동절기 고층건물에서 연돌효과로 인해 발생하는 엘리베이터문을 통한 기류 유입 및 외피를 통한 침기 저감을 위한 공조가압방안의 적용

1.1. 연구의 배경 및 목적

우리나라는 동절기 주풍향인 북서풍으로 인해 중국발 대기오염물질의 영향을 받아 다른 나라보다 미세먼지농도가 매우 높게 나타나고 있다[1]. 외기온이 낮아지고, 건물의 높이가 높아질수록, 건물 외피의 기밀성능이 낮아질수록 고층건물에서는 발생하는 연돌효과는 증가하게 되어 건물 저층부에서 외피를 통한 침기량을 증가시키고 건물 내 수직 사프트를 통한 기류 이동량을 증가시키게 되며[2] 건물의 고층부에서는 엘리베이터문 개방시 엘리베이터 문에서 실내로 과도하게 기류가 유입되어 사용자에게 불쾌감을 유발한다. 건물 저층부에서 외피를 통한 침기는 외피의 결로 및 곰팡이 발생, 침기로 인한 저층부 재실자의 불쾌감을 유발하는 문제가 있다.

이에, 본 연구에서는 동절기 고층건물에서 연돌효과로 인한 외피를 통한 침기 및 E/V문을 통한 과도한 실내 기류 유입을 저감시키기 위하여 공조시스템을 이용한 가압방안을 적용하고자 하였다. 이를 위하여 다양한 가압방안 적용시 건물외피 및 엘리베이터 문을 통해 이동하는 기류 유동량의 변화를 분석하였다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구에서는 동계 연돌효과 발생시 저층부의 침기 및 고층부 엘리베이터 문을 통한 기류 유출량을 저감시키기 위한 공조가압방안의 도출을 목적으로 고층건물에서 수평적으로 업무공간, 엘리베이터(Elevator, E/V) 로비 및 E/V 샤프트 등 가압부위에 따른 기류 유동량 분석, 수직적 가/감압 조닝에 따른 기류 유동량 분석, 그리고 층별 동일/차등풍량 가압 등 가압량 변화에 따른 기류유동량 변화를 해석하였다.

2.1. 선행연구 고찰

2) 연돌효과 저감방안 관련 기존연구

연돌효과를 저감하기 위한 가장 효과적인 방안은 건물 외피의 기밀성능을 높이고 내부를 다중구획하는 것이다[4]. 그러나 초고층 사무소 건물은 대부분 개방된 평면을 갖고 있어 다중구획을 적용하는 것이 쉽지 않다. 이에 Tamblyn(1993)은 실측결과를 통해 초고층 사무소 건물에서 공조시스템을 이용 실내를 가압하여 연돌효과를 저감하는 방안을 제안하였고, 고층부에서는 배기 풍량을 줄여 실내를 가압하고 저층부에서는 배기풍량을 늘려 감압하여, E/V 문에 작용하는 차압이 전체적으로 감소하였다[5]. 그러나 실내 감압시 외피에서 침기가 증가하게 되므로 감압 방안은 현장적용에 한계가 있고, 가압부위 및 가압방법에 따라 층별 로 작용하는 차압에 차이가 발생하게 된다.

Tamblyn(1993)은 로비층 주출입문에 차압을 줄이기 위해 환기시스템을 조절할 경우 전반적인 E/V 샤프트의 차압이 증가한다고 나타내었고 Donald (2004)는 동절기에는 공조시스템 운영시 최소 5%이상 가압을 해야한다고 밝히고 있다[5][6]. Kim(2014) 및 Cho(2015)는 사례연구를 통해 고층존에서 층별 동일 풍량 가압으로 고층용 E/V 문의 차압을 저감시켜 연돌효과로 인한 오작동 및 소음문제를 해결하였다[7][8]. YU(2017) 및 YU(2021)는 공조가압을 방안 적용시 전층가압보다 상부층을 가압하는 것이 효과적임을 밝혔으며[9][10], 박지수(2015)는 연돌효과로 인해 E/V 문에 발생하는 과도한 차압문제를 해결하기위하여 층별 차등가압방안을 제안하였고 시뮬레이션을 통해 다양한 가 · 감압 방안에 대한 평가를 수행하였다[11]. 제안된 연돌현상 제어기준은 ASHRAE 보고서에서 E/V 문의 오작동 및 소음 등의 문제가 발생하지 않는 E/V 문의 권고차압기준인 25Pa이었다[12].

Table 1.

Simulation Conditions for Pressurization/De-pressurization

2.2. 연돌현상 제어를 위한 차등가압방안 개요

기존 연구들은 주로 초고층 건물에서 E/V문의 오작동을 해결하기 위한 연구에 집중되어 있고 저층부에서 외피를 통해 유입되는 침기 및 고층부 E/V 문을 통해 실내로 유출되는 기류로 인한 문제를 해결하기 위한 연구는 부족하다. 이에 본 연구에서는 이를 해결하기 위하여 박지수 (2015)에서 검토한 다양한 가 · 감압 조건 및 층별 차등가압방안에 대하여 각각의 조건별 외피 및 E/V 문을 통한 기류 유동량을 평가하였다[11]. 제안된 층별 차등가압방안에서 가압전 · 후 차압 및 기류분포 개념도는 Fig. 1.과 같고, Fig. 2.는 각층별로 E/V문의 차압을 기준으로 산출된 가압량 분포로 층별 가압량은 (Eq. 1~3)를 통해 산출되었다[11].

Fig. 1.

Distribution of Pressure Differences caused by Stack Effect (a: Base case, b: Pressurization at High-rise Zone)

Fig. 2.

Pressure Differences (a) & Pressurized Air Volume (b)

여기에서, Q_ｓ는 연돌효과로 인한 유동풍량 [㎥/s], ρ는 공기밀도, C_D는 무차원 유동계수 0.65, A는 개구부면적 [㎡], ΔΡ_ｓ는 연돌효과로 인한 차압 [Pa], Q_Pi는 i층 가압풍량 [㎥/s], K_P는 가압상수, ΔP_Pi는 i층의 가압을 위한 차압 [Pa], ΔP_Si는 i층 E/V문 차압 [Pa], ΔP_So는 o층 E/V문 차압 [Pa]을 나타낸다.

3.1. 평가모델 개요 및 평가방법

평가대상 건물 모델 및 각 Case 별 설정조건은 박지수(2015) 논문에 적용된 모델과 동일하게 가 · 감압 조건을 구현하였다[11]. 평가 대상 건물 모델은 60층 규모의 초고층 사무소 건축물로 Fig. 3.과 같이 업무공간인 사무실, E/V 홀 및 E/V 샤프트로 모델을 단순화하여, 다양한 조건의 가압·감압 방식을 적용하였을 때의 건물의 외피를 통한 침기량과 E/V 샤프트에서 E/V 문을 통해 사무실로 유입되는 기류량을 산출하여 비교 · 분석하였다. 이를 통해, 최종적으로 외피를 통한 침기량과 E/V 문을 통해 사무실 내부로 유입되는 기류량을 동시에 최소화 할 수 있는 공조 운영방안을 찾고자 하였다.

Fig. 3.

Simulation Model (The 1st Floor and the Typical Floor)

각 방안별 평가는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 다중존 유동기류 네트워크 해석프로그램인 CONTAM 3.1을 활용하였다[13]. Fig. 3.과 같이 평가대상 모델에 적용된 실내 온도는 22℃, 외기온도는 –11.9℃(서울지역 설계외기온도, TAC 2.5%)이며[14], 건물의 외피 및 E/V 문의 기밀성능은 박지수 (2015)와 동일하게 Tamura(1994)를 기준으로 적용하였다[4][11]. 여기에서 E/V 홀 출입문은 평상시 빈번하게 개방되므로 열린 것으로 가정하였다. 평가 모델의 기준층 층고는 4m, 1층의 층고는 8m, 사무실 바닥면적은 1,000㎡, E/V샤프트 및 E/V로비 바닥면적은 모두 100㎡이다[11]. 결과 분석시, E/V 문 및 외피를 통해 실내로 유입되는 기류량을 평가하기 위하여 E/V사프트에서 E/V 문을 통해 실내로 유입되는 기류를 “+”값으로, E/V 문을 통해 E/V 샤프트로 유출되는 기류를 “-” 값으로 나타내었다. 건물 외피에서도 외부에서 실내로 유입되는 기류를 “+”값으로, 외피를 통해 실내에서 외부로 빠져나가는 기류를 “-”값으로 나타내었다.

3.2. 가 · 감압 위치 및 풍량별 압력분포 분석조건

평가에 적용된 Case는 Table 2.과 같다[11]. Basecase는 가압 또는 감압을 하지 않는 조건이며 Case1, 2 및 3는 각각 사무실, E/V로비, E/V샤프트를 가압하는 조건으로 건물 전층을 가압한다. Case4는 건물 로비인 1층을 가압하며, Case5는 31~60층 사무실을 가압하고, Case6은 1~30층 사무실을 감압하고, Case7은 31~60층 사무실은 가압하고 1~30층 사무실은 감압한다. 마지막으로 Case8은 31~60층, 26~60층, 19~60층 사무실을 가압하였으며 각층별로 Basecase에서 E/V문에 작용하는 차압을 기준으로 (Eq. 1~3)을 적용하여 가압량을 산출하여 적용하였다. 가 · 감압시 풍량변화에 따른 압력변화를 파악하기 위하여 층당 가압풍량(Q_Pi) 및 층당 감압풍량(Q_Pi)는 사무실 공간의 체적 4,000㎥을 기준으로 환기횟수 1.5회인 6,000CMH, 3회인 12,000CMH를 적용하였다. 단, Case7의 경우 E/V샤프트는 사무공간이나 E/V 로비공간에 비하여 공간부피가 작고 상대적으로 기밀성능이 높으므로 Q_Pi를 줄여서 3,000CMH, 6,000CMH로 설정하였다. 층별 차등 가압방안인 Case 8에서는 최상층 60층부터 하부층으로 가압범위를 확대하였으며 최종 가압이 완료된 층(F_o)을 기준으로 결과를 분류하였다. 최종 가압층은 31층, 26층, 19층까지 3가지 조건에 대해 분석하였고, 가압 총량은 3조건 모두 약 385,000CMH로 동일하게 설정하였다. 해당 가압 총량은 최종적으로 차압이 가장 크게 발생하는 1층 E/V문의 차압을 연돌효과 저감 기준인 25Pa 이내로 줄일 수 있는 최소 가압량이다[12].

Table 2.

Simulation Conditions for Pressurization/De-pressurization

층별 가압량(Q_Pi)은 (Eq. 2)를 적용하였고, 층별 가압량은 E/V문에 작용하는 차압에 비례하므로 차압이 가장 큰 60층에서 가장 큰 값을 나타내고 가압이 완료되는 층에서 가장 작은 값을 나타낸다. 31층까지 가압하는 경우 60층에서 31층까지 가압량은 13,700~8,600 CMH이며, 19층까지 가압하는 경우 가압량은 60층에서 19층까지 12,000~3,500CMH이다.

4.1 평가대상 모델에 대한 동절기 압력분포 해석결과

Fig. 4.는 시뮬레이션을 통해 평가대상 건축물인 60층 규모의 고층 사무소 건축 모델에 대하여 공조 가 · 감압이 없는 Basecase에 조건에서 주요층의 건물의 외피 및 E/V 문을 통해 사무실로 유출입되는 기류를 나타낸다. 여기에서 1층 외피의 기류 유동량은 2개의 회전문 및 외피를 통한 기류량을 모두 합한 값이며 E/V문을 통한 기류 유동량도 층별 4개의 E/V문에 대한 기류량을 모두 합한 값이다.

Fig. 4.

Distribution of Airflow Rate in Base case

Fig. 5.는 Base Case에서 외피 및 E/V문을 통한 기류 유동량 분포를 산출한 결과이다. 본 건물은 중성대가 30층에 위치하고 그 이하에서는 외피를 통해 침기가 발생하는 것으로 나타났으며 1층에서 최대값인 9,334CMH이었다. 30층 이상에서는 E/V 문에서 실내로 기류가 유입되었고 60층에서 최대값이 6,341CMH이었다. 이때, E/V로비 출입문은 열린 것으로 가정하여 기류는 모두 실내로 유입된다. 이때, 외피를 통한 침기 총량은 118,728CMH 이었고 E/V 샤프트를 통해 상승하여 고층부에서 실내로 유입된 기류총량도 118,728CMH로 같았다. 가 · 감압을 적용하지 않은 Base Case의 경우 중성대는 30층이었으며, E/V문에서는 중성대 이상의 모든 층에서 기류가 실내로 유입되었고 최상층인 60층에서 6,341CMH로 가장 많은 양이 유입되었다. 외피에서는 중성대 이하의 모든 층에서 기류가 실내로 유입되었고 1층에서 9,334CMH로 가장 많은 양이 유입되는 것으로 나타났다.

Fig. 5.

Airflow Rate of Critical Floors in Base case

4.2 가압 및 감압 조건별 압력분포 평가 결과

Fig. 6.은 Case1∼4, Fig. 7.은 Case5∼8에서 주요층에 대하여 적용된 가 · 감압조건별 외피 및 E/V문을 통한 기류 유동량 및 기류 방향을 산출한 결과이다.

Fig. 6.

Airflow Rate of Critical Floors in Case1~4

Fig. 7.

Airflow Rate of Critical Floors in Case5~8

Fig. 8.은 Case1∼4, Fig. 9.은 Case5∼8에 대하여 사무실 내부로 유출입되는 기류량을 산출한 결과이다.

Fig. 8.

Distribution of Airflow Rate in Case1∼4

Fig. 9.

Distribution of Airflow Rate in Case5∼8

건물의 모든 층에서 사무실 내부를 가압하는 Case 1에서는 가압량 증가시 사무실로의 유입량이 줄어 각층을 12,000CMH로 가압하는 조건에서 유입량이 전체적으로 다른 Case보다 작게 나타났다. 이때, 60층 E/V문의 유입량 가장 큰 값으로 3,521CMH를 나타냈다. 건물의 모든 층에서 E/V로비를 가압하는 Case2에는 Case1과 동일한 패턴을 나타냈으며 60층 E/V문에서 최대 유입량인 3,510CMH을 나타냈다. 건물 전체에서 E/V사프트를 가압하는 Case3에서는 가압량이 커질 수록 E/V문을 통합 유입량은 증가하고 외피를 통한 침기량은 감소하였다. 로비인 1층을 가압하는 Case4에서는 가압량이 증가할 수록 1층 외피의 침기량은 감소하였으나 다른 층에서는 모든 Case에서 Basecase와 거의 유사한 값을 나타냈다.

31~60층을 가압하는 Case5에서는 가압량이 늘어날수록 외피의 침기량은 감소하였으나 E/V문의 유입량이 30층 이하의 층에서 증가하였다. 1~30층을 감압하는 Case6에서는 감압량이 늘어날수록 31층 이상의 E/V문을 통한 유입량은 감소하였으나, 30층 이하의 E/V문 및 전체 건물 외피의 침기량은 증가하였다. 31~60층은 가압하고 1~30층은 감압하는 Case 7에서는 가 · 감압량 6,000CMH에서 E/V문을 통한 유입량이 전체적으로 감소하였으나 외피의 침기량은 30층 이하에서 증가하였다. 마지막으로, E/V문의 차압에 따라 층별 가압량을 다르게 적용한 Case8에서는 19~60층까지 가압시 E/V문 및 외피의 침기량이 동시에 가장 많이 감소하는 것으로 나타났다.

4.3 가압 및 감압 조건별 사무실 내 유입기류량 평가 결과

최종적으로 각 Case 별로 E/V문 및 외피를 통해 사무실로 유입되는 기류량을 산출하였다. Fig. 10.에서와 같이 사무실 내부 의 전체 또는 상부존을 가압하는 Case 1, Case 5 및 Case 8과 사무실과 같은 실내 공간인 E/V 홀을 전층 가압하는 Case 2에서 전반적으로 사무실내로 유입되는 기류량이 낮게 나타나 효과적인 운영 방안인 것으로 평가되었다.

Fig. 10.

Infiltration Airflow Rate into Office Room through Building Envelope and E/V Door according to Cases

그러나, 사무실 내부가 아닌 E/V 샤프트 내부를 가압하는 Case3의 경우 가압량이 늘어날수록 E/V문을 통해 실내로 유입되는 기류량이 증가하게 되고, 건물의 저층부를 감압하는 Case6 및 Case7은 가압량이 증가할수록 외피를 통한 침기량을 증가시키므로 적절치 않은 방안으로 평가되었다.

모든 Case 중 건물의 중성대 이상층을 각 층 E/V문에 작용하는 차압을 고려하여 가압하는 층별 차등가압방안인 Case8이 E/V문 및 외피의 침기량을 효과적으로 감소시키는 것으로 평가되었으며 건물 높이의 30%의 지점인 19층에서 가압을 시작하여 60층까지 가압하는 경우가 가장 침기량이 작게 나타났다. Basecase에서 E/V문을 통한 유입량은 118,728CMH, 외피의 침기량은 118,728CMH인 반면, Case8 19~60F에서는 E/V문의 유입량은 27,438CMH, 외피의 침기량은 9,331 CMH으로 산출되었다. 따라서, Case8 19~60F 조건에서 Basecase보다 E/V문의 유입량이 77% 저감되었고, 외피의 침기량은 92% 저감되어 해당 방안이 E/V문의 유입량 및 외피의 침기량을 저감시키는 데에는 가장 효과적인 방안으로 평가되었다.

그러나, Fig. 11.은 층별 가압량은 나타내는데 대상 건물에서 환기를 위한 공조시스템의 신선OA 도입량을 환기횟수 1.5회인 층당 6,000CMH로 가정시 건물 전체의 OA 도입량은 360,000CMH이 되는데, 층별 차등 가압방안 적용시 추가되는 OA도입량은 139,639CMH로 기존 공조운전시 OA 도입량 대비 약 39% 증가하며, 기존 연구[7]의 식(4)에 서울지역 설계외기온도 적용시 5290.6 MJ/h의 추가적인 에너지가 소요되는 것으로 나타났다.

Fig. 11.

Pressurized Air Volume (Case8 19-60F)