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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 건축적 연돌대책안의 한계점을 개선할 수 있는 대책방안으로 E/V 샤프트 냉각시스템의 개념을 설명하고, 시뮬레이션을 통해 E/V샤프트 냉각시스템의 적용 가능성과 연돌효과 저감 성능을 검토하였다. 아울러 실제 건물에 시스템을 적용하고 실측을 통해 시스템 가동에 따른 연돌효과 저감 특성을 분석하였다.
- 돌효과 저감 성능 향상 방안을 제시하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 이러한 건축적 연돌대책안의 한계점을 개선할 수 있는 대책방안으로 E/V 샤프트 냉각시스템의 개념을 설명하고, 시뮬레이션을 통해 E/V샤프트 냉각시스템의 적용 가능성과 연돌효과 저감 성능을 검토하였다. 아울러 실제 건물에 시스템을 적용하고 실측을 통해 시스템 가동에 따른 연돌효과 저감 특성을 분석하였다.
- 건물의 규모가 크므로 연돌효과 발생이 예상되어 로비층 회전문 설치, 추가구획 설치, 엘리베이터 도어 기밀성 강화 등의 건축 계획적인 대책과 함께 E/V 샤프트 냉각시스템의 적용이 검토되었다. 따라서 E/V 샤프트 냉각시스템의 설치에 앞서 시뮬레이션을 통해 E/V 샤프트 냉각시스템의 성능 검증이 실시되었다.
- Table 1에 시뮬레이션 모델링 조건을 정리하였다. 1층을 표준대기압으로 하여 높이에 따른 외기압력 변동을 고려하였고, 외기온도는 겨울철 서울의 최저 평균온도인 -11.3℃, 내부공간은 공조공간의 경우 24℃, 비공조공간은 15℃ 로 설정하였다. 각 층의 사무공간, 홀, 샤프트공간 등은 내부구획을 기준으로 각각 하나의 존으로 모델링되었고, 샤프트 공간은 수직적으로도 노드가 연결되는 것으로 하였다.
- ② 대상 건물의 주요 공기 유동 경로는 사무실, E/V홀, E/V 샤프트 이므로 각 공간에 대한 절대압력을 측정하여 외벽, E/V 홀도어, E/V 도어에 작용하는 차압을 산출.
- ③ 각 층에 대해서 측정된 차압을 바탕으로 하여 내부압력분담률(ITDC)(5)을 산출. (내부압력분담률이란 그 층의 각 구획에 작용하는 압력의 합을 1로 하였을 때, 각 구획의 압력분담률을 말함.
- 설치된 E/V 샤프트 냉각시스템의 성능 확인을 위하여 샤프트 내부 온도측정센서의 모니터링을 통한 외기온도의 변화에 따른 샤프트 내 위치별 온도변화를 검토 하였다. 또 연돌효과에 의한 드래프트(Draft)가 크게 발생하는 로비층과 최상층(40F)에 대해서 엘리베이터 도어 개방시 통과 풍속을 측정하여 비교하였다.
- 설치된 E/V 샤프트 냉각시스템의 성능 확인을 위하여 샤프트 내부 온도측정센서의 모니터링을 통한 외기온도의 변화에 따른 샤프트 내 위치별 온도변화를 검토 하였다. 또 연돌효과에 의한 드래프트(Draft)가 크게 발생하는 로비층과 최상층(40F)에 대해서 엘리베이터 도어 개방시 통과 풍속을 측정하여 비교하였다.
- E/V 냉각시스템의 연돌 저감 효과의 평가 항목으로는 엘리베이터 도어의 개방시 통과풍속을 선정하였다. 이는 과도한 통과풍속(Draft)이 대상 건물의 연돌효과에 의한 문제점 중 하나였기 때문에 이를 지속적으로 측정하기 위함이었다.
- 10는 엘리베이터 도어 개방시에 연돌효과에 의해서 발생하는 샤프트로의 유입풍속(1F)과 샤프트에서 실내로의 유출풍속(40F)을 비교한 결과이다. 연돌효과는 외기온도에 가장 큰 영향을 받기 때문에 측정일의 외기조건을 기준으로 측정값을 보정하여 비교하였다. E/V 샤프트 냉각시스템의 가동함에 따라 1F에서의 유입풍속은 약 13% 감소하였고, 40F의 유출 풍속은 약 37% 감소하였다.
- 위의 실측 결과를 바탕으로, 기 설치된 E/V 샤프트 냉각시스템의 효과를 향상시키기 위하여 샤프트 내 급기구의 위치를 샤프트 내 하층부에 집중하는 것으로 조정하였다.
- 하층부 집중냉각이 가능하도록 하층부 2개의 급기구에서만 급기를 하도록 조정을 한 후, E/V 샤프트 냉각시스템에 대한 성능측정을 실시하였다.
대상 데이터
- 2는 대상건물의 단면을 나타낸다. 대상건물은 서울시 서초동에 위치한 S건물로서 지하 8층, 지상 41층, 연면적 197,428 m2의 대규모 사무소 건물이다. 연돌효과에 의한 공기유동의 주된 통로인 수직적 연결통로는 저층용(1F∼17F), 중층용(17F∼28F), 고층용(28F∼40F) 승객 엘리베이터와 지하주차장 셔틀용(B7∼4F), 비상용 엘리베이터(전 층)가 있으며, 이외에도 계단실 등이 있다.
이론/모형
- 시뮬레이션은 대상건물과 같이 검토지점이 많은 경우, 많은 지점에 대해 동시에 각 지점(node)의 공기특성(압력, 온도 등)과 각 지점간의 공기 유동량을 용이하게 예측할 수 있는 네트워크 시뮬레이션 기법(CONTAMW)이 사용되었다.
성능/효과
- 5는 대상 건물의 시뮬레이션 모델링의 신뢰도를 검증하기 위한 검토 결과로 위의 압력분담률의 개념을 이용하여 산출한 건물 내 각 요소의 누기면적을 시뮬레이션 입력치로 설정하여 예측한 대상 건물 40F의 각 요소의 압력분담율과 측정치와의 비교 결과이다. Fig. 5의 결과에서 알 수 있듯이 본 연구를 수행하기 위해서 실시된 대상 건물의 시뮬레이션 모델링이 실제 건물의 특성을 잘 묘사하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- E/V 샤프트 냉각시스템에 의한 연돌저감 효과를 비교하기 위해 압력차가 크게 작용하는 로비층과 최상층(40F)의 E/V도어에 작용하는 압력차를 Table 4에 정리하였다. E/V 샤프트 냉각장치를 가동함에 따라 E/V 도어에 작용하는 압력을 각 각 1F과 40F에서 25.7%, 23% 저감시키는 것으로 나타났다.
- 75℃에 미치지 못하는 결과를 초래하였다. 즉, 대상 건물의 냉각시스템 설계 시 예측한 것과 실제 냉각된 상황에 다소 차이가 나타났다. 또한, Fig.
- 연돌효과는 외기온도에 가장 큰 영향을 받기 때문에 측정일의 외기조건을 기준으로 측정값을 보정하여 비교하였다. E/V 샤프트 냉각시스템의 가동함에 따라 1F에서의 유입풍속은 약 13% 감소하였고, 40F의 유출 풍속은 약 37% 감소하였다. 40F의 저감 효과가 더 좋은 것은 냉각시스템 비가동 조건의 측정시에는 40F의 공조를 실시하지 않았으나, 냉각시스템 가동 조건의 측정시에는 40F의 공조가 실시되었기 때문에 이로 인한 실내가압효과도 있었을 것이라 판단된다.
- E/V 샤프트 냉각시스템의 급기 풍량 부족, 급기 경로 상의 열 취득, 비교적 냉각 효과가 양호한 E/V 샤프트 상부 공기의 숏-컷(short-cut ; 취출공기가 배기구로 빨려 들어가는 현상) 등으로 인해 대상 건물에 설치된 E/V 냉각시스템의 냉각효과가 제대로 발현되지 못하여 냉각시 E/V 샤프트 내에 온도 성층이 발생하였다. 즉, 균일 냉각이 이루어지지 못하여 결과적으로 E/V 샤프트 냉각시스템의 가동에 따른 연돌 저감 효과가 예상보다 적게 나타났다.
- 5℃ 감소했다. 특히, 하층부인 10층 이하의 냉각효과가 향상되었음을 확인할 수 있었다.
- 12는 엘리베이터 도어 개방시 통과풍속의 비율을 나타낸다. 하층부 집중 냉각을 통해 비가 동시에 비해 E/V 도어 통과 풍속이 1F과 40F에서 각각 41%, 48% 저감되었다. Fig.
- 13은 엘리베이터 도어에 작용하는 압력차의 비율을 나 타낸 그래프이다. 냉각시스템의 하층부 집중 냉각에 따라 비가동시에 비해 1F에서는 13%, 40F에서는 22% 정도 저감되었다.
- 결과적으로 하층부 집중 냉각에 의해 E/V 샤프트 냉각시스템의 연돌저감 효과가 향상되었음을 확인할 수 있었다.
- (1) 시뮬레이션을 통해 E/V 샤프트 냉각시스템 설계안에 대한 연돌 저감 효과를 검토한 결과, 고층건물에서 연돌 현상의 문제점의 하나인 E/V도어의 압력차를 전 층에 걸쳐 균등하게 저감 시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- (2) 설계안을 실제 건물에 적용하여 성능에 대한 T.A.B 및 측정을 실시한 결과, 설치된 E/V 샤프트 냉각시스템은 급기 경로상의 열취득, 급기 덕트 내 압력 손실 등으로 인해 급기 풍량이 제대로 확보되지 않는 등의 이유로 냉각효과가 충분히 발현되지 않는 결과를 나타내었다.
- (3) 기 설치된 냉각시스템의 성능향상 방안으로 본 연구에서 E/V 샤프트 하층부 집중 급기를 실시한 결과, 성능이 대폭 개선됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 위의 결과로부터 E/V 샤프트 냉각시스템의 냉각효과를 제대로 발현시키기 위해서는 급기경로를 짧게 하여 급기경로상의 열취득을 최소화하는 것, 덕트 내 압력강하를 최소화 하는 방안이 요구된다. 이를 위해서는 건물 설계 단계에서부터 E/V 냉각시스템의 설치 위치, 설계 풍량 등이 검토되어야만 E/V 샤프트 냉각시스템의 연돌 저감 효과를 극대화 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 위의 결과로부터 E/V 샤프트 냉각시스템의 냉각효과를 제대로 발현시키기 위해서는 급기경로를 짧게 하여 급기경로상의 열취득을 최소화하는 것, 덕트 내 압력강하를 최소화 하는 방안이 요구된다. 이를 위해서는 건물 설계 단계에서부터 E/V 냉각시스템의 설치 위치, 설계 풍량 등이 검토되어야만 E/V 샤프트 냉각시스템의 연돌 저감 효과를 극대화 할 수 있을 것으로 판단된다.
- (4) E/V 샤프트 냉각시스템의 효율을 높이기 위해서는 설계단계부터 급 배기 위치 및 급기풍량 등에 대한 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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