Influence of Stack Effect in High-Rise Buildings on Wind Effect in Jeju (Comparative Analysis of Seoul and Jeju)

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.6.006

제주지역 고층건축물에서의 바람의 영향이 굴뚝효과에 미치는 영향 분석 (서울과 제주지역간의 비교 분석)

임채현

제주국제대학교 소방방재학과

Influence of Stack Effect in High-Rise Buildings on Wind Effect in Jeju (Comparative Analysis of Seoul and Jeju)

Chae-Hyun Lim

Dept. of Fire and Disaster Prevention, Jeju International University (Received July 1, 2015; Revised October 19, 2015; Accepted October 20, 2015)

요 약

본 연구에서는 상대적으로 바람이 강한 제주지역에서 바람의 영향이 고층건축물의 굴뚝효과에 어떠한 영향을 미치는 지를 분석하기 위해 서울소재 고층건축물을 대상으로 서울과 제주지역에서의 지형 및 기상조건을 각각 대입하여 CONTAM 모델링을 실시하였다. 굴뚝효과에 의한 차압은 수직샤프트의 높이와 실내 · 외 온도차의 함수로서 같은 높이 의 건축물에서는 겨울철 서울보다 상대적으로 외기온도가 따뜻한 제주지역에서의 차압이 서울지역의 60% 정도에 그쳐 비교적 안정적인 것으로 판단되어 왔다. 그러나 제주도는 섬지역으로서 서울보다 강한 바람의 영향에 의해 중성면이 56% 이상 큰 폭으로 상승하는 현상을 보였는데, 이는 비록 제주지역이 서울보다 굴뚝효과에 의한 차압은 적게 나타날지 라도 상승된 중성면에 의해 저층부에서 형성되는 부압의 영역이나 크기는 넓고 크게 나타나 위험성이 상대적으로 높은 것으로 판단되었다.

ABSTRACT

This study used CONTAM modeling to analyzed analyze the stack effect in high-rise buildings for the terrain and weather conditions of Seoul and Jeju. The differential pressure caused by the stack effect is a function of the indoor and outdoor temperature difference and the height of the vertical shaft. Jeju is considered more stable than Seoul, because it is warmer than Seoul in winter. The differential pressure in Jeju is about 60% that of Seoul in for the same height of build- ings in winter. However, Jeju is an island and the neutral plane is raised by over 56% by strong winds, although there is less differential pressure caused by the stack effect in Jeju than in Seoul. Due to the raised neutral plane, the region and magnitude of negative pressure in the lower part is larger in Jeju than in Seoul.

Keywords : Stack effect, Wind effect, Neutral plane, CONTAM

1. 서 론

최근 제주도는 국내 Heal-Being (Healing and Well- being) 열풍에 힘입어 주거도시로서 각광을 받고 있으며, 매년 전국 최고수준의 인구유입이 이루어지고 있다. 또한 천혜의 자연환경을 자원으로 UNESCO 3관왕 달성, 세계 7대 자연경관 선정 등, 세계적인 관광도시로서 지난 10년 (2003년~2013년)간 120% 이상의 관광객 증가가 이루어졌 으며 이중 외국인 관광객의 증가율은 무려 1,000%에 달하 고 있다. 이와 함께 중국을 필두로 한 외국인 부동산 투자

가 집중되고 있어 제주지역 전역에 걸쳐 부동산 개발 붐이 일고 있다.

특히 얼마 전까지 제주시에 건립이 추진되었던 56층 초 고층 건축물은 각종 안전상의 문제로 층수를 낮춰 추진되 는 등 고층건축물의 건립 및 안전문제가 지역사회의 화두 가 되고 있으나 고층건축물의 안전과 관련된 대부분의 연 구는 서울, 경기지역 등 수도권 지역에 집중되어 제연시 스템의 성능, 굴뚝효과의 영향 및 저감방안 등에 대해 연

구^(1-4)되고 있어 제주지역을 대상으로한 연구는 전무한 실

정이다.

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이에 본 연구에서는 CONTAM 모델링분석을 통해 고층 건축물 안전에서 핵심이 되는 연기 확산의 주요원인 중 가 장 큰 인자인 굴뚝효과를 서울과 제주지역으로 구분하여 비교 평가하였다. 특히 상대적으로 바람이 강한 제주지역 의 특성을 고려하여 바람의 영향이 굴뚝효과에 어떠한 영 향을 미치는가에 대한 분석을 실시하였으며 최근 기후변 화의 영향으로 증가하는 극한 기후값의 적응에도 유용할 것으로 판단된다.

참고문헌 5에 의하면 Table 1에서와 같이 고층건축물에 서의 연기구동력은 굴뚝효과가 가장 큰 것으로 제시하고 있으며 바람이 강할 경우 바람의 영향도 크게 나타났다.

2. 이론적 배경 및 과제

2.1 굴뚝효과(Stack effect)

굴뚝효과는 건축물 내 · 외부 온도차로 발생한 부력으로 건축물의 계단실, 엘리베이터 샤프트 등 수직공간에서 기 류가 상승 또는 하강하는 현상을 말한다. 식(1)에서는 측 정하고자 하는 높이에서의 실내 · 외 압력차를 계산하는 식으로서 실내 · 외 온도차가 크게 발생할수록, 수직 샤프 트의 높이가 높을수록 차압이 큰 것을 알 수 있다.

그러므로 상대적으로 높이가 높은 (초)고층건축물에서, 실내 · 외 온도차가 크게 발생하는 겨울철에 굴뚝효과의 Table 1. Comparison of Differential Pressure Due to Various Driving Forces⁽⁵⁾

Driving force Location of pressure

differences (Δp) Conditions Δp (Pa)

Stack effect Shaft to outside

Temp. of air inside shaft: 21^oC Temp. of outside air: −18^oC Distance above neutral plane (h)

· h = 10 m

· h = 100 m

018

combustion gases

Fire room to adjacent room at ceiling

For T_f= 870^oC and T_o= 21^oC

· h = 1.5 m

· h = 3 m

013 026

Wind effect A cross the building (windward to leeward wall)

Outside air density: 1.2 kg/m³

Wind Pressure coefficient for windward wall: 0.8 Wind Pressure coefficient for leeward wall: −0.3 Wind velocity at the upwind wall of height h (U_H)

· U_H= 7 m/s

· U0 = 14 m/s

032

Ventilation systems Across barrier of

smoke control system Values based on experience

012

090

Elevator piston effect

Elevator lobby to building

Air density in shaft: 1.2 kg/m³

Leakage area between lobby and shaft: 0.149 m² Leakage area between building and lobby: 0.039 m² Leakage area between outside abd building: 0.050 m²

<Single-car shaft>

Flow coefficient for flow around the car: 0.83 Cross-sectional area of shaft: 5.61 m² Free flow area around car: 1.80 m² Car velocity (U)

· U = 2.03 m/s

· U = 3.56 m/s

<Double-car shaft>

Flow coefficient for flow around the car: 0.94 Cross-sectional area of shaft: 11.22 m² Free flow area around car: 7.41 m² Car velocity (U)

· U = 2.03 m/s

· U = 3.56 m/s

020 065

005

012

문제점들이 부각되고 있다.

이러한 굴뚝효과는 화재 시 화재 층에서 상부 층으로 연 기를 확산시키는 연기 구동력이 되어 유일한 피난동선인 계단실을 연기로 오염시키는 원인이 되기도 한다. 그러므 로 소방에서는 계단실 등 수직공간으로의 연기유입을 방 지하기 위해 부속실에 급기가압 제연설비를 설치하고 있 으나 건축물이 고층화됨에 따라 증대되는 굴뚝효과의 차 압이 급기가압 제연설비의 성능을 무력화시킬 수 있는 요 인으로 작용하고 있다.

(1)

여기서, ΔPso: 외부와 샤프트간의 압력차(Pa)

여기서,

여기서,

여기서,

굴뚝효과는 Figure 1⁽⁶⁾과 같이 정상굴뚝효과(normal stack effect)와 역굴뚝효과(reverse stack effect)로 구분된 다. 실내 · 외 압력차가 같은 중성면(neutral plane)을 중심 으로 외기의 유입과 유출이 이루어지고 수직샤프트를 통 한 기류의 수직이동이 발생되는데, 외기온도가 실내온도 보다 낮은 겨울철에 발생하는 정상굴뚝효과에서는 수직샤 프트에서 기류가 상승하는 반면 외기온도가 실내온도 보 다 높은 여름철에는 기류가 하강하는 특성을 보인다. 우리 나라에서는 여름보다 겨울철이 실내 · 외 온도차가 크게 발생하므로 역굴뚝효과 보다 정상굴뚝효과(이하 굴뚝효과) 에 대한 위험성이 높게 나타나고 있다.

2.2 바람의 영향(Wind effect)

높이에 따른 풍속은 식(2)에서와 같이 알고자하는 높이 를 특정높이로 나눈 높이의 비에 바람지수를 지수함수로 하여 얻은 값에 특정높이에서의 풍속을 곱하여 계산되어 진다. 그러므로 높이가 높을수록, 바람지수가 클수록 풍속

이 빨라지는데, 본 식은 개략적인 계산방법으로 높이가 높 아질수록 풍속이 무한히 증가하는 것이 아니라 일정 높이 이상이 되면 증가가 멈추는 경계층을 보인다. 이는 지형조 건에 따라 각기 다르게 나타나는데, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE)에서는 이러한 경계층의 높이를 광활한 평지에 서는 210 m, 도심은 270 m, 대도시는 460 m로, 바람의 간 섭이 많아지는 대도시로 갈수록 경계층의 높이가 높아지 는 것을 알 수 있다⁽⁷⁾.

(2) 여기서, U: 풍속(m/s)

여기서,

여기서,

여기서, z

여기서, a: 바람지수

바람은 옥외 화재 시에는 연소에 매우 큰 영향을 미칠 수 있으나 건축물 내부화재 시에서는 대부분 외벽에 막혀 벽면에 압력으로 작용하게 될 뿐 건축물 내부에서의 영향 은 미미하다. 그러나 식(3)에서와 같이 풍속의 제곱에 비 례하여 증대되는 풍압이 고층건축물에서는 상대적으로 크 게 작용하므로 건축물 외피의 기밀도에 따라 건축물 내부 로 침기되어 굴뚝효과와 함께 건축물 내부에서의 기류흐 름에 영향을 미친다.

(3) ΔP_so = 3,460 1

T_o --- − 1

T_s ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞h

U = U₀ z z₀

⎝ ⎠----

⎛ ⎞^a

P_w = 1 2---C_wρ_oV_h² Figure 1. Route of air flow due to stack effect.

Figure 2. Typical distribution of pressure coefficient over a tall building free of local obstruction⁽⁸⁾.

여기서, Pw: 바람의 압력(Pa)

여기서,

여기서,

여기서,

참고문헌 8에서는 Figure 2에서와 같이 장애물이 없는 고층건축물에 있어서의 풍압계수의 전형적인 분포를 보여 주고 있는데 바람을 받는 면에서는 양의 계수를 보이나 측 면이나 배면에서는 음의 계수를 보여 바람의 영향이 건축 물 내 압력분포에 영향이 있음을 볼 수 있다.

3. 모델링 해석

3.1 분석도구

분석도구는 미국 National Institute of Standards and Technology (NIST)에서 멀티존의 공기흐름, 열전달, 오염 물질 확산 등을 분석하는 목적으로 개발된 CONTAMW3.1 소프트웨어를 사용하였다.

CONTAM은 Airflow Network Modeling (AIRNET)에 서 개발된 알고리즘(algorithm)을 바탕으로 한 네트워크 모델(network models)로서 건축물 내의 공기흐름에 기반 하여 연기유동, 굴뚝효과 분석 등에 널리 사용되고 있으며, 본 분석도구 활용에 대한 제반 사항은 해당 매뉴얼에 따르 도록 하였다.

3.2 분석대상

분석대상 건축물은 서울소재 해발고도 18 m에 입지한 지하6층, 지상40층, 높이 159 m, 연면적 101,346 m² 규모 의 고층 주상복합건축물로서 지하6층~지하2층은 주차장, 지하1층~5층은 판매시설, 6층~39층은 오피스텔, 40층은

판매시설로 구성되어 있다.

Figure 3에서는 분석대상 건축물의 입면과 6층에서 39 층까지 배치된 오피스텔의 대표평면을 보여주고 있으며 건축물의 방위는 분석의 편의를 위해 임의로 설정하였다.

건축물의 외벽은 커튼월(curtain wall) 구조이고 2개의 코 어(core)를 중심으로 복도가 있고 외부와 면하여 전용공간 이 배치된 중앙코어방식의 건축물이다. 코어 내부에는 지 하6층에서 40층까지 직통으로 통하는 특별피난계단 및 비 상용엘리베이터가 배치되어 있는데 연구에서는 2개의 계 단(ST1, ST2) 중 ST1에서의 압력분포 분석을 통한 계단 실의 굴뚝효과를 평가하였다. 여기서 계단 ST1과 ST2는 각 거실에서의 접근이 용이하도록 중앙에 대칭 구조로 배 치되어 분석결과 각 계단실간의 압력 차이는 미미하여 ST1을 대표로 분석하였다.

3.3 모델링 경계조건

서울지역에 입지한 분석대상 건축물에서의 굴뚝효과 및 바람의 영향을 동일 건축물이 제주지역에 입지할 경우 나 타날 수 있는 굴뚝효과 및 바람의 영향과 비교 분석하기 위해 Table 2⁽⁹⁾에서와 같이 지형계수 및 지수를 서울은 대 도시에 해당하는 도심(urban), 제주는 개활지에 해당하는 공항(airport)으로 적용하였다. 그리고 기상조건은 Table 3 에서와 같이 외기온도의 경우 건축물의 에너지절약설계기 준⁽¹⁰⁾에 의거 서울 −11.3^oC, 제주 0.1^oC를 적용하였으며 풍속은 기상청 30년(1981년~2010년) 월평균값 중 겨울철 최대 평균풍속인 서울 2.6 m/s, 제주 4.5 m/s를 적용하였다.

풍향은 바람을 받는 면이 넓은 북풍으로 임의 선정하였으 며 실내온도는 Table 4에서와 같이 선행연구⁽¹¹⁾에서 측정 된 거실 22^oC, 복도 21^oC, 로비 20^oC, 계단 19^oC를 적용 하였다. 벽의 면적 대비 누설면적의 비를 나타내는 외벽의

Figure 3. Structure of the building.

기밀도는 Table 5⁽¹²⁾에서와 같이 기밀구조(tight), 중간구조 (average), 느슨한구조(loose), 3단계로 구분하여 기밀도에 따른 굴뚝효과의 변화추이를 분석하였다.

4. 분석결과 및 고찰

굴뚝효과에 의한 차압의 크기는 건축물의 기밀도나 바

람의 영향과는 관계없이 수식샤프트 높이와 실내 · 외 온 도차와의 함수이다. 분석대상 건축물의 경우 서울지역은 206 Pa, 제주지역은 123 Pa로 겨울철 서울보다 상대적으로 외기가 따뜻한 제주에서의 차압이 서울지역의 60% 정도 에 그쳐 수치상으로는 상대적 안정성이 높은 것으로 나타 났다. Figure 4에서의 CONTAM 모델링 결과 중 외벽의 기밀도가 중간구조인 16층에서의 서울과 제주지역의 평면 을 보여주고 있다. 외벽에 직각방향으로 그려진 실선은 기 류 흐름의 방향과 크기를 나타내고 있으며, ▣는 구획된 구역의 특성치를 지정하고 해당 조건에서의 실별 압력을 확인할 수 있다. 분석 결과, 비록 같은 층이라 할지라도 외 기풍속이 서울보다 강한 제주지역에서는 북풍을 받는 벽 면으로 유출되는 기류의 크기가 서울보다 월등히 적은 것 을 볼 수 있다. 이는 바람의 영향이 건축물의 외벽에 작용 하는 압력뿐만 아니라 건축물 내에서의 수평적 압력분포 와 수직적 압력분포에도 영향을 미쳐 결과적으로는 굴뚝 효과에서 나타나는 중성면의 위치변화를 가져와 차압의 크기가 변화할 수 있음을 보여주고 있다.

4.1 건축물의 기밀도에 따른 중성면

Table 6에서는 건축물의 기밀도에 따라 계단실에 형성되 는 중성면의 위치를 보여주고 있는데 기밀도가 느슨한 구조 일수록 중성면이 상승하는 결과를 확인할 수 있었다. 서울 지역의 경우 기밀구조에서는 32.05 m에서 형성되던 중성면 이 중간구조에서는 33.74 m, 느슨한구조에서는 36.19 m로 상승하였으며, 제주지역에서는 기밀구조 52.25 m, 중간구조 53.51 m, 느슨한구조 56.64 m로 서울보다 강한 바람의 영 향에 의해 중성면이 다소 높게 형성되었으나 동일하게 기 밀도가 느슨해질수록 중성면이 상승하는 현상을 보였다.

그러나 전체 계단실 높이 대비 기밀도간 중성면의 변화폭 은 1~2% 내외로 대형 창호나 배연창 개방 등과 같이 외기 와 접하는 면적이 극대화되지 않는 한 건축물의 기밀도가 중성면에 미치는 영향은 그리 크지 않은 것으로 나타났다.

Table 2. Terrain Coefficient and Exponent

Terrain type Coefficient (A₀) Exponent (a)

Urban 0.35 0.40

Suburban 0.60 0.28

Airport 1.00 0.15

Table 3. Weather Condition

Description Seoul Jeju Outdoor temperature −11.3^oC 0.1^oC Wind velocity 2.6 m/s 4.5 m/s

Table 4. Indoor Temperature

Description Temperature

Room 22^oC

Corridor 21^oC

Lobby 20^oC

Stairwell 19^oC

Table 5. Typical Leakage Areas for Walls

Tightness Area Ratio Tight 0.5 × 10⁻⁴

0

Figure 4. Simulation result of 16F at average condition.

4.2 바람의 영향에 따른 중성면

Figure 5는 건축물의 기밀도가 중간구조일 때 서울과 제 주지역에서 X축에서의 바람의 영향에 따라 계단실에 형성 되는 중성면의 높이(m)를 Y축에서 나타내고 있다. 분석결 과 건축물의 기밀도와는 달리 바람의 영향은 중성면의 위 치에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 서울지역의 경 우 무풍조건에서 31.44 m에서 형성되었던 중성면이 평균 풍속인 2.6 m/s 조건에서는 33.74 m로 2.3 m 상승하는데 그쳤으나, 바람이 상대적으로 강한 제주지역의 경우 무풍 조건에서 30.40 m에서 형성되던 중성면이 평균풍속인 4.5 m/s 조건에서는 53.51 m로 무려 23.11 m나 상승하여 바람 이 강할수록 중성면의 상승폭이 큰 것을 확인할 수 있었다.

이러한 중성면의 상승은 굴뚝효과에 의한 차압이 큰 고층 건축물에서 저층부 계단실의 부압영역 및 부압의 크기를 확대하는 결과를 초래할 수 있으며, 특히 불특정다수인의 출입이 잦고 화기취급 등 화재위험성이 상대적으로 높은 저층부 상업시설의 화재 시 주거시설이 주로 배치되는 상 층부로의 연기확산이나 계단실 오염 등을 일으킬 위험성 이 증대된다고 할 수 있다. 일상생활에서 직면할 수 있는 굴뚝효과의 피해 중 가장 큰 문제로 거론되는 1층 또는 저 층부에서 유동인구의 유출입시 발생되는 출입문이나 엘리 베이터문의 개폐장애, 소음 등의 문제는 지금까지 실내 · 외 온도차가 큰 서울 등 중부지역에서 주로 발생하는 굴뚝 효과의 문제로 치부되어 왔다. 그러나 서울 대비 굴뚝효과 의 60% 밖에 되지 않는 제주지역이라고 할지라도 바람의 영향에 의해 큰 폭으로 상승하는 중성면의 위치이동에 따 라 저층부에서는 서울지역 못지않은 큰 차압을 보여 유사 한 굴뚝효과의 피해가 나타날 수 있는 것으로 분석되었다.

이는, 일상생활뿐만 아니라 화재 시 연기거동에도 동일

한 영향을 미치므로 제주지역에서는 바람의 영향을 고려 한 굴뚝효과의 적절한 평가가 요구된다.

Figure 6은 서울과 제주지역의 굴뚝효과에 의한 계단실 의 압력을 보여주는 그래프로서 각 층 계단실(ST1)별 압 력을 X축은 압력(Pa), Y축은 높이(m)로 나타내고 있다.

제주지역은 서울 대비 굴뚝효과의 차압이 적어 기울기가 완만한 그래프를 보여주고 있다. 그러나 제주는 바람의 영 향에 의해 높게 형성된 중성면의 영향으로 1층에서의 압 력이 −40.89 Pa로 서울 −41.31 Pa에 육박하는 부압을 보 였으며 저층부의 부압영역 또한 서울의 33.74 m보다 무려 19.77 m 높은 53.51 m까지 확대되어, 전체 계단실 높이 대 비 중성면의 위치가 서울 21.2%, 제주 33.7%로 제주지역 의 부압영역이 서울대비 1.6배에 달할 정도로 부압의 크기 나 범위가 서울을 능가하는 위험성을 보였다.

5. 결 론

본 연구에서는 주로 수도권을 대상으로 연구되어 온 고 층건축물 화재 시 연기확산의 주요 요인인 굴뚝효과에 대 하여 상대적으로 기온은 따뜻하나 바람이 강하게 부는 제 주지역에서 어떠한 영향이 있는지를 서울과 제주지역의 지형, 기상조건 등을 각각 대입하여 CONTAM 모델링을 통해 굴뚝효과를 비교 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 굴뚝효과에 의한 차압은 수직샤프트의 높이와 실 내 · 외 온도차의 함수로서 건축물의 기밀도나 바람의 영 향과는 무관하나 형성되는 중성면의 위치와는 관계가 있 었다.

둘째, 건축물의 기밀도는 기밀구조보다는 느슨한 구조일 수록 중성면이 상승하는 현상을 보였으나 기밀도간 중성 면의 변화폭이 1~2% 내외로 건축물의 기밀도가 중성면에 미치는 영향은 그리 크지 않은 것으로 나타났다.

셋째, 바람의 영향은 중성면의 위치를 크게 변화시키는 인자로 분석되었다. 서울지역의 경우 무풍조건에서 31.44 m에서 형성되었던 중성면이 평균풍속인 2.6 m/s 조건에서 Table 6. Height of Neutral Plane by Wall Tightness

Wall tightness Seoul Jeju Tight 32.05 m 52.25 m Average 33.74 m 53.51 m Loose 36.19 m 56.64 m

Figure 5. Neutral plane in stairwell.

Figure 6. Floor pressure in stairwell.

는 33.74 m로 2.3 m 상승하는데 그쳤으나, 바람이 상대적 으로 강한 제주지역의 경우 무풍조건에서 30.40 m에서 형 성되던 중성면이 평균풍속인 4.5 m/s 조건에서는 53.51 m 로 무려 23.11 m나 상승하여 바람이 강할수록 중성면의 상승폭이 큰 것을 확인할 수 있었다.

넷째, 제주지역이 겨울철 서울 대비 60% 정도 밖에 되 지 않는 굴뚝효과에 의한 차압을 보여 일견 안전성이 높다 고 평가할 수 있으나, 바람의 영향에 의해 높게 형성된 중 성면에 의해 1층에서의 압력이 −40.89 Pa로 서울 −41.31 Pa에 육박하는 부압을 보였으며 저층부의 부압영역 또한 서울대비 1.6배에 달할 정도로 넓게 나타나 부압의 크기나 범위가 서울을 능가하는 것으로 나타났다.

이에 따라 제주지역에 고층건축물이 설계될 때에는 저 층부에서 나타날 수 있는 굴뚝효과의 영향을 면밀히 검토 하여 화재 시 연기확산 등으로 인한 피난 및 소화활동 장 애를 최소화 하여야 할 것이다.

후 기

본 연구는 제주녹색환경지원센터의 지원을 받아 수행되 었으며 관계제위께 감사드립니다.

References

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