초고층 건물의 연돌효과(stack effect)의 발생원리와 문제점, 대책방안 등 고려사항

연돌효과(stack effect)

• 일반적으로 건물의 저층부에서는 외부에서 실내로 공기가 유입되며, 유입된 공기는 수직이동경로인 샤프트 또는 계단, 엘리베이터를 통해서 건물 내부에서 상승하고, 상승한 공기는 실외로 유출되는 현상을 연돌효과(stack effect)라고 한다. 

 

 

연돌효과(stack effect)의 개요 

연돌효과의 정의

• 연돌효과란 굴뚝으로 연기를 내보내는 원리로, 고층건물의 최하부층에서 최상층으로 향하는 강한 기류의 형성을 말한다. 

연돌효과의 발생 원리(Mechanism)

연돌효과는 건물 내외부 공기의 상태(온습도, 공기밀도) 차이로 인하여 실내외 공기 간의 압력차가 발생하고, 이로 인해 건물의 내부와 외부, 건물 내에서 상층부와 하층부 간의 공기 흐름이 발생하게 됩니다.

 

연돌현상은 실내외 공기밀도차이가 있는 모든 건물에서 발생할 수 있으나 건물의 층고가 높은 건물에서 연돌효과의 발현 정도가 커서 일반적으로 연돌효과는 고층 건물에서만 발생하는 것으로 인식되고 있습니다. 

<stack effect mechanism> / 건축시공기술사 용어(저자:김우식) 참조

연돌현상은 실내외 온도 차이가 현저한 겨울철에 주로 나타나며, 여름철의 경우, 겨울철과 반대로 공기 흐름이 반대로 발생하여 역연돌 현상이 발생하나 여름철의 경우 겨울철에 비해 상대적으로 실내외 온도차가 크지 않아 문제 되고 있지 않습니다. 

연돌효과의 주요 영향 요인 및 고려사항 

• 실내외 온도차
• 건물의 높이
• 외부 풍환경
• 건물의 기밀성
• 실내구획의 유무
• 코어의 배치
• 평면형태 및 공조시스템 등 건축적, 설비적 요인

연돌효과는 실내외 온도차 이외에도 건물의 높이, 외부 풍환경, 건물의 기밀성, 실내 구획의 유무, 코어의 배치, 평면의 형태 및 공조시스템 등 건축적, 설비적인 요인들에 의해 다양한 양상으로 나타납니다. 

 

① 기후적 요인

연돌효과에 가장 지배적인 영향을 미치는 것은 실내외 온도차이기 때문에 같은 건물이라고 해도 그 건물이 위치한 지역의 기후에 따라 연돌현상으로 인한 공기 유동이 달라짐.

 

외부 풍향 및 풍속 조건에 따라 건물의 벽체에 작용하는 압력이 달라지고, 건물의 공기 유동량에도 영향을 미치기 때문에 연돌효과를 분석하는 데 있어서 외기온도 및 습도, 외부 풍환경과 같은 기후적인 조건의 검토 선행 필요

 

 

② 건축적 요인

건물의 높이, 실내구획의 유무, 공기 유동 경로의 기밀성, 엘리베이터 샤프트의 수직 구획과 같은 건물의 건축적 요인에 의하여 건물의 공기유동의 양상이 달라집니다. 건물의 높이와 연돌효과로 인한 공기 유동 및 압력차는 비례하며, 또한 비슷한 높이의 건물이라도 실내 구획의 차이에 따라 건물의 연돌 특성은 다르게 나타남. 

 

 

③ 설비적 요인

공조시스템에 의해서 실내의 가압 및 감압 여부에 따라 연돌효과로 인한 공기 유동 역전 현상이 관찰될 만큼 건물의 설비적 요소가 연돌효과에 미치는 영향이 큼

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연돌효과(stack effect)에 따른 문제점

• 공기 유출입에 따른 건물내 에너지 손실
• 엘리베이터 도어 및 출입문 개폐 불량
• 환기 및 배기 어려움
• 화재발생 시 연기 및 화염의 급속한 확산

 

① 침기와 누기로 인한 문제점

연돌효과로 인해 겨울철 건물의 저층부의 온도는 낮아지고, 고층부는 온도가 높아서 에너지 손실이 발생됨에 따라 저층 로비 공간의 난방에너지가 증가되고, 상층부에서는 온도 상승 및 오염된 공기가 확산되어 공기질 저하 현상 발생

 

또한, 온도가 높은 공기가 상층부를 통해 외부로 유출되면서 벽에 결로 현상이 발생하여 결로수가 결빙되거나, 외표면에 백화현상 발생

 

 

② 엘리베이터(E/V)와 출입문에서의 문제점 

연돌효과로 인한 강한 공기유동(기류)의 영향으로 사무소 건물에서는 로비 출입문, 자동문 및 엘리베이터 도어의 개폐 불량 현상이 나타나며, 풍절음으로 인해 사용자의 불쾌감 초래

 

 

③ 환기 및 배기설비에서의 문제점

연돌효과로 인하여 저층부의 냄새와 지하주차장의 배기가스 등이 확산될 수 있으며, 실내의 화장실 및 주방의 배기에 어려움

 

 

④ 화재발생 시 문제점

연돌효과에 의한 공기 유동으로 인해 화재 발생 시 유독성 연기 및 화염이 계단, 엘리베이터, 샤프트, 공조 덕트 등을 통하여 급속히 확산될 수 있음

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연돌효과(stack effect) 대책 방안

건축적 대책 방안

① 로비 현관에 회전문 설치

• 로비 현관에 회전문을 설치하여 출입 개폐에 따른 공기 유입 최소화
• 회전문 설치기준(회전문의 회전속도 등 관련 관련 법령)

② 지하출입구에 방풍실 설치

• 지하출입구에 방풍실 설치하여 출입문에 작용하는 압력을 분담
• 출입문 이중 설치로 출입문 개폐에 따른 공기 유입 최소화

③ 공기 유동 경로의 기밀성을 강화시키는 방안

• 외피의 기밀성 강화
• 엘리베이터 샤프트 기밀성능 강화
• 출입문 기밀성능 강화
• 실내 추가구획 설치
• 주차장 램프 입구 방풍 셔터 설치 등

건축계획 대책방안이 설계단계에서부터 고려되어 완벽하게 적용이 된다면 연돌효과 대응 효과가 높아질 수 있으나, 일반적으로 건물 준공 후 적용이 고려되기 때문에 적용 효율 및 개선 효율이 적은 것이 현실입니다. 

 

설비적 대책방안

① 엘리베이터 샤프트 냉각 시스템 적용

• 공기의 주요 이동경로가 되고 있는 E/V 샤프트 공간을 적정하게 냉각함으로써 샤프트 공간 내 공기 온도를 낮추고, 결과적으로 공기의 밀도를 높여 연돌효과의 발생 원리인 실내외 공기 차를 최소화하여 샤프트 공간으로 공기 유입량 최소화

② 공조시스템의 활용

• 공조시스템을 활용하여 실내 공간을 가압, 감압하는 방법으로 공조 급배기량을 조정하여 실내를 적정하게 가압, 감압함으로써 연돌효과로 인한 문제를 해결
• 급배기 비율을 조정함에 있어 실온제어가 실내공기질 제어에 문제가 되지 않는 범위 내에서 적용되어야 함

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여기까지 초고층 건물에서 발생하는 연돌효과(stack effect)의 발생원리 및 영향요인 그리고 연돌효과 대응 검토 시 고려사항, 연돌효과에 따른 문제점과 연돌효과 대응방안에 아래 자료를 참고 및 정리하였습니다. 위 내용 참고하시어 연돌효과의 이해에 도움이 되길 바라며, 건축시공기술사에도 응용해보시기 바랍니다. 

 

<참고자료 : 대한설비공학회 설비 저널 제37권 제11호 2008년 11월호 고층건물의 연돌효과에 대한 개요 및 대책방안>

 

 

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