[연돌효과]이론적 배경

Ⅱ. 이론적 배경 및 선행 연구

 

1. 연돌 현상의 개요

 

기본적으로 건물의 실내와 외부의 공기 상태(온도 및 습도, 공기의 밀도)차이에 의해 건물 내외부의 압력차이가 발생하게 되면서 일어나는 현상을 ‘연돌 현상(Stack Effect)’이라고 한다. 특히 겨울철에는 건물 외부에는 차가운 공기가 건물 내부에는 따뜻한 공기가 있어 지표면 상에서의 압력이 건물 내부가 외부보다 낮아 저층부에서는 외부에서 실내로 공기가 유입되고 유입된 공기는 수직이동경로를 통해 고층부로 상승하여 실외로 빠져나가게 된다. 연돌 현상은 고층 건물 뿐만 아니라 저층 건물에서도 일어나지만, 그 발현의 정도가 매우 미미해 거의 영향을 주지 않는다. 다만, 고층 건물에서는 발현의 정도가 커서 여러 문제가 발생하게 된다. 또한 연돌 현상은 겨울철뿐만 아니라 여름철에도 일어나는 데 여름철에는 겨울철과 공기의 흐름이 반대가 된다. 이를 겨울철의 연돌 현상과 구분하기 위해 ’역연돌 현상(reverse stack effect)'이라고 한다. 하지만 우리나라의 경우 여름철에는 압력차가 작아 연돌 현상으로 인한 문제가 거의 발생하지 않는다.

건물에서 발생하는 연돌 현상은 건물 내부와 외부 공기의 온도차로 인한 압력차에 의해 발생한다. 이 압력차가 바로 연돌 현상의 원동력이 된다. 이 때 압력차는 다음 수식으로 계산 할 수 있다.

 

 : 압력차 [ Pa ]

: 0.0342

 : 대기압[ Pa ]

: 건물의 높이[ m ]

 : 건물 외부의 절대온도[ K ]

 : 건물 내부의 절대온도[ K ]

[그림 1] 연돌 현상 모식도[1]

 

2. 연돌 현상으로 인한 압력차

 

연돌 현상으로 인한 압력차는 중성대로부터의 수직거리와 건물 내외부 공기의 밀도를 이용해서 나타낼 수 있다. 단, 전체 내외부 공기 밀도가 일정해 압력에 영향을 미칠 수 잇는 어떠한 온도의 성층화도 없다고 가정한다.

 

 …식(1)

 …식(2)

 : 건물 외부의 압력[ Pa ]

 : 건물 내부의 압력[ Pa ]

 : 중성대에서의 압력[ Pa ]

: 건물 외부 공기의 밀도[ kg/m^3 ]

 : 건물 내부 공기의 밀도[ kg/m^3  ]

 : 중력가속도[ m/s^2 ]

: 지표면으로부터의 높이[ m ]

: 지표면으로부터 중성대의 높이[ m ]

 

따라서 이 식에 따르면 임의의 높이에서 연돌효과에 의한 압력차는   과    의 차이이다. [그림2]에서 보듯이 중성대에서는 그 값이 0이고, 겨울철에는 중성대아래가 양의 값 그 위가 음의 값을 갖는다는 것을 알 수 있다. 또한 식(1)과 식(2)를 연립해서 식(3)을 얻을 수 있고, 식(3)을 온도에 대한 식으로 나타내면 식(4)를 얻을 수 있다.

[그림 2] 연돌 현상과 역연돌 현상에 따른 압력 분포[2]

 

 …식(3)

 …식(4)

 : 연돌 현상에 의한 압력차[ Pa ]

 : 건물 외부의 절대 온도[ K ]

: 건물 내부의 절대 온도[ K ]

 

즉, 건물 내 외부의 절대 온도 차이가 클수록, 건물의 높이가 높을수록 압력차는 더욱 크게 나타난다. 따라서 연돌 현상에 의한 문제가 발생할 확률이 더욱 높아짐을 의미한다. 이는 [그림3], [그림4]를 보더라도 알 수 있다.

 

[그림 3] 높이에 따른 압력차[2]               [그림4] 건물 높이와 온도차에 따른 압력차[2]

 

3. 연돌 현상으로 인한 문제점

 

1) 각종 출입문과 엘리베이터에서의 문제점

- 외부로 통하는 출입문 개폐의 어려움(로비 출입문, 지하주차장 출입문)

- 코어 부근 실로 통하는 출입문 개폐의 어려움(세대 현관문, 계단실 문)

- 엘리베이터 카의 흔들림으로 인한 불안감

- 엘리베이터 문의 오작동

 

2) 침기와 누기에 따른 문제점

- 로비 공조 난방의 어려움

- 누기에 따른 결로의 문제

- 엘리베이터 문 및 각종 출입문에서 소음 발생

 

3) 화재 발생시의 문제점

- 유독성 연기와 화염이 각종 수직개구부인 계단과 엘리베이터 설비샤프트, 공조덕트 등을 통해 급속하게 전층으로 확대

- 제연설비의 어려움

- 방화구획의 파괴