지금까지 연돌효과 및 연돌효과 대응기술 그리고 특히 연돌효과 대응기술 중 연돌효과 저감기술에 대한 일반적 이해를 위한 설명을 했다. 이번 연재에서는 연돌효과 대응기술의 두 번째 파트로 소개된 연돌효과 활용기술에 대해 소개한다.

연돌효과 활용기술이란 ‘활용’이라는 용어 그대로 연돌효과를 새로운 에너지원으로써 ‘이용’하는 기술분야다. 연돌효과 활용기술의 대표적인 기술아이템으로는 연돌효과를 자연환기의 구동력으로 이용하는 근 미래형 하이브리드 환기시스템과 연돌효과를 발전을 위한 신재생에너지로 이용하는 연돌효과 발전플랜트 및 연돌효과 발전장치를 소개할 수 있다.

연돌효과 활용기술은 연돌효과 저감기술에 대한 역발상 개념으로 이해할 수 있다. 연돌효과 저감기술은 빌딩의 압력분포 및 공기유동분포를 제어함으로써 연돌효과에 의해서 발생하는 각종의 문제를 개선하는 기술이다. 이때 연돌효과가 빌딩 고층빌딩에서 다수의 심각한 문제를 발생시킬 수 있다는 점은 이용가치가 충분한 만큼의 에너지를 보유하고 있다는 것에 대한 반증이다.

따라서 연돌효과 저감기술에 대한 관점을 조금만 돌려보면 빌딩의 압력 및 공기유동 분포를 제어하는 기술을 바탕으로 연돌효과 활용기술에 대한 이해가 가능하다.

연돌효과 저감기술은 빌딩의 압력 및 공기유동 분포를 제어해 고층빌딩에서 발생하는 각종의 연돌효과문제를 개선하는 기술이며 활용기술은 빌딩의 압력 및 공기유동 분포 제어를 통해 빌딩운용에 필요한 에너지원을 도출하고자 하는 기술이다.

고층빌딩에서 연돌효과를 제어해 문제를 개선하는 활동이 빌딩의 운용에너지 절감에 직결된다고 이전 연재를 통해 설명했다. 이는 연돌효과 저감기술이 친환경적 빌딩 구현에 기여하는 기술분야라는 것을 의미하며 활용기술은 보다 적극적으로 친환경 빌딩을 구현하는 기술분야다.

연돌활용 환기시스템

연돌효과 활용기술 중 연돌효과 발생특성을 이용해 자연환기를 실시하는 근 미래형 하이브리드 환기시스템이 있다. 하이브리드 환기란 가능한 범위 내에서 자연환기를 실시하고 자연환기가 불가능한 조건에서만 보조적인 개념으로 강제환기를 실시하는 환기방식이다.

자연환기의 구동력으로는 온도차에 따 른 압력(연돌효과) 및 풍압을 들 수 있다. 여기서 풍압은 매우 불규칙적으로 발생하는 특성을 가지므로 대부분의 경우 풍압을 이용한 환기시스템을 구현은 오히려 비경제적일 수 있다.

풍압과 비교해 온도차에 따른 압력(연돌효과)은 상당히 안정적인 발생특성 및 변동특성을 가지고 있으며 예측이 가능하고 이를 이용하기 위한 시스템 구현이 수월하다는 장점을 가지고 있다.

결국 안정적이고 경제적인 자연환기 수행을 위해서는 온도차에 따른 압력, 즉 연돌효과를 이용하는 것이 보다 효율적이다.

덕트 급배기로 환기불균형 해소

빌딩의 연돌효과를 고려할 때 빌딩에서는 반드시 빌딩 내·외부간 압력차이가 역전되는 중성대가 발생하게 된다. 이러한 연돌효과에 따른 압력분포를 고려할 때 빌딩의 각층에 환기구를 설치하거나 창문개방을 통해 자연환기를 실시하고자 하는 방법에는 근본적인 문제가 발생한다.

겨울철의 경우 빌딩의 중성대 아랫부분(층)에서는 신선한 외부공기가 도입될 수 있으나 중성대의 윗부분(층)에서는 외부공기 도입이 불가능하며 여름철의 경우에는반대로 빌딩 상부에서는 신선한 외기도입이 가능하나 빌딩 하부 층에서는 외기도입이 불가능하다.

또한 겨울철 혹은 여름철에 외부공기의 도입이 가능한 층에서도 층별로 작용하는 압력차가 상이하기 때문에 유입되는 외부공기의 양이 틀릴 수밖에 없으며 결과적으로 층에 따른 환기불균형이 초래된다.

환기구 및 창문 등을 통한 방식에서는 필연적으로 자연환기가 불가능한 부분이 발생하게 되며 자연환기가 가능한 부분에서도 층별 환기불균형이 초래될 수밖에 없다. 이번에 소개되는 근 미래형 하이브리드환기시스템은 이 같은 문제를 해결하는 방법으로 덕트형식의 급배기방법이다.

층별 환기밸런스 제어

이번 하이브리드 환기시스템에서는 연돌효과에 따른 자연환기 구동력을 최대화하기 위해 메인 급기구 및 배기구의 위치를 설정하고 있다. 입상덕트 내부의 온도를 제어함으로써 빌딩 전체 측면에 대한 충분한 자연환기 구동력을 확보할 수 있다.

입상덕트 내부의 온도를 적절하게 제어하는 기술이 시스템의 핵심기술이다. 이를 통해 기존 방식에서 발생하게 되는 자연급기 및 배기가 불가능한 부분이 발생하지 않는다. 개념도에서는 신재생에너지인 지중열을 이용, 입상덕트 내부의 온도를 제어하는 사례를 나타내고 있으나 빌딩의 폐열을 이용해 자연환기 구동력을 확보하는 것도 가능하다.

또한 환기가 필요한 대상 층(아파트의 경우 세대)을 기준으로 급기 및 배기 경로상의 공기유동저항을 고려하는 방법으로 층별(세대별) 환기밸런스를 확보 및 제어하는 것이 가능하다.

개념도에서는 겨울철(연돌효과 발생시기) 및 여름철(역 연돌효과 발생시기)에 대한 공기의 흐름을 나타내고 있는데 이번 시스템에서는 이러한 계절별 공기유동특성을 고려, 빌딩 내부의 급기구 및 배기구위치가 결정되므로 빌딩 내부의 환기효율을 최적화가 가능하다.

하이브리드 환기시스템에서는 겨울철의 급기계통이 여름철에는 배기계통 역할을 하며 겨울철 배기계통이 여름철의 급기계통 역할을 하는 구조다. 즉 하나의 시스템으로 계절에 따른 공기흐름에 대응하는 것이 가능하다.

이번 시스템에서는 계절을 연돌효과 발생시기 및 역 연돌효과 발생시기로 구분해 제어를 수행한다. 이는 빌딩 내·외부간에는 항상 온도차가 발생하고 있고 이에 따라 빌딩 내·외부간 공기흐름이 결정된다는 특징을 고려, 온도차 조건에 부합하는 최적제어를 위해서다.

대상빌딩의 조건을 고려해 다양한 방법으로 설계될 수 있으며 덕트를 설치할 수 있는 충분한 여건만 조성된다면 연중 자연환기를 실시하는 것도 불가능하지 않다. 일반적으로는 건설비용 및 시스템 구현조건 등 현실적인 여건을 고려해 자연환기 가능범위를 결정한 후 설계를 수행한다.

이번에 소개한 근 미래의 하이브리드 환기시스템은 공동주택을 대상으로 하며 동일한 활용방법을 통해 지하주차장 및 단독주택용 하이브리드 환기시스템을 구현하는 것도 가능하다.

이외에 연돌효과를 새로운 타입의 신재생에너지로 이용해 전기를 생산하는 것도 가능하며 연돌효과를 이용하는 발전시스템은 날씨조건 및 밤낮과 같은 시간대에 따라서 발전범위 및 가능성이 결정되는 태양광 발전 및 풍력 발전과 비교할 때 상시발전이 가능하다.

연돌효과 활용기술이 빌딩의 친환경 저에너지 구현을 위해 충분한 기여가 가능하도록 하는 각계 관련기관을 통한 저변확대가 절실한 것으로 보인다.

<자료 출처: ‘A Proposal of Hybrid Ventilation System Using Stack Effect in High-rise Buildings(이중훈 박사, 2010)’>