[논문]건축물 구획실간 틈새에서의 누설유동에 대한 수치모델 연구

김정엽; 김지석

doi:10.6110/kjacr.2013.25.10.562

건축물 구획실간 틈새에서의 누설유동에 대한 수치모델 연구
Study on Numerical Model of Leakage Flow at Gap between Compartments in a Building 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.10, 2013년, pp.562 - 567

김정엽 (한국건설기술연구원 화재안전연구센터) , 김지석 (한국건설기술연구원 화재안전연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

1D-numerical analysis of the network algorithm with the orifice equation for the relationship between pressure difference and flowrate has been mostly used to analyse leakage flow at the gap. In this study, a 3D-numerical method applying momentum loss model to the gap region in the computational domain is represented to reflect effectively the effect of leakage flow by determining the proportion of pressure difference to air passage velocity. While the 3D-numerical method is verified through the computation of the two compartments model, the numerical analysis of the stack effect in a building stairway is performed. As the temperature of air outside drops, the pressure in the upper stairway and leakage flowrate through the gap in the door rise. The change of gap area does not have an effect on pressure in the stairway for the analysis conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 건축물의 틈새유동 해석에 많이 적용되고 있는 Orifice Equation과 Momentum Loss Model 을 사용하여 건축물내 구획실간 틈새에서의 누설유동을 포함하는 3차원 열유동 해석방안을 제시하였다. 또한 이러한 해석방안을 이용해서 출입문 틈새를 포함하는 건축물 계단에서의 연돌효과에 대한 3차원 수치해석을 수행하였다.

제안 방법

(3) 또한 20층 규모의 건축물을 대상으로 화재안전기준의 피난문 틈새면적과 설계기법을 적용하고 네트워크 수치해석 알고리즘을 사용하여 급기가압 제연시스템에 의해 형성되는 건축물 내 압력장을 분석하였다.⁽⁴⁾
그림에서와 같이 계단의 층수는 총 11층이고 각 층의 높이는 3 m이다. 1층과 11층에 계단과 연결 되는 구획실 및 출입문을 설치하였으며, 외부와 접하는 구획실의 한 면 전체를 개구부로 처리하였다. 출입문의 틈새 누설유동은 Momentum Loss Model을 적용하였다.
압력차와 누설유량의 관계식에 대해서는 70～90년대에 이론식과 실험자료 도출을 중심으로 연구가 많이 수행되었다. 구획실의 틈새 누설유동에 대한 실험데이터와 차원해석을 통해서 압력차, 유량, 레이놀즈수 등의 관련 인자간 관계식 및 계수를 도출하였으며⁽⁷⁾, 이러한 연구와 이론적 분석을 바탕으로 압력차와 유량사이의 2차원 방정식을 제시하고 계수 산정을 위한 실험을 수행하였다.⁽⁸⁾
본 연구에서는 건축물의 틈새유동 해석에 많이 적용되고 있는 Orifice Equation과 Momentum Loss Model 을 사용하여 건축물내 구획실간 틈새에서의 누설유동을 포함하는 3차원 열유동 해석방안을 제시하였다. 또한 이러한 해석방안을 이용해서 출입문 틈새를 포함하는 건축물 계단에서의 연돌효과에 대한 3차원 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 건축물내 구획실간 틈새에서의 누설 유동에 대해서 수치해석 적용 모델을 제시하였고 이를 이용해서 건축물 계단에서의 연돌효과에 대한 3차원 수치해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 앞에서 검토한 틈새 누설유동의 Momentum Loss Model을 이용해서 건축물 계단에서의 연돌효과에 대한 3차원 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 우선 구획실 2개소를 연결하는 출입문의 틈새 누설유동에 대해서 3차원 수치해석을 수행하고 특성을 분석하였다. 적용한 출입문의 압력차와 누설유량의 관계식, 유동계수 및 기하학적 변수는 연기 설계 분야 대표서적(10)의 자료를 활용하였다.
수치해석에서는 구획실 A의 유입구에 대한 경계조건으로 Table 2의 누설유량값을 입력값으로 설정하여 계산을 수행하며, 구획실 A와 구획실 B 사이에 형성 되는 압력차를 검토하였다. 즉 Table 2의 오른쪽 열의 누설유량값을 구획실 A의 유입구 경계조건으로 설정하여 구획실 유동을 계산하고, 계산에 의해서 구획실간 형성되는 압력차와 Table 2의 왼쪽 열의 압력차를 비교하는 방향으로 연구를 수행하였다.
수치해석에서는 구획실 A의 유입구에 대한 경계조건으로 Table 2의 누설유량값을 입력값으로 설정하여 계산을 수행하며, 구획실 A와 구획실 B 사이에 형성 되는 압력차를 검토하였다. 즉 Table 2의 오른쪽 열의 누설유량값을 구획실 A의 유입구 경계조건으로 설정하여 구획실 유동을 계산하고, 계산에 의해서 구획실간 형성되는 압력차와 Table 2의 왼쪽 열의 압력차를 비교하는 방향으로 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 수치해석 프로그램으로서 정확성과 타당성이 검증되어 열·유동해석문제에 널리 적용되고 있는 CFX14⁽¹¹⁾를 사용하였다.
한편 다양한 구조의 출입문 틈새에서의 누설유동을 예측할 수 있는 Gap Method를 제시하였으며, 출입문 전후의 3가지 압력차 범위에 따라서 무차원 유량과 무 차원 차압간 관계를 설정하는 방정식을 도출하고 실험데이타와 비교하였다.⁽⁹⁾
환기설계 분야에서는 환기설계시 건축물의 틈새와 기밀도를 포함하는 인자가 건축물의 환기량에 미치는 영향에 대해서 네트워크 수치해석 알고리즘을 사용하여 분석하였으며,⁽⁵⁾ 건축물의 기밀성능 측정법을 바탕으로 실제 공동주택에서의 기밀성능을 측정하였으며 기밀화에 따른 에너지 절감효과를 검토하였다.⁽⁶⁾

대상 데이터

본 연구에서는 우선 구획실 2개소를 연결하는 출입문의 틈새 누설유동에 대해서 3차원 수치해석을 수행하고 특성을 분석하였다. 적용한 출입문의 압력차와 누설유량의 관계식, 유동계수 및 기하학적 변수는 연기 설계 분야 대표서적(10)의 자료를 활용하였다. 즉 Table 1과 같이 출입문의 높이는 2.

이론/모형

본 연구에서는 수치해석 프로그램으로서 정확성과 타당성이 검증되어 열·유동해석문제에 널리 적용되고 있는 CFX14(11)를 사용하였다.
1층과 11층에 계단과 연결 되는 구획실 및 출입문을 설치하였으며, 외부와 접하는 구획실의 한 면 전체를 개구부로 처리하였다. 출입문의 틈새 누설유동은 Momentum Loss Model을 적용하였다. 해석에서는 계단과 구획실의 온도를 20℃로 설정하였고 외기온도는 -20～10℃의 범위로 하였다.

성능/효과

(2) 틈새 누설유동의 수치모델을 적용한 구획실 2개소의 해석결과, 구획실 A의 유입구에서 들어온 공기가 출입문의 틈새를 통과하여 구획실 B로 흐르는 유동현상이 적절하게 재현되었다.
(3) 틈새 누설유동의 수치모델을 적용한 구획실 2개소의 해석결과, 주어진 누설유량에 대응해서 형성되는 압력차에 대해서 Orifice Equation과 수치해석의 결과값이 거의 일치하고 있으므로 Momentum Loss Model을 적용한 3차원 수치해석 모델이 틈새의 누설유동을 적절히 구현하고 있다.
(4) 계단에서의 연돌효과에 대한 해석결과, 실내온도가 20℃이고 외기온도가 -10℃인 조건에서는 계단 1층에서 약 -18 Pa정도의 부압이 형성되고 계단 11층에서 약 20 Pa정도의 양압이 형성된다. 한편 외기온도가 10 ℃인 조건에서는 계단 1층에서 약 -6 Pa정도의 부압이 형성되고 계단 11층에서는 약 7 Pa정도의 양압이 형성된다.
(5) 계단에서의 연돌효과에 대한 해석결과, 동일한 실내온도 및 출입문 틈새면적의 조건에서 외기온도가 낮아질수록 계단 11층에서 형성되는 압력이 높아지며, 출입문 틈새를 통과하는 누설유량도 증가한다.
(6) 계단에서의 연돌효과에 대한 해석결과, 동일한 실내온도 및 외기온도의 조건에서 출입문 틈새의 면적이 변화하여도 계단 11층에서 형성되는 압력은 거의 변화하지 않는다. 반면 압력차가 일정하기 때문에 출입문 틈새를 통과하는 누설유량은 출입문 틈새의 면적에 대해 선형적으로 증가하는 관계가 있다.

후속연구

한편 외기온도가 10 ℃인 조건에서는 계단 1층에서 약 -6 Pa정도의 부압이 형성되고 계단 11층에서는 약 7 Pa정도의 양압이 형성된다. 이와 같은 결과로부터 누설유동 해석모델이 연돌효과의 해석에 적절하게 적용될 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물에서 유동이 발생하는 틈새는 무엇인가?	건축물에는 출입문이나 창호의 틈새와 같이 구획실 간 틈새가 존재하며, 이러한 틈새를 통해서 유동이 발생하게 된다. 이러한 유동은 건축물에서 일어나는 다양한 열유동 현상에 영향을 미치게 되므로 이에 대한 해석방안이 필요하다.
	틈새유동이 중요한 인자로 고려되는 것은 무엇인가/	이러한 유동은 건축물에서 일어나는 다양한 열유동 현상에 영향을 미치게 되므로 이에 대한 해석방안이 필요하다. 건축물에서의 연돌현상, 환기설계, 기밀도와 에너지 해석 및 화재시 연기제어 등은 이러한 틈새유동이 중요한 인자로 고려되고 있다.

참고문헌 (11)

Yang, I. H., Yeo, M. S., Jo, J. H., and Kim, K. W., 2002, Simulation of the stack effect in high-rise buildings, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 14, No. 6, pp. 456-467.
Lee, K. H., Kim, S. M., Park, Y. H., Moon, J. S., and Sohn, J. Y., 2005, A study on the air tightness performance and stack effect characteristics in highrise apartment, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 21, No. 12, pp. 279-286.
Kim, I. Y. and Kwon, C. H., 2013, The leakage crack calculation of the fire door and the stack effect analysis, Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 46-53.

원문보기 상세보기
Kim, J. Y. and Shin, H. J., 2010, Numerical analysis on pressurization system of smoke control in consideration of flow rate of supply and leakage, Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol. 24, No. 5, pp. 87-93.
Kim, Y. D. and Kim, K. W., 2003, Simulation of the kitchen and bathroom exhaust systems in high-rise apartment buildings, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 15, No. 12, pp. 996-1006.
Leigh, S. B., 1995, An evaluation of airtightness performance and analysis of energy savings potential in apartment housing, Solar Energy, Vol. 15, No. 3, pp. 119-125.
Etheridge, D. W., 1977, Crack flow equations and scale effect, Building and Environment, Vol. 12, pp. 181-189.

상세보기
Baker, P. H., Sharples, S., and Ward, I. C., 1987, Air Flow Through Cracks, Building and Environment, Vol. 22, No. 4, pp. 293-304.

상세보기
Gross, D. and Haberman, W. L., 1988, Analysis and prediction of air leakage through door assemblies, Fire Safety Science, Proceedings of the 2nd International Symposium, pp. 169-178.
Klote, J. H. and Milke, J. A., 2002, Principles of Smoke Management, ASHRAE/SFPE.
ANSYS, Inc., 2013, ANSYS CFX-Solver Theory Guide.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증