[논문]건축물 계단에서의 연돌효과 저감방안에 대한 3차원 수치해석 연구

김정엽; 김지석

doi:10.6110/kjacr.2015.27.3.152

건축물 계단에서의 연돌효과 저감방안에 대한 3차원 수치해석 연구
Study on 3D Numerical Analysis of Stack Effect Reduction in Stairwell of Building 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.27 no.3, 2015년, pp.152 - 157

김정엽 (한국건설기술연구원 화재안전연구소) , 김지석 (한국건설기술연구원 화재안전연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Stack effect on high-rise building have negative effect on living environment, energy and life-safety aspect. Thus, it's necessary to find the measure to reduce the stack effect. As a result of field test on a 31-story building, a circulating type stack effect reduction technology was developed, which supplies air in the low stairs and discharges air in the high stairs. To evaluate the performance of this circulating type stack effect reduction technology on building stairs, a 3D numerical analysis was carried out by using Momentum Loss Model for analyzing leakage flow between compartments in a building. Consequently, numerical analysis proved that the stack effect on building stairs was reduced by a circulating type stack effect reduction technology.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

앞에서 제시한 순환형 연돌효과 저감방안이 실제로 고층 건물에서 효과적으로 작동을 하는지에 대한 검토가 필요하며 구체적으로는 실내외 온도차, 건물 높이, 송풍기 풍량 등의 설계인자를 고려하여 정량적으로 어느 정도 연돌효과의 저감이 이루어지는지에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 3차원 수치해석적 방법을 이용하여 제시한 순환형 연돌효과 저감방안의 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 계단의 저층부에서 고층부로 공기의 흐름을 생성시키면 연돌효과가 감소된다는 현장실험의 결과를 공학적으로 적용하기 위하여 Fig. 7과 같은 방안을 고안하였다. 구체적 내용은 그림에서와 같이 수직풍도와 송풍기를 이용하여 계단의 저층부에서 급기그릴을 통해 공기를 급기하고 고층부에서 배기그릴을 통해 배기하는 순환형 연돌효과 저감방안이다.

제안 방법

고층의 사무실 건물에서 연돌효과에 의한 압력변화를 측정하고 열드래프트 계수(Thermal Draft Coefficient)를 이용해서 압력형성의 특성을 분석하였고,⁽²⁾ 주거용 고층 건물 2개 동에서 연돌효과의 실측 실험을 수행하여 이를 분석하였고 기밀문(Air-lock Door)를 사용하여 연돌효과를 저감하는 방안을 제시하였다.⁽³⁾ 고층 건물에서 연돌효과에 영향을 미치는 건축적 요소들을 선별해서 네트워크 모델을 이용해 이들 요소들의 영향을 정량적으로 분석하였다.⁽⁴⁾
그림에서와 같이 계단의 층수는 총 11층이고 각 층의 높이는 3 m이다. 1층과 11층에 계단과 연결되는 부속실 및 출입문을 설치하였으며, 외부와 접하는 부속실의 한 면 전체를 개구부로 처리하였다. 순환형 연돌효과 저감방안의 작동을 포함하기 위하여 1층과 11층에 덕트를 연결하였으며, 덕트의 끝면에 공기 유입구(Inlet)와 공기 유출구(Outlet)를 경계조건으로 지정하였다.
고층 건물에서의 연돌효과에 대한 연구는 국내외에서 지속적으로 이루어져 왔다. 고층의 사무실 건물에서 연돌효과에 의한 압력변화를 측정하고 열드래프트 계수(Thermal Draft Coefficient)를 이용해서 압력형성의 특성을 분석하였고,⁽²⁾ 주거용 고층 건물 2개 동에서 연돌효과의 실측 실험을 수행하여 이를 분석하였고 기밀문(Air-lock Door)를 사용하여 연돌효과를 저감하는 방안을 제시하였다.⁽³⁾ 고층 건물에서 연돌효과에 영향을 미치는 건축적 요소들을 선별해서 네트워크 모델을 이용해 이들 요소들의 영향을 정량적으로 분석하였다.
본 연구에서는 공기의 급기와 배기를 이용하여 건축물 계단에서의 연돌효과를 저감시키는 순환형 연돌효과 저감방안에 대하여 3차원 수치해석을 수행하고 정량적인 연돌효과 저감 효과를 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
한편 공기의 유출입 풍량과 함께 건축물에서 연돌효과의 작용에 영향을 미치는 인자가 실내외 온도이다. 본 연구에서는 실내온도(Ti)를 20℃로 고정하고, 실외온도(To)를 -20 - 10℃로 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 연돌효과 저감방안이 적용되지 않는 경우로서 공기 유입구과 공기 유출구의 유출입 풍량을 0으로 하였을 경우와 연돌효과 저감방안이 작동하는 경우로서 공기 유입구와 공기 유출구의 유출입 풍량을 Table 3과 같이 각각 1.0-5.0 m³/s로 변화해가며 3차원 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 연돌효과가 발생하는 상황에서의 고층 건물 대상 현장실험을 통해 고층 건물의 계단에서 연돌효과를 저감시킬 수 있는 유용한 방안을 도출하였고, 3차원 수치해석 기법을 이용하여 제시된 방안의 실효성을 파악하였으며 설계변수에 따른 정량적인 연돌효과 저감 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 연돌효과가 크게 발생하는 동절기에 Fig. 2와 같이 31층의 고층 건물을 대상으로 계단(Stair)의 저층에서 고층까지 일정간격으로 압력센서를 설치하였으며, 저층인 3층과 고층인 30층은 계단과 연결된 부속실(Lobby), 거실(Room)에서도 압력을 동시에 계측할 수 있도록 하였다. Fig.
1층과 11층에 계단과 연결되는 부속실 및 출입문을 설치하였으며, 외부와 접하는 부속실의 한 면 전체를 개구부로 처리하였다. 순환형 연돌효과 저감방안의 작동을 포함하기 위하여 1층과 11층에 덕트를 연결하였으며, 덕트의 끝면에 공기 유입구(Inlet)와 공기 유출구(Outlet)를 경계조건으로 지정하였다.
실험조건은 Table 2와 같이 전층의 계단과 부속실의 문을 닫은 상태(CASE 1), 1층의 계단과 부속실의 문을 개방한 상태(CASE 2) 및 1층과 31층의 계단과 부속실의 문을 개방한 상태(CASE 3)에서 각 측정위치의 압력변화를 계측하였다. CASE 2와 CASE 3과 같이 계단과 부속실의 문을 개방하면 계단실과 계단실 외부사이에 공기가 흐르는 유로가 형성되고 각 층의 실간 압력조건에 따라 계단실 쪽으로 공기가 흐르거나 계단실에서 계단실 외부로 공기가 배출된다.

이론/모형

따라서 틈새를 포함하는 3차원 해석을 위한 방안이 필요하며, 본 연구에서는 운동량방정식의 생성항에 “출입문의 누설유량과 출입문 전후의 압력차의 관계식”을 반영하는 Momentum Loss Model(6)을 사용하였다.
본 연구에서는 수치해석 프로그램으로서 정확성과 타당성이 검증되어 열유동 해석문제에 널리 적용되고 있는 CFX14⁽⁶⁾를 사용하였다.
앞서의 관련 연구에서는 이러한 Momentum Loss Model을 적용하여 계단에서의 연돌효과를 3차원 수치해석적 방법으로 해석하였다.⁽⁷⁾

성능/효과

(4) 순환형 연돌효과 저감방안이 적용될 경우, 연돌효과에 의해 발생하는 고층에서의 양압과 저층에서의 부압은 송풍량 증가에 따라 2차원적 관계를 가지며 압력의 절대값이 줄어든다.

후속연구

앞에서 제시한 순환형 연돌효과 저감방안이 실제로 고층 건물에서 효과적으로 작동을 하는지에 대한 검토가 필요하며 구체적으로는 실내외 온도차, 건물 높이, 송풍기 풍량 등의 설계인자를 고려하여 정량적으로 어느 정도 연돌효과의 저감이 이루어지는지에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 3차원 수치해석적 방법을 이용하여 제시한 순환형 연돌효과 저감방안의 분석을 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물에서 연돌효과를 포함하는 유동장에 대한 3차원 수치해석을 수행하기 위해서 제시되어야 하는 것은 무엇인가?	한편 건축물에서 연돌효과를 포함하는 유동장에 대한 3차원 수치해석을 수행하기 위해서는 건축물내 구획실간 틈새에 대한 해석기법이 제시되어야 한다. 본 연구의 해석모델에서 계단과 부속실 사이에 출입문의 틈새가 있는 것과 같이 건축물에는 각 구획실간 틈새가 존재하며, 이러한 틈새를 통해서 유동이 발생하게 된다.
	연돌효과는 거주환경 측면에서 어떤 문제를 야기할 수 있는가?	일례로 연돌효과로 인해 고층 건물의 난방 에너지가 5~10% 정도 손실되는 것으로 평가되고 있다. 또한 거주환경 측면에서는 출입문의 개폐가 곤란하거나 승강기의 오작동이 발생할 수 있으며, 피난문이나 승강기문의 틈새로 고주파의 소음이 발생하여 심야시간대에 심각한 문제를 야기하기도 한다. 따라서 고층 건물에서 에너지와 환경 성능의 개선을 위해서는 연돌효과에 대한 제어기술 개발과 저감방안 도출이 매우 필요하다.
	연돌효과는 무엇인가?	고층 건물에서는 동절기에 실내와 실외의 온도차로 인하여 계단이나 승강기 통로와 같은 수직통로에 공기가 상승하는 연돌효과가 발생한다. 연돌효과로 인하여 Fig.

참고문헌 (7)

The Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014, Statistical information on land, infrastructure and transport, .
Tamura, G. T. and Wilson, A. G., 1967, Pressure differences caused by chimney effect in three high buildings, ASHRAE Transactions, Vol. 73, Part 2, pp. II.1.1-II.1.10.
Jo, J. H., Lim, J. H., Song, S. Y., Yeo, M. S., and Kim, K. W., 2007, Characteristics of pressure distribution and solution to the problems caused by stack effect in high-rise residential buildings, Building and Environment, Vol. 42, No. 1, pp. 263-277.

상세보기
Yang, 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.
Kim, J. Y. and Shin, H. J., 2011, A study on reduction method of stack effect at stairwell of high-rise building, Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 5, pp. 14-20.
ANSYS, Inc., 2014, ANSYS CFX-Solver Theory Guide.
Kim, J. Y., Kim J. S., 2013, Study on numerical model of leakage flow at gap between compartments in a building, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 10, pp. 562-567.

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