4-2 배수관 내의 배수흐름
1. 배수의 흐름상태
배수관의 구성은 일반적으로 각 기구의 배수구 → 트랩 → 기구 배수관 → 배수수평지관 → 배수수직관 → 배수수평주관의 순으로 연결되어 건물 밖의 배수탱크를 거쳐 부지배수관에 접속된다.
배수계통의 관내흐름은 펌프압송부분을 제외하고는 원칙적으로 대기압 하에서 자연유하 하도록 해야 한다. 이 때문에 배수관이 만수(滿水)가 되어 흐르는 일이 없도록 해야 한다.
배수관내의 흐름은 간헐적으로 배수되는 물과 공기가 뒤섞인 2상류(二狀流)의 불규칙한 흐름으로, 경우에 따라서는 오물ㆍ종이 등 고형물이 포함된다. 더욱이 관로는 굴곡이 많고 흐르는 거리도 비교적 짧으므로 혼란된 흐름상태는 하류로 내려가도 안정됨이 없이 관내압력을 부분적으로 높게 하거나 낮게 한다. 이 관내압력의 정부압(正負壓) 변동폭의 허용한도는 트랩봉수에서 수주 ±25[mm]를 넘지 않도록 배수통기계통을 구성시켜야 한다.
그림 4.3 배수관의 구성
1) 기구배수관
위생기구의 트랩직후에서 배수수평지관 등 다른 배수관으로 접속하기까지의 배수관이다.
배수계통 중 관경이 가장 적으며, 더욱이 기구에서의 배수가 단시간에 집중하여 유입함으로 거의 만수상태로 선회하면서 가속으로 흐르기 때문에 매우 혼란한 흐름이 된다. 따라서 접속되어있는 트랩의 봉수나 하류의 관내 기압에 큰 영향을 준다.
그림 4.4 세면기 배수관 내의 흐름상태
위생기구에서의 배수량은 대변기, 소변기, 욕조 등 기구의 종류에 따라 다르다. 또, 같은 종류의 기구에서도 기구의 형태, 사용방법, 배수구의 크기, 배관과의 조합 등에 따라 배수유량(단위시간에 대한 배수량을 배수유량이라 함)은 일정하지 않다. 예를 들면 세면기에서 물을 모아 사용하는 경우와 물을 흐르도록 한 상태에서 사용한 경우는 배수유량이 다르게 된다. 일반적으로 배수량의 합계는 사용수량이 많은 기구일수록 많다. 또한 같은 사용수량에서도 배수시간이 짧을수록 단위시간당 배수유량은 크게 된다. 그림 4.5에 각종 위생기구의 배수특성 예를, 표 4.2에 최대배수시유량을 나타냈다.
그림 4.5 각종 위생기구의 배수특성 예
표 4.2 기구의 최대배수시유량
|
기 구 이 름 |
최대 배수시 유량 [ℓ/s] |
기 구 이 름 |
최대 배수시 유량 [ℓ/s] |
|
대변기 |
2.8 |
주방싱크 |
0.7~1.4 |
|
소변기 |
0.9 |
세탁싱크 |
1.4 |
|
스톨소변기 |
1.4 |
샤워욕조 |
1.4 |
|
세면기 |
0.5 |
주택용 욕조 |
0.9 |
|
수세기 |
1.9 |
공중목욕탕 |
0.9 |
|
청소싱크 |
1.9 |
바닥배수 |
1.4~2.8 |
2) 배수수평지관
기구배수관의 배수를 배수수직관으로 이끌어 주는 수평관이다. 접속되는 각 기구에서의 여러 특성상 배수가 불규칙적이고 혼란된 상태로 유입됨으로서 유속이나 유수(流水)깊이의 변화가 극심하다. 따라서 역류나 도수현상(跳水現狀)이 일어남은 물론 때로는 관내 공기의 통로를 중단하는 흐름이 생기거나, 기구배수관의 접속개소에서 배수가 일시 체류하거나, 또는 수직관내의 배수가 일부 역류하거나 하여 관내 기압변동이 한층 커진다.
그림 4.6 배수수평지관 내의 흐름
3) 배수수직관
배수수평지관, 기구배수관 및 기기의 배수를 모아 배수수평주관으로 이끌어주는 수직관이다.
수직관내에 유입된 배수는 관의 내벽면 둘레를 거의 균일한 두께를 갖는 둥근 물테의 상태로 흘러내리고, 관의 중심부는 물방울과 공기가 혼합된 상태의 공기 핵을 형성한다. 이때 흘러내리는 속도는 중력가속도를 받아 수직관 내를 낙하하는 동안에 속도가 증가하나, 관 내벽 및 중심부 공기와의 마찰저항도 유속의 2승에 비례하여 증대하므로, 마침내 양자가 균형이 잡혀 거의 일정한 유속이 된다. 이와 같이 관 내벽 및 공기와의 마찰저항과 평형이 되는 유속을 종국유속(終局流速)이라 하며, 주철관에서는 약 5～12[m/sec]이다. 또 수직관에 유입한 후 종국유속에 도달하기까지의 흘러내린 길이를 종국길이라 하며, 관경・배수량・관 내벽의 거칠기 등에 따라 다르나 보통 3～6[m]정도이며 최대 20[m]가 되는 경우도 있다.
『윌리』와 『이튼』은 마닝 공식을 기초로 아래와 같은 종국유속 및 종국길이에 관한 실험식을 유도하고 있다.
νs = 0.635(Q/D)2/5
Ls = 0.144νs2
여기서, νs : 종국유속[m/s]
Ls : 종국길이[m]
Q : 배수유량[ℓ/s]
D : 수직관의 지름[m]
그림 4.7 배수수평지관에서 수직관으로의 흐름
한편 수직관 중심부의 공기는 배수에 이끌리어 하강한다. 그래서 수직관 상부에서는 관내압력이 저하하고 하부에서는 높아진다. 이 압력은 흘러내린 거리에 비례해서 커진다. 또 수직관내의 배수량이 증가할수록 공기가 이끌리어 하강되는 상태가 심해지며 압력변동은 더욱 커진다. 따라서 상층기구의 트랩은 유인사이펀작용을 일으키게 되고, 하층의 기구트랩은 분출작용으로 인하여 봉수가 파괴되기 쉽다. 특히 흘러내리는 물테의 단면적이 수직관 단면적의 30%를 넘으면 압력변동은 급격히 증대하고 소음과 진동을 수반한다. 그러므로 수직관의 허용유량은 종국유속으로 수직관 단면적의 30% 이하가 되도록 관경을 계획해야 한다.
그림 4.8 배수수직관 내의 흐름
4) 배수수평주관
배수수직관ㆍ기타 배수관 및 기기에서의 배수를 모아 건물 밖의 배수탱크나 부지배수관으로 이끌어주는 배수관이다.
수직관을 급속하게 흘러내린 배수는 최하부에서 90°방향으로 변환하여 수평주관에 유입되고, 구배에 의한 완만한 유속으로 급변하기 때문에 수평주관의 유수(流水)깊이가 급격히 높아지며, 더욱이 계속 흘러내리는 배수 때문에 매우 혼란한 흐름이 된다.
배수수평주관에 유입된 배수는 관경의 10배 정도를 흘러내린 지점부터 배수관 단면을 만수시킬 정도로 수위가 상승되고, 심하게 출렁이는 도수현상(hydrolic jump)이 발생되며 에너지의 대부분이 손실된다. 이러한 현상 때문에 수직관 내를 강하한 공기는 그 통로가 중단되며 수직관 최하부 부근에 체류되어 배수계통 중 최대의 압력이 된다. 따라서 이 압력을 배출시키기 위하여 통기수직관의 시점을 이 부근에 설치하는 것이다.
배수수평주관의 흐름상태는 배수의 유입속도, 배수관내의 수심, 관 내면의 거칠기, 관의 기울기 등에 따라 다르다. 주철관의 경우 수평주관 시점에서 1～2[m]까지는 도수현상이 일어나는 혼란류이고, 이 이후로는 8～11[m]정도까지 파상류로 흐르다가 안정류로 변하는데, 유수면의 동요는 배수관 말단까지 계속된다.
그림 4.9 배수수직관에서 배수수평주관으로의 유입
그림 4.10 배수수평주관 내의 흐름
2. 허용유량
1) 배수수직관의 허용유량
배수수직관 내의 흐름은 만류가 아니고, HASS 206에서는 허용유량을 각개ㆍ루프통기방식에서는 충수율을 0.3으로 하고, 신정통기방식에서는 기구배수에 대해서 충수율을 0.18로 정하고 있다. 배수수직관의 허용유량은 윌리-이튼의 실험식과 충수율을 적용하여 다음의 식으로 나타낸다.
Qa = (365πα/4)5/3D8/3
여기서, Qa : 충수율 α에서의 수직관 유량 [ℓ/s]
α : 수직관의 충수율
D : 관 지름 [m]
Qp1 = 4,200D8/3
Qp2 = 1,800D8/3
여기서, Qp1 : 각개ㆍ루프통기방식의 경우 수직관 허용유량 [ℓ/s]
Qp2 : 신정통기방식의 경우 수직관 허용유량「ℓ/s]
최근 초고층의 실험 타워에 의한 배수실험의 결과, 신정통기방식이나 특수이음쇠 배수시스템에서는 배수 층이 높아지면 허용유량의 저하가 나타나므로, 배수 높이에 의한 배수능력의 저하를 허용유량에 포함시키고 있다.
상기 산정식과 종국속도를 포함한 관경설계법 전반의 재검토가 과제가 되고 있다.
2) 배수수평관의 허용유량
배수수평관의 허용유량은 만류ㆍ비압송으로 하고, 개수로의 정상류에서 마닝공식이 적용된다.
v = (1/υ)I1/2R2/3
여기서, v : 관내 평균유속 [m/s]
υ : 마닝의 조도계수(주철관으로서 0.012를 채용)
I : 관의 구배
R : 수력반 [유수 단면적/접수길이] [m]
Qp3 = 26,000I1/2R8/3
여기서, Qp3 : 각개 통기방식 또는 루프통기방식에서의 배수수평관의 허용유량[ℓ/s]
신정통기방식에서는 수평관내의 통기를 확보하기 위해서 유량 Qp3의 1/2을 허용유량으로 하고 있다. 다만 이후에 기술하는 특수이음쇠 배수시스템의 배수수평주관에서는 배수수직관의 배수능력에 알맞은 허용유량이 되도록, 관경을 선정하는 것이 중요하다.
그림 4.11 유수 단면적과 접수길이
2. 배수관의 구배ㆍ관경과 유속
배수수평배관은 자연유하에 의해 배수가 신속히 관내를 흐르도록 일정한 구배를 주어야 함은 물론 자정작용(自淨作用)이 생기도록 충분한 유속이 필요하다.
1) 배수관의 유속과 구배[물매]
배수관은 배수의 흐름에 의해 자정작용이 일어나도록 설계하는 것이 필요조건이며, 이 자정 이 일어나는 가장 중요한 요소는 적절한 유속을 갖도록 하는 것이다.
일반배수에서는 자정작용에 필요한 최소유속을 0.6[m/sec]로 권장하고 있다. 이 이유는 배수중에 포함된 모래나 고형물 등의 입자를 흘려보내는데 필요한 최소한도의 견인력을 지닌 유속이기 때문이다. 일반적으로 배수의 유속을 0.6～1.4[m/sec]의 범위로 하고 있다. 그러나 지방질이 많이 포함된 배수관에는 기름이 응고하여 관 내벽에 달라붙어 관경을 점차로 축소시키기 때문에 최소유속을 1.2[m/sec]로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 필요유속은 배수관을 흐름방향으로 적당한 하향구배를 주면 얻을 수 있다.
표 4.3 배수수평관의 허용유량 및 유속(각개 또는 루프통기관)
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배수관 지름 D [mm] |
배수수평지관ㆍ수평주관 |
수직관 Qp1 | |||||||||
|
I=1/25 |
I=1/50 |
I=1/100 |
I=1/150 |
I=1/200 | |||||||
|
Qp3 |
v |
Qp3 |
v |
Qp3 |
v |
Qp3 |
v |
Qp3 |
v | ||
|
30 40 50 65 75 100 125 150 200 250 300 |
0.45 0.97 1.76 3.50 5.20 11.2 - - - - - |
0.64 0.77 0.90 1.10 1.18 1,43 - - - - - |
- 0.69 1.25 2.50 3.70 7.90 14.3 23.3 - - - |
- 0.55 0.63 0.76 0.83 1.00 1,17 1.32 - - - |
- - - - 2.62 5.60 10.1 16.5 35.5 64.4 105 |
- - - - 0.59 0.71 0.83 0.93 1.13 1.31 1.49 |
- - - - - - 8.30 13.5 29.0 52.5 85.5 |
- - - - - - 0.68 0.76 0.92 1.10 1.21 |
- - - - - - - 11.7 25.6 45.6 74.1 |
- - - - - - - 0.66 0.80 0.93 1.00 |
0.36 0.78 1.41 2.80 4.20 9.00 16.3 26.5 57.1 104 169 |
주) 1. 공란은 유속v가 0.6[m/s] 미만 또는 1.5[m/s] 이상인 경우
2. Qp1, Qp3는 허용유량[ℓ/s]으로서 기구배수부하를 전제로 하며, v는 유속[m/s]이다.
표 4.4 배수수평관의 허용유량 및 유속(신정통기관)
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배수관 지름 D [mm] |
배수수평지관ㆍ수평주관 |
수직관 Qp2 | |||||||||
|
I=1/25 |
I=1/50 |
I=1/100 |
I=1/150 |
I=1/200 | |||||||
|
Qp3 |
v |
Qp3 |
v |
Qp3 |
v |
Qp3 |
v |
Qp3 |
v | ||
|
30 40 50 65 75 100 125 150 200 250 300 |
0.23 0.49 0.88 1.80 2.60 5.60 - - - - - |
0.64 0.77 0.90 1.10 1.18 1.43 - - - - - |
- 0.35 0.63 1.25 1.85 3.95 7.15 11.7 - - - |
- 0.55 0.63 0.76 0.83 1.00 1.17 1.32 - - - |
- - - - 1.31 2.80 5.10 8.30 17.8 32.2 53.0 |
- - - - 0.59 0.71 0.83 0.93 1.13 1.31 1.48 |
- - - - - - 4.20 6.80 14.5 26.3 42.8 |
- - - - - - 0.68 0.76 0.92 1.10 1.21 |
- - - - - - - 5.90 12.6 22.8 37.1 |
- - - - - - - 0.66 0.80 0.93 1.00 |
0.16 0.34 0.61 1.20 1.80 3.90 7.00 11.4 24.6 44.6 72.6 |
주) 1. 공란은 유속v가 0.6[m/s] 미만 또는 1.5[m/s] 이상인 경우
2. Qp2, Qp3는 허용유량[ℓ/s]으로서 기구배수부하를 전제로 하며, v는 유속[m/s]이다.
2) 배수관의 구배와 수심
수세식 화장실에서 배수되는 오수관은 고형물(固形物)이 반쯤 물에 뜬 상태에서 실려 나가게 되므로 이를 위하여 적절한 수심이 필요하다. 일반적으로 배수관내의 유속과 수심은 유량이 일정할 경우 관경과 구배에 밀접한 관계가 있다. 관경이 너무 크면 수심이 얕아져 유속이 감소하므로, 고형물을 밀어내는 힘이 부족하여 물만 흘려버린다. 반대로 관경이 너무 적으면 수심이 깊어져 통기가 부족하므로, 기압변동이 생겨서 트랩에 나쁜 영향을 준다. 또 구배가 너무 급하면 유속이 증가하여 수심이 얕아지므로 고형물은 남고 물만 흐르게 되며, 구배가 너무 적을 때는 수심은 증가하나 유속이 작아져 고형물을 밀어내는 힘이 감소한다.
