우리나라처럼 사계절이 있는 지역은 여름은 덮고 겨울은 춥다. 

그러니 설비 기술자들은 이러한 기후에 민감하지 않을 수 없다. 

특히, 설계 기술자는, 여름에는 냉방만 잘되면 되지만, 겨울에는 난방이 잘 될 뿐만 아니라, 시설에서의 동파가 발생하지 않게 

동결에 대한 확실한 조치도 취해야 한다. 그래야 명 설계자다.

여기서, 동파(凍破, frozen to burst)란 물이 얼어서 배관이나 용기 등 장비가 파괴된 결과이며, 

동결(凍結, freezing)은 내부의 물이 얼음으로 변하는 과정이다. 그러므로 동결은 동파의 전 단계인 것이다.

그러면, 물은 왜 동결하는 것인가? 이유는 간단하다.. 열손실 때문이다.

열은 온도가 높은 쪽에서 온도가 낮은 쪽으로 이동하므로, 배관 내 물의 온도가 7℃이고 외기온도가 -4℃라면 

물이 가진 열은 외기로 이동하게 된다. 

열은 kcal로 나타내며, 1 kcal는 “1 kg의 물을 1℃ 상승시키는데 필요한 열량“으로 정의한다. 

즉, 물 1 kg으로부터 1 kcal의 열을 빼내면 온도는 1℃ 낮아지고, 열전달이 계속되면 0℃까지 떨어져 결국은 동결될 것이다. 

이와 같은 원리로 ”물의 양을 조절하면 온도의 변화에 영향을 줄 수 있다“는 사실을 알 수 있다. 

체적이 10 L와 20 L인 2개의 용기가 있다고 치자. 이 용기 내의 물이 모두 동결되려면 큰 용기는 적은 용기에 비하여 두 배의 열을 빼내야 한다. 

연못도 똑갇다. 가장자리는 얕지만 가운데는 깊다. 물이 깊은 부분은 동결 속도가 느리다. 

물의 양이 많으므로 동결되기 위해서는 많은 열의 이동이 필요하여 동결온도에 도달하는 시간이 길어지기 때문이다.

여기서 동결의 핵심은 ”존재하는 물의 양과 물로부터 발생하는 열손실율“로 계산할 수 있음을 알 수 있고, 

물이 동결하면 팽창한다는 지식으로 산업에 유용하게 활용할 수 있는 동결방지방법을 찾을 수 있다. 

물의 비중은 1이지만 얼음은 0.9168 이다. 

그래서 물보다 얼음의 체적은 9% 증가되므로 더 넓은 공간이 필요하게 되고, 그 공간이 제공되지 못하면 동파가 일어날 수 밖에 없다.

추가 공간을 제공하는 가장 좋은 방법은 물을 제한된 공간 밖으로 흐르게 하는 것이다.

그러한 용도 만들어진 것이 동결방지밸브(freeze protection valve, FPV)라는 것이다.

미국과 캐나다를 비롯한 북미지역 국가들이 동파로 인한 막대한 손실을 줄임으로써 경제적 효과를 누리고 있다며 

“작은 비용으로 확실한 효과를 볼 수 있는 방법”이라고 말하는 것이다.

유비무환(有備無患)이라, 올 겨울의 동파 대비로 고려해 볼만 하지 않은가.