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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 기존 초고층 건물 가운데 공동주택 용도의 건축물을 대상으로 수직샤프트에 대한 실태조사 통하여 연도의 활용가능성을 검토하고, 수치계산을 통한 연도 내·외부의 압력차에 따른 연돌효과와 외부풍압에 따른 기류 유동을 분석함으로써 초고층 공동주택의 배기겸용소형풍력발전시스템을 개발하기위한 기초자료를 제시하고자 한다.
- 따라서, 본 연구는 앞선 연구사례를 바탕으로 초고층 공동주택의 범위를 30층 이상이거나 높이가 100m 이상인 건물로 기준을 정의하고 이에 해당하는 총 9개의 공동주택을 대상으로 건물별 높이에 따른 존 구획과 설비·공조샤프트 내의 수직공간의 유형 및 건축바닥면적당 설비·공조 샤프트 면적비를 조사하여 연도의 활용가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 또한, 실태조사를 통하여 활용가능한 연도를 대상으로 공기유동해석 COMTAMW 2.4 프로그램을 이용하여 연도 내·외부의 압력차에 따른 연돌효과를 분석하였고, STAR -CCM+ Ver 5.06 프로그램을 이용하여 외부풍압에 따른 연도내 기류유동을 분석하여 초고층 공동주택에서 소형풍력발전시스템 적용을 위한 고려요소를 분석하였다.
- 현장 실태조사를 통하여 초고층 공동주택에 대한 설비·공용 샤프트의 수직공간을 활용하는 방법을 크게 2가지로 나누어 첫째, 그림 4와 같이 저층부에서 초고층부 존까지 위치한 기존의 덕트를 활용하는 방안과 둘째, PS 실에 새로운 유인덕트를 매립하는 방안을 제안하며, 그 가운데 본 연구는 기존건물에 설치되어 있는 연도(보일러·발전기)를 활용하는 방안에 대하여 분석을 실시하였다.
- 지하 기계실로부터 건물 최상부까지 수직으로 위치한 관경 Ø1,2∼2,0m의 연도(보일러·발전기)를 대상으로 연도의 중성대(Neutral Plane) 하부지점(피난층 및 기계실 )에 외기유입을 유도하는 바이패스 유입관을 설치하여 연도 내·외부 압력차에 따른 기류유동을 발생시킴으로써 풍력발전에 필요한 적정 풍량을 유도하였다.
- 수치계산은 표 2와 같은 조건에서 유입관경 변화와 연도관경 변화에 따른 압력차를 분석하였다.
- 수치계산 기본조건은 대구지역을 대상으로 표 2와 같이 외기조건이 계절과 시간에 따라 변화하지만 가장 연돌효과를 촉진시키는 겨울철 2011년 2월(1개월)기간 동안 측정한 평균 외 기온 5℃를 입력값으로 설정하였으며, 실내온도는 공동주택의 난방설계기준 온도인 20℃로 설정하였다. 분석대상 B2건물은 정남향으로 배치되어 있고, 연도는 지하 3층 기계실에서 54층까지 건물 중심부의 코어 부분에 위치하며, 옥상에서 외부로 개방된 형태를 취하고 있다.
- 바이패스 유입관이 3곳에 위치할 경우, 유입관경 변화에 따른 [Case-1, 2]의 기류유동과 유입관이 2곳에 위치할 경우, 유입관경 배치변화에 따른 [Case-3∼5]의 기류유동을 분석하였다.
- 대구지역의 높이별 기류 풍속은 2001년부터2010년까지의 10년간 표준 기상 데이터를 바탕으로 Deacon식3)을 이용하여 높이에 따른 풍속을 보정하여 적용하였다. 연도의 유입풍속은 그림 9와 같이 높이 30m(Inlet 1)의 유입풍속은 2.
- 유입관경 변화에 따른 기류분석을 통하여 도출된 유입관 3곳(Inlet 1∼3)에서 연도관경이 Ø1,2m일 때, 유입관경이 Ø0.6m인 [Case-3]의 유입풍량(12, 000㎥/hr)을 기준으로 유입관경 배치변화에 따른[Case-3∼5]의 기류유동를 분석하였다.
- (1) 초고층 공동주택 수직샤프트의 공간은 공용덕트(주방 ･ 욕실), 연도(보일러 ･ 발전기), AD&PD, EPS, TPS, PS의 6종류가 존재하며, 샤프트의 수직공간을 활용하는 방법으로 저층부에서 초고층부 존까지 위치한 연도(보일러 ･ 발전기)를 활용하는 방안을 제안한다.
대상 데이터
- 국내 초고층 공동주택을 대상으로 수직샤프트의 유형분석과 활용가능성을 검토하고자 표 1과 같이 2011년 1월4일부터 3월31일까지 총 9개(서울 2곳, 청주 2곳, 대구 2곳, 부산 3곳)곳을 대상으로 건물 내부의 수직샤프트 공간의 종류 및 규모와 위치 등에 따른 실태조사를 실시하였다.
- 수치계산 기본조건은 대구지역을 대상으로 표 2와 같이 외기조건이 계절과 시간에 따라 변화하지만 가장 연돌효과를 촉진시키는 겨울철 2011년 2월(1개월)기간 동안 측정한 평균 외 기온 5℃를 입력값으로 설정하였으며, 실내온도는 공동주택의 난방설계기준 온도인 20℃로 설정하였다. 분석대상 B2건물은 정남향으로 배치되어 있고, 연도는 지하 3층 기계실에서 54층까지 건물 중심부의 코어 부분에 위치하며, 옥상에서 외부로 개방된 형태를 취하고 있다.
데이터처리
- 바이패스 유입관을 통하여 외기가 연도로 유입될 경우, 연도 내·외부의 압력차에 따른 연돌효과를 분석하고자 CONTAMW 2.4프로그램을 이용하여 수치계산을 실시하였다.
- 초고층 공동주택의 연도에서 발생하는 연돌효과에 따른 기류유동을 분석하기 위해STAR-CCM+ Ver5.06프로그램을 사용하여 표 3과 같은 조건에서 수치계산을 실시하였다.
성능/효과
- 초고층 공동주택 수직샤프트 실태조사 분석결과 엘리베이터샤프트와 계단실샤프트는 법적규준에 맞추어 일반적인 코어배치 형태를 보이는 반면, 설비·공조 샤프트는 단위평면 유형과 층별 존 구획에 따라 샤프트 위치와 면적이 다양하게 변화되었다.
- 초고층 공동주택의 높이에 따른 존 구획은 그림 1과 같이 건물 층고는 보편적으로 3.0∼3.8m로 평균 3.6m의 층고를 형성하며, 층수에 비례하여 B6(청주)건물은 최저 135m이고, B4(서울)건물은 최고 264m의 높이를 형성하는 것으로 조사되었다.
- 특히, 두드러진 변화 양상은 건물별 높이에 따른 층별 존 구획으로 인한 수직 샤프트 위치가 변하는 곳이 많은 것으로 조사되었다.
- 저층부에서 최상층까지 수직으로 공기유동이 이루어지는 설비·공용 샤프트 덕트는 크게 공용덕트(주방·욕실)와 연도(보일러·발전기), AD & PD 3종류가 있으며, 이 가운데 공용덕트의 경우는, 세대별 개별환기가 이루어지는 B1, B6건물을 제외한 7곳(B2∼5, B7∼9)의 건물에서 단위세대마다 주방과 욕실부분에 2∼3개소가 각각 설치되어 있으며, 연도는 지역난방 방식을 도입한 서울지역 B4 건물과 청주지역 B5 건물, 부산지역 B9 건물을 제외한 6곳(B1∼3, B6∼8)의 건물에 각각 발전기 및 보일러 연도가 설치 되어있는 것을 확인 할 수 있었다.
- 전체적인 면적비는 1.3∼5.6%의 비율을 보이며, 대구지역 B1 건물의 경우 5.6%로 조사대상 건물 가운데 건축바닥면적당 설비·공조샤프트 면적비가 가장 크고, 이 가운데 연도가 2.6%로 가장 넓은 면적을 차지하였으며, 공용덕트는 없고, PS실은 1.1%, 기타 샤프트는 1.2%를 차지하는 것으로 조사되었다.
- 이와 같이 초고층 공동주택 설비·공조 샤프트의 면적비는 전체적으로 6%미만인 것으로 조사되었으며, PS, 연도(보일러·발전기), AD&PD, 공용덕트(주방·욕실), EPS, TPS용도 순으로 기준층 바닥면적당 샤프트 면적이 큰 것으로 나타났다.
- 을 이용하여 높이에 따른 풍속을 보정하여 적용하였다. 연도의 유입풍속은 그림 9와 같이 높이 30m(Inlet 1)의 유입풍속은 2.06㎧로 외기풍속과의 차는 1.21㎧이고, 높이 60m(Inlet 2)의 유입풍속은 4.05㎧로 외기풍속과의 차는 0.51㎧이며, 높이 90m (Inlet 3)의 유입풍속은 4.74㎧로 외기풍속과의 차는 0.38㎧인 것으로 나타나 유입구의 높이가 낮을수록 유입풍속이 감소하는 경향을 나타냈다.
- 외기 유입관 3곳(Inlet 1∼3)이고, 연도관경 Ø1,6m일 때, 유입관경 변화에 따른 [Case-2]의 경우도 유입관경이 Ø0.6m에서 Ø1.0m으로 커질수록 토출 풍속 또한 증가하는 경향을 보이며, 유입관경이 Ø1, 0m일 때 최대 4.74㎧까지 토출 풍속이 증가하였다.
- 유입관 2곳(Inlet 1, 2)에서 연도관경이 Ø1,2m일 때, 유입관경 배치변화에 따른 [Case-3]의 기류유동은 그림 11과 같이 연도 최상부말단의 평균 토출풍속은 3.63㎧이며, 상부관경이(Ø1,0m)하부관경(Ø0.6m)보다 큰Ⅰ배치는 3.68㎧, 상부관경(Ø0.9m)과 하부관경이(Ø0.9m)동일한 Ⅱ 배치는 3.80㎧, 상부관경이(Ø0.6m)하부관경(Ø1,2m)보다 작은 Ⅲ배치는 3.43㎧의 풍속을 보여, 상･하부 동일관경배치(Ⅱ:상부관경=하부관경)형태가 토출풍속 증가에 유리한 것으로 나타났다.
- 또한, 연도관경은 큰 관경(∅ 1.6m)보다 작은 관경일수록 연도내의 토출풍속 증가에 유리한 것으로 판단된다.
- 유입관 2곳(Inlet 2, 3)에서 연도관경이Ø1,2m일 때, 유입관경 배치변화에 따른 [Case-5]의 기류유동은 그림 13과 같이 연도 최상부말단의 평균 토출풍속은 3.33㎧이며, 상부관경이(Ø0.8m)하부관경(Ø0.6m)보다 큰 Ⅰ배치는 3.44㎧, 상부관경(Ø0.7m)과 하부관경이(Ø0.7m)동일한 Ⅱ 배치는 3.28㎧, 상부관경이(Ø0.6m)하부관경(Ø0.8m)보다 작은 Ⅲ배치는 3.27㎧의 풍속을 보여, [Case-4]와 동일하게 상부관경이 하부관경보다 큰 배치(Ⅰ:상부관경>하부관경)형태가 토출풍속 증가에 유리한 것으로 나타났다.
- (2) 연도(보일러 ･ 발전기)를 활용하는 방안으로 바이패스 유입관을 설치하였을 경우, 연도내의 상승기류를 발생시키는 내 ･ 외부압력차는 유입관의 경우 관경이 증가할수록 커지는 반면, 연도는 관경이 증가할수록 압력차는 감소하였다.
- (4) 바이패스 유입관의 적정 설치 위치는 연도의 중성대 이하(대상건물 B2의 경우 108m)에 설치하여야하고, 유입관경 배치형태는 하부관경보다 상부관경이 큰 배치형태일수록 연도의 토출풍속 증가에 유리한 것으로 판단된다.
- 외기 유입관 3곳(Inlet 1∼3)의, 연도관경이 Ø1,2m일 때 유입관경 변화에 따른 [Case-1]의 기류유동은 그림 10과 같이 연도 최상부말단 높이 195m의 토출풍속은 유입관경이 Ø0.4m일 때 1.67㎧, 유입관경 Ø0.5m는 2.07㎧, 유입관경 Ø0.6m은 2.96㎧, 유입관경 Ø0.7m은 4.14㎧의 풍속을 보여, 유입관경이 커질수록 토출풍속 또한 증가하여 유입관경 Ø0.8m일 때 최대 5.28㎧까지 토출 풍속이 증가하는 것으로 나타났다.
- 유입관 2곳(Inlet 1, 3)에서 연도관경이 Ø1,2m일 때, 유입관경 배치변화에 따른 [Case-4]의 기류유동은 그림 12와 같이 연도 최상부말단의 평균 토출풍속은 3.37㎧이고, 상부관경이(Ø0.9m)하부관경(Ø0.6m)보다 큰 Ⅰ배치는 3.54㎧, 상부관경(Ø0.8m)과 하부관경이(Ø0.8m)동일한 Ⅱ배치는 3.32㎧, 상부관경이(Ø0.6m)하부관경(Ø1.1m)보다 작은 Ⅲ배치는 3.26㎧의 풍속을 보여, 상부관경이 하부관경보다 큰 배치(Ⅰ:상부관경>하부관경)형태가 토출풍속 증가에 유리한 것으로 나타났다.
후속연구
- 건물(B1∼9)별로 공통적으로 존재하는 설비·공조 샤프트 실은 EPS, TPS, PS3종류가있으나, 건축법상 EPS, TPS샤프트 실은 다른 용도로의 사용이 제한되어 있어서, PS실만이 수직공간으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 이상 본 연구는 실태조사와 CFD수치계산을 통한 연도내 연돌효과와 외부풍압에 따른기류유동 분석만이 이루어져 향후, 연도의 활용에 대한 실용성을 높이기 위해서는 연도의 본래 기능인 배기가스의 원활한 배출과 풍력발전을 위한 바이패스 유입관의 외기 유입에 따른 자동변환 제어장치에 대한 연구가 추가되어야 할 것으로 사료된다.
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