화없이 온도변화에만 사용되는 열량을 현열이라고 한다.

상태 변화 없이 온도만 바꾸는 열이 현열이고, 온도는 그대로 두고 상태만 바꾸는 열이 잠열이다.

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X

농도를 나타내는 단위인 ppm은 천만분의 일의 양을 의미한다.

ppm(parts per million)은 백만분의 일(10⁻⁶)이며, 10억분의 일은 ppb다.

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비열은 단위 질량의 물체 온도를 1 ℃ 높이는데 필요한 열량이다.

비열은 단위 질량의 물질을 1℃ 올리는 데 드는 열량이며, 물은 약 4.19kJ/kg·K로 큰 편이다.

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순수한 물은 1기압 하에서 4 ℃일 때 가장 무겁고 부피는 최대가 된다.

물은 4 ℃에서 밀도가 가장 커 가장 무겁고, 같은 질량이면 그때 부피가 가장 작다.

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섭씨 절대온도는 섭씨온도에 459.7을 더한 값이다.

섭씨를 절대온도로 바꿀 때는 273.15를 더하고, 459.7은 화씨를 랭킨온도로 바꿀 때 더하는 값이다.

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물체의 상태 변화 없이 온도가 변화할 때 필요한 열량은 잠열이다.

상태 변화 없이 온도만 바뀔 때 드는 열은 현열이고, 잠열은 온도는 그대로인 채 상태가 바뀔 때의 열이다.

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열용량은 단위 중량 물체의 온도를 1 ℃ 올리는데 필요한 열량이다.

단위 질량을 1 ℃ 올리는 열량은 비열이고, 열용량은 물체 전체를 1 ℃ 올리는 열량으로 질량×비열이다.

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국부저항은 배관이나 덕트에서 직관부 이외의 구부러지는 부분, 분기부 등에서 발생하는 저항이다.

국부저항은 곧은 관이 아닌 엘보·분기부·밸브처럼 흐름이 꺾이거나 갈라지는 곳에서 생기는 저항이다.

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