KR100930331B1 - 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법 - Google Patents

연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법 Download PDF

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Abstract

건물 내부의 샤프트(특히 엘리베이터 샤프트) 상,하부 간의 온도차를 최소화시켜 연돌효과 저감효율을 극대화하면서, 샤프트의 도입외기 분산에 의해 외기도입에 의한 소음발생을 최소화할 수 있는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법을 제시한다.
본 발명은 건물의 규모 및 건축계획적 특성 등을 고려하여 연돌효과의 발생특성 및 샤프트 내부로의 열량도입특성을 파악하고, 샤프트로의 냉각용 적정 외기도입량 및 샤프트 내부 공기의 적정 배출량을 산출한 다음, 샤프트 내부로 유입되는 열량의 분포를 고려하여 분산 배치를 검토하여 덕트설비 등 장치설계를 실시한 후, 설계안을 해당건물에 적용하고 시운전을 통한 장치조정을 실시하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법을 제공한다.
고층건물, 연돌효과, 샤프트냉각

Description

연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법{Optimum method for cooling shafts in tall buildings to reduce the stack effect problems}
본 발명은 고층건물의 연돌효과에 의한 문제점 저감방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건물의 샤프트로 유입되는 열량의 분포 및 연돌효과에 의해서 발생되는 건물 내외부 압력분포 등을 고려한 급배기풍량의 분산을 통해서 샤프트 상부와 하부 간의 온도차를 최소화시킴으로써 연돌효과 저감효율을 극대화시킬 수 있는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법에 관한 것이다.
최근 일반화되고 있는 건물의 고층화와 더불어 연돌효과에 의한 각종 문제점 발생이 심각해지고 있으며, 실질적으로 이러한 문제점으로 인하여 건축물이 준공된 후에 추가보완작업이 필요하게 되어 추가비용이 발생하고 있다.
연돌효과에 의하여 발생하는 대표적인 문제점으로는 엘리베이터 및 현관 등 각종 도어에 있어서의 동작이상, 침기 및 누기에 따른 열원부하 증가 및 거주성 저하, 방재 상의 취약성 증대, 건물 내부 오염확산 등을 들 수 있다.
연돌효과의 크기는 건물 내외부의 온도차와 건물의 높이에 의해서 결정되는 것으로, 건물 내외부의 온도차가 커질수록 그리고 건물이 높아질수록 연돌효과의 크기와 그에 따른 문제점이 증대되게 된다.
이를 해결하기 위하여 기 등록된 특허 제0731328호가 제시되어 있다. 상기 등록특허는 "건물의 샤프트 냉각장치 및 방법"에 관한 것으로, 외기의 도입을 통해서 건물 내부의 샤프트(특히 엘리베이터 샤프트)를 냉각함으로써 건물 내외부의 온도차를 저감시키고 결국 연돌효과의 크기를 저감시켜서 연돌효과에 의한 문제점의 발생강도를 저감시키는 방법을 제시하고 있다.
하지만, 상기 특허는 샤프트의 하부 및 상부에 국한된 최소한의 외기도입구 및 샤프트 내부공기 배출구의 설치를 제시하고 있어서, 건물의 규모에 따른 샤프트 상부와 하부 간의 온도차가 커질 경우에는 샤프트 전체를 목표 값까지 냉각하는 것이 불가능하게 되어 결국 연돌효과의 저감효율이 작아지게 된다.
이를 구체적으로 설명하면, 샤프트 하부의 국소부를 통한 집중적인 동절기의 차가운 외기 도입에 의하여 샤프트 하부의 온도는 급격히 하강하게 되는 한편, 도입된 외기의 순환으로 샤프트 상부의 온도도 하강하기는 하지만, 이러한 순환과정(즉, 샤프트 내부공기의 부력상승과정)에서 샤프트로 유입된 열량에 의해 도입된 외기의 온도가 상승하게 되어서 결국 샤프트 상부와 하부 간에 필연적으로 온도차가 발생하게 된다.
따라서, 외기의 집중도입에 의해서 샤프트 하부의 공기온도가 샤프트 상부의 공기온도보다 먼저 냉각목표온도에 도달하게 되며, 샤프트 상부의 공기온도를 냉각목표온도까지 하강시키기 위해서 외기도입량을 증가시키면 샤프트 하부의 온도가 목표냉각온도 이하까지 하강하게 되어 샤프트 내부에 결로가 발생하게 된다.
여기서 샤프트 내부의 목표냉각온도란 샤프트 내부에 결로가 발생하지 않도록 실내로부터 유입되는 공기의 온도와 습도를 고려하여 설정된 노점온도이다.
결국, 샤프트 상부와 하부 간의 온도차를 최소화해야만 샤프트 전체를 목표냉각온도까지 냉각하는 것이 가능하게 되어 연돌효과의 저감효과를 최대화할 수 있게 된다.
또한, 외기의 국소적인 집중도입을 실시하게 되는 경우에는 도입외기의 풍속이 증가하여 샤프트 내부에서 소음이 발생하게 되며, 특히 엘리베이터 카에 도입외기가 직접적으로 부딪히게 되면 엘리베이터 카의 진동문제가 발생할 수도 있게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 샤프트에 설치되는 외기도입구 및 샤프트 내부공기 배출구를 건물의 규모 및 연돌효과 발생특성을 고려하여 분산 배치하여 샤프트 상하부 간의 온도차를 최소화시켜 연돌효과 저감효율을 극대화시킬 수 있는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 도입외기의 분산에 의해 외기도입에 의한 소음발생을 최소화할 수 있는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 제안하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법은,
건물의 규모 및 건축계획적 특성 등을 고려하여 연돌효과의 발생특성 및 샤프트 내부로의 열량도입특성을 파악하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 파악된 샤프트 내부로의 열량도입특성을 고려하여 냉각용 적정 외기도입량 및 샤프트 내부 공기의 적정 배출량을 산출하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 산출된 냉각용 적정 외기도입량 및 배출량에 대해서 샤프트 내부로 유입되는 열량의 분포를 고려하여 분산 배치를 검토하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 결정된 분산 배치 방안에 대한 덕트설비 등 장치설계를 실시하는 제4단계와, 상기 제4단계에서 작성된 설계 안을 해당건물에 적용한 후, 시운전을 통한 장치조정을 실시하는 제5단계를 포함하는 연 돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법을 제공한다.
본 발명에 의한 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법은, 샤프트 내부로의 열량도입특성 및 연돌효과 발생특성을 고려하여 샤프트 냉각을 위한 외기도입 및 샤프트 내부의 공기 배출이 건물의 여러 층에서 분산적으로 이루어져 건물의 샤프트 상,하부 간의 온도차이가 최소화되므로 건물의 연돌효과 대비성능을 향상하고 연돌효과에 의한 문제점 발생 정도를 저감시킬 수 있다.
또한, 외기도입을 건물의 여러 층에서 분산하여 실시하므로 종래의 어느 한 부분을 통하여 급기하는 것에 비하여 급기풍속이 줄어들어 샤프트 내부 소음발생을 최소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 단계별로 더욱 상세히 설명한다. 본 실시 예에서는 건물의 엘리베이터 샤프트를 냉각하는 경우를 예로서 설명하기로 한다. 그리고 엘리베이터 샤프트를 포함하는 코어는 건물의 평면상 중앙에 위치하는 것으로 가정한다.
도 1은 본 발명에 따른 건물의 샤프트 최적냉각방법을 설명하기 위하여 샤프트 내부로 유입되는 열량의 분포개념을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 건물의 샤프트 최적냉각방법을 설명하기 위하여 연돌효과에 의한 건물 내외부 절대압력분포를 이용한 급배기 덕트의 수직적 설치개념을 도시한 도면을 나타낸다. 또한 도 3은 본 발명에 따른 건물의 샤프트 최적냉각방법을 설명하기 위하여 급배기 덕트의 수평적 설치개념을 도시한 도면을 나타낸다.
<제1단계>
해당건물(본 발명을 적용하기 위한 건물: 이하 건물로 기재함)의 설계도면 정보를 이용하여 건물 내외부 압력분포 및 공기유동량 분포에 대한 시뮬레이션을 실시하고, 엘리베이터 샤프트(E/V Shaft)(이하 샤프트로 기재함) 내부로의 전체유입열량 및 분포를 산출한다. 시뮬레이션 툴로는 일반적으로 상용되고 있는 관련 시뮬레이션프로그램을 사용할 수 있다. 시뮬레이션 실시 및 유입열량의 산출 방법은 다음과 같다.
① 건물의 높이, 각 존(구역)의 용적 및 온도조건 등을 입력하여 건물 내외부 압력분포 및 공기유동량 분포를 산출하는 네트워크 시뮬레이션프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 실시하되, 냉각대상 샤프트에 대한 온도조건을 목표냉각온도로 설정한다. 여기서 목표냉각온도란 실내의 온습도 조건에 대한 노점온도에 해당한다.
② 건물 실내의 온도조건으로는 설계 값을 이용하고, 외기온은 해당지역의 기상데이터를 이용한다.
③ 시뮬레이션 결과인 샤프트 내부로의 공기유입량과 실내공기의 조건을 고려하여 실내를 경유하여 샤프트로 유입되는 공기에 의한 유입열량을 산출한다.
④ 샤프트 내부와 실내의 온도, 샤프트 구획 구성재료의 물성치 등을 고려하여 전열에 의한 샤프트 내부로의 유입열량을 산출한다.
⑤ ③ 및 ④에서 산출된 각각의 유입열량을 합산하여 샤프트 내부로의 전체 유입열량을 산출한다.
도 1은 샤프트 냉각 시에 있어서의 샤프트 내부로의 유입열량 분포개요를 나타내고 있으며, 여기서 실내와 샤프트 간의 온도차에 따른 유입열량을 전 층에서 동일하다고 표현하고 있으나, 이는 샤프트 내부가 상,하부 간의 온도차가 최소화된 상태에서 최적으로 냉각되는 조건을 가정하여, 최적조건에 있어서의 유입열량산정에 대한 오차 정도를 최소화하기 위함이다.
샤프트 내부로의 유입열량은 도 1 및 상기 설명에서와 같이 실내를 경유하는 유입공기에 의한 유입열량과, 실내와 엘리베이터 샤프트 간의 온도차에 의한 전열량으로 구분할 수 있다. 일반적으로 전열에 의한 유입열량이 유입공기에 의한 유입열량에 비해 많기 때문에 전열에 의한 유입열량이 냉각용 외기도입량을 결정하는 데에 주요한 영향요소로 작용하게 된다. 단, 샤프트 구획의 단열성능에 따라서 영향 정도의 대소관계는 변동될 수 있다.
<제2단계>
상기 제1단계에서 산출된 해당 샤프트 내부로의 전체유입열량을 고려하여 샤프트 내부를 목표냉각온도까지 냉각시키기 위한 외기도입량 및 샤프트 내부 공기의 배출량을 산출한다. 여기서 외기도입량과 배출량은 항상 같은 값을 가지도록 하여야 한다.
<제3단계>
상기 제2단계에서 산출된 외기도입량 및 배출량을 샤프트 내부로 유입되는 열량의 분포를 고려하여 분산 배치시킨다. 분산배치방법 결정을 위해서는 상용의 CFD시뮬레이션프로그램(유체해석용 시뮬레이션프로그램)을 이용한 해석이 필수적이며, 각각의 외기도입구 및 샤프트 내부 공기배출구의 위치 및 통과풍량을 고려한 각종 조건에 대한 샤프트 내부 온도분포상태를 파악하여 온도분포를 최소화하는 조건을 결정한다.
각 외기도입구 및 배출구의 위치 및 통과풍량은 건물의 건축계획적 특성 등에 따라 항상 다른 값을 가지게 됨에 주의를 필요로 한다. 다음에 외기도입구 및 배출구의 분산배치 검토 시의 고려사항을 정리한다.
① 도 2 및 도 3과 같이 각각의 급배기구에 대하여 별도의 입상덕트를 설치하는 것을 기본으로 하며, 급기용 입상덕트의 주요 외기도입위치는 건물 외부 하단에, 샤프트 내부 공기 배기용 입상덕트의 주요 배출위치는 건물 외부 상단에 설치한다.
입상덕트를 사용하지 않고 급배기구가 설치되는 각 해당 층에서 샤프트와 외기를 덕트로 직접 연결하는 방법도 적용이 가능하기는 하나, 이 방법은 건물의 외관디자인 상에 장해요소로 작용할 수 있으며, 외부풍의 영향에 의해 급배기량의 조절이 매우 어렵게 될 수 있기 때문에 지양하는 것이 바람직하다. 또한 건물의 중성대 부근에서는 적정 급배기량의 확보가 불가능할 수도 있으며, 급기구는 중성대 하부에 배기구는 중성대 상부에 설치할 수밖에 없다는 설치위치 결정에 대한 제약이 발생하게 된다.
입상덕트의 사용으로 이러한 문제점에 대한 해결이 가능하며, 특히 일반적인 건물의 경우에는 중성대의 위치에 관계없이 샤프트 구획 상의 각 급배기구에 대한 적정 통기량을 확보하는 것이 가능하다는 점, 급배기구의 수직적 설치위치 결정에 제약이 발생하지 않는다는 점을 장점으로 들 수 있다.
② 급기용 입상덕트의 주요 외기도입위치는 샤프트의 절대압력 범위 이상 부분에 해당되는 건물 외부의 중성대 하단부분에서 결정한다. 왜냐하면, 이 부분에서는 외기 절대압력이 샤프트 내부의 모든 부분에 대한 절대압력보다 커서 압력차에 의한 자연급기가 가능하기 때문이다. 단, 충분한 급기풍량의 확보를 고려하여 가능한 한 건물 외부 최하단 부분에 설치한다.(도 2 참조)
③ ②와 동일한 이유로, 샤프트 내부 공기 배기용 입상덕트의 주요 배출위치는 샤프트의 절대압력 범위 이하 부분에 해당되는 건물 외부의 중성대 상단부분에서 결정한다.(도 2 참조)
④ 샤프트 구획 상의 급기구 간 및 배기구 간의 수직적 간격이 가능한 일정하도록 급배기구의 위치를 결정하고, 단위냉각구간이 되는 급기구와 배기구 간의 각 구간(예를 들어, 하부 측으로부터 첫 번째의 급기구와 배기구 간의 거리, 두 번째의 급기구와 배기구 간의 거리 등. 여기서 각 단위냉각구간의 거리는 기본적으로 모두 동일)에 있어서의 유입열량분포를 고려하여 각각의 급배기구에 대한 급배기량분포를 결정한다. 이때 단위냉각구간의 크기는 도입된 외기가 샤프트 내부에서 충분히 확산가능하도록 급기구와 배기구를 충분하게 이격시켜 결정한다.(도 2 참조)
⑤ 또한, 하부 측 단위냉각구간의 배기구와 상부 측 단위냉각구간의 급기구 간에 대해서도 단락(Short Circuit)이 발생되지 않도록 충분히 이격시키되 이격거리는 최소가 되도록 결정한다.(도 2 참조)
⑥ 도 3과 같이 단일 입상덕트로 급배기용 풍량확보가 가능한 경우에는 도입외기의 샤프트 내부에서의 충분한 확산을 위해서 수평적인 분기가 필요할 수도 있으며, 특히 분기 된 급기구의 위치는 도입외기가 운행중인 엘리베이터 카에 직접 부딪히지 않도록 주의해야 한다. 단일 입상덕트만으로 충분한 풍량확보가 어려워서 복수의 입상덕트를 설치하는 경우에도 급기구의 위치는 도입외기가 운행중인 엘리베이터 카에 직접 부딪히지 않도록 해야 한다.(도 3 참조)
⑦ 도입외기의 확산을 목적으로 하는 입상덕트의 수평적 분기에 의해 동일 층에 설치되는 개구부에 대해서는 별도의 입상덕트를 설치할 필요가 없다.
⑧ 외기도입에 의한 최적의 샤프트 냉각효율 확보를 위하여 급기용 덕트설비에 대한 단열시공이 필수적이다.
<제4단계>
상기 제3단계에서 결정된 각 급배기구의 위치에 대한 실내외 압력조건 및 통기풍량 등을 고려하여 해당건물에 덕트설비 등 장치설계를 실시한다. 이때 외기조건변화에 따른 냉각용 급배기량의 조정을 위하여 덕트설비 상에 댐퍼와 인버터팬을 부설한다. 장치의 제어방법은 기 등록된 특허 제0731328호에 준하여 실시한다.
즉, 샤프트 내부와 건물 외부의 차압 및 온도차를 측정하여 측정된 차압 및 온도 데이터가 제어부로 전달되면 제어부에서 미리 설정된 설정 값과 비교하여 샤프트 내부와 외기 간의 압력 또는 온도차가 일정 범위를 벗어나면 댐퍼와 인버터팬을 구동시켜 샤프트 내로 외기를 유입시키거나 배출시킨다.
<제5단계>
상기 제4단계에서 작성된 설계 안에 따라 관련설비를 구현한 후에 시운전을 통한 장치조정을 실시한다. 여기서 장치조정이란, 설계조건과 실제조건 간의 차이로 인한 샤프트 내부로의 유입열량 오차 및 샤프트 중성대 위치 오차 등을 파악하여 외기도입량 및 배출량을 조정하는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 건물의 샤프트 최적냉각방법을 설명하기 위하여 샤프트 내부로 유입되는 열량의 분포개념을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 건물의 샤프트 최적냉각방법을 설명하기 위하여 연돌효과에 의한 건물 내외부 절대압력분포를 이용한 급배기 덕트의 수직적 설치개념을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 건물의 샤프트 최적냉각방법을 설명하기 위하여 급배기 덕트의 수평적 설치개념을 나타낸 도면.

Claims (5)

  1. 건물의 규모 및 건축계획적 특성 등을 고려하여 연돌효과의 발생특성 및 샤프트 내부로의 열량도입특성을 파악하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 파악된 샤프트 내부로의 열량도입특성을 고려하여 냉각용 적정 외기도입량 및 샤프트 내부 공기의 적정 배출량을 산출하는 제2단계;
    상기 제2단계에서 산출된 냉각용 적정 외기도입량 및 배출량에 대해서 샤프트 내부로 유입되는 열량의 분포를 고려하여 분산 배치를 검토하는 제3단계;
    상기 제3단계에서 결정된 분산 배치 방안에 대한 덕트설비 등 장치설계를 실시하는 제4단계;
    상기 제4단계에서 작성된 설계 안을 적용한 후, 시운전을 통한 장치조정을 실시하는 제5단계;
    를 포함하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계에서는, 샤프트가 최적상태로 냉각되는 조건에 대한 유입열량의 산정오차를 최소화하기 위하여, 샤프트 전체의 온도조건을 목표냉각온도로 설정하여 시뮬레이션을 실시하는 것을 특징으로 하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1단계에서는, 샤프트 냉각용 급배기구의 분산배치를 보다 효과적으로 설정하기 위하여, 샤프트 내부로의 전체유입열량을 실내를 경유하여 샤프트로 유입되는 공기에 의한 유입열량과, 샤프트와 실내 간의 전열에 의한 유입열량으로 구분하여 수직 구간별 유입열량분포를 각각 파악하여 진행하는 것을 특징으로 하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3단계에서는, 건물 외관디자인 상의 장해요소로의 작용 방지, 외부풍 영향에 의한 급배기량 조절곤란 방지, 중성대 부근에 대한 충분한 통기풍량의 확보, 중성대 위치에 따른 급배기구의 설치위치 제약 해소를 위하여, 각각의 급배기구에 대하여 별도의 입상덕트를 설치하는 것을 특징으로 하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3단계에서는, 샤프트 구획의 모든 층에 대해 냉각용 급배기구의 설치가 가능하도록 샤프트와 외기의 절대압력을 고려하여 급기용 입상덕트의 외기도입위치는 샤프트의 절대압력 범위 이상 부분에 해당되는 건물 외부의 중성대 하단부분에 설치하고, 샤프트 내부 공기 배기용 입상덕트의 배출위치는 샤프트의 절대압력 범위 이하 부분에 해당되는 건물 외부의 중성대 상단부분에 설치하는 것을 특징 으로 하는 연돌효과 저감을 위한 건물의 샤프트 최적냉각방법.
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