덕트의 종류와 설계 방법 | 등속법, 등압법, 개선등압법, 정압재취득법

1.  개  요

덕트는 공기를 수송하는 데 사용하는 것이며, 건축설비에 있어서 덕트란 주로 환기와 공기조화를 위해 사용되는 것을 말한다. 대체로 건물의 규모가 거대해질수록 큰 사이즈의 덕트가 건축적으로 만들어지기도 하지만, 벽돌이나 콘크리트로 만들어진 덕트는 표면마찰이 크고 공기누출도 막기 어려우므로 쓰이는 예가 거의 없다.

 

 또한, 덕트는 주로 얇은 금속판으로 되어 있으며, 단면은 일반적으로 장방형과 원형의 것이 쓰인다. 그러나, 타원형으로 된 유연성 있는 덕트가 사용되기도 한다. 원형 덕트 내의 공기의 흐름은 직관부에서는 그림 6-1에서와 같은 속도분포를 나타낸다.

 

이것은 관벽에서 마찰저항이 있어 관벽에 가까운 부분의 속도가 줄고 있기 때문이다. 또, 장방형 덕트에서는 원형 덕트보다 더욱 복잡한 분포로 된다. 그러나, 하나의 덕트에서는(공기누설이 없다면) 유로 각 단면을 통과하는 유량이 일정하기 때문에 실용적으로는 단면 내의 평균유속만을 생각하면 되는 경우가 많다.

6-1. 원형덕트의 단면속도분포

6-2.장방형덕트의 평균유속

6-2  덕트의 종류

일반 건물의 공조설비에서 이용되는 덕트의 재질로서는 보통 아연도금철판이 많다. 그 밖에 주방·탕비실·욕실 등 아연철판으로는 부식의 우려가 있는 장소의 환기설비용 덕트에서는 알루미늄판, 동판, 염화비닐판, 유리섬유판 등을 사용할 때도 있다.

 덕트를 풍속, 형상 및 사용목적에 따라 분류하면 다음과 같다.

덕트의 종류

풍속에 의한 분류법 중 저속덕트는 주덕트 속의 풍속이 15m/s 이하이며 정압 50mmAq 미만인 것을, 고속 덕트는 풍속이 15m/s 이상, 정압 50mmAq 이상인 것을 말한다. 대체로 송풍용 덕트로서는 고속 혹은 저속덕트를, 환기용으로는 저속용 덕트를 사용한다.

 

 형상에 따라 분류한 장방형 덕트는 주로 저속용으로, 원형 덕트는 고속용을 사용한다. 이것은 고속덕트인 경우는 덕트 내의 압력이 높게 되므로, 덕트의 강도를 크게 해서 공기누설을 막는 구조로 할 필요가 있기 때문이다.

 

 제작상으로는 공장에서 규격치수로 만든 덕트를 이용하는 프리패브식의 방법과 시공도에 의해 공장 혹은 현장에서 판뜨기해서 만드는 방법이 있다. 원형 덕트는 주로 전자로, 장방형 덕트는 주로 후자의 방법에 의한다.  

 

 프리패브식의 원형 덕트는 띠상의 철판을 나선상으로 감아서 만든 스파이럴(spiral) 덕트와 플래시블(flexible) 덕트가 잇다. 스파이럴 덕트의 접합부는 일반적으로 삽입이음쇠를 사용하고 비스고정과 접착제 또는 실테이프(seal tape)를 사용한다. 분기이음쇠나 곡부이음쇠는 역시 표준의 이경관이 사용된다. 이것들은 덕트로서는 가요성이 없다.

 

 플렉시블 덕트는 주로 저압덕트에 사용되는 것으로서 가요성이 있고, 덕트와 박스 혹은 취출구 사이의 접속 등에 사용되는 것이며, 스페이스에 장애물이 있어서 덕트를 절단해야 하는 경우 등에 사용하면 이음쇠의 수를 줄일 수 있다. 이것은 알루미늄제가 많으며, 또 이것에 보냉시공한 것도 있다. 또한, 유리섬유판이나 석면판으로 내외에 알미늄박을 붙인 것 등으로서 공장제작된 것을 사용할 때도 있다. 그림 6-3은 원형 덕트의 외형을 나타낸다.

덕트의 종류-1

덕트의 종류-2

6-3  덕트의 배치

 덕트의 배치법은 그림 6-4에 나타낸 바와 같이 간선 덕트, 개별 덕트 및 환상(環狀) 덕트방식으로 대별할 수 있다.  

 간선 덕트 방식은 1개의 주덕트에 각 취출구가 직접 고정된다. 시공이 용이하며, 설비비가 싸고, 덕트 스페이스도 비교적 적어, 공조 . 환기용에 가장 많이 사용된다.

 개별 덕트 방식은 주택의 온풍난방의 각 실에 대량 생산된 동일徑 덕트 취출구를 배치, 풍량이 많이 필요한 실에는 2개 이상 취출구의 설치 등, 가격 . 시공면의 장점은 있지만, 많은 덕트 스페이스가 필요한 결점이 있다.

 환상(環狀) 덕트 방식은 2개의 주덕트를 환상(環狀)으로, 말단부 취출구에서 풍량의 불균형을 개량한 방식인데, 제각기 주덕트를 단독으로 사용할 수 없는 단점이 있다.

 또한, 덕트의 방식은 유통기류 방향에 따라 상향식과 하향식으로 분류할 수도 있는데, 유통기류의 순환법에 의해 단일 덕트방식에 사용되는 순환식과 각 층 유닛 방식에 사용되는 국부순환식이 있으며, 대규모 건물이나 고층건물에서는 이 방식을 다양하게 병용함으로써 필요한 실내조건의 유지나 덕트가 차지하는 공간면적을 줄이고 있다.

 

덕트 방식

6-4  덕트의 설계순서

덕트의 설계는 다음 순서로 행하지만 어느 것도 확정값은 아니므로, 서로 휘드백(feed-back)해서 검토한 후에 설계를 완료한다.

 ⑴소요풍량과 취출구 개수   

 소요풍량은 공기조화를 하는 경우에는 다음 식으로 구한다.

 

Q = qsh/(tr-td)

(6 · 1)

여기서,    Q : 풍량 [㎥/h]

            qSH : 현열부하 [㎉/h]  

              tr : 실내온도 [℃]

             td : 취출온도 [℃]

또한, 환기를 하는 경우에는 필요 신선외기량이라고 해서 실의 용도, 면적(또는 인원, 체적)에 따라 달라진다. 풍량과 실면적이 클 때에는 취출구는 분산되며, 취출구 개수는 많아진다.

 

 ⑵ 덕트 방식과 경로의 결정

 고속방식인가 저속방식인가, 원형 덕트인가 장방형 덕트인가, 덕트의 재질은 어떤 것인가 등을 결정한다. 그리고, 보와 외관 등을 고려해서 최적 경로를 결정한다 (표 6-1 참조).

표6-1,  ＊ 표는 전면적 풍속, 기타는 자유면적(free area) 풍속

표6-2. 원형덕트와 장방형 덕트의 환산표

⑶ 덕트의 치수결정

 덕트의 치수는 장방형 덕트인 경우에도 원형 덕트로 해서 계산하며, 후술하는 "2. 덕트의 설계법"에서 구한 직경으로 부터 다음 식에 의해 장변, 단변을 구한다.

덕트의 치수 결정

여기서,   De : 상당직경

               a : 장  변

               b : 단  변

상당직경 De는 a×b인 장방형 덕트와 동일한 저항을 갖는 원형 덕트에 상당하는 것이다. 그 환산표를 표 6-2에 나타낸다. 일반적으로 장방형 덕트인 경우 가능하면 정방형이 되도록 하며, 종횡비(aspect ratio)는 2 : 1을 표준으로 하고, 가능하면 4 : 1 이하로 제한하고 최대 8 : 1 이상이 되지 않도록 한다.  

 

 한편, 덕트의 치수 및 소요정압을 결정하는 데 쓰이는 단위길이당 마찰손실을 구하는 덕트저항선도를 그림 6-5에, 덕트의 국부저항계수를 표 6-3에 각각 나타낸다.

마찰선도

덕트 부속

덕트 부속

6-5  덕트의 설계법

 ⑴ 등속법 (equal velocity method)

 먼저 덕트 내의 풍속을 정하여 각 부분의 풍속을 일정히 하고, 통과풍량으로부터 덕트치수를 구하는 방법으로 등속법이라고도 한다. 이 방법은 각 부분마다 단위길이당 압력손실이 달라지며 계산이 번거로와 일반적으로는 사용되지 않는다. 주로 분체의 수송과 같은 제진장치에서 사용된다.

 

 ⑵ 등압법 (equal friction loss method)

 단위길이당 압력손실을 일정한 것으로 해서 덕트치수를 결정하는 방법으로서 등마찰법 혹은 정압법 이라고도 한다. 즉 이 방식은 덕트 내의 최대풍속을 정하고, 이 풍속에서 송풍기로부터 가장 멀리 떨어져 있는 출구에서의 필요 풍량과 송풍할 때의 전 저항손실(全壓)을 산출하고, 각 분기덕트에 이르는 사이의 저항도 앞의 저항과 같게 되도록 덕트의 치수를 결정한다. 각 분기덕트의 저항은 특히 길이의 차가 크지 않은 이상 본질적으로 동일 저항을 가진다고 할 수 있다.

 이 등압법은 소요정압을 내기가 간단하므로 가장 널리 사용되는 방법이다. 덕트의 레이아웃의 形이 대칭일 때는 아주 좋지만, 불균일할 때는 댐퍼를 써서 풍량조절을 해야 할 필요가 있다.

 

그림 6-6  정압재취득 계산도표(R=0.8)

⑶ 개선등압법 (improved equal friction loss method)

 이것은 등압법을 개량한 것으로, 먼저 등압법으로 덕트치수를 정하고, 풍량분포를 댐퍼 없이도 균일하게 하도록 분기부의 덕트치수를 적게 해서 압력손실을 크게 하고 균형을 유지하는 방법이다. 그러나, 이 방법에 의하여 덕트내 풍속이 너무 크게 되어 소음발생의 원인으로 되기 쉽다. 권장풍속, 최대풍속에 대해서는 표 6-1을 참조하면 된다.

 

 ⑷ 정압재취득법 (static pressure regain method)

 직선덕트 내에서 속도가 감소하면 베르누이의 정리로부터 일부의 속도에너지는 압력에너지로 변환하여 2차쪽의 압력은 증가한다. 즉, 베르누이의 정리로부터 등에 의해 감속하면

6-3

로 되는 정압을 얻을 수 있지만, 분류   확대   축소 등의 상태변화에 의한 저항을 받기 때문에 실제로 취득하는 것은 R이라는 계수를 써서

6-4

로 한다.

 

그림 6-7  정압재취득 계산도표(R=0.5)

취득정압과 마찰손실이 같게 되도록 덕트徑을 결정하면, 어디에서든 정압은 같게 되고 그에 따라 잘 균형잡힌 덕트가 결정된다. 이 식의 R은 정압재취득계수라 하며 덕트단면 내의 풍속분포가 일정하면 이론적으로는 1이지만, 실험에 의하면 원형 덕트인 경우는 0.5, 장방형 덕트인 경우는 0.75∼0.9 정도의 값을 쓴다.

 이와 같이 분기덕트를 빼낸 다음의 주덕트에서의 풍속감속에 따른 정압상승 분을 거기에 있는 덕트의 압력손실로 이용하는 방법을 정압재취득법이라고 하며, 마찰손실은 다음 식을 사용하여 구한다.

6-5

정압재취득 계산도표를 그림 6-6, 그림 6-7에 나타낸다. 이들 그림에서 k갑은 다음 식에서 구해진다.

6-6

여기서,    l : 덕트의 실제길이 [m]

             l' : 국부저항상당길이 [m]

             Q : 풍량 [㎥/h]

 

또한, Q0.62는 그림 6-8에 의해 구해진다.

6-8

다음 포스팅에는 덕트의 설계 순서에 대해 알아보도록 하겠다.

덕트의 설계 순서 및 유의사항

덕트설계 | 송풍기와 댐퍼의 종류 및 특성