KR20110054228A - 건물 상하에 발생하는 기압차를 유도하거나 이용하기 위한 건물 상향 설치 배관 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 건물 인근에 설치되며, 건물의 상단과 지상을 연결하는 건물 상향 설치 배관에 있어서, 적어도 배관상에 하나 이상의 벤튜리관(관 내에 통로가 서서히 좁아지다가 확장되는 목부를 가지는 관) 구조가 구비되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 건물의 상층과 하층 부분을 연결하는 건물 상향 설치 배관을 통해 건물의 상층과 하층의 기압이나, 온도 및 밀도 차이에 의해 발생하는 건물 주변부의 기류를 인위적으로 조성하거나 이용하여 발전이나 건물 공조장치의 배기 등의 용도에 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

Description

건물 상하에 발생하는 기압차를 유도하거나 이용하기 위한 건물 상향 설치 배관 {piping laid upward for using or inducing pressure difference between building upper portion and lower portion}

본 발명은 건물의 내부 혹은 외부에서 건물 상하부에 발생하는 혹은 조성된 압력 차이를 이용하기 위해 상하 방향의 기류가 흐르도록 설치되는 배관의 구조에 관한 것이다.

인구의 급속한 증가와 산업화로 인하여 에너지에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있지만, 현재 사용되는 에너지의 주류를 이루는 화석연료는 존재량이 한정되어 있고, 채취를 위한 개발조건이 나빠지고 있으며, 계속적인 채굴로 양이 줄어들고 있다.

더욱이, 이런 화석연료의 사용은 대기중의 이산화탄소 비율을 증가시켜 온실효과로 인한 지구 온난화 현상을 심화시키고, 지구 환경의 대재앙을 초래할 염려를 높이고 있다.

따라서 이러한 에너지 관련 위기 의식이 높아지면서 화석연료 사용을 대체할 다양한 종류의 신 에너지 및 재생 에너지에 대한 관심이 높아지고, 개발 활동이 점 증되고 있다.

이런 신재생 에너지 가운데 현재 가장 각광을 받고 있는 분야가 풍력 발전이다. 상업적인 대규모의 풍력발전은 바람이 많이 불고, 또한 일정한 방향과 세기를 유지하는 곳에서 이루어지는 것이 유리하며, 이런 조건에 따라 입지가 제한되는 한계가 있다. 한편, 도시는 대형, 고층의 건물들이 많이 들어서고, 이런 구조물들은 자연적으로 부는 지상풍을 방해하는 역할을 하기 때문에 도심은 풍력 발전에 적합하지 않은 지역으로 인식되고 있다.

그러나, 바람은 다양한 원인에 의해 다양한 형태로 발생하고, 불게 되며, 도심의 건물이 존재 자체가 통상의 지상풍과는 다른 형태의 바람을 발생시키거나, 기존의 미약한 바람을 집속시켜 발전에 적당한 형태를 이루도록 하기도 한다.

바레인 세계무역센터에는 두 건물 사이에 두 건물을 연결하는 구조물을 설치하고, 이 구조물에 지름 30m의 대형 바람개비 형태의 풍력발전기 3대를 설치하여 건물의 곡선 형태를 이용하여 건물에 부딪히는 바람을 바람개비 쪽으로 집중시킴으로써 건물 전기 수요의 15% 정도에 해당하는 발전 전력을 얻도록 하였다.

중국 광저우의 '펄 리버 타워'는 건물 자체에 높이 중간 두 곳에 오목한 부분을 만들어 공기의 흐름이 이 부분에 모이게 하고, 이 부분에 풍력 터어빈을 설치하여 풍력 발전을 하도록 하였다.

영국 런던의 건축설계사무소 막스 바필드는 스카이하우스(skyhouse) 프로젝트를 통해 수직으로 길게 형성된 꽈배기 형태의 풍차 주위에 3개의 건물을 120도 간격으로 배치하여 주변 바람이 중심으로 모아져 상승기류를 일으키면서 풍차를 돌 려 풍력 발전을 할 수 있도록 하였다.

한편, 고층의 대규모 건물에서는 건물 내의 온도와 외부의 온도 차이에 의해 건물 내부에 수직 기류가 강하게 형성되는 연돌효과(steak effect)가 나타나는 문제가 있었다. 이러한 수직 기류는 건물 내외의 온도차이가 심한 겨울철에 뚜렷하게 발생하며, 건물 하층 및 건물 상층에서는 이러한 기류로 인하여 건물의 문을 제대로 여닫지 못하거나, 열의 손실, 화재시의 문제 등을 야기시킬 수 있다.

또한, 건물에서는 공조장치의 일부로서, 내부의 탁한 공기나 작업 등으로 인한 유독성 공기를 배출하기 환기 배관이 갖추어져 있으며, 환기의 효율을 높이기 위해 환기용 팬 등이 사용되고 있다.

본 발명은 건물의 상층과 하층의 기압이나, 온도 및 밀도 차이에 의해 발생하는 건물 주변부의 기류를 인위적으로 조성하거나, 효율적으로 이용할 수 있는 도구로서, 건물의 상층과 하층 부분을 연결하는 건물 상향 설치 배관과 그 배관에 구비되어야 할 적절한 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 이러한 배관 구조를 이용하는 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 건물 주변 건물 상향 설치 배관은,

건물 인근에 설치되며, 건물의 상단과 지상을 연결하는 건물 상향 설치 배관에 있어서, 적어도 배관상에 하나 이상의 벤튜리관(관 내에 통로가 서서히 좁아지다가 확장되는 목부를 가지는 관) 구조가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배관에서 지상에 있는 공기 흡입구는 위를 향해 좁아지는 테이퍼관 복수개가 서로 이격된 상태로 상하로 나란히 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이런 형태에서는 서로 나란히 상하로 배치된 테이퍼관과 테이퍼관 사이의 틈새를 통해 외부의 공기가 배관 내로 인입되며, 테이퍼의 경사에 의해 수평방향으로 배관으로 접근되는 공기가 테이퍼관의 경사면을 통해 방향을 전환하여 상부로 움직이도록 유도된다. (반대편 배관 벽면 틈새로 유출되기 어렵고, 유입구의 공기 유입 효율이 좋아진다.)

본 발명의 배관에서 건물의 상단에는 배기 효율이 높은 유선형 벤츄레이터를 설치하여 역류를 방지하고 상층의 빠른 공기 흐름을 이용하여 배관 내의 배출되는 공기의 흐름을 더욱 빨리할 수 있다.

본 발명에서 벤튜리관 구조를 이루는 좁은 목부에는 바람개비나 풍력 터어빈이 설치되어 이 부분을 지나는 공기 흐름에 의해 바람개비나 풍력 터어빈이 회전하고, 이를 이용하여 발전을 하도록 이루어질 수 있다.

본 발명에서 벤튜리관 구조를 포함하여 배관 내에는 볼텍스 기류 형성을 위한 핀(fin)이 설치될 수 있다.

본 발명에 따르면, 건물의 상층과 하층 부분을 연결하는 건물 상향 설치 배관을 통해 건물의 상층과 하층의 기압이나, 온도 및 밀도 차이에 의해 발생하는 건물 주변부의 기류를 인위적으로 조성하여 발전이나 건물 공조장치의 배기 등의 용도에 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도1의 건물 상향 설치 배관(10)은 건물 외부 벽체에 고정 설치된다. 건물 하 부인 지상부에 위치하는 건물 상향 설치 배관의 하단에는 공기 흡입구(15)가 설치되며, 건물 상부인 옥상층에 위치하는 상단에는 공기 배출구에 유선형 벤츄레이터(20)가 결합되어 있다.

하단 부근과 상단 부근인 두 곳에 벤튜리관 구조를 가지는 목부(11, 13)가 위치한다. 목부(11, 13)는 배관경이 줄어들다가 확장되어 원래의 관경으로 회복되는 부분이다. 이 부분에서는 관경이 줄어들기 때문에 기류의 흐름이 다른 부분에 비해 빨라진다. 이러한 빠른 흐름을 이용하거나, 다른 곳과 차별화된 압력을 이용하기 위해 배관10)에 목부(11, 13)를 두게 된다.

이러한 목부(11,13)는 전체 건물 상향 설치 배관(10)을 통해 복수 개 존재할 수 있다. 목부의 갯수 및 위치는 배관 전체의 길이 및 목부와 다른 부분에서의 관경의 비율, 기류를 이루는 공기의 온도 등에 따라 달라질 수 있으나 공기의 온도는 계절이나 시간대에 따라 달라질 수 있으므로 주로 배관 자체의 제원에 따라 정해지게 된다. 목부의 위치가 너무 접근되거나, 목부의 갯수가 너무 많으면 목부는 건물 상향 설치 배관을 따라 흐르는 기류에 대한 저항으로 작용하여 흐름을 방해하게 되므로 하나의 목부를 지나는 공기가 안정화된 상태에서 다른 목부를 통과할 수 있도록 충분한 이격거리를 두는 것이 바람직하다.

또한, 공기는 같은 유체인 물과 달리 압축성을 가지며(compressible) 이런 압축성으로 인하여 스프링(spring)과 같이 탄성을 가지는 것처럼 움직일 수 있으므로 이러한 특성에 유의하여 목부 사이의 이격거리를 정하면 전체적으로 목부가 배관을 따라 흐르는 기류에 대한 큰 저항으로 작용하지 않도록 할 수 있다.

이러한 건물 상향 설치 배관(10)은 출구인 공기 배출구를 제외한 대부분을 건물 내부에 설치할 수도 있지만, 건물 벽체를 이용하여 입구에서 출구까지 전체를 건물 외부에 설치할 수도 있다. 또한 입구는 건물 내부에 설치하고, 대부분의 배관과 출구는 건물 외부 가령 옥상 같은 곳에 설치할 수도 있다.

도2는 본 발명 실시예의 공기 흡입구(15)를 나타내며, 공기 흡입구(15)는 위를 향해 좁아지는 테이퍼관(151) 복수개가 서로 이격되어 틈을 가진 상태로 상하로 나란히 설치되어 이루어진다. 각 테이퍼관(151)의 벽체가 수직과 이루는 각도는 예각 특히 45도 이하로 하는 것이 바람직하다. 이런 형태에서는 서로 나란히 상하로 배치된 테이퍼관(151)과 테이퍼관(151) 사이의 틈새를 통해 외부의 공기가 배관 내로 인입되며, 테이퍼관벽의 경사에 의해 수평방향으로 배관으로 접근되는 공기가 테이퍼관의 경사면을 통해 방향을 전환하여 상부로 움직이도록 유도된다. 또한, 테이퍼관의 경사면은 틈새로 유입된 공기가 그대로 반대편의 배관 벽면 틈새로 유출되기 어렵도록 한다. 제일 하부의 테이퍼관의 하단은 최대 관경을 이루어 아래쪽에서 공기가 배관 내로 쉽게 유입되도록 한다. 따라서, 전체적으로 이러한 형태의 공기 흡입구(15)는 배관 내로의 공기 유입 효율을 높일 수 있다.

도3을 참조하면 도2와 같은 공기 흡입구(15) 내부에는 내벽에서 돌출된 다수의 볼텍스 핀(vortex fin:153)이 존재함을 알 수 잇다. 이들 볼텍스 핀(153)은 공기 흡입구(15)를 이루는 다수의 테이퍼관(151)을 전반적으로는 서로 이격되어 틈새를 가지면서도 일부에서 서로 결합된 상태를 유지하게 하는 연결부로서 기능을 한다.

또한, 이들 볼텍스 핀(153)은 대략 배관 아래에서 볼 때 위쪽으로 뻗어있으며, 배관 내를 흐르는 공기가 볼텍스 성분을 가지도록 자연스럽게 곡선을 이루면서 구부러지는 형태를 가진다. 이때 볼텍스 핀은 배관을 아래에서 위쪽으로 볼 때(기류의 흐름의 방향으로 볼 때), 또한 북반구를 기준으로 할 때, 시계방향으로 공기가 회전하면서 흐르도록 구부러지면서 뻗어있다. 이런 시계방향은 볼텍스 핀이 없는 경우에도 공기의 흐름이 코리올리 힘(Coriolis' force)의 영향으로 취할 수 있는 방향이며, 볼텍스 핀(153)의 존재는 이런 흐름을 보다 자연스럽게 형성하여 기류의 흐름에 저항을 줄여 빠르게 하는 역할을 할 수 있다.

이러한 볼텍스 핀(153)은 배관(10) 전반에 걸쳐 형성될 수도 있고, 공기 흡입구(15)나 목부(11, 13)와 같은 요소요소에 한정하여 형성될 수도 있다. 도4에는 건물 상향 설치 배관(10)의 목부(11)에 형성된 볼텍스 핀(113)이 개시되어 있다. 볼텍스 핀(113)은 관경이 좁아지는 부분과 관경이 최소가 되는 부분, 관경이 넓어지는 부분에 걸쳐 형성되어 있고, 여기서도 아래쪽에서 볼 때, 볼텍스 핀(113)의 형태는 내벽면에서 수직한 방향을 기준으로 약간 왼쪽으로 기울어져 돌출되어 있고, 배관의 위쪽으로 뻗으면서 면이 다소 뒤틀리고(twisted), 약간 왼쪽으로 기울어져 나선과 같이 뻗어 있어서 공기가 시계방향으로 회전하면서 진행되도록 이루어진다.

본 실시예에서 목부(11)에는 또한 도5에서 잘 나타나듯이 바람개비(fan: 30)가 설치된다. 바람개비(30)는 대략 중심부의 회전축(31)과 회전축 주위에 형성된 날개(33)들로 이루어지며, 날개(33)들은 배관을 따라 볼텍스 성분을 가지고 상승하 는 공기의 흐름이 날개와 정면 충돌에 가깝게 부딪히도록 면이 경사져 혹은 뒤틀려져(twisted) 있다.

따라서, 이 목부(11)에서는 배관을 따라 상승하는 공기의 흐름이 관경이 넓은 다른 부분에 비해 급속히 증가하게 되면서, 빠른 속도로 바람개비 날개(33)와 충돌하여 바람개비(30)를 아래에서 볼 때 시계방향으로 회전하도록 한다.

바람개비(30)의 회전축(31)은 도시되지 않은 지지대에 회전가능하게 거치되어 있으며, 축에 연결된 발전 장치(미도시)에 의해 바람개비가 강하게 회전할수록 많은 양의 발전이 이루어진다.

하나의 목부(11)를 통과한 공기의 흐름은 관경이 넓어진 상태의 긴 구간을 지나면서 공기의 흐름이 안정화되고 다시 다른 목부(13)를 지나면서 그 목부(13)에 설치된 다른 바람개비를 돌리면서 추가적인 발전에 참여할 수 있다.

이렇게 배관을 지나는 공기의 흐름은 배관 상단의 공기 배출구를 통해 외부 공기중에 방출된다. 본 실시예에서는 배관(10)을 따라 상승한 공기의 배출을 보다 용이하게 하도록 공기 배출구에는 도6과 같은 벤츄레이터(20)가 설치된다.

벤츄레이터는 비교적 작은 폭의 흡기구(23)와 흡기구(23)에 비해 상대적으로 큰 폭을 가지는 배기구(25)를 가지며 흡기구(23)와 배기구(25) 사이에는 가장 작은 폭의 연결부(27)가 형성되어 있고, 이 연결부(27)의 일부가 본 발명 실시예를 이루는 건물 상향 설치 배관(10)의 공기 배출구와 연통되어 있다. 외기 중에 바람이 불면 벤츄레이터(20)는 배기구(25) 쪽의 폭이 넓고, 크게 형성되므로 바람을 가장 작게 받도록 평면상에서 회전을 하면서 흡기구(23)가 바람이 불어오는 방향을 향하도 록 놓이게 된다.

따라서, 벤츄레이터(20)에서는 주변에 바람이 불면 지상의 바람(도1의 55)에 비해 높은 풍속을 가지는 공기의 흐름 즉, 바람(51)이 흡기구(23)를 통해 벤츄레이터(20) 내로 진입하고, 연결부(27)를 통과하면서 빠른 공기의 속도로 인하여 연결부(27)의 압력을 낮추고, 다시 공기 유출구를 통해 벤츄레이터(20)를 빠져나가게 된다. 그 과정에서 연결부(27)의 낮은 압력은 연결부(27)와 연결된 건물 상향 설치 배관의 공기 배출구 주변의 내부 공기(60)가 용이하게 벤츄레이터(20)의 연결부(27)를 통해 외부 공기와 섞여 혼합기(70) 형태로 함께 벤츄레이터의 배기구(25)로 빠져나가도록 한다.

배기구(25)에서는 배관(10)을 따라 올라온 주변보다 높은 온도의 공기가 부력에 의해 주변의 차가운 공기 속에서 상승하려는 힘에 의해 주어지는 부압과, 벤츄레이터(20)의 연결부(27)에 작용하는 부압에 의해 배기구(25)로부터 강하게 배출되고, 이 배출되는 힘은 배관 내부의 아래 부분의 공기를 위쪽으로 향하게 하여 배출력을 높이게 된다.

이상에서는 배관의 공기 흡입구(15)가 하단에 하나만 설치된 경우에 대해 상세히 설명하고 있지만 실시예에 따라서는 공기 흡입구는 건물을 통틀어 여러 개가 형성될 수 있다. 가령, 건물의 배기를 주 목적으로 하여 본원 발명의 건물 상향 설치 배관을 형성한 경우, 건물 상향 설치 배관(10)에서 입구는 단일한 입구가 아니고 다수의 입구로 형성되고, 이들이 모여 하나의 주된 수직 배관을 따라 상승하도록 이루어지는 것도 고려할 수 있다. 특히, 공조용 배기 배관에서는 공기 흡입구를 건물 내의 저층에 다수가 고르게 분포하도록 설치하고, 수평 배관을 통해 이를 하나로 모아 수직 배관부의 하단과 결합시킬 수 있다.

또한, 공조용 배기 배관에서는 건물 상향 설치 배관에서 목부가 형성되는 곳마다 목부와 연통되는 수평형 배관을 설치하고, 이 수평형 배관은 단부가 분기되어 그 층에 공기 흡입구 다수가 분포하도록 설치할 수 있다. 그러면, 목부에서는 벤튜리관 구조를 이용하여 저압을 형성함으로써 해당층 수평형 배관을 통해 해당 층의 오염된 공기를 빨아들임으로써 각층 배기를 담당할 수도 있다.

한편, 건물 상향 설치 배관 전체가 건물의 외측에 설치되는 경우를 생각하면, 외부의 공기 흐름에 따라 건물에서 공기가 가장 흘러나가기 어려운 부분에 공기 유입구를 설치하면 이 부분에는 바람이 불 때는 기압이 높아지고, 건물 상층부를 포함하여 건물 주변부에서는 공기의 흐름이 빨라져 배관 하단부는 상단부와 기압차를 발생시킨다. 또한, 배관 상단부에서는 공기의 빠른 흐름이 있을 때, 벤츄레이터의 작용으로 공기 배출구에서는 기압이 주변보다 더욱 낮아져 이러한 기압차에 의해 수직형 배관에는 상승하는 방향의 기류가 형성된다.

따라서, 이 상향 설치 배관 혹은 수직 배관 중에 목부에서는 이 기류의 흐름이 더욱 빨라져 목부에 팬을 설치할 경우, 기류가 흐르면서 팬을 돌려 발전을 할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한　것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다. 따라서, 건물 상하간의 공기 흐름의 속력차이, 온도 차이, 압력 차이와 같은 상하 방향의 기류를 발생기키는 다양한 형태에서 본 발명의 상향 설치 배관의 다양한 이용 형태가 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있음은 당연하다.

도1은 본 발명의 건물 상향 설치 배관의 일 실시예 및 그 주변과 내부로의 기류 흐름을 나타내는 개념적 사시도,

도2는 본 발명의 일 실시예를 이루는 건물 상향 설치 배관의 공기 흡입구 구성을 나타내는 사시도,

도3은 본 발명의 일 실시예에서 공기 흡입구 부분에 설치된 기류 회전 유도용 볼텍스 핀을 나타내는 사시도,

도4는 본 발명의 일 실시예에서 벤튜리관 구조를 이루는 부분에 볼텍스 핀이 설치된 형태를 수평방향에서 본 모습을 개략적으로 나타내는 투시도,

도5는 본 발명의 일 실시예에서 벤튜리관 구조를 이루는 목부의 내부에 바람개비(fan)가 설치된 형태를 나타내는 투시도,

도6은 본 발명의 일 실시예에서 공기 배출구에 설치된 유선형의 벤츄레이터와 이 벤츄레이터에서의 외부유입공기와 공기 배출구로부터 위로 배출되는 기류의 흐름을 나타내는 사시도이다.

Claims (5)

1. 건물 내측 혹은 외측 인근에 설치되며, 건물의 상부와 하부를 연결하여 건물 하부의 공기를 흡기하여 건물 상부로 이동시키고 외기로 배출하는 건물 상향 설치 배관에 있어서,

   적어도 배관상에 하나 이상의 벤튜리관(관 내에 통로가 서서히 좁아지다가 확장되는 목부를 가지는 관) 구조가 구비되는 것을 특징으로 하는 건물 상향 설치 배관.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 건물 상향 설치 배관의 입구부인 공기 흡입구는 위를 향해 좁아지는 테이퍼관 복수개가 공기 유입을 위한 틈을 가진 채로 상하로 배열 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 건물 상향 설치 배관.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 건물 상향 설치 배관의 배출부인 상단 공기 배출구에는 벤츄레이터를 설치하여 상층의 빠른 수평방향 외기 흐름을 이용하여 상기 건물 상향 설치 배관에서 배출되는 공기를 더욱 빨리 배출될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 건물 상향 설치 배관.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 벤튜리관 구조에는 상기 건물 상향 설치 배관을 흐르는 기류에 의해 회전되는 바람개비나 풍력 터어빈을 포함하는 발전장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 건물 상향 설치 배관.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 가운데 어느 한 항에 있어서,

   상기 건물 상향 설치 배관의 내측벽면의 적어도 일부에는 상기 건물 상향 설치 배관을 흐르는 기류에 볼텍스 성분을 가질 수 있도록 기류 회전 유도용 핀(fin)이 설치되는 것을 특징으로 하는 건물 상향 설치 배관.

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