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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연돌 효과에 의한 문제점을 설게 초기 단계에서 고려하여 설계상의 오류와 시공 후의 문제점을 미연에 방지할 수 있도록, 연들 효과에 영향을 주는 건축적인 자들을 선정한 후, 공기유동해석 시뮬레이션을 통하여 연돌 효과 의 영향을 평가하고자 한다.
- 여기서는 공기의 유출부에 대한 영향을 평가하기 위해서 공기유동 경로상 유출부에 해당하는 상층부의 주요 개구부인 옥상충출입문 개폐의 경우와 엘리베이터 기계실에 자연환기를 위한 개구부가 있는 경우에 대하여 연돌 효과의 영향을 평가하는 시뮬레이션을 실시하였다.
- 여기서는 최하충과 최상충에 각각 큰 개구부가 있을 경우 건물에서 압력 분포가 어떻게 변화하는지룔 평가하고 이에 따른 문제점을 검토하는 시뮬레이션을 실시하였다.
제안 방법
- (1) 출입구에 방풍실을 설치한 경우(Case fl-1) 외피의 기밀도에 따론 시뮬레이션(Case D애서 검토된 계단실문과 엘리베이터 문의 과다한 압력차 문제 룔 해결하기 위하여, Case I 모델의 건물주 주출입구 부분에 방풍실을 설치하여 그 영향을 평가하였다.
- (2) 엘리베이터 전실을 설치한 경우(Case H-2) Case U-1에서 분석한 느슨한 기밀도의 건물과 중간 기밀도의 외피를 가진 건물에서 방풍실의 설치로 해결하지 못한 엘리베이터 문의 압력차 문제의 해결방안으로, 1층에 있는 엘리베이터로 비에 자동 문이 있는 전실을 설치한 경우에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 엘리베이터 샤프트의 수직적 조닝에 따른 연돌 효과의 영향을 평가하기 위해서 45층 높이의 건물에서 엘리베이터 뱅크를 고충부(오른쪽 뱅크)와 저충부(왼쪽 뱅크)로 구분하여, 조닝이 없는 경우(Case V-2a)와 두 뱅크를 1~23충과 23-45 충으로 조닝한 . 경우(Case V-2b), 저층부는 1~23충까지만 있는 경우(Case V-2c), 그리고 저층부는 1~23충이고 고충부는 1~23층과 23~45층으로 조닝한 경우(Case V-2d)의 네 가지 엘리베이터 조닝 방안에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션 경우에 대한 설명은 Table 7에 나타나 있으며, 나머지 건물의 조건은 Case H-1의 경우와 같다.
- 계단실 문의 기밀도를 기밀(0.0087 m%!?)과 증간(0.013m%n2), 느슨(0.018 nf/nF)으로 설정하여 연돌 효과의 영향을 평가하였다.
- 공기 유출부 애서의 영향을 평가하기 위해 엘리베이터 기계실에 자연환기 롤 위한 개구부를 둔 경우 엘리베이터 샤프트 상부와 기계실애 개구부를 설치하여 개구부가 얹는 경우와 비교하였다. 그 결과, Fig.
- 이러한 외피의 기밀도를 정확하게 구하기 위한 방법은 해당 외피에 대해 실험을 하여 직접 기밀도를 측정하는 것이다. 그러나, 국내에서는 아직 건물 유형에 따른 외피의 기밀도 관련 데이터가 없으므로, 본 연구에서는 Tamura와 Shaw가 측정하여 ASHRAE® 에서 채택하고 있는 건물의 기밀도를 기준으로 하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 5 m로 계획하였다. 기본 건물의 높이는 45충으로 계획되어 있으며, 시뮬레이션에서는 필요한 경우에 높이를 변화시켜가며 연돌 효과의 영향을 평 가하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 연돌 효과의 영향평가를 위해서, 건물 내의 각종 문에서 문제점을 야기할 수 있는 압력차 롤 중심으로 시뮬레이션 결과를 평가하였으며, 문헌 조사를 통하여 계단 실문은 50 Pa(3) 압력차, 엘리베이터 문은 25Pa⑸ 압력차를 기준으로 진행하였다.
- 본 시뮬레이션을 통해서 엘리베이터 전실과 2차 방풍문 추가 시 우선순위를 검토하고, 방풍실을 둘 경우 회전문을 앞쪽에 두는 것과 뒤쪽에 두는 것 중 어느 쪽이 연돌 효과 방지 측면에서 바람직한지에 대하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 네트워크 모델 시뮬레이션을 통해 국내에서 일반적으로 설계되는 중심코어형 오피스 건물에서 연돌 효과의 영향을 평가하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 시뮬레이션 모델 건물은 고충화가 많이 이루어지는 사무소 건물을 대상으로 하였고 이중 실내가 개방형 플랜(open plan)일 경우 코어부와 건 물외피 사이의 공기유동 경로에서의 저항요소가 적어, 연돌 효과로 인한 문제가 더 심각하므로 이를 모델로 선정하였다. 실제 건물의 건축적 특성을 반영하기 위해서, 최근에 서울에 지어지고 연돌효과로 인한 문제가 발생하였던 사무소와 주상복합건물을 바탕으로 작성하였으며, 건물의 평면은 Fig. 2와 같이 구성되어 있다.
- 연들 효과의 영향평가 시뮬레이션은 국내외 사례조사와 기존 문헌연구에서 분석한 건물 내의 공기유동에 영향을 주는 인자들을 중심으로, 공기유동의 주경로를 따라 변화시켜가며 진행하였다. 아울러 높이에 따른 연돌 효과의 영향을 평가하기 위해서는 주요 인자인 건물의 높이를 5층 단위로 변화를 주었으며, 그 외의 경우에는 건물 높이를 45층으로 고정하였다.
- 엘리베이터 문의 기밀도를 단위면적 당 침기 면 적에 따라 기밀(0.020 m2/m2)과 중간(0.024 m2/m2), 느슨(0.028 m%!?)으로 설정하여 연돌 효과의 영향을 평가하였다.
- 엘리베이터 샤프트의 수직적 조닝에 따른 연돌 효과의 영향을 평가하기 위해서 45층 높이의 건물에서 엘리베이터 뱅크를 고충부(오른쪽 뱅크)와 저충부(왼쪽 뱅크)로 구분하여, 조닝이 없는 경우(Case V-2a)와 두 뱅크를 1~23충과 23-45 충으로 조닝한 . 경우(Case V-2b), 저층부는 1~23충까지만 있는 경우(Case V-2c), 그리고 저층부는 1~23충이고 고충부는 1~23층과 23~45층으로 조닝한 경우(Case V-2d)의 네 가지 엘리베이터 조닝 방안에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 여기서 국내외 사례조사(3)를 통하여 파악한 설계 초기 단계에서 변경 가능한 건축적 요소와 문헌 조사를 통하여 검토된 연돌 효과에 영향을 주는 여러 인자들을 바탕으로 연돌 효과의 영향평가를 위한 시뮬레이션 인자와 변수들을 선정하였으며, 이는 Table 2에 나타나 있다.
- 여기서는 1층 부 출입문으로부터 엘리베이터 문까지의 문의 개수, 엘리베이터 조닝, 상하 충부 개구부 비율이 연돌 효과에 미치는 영향을 평가하였으며 모델 건물은 중간 기밀도의 외피를 가진 건물로 하였으며, 기타 시뮬레이션 조건은 Case II-1의 경우와 같다.
- 연들 효과의 영향평가 시뮬레이션은 국내외 사례조사와 기존 문헌연구에서 분석한 건물 내의 공기유동에 영향을 주는 인자들을 중심으로, 공기유동의 주경로를 따라 변화시켜가며 진행하였다. 아울러 높이에 따른 연돌 효과의 영향을 평가하기 위해서는 주요 인자인 건물의 높이를 5층 단위로 변화를 주었으며, 그 외의 경우에는 건물 높이를 45층으로 고정하였다.
- 옥상충 계단실 문의 개페에 따른 연돌 효과의 영향을 평가하기 위해서 옥상 충 문이 열렸을 경 우(1D。)와 닫혔을 경우 (lDc), 그리고 옥상층 문에 방풍실을 설치하여 닫은 경우(2Dc)에 대해 시물레이션을 하였다.
- 외피의 기밀도에 따른 시뮬레이션 결과에서 분석한 코어에서의 출입문에 발생하는 문제들을 해결하기 위한 방향으로 건축적 요소를 변화시켜 연돌 효과의 영향을 평가하였다. 외부 공기가 직접적으로 실내 공기의 상승부 불인 코어로 가는 것을 막고 그 양을 줄이기 위해서 유동 경로에 건축적 저항요소(방풍실, 엘리베이터 전실)를 차례로 설치하여 연돌 효과의 영향평가 시뮬레이션을 실시하였다.
- 외피의 기밀도에 따른 시뮬레이션 결과에서 분석한 코어에서의 출입문에 발생하는 문제들을 해결하기 위한 방향으로 건축적 요소를 변화시켜 연돌 효과의 영향을 평가하였다. 외부 공기가 직접적으로 실내 공기의 상승부 불인 코어로 가는 것을 막고 그 양을 줄이기 위해서 유동 경로에 건축적 저항요소(방풍실, 엘리베이터 전실)를 차례로 설치하여 연돌 효과의 영향평가 시뮬레이션을 실시하였다.
- 일반적으로 건물 내의 공기유동은 많은 실내외의 인자에 의해서 영향을 받게 되지만, 본 연구는 건축계획 단계에서 이를 검토하고 대책을 세울 수 있는 지침개발을 위하여, 건축적 요소에 따른 연돌 효과의 영향을 중심으로 시뮬레이션을 진행하였으며, 그 시뮬레이션 Case를 정리하면 Table 4와 같다.
- 공기 유입의 주경로가 되는 주출입구로부터 1층 엘리베이터 샤프트까지의 공기유동에 따른 압력차 문제를 해결하기 위해 필요한 구획의 수를 구하기 위하여, Table 5와 같이 구획올.하는 문을 설치하였을 경우에 대하여 각 문의 압력차를 검 토하였다.
대상 데이터
- 여기서는 건물에서 공기의 수직적 상승부인 코어에 있는 각종 문의 기밀도 변화에 따른 압력 변화를 분석하고 이에 따른 문제점을 파악하는 시뮬레이션을 실시하였으며, 여기서 엘리베이터 문과 계단 실 문의 기밀도로는 단위면적당 침기면적 으로 산정한 Tamura의 데이터“"를 사용하였다.
- 시뮬레이션 모델 건물은 고충화가 많이 이루어지는 사무소 건물을 대상으로 하였고 이중 실내가 개방형 플랜(open plan)일 경우 코어부와 건 물외피 사이의 공기유동 경로에서의 저항요소가 적어, 연돌 효과로 인한 문제가 더 심각하므로 이를 모델로 선정하였다. 실제 건물의 건축적 특성을 반영하기 위해서, 최근에 서울에 지어지고 연돌효과로 인한 문제가 발생하였던 사무소와 주상복합건물을 바탕으로 작성하였으며, 건물의 평면은 Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 네트워크 모델 알고리즘을 기본으로 미국 NIST에서 개발하여 지금까지 다수의 연구에 적용되어 신뢰성을 인정받은 CONTAMW 프로그램⑺을 사용하였다.
- 여기서 공기유동량은 비선형 방정식이므로, 본 프로그램에서는 Newton-Raphson 방법에 의한 반복 계산으로 수치적 해를 구한다.
성능/효과
- (1) 밀실한(tight) 외피를 가진 건물은 엘리베이터 문에서의 문제가 50충(약 230 m) 이상의 높이에서 발생하였고, 계단 실 문의 문제는 발생하지 않았다. 중간(average) 기밀도를 가진 건물의 경우 엘리베이터 문 문제가 23층(약 100m) 이상, 계단 실 문의 문제는 39충(약 180m) 이상의 건물 높이에서 발생하였다.
- (2) 출입구에 방풍실을 설치하거나 엘리베이터에 전실을 설치한 경우, 일반 오피스 건물에서 건물 높이 28충(약 120m)까지 연돌 효과로 인한 문제들을 해결할 수 있다.
- (3) 엘리베이터 문의 기밀도가 낮을수록 엘리베이터 문의 압력차는 감소하는 것으로 나타났다. 중간 기밀도를 가진 45충(약 200 m) 높이의 건물에서 엘리베이터 문의 침기량이 적은 경우(tight), 8충(약 40m) 이하와 38층(약 170m) 이상의 엘리베이터 문에서 문제 발생 가능성을 보이고 있다.
- (4) 엘리베이터 샤프트 상부의 개구부는 연돌 효과의 측면에서는 불리하므로 개구부를 설치하지 않는 것이 유리하고, 옥상층 문의 경우 열렸을 때에는 각충에서 압력차가 과도하게 증가하는 것으로 나타났다.
- 각충에서의 엘리베이터 문에 걸리는 압력을 분석한 결과, Fig. 7에 나타난 것처럼 기밀도가 낮을수록 그 압력차는 감소하는 것으로 나타났다. 중간 기밀도를 가진 45충 높이의 건물에서 엘리베이터 문의 침기량이 적은 경우(tight), 8층 이하와 38층 이상의 엘리베이터 문에서 문제 발생 가능성을 보이고 있다.
- 결과적으로, 본 시뮬레이션 대상 건물의 경우, 밀실한 외피를 가진 건물은 엘리베이터 문에서의 문제가 50충(약 230m) 이상의 높이에서 발생하였고, 계단 실 문의 문제는 발생하지 않았다. 중간 기밀도를 가진 건물의 경우 엘리베이터 문 문제가 23충(약 100m) 이상, 계단 실 문의 문제는 39충(약 180 m) 이상의 건물 높이에서 발생하였다.
- 공기 유출부 애서의 영향을 평가하기 위해 엘리베이터 기계실에 자연환기 롤 위한 개구부를 둔 경우 엘리베이터 샤프트 상부와 기계실애 개구부를 설치하여 개구부가 얹는 경우와 비교하였다. 그 결과, Fig. 9에 나타난 것처럼 개구부가 있는 경우 엘리베이터 문에 걸리는 압력차가 3~4 Pa 증가하여 개구부가 없는 경우 2충까지만 발생하던 엘리베이터 문에서의 압력차 문제가 5충까지 중가하여 문제가 발생하였다. 이는 엘리베이터 상부에 있는 개구부로 공기가 유츨되면서 연돌효과를 촉진시켜 엘리베이터 샤프트 하부의 공 기유입이 중가되어 발생하는 것으로 판단된다.
- 그 결과, 중간 기밀도 롤 가진 건물의 경우 엘리베이터 전실의 설치로, Case U-1에서 28충이상 높이에서 발생하는 엘리베이터 문에서의 압력차 문제 룔 해결할 수 있었다 (Fig. 6의(a) 참조).
- 그 결과를 보면, Case V-2c의 고충 부 엘리베이터 뱅크에 있는 엘리베이터 문에서의 압력차 문제가 상충부 5개충에서만 문제의 가능성을 보이고 있고, 대부분의 충에서는 문제가 발생하지 않는 것으로 나타났다.
- 3은 건물 높이의 변화와 외피의 기밀도에 따라 가장 큰 압력이 걸리는 1층에서의 외피와 엘리베이터 문에 걸리는 압력차를 비교한 것이다. 그 결과를 보면, 건물 외피의 기밀도가 높을수록 실내와 외기, 엘리베이터 샤프트와 실내간의 압력차는 커지고, 이러한 압력차는 건물 높이가 높아질수록 증가하는 것으로 나타났다. 즉, 외피가 기밀할수록 외피부분에 많은 압력차가 걸리게 되고, 실내에 있는 건축적 요소에는 작은 압력차가 나타나게 된다.
- 6의(a) 참조). 그러나, 계단실 문의 경우에는 Case II-1 어서방 풍실의 설치로 계단 실 문 안팎의 압력차가 어느 정도 감소되었지만, 엘리베이터 전실을 두었을 경우에는 오히려 압력차가 과도하게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 엘리베이터 전실을 설치하였을 경우, 실내의 공기가 상대적으로 기밀해진 엘리베이터 샤프트보다 계단실로 더 많이 상승하기 때문인 것으로 판단된다(Fig.
- 또한, 출입문에 방풍실을 두 개 두는 경우보다는 엘리베이터 전실을 설치하는 것이 엘리베이터 문 및 각 출입문의 압력차를 감소시키는 효과가 큰 것으로 나타났으며, 다소 근소한 차이이지만 방풍실에 회전문을 설치하는 경우보다는 방풍실을 여닫이 문으로 계획하고 주출입문을 회전문으로 하는 것이 여닫이문에 압력차가 더 작게 나타나므로 Case V-lf의 경우보다는 Case V-le의 경우가 바람직하다고 판단된다.
- 5의 (b) 참조).반면, 느슨한 외피를 가진 건물의 경우에는 방풍실을 설치하여도 엘리베이터 문과 계단 실 문 안팎의 압력에 거의 영향이 없는 것으로 나타나, 건물 외피의 기밀도가 낮아질수록 방풍실의 설치효과가 크게 감소하는 것으로 나타났다.
- 시뮬레이션 결과, Fig. 12 예 나타난 것처럼 일반적으로 계획되어지는 Case V-2c와 같은 엘리배 이터 조닝을 하였을 경우 예는 조닝이 된 저 충부 의 엘리베이터 뱅크에서는 압력차로 인한 엘리베이터 문의 오동작문제가 발생하지 않는 것으로 나타났으나, 조닝이 되지 않은 고층부 엘리베이터 뱅크에 있는 엘리베이터 문에서는 압력차가 과도하게 중가하여 나타났다. Case들 중에서 엘리베이터 문에서의 압력차 문제가 발생하지 않는 조닝 계획은 Case V-2b와 Case V-2d의 경우이다.
- 시뮬레이션 결과, Fig. 8에 나타난 것처럼 계단 실 문에 걸리는 압력차는 기준값 50Pa보다 적게 나타나서 연돌 효과로 인한 문제점은 없는 것으로 나타났다. 압력차의 변화는 엘리베이터 문의 침기량 변화에 따른 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 계단 실 문의 기밀도가 높아지면 계단실문에 더 많은 압력이 작용하는 것으로 나타났다.
- 시뮬레이션 결과, Table 6을 보면 엘리베이터 전실을 두는 경우를 제외하고는 엘리베이터 문의 압력차가 크게 감소하지 않는 것으로 나타나, 방풍실 등의 기타 추가적인 건축적 구획은 효과가 없는 것으로 사료된다.
- 시뮬레이션 결과, 기밀한 외피를 가진 건물의 경우는 방풍실의 설치만으로 50층 이상 높이에서 발생하였던 엘리베이터 문의 압력차 문제를 해결할 수 있는 것으로 나타났다(Fig. 5의(a) 참조).
- 시뮬레이션 결과, 상하 충부를 모두 기밀하게 하는 방안이 중요하지만, 일반적인 건물의 경우 하층부 쪽에 더 많은 개구부가 존재하므로 하층부의 기밀화를 통하여 중성대의 위치를 건물의 중간 높이에 오도록 하는 것이 상충부의 압력차를 줄여주어서 문제 발생 정도를 더 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 8에 나타난 것처럼 계단 실 문에 걸리는 압력차는 기준값 50Pa보다 적게 나타나서 연돌 효과로 인한 문제점은 없는 것으로 나타났다. 압력차의 변화는 엘리베이터 문의 침기량 변화에 따른 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 계단 실 문의 기밀도가 높아지면 계단실문에 더 많은 압력이 작용하는 것으로 나타났다.
- 이는 엘리베이터 상부에 있는 개구부로 공기가 유츨되면서 연돌효과를 촉진시켜 엘리베이터 샤프트 하부의 공 기유입이 중가되어 발생하는 것으로 판단된다. 이상의 결과로부터 엘리베이터 가 운행되면서 상층부의 문이 열렸을 때 발생하는 하충부 엘리베 이터 문에서 오동작의 원인을 알 수 있다. 따라서, 엘리베이터 샤프트 상부의 개구부는 연돌 효 과의 측면에서는 불리하므로 개구부를 두는 자연환기 대신 패키지에어콘을 이용한 기계실 냉방을 하는 것이 바람직하고, 기계실 바닥과 엘리베이터 샤프트 사이에 띃려 있는 다른 개구부들도 가능하면 작게 하고 기밀하게 시공하여 상부로의 공기 유출을 즐이는 계획이 요구된다.
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