스프링클러 수리계산 프로그램을 만들다....

처음 호기심으로 시작한 것이 여기까지 오게 된것이 저자신도 믿기지가 않습니다.

20여년 전 수리계산에 관심을 가지고 직접 만들어 보겠다고 호기롭게 시작하였으나 루프와 그리드 구조의 벽을 뚫지 못해 트리구조 계산 엑셀시트를 만드는데 그쳤던 기억이 있습니다. 그나마도 참 힘들게 만들었던... 그후 운좋게 'THE SPRINKLER' 라는 외국의 스프링클러수리계산 프로그램을 얻어 사용해보기도 했습니다. 하나하나 테이블에 노드와 노드를 입력하는 방식이었지만 그것도 훌륭했습니다. 그리고 한동안 잊고 있었으나 미완의 아쉬움이 마음 한켠에는 있었던 모양입니다. 코딩이라는 벽에 막혀 머릿속에는 있지만 풀어낼수 없었던 숙제를 이제야 정식으로 선보일수 있게되어 기쁩니다. 그러고 보니 제가 합격한 기술사시험에 수리계산문제가 나왔었네요. 신나게 풀었던 기억이 ^^

 

 

수리계산 프로그램은 하젠윌리엄 또는 달시웨버 방정식을 이용하여 배관의 마찰손실, 수두차를 계산하여 원하는 펌프의 용량을 계산하거나 기존펌프가 설계용량을 만족하는지를 해석하는것입니다. 방정식은 단순하지만 수계산으로 해석하기에는 마찰손실 계산을 위해 유량을 알아야 하고 또 유량을 알기위해서는 마찰손실을 계산해야 하는 순환루프에 빠지기 때문에 어렵습니다. 그나마 쉬운 트리구조의 경우에도 말단에서 시작하여 분기점에 도달했을때는 순환루프에 빠지게 되는데... 이를 해석하는 방법을 NFPA13에서는 가상K값을 이용하는 방법을 제시하고 있으나 그것도 해보면 한숨이 나오게 됩니다. 아니면 무식하게 유량을 추정하여 계속 반복계산을 통해 찾아내어도 가능하긴 합니다만 수계산으로는 고역입니다. 그나마 다행인것은 엑셀을 이용하면 약간의 시간 단축은 가능합니다.

 

그것도 트리구조에 한한것이고 루프나 그리드로 가면 답이 없습니다. 하디크로스 기법을 사용하여 해석하는 방법이 있으나 단순한 루프망은 가능하지만 복잡한 그리드구조는 답이 없습니다. 결국은 다른 해법을 찾아야 하는데... 수리계산프로그램의 해석방법은 전체 배관 네트워크망을 거대한 행렬구조의 방정식을 만들어 한꺼번에 수렴값을 찾아 가면서 계산하는 방법을 사용합니다. 바로 Newton-Rapson method를 이용하여 수렴하는 해를 찾는 방법입니다. 수렴값을 찾기 위해 초기에 임의로 설정한 값을 수십 수백번 반복적으로 변화시켜가면서 계산을 해야 하기 때문에 컴퓨터가 필요한 것입니다. 배관망 해석은 뉴튼랩슨을 기반으로 어떤 방식으로 접근할지에 대한 여러가지 방법들이 있는데 본 프로그램은 미국환경보호국에서 개발하여 학계와 산업계에서 네트워크배관망 해석의 표준 모델링도구로 자리잡은 EPANET 에 기반하고 있습니다. 수렴이 매우 빠르고 대규모배관망에도 매우 안정적으로 계산이 가능하다는 장점이 있어 많은 수리계산프로그램이 채택하고 있는것으로 알고 있습니다.

 

본 프로그램은 트리구조와 루프, 그리드를 모두 해석할 수 있으며, 물분무와 소화전까지 그리고 필요하다면 일반 설비 배관망까지 확장이 가능합니다. 그리고 기존 건물이나 산업체에서 빈번한 증 개축시 펌프용량이 부족할 경우 필요한 펌프의 용량을 자동으로 산정하는 기능, 배관망의 규모가 커 펌프실이 여러군데 분산배치된 되어 있는 경우의 해석과 설계시 필요한 용량 자동 계산 등이 있습니다. 기존의 프로그램은 설계용량계산과 펌프운전시 예측계산이 분리되어 있었으나 본 프로그램은 펌프운전시 영향과 설계에 필요한 용량 계산을 동시에 해석이 가능하여 펌프증설, 이전 등의 다양한 경우에 필요한 추가 펌프의 용량을 정확하게 자동으로 계산이 가능합니다. 만들때부터 확장성을 고려하여 기존의 건물과 산업체의 다양한 환경에서도 사용이 가능하도록 지향하였기 때문입니다.

 

사용법은 배관을 아이소매트릭을 그리게 되면 노드와 노드정보를 읽어 테이블에 배관구조의 정보가 자동으로 입력됩니다. 가장 귀찮고 어려운 과정이 배관망을 그리는 과정인데 직관적으로 누구나 쉽게 아이소를 그릴수 있도록 만들었습니다. 한가지 장점으로 피팅류의 등가길이는 계산과정에서 자동으로 엘보나 티 등을 찾아서 계산하기 때문에 별도의 입력이 필요없습니다. 사실 피팅류 찾아 넣는것 참 귀찮은 일입니다. 그외 특정 노드에서 특정 노드로 배관이 자동으로 그려지는 기능도 있고... 배관의 일부나 전체를 복사,잘라내기 등으로 붙이는 기능... 유용한 기능이 많습니다.

 

 

화면하단에는 입력과 계산결과를 보여주는 출력테이블이 구성되어 있습니다.

 

 

 

 

하젠윌리엄과 달시웨버 두가지 다 계산이 가능합니다. 

 

현재 기본적인 기능은 거의 다 완료되었으며 전체적으로 완성도를 좀 더 높이고 화면의 구성과 배치, 버그 색출, 계산결과의 검증 등 작업을 하고 있습니다. 그리고 특별한 기능?을 넣기위해 준비중에 있습니다. 

 

국내에서 최초는 아니지만 순수한 국산 프로그램을 만들게 되었다는 점이 제겐 큰 의미이기도 합니다. 내년 초에 정식으로 공개할 예정이며 궁금하신분은 언제든지 문의주세요.