엘리베이터 승강로 형식별 압력변동에 관한 실험 연구
An Experimental Study on the Pressure Change in the Type of Elevator Hoistways
김학중
†·김범규*·박용환*·임채현**
Hak-Joong Kim
†· Boem-Gyu Kim
*· Yong-Hwan Park
*· Chae-Hyun Lim
**(
주)
건일엠이씨, *
호서대학교 소방방재학과, **
울산시설관리공단(2010. 4. 30.
접수/2010. 6. 11.
채택)
요 약
최근건축물이대형화
,
복잡화되면서건축물내거주자의피난안전성이관심의초점이되고있다.
국내에 서도주상복합건물을비롯하여다양한초고층건물이건설되고있거나건설예정이다.
초고층건물의경우화재발생시계단을통한피난에시간이많이소요되고특히
,
장애인의경우계단을통한피난자체가불가능할수있다
.
이에거주자의피난에엘리베이터를이용하는방법에대한연구가진행되고있다.
본 연구에서는엘리베이터를피난에이용하기위하여엘리베이터승강로가연기에오염되지않도록하는연 구의일환으로엘리베이터승강로형식에따른엘리베이터운행시승강로내의압력변동을실험을통하 여살펴보았다.
본연구의결과는엘리베이터피스톤효과에대한연구의기초데이터로활용가능하다.
실험은
4
가지형태의엘리베이터승강로에서수행하였으며엘리베이터승강로형식별로압력변동폭이크 게차이가났다.
실험결과1
개의승강로에1
대의엘리베이터가설치되어운행되는형태의승강로에서의 압력변동이가장크고1
개의승강로에다수의엘리베이터가설치되어운행되는형태의승강로에서의압력변동은상대적으로작은값을나타내었다
.
ABSTRACT
Recently, evacuation safety of building resident become the major concern, as the building has been higher and more complicated. Many high-rise multi use buildings are under construction in Korea.
Required evacuation time using stairway is longer in high-rise buildings, moreover it is impossible for the disabled to evacuate by using stairway. For this reason the study on the effectiveness of using elevator for evacuation is progressing. This study shows the pressure change in various types of hoist- way when elevator is moving. Experiments were performed in 4 different types of hoistway, and showed big difference in pressure change between the type of hoistway. The pressure change in single hoistway that have one car is bigger than that in multi hoistway that have multi cars. The results of this study can be used for the study of elevator piston effect as basic data.
Key words :
Elevator evacuation, Piston effect, Smoke control
1. 서 론
최근건축물이대형화
,
복잡화됨에따라거주자의피 난안전성확보가 주요관심사로떠오르고있다.
특히,
초고층건물의 경우 화재 발생 시 유일한 피난통로인 계단을 통한피난에 시간이 많이소요되고
,
장애인의 경우 계단을 통한피난이 불가능할 수있다.
이에거주자의 피난에엘리베이터를 이용하는방법이 연구되 고있다
.
거주자의 피난안전성 확보를 위하여 다양한 건축적,
설비적인방법이있다.
거주자의피난안전성에 큰 영향을 주는 요인 중의 하나가 화재 시 발생하는 연기이다.
초고층건축물내에서연기의유동에영향을 주는요인으로는 연돌효과,
부력,
공조설비에 의한유 동,
바람의 영향,
엘리베이터 피스톤 효과 등이있다.
화재시승강로에서의연돌효과에의한연기유동과엘 리베이터 운행에 의한피스톤효과로 인하여 승강장에
†
E-mail: [email protected]
유입된연기가승강로로유입되거나유입된연기가다 른층으로확대될 위험이있다
.
Klote
와Tamura
는화재시연기제어를위하여엘리베이터의 움직임으로 인한압력변동의영향을 연구하였 다
.
1)엘리베이터의움직임에의한피스톤효과실험,
연 기제어를위한 엘리베이터의 실험타워에서의압력시 스템 및화재 시피난을위한엘리베이터의 연기제어 설계 방법등을연구하였고 고층건물에서의공기압력 분포에 대한문제점들을제시하였다.
2)이렇게 실험타워를 통한 실험 및연구
,
연기제어기 술을 제시하였으나 실제사람들이거주하는건물에는 적용실험을 하지못하였으며 국내의경우 실험타워를 통한연구도 수행하지못하고 있는실정이다.
본연구는엘리베이터를피난에이용하기위하여엘 리베이터승강로가연기에오염되지않도록하는기초 연구로엘리베이터승강로형식에따른엘리베이터운 행시승강로 내의압력변동을실제 건물에서실험을 통하여 살펴보았다
.
본연구의 결과는 초고층 건물의 제연설계시엘리베이터피스톤효과를분석하는데기 초자료로활용가능하리라판단된다.
2. 본 론
2.1엘리베이터관련국내·외법적 기준
현재국내 건축물에는건축물의층수가
6
층이상으로연면적이
2,000m
2이상일 경우승강기를설치하여수직이동수단으로사용하고있으며
,
건축물의 높이가31m
를넘으면일반용승강기외에비상용승강기를별 도로설치하여야한다.
3)비상용승강기는
31m
를넘는 층의바닥면적을 기준 으로설치대수를정하며, 2
대이상을설치하는경우에 는화재시소화에지장이없도록일정한간격을두고 설치하도록되어있다.
4)이비상용승강기는피난수단으로설치하는것이아니라 소방대의소화및구조활동 에사용하는것을목적으로한다
.
승강장 및승강로의구조는내화구조로 갑종방화문 으로격리되는것을기본으로하고승강장과승강로로 의연기유입을자연배기또는제연설비에의해차단하 며
,
야간 및정전시에도 소방대의 소화활동을 위하여조명시설을갖추도록되어있다
.
5)미국의경우
Life Safety Code
에승강기를피난경로의 일부로 하는 것은 금지되어 있으나 예외규정으로 지하의 집회시설에 대해서는승강기를 비상시의피난
수단으로요구하고있다
.
또한, Uniform Building Code
에서는장애자에대해
4
층이상인경우승강기를장애인의요구피난통로로하도록 규정하고있다
.
영국의경우 승강기를기본적으로피난경로로 인정 하지않으나 자력피난이 곤란한장애인을계획적으로 피난시키는방법으로승강기를 허용하고있으며
,
일본의경우에는 고령화사회에 대비하여화재시의 승강 기를통한피난안전에대해검토를 시작하였다
.
2.2피난용엘리베이터의필요성및문제점
건축물이고층화
,
심층화됨에따라수직피난경로가 길어져 피난시간이지연되어재해약자에 대한피난대 책이필요하다. 20
층이상의고층건물에서는계단을통 한직접피난이체력의한계로곤란하며심층지하공간 에서는계단을올라가야하므로체력부담이커서승강 기의이용이필요하다.
6)이러한문제점을 개선하기위하여 피난용 엘리베이 터를적용할수있으나피난용엘리베이터의적용에는 다음과같은문제점이있다
.
(1)
엘리베이터를 이용하여피난하는사람들은일정 시간엘리베이터 문앞에서 기다려야하는데 이때화 염및연기에 노출될위험이있다.
(2)
자동 엘리베이터의 경우 화재 발생층에자동으 로멈추어 문이열리면서승객들이화재와연기에 노 출될가능성이있다.
(3)
현대식 엘리베이터의 경우 문이 완전히 닫히기 전에는 운행되지 않는다.
화재 시사람들이 엘리베이 터에몰릴경우엘리베이터운행이불가능할수있다. (4)
화재시정전이될경우엘리베이터가정지되어 피난자들이층간에 갇히는경우가발생할 수있다.
(5)
소화전이나 스프링클러 작동에 의한 물이 엘리 베이터의 전원이나제어배선에 스며들어문제를 유발 할수있다.
(6)
엘리베이터의 운행으로인한피스톤효과는 연기 를엘리베이터승강장이나승강로로유입시킬수있다.
건축물의최대위기상황인화재상황에서 가장 중요 한인명안전성확보와 관련하여연기위험
,
즉연소가 스의 유해성인피난상의 시각적 가시거리의 저하,
연 소가스의 독성과 호흡곤란으로 인한 생리적 위험 및 화재발생 사실과더불어시각적,
심리적스트레스에서 피난군집의혼란과비합리적이고비이성적인비정상적 인행동,
불안과 공포감에서피난자를 분리시키는 대 책이필요하다.
이대책은연기유입의차단,
유입된연기의배출또는희석을통한연기제어대책이우선적으 로고려되어야한다
.
피난용엘리베이터로사용되기위해서는엘리베이터피난계획
,
열과연기의제어및엘 리베이터 운행통제에대한검토가선행되어야한다.
2.3건축물내연기유동인자
건물화재에서연기의구동력은연돌효과
(Stack effect),
부력
(Buoyancy),
바람의영향(Wind effect),
공조시스템(HVAC systems),
엘리베이터의 피스톤효과(Elevator
piston effect)
등을들수있다.
연돌효과는건물내·외부간의온도차로인하여발 생하는 실내공기의 부력이수직방향으로 이동하는현 상으로온도차와 높이와의함수이다
.
연돌효과는정상연돌효과
(Normal stack effect)
와 역 연돌효과(Reverse
stack effect)
로구분할수있는데우리나라는여름보다는 겨울철이 실내·외 온도차가 크게 발생하므로 여 름철에 발생하는 역연돌효과보다는겨울철에 발생하 는 정상 연돌효과에 대한 문제점들이 많이 보고되고 있다
.
또한,
초고층건물에서계단실,
엘리베이터 샤프트
,
전기및설비피트(Pit)
등과같은수직샤프트는구조적으로 일반건물에 비해 높이가 높아 화재 발생시 연돌효과가크게발생하여연기확산및피난장애를유 발하는 주된위험인자가된다
.
부력은화재에서나오는고온의연소가스는밀도의 감소로 인해상승하는힘을말하는데이부력은 강제 또는자연배기시스템의 제연원리로사용된다
.
바람에의한영향은외기풍속이높이에따라증가하 고풍속의제곱에비례하여풍압으로작용하므로초고 층건물의경우 고도에따라증가하는풍압이 건물외 피의기밀도에따라침기를발생시키고이렇게유입된 외기는연돌효과와함께건물내부기류이동의구동력 이되어건물내압력분포에많은영향을끼친다
.
공조시스템에의한 영향은건축물의환기및냉·난 방을 위한기류가건물 내부기류이동의구동력이되 거나기류가이동하는덕트가연기의이동통로가되어 화재실이아닌타구역으로의연기확산을유발하게된다
.
엘리베이터의피스톤효과에의한영향은엘리베이터 의움직임에따라승강로에압력변동이발생하여승강 로나승강장으로연기확산을 유발하게된다
.
화재발생시제연과 관련하여건축물내연기 유동 인자에대한다양한연구가진행되고있으나엘리베이 터피스톤효과에대한연구는 아직초기단계이다
.
2.4실험대상엘리베이터및실험방법
본실험은국내초고층주상복합건물에설치된엘리 베이터를 대상으로수행하였다
.
엘리베이터승강로형 태는1
승강로1
엘리베이터, 1
승강로2
엘리베이터, 1
승강로3
엘리베이터, 1
승강로4
엘리베이터로 구분하여 실험을 수행하였으며
,
실험대상 엘리베이터의사양은
Table 1
에나타나있다.
엘리베이터운행에 따른압력변동을 측정하기전에 건물외부 및엘리베이터 승강장의온도와압력을 측 정하였으며
,
엘리베이터운행시최하층의엘리베이터 하부와 최상층의엘리베이터상부에서의 압력을 다음 과같이측정하였다.
(1)
엘리베이터최하층에정지(2)
절대압력계압력단자를엘리베이터하부승강로 에설치(3)
최하층에서최상층까지엘리베이터 운행(4)
최상층에서최하층까지엘리베이터 운행(5)
엘리베이터최상층에정지(6)
절대압력계압력단자를엘리베이터상부승강로 에설치(7)
최상층에서최하층까지엘리베이터 운행(8)
최하층에서최상층까지엘리베이터 운행 2.5측정장비본실험의측정장비로는엘리베이터운행시승강로 내의압력변화와승강장의압력을측정하기위하여절 대압력계를 사용하였고
,
엘리베이터 운행 시간을 측 정하여 속도를계산하기 위하여초시계를사용하였으 며,
승강장 및 승강로의온도측정을 위해 열선식 풍 량풍속계를 사용하였다.
절대 압력계와 열선식 풍량 Table 1.Elevator Specification for the Test
항목
EL.1 EL.2 EL.3 EL.4
형태
1 shaft 1 car 1 shaft 2 car 1 shaft 3 car 1 shaft 4 car
정격하중
1,000kg/15
인승1,150kg/17
인승1,150kg/17
인승1,150kg/17
인승정격속도
3m/s 2.5m/s 2.5m/s 2.5m/s
출입문형태
2
문중심작동2
문중심작동2
문중심작동2
문중심작동정지층수
B6~48(
총54
층) B5~30(
총35
층) B5~33(
총38
층) B4~54(
총58
층)
용도 비상용 일반용 일반용 일반용
제조사
Thyssen Krupp
현대Otis
현대풍속계의주요사양은다음과 같다
.
(1)
절대압계-
모델명: PTB330TS -
측정범위: 500hPa~5,000hPa -
분해능: 1hPa
-
정밀도: ± 0.1hPa
(2)
풍속풍압계-
모델명: TSI-8386 -
측정범위: 5
oC~60
oC -
분해능: 0.1
oC -
정밀도: ± 0.3
oC
2.6실험결과및분석
엘리베이터 운행 시 엘리베이터 승강로 내의 압력 변화를 측정한결과
1
승강로에1
엘리베이터의 경우 승강로에서의 압력변동폭이 가장 컸으며 상부에서의 측정값과하부에서의측정값에차이를보여주었다.
예상외로
1
승강로에2
엘리베이터의경우보다1
승 강로에3
엘리베이터의경우승강로에서의압력변동폭 이더컸다.
2.6.1 1
승강로1
엘리베이터(EL. 1)
엘리베이터 운행 시 엘리베이터 승강로 내의 압력 변화를 측정한결과
1
승강로에1
엘리베이터의 경우 승강로에서의압력변화는Figure 1, 2
와같이나타났다.
엘리베이터샤프트하부에서는
21Pa~29Pa
의압력변 화를 보였으며,
엘리베이터 샤프트 상부에서는17Pa~
21Pa
의압력변화가나타났다.
상부와하부의엘리베이 터운행에 따른압력변동폭의 차이는건물 상부에존 재하는 기계실의 압력완충역할과기계실을통한 누설 틈새의 증가때문으로판단된다.
엘리베이터 하부에서압력측정시엘리베이터가 상
승할경우초기에압력이급격히저하된후서서히회 복됨을보여주며엘리베이터가하강할경우압력이서 서히증가하여최하층에도달하기직전에압력이최고 값에이르는것을보여준다
.
엘리베이터상부에서압력측정 시엘리베이터가 하 강할경우초기에압력이급격히저하된후서서히회 복됨을보여주며엘리베이터가상승할경우압력이서 서히증가하여최상층에도달하기직전에압력이최고 값에이르는것을보여준다
.
2.6.2 1
승강로2
엘리베이터(EL. 2)
1
승강로에2
엘리베이터의경우승강로에서의압력변화는
Figure 3, 4
와같이나타났다.
엘리베이터하부에서압력측정 시
4Pa~7Pa
의압력 변화를 보였으며,
엘리베이터 샤프트 상부에서는1Pa~4Pa
의압력변화가나타났다.
이경우에도하부에서의압력변동폭이상부에서의압력변동폭보다크게 나타났다
.
EL.2
의경우예상되는압력변동폭이하부에서23Pa,
상부에서는
16Pa
정도임에도불구하고EL.3
보다압력 변동폭이 작았는데이는1
개의승강로에설치된 엘리Figure 1.
Pressure change at the bottom of the single
hoistway.
Figure 3.Pressure change at the bottom of the double
hoistway.
Figure 2.
Pressure change on the top of the single hoistway.
베이터 수량외에 엘리베이터 승강로와 승강장사이의 누설틈새및승강로의유량계수
,
엘리베이터의속도등의변수가 승강로내의 압력변화에영향을 주었기때 문이라고판단된다
.
또한
,
이러한이유로압력변동추세가EL. 1
이나EL.
3
처럼엘리베이터운행시급격히저하된후회복하거 나 서서히 증가하여 최고값에 이르는 형태를 보이지 않고거의변동이 없는형태를보여주고있다.
2.6.3 1
승강로3
엘리베이터(EL. 3)
1
승강로에3
엘리베이터의경우승강로에서의압력변화는
Figure 5, 6
과같이나타났다.
압력변화의추세는
1
승강로에1
엘리베이터의경우와유사하나압력변 동의폭이현저히 작음을보여준다.
1
승강로에3
엘리베이터의경우승강로에서의압력 변동폭이 오히려1
승강로에2
엘리베이터 경우보다 크게 나타났다.
엘리베이터 샤프트 하부에서는12Pa~
15Pa
의압력변화를보였으며,
엘리베이터샤프트상부에서는
7Pa~11Pa
의압력변화가나타났다.
이 경우에도 하부에서의 압력변동폭이 상부에서의 압력변동폭보다크게나타났다
.
2.6.4 1
승강로4
엘리베이터(EL. 4)
1
승강로에4
엘리베이터의경우승강로에서의압력변화는
Figure 7, 8
과같이나타났다.
압력변화의추세가전혀다른형태로 나타났으며압력 증가가예상되 는부분에서오히려압력이감소하는결과를보여주고 있다
.
승강로 하부에서 압력측정시 엘리베이터가 상승할 때는오히려압력이미미하게증가하였고하강할때는 Figure 6.
Pressure change on the top of the triple hoistway.
Figure 4.
Pressure change on the top of the double hoistway.
Figure 7.
Pressure change at the bottom of the quadruple hoistway.
Figure 5.
Pressure change at the bottom of the triple
hoistway.
Figure 8.Pressure change on the top of the quadruple
hoistway.
압력이 하강하는현상이 나타났다
.
승강로상부에서압력측정시에도엘리베이터가하강 할때오히려 압력이미미하게증가하였고 상승할때 압력이 미미하게 증가하다가 최상층근처에서 갑자기
4Pa
정도압력이 감소하였다.
이는승강로가넓은조건에서엘리베이터운행에의 해공기가 압축되지않고오히려 와류가발생하여압 력이감소한 것으로판단된다
.
이경우엘리베이터운행에 따른피스톤 효과에의 한압력변동이라기보다는넓은승강로내부에서공기 의유동에의한압력변동에가까운현상이라생각된다
.
3. 결 론
엘리베이터 승강로형식별 엘리베이터운행에 따른 승강로 압력변화를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였으며
,
향후엘리베이터승강로형태별 유량계 수를도출하는실험을통하여엘리베이터운행에따른 피스톤 효과에대한연구를수행할 예정이다.
(1) 1
개의 승강로에1
대의 엘리베이터가 설치된 경우압력변동폭이
21~29Pa
까지측정되어엘리베이터운 행에의한피스톤 효과가가장크게나타났다.
(2) 1
개의승강로에설치된 엘리베이터수량이증가할수록 압력변동폭이 작아지며
,
특히4
대의 엘리베이 터가 설치된 경우에는압력증가가예상되는부분에서 오히려압력이감소되는예상과다른압력변화추세를 보여주었다.
그러나 압력 변동폭이4Pa
이하로 피스 톤효과로인한영향이 거의없음을알수있다.
(3) EL. 2
의경우압력변동폭이4~7Pa
로EL. 3
의압력변동폭
12~15Pa
보다오히려작다.
이는
1
개의 승강로에 설치된 엘리베이터 수량외에 엘리베이터승강로와 승강장사이의누설틈새 및승강 로의 유량계수,
엘리베이터의 속도 등의변수가 승강 로내의압력변화에영향을주었다고판단된다.
(4)
동일조건에서도엘리베이터의상승운전과 하강 운전시 압력변동폭에 차이가 존재한다.
이는 건물 상 부에기계실이존재하여기계실을통한누설틈새의증 가와기계실자체의압력완충효과때문으로판단된다.
그러므로피스톤효과를설계에반영시에는상승운전 조건과 하강운전조건을모두반영하거나 두가지운 전조건중더보수적인압력변동값을적용하여야한다
.
참고문헌
1. J.H. Klote and Tamura, “Experiment of Piston Effect on Elevator Smoke Control”, ASHRAE Trans,. Vol,93, Part 2, pp.2217-2228(1985).
2. G.T. Tamura and J.H. Klote, “Experimental Fire Tower Studies of Elevator Pressurisation Systems for Smoke Control”, ASHRAE Trans., Vol,93, Part 2, pp.2235-2256(1987).
3. “
건축법”,
제64
조,
국토해양부(2009).
4. “
건축법시행령”,
제90
조,
국토해양부(2009).
5. “
건축물의설비기준등에관한규칙”,
제10
조,
국토해양부
