[논문]초고층 주거건물에서 굴뚝효과와 외풍영향에 인한 실내 환기 기류해석 및 평가에 관한 연구

김치완; 임태건; 안영철

doi:10.6110/kjacr.2011.23.12.828

문제 정의

따라서 본 연구에서는 부산 해운대에 위치한 D건설사의 초고층 주거건물에서의 자연 환기 및 강제 환기 방식에 따른 성능을 CFD를 이용하여 예측하고, 이를 통해 환기 성능을 검토하고자 하였다. 또한 자연 환기 및 강제 환기가 혼합된 하이브리드 환기도 고려하며, 굴뚝효과가 환기에 미치는 영향에 대하여도 파악하였다.
환기 시스템에 따른 실내 기류 및 환기 성능을 비교하기 위하여 겨울철 북서풍이 불 경우 자연 환기, 기계 환기, 하이브리드 환기, 굴뚝 효과를 고려한 하이브리드 환기에 대해 조사하였다.

가설 설정

(1) 유체의 흐름은 3차원 비정상상태, 비압축성난류 유동이다.
(2) 작동 유체는 단상이며 물성치는 변하지 않는다.
기계 환기만을 가동할 경우에는 모든 외벽의 개구부는 없다고 가정하여 내부를 밀폐하고 급기부와 배기부만을 가동하는 것으로 하여 분석하였다. Fig.

제안 방법

고층 건물에서 풍향에 따른 환기 시스템 검증을 위하여 풍향별 굴뚝효과를 적용하여 하이브리드 환기 성능에 대해 알아보았다. 각 세대의 환기 성능은 1시간 25분 후의 CO₂ 농도를 통해 비교하였다.
반복 계산 시 종속 변수들의 수렴 정도는 종속 변수의 상대 오차의 최대값이 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류 방정식 및 에너지 방정식의 경우 10^-5이하일 때 수렴된 것으로 판정하였다. 격자 의존성 검사를 실시하여 해의 정확성, 수렴성 및 계산 시간을 고려하여 격자수를 선택하였고 계산의 정확도를 높이기 위해 경계면 부근의 격자를 조밀하게 하였다.
고층 건물에서 풍향에 따른 환기 시스템 검증을 위하여 풍향별 굴뚝효과를 적용하여 하이브리드 환기 성능에 대해 알아보았다. 각 세대의 환기 성능은 1시간 25분 후의 CO₂ 농도를 통해 비교하였다.
자연 환기시 1시간 25분이 지나도 거주지 평균 CO₂농도는 2,345 ppm으로 거주지 모든 구역에서 기준 농도인 1000 ppm 이하를 만족하지 못한다. 따라서 본 초고층 건물에서는 자연 환기만으로는 요구 환기량을 만족할 수 없는 것으로 분석되었으며 자연 환기에 굴뚝 효과를 적용하여 환기 성능을 Fig. 4와 같이 알아보았다. 굴뚝 효과 고려시 복도에서의 침기에 의해 굴뚝 효과를 고려하지 않았을 때보다 거주지 평균 CO₂ 농도가 1,989 ppm으로 환기 성능은 좋지만, 이 또한 요구 환기량을 만족하지 못하는 것으로 파악되었다.
따라서 본 연구에서는 부산 해운대에 위치한 D건설사의 초고층 주거건물에서의 자연 환기 및 강제 환기 방식에 따른 성능을 CFD를 이용하여 예측하고, 이를 통해 환기 성능을 검토하고자 하였다. 또한 자연 환기 및 강제 환기가 혼합된 하이브리드 환기도 고려하며, 굴뚝효과가 환기에 미치는 영향에 대하여도 파악하였다.
부산 해운대 우동에 건설될 D건설사 초고층 주거 건물 80층 A동의 실내 기류를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
수치해석을 통해 부산 해운대 D건설사의 초고층 주거건물 A동 80층에서의 실내 기류를 분석하였으며, 자연 환기, 기계 환기 및 하이브리드 환기에 따른 기류 및 환기 성능뿐만 아니라 굴뚝 효과 영향을 고려하여 실내 기류를 분석하였다.
하이브리드 환기에 굴뚝 효과를 적용하기 위해 외벽의 경계 조건으로 굴뚝 효과에 의한 압력값을 적용하였다. 굴뚝 효과 영향을 고려하였을 경우 호흡선에서의 유속은 굴뚝 효과를 적용하지 않은 하이브리드 환기와 큰 차이 없없으며 1시간 25분 후 평균 CO₂ 농도는 585 ppm으로 굴뚝효과를 적용하지 않은 하이브리드 환기보다 성능이 떨어지는 것으로 나타났다.

대상 데이터

의 질량 분율이다. 해석 시 CO₂ 농도의 초기 조건은 선행연구⁽⁴⁾를 참조하여 거주인원 1인당 약 500 ppm씩 5인 거주시 2500 ppm이 전 공간에 균일하게 퍼져 있는 것으로 설정하였으며, 유입 공기의 농도는 일반 대기 농도인 300 ppm을 사용하였다. 또한 적정 환기량 계산 시 CO₂ 농도는 다중 이용 시설 실내 환기 기준인 1000 ppm 이하로 하였다.

이론/모형

수치 해석 시 압력과 속도를 결합하여 유동장을 풀기 위해 SIMPLE 알고리즘을 선택하였으며, 비정상상태 해석을 위하여 시간은 2계 암시적 방법(2nd order implicit scheme)을 사용하였다. 각 지배방정식의 대류항(Convective term)은 Bounded central difference scheme을 이용하여 이산화 하였다. 반복 계산 시 종속 변수들의 수렴 정도는 종속 변수의 상대 오차의 최대값이 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류 방정식 및 에너지 방정식의 경우 10^-5이하일 때 수렴된 것으로 판정하였다.
난류 유동을 해석하기 위해 Standard k–ε 모델을 사용하였으며 지배방정식으로 연속방정식, 운동량 방정식, 난류운동량 에너지 방정식, 난류운동량에너지 소산율 방정식을 사용하였다.
수치 해석 시 압력과 속도를 결합하여 유동장을 풀기 위해 SIMPLE 알고리즘을 선택하였으며, 비정상상태 해석을 위하여 시간은 2계 암시적 방법(2nd order implicit scheme)을 사용하였다. 각 지배방정식의 대류항(Convective term)은 Bounded central difference scheme을 이용하여 이산화 하였다.
환기성능을 검증하기 위해서 본 연구에서는 공기령(Age of air)을 도입하였으며 아래와 같은 추적가스 감쇄법(Tracer gas decay method)을 사용하였다.

성능/효과

(1) D건설사 80층 주거건물과 같은 초고층 건물의 경우 외벽 기밀도가 매우 높아 자연환기만으로는 요구 환기량을 만족시키지 못한다.
(2) 기계 환기의 경우, 요구 환기량은 만족하나, 가족실과 현관에서 국소적인 기류 정체가 나타난다.
(3) 굴뚝 효과를 적용한 하이브리드 환기는 굴뚝 효과를 적용하지 않은 하이브리드 환기보다 침기와 누기의 상쇄 효과로 환기량은 적으나 현관에서의 침기로 인해 국소적인 기류 정체 영역을 감소시켜 모든 구역에서 요구 환기량을 만족하였다.
16 m/s로 다소 빠른 유속을 보이나 거주자의 쾌적성에는 영향을 미치지 않는다. Fig. 6에 나타낸 바와 같이 1시간 25분 후 평균 CO₂ 농도는 583 ppm으로 요구 환기량을 충분히 만족시키는 것으로 분석되었으며, 가족실과 현관 부근 일부에서 기류의 국부 정체 지역이 생겨 CO₂ 농도가 국소적으로 1,000 ppm 이상의 수치를 보이는 것으로 분석되었다.
각 환기 시스템에 따른 환기 성능 및 호흡선에서의 기류 분포를 예측해본 결과, 호흡선에서의 기류 분포는 자연 환기를 제외한 대부분의 환기 시스템에서 유사한 분포를 보였다. 이는 자연환기의 경우 건물 외부의 다소 강한 음압의 형성에 의해 실내 기류가 유출되며 일어나기 때문에 상당히 제한적으로 환기가 발생하게 되며 기계환기의 경우는 실내에 약한 음압이 형성되도록 하여 외부로 기류가 충분한 양으로 원활히 배출되기 때문인 것으로 분석된다.
8에 나타낸 1시간 25분 후 평균 CO₂ 농도는 575 ppm으로 요구 환기량을 만족하며, 기계 환기만 수행한 경우보다 다소 우수한 환기 성능을 보인다. 거주지 각 구역에서의 CO₂ 농도도 기계 환기시보다 개선되었으며, 특히 가족실에서의 외부 침기를 통해 환기 문제가 개선됨을 확인하였다. 그러나 현관에서의 국소적인 기류 정체로 인해 1,900 ppm 정도로 여전히 높은 CO₂ 농도를 보인다.
이는 자연환기의 경우 건물 외부의 다소 강한 음압의 형성에 의해 실내 기류가 유출되며 일어나기 때문에 상당히 제한적으로 환기가 발생하게 되며 기계환기의 경우는 실내에 약한 음압이 형성되도록 하여 외부로 기류가 충분한 양으로 원활히 배출되기 때문인 것으로 분석된다. 결국 호흡선에서의 유속은 외풍이나 굴뚝 효과에 의한 영향은 크지 않고 기계 환기에 의한 영향이 절대적이며, 전체 환기 성능은 하이브리드 환기가 가장 뛰어난 것으로 나타났다. 그러나 하이브리드 환기도 국소적으로 요구 환기량을 만족시키지 못하는 문제가 있으며, 굴뚝 효과를 고려한 하이브리드 환기의 경우에 그 성능은 하이브리드 환기만 고려한 경우보다 떨어지지만 호흡선 모든 구역에서 요구 환기량을 만족하는 것으로 나타났다.
4와 같이 알아보았다. 굴뚝 효과 고려시 복도에서의 침기에 의해 굴뚝 효과를 고려하지 않았을 때보다 거주지 평균 CO₂ 농도가 1,989 ppm으로 환기 성능은 좋지만, 이 또한 요구 환기량을 만족하지 못하는 것으로 파악되었다.
하이브리드 환기에 굴뚝 효과를 적용하기 위해 외벽의 경계 조건으로 굴뚝 효과에 의한 압력값을 적용하였다. 굴뚝 효과 영향을 고려하였을 경우 호흡선에서의 유속은 굴뚝 효과를 적용하지 않은 하이브리드 환기와 큰 차이 없없으며 1시간 25분 후 평균 CO₂ 농도는 585 ppm으로 굴뚝효과를 적용하지 않은 하이브리드 환기보다 성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 이는 외벽에서의 침기와 누기 효과를 굴뚝 효과가 상쇄시키기 때문이며, 이 경우 현관에서는 복도와 내부에 약 15 Pa의 압력차이를 유발하여 복도에서 실내로 공기가 유입됨에 따라 Fig.
결국 호흡선에서의 유속은 외풍이나 굴뚝 효과에 의한 영향은 크지 않고 기계 환기에 의한 영향이 절대적이며, 전체 환기 성능은 하이브리드 환기가 가장 뛰어난 것으로 나타났다. 그러나 하이브리드 환기도 국소적으로 요구 환기량을 만족시키지 못하는 문제가 있으며, 굴뚝 효과를 고려한 하이브리드 환기의 경우에 그 성능은 하이브리드 환기만 고려한 경우보다 떨어지지만 호흡선 모든 구역에서 요구 환기량을 만족하는 것으로 나타났다.
또한 초고층 건물의 경우 기밀도가 높기 때문에 자연 환기 영향도 크지 않은 것으로 분석되었다. 따라서 각 세대별 요구 환기량을 만족하기 위해서는 기계 환기가 지배적인 영향을 미치므로 적당한 사양의 환기시스템을 각 세대별로 독립적으로 설치하여 운전하는 것이 유리할 것이라 판단된다. 그러나 기계 환기, 하이브리드 환기의 경우 시간당 0.
각 지배방정식의 대류항(Convective term)은 Bounded central difference scheme을 이용하여 이산화 하였다. 반복 계산 시 종속 변수들의 수렴 정도는 종속 변수의 상대 오차의 최대값이 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류 방정식 및 에너지 방정식의 경우 10^-5이하일 때 수렴된 것으로 판정하였다. 격자 의존성 검사를 실시하여 해의 정확성, 수렴성 및 계산 시간을 고려하여 격자수를 선택하였고 계산의 정확도를 높이기 위해 경계면 부근의 격자를 조밀하게 하였다.
여름철 남남서풍일 때, 3번 세대와 4번 세대 사이에 기류가 충돌하고 1번 세대와 2번 세대에는 후류가 발달하기 때문에 Fig. 12와 같이 3번과 4번 세대의 환기성능이 뛰어난 것을 알 수 있으며, Fig. 13과 같은 북동풍일 때는 충돌부인 1번 세대의 모든 면에서 외기가 유입되어 1번 세대의 환기 성능이 매우 뛰어났다. 대체적으로 여름철 각 세대별 환기 성능이 겨울철보다 더 좋으며, 이는 내부의 오염된 공기가 복도로 빠져나가기 때문이다.
1번 세대 배면의 후류 영향으로 1번 세대와 2번 세대 사이의 외벽에서 침기가, 1번 세대와 4번 세대 사이에서는 누기가 발생한다. 이는 다른 세대에 비해 2번 세대의 환기 성능이 우수한 결과로 나타났으며, 겨울철 서풍과 북서풍의 영향으로 충돌 세대에서는 외기의 충돌부와 후류부가 명확히 나타나 외기의 유출입을 원활하게 하여 환기 성능이 뛰어난 것으로 분석되었다. 그러나 하이브리드 환기의 경우 기계 환기가 요구 환기량을 만족하므로 각 세대별 환기량에는 큰 차이가 없다.
7에는 자연 환기와 기계 환기를 결합한 하이브리드 환기에 대한 기류 분석결과를 나타내었다. 자연 환기와 기계 환기를 결합했을 때 호흡선에서의 최대 유속은 0.17 m/s로 기계 환기 시 최대 유속보다 조금 크나 기류 분포는 기계 환기만을 수행했을 경우와 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 자연 환기시 유속이 매우 낮기 때문이며, 호흡선에서의 기류는 기계 환기에 의한 영향이 절대적이기 때문이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현대인의 경우 실내에서 생활하는 시간이 전체의 몇 %인가?	현대인의 경우 실내에서 생활하는 시간이 전체의 80∼90% 이상이며, 밀폐된 공간 내에서 오염물질이 제거되지 못하고 실내에 누적될 가능성이 매우 높아 실내 재실자에게 심각한 영향을 줄 수 있다. 실내 공기의 오염원은 재실자, 건물의 외기, 토양, 건축자재 및 건물 내 기기 등이다.
	실내 공기의 오염원은?	현대인의 경우 실내에서 생활하는 시간이 전체의 80∼90% 이상이며, 밀폐된 공간 내에서 오염물질이 제거되지 못하고 실내에 누적될 가능성이 매우 높아 실내 재실자에게 심각한 영향을 줄 수 있다. 실내 공기의 오염원은 재실자, 건물의 외기, 토양, 건축자재 및 건물 내 기기 등이다. 특히 재실자는 실내공기의 가장 큰 오염원이므로 여러 사람이 이용하는 다중 이용 시설에서의 환기는 거주자의 건강 및 일의 능률에 관련된 매우 중요한 요소이다.
	자연환기의 성능을 예측하려면 자연환기에 영향을 주는 각각의 인자들을 종합적으로 검토하여 자연환기 성능을 예측하여야 한다고 본 이유는?	건축물에서의 환기 성능을 검증하기 위한 방법은 실물실험, 모형실험 및 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 통한 수치모사 등이 있으며, CFD를 이용한 수치모사의 경우 실물실험이나 모형실험에 비해 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다. 자연환기설비는 기계를 이용한 강제환기가 아닌 건축물 주변의 자연환경(풍향, 풍속, 일사, 건물과 주변 자연환경의 축열효과, 건물 배치 등)을 이용하는 설비이다. 따라서 자연환기의 성능을 예측하려면 자연환기에 영향을 주는 각각의 인자들을 종합적으로 검토하여 자연환기 성능을 예측하여야 한다.

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