급수탑

1. 개요

급수탑은 고대부터 사용된 높은 물 저장 탱크의 현대적 형태로, 19세기 중반 증기 펌프와 관 기술 발달과 함께 등장했다. 초기에는 압력 완화, 유량 측정을 위해 사용되었으며, 도시 인구 증가에 따라 저장 탱크를 포함하는 형태로 발전했다. 급수탑은 강철, 철근 콘크리트 등을 주 재료로 사용하며, 높이에 따라 수압을 결정하고, 펌프와 연동하여 물을 공급한다. 과거에는 증기 기관차에 물을 공급하는 데 사용되었고, 현재는 레스토랑, 전망대, 통신 기지 등으로 활용되기도 한다. 한국에서는 아파트 단지 건설과 함께 고가수조 방식의 급수탑이 널리 보급되었으며, 최근에는 노후 급수관 교체 사업을 통해 급수탑 사용을 줄이는 추세이다.

2. 역사

고대부터 다양한 형태의 높은 물 저장 탱크가 사용되었지만, 가압된 공공 수도 시스템을 위한 급수탑의 현대적 사용은 19세기 중반 증기 펌프가 더 일반화되고 더 높은 압력을 견딜 수 있는 더 나은 관이 개발되면서 발전했다. 영국에서는 스탠드파이프가 높고 노출된 N자 형태의 파이프로 구성되어 압력 완화에 사용되었고, 맥동 흐름을 생성하는 경향이 있는 증기 구동 펌핑 엔진에 대한 고정 높이를 제공했다. 스탠드파이프는 또한 유량을 측정하기 위한 편리한 고정 위치를 제공했다. 설계자들은 일반적으로 라이저 파이프를 장식적인 벽돌 또는 목조 구조물로 둘러쌌다. 19세기 후반까지 스탠드파이프는 성장하는 도시의 끊임없이 증가하는 수요를 충족하기 위해 저장 탱크를 포함하도록 확장되었다.

많은 초기 급수탑은 현재 역사적으로 중요한 것으로 간주되며 전 세계의 다양한 등록 문화재 목록에 포함되었다. 일부는 아파트 또는 고급 펜트하우스로 개조되었다. 미국 뉴욕시와 같은 특정 지역에서는 개별 건물을 위해 더 작은 급수탑이 건설된다.

급수탑은 철도 노선의 기관차용 급수탑에 물을 공급하는 데 사용되었다. 초기 증기 기관차는 약 11.27km에서 약 16.09km마다 급수탑이 필요했다. 증기 기관차를 사용하는 철도에서는 기관차의 물탱크 또는 탄수차에 물을 보급하는 수단이 필요했다. 일반적으로는 워터 크레인을 1기 이상 갖춘 급수탑이 기관구 및 일부 역에 설치되어 있다.

3. 구조 및 설계

급수탑은 강철, 철근 콘크리트, 압축 콘크리트 등의 재료를 주로 사용하여 건설되며, 목재, 섬유강화플라스틱, 벽돌도 사용될 수 있다. 물이 라이닝 재료에 영향을 주지 않도록 내부 코팅으로 보호한다. 급수탑의 저수조는 구형, 원통형, 타원체 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

급수탑의 높이는 급수 시스템의 압력을 결정하며, 102mm 높이마다 의 압력이 발생한다. 30m 높이는 약 의 압력을 생성하는데, 이는 대부분의 가정 및 배수 시스템 요구 사항을 충족하기에 충분하다. 펌프를 통해 압력을 보충할 수도 있다. 저수조의 용량과 배관의 직경은 유량을 결정한다. 변동하는 수요를 충족하고, 펌프의 전력 소비량을 줄이기 위해 조키 펌프를 사용하기도 한다.

화재 진압에는 매우 많은 양과 유량이 필요하며, 급수탑이 있으면 펌프의 크기를 평균 수요에 맞출 수 있다. 급수탑은 주간에 수압을 제공하고, 수요가 적을 때 펌프가 물탑을 다시 채운다. 무선 센서 네트워크를 사용하여 탑 내부의 수위를 모니터링하고 펌프를 자동으로 제어할 수 있다.

시카고 브리지 앤 아이언 컴퍼니는 미국 전역에 많은 물 저장구와 물 구체(spheroid)를 건설했다. 물 저장구(water sphere)는 기둥 위에 큰 구체가 있는 형태이며, 구체(water spheroid)는 꼭대기가 높이보다 더 넓은 형태이다.

몇몇 급수탑의 사례는 다음과 같다.

* 뉴저지주 유니온 타운십(Union Township, Union County, New Jersey)의 유니온 워터스피어는 "세계에서 가장 높은 물 저장구"로 알려져 있다.
* 노스캐롤라이나주 어윈(Erwin, North Carolina)의 급수탑은 높이 약 66.98m이고, 의 물을 저장할 수 있다.
* 오클라호마주 브래먼(Braman, Oklahoma)의 급수탑은 카우족(Kaw Nation)이 2010년에 건설했으며, 높이가 약 67.24m이고 의 물을 저장할 수 있다.
* 오클라호마주 에드먼드(Edmond, Oklahoma)의 급수탑은 1986년에 건설되었으며, 높이가 약 66.45m이고, 의 물을 저장할 수 있다.
* 메릴랜드주 저먼타운(Germantown, Maryland)의 "어스오이드"(Earthoid)는 높이가 약 30.48m이고, 의 물을 저장할 수 있다.
* 캘리포니아주 곤잘레스(Gonzales, California)의 급수탑은 골프공 모양의 탱크가 세 개의 관형 다리로 지지되며 높이 약 약 38.10m에 이른다.
* 네덜란드 아인트호번(Eindhoven)의 아인트호번 급수탑에는 지름이 각각 10m이고 의 물을 저장할 수 있는 세 개의 구형 탱크가 있으며, 높이 43.45m의 세 개의 첨탑에 1970년에 완공되었다.

4. 작동 원리

급수탑의 높이는 급수 시스템에 정수압을 제공하며, 펌프로 보충될 수 있다. 저수조의 부피와 배관의 직경은 유량을 제공하고 유지한다. 의 높이마다 의 압력이 발생한다. 의 높이는 약 의 압력을 생성하는데, 이는 대부분의 가정용 수압 및 배수 시스템 요구 사항을 충족하기에 충분하다. 그러나 펌프에 의존하여 압력을 제공하는 것은 비용이 많이 든다. 변동하는 수요를 충족하기 위해 펌프는 최대 수요를 충족하도록 크기가 조정되어야 한다. 수요가 적은 기간에는 조키 펌프가 이러한 낮은 유량 요구 사항을 충족하는 데 사용된다. 물탑은 순환 펌프의 전력 소비량을 줄이고 따라서 고가의 펌프 제어 시스템의 필요성을 줄여준다. 이 시스템은 높은 유량에서도 동일한 압력을 제공할 수 있도록 충분한 크기여야 하기 때문이다.

화재 진압에는 매우 많은 양과 유량이 필요하다. 물탑이 있으면 펌프의 크기를 평균 수요가 아닌 최대 수요에 맞출 수 있다. 물탑은 주간에 수압을 제공할 수 있으며, 수요가 적을 때 펌프가 물탑을 다시 채운다.

무선 센서 네트워크를 사용하여 탑 내부의 수위를 모니터링하면 지자체는 고가의 데이터 케이블을 설치 및 유지 관리하지 않고도 펌프를 자동으로 모니터링하고 제어할 수 있다.

5. 장점 및 단점

급수탑은 중력을 이용하여 급수관에 수압을 공급하므로 정전이 되어도 물을 공급할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 탱크로 물을 끌어올리는 데는 전기가 필요하므로 장시간 공급을 지속하기는 어렵다.

또한, 물 사용량이 가장 많은 시간대에는 급수탑이 저수지 역할을 한다. 피크 시간대에는 수위가 낮아지고, 야간에 펌프로 물을 끌어올린다. 물이 사용되고 다시 끌어올리는 과정을 반복함으로써 한랭기에도 동파되지 않도록 하고 있다.

반면 급수의 안전을 유지하기 위해서는 충분한 수압이 필요한데, 수압이 부족하면 다음과 같은 여러 문제가 발생할 수 있다.

* 건물의 상층부까지 물이 도달하지 않을 수 있다.
* 수도꼭지에서 유량이 부족할 수 있다.
* 일부 구릉지대와 같이 급수탑이 없는 중력식 급수 시스템에서는 음압이 발생할 수 있다(사이펀 참조). 음압 발생으로 인해 지하수가 급수 시스템에 유입되어 지하수에 포함된 미생물, 먼지, 모래, 비료, 독극물 등으로 오염될 수 있다.

6. 현대적 응용

일부 급수탑은 용도가 변경되어 폴란드 브로츠와프의 Wieża Ciśnień처럼 레스토랑 단지로 활용되거나, 주거 시설로 개조되기도 한다. 일본의 이나바지 배수탑은 용도 폐지 후 연극 연습장으로 개수되었다.

증기 기관차를 사용하는 철도는 기관차의 탄수차(tender)를 보충하기 위해 급수탑을 사용했으며, 철도를 따라 급수 크레인을 통해 물을 공급했다.

독일 진델핑겐의 골드베르크 탑이나 쿠웨이트의 쿠웨이트 타워처럼 일부 급수탑은 전망대나 레스토랑으로 사용된다. 또한, 소규모 농촌 방송, 아마추어 무선, 휴대 전화 서비스와 같이 저전력 UHF 범위의 송신 시설로도 활용된다.

구릉 지역에서는 지형을 이용하여 탱크를 높이 설치하고, 탱크 상단을 조경하거나 공원으로 활용하기도 한다.

7. 한국의 급수탑

한국에서는 증기 기관차를 운행하던 시절, 기관차의 물탱크나 탄수차에 물을 보급하기 위해 급수탑이 필요했다. 기관구와 일부 역에는 워터 크레인을 1기 이상 갖춘 급수탑이 설치되었다. 초기 증기 기관차는 약 11.27km에서 약 16.09km마다 급수탑이 필요했다.

8. 세계의 급수탑

9. 장식

급수탑은 정교한 벽돌공사나 담쟁이덩굴이 무성한 큰 트렐리스로 둘러싸는 등 화려하게 장식하거나, 단순히 페인트칠을 할 수도 있다. 일부 도시에서는 항공기 조종사와 운전자의 항해를 돕기 위해 급수탑 지붕에 도시 이름을 큰 글씨로 적기도 한다. 때로는 유머러스한 장식을 하기도 하는데, 예를 들어 나란히 세워진 급수탑에 "HOT", "COLD"라고 표시하는 식이다. 미국에서 "HOT", "COLD" 표지판이 있는 급수탑을 가진 도시로는 아이오와주 그레인저, 캔자스주 캔턴, 캔자스주 프랫, 미주리주 세인트 클레어가 있다. 미네소타주 이블레스에도 한때 이러한 급수탑 두 개가 있었지만, 지금은 없다.

미국의 많은 소도시에서는 급수탑을 이용하여 지역 관광, 지역 고등학교 스포츠 팀 등 지역적으로 주목할 만한 사실들을 광고하기도 한다.

10. 대안

급수탑의 대안으로 수도관에 설치된 펌프를 사용하여 수압을 높일 수 있다. 이 방식은 더 간단하지만, 펌프 고장 시 수압 저하로 인해 오염 물질이 상수도 시스템으로 유입될 위험이 있어 공중 보건에 취약하다. 이러한 잠재적 위험 때문에 대부분의 대규모 상수도 사업자는 이 방식을 사용하지 않는다.

11. 갤러리

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