오진환
(Dept. of Architectural Engineering, Pusan National Univ.)
,
송두삼
(Dept. of Architectural Engineering, Sungkyunkwan Univ.)
,
윤성민
(Dept. of architectural Engineering University of Nebraska-Lincoln)
,
남유진
(Dept. of Architectural Engineering, Pusan National Univ.)
Purpose: Recently, high-rise buildings are popular in korea due to high rate of land usage and cost performance in urban area. However, high-rise building causes several problems such as safety issues, cooling/heating load, stack effect, disaster prevention etc. The stack effect is one of the repres...
Purpose: Recently, high-rise buildings are popular in korea due to high rate of land usage and cost performance in urban area. However, high-rise building causes several problems such as safety issues, cooling/heating load, stack effect, disaster prevention etc. The stack effect is one of the representative problems. Even though there are many researches on stack effect, there are few studies on design guideline considering local condition. Method: This study focuses on the change of pressure distribution according to the design factors which affects the airflow in high-rise residential buildings by simulation analysis. In this study, city, building floor, stairwell door leakage area, elevator door leakage area and changes of layout were considered ad the design factor. Result: The simulation results indicate that building height and ambient air temperature are significant design factor for stack effect.
Purpose: Recently, high-rise buildings are popular in korea due to high rate of land usage and cost performance in urban area. However, high-rise building causes several problems such as safety issues, cooling/heating load, stack effect, disaster prevention etc. The stack effect is one of the representative problems. Even though there are many researches on stack effect, there are few studies on design guideline considering local condition. Method: This study focuses on the change of pressure distribution according to the design factors which affects the airflow in high-rise residential buildings by simulation analysis. In this study, city, building floor, stairwell door leakage area, elevator door leakage area and changes of layout were considered ad the design factor. Result: The simulation results indicate that building height and ambient air temperature are significant design factor for stack effect.
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문제 정의
외기 온도에 따라 압력부하가 달라지므로 방풍실 및 엘리베이터 전실 등 추가 구획 등을 일괄적으로 설치하기 보다는 각 건물의 높이나 기밀성능에 맞는 대책을 적용해야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 연돌효과에 의한 문제점을 설계 초기단계에서 고려하여 설계상의 오류와 시공 후의 문제점을 미연에 방지할 수 있도록, 설계인자가 연돌효과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 한다. Fig.
제안 방법
al11)도 CONTAM 모델의 공기유동 경로 및 속도를 CFD 모델과 비교하여 CONTAM 모델의 타당성을 증명하였다. 본 논문에서는 기존 연구에서 검증된 해석 프로그램을 이용하여 설계인자가 연돌 현상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 한다.
시뮬레이션은 국내·외 선행연구 및 사례 조사를 통하여 건물 내의 공기유동에 영향을 주는 인자(온도, 높이, 기밀성능)들과, 지하층과 1층의 구획분할을 중심으로 압력분포를 분석하였다. 기밀성능에 따른 영향을 평가하기 위하여 엘리베이터 문의 기밀성능은 누기면적 범위(225.
또한, 구획분할이 건물의 압력분포에 미치는 영향을 평가하기 위하여 지하층 로비와 1층 로비에 전실에 추가구획으로 자동문을 설치한 경우와 설치하지 않은 경우를 비교하였다. 또한, 실내의 압력차가 가장 큰 것으로 예상되는 옥탑층 및 지하층에 대해 추가구획 여부에 따른 압력분포를 검토하였다.
4는 Case 1의 해석결과를 나타낸다. 본 연구에서는 연돌효과의 영향도 평가를 위하여, 실생활에 밀접한 영향을 가지는 각종 문(계단실 문, 엘리베이터 문, 세대 현관문)의 압력차를 중심으로 시뮬레이션 결과를 분석하였다. 기존 연구15),16)를 통하여 각 부위별 적정 압력차 기준으로 층별 엘리베이터 문은 25Pa 이하, 계단실 문 및 세대 현관문은 50Pa 이하를 기준으로 평가하였다.
본 연구에서는 연돌효과에 의한 문제점을 설계 초기단계에서 고려하여 설계상의 오류와 시공 후의 문제점을 미연에 방지할 수 있도록, 연돌효과에 영향을 주는 건축적 설계인자에 대한 영향분석을 수치해석 방법을 통해 검토하였다. 그 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
본 연구의 대상 건축물은 부산광역시에 건축 예정인 초고층 아파트로서 지하 2층, 지상 45층으로 약 150m의 높이를 가지고 있다. 기준층은 Fig.
본 연구에서의 외기 온도는 겨울철 설계 최저 외기온도로 기상청의 지난 30년(1981년 ∼ 2010년) 평년값 자료를 기준으로 각각 서울 -6.5℃, 부산 -1.4℃, 제주 2.5℃로 설정하였다. 풍압 조건은 0으로 하여 외부바람의 영향을 고려하지 않았다.
적용된 저감방안은 옥탑층의 방풍실 구획, 지하층의 주출입문에 자동문으로 설치하였다. 시뮬레이션 조건으로 엘리베이터 샤프트 및 전실, 계단실의 실내 온도는 15℃, 세대 실내 온도는 20℃로 하였으며, 실내 기밀성능은 선행연구12)에서 실측한 데이터를 참조하여 설정하였다. 공기유동경로의 누기면적은 Table.
11~13는 건물 층수에 따른 각 문의 압력분포를 나타낸다. 건물 층수에 따른 각 층별 압력분포를 확인하기 위하여 Case 1, 10 11의 물 층수를 각각 45층, 47층, 50층으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
14~16은 지역에 따른 각 문의 압력분포를 나타낸다. 지역에 따른 각 층별 압력분포를 확인하기 위하여 Case 1, 12, 13을 각각 부산(외기온도 : -1.4℃), 서울(-6.5℃), 제주(2.5℃)로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
17, 18는 구획추가에 따른 각 문의 압력분포를 나타낸다. 구획변경에 따른 각 층별 압력분포를 확인하기 위하여 옥탑층 방풍실만 구획된 Base case인 Case 1과 옥탑방 방풍실이 설치되지 않았을 경우인 14, 옥탑층 방풍실과 지하층 로비에 전실을 추가 구획한 15, 3곳의 구획을 모두 추가한 16를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
데이터처리
et. al.7)이 AHSHRAE Handbook을 토대로 CFD 모델과 CONTAM 모델 비교하여 모델의 신뢰성 검증을 하였으며, W. W.
이론/모형
본 연구에서는 연돌효과의 가중원인과 그 저감방안을 고찰하기 위하여 외기온도 등 외부 환경적 요인과 출입문, 엘리베이터 문의 기밀성능 등 설계인자 등에 따른 건물 내 공기유동 및 압력 분포를 계산하기 위하여 네트워크 시뮬레이션 프로그램인 NIST에서 개발한 CONTAM 3.1을 활용하였다. 본 해석 프로그램의 신뢰성에 관해서는 Mao.
성능/효과
기존 연구15),16)를 통하여 각 부위별 적정 압력차 기준으로 층별 엘리베이터 문은 25Pa 이하, 계단실 문 및 세대 현관문은 50Pa 이하를 기준으로 평가하였다. 분석 결과, 층별 엘리베이터 문과 계단실 문 및 세대 현관문 모두 압력차 허용범위 내에 있었다.
5Pa을 나타내 기준안에 수용하였다. 세대 현관문 압력차의 경우 Case 14가 45층에서 78.54Pa로 기준을 초과하였으며, 가장 낮은 Case 16에 비해 약 48% 더 높게 나타났다.
이 결과를 토대로 구획의 변경이 다른 설계인자에 비하여 압력 분포에 미치는 영향이 크다는 것을 확인하였다. 특히, 추가 구획이 필요할 경우 옥탑층 방풍실의 구획이 건축물의 미관 및 시공비를 고려하였을 때 가장 적절할 것으로 판단된다.
첫째, 엘리베이터 문의 기밀성능에 따른 각 문의 압력분포 분석결과, 기밀하게 시공될수록 엘리베이터 문의 압력차는 높게 나타났으며, 세대 현관문은 낮게 나타났으나 그 차이는 미미하였다.
둘째, 계단실 문의 기밀성능에 따른 각 문의 압력분포 분석결과, 계단실 문의 누기면적이 증가할수록 계단실 문 및 세대 현관문의 압력차는 동일하였으며, 엘리베이터의 압력차는 감소하였고 그 차이는 최대 약 66%로 나타났다.
셋째, 지역에 따른 각 문의 압력분포 분석 결과, 북쪽 지역일수록 높은 압력차를 나타냈으며, 각 지역별로 세대 현관문의 압력차가 최대 약 43%의 차이를 나타냈다. 이 결과를 토대로 초고층 건축물 설계에 있어, 일괄적인 지침이 아닌 각 지역별 기후조건을 고려한 설계 지침이 필요하다고 판단된다.
다섯째, 구획추가에 따른 압력분포 분석 결과, 공기유동 경로에 전실이 설치되지 않은 경우와 설치된 경우를 비교하였을 때, 세대 현관문의 압력차가 최대 약 48%의 차이를 나타냈다.
후속연구
또한, 연돌효과를 저감하기 위하여 저층부 공용 공간과 고층부 구획 분할, 엘리베이터 전실 설치, 방풍실 및 회전문 설치 등 설계 및 기밀 성능에 관한 지침은 있지만, 지역조건에 따라 연간 최저 온도와 연평균 온도 등이 다르기 때문에 기존에 제시된 설계 지침을 모든 건물에 그대로 적용하기 어려운 실정이다. 외기 온도에 따라 압력부하가 달라지므로 방풍실 및 엘리베이터 전실 등 추가 구획 등을 일괄적으로 설치하기 보다는 각 건물의 높이나 기밀성능에 맞는 대책을 적용해야 할 것이다. 따라서 본 연구에서는 연돌효과에 의한 문제점을 설계 초기단계에서 고려하여 설계상의 오류와 시공 후의 문제점을 미연에 방지할 수 있도록, 설계인자가 연돌효과에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고자 한다.
셋째, 지역에 따른 각 문의 압력분포 분석 결과, 북쪽 지역일수록 높은 압력차를 나타냈으며, 각 지역별로 세대 현관문의 압력차가 최대 약 43%의 차이를 나타냈다. 이 결과를 토대로 초고층 건축물 설계에 있어, 일괄적인 지침이 아닌 각 지역별 기후조건을 고려한 설계 지침이 필요하다고 판단된다.
향후, 설계 실무자들이 초고층 건축물 설계에 있어, 설계상 오류를 미연에 방지할 수 있도록 보다 다양한 설계인자들과 압력분포의 상관관계를 정량적으로 분석하여 간이 설계툴을 개발할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연돌현상의 예는?
연돌현상은 건물 내·외부 온도차가 큰 경우에 건물 하부에서 차가운 공기가 유입되어 이 공기가 건물 내 수직적 공간(엘리베이터 샤프트, 계단실 등)을 통해 상층부로 상승하며 여러 문제를 유발한다. 예를 들면, 소음(풍절음), 출입문 개폐의 어려움, 승강기 도어 오작동, 공조제어의 어려움, 화재설비의 오작동 등이 그것이다.2) 그러나 기존의 연구들은 고층건물에서 연돌효과 문제의 규명에 많이 치중되어 있으며, 그 저감방안, 특히 구체적인 설계 지침에 대한 검토는 부족한 실정이다.
연돌현상은 어떻게 문제를 유발하는가?
연돌현상은 그 중 대표적인 문제점 중 하나이다. 연돌현상은 건물 내·외부 온도차가 큰 경우에 건물 하부에서 차가운 공기가 유입되어 이 공기가 건물 내 수직적 공간(엘리베이터 샤프트, 계단실 등)을 통해 상층부로 상승하며 여러 문제를 유발한다. 예를 들면, 소음(풍절음), 출입문 개폐의 어려움, 승강기 도어 오작동, 공조제어의 어려움, 화재설비의 오작동 등이 그것이다.
우리나라 인구 중 도시 지역에 거주하고 있는 인구의 비중은?
현재, 국토교통부의 ‘도시계획현황통계자료’를 보면 지난해 우리나라 인구의 91.66%가 도시 지역에 거주하는 것으로 나타났다.1) 이러한 인구밀집 현상에 따라 도시 지역의 건축물들도 초고층으로 건축되고 있는 실정이다.
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