KR100731328B1 - 건물의 샤프트 냉각장치 및 방법 - Google Patents

건물의 샤프트 냉각장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

외기와 통하도록 된 샤프트의 상,하부를 샤프트 내부의 압력분포에 따라서 개방범위를 조절하여 연돌효과를 효율적으로 줄일 수 있는 건물의 샤프트 냉각장치 및 냉각방법에 관한 것이다.
그러한 건물의 샤프트 냉각장치는, 건물의 엘리베이터 샤프트 내부 및 건물 외부에 각각 설치되어 샤프트 내부와 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 차압센서 및 온도센서와, 상기 샤프트 상,하부에 연결되어 외기가 유입되거나 배출시키기 위한 통로인 덕트와, 상기 덕트 내부에 각각 설치되어 샤프트 내부로 유입되는 풍량을 조절하기 위한 전동댐퍼와, 상기 차압센서 및 온도센서에서 측청된 차압 및 온도 데이터를 전달받아 샤프트 내부와 외기간의 압력 또는 온도차가 일정범위를 초과하면 상기 전동댐퍼를 구동시켜 샤프트내로 외기를 유입시키거나 배출시키는 제어부를 포함하는 건물의 샤프트 냉각장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 건물의 엘리베이터 샤프트 내부 및 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 단계, 상기 단계에서 측정된 엘리베이터 샤프트와 건물 외부의 압력 및 온도 데이터를 전달받아 엘리베이터 샤프트와 건물 외부의 압력차 및 온도차를 구하는 단계, 상기에서 구한 엘리베이터 샤프트와 외기의 압력차 또는 온도차가 일정 수준을 초과할 경우 엘리베이터 샤프트 상,하부에서 외기와의 압력차를 측정하고, 이 측정된 압력차에 따라 샤프트 상,하부에 외기와 통하도록 각각 연결된 개구부를 적절한 비율로 개방하여 엘리베이터 샤프트 내부의 압력분포에 변화를 주지 않고 외기를 샤프트 내부로 직접 순환 시켜 샤프트를 냉각함으로써 샤프트와 외기간의 압력차를 줄여 연돌효과를 저감시킬 수 있는 건물의 샤프트 냉각방법을 제공한다.
연돌효과,샤프트냉각,차압센서,온도센서,전동댐퍼

Description

건물의 샤프트 냉각장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR SHAFT COOLING OF BUILDING}
도 1a는 본 발명의 건물의 샤프트 냉각장치를 설명하기 위하여 건물 전층의 개구부의 면적이 일정할 경우 건물의 내외부 압력프로파일을 나타내는 도면.
도 1b는 본 발명의 건물의 샤프트 냉각장치를 설명하기 위하여 건물 저층부의 개구부 면적이 넓을경우 건물의 내외부 압력프로파일을 나타내는 도면.
도 1c는 본 발명의 건물의 샤프트 냉각장치를 설명하기 위하여 건물 고층부의 개구부 면적이 넓을경우 건물의 내외부 압력프로파일을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 건물의 샤프트 냉각장치를 설명하기 위하여 건물내부의 샤프트 냉각에 의하여 건물 내외부의 압력차이가 변화된 것을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 의한 건물의 샤프트 냉각장치의 설치상태를 나타내는 건물의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 건물의 샤프트 냉각장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면.
본 발명은 건물의 샤프트 냉각장치 및 냉각방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기와 통하도록 된 샤프트의 상,하부를 샤프트 내부의 압력분포에 따라서 개방범위를 조절하여 연돌효과를 효과적으로 줄일 수 있는 건물의 샤프트 냉각장치 및 냉각방법에 관한 것이다.
일반적으로 오피스 및 주상복합 등에 설치되는 중심코어형 엘리베이터 샤프트 내부는 외기와 면하는 면이 없고 전체가 실내측과 면하고 있기 때문에 오랜 시간 난방을 하게 되면 실내와 거의 동일한 온도를 나타낸다. 따라서 외기와의 온도차이가 크게 되는 겨울철의 경우, 샤프트 외기와의 온도차가 커지게 되며 이로 인해 공기의 밀도 차이가 발생한다. 샤프트와 같이 수직으로 연속되어 있는 공간에서는 높이에 따라 외기와의 압력차이가 커져 여러가지 문제가 발생한다.
이와 같이 건물의 내부와 외부에 온도차가 있을 경우 공기밀도 차이가 있으며, 이 공기밀도 차에 의한 압력차에 의하여 건물에는 연돌효과가 발생한다.
연돌효과란 건물 실내측에 엘리베이터 샤프트와 같은 수직 공간이 존재하여 건물의 높이가 늘어남에 따라 실내외 온도차에 따른 공기 밀도의 차이로 외기와 압력차이가 발생하여 그 압력의 힘으로 건물내에 공기의 유동이 발생하는 현상을 말한다. 이러한 압력차 및 공기의 유동으로 인해 냉난방 불량, 소음발생, 문의 개폐불량, 엘리베이터 오작동 등의 문제가 발생한다.
통상적으로 연돌효과의 대책으로 고려되는 건물 외피의 기밀성능을 높이거나 건물내부에 추가구획을 설치하는 것은 공기의 유동량을 줄여주거나 실내에 압력을 적절히 분배하여 연돌효과의 피해를 줄여줄 수 있으나, 공기의 밀도차에 의해 발생 하는 근본적인 압력차는 줄여 줄 수 없다.
따라서 연돌효과를 발생시키는 실내와 외기의 압력차를 줄이기 위해서는 실내의 공기 기둥(샤프트 내부)의 온도를 낮추어 연돌효과를 일으키는 근본 원인인 연돌효과의 크기(Stack Pressure) 차체를 줄여주는 방법이 가장 효과적이다.
이와 같이 연돌효과의 크기를 줄이기 위하여 여러가지 방법과 장치들이 제안되어 있다. 이러한 종래기술은 예를 들면 특허공고 제1986-001317의 경우 건물이 지어진 후 엘리베이터 샤프트와 실내간의 압력차를 측정하고, 외기와 샤프트 내부의 압력차가 측정한 샤프트와 실내간 압력차와 같은 압력이 될 때까지 샤프트를 냉각하여 샤프트와 실내간의 차압을 "0"으로 만드는 것으로 되어 있다.
그러나, 상기 기술 내용 중 샤프트 상하부를 통해 외기를 유입/배출 한다는 내용은 있으나, 각 개구부의 면적 및 유입되는 유량에 대한 조절 부분이 없어 실제 적용시 샤프트 내부의 압력 변화에 의해 건물의 다른 부분에 걸리는 압력이 증가하여 압력차 문제를 악화시킬 가능성이 높다.
또, 샤프트와 실내와의 압력이 항상 일정한 것이 아니라 샤프트와 외기와의 압력이 실내 구획간 개구부 면적 비에 의해 분배되어 나타나는 것으로 샤프트와 외기와의 압력이 변하면 샤프트와 실내와의 압력도 그 범위내에서 다시 변하기 때문에 이러한 방법으로는 샤프트와 실내간 차압을 "0"으로 만드는 것은 불가능하다.
또, 상기 기술내용의 청구항의 내용과 같이 사프트 내부를 외기와 거의 같게 하면 엘리베이터 도어 및 샤프트 내부 결로에 의해 심각한 문제를 발생 시킬 수 있다.
또한, 종래의 샤프트 냉각장치인 등록실용신안 제0380442호 경우, 샤프트 하부에 개구부를 뚫고 실내의 구획에 압력 또는 공기유동을 감지하는 센서를 설치하여 실내의 구획에 누기 및 압력차가 생길 경우 하부 샤프트의 공기 도입수단(개구부)을 개방하여 외기를 도입하여 샤프트를 냉각하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 상기 등록실용신안 제0380442호는 하부의 공기 유입수단(개구부)을 개방하는 경우, 저층부의 개구면적이 기존 건물의 수직적인 개구면적에 비해 크게 넓어져 저층부의 샤프트와 외기간의 압력차는 작아지고 샤프트 상부의 압력은 커지기 때문에(도 1b 참조) 상층부에 압력차에 의한 문제가 발생하게 된다. 또 하층부의 압력이 낮아져 개구부로 유입되는 풍량이 작아지기 때문에 샤프트를 충분히 냉각시킬 만한 외기 유입량을 확보하기 어렵게 된다.
또한, 상기 등록실용신안은 상부의 배기용 개구부가 포함되어 있으나 외기가 들어와 실내온도가 낮아지는 과정에서 미처 소멸되지 못하고 실내로 유입되는 경우 배기구를 열어 이러한 공기를 배출하는 것으로 되어 있다. 그러나 샤프트 내부는 하나의 공간이므로 외부 냉기가 공급되어 냉각이 되면 높이에 따른 약간의 온도차는 존재하지만 대류 현상에 의해 거의 일정한 온도로 내려가게 된다. 또, 이 공기는 압력차에 의해 중성대 보다 위쪽에서는 항상 실내로 유입되므로 소멸되지 못한 외기가 실내로 유입되는 현상이 생길 경우 상부 개구부를 여는 제어방법은 현실상 적용이 어려우며 샤프트 내부의 개구부로 인한 문제점을 방지하기 위해서는 상하 개구부의 면적을 동시에 적절히 조절하여 주는 것이 필요하다.
또, 상기 등록실용신안은 샤프트 내부를 외기와 같은 수준으로 냉각하여 연 돌효과를 없애는 것으로 되어 있어 샤프트 내부 온도에 대한 적절한 조절이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 실내 샤프트와 외기의 압력차 또는 온도차가 일정 수준을 초과할 경우 샤프트 상하부에서 외기와의 압력차를 측정하고 이 측정된 압력차에 따라 샤프트 상하부에 형성된 개구부를 적절한 비율로 개방하여, 샤프트의 압력분포에 변화를 주지 않고 외기를 샤프트 내부로 직접 순환 시켜 샤프트를 냉각함으로써 샤프트와 외기간의 압력차를 줄여 연돌효과를 저감시킬 수 있는 건물의 샤프트 냉각장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 제안하는 건물의 샤프트 냉각장치는, 건물의 엘리베이터 샤프트 내부 및 건물 외부에 각각 설치되어 샤프트 내부와 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 차압센서 및 온도센서와, 상기 샤프트 상,하부에 연결되어 외기가 유입되거나 배출시키기 위한 통로인 덕트와, 상기 덕트 내부에 각각 설치되어 샤프트 내부로 유입되는 풍량을 조절하기 위한 전동댐퍼와, 상기 차압센서 및 온도센서에서 측청된 차압 및 온도 데이터를 전달받아 샤프트 내부와 외기간의 압력 또는 온도차가 일정 범위를 초과하면 상기 전동댐퍼를 구동시켜 샤프트내로 외기를 유입시키거나 배출시키는 제어부를 포함하는 건물의 샤프트 냉각장치를 제공한다.
상기 전동댐퍼는 샤프트 상,하부에 설치된 덕트 각각의 외측단부의 면적비 및 샤프트의 상하부 압력차에 의하여 개방범위가 다르게 개방되도록 구성되며, 상기 온도센서 및 차압센서는 건물 내외부에 다수개가 설치되어 각각 제어부와 연결되며, 상기 샤프트 내부에는 냉각효율을 향상시키기 위하여 단열재가 설치된다.
또한 본 발명은, 건물의 엘리베이터 샤프트 내부 및 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 단계, 상기 단계에서 측정된 엘리베이터 샤프트와 건물 외부의 압력 및 온도 데이터를 전달받아 엘리베이터 샤프트와 건물 외부의 압력차 및 온도차를 구하는 단계, 상기에서 구한 엘리베이터 샤프트와 외기의 압력차 또는 온도차가 일정 수준을 초과할 경우 엘리베이터 샤프트 상,하부에서 외기와의 압력차를 측정하고, 이 측정된 압력차에 따라 샤프트 상,하부에 외기와 통하도록 각각 연결된 개구부를 적절한 비율로 개방하여 엘리베이터 샤프트 내부의 압력분포에 변화를 주지 않고 외기를 샤프트 내부로 직접 순환 시켜 샤프트를 냉각함으로써 샤프트와 외기간의 압력차를 줄여 연돌효과를 저감시킬 수 있는 건물의 샤프트 냉각방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 건물의 엘리베이터 샤프트 내부와 건물 외부측의 외기의 차압 형성은, 고층건물에서 실내외 공기 밀도차 및 높이에 의해 발생되는 압력차를 P라고 가정하면 이는 아래 계산식1로 구할 수 있다.
[계산식 1]
P= g*(ρo-ρi)*H
상기 계산식 1에서,
P : 연돌효과에 의한 압력차 (Pa)
g : 중력가속도(m/s2)
ρo : 외기의 공기밀도(kg/m3)
ρi : 내부의 공기밀도(kg/m3)
H : 건물의 높이 (m)
상기 계산식1과 같이 연돌효과를 형성시키는 근본적인 압력차(Stack Pressure)를 계산하는 방법은 있으나, 연돌효과에 의해 건물 전체의 압력 형성 메커니즘에 관한 이론은 아직까지 정립되어 있지 않은 상태이며 대부분 건물의 기밀도에 의해 각 층의 압력 분배를 설명하는 정도이고 이마저도 정확한 계산 공식이 없는 상태이다. 사프트를 자연대류로 냉각하기 위해서는 건물의 압력분배에 대한 메커니즘의 이해가 필요하며 본 특허에서는 건물내 공기의 유동량에 따른 압력분배의 관점에서 이 메커니즘을 설명하고자 한다.
상기와 같이 형성되는 압력은 수직적으로 분배되는데 수직적인 개구부의 크기에 따라 유입되는 유량과 외기로 나가는 유량이 같아지는 곳에서 압력차가 평형이 되는 점(중성대)이 생기게 된다. 수직적 개구부 면적에 따른 중성대 위치는 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있으며, 아래와 같은 조건에 의하여 그 위치가 변한다.
1.전층 개구부의 면적이 일정할 때(도 1a참조)
개구부의 면적이 일정할 경우 유입되는 공기와 유출되는 공기의 양이
같은 건물의 중앙부위에서 중성대가 형성된다.
2. 저층부의 개구부 면적이 넓을 때(도 1b참조)
저층부의 개구부 면적이 넓을 때에는 샤프트 상하부가 같은 압력일 경우 아래로 부터의 공기 유입량이 더 많으므로 공기 유동량이 평형을 이루기 위해 실내의 압력선이 오른쪽으로 이동해 중성대가 아래쪽에 생기게 된다. 압력선이 이동하면서 상층부에 걸리는 압력차가 높아져 공기의 유출량이 증가하고 샤프트내 공기 유동량이 평형을 이루게 된다.
3.고층부의 개구부 면적이 넓을 때(도 1c참조)
반대로 고층부의 개부 면적이 넓으면 샤프트 상하부가 같은 압력일 경우 상부의 공기 유입량이 많아지므로 샤프트 내부 압력선이 도 1c에서와 같이 왼쪽으로 이동해 중성대가 위로 올라가게 되며, 저층부의 압력이 높아지면서 저층부 공기 유입풍량이 많아지고 샤프트내 공기 유동량이 평형을 이루게 된다.
이처럼 샤프트 내부의 수직적 압력 분포는 건물내 모든 층에서 수평적 개구면적의 크기 및 압력차에 의해 결정되는 유출입 공기의 유동량에 영향을 받으며, 또 이러한 수직적 압력 분포는 수평적 압력 분포에 영향을 주기 때문에 서로 영향을 주고 받으며 결국 샤프트 내부의 유출입 풍량이 같아지는 곳에서 평형을 이루게 된다.
다시 요약하면, 외기와 샤프트의 온도차에 따라 압력차(Stack Pressure)가 정해지고, 건물전체의 개구부 특성에 따라 샤프트 내부의 압력 분포가 결정되며, 각 층에서는 이러한 외기와의 압력차이가 외피, 칸막이벽 등 실내 각 구획의 개구면적 비에 따라 재분배된다.
이처럼 실제 건물은 모든 실이 유기적으로 연결되어 있어 각 실 구획의 개구부의 크기 변동에 따라 다른 실의 압력에 영향을 미친다. 따라서 특정 부위의 과도한 압력차를 줄이기 위해 일부 요소들의 기밀도를 높이거나, 특정 부위의 압력 저감을 위해 그 구획에 큰 개구부를 뚫을 경우, 이 압력이 다른 부분에 작용하여 압력차 문제를 더욱 악화시킬 수 있다.
따라서 이러한 대책을 적용할 경우 건물 전체의 압력 분포 특성을 고려하여 다른 부분에 문제가 발생하지 않도록 적용 방법을 적절이 조절하여 주어야 한다. 특히 샤프트를 직접 외기와 통하여 뚫을 경우 샤프트에 걸리는 압력을 분담해 줄 내부 구획이 없기 때문에 샤프트 내부 압력분포에 직접적인 영향을 미치며 이로 인한 부작용을 방지하기 위해 적절한 제어방법이 필요하다.
샤프트 내부가 냉각되면 샤프트 내부 공기의 밀도가 높아져 높이가 변함에 따라 압력 변화가 커진다(기울기가 커진다). 따라서, 중성대의 위치를 가운데로 가정할 때, 도 2에 도시된 것과 같이 샤프트 내부 압력의 기울기가 변해 샤프트 상하부 압력차가 A>A', B>B'로 줄어들어 연돌효과가 감소하게 된다.
건물의 샤프트를 냉각하는 가장 좋은 방법은 차가운 외기를 직접 도입하여 샤프트를 냉각하는 방법이다. 샤프트 내부는 압력차에 의한 침기 및 실내에서의 열전도에 의해 끊임없이 열이 공급되고 있고 샤프트를 냉각시키기 위해서는 많은 양의 냉방부하를 감당해야 되기 때문에 상대적으로 온도가 낮은 외기온이 가장 좋은 냉방열원이 된다. 이론상 샤프트 내부의 온도가 외기와의 온도가 같게 되면 압력차 는(Stack Pressure)은 "0"이 되어 연돌효과가 발생하지 않는다.
그러나 외기는 실내에 비해 온도가 매우 낮아 샤프트 내부가 과도하게 냉각되면 엘리베이터 도어 주위 및 샤프트 내부에 결로가 발생하여 엘리베이터 오동작및 사용 불가, 내구 연한의 급속한 감속 등 치명적인 부작용을 일으킬 수 있기 때문에 적절한 상태에서 온도 조절이 필요하다.
본 발명은 이와 같은 방법으로 고층건물에서 발생하는 연돌효과를 줄이기 위한 장치 및 방법으로서, 본 발명에 의한 건물의 샤프트 냉각장치는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 건물(100)의 엘리베이터 샤프트(2) 내부 및 건물(100) 외부에 각각 설치되어 샤프트 내부와 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 차압센서(4) 및 온도센서(6)와, 상기 샤프트(2)의 상,하부에 연결되어 외기가 유입되거나 배출시키기 위한 통로인 상,하부덕트(8)(10)와, 상기 덕트(8)(10) 내부에 각각 설치되어 샤프트(2) 내부로 유입되는 풍량을 조절하기 위한 전동댐퍼(12)(14)와, 상기 차압센서(4) 및 온도센서(6)에서 측청된 차압 및 온도 데이터를 전달받아 샤프트(2) 내부와 외기간의 차압 또는 온도차가 일정범위를 초과하면 상기 전동댐퍼(12)(14)를 각각 구동시켜 샤프트(2)내로 외기를 유입시키거나 배출시키는 제어부(16)를 포함한다.
상기 차압센서(4) 및 온도센서(6)는 일반적으로 온도 및 기압을 측정하는데 사용되고 있는 것이 이용될 수 있으며, 각각의 차압센서(4) 및 온도센서(6)는 제어부(16)와 와이어 등을 통하여 연결되어 측정된 차압, 온도 데이터가 제어부(16)로 전송되도록 되어있다.
상기 차압센서(4)는 냉각하려고 하는 건물(100)의 샤프트(2)내부의 최저층과 최고층 그리고 중간층 및 동일높이의 건물(100) 외부에 각각 설치된다. 이때 건물 외부에 설치되는 차압센서는 바람에 의한 측정값의 오차를 방지하기 위해 다른 방위에 2개소 이상의 가지(Wind Damping)를 두어 설치할 수 있다.
온도센서(6)의 설치는 샤프트(2) 내부에는 최저층과 최고층 그리고 중간층에 각각 설치하고, 외기의 온도측정을 위하여 건물(100) 외부에도 설치한다. 샤프트 내부에 최저층에 설치되는 온도센서는 외기에 직접 영향을 받지 않는 위치에 설치하고, 외부에 설치되는 온도측정센서는 일사에 영향을 받지 않도록 북측에 설치하거나 센서 주위를 백엽상과 같은 구조로 감싸준다.
상기 덕트(8)(10)는 샤프트(2) 상부측 및 하부측과 연결되고 각각의 끝단부는 외기가 통할 수 있도록 건물(100) 외부로 연장되며, 각각의 덕트(8)(10) 끝단부에는 그릴(18)(20)이 설치된다. 덕트(8)(10)의 단부에는 외기의 유입 및 배출시 이물질을 걸러주는 필터(22)(24)가 설치될 수 있다.
상기 덕트(8)(10)는 샤프트(2)의 상단부와 하단부에 각각 연결되거나 또는 최저층부와 최고층부의 천장내부에 각각 설치될 수 있다.
이러한 덕트(8)(10)의 내부에는 제어부(16)의 제어에 의하여 구동하는 모터에 의하여 덕트(8)(10)를 개폐하는 전동댐퍼(12)(14)가 각각 설치되는데, 이 전동댐퍼(12)(14)는 각각의 모터(M)가 제공되고 이 모터(M)들은 제어부(16)와 전선 등을 통하여 전기적으로 연결되어 제어부(16)의 제어에 의하여 전동댐퍼(12)(14)를 구동시킬 수 있도록 되어있다.
전동템퍼(12)(14)의 작동은 차압센서(4) 및 온도센서(6)의 데이터가 제어부(16)로 전달되면 이들 데이터를 비교하여 샤프트(2) 내부와 건물(100)외부의 외기와의 압력차이 또는 온도차이가 일정 범위를 초과할 경우에 동시에 작동한다.
이때, 샤프트 상하부의 압력차이에 따라서 전동댐퍼(12)(14)의 개방범위가 결정되어 각각의 덕트(8)(10)의 개구면적은 다르게 개방되며, 이때 샤프트(2) 내의 압력 분포가 변동되지 않는 면적으로 개방한다. 단, 압력분포에 변동을 주기 위해 초기 설정치에서 개구면적을 임의로 조정할 수 있다.
샤프트(2) 상하부에 외기와 면하는 덕트(8)(10)를 동시에 개방할 경우 샤프트(2) 내부로의 유입 및 토출 공기량에 변화가 생기게 되어 압력 프로파일이 새로 결정된다. 원래의 압력분포는 샤프트(2) 상,중,하부에 설치된 차압센서(4)들을 통해 검지 할 수 있으며, 본 발명의 장치를 작동하기 전 압력분포가 상부나 하부에 큰 문제를 발생시키지 않을 경우, 원래 압력분포를 유지시키는 범위내에서 덕트(8)(10)의 개구부 면적을 조절하여 주는 것을 기본으로 한다. 이것은 샤프트(2) 내부의 압력 프로파일이 변할 경우 전체 건물의 압력 분포에 변화가 생겨 다른 부분에 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
샤프트(2)의 상부나 하부에 부하가 심하게 걸리는 경우는 덕트(8)(10)의 개구면적을 조절하여 압력분포가 이동할 수 있도록 조절할 수 있다.
샤프트(2) 개구부(엘리베이터 문)를 개방하지 않은 상태에서 샤프트(2) 상하부의 외기와의 압력차를 각각 Pt(Pa)와 Pb(Pa)라 하고, 상부와 하부의 개구부의 면적비를 At(㎠) Ab(㎠) 라 하면 압력프로 파일을 변화시키지 않는 덕트(8)(10)개구 부의 면적비는 아래의 계산식 2로 구할 수 있다.
[계산식 2]
At : Ab =
Figure 112006030222380-pat00001
:
Figure 112006030222380-pat00002
차압센서(4)에 의해 측정된 압력차에 따라 상기 계산식 2를 이용해 초기 댐퍼(12)(14)의 개폐면적비를 결정한다. 단, 샤프트(2)와 연결되는 덕트(8)(10)의 모양 및 공기청정 필터(22)(24)에 의한 압력 저하율 등을 고려하여 실제적인 풍량이 비율을 만족할 수 있도록 개구면적을 보정하는 수치를 개폐면적에 가감한다.
경우에 따라서 중성대가 위로 치우쳐 있을 경우(|Pb|>|Pt| 일 경우), At:Ab의 비율값을 초기치 보다 크게 함으로써 중성대를 아래로 이동시킬수 있고 반대의 경우는 At:Ab 비율값을 적게 함으로써 중성대를 상부로 이동시킬 수 있다.
그리고 샤프트(2) 내부를 충분히 냉각시키기 위해서는 중성대까지 유입되는 공기에 의한 침기부하 및 샤프트(2) 벽을 통해 전도되는 열에 의한 전도 부하까지 감당하여야 한다. 따라서 네트워크 시뮬레이션 등에 의한 압력 분포와 기밀성능 등을 예상하여 샤프트(2)내 침기량과 전도부하를 예상, 열부하 시뮬레이션을 통해 충분한 개구면적을 산정한다. 개구면적의 확보는 덕트(8)(10)의 단면적을 늘리거나 필요할 경우 두개의 덕트 모두를 병행하여 적용한다. 단, 샤프트(2) 내부 면적이 적거나 개구부를 충분히 뚫지 못하는 경우에는 팬에 의한 외기 급기 덕트를 추가로 설치하여 자연 대류에 의해 공급되는 양과 동일한 비율로 공기를 급/배기 해준다.
상기와 같이 샤프트(2) 하부 덕트(10)를 통한 공기의 유입량이 원래 샤프트 내부에 있는 엘리베이터 문틈 등의 개구면적에 비해 충분한 크기의 면적을 가져야 하며, 이럴 경우 하부의 개구부 만을 개방할 경우 중성대가 아래로 이동해 하층부의 압력차이가 줄어들고 상층부에는 오히려 압력차가 늘어나 2차적인 문제가 발생되기 때문에 위에서 설명한 바와 같이 덕트(8)(10) 상하부의 동시개방이 필요하다.
시뮬레이션 등을 통해 필요한 개구부 면적이 산정되면 이를 하부 개구부 면적에 적용하고 상부 개구부 면적은 계산식 2를 통하여 계산된 덕트(8)(10)의 개구부 면적비에 따라 산정하여 적용한다. 이는 일반적으로 문제가 많이 발생하는 고층 엘리베이터의 경우 보통 중성대가 건물 전체 높이 중앙보다 위쪽에 위치하기 때문에 상하 개부구 면적을 같게 산정하면 초기 개방 면적이 하부 개구부는 적게 개방되어 상대적으로 유입되는 외기의 양이 적어져 냉방효과가 감소되는 것을 예방하기 위함이다. 단, 여름철에 연돌효과가 심하게 예상되는 경우는 이와 반대로 적용한다.
또, 샤프트 압력프로파일을 변화시키기 위해 개구부를 적극적으로 활용할 경우 추가 계산에 의해 개구부 면적을 증감 한다.
한편, 샤프트 내부에 외기가 원활하게 공급되어 내부 온도를 충분히 냉각시킬 수 있다 하여도 내부의 온도가 노점온도 이하로 내려갈 경우, 샤프트 내부 및 엘리베이터 도어 주변에 결로 발생 및 엘리베이터 도어 개방시 냉기 유입으로 인한 불쾌감 등 2차적인 문제 발생이 우려되므로 샤프트(2) 내부에 별도의 온도센서 및 장치를 설치하여 샤프트 개구부 개폐를 조절하여 적정 온도 범위내에서 샤프트 내부 온도를 제어해 주어야 한다.
샤프트 내부의 결로는 엘리베이터 장치 이상 등 치명적인 문제를 일으킬 수 있기 때문에 적정온도(약 10℃) 내외에서 온도를 유지할 수 있도록 온도제어가 필요하다. 적정온도 범위는 샤프트(2) 내부 풍속, 실내 온/습도 등 다양한 조건에 의한 영향을 받으므로 장치 설치 작동 후 문제가 생기지 않는 범위를 고려하여 최종 결정한다.
또한 샤프트 내부의 냉각효과를 높이기 위해 샤프트(2) 내부에 적정두께의 단열재(26)를 설치한다. 즉, 본 발명을 이용하여 샤프트(2)의 냉각효과 높이고 샤프트 내부의 온도저하로 인한 난방부하 추가 발생 등의 2차적인 문제점 해결을 위해 샤프트(2) 내부에 단열재(26)를 시공하는 것이 바람직하다.
샤프트(2) 내부의 냉각효과는 침입되는 외기에 의한 냉방부하와 실내에서 사프트(2) 내부로의 침기 및 벽체로부터 유입되는 전도 부하가 평행이 되는 선에서 결정된다. 그러나 샤프트(2)와 외기를 연결하는 덕트(8)(10)는 그 크기에 제한이 있고 샤프트(2) 내부의 풍량이 늘어날 경우 강한 침기에 의한 불쾌감 등 2차적인 문제발생이 우려되기 때문에 가능한 샤프트 내부의 난방부하를 줄여 적은 개구면적으로도 냉각효과를 가질 수 있도록 하는 것이 좋다.
따라서 샤프트(2) 내부에 열전도저항이 높은 단열재(26)를 엘리베이터 운행에 지장을 주지 않는 범위내에서 설치하여 샤프트에 자연대류 냉각의 효율 및 지속성을 높여주어야 한다.
상기와 같은 본 발명의 건물의 샤프트 냉각장치의 작동은, 먼저 샤프트(2) 내부 및 건물(100) 외부에 설치된 차압센서(4) 및 온도센서(6)에서는 각각의 기압 및 온도를 감지하여 제어부(16)로 그 신호를 보내게 된다.
이때, 압력차의 경우 상부와 하부의 측정값 중 큰 값을 사용하며 샤프트(2) 내부의 온도는 제어부(16)에 입력된 후 평균값으로 연산되어 건물 내외부의 압력 및 온도차이를 계산할 수 있다. 단, 일반적으로 건물의 상층부와 하층부의 실내 구획이 틀리기 때문에 압력이 압력차가 더 적은 경우에도 문제가 발생할 수 있으며 이 경우 적은 값을 사용한다.
이렇게 측정된 기압 및 온도 데이터에 의하여 샤프트(2)와 건물(100) 외부의 압력 또는 온도차가 일정범위를 초과하면 샤프트(2)의 상,하부의 덕트(8)(10) 내부에 설치된 전동댐퍼(12)(14)에 제어신호를 보내 전통댐퍼(12)(14)를 개방한다. 이때 설정된 압력차 및 온도차의 범위는 샤프트(2) 내부의 높이와 기밀성능에 따라 별도로 미리 산정하여 제어부(16)에 입력한다.
장치를 구동하는 압력차의 기준의 경우, 일반적인 오피스 건물에서와 같이 엘리베이터 도어와 엘리베이터홀 전실도어 및 외피로 구획되어 있는 경우를 가정하면, 일반적으로 각 문에 압력차로 인한 문제가 발생하는 것으로 알려진 기준은 25Pa(엘리베이터 도어)과, 50 Pa(일반 도어) 이므로, 이 값의 합인 75Pa을 기준으로 한다.
이는, 각 구획 뿐 아니라 외피에도 압력이 분배되나 실제 건물의 경우 이 기준보다 적은 압력차에서도 소음 및 개폐 불량에 대한 입주자의 민원이 제기 되므로 안전율을 고려하여 75Pa 값을 사용한다.
단, 이는 엘리베이터에서 외피까지 한 구획(엘리베이터 전실 도어 등)만이 존재할 경우이며 샤프트에서 외피까지의 구획의 수와 기밀성능에 따라 압력 분배가 틀려지기 때문에 건물의 특성이나 입주자의 소음에 대한 민감도에 따라 기준 압력을 조정해 줄 수 있다.
기준 온도의 경우 기준 압력이 정해지면 계산식 1을 이용하여 건물의 높이 및 사프트 내부 및 외기의 공기밀도값을 입력하여 계산한다. 예를 들어 건물의 높이가 40층(160m)이고 중성대가 건물의 중앙부에 있다고 가정하였을 때, 즉 전체 압력차(Stack Pressure)가 상하에 균등하게 분배되었을 때, 외기와 사프트와의 압력차가 75Pa이 되는 온도차는 약 22℃가 된다. 즉 샤프트 내부의 온도가 24℃라 하면 외기가 2℃에서 부터 개구부를 개방한다.
이 기준 온도차는 건물의 높이가 높을 수록 작아지며(외기의 온도가 더 높은 상태에서 개방을 시작하며), 높이가 낮아질 수록 커지므로(외기의 온도가 더 낮은 상태에서 개방을 시작함) 건물의 높이에 따라 재 계산하여 사용한다. 또, 샤프트의 압력분배 상태에 따라서 중성대가 한쪽으로 치우쳐 있을 경우 압력이 상하부 중 한 곳에 더 걸리므로 압력분배 특성에 따라 다시 계산하여 기준 온도를 적용한다.
그리고 전동댐퍼(12)(14)의 초기 개방율은 상기 계산식 2에서와 같이 상,하부 덕트(8)(10)의 개구부 면적비에 따라서 설정된 범위(각도)로 각각 개방된다.
전동댐퍼(12)(14)의 개방은 겨울철과 같이 실내외의 온도차가 클 경우에는 도 4a에서와 같이 차가운 외기가 자연대류에 의하여 샤프트(2) 하부의 하부덕트(10)로 유입되어 상부덕트(8)로 빠져 나가면서 샤프트(2) 내부를 냉각하므로 샤프트(2)와 건물 외부와의 온도차이가 줄어들면서 연돌효과의 크기가 감소된다.
여름철에는 상기와는 반대로 도 4b에서와 같이 뜨거운 외기가 자연대류에 의하여 샤프트(2) 상부의 상부덕트(8)로 유입되어 하부덕트(10)로 빠져 나가면서 샤프트(2) 내부를 난방하므로 샤프트(2)와 건물 외부와의 온도차이가 줄어들면서 연돌효과의 크기가 감소된다.
이와 같은 작용으로 차압센서(4) 및 온도센서(6)에서 제어부(16)로 입력된 데이터에 의하여 샤프트(2) 내부와 건물(100) 외부와의 압력 또는 온도차이가 일정범위 이내로 돌아오면 전동댐퍼(12)(14)에 제어신호를 보내 전동댐퍼(12)(14)를 폐쇄한다.
상기와 같은 작용은 제어부(16)의 제어에 의하여 샤프트(2) 내부와 건물 외부와의 압력 및 온도차에 의하여 일정범위 내에서 계속적으로 진행되며, 샤프트(2)와 연결된 상,하부덕트(8)(10)에 설치된 전동댐퍼(12)(14)를 제어부(16)의 제어로 개방각도를 조절하면서 반복적으로 진행되어 샤프트(2) 내부의 압력 및 온도는 항상 일정수준을 유지하여 연돌효과의 발생을 최소화된다.
그러나 건물의 높이나 특성에 따라 기준 압력 및 온도차 조건을 만족시키기 위해 샤프트 내부의 온도가 과도하게 내려갈 경우 문제가 발생할 수 있으므로, 결로가 발생하기 시작하는 온도(샤프트 내부의 온도가 대략 10도 내외) 이하로 내려가면 제어부(16)의 제어에 의하여 전동댐퍼(12)(14)를 닫는다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 건물의 샤프트 냉각장치 및 냉각방법은, 샤프트 내부와 건물 외부에 기준 이상의 압력 및 온도차가 발생할 경우 샤프트 상,하부의 외기와 압력차에 따라 적절히 개방함으로써, 샤프트 내부의 인위적인 개구부 개폐에 따른 다른 부위의 압력 집중 등의 부작용을 발생시키지 않고 샤프트를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이러한 냉각효과는 연돌효과를 일으키는 가장 근원인 압력차(Stack Pressure)를 줄여 주어 건물 전체에서 연돌효과에 의한 피해를 감소시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 건물의 엘리베이터 샤프트 내부 및 건물 외부에 각각 설치되어 샤프트 내부와 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 차압센서 및 온도센서;
    상기 샤프트 상,하부에 연결되어 외기가 유입되거나 배출시키기 위한 통로인 덕트;
    상기 덕트 내부에 각각 설치되어 샤프트 내부로 유입되는 풍량을 조절하기 위한 전동댐퍼;
    상기 차압센서 및 온도센서에서 측정된 차압 및 온도 데이터를 전달받아 샤프트 내부와 외기간의 압력 또는 온도차가 일정범위를 초과할 경우 샤프트 상,하부에서 외기와의 압력차를 측정하고, 이 측정된 압력차에 따라 샤프트 상,하부에 설치된 전동댐퍼를 구동시켜 샤프트 내로 외기를 유입시키거나 배출시키는 제어부;
    를 포함하는 건물의 샤프트 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 온도센서 및 차압센서는 건물 내외부에 다수개가 설치되어 각각의 높이에 따른 기압 및 온도차를 측정할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 건물의 샤프트 냉각장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 덕트가 개방되는 면적비는 아래의 계산식 2에 의하여 개방범위가 정해지는 것을 특징으로 하는 건물의 샤프트 냉각장치.
    [계산식 2]
    At : Ab =
    Figure 112007037514359-pat00003
    :
    Figure 112007037514359-pat00004
    상기 계산식 2에서,
    At(㎠): 상부덕트 개구부의 면적,
    Ab(㎠): 하부덕트 개구부의 면적,
    Pt(Pa) : 엘리베이터 샤프트 개구부(엘리베이터 문)를 개방하지 않은 상태에서 샤프트 상부와 외기와의 압력차,
    Pb(Pa) : 엘리베이터 샤프트 개구부(엘리베이터 문)를 개방하지 않은 상태에서 샤프트 하부와 외기와의 압력차를 나타냄.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 전동댐퍼는 샤프트 상,하부에 설치된 덕트 각각의 외측단부의 면적비 및 샤프트의 상하부 압력차에 의하여 개방범위가 각각 다르게 개방되도록 구성된 것을 특징으로 하는 건물의 샤프트 냉각장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 전동댐퍼는 제어부의 제어에 의하여 동시에 개방되거나 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 건물의 샤프트 냉각장치.
  6. 건물의 엘리베이터 샤프트 내부 및 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하는 단계;
    상기 단계에서 측정된 엘리베이터 샤프트와 건물 외부의 압력 및 온도 데이 터를 전달받아 엘리베이터 샤프트와 건물 외부의 압력차 및 온도차를 구하는 단계;
    상기에서 구한 엘리베이터 샤프트와 외기의 압력차 또는 온도차가 일정 수준을 초과할 경우 엘리베이터 샤프트 상,하부에서 외기와의 압력차를 측정하고, 이 측정된 압력차에 따라 샤프트 상,하부에 외기와 통하도록 각각 연결된 개구부를 적절한 비율로 개방하여 엘리베이터 샤프트 내부의 압력분포에 변화를 주지 않고 외기를 샤프트 내부로 직접 순환 시켜 샤프트를 냉각함으로써 샤프트와 외기간의 압력차를 줄여 연돌효과를 저감시킬 수 있는 건물의 샤프트 냉각방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 엘리베이터 샤프트 내부에는 자연대류에 의한 냉각 효과 및 지속성을 높이고 유동공기량 증가에 의한 불쾌감을 줄여주기 위해 단열재가 더욱 설치된 건물의 샤프트 냉각방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 샤프트 내부가 과도하게 냉각되는 것을 방지하기 위하여 샤프트 내부의 상하부에 설치된 온도센서에서 감지된 온도 데이터를 제어부에서 전달받아 그 온도차가 일정 범위를 초과하면 샤프트의 상하부에 설치된 전동댐퍼의 개폐범위를 조절하여 샤프트 내부 온도를 일정수준으로 유지할 수 있도록 하는 건물의 샤프트 냉각방법.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 샤프트 내부의 압력분포를 변화시키지 않기 위하여, 상,하 개구부의 개방비율을 적절하게 조절하는 방법을 응용하여 건물의 상부 또는 하부에 압력이 집중되어 발생할 수 있는 문제점을 경감시킬 수 있도록,
    상기 상,하 개구부의 개방비율 변경을 통하여 샤프트 내부의 중성대를 이동시키는 건물의 샤프트 냉각방법.
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