외부의 찬 공기가 빌딩 하부로 유입되고 동시에 위로 올라간 빌딩 내부의 따뜻한 공기가 빌딩 상부에서 배출되는 현상이 겨울철에 끊임없이 일어나게 되는데 이를 연돌효과(Stack Effect)라고 하며 옛날 시골의 굴뚝과 부뚜막에서 발생하는 현상과 유사하다고 해서 굴뚝효과(Chimney Effect)로 표현하기도 한다.

기름이 물 위에 뜨는 현상과 마찬가지로 무게가 다른 물질이 혼재돼 있을 때, 가벼운 물질은 무거운 물질보다 위로 올라가려는 성질을 가지게 된다. 가벼운 물질은 위로 그리고 무거운 물질은 아래로 가려는 성질, 다시 말해서 무거운 물질이 가벼운 물질을 밀어 올리는 현상, 이것이 시소의 원리이며 당연한 것으로 인식되고 있는 자연현상이다.

무게차이에 따른 이런 현상은 겨울철의 빌딩에서도 발생하게 된다. 난방을 하고 있는 빌딩 내부의 공기는 따뜻하고 외부의 공기는 차갑다. 따뜻한 공기가 차가운 공기에 비해 가벼운 특성을 가지는 것은 대부분의 사람들이 이미 알고 있는 일반화된 사실이다. 빌딩 내부와 외부 공기 사이에 무게차이가 발생하게 되고 빌딩 내부의 가벼운 공기가 외부의 찬 공기에 밀려 올라가는 현상이 발생한다.

결과적으로 위로 올라간 빌딩 내부의 공기는 빌딩 상부에 있는 각종 틈을 통해 빌딩밖으로 나가게 되고 외부의 공기는 빌딩 내부의 공기를 밀어 올리기 위해서 빌딩 하부의 각종 틈을 통해 빌딩 내부로 유입되는 현상이 발생한다.

공기와 같은 유체는 고압에서 저압으로 흐른다. 빌딩 상부에서 빌딩 내부 공기가 유출된다는 것은 빌딩 내부의 공기압력이 외부보다 크다는 것을 의미하며 빌딩 하부에서 외부 공기가 유입된다는 것은 외부 공기압력이 빌딩 내부 공기압력보다 크다는 것을 의미한다.

빌딩 내부 공기의 압력(절대압력)과 외부 공기의 압력(절대압력)이 교차해 압력차이가 0가 되는 지점이 있는데 이 부분을 중성대(Neutral Pressure Level)라고 표현한다. 중성대에서는 공기의 유입도 유출도 일어나지 않는다는 특성을 가진다.

또한 냉방을 하는 여름철의 경우를 생각하면 빌딩 내부 공기와 외부 공기 사이의 무게에 역전현상이 발생한다. 여름철은 겨울철과는 반대로 빌딩 내부가 차갑고 외부가 따뜻하기 때문에 빌딩 상부에서 외부 공기가 유입되고 빌딩 하부에서 빌딩 내부 공기가 유출되는 현상이 발생하게 되며 이를 역연돌효과라고 한다.

일반적으로 겨울철의 빌딩 내외간 온도차이가 여름철보다 크기 때문에 연돌효과가 역 연돌효과보다 크게 발생한다.

여름철이든 겨울철이든 빌딩 내부와 외부 사이에는 항상 온도차이가 발생하고 있기 때문에 빌딩에서는 연돌효과 혹은 역 연돌효과가 끊임없이 발생하고 있다.

연돌효과는 고층빌딩에서만 발생하는 것으로 오인하는 경우가 종종 있으나 빌딩의 높이와는 상관없이 빌딩 내부와 외부 사이에 온도차이가 발생하면 연돌효과는 어떤 빌딩에서나 발생한다.

연돌효과가 고층빌딩에서만 발생한다고 오인하는 이유는 고층빌딩을 중심으로 연돌효과에 따른 각종의 문제가 발생하기 때문이다. 이는 빌딩 내부와 외부 사이의 온도차이가 클수록 그리고 빌딩이 높아질수록 크게 발생한다는 것이다.

연돌효과 대응, 종합솔루션 개발 필요

연돌효과에 의해서 발생하는 문제는 크게 2가지로 구분할 수 있다.

빌딩 거주성능에 관련한 문제와 방재성능에 관련한 문제다. 거주성능 문제는 빌딩내부에서의 고주파 소음 및 강풍 발생을 시작으로 결로 발생, 냄새(악취) 확산, 도어 개폐 곤란, 환기 및 공조 등 설비성능 저하, 공기 유입 및 유출에 따른 냉난방에너지 증가 등을 들 수 있다. 방재성능에 관련한 문제는 화재 시 유독가스 및 화염의 급속 확산, 공기로 전파되는 바이러스의 확산 등을 들 수 있으며 발생 시 치명적인 요인으로 작용할 수 있다.

일반적으로 인식 및 취급되고 있는 연돌효과문제는 거주성능에 관한 문제가 중심이 되고 있는데 방재성능에 관한 문제로 인식확산이 시급하다.

현재 건설업계 및 대학 등을 중심으로 연돌효과에 따른 문제에 대응하기 위해 솔루션 개발 및 적용 등 다양한 연구를 수행 중이다. 하지만 여전히 연돌효과에 따른 문제가 빈번하게 제시되고 있는 현황을 고려할 때 현재의 방법으로는 연돌효과문제에 효과적으로 대응하기에는 충분하지 않다.

연돌효과문제 저감(개선)을 위한 대책방안으로는 현재 일반적으로 이용되는 있는 건축적 방안, 그리고 보다 적극으로 대응하는 방법으로써 설비적 방안을 들 수 있다. 각각의 대응방안은 연돌효과문제 개선을 위한 나름대로의 원리 및 효과를 보유하고 있다.

하지만 동시에 각자의 한계성을 가지고 있다는 것에 주의할 필요가 있다. 따라서 연돌효과문제에 효과적으로 대응하기 위해서는 빌딩에서의 연돌효과 발생메커니즘과 각각의 솔루션이 가지는 특성을 종합적으로 고려해 솔루션을 적절하게 병행, 적용할 필요가 있다.

연돌효과문제 개선을 목적으로 검토되는 일련의 솔루션을 통칭해 연돌효과 저감기술이라고 표현한다. 연돌효과 저감기술의 적용 결과로써 관련문제가 개선되는 효과를 얻을 수 있으며 연돌효과 저감기술이 대상으로 하는 시장은 고층 및 초고층 빌딩에 한정돼 있는 것이 현재 상황이다.

친환경 저에너지시장 창출

빌딩에서 발생하는 연돌효과를 저감하고 또한 제어한다는 측면에 초점을 맞추게 된다면 연돌효과 저감기술의 대상시장범위는 광범위하게 확장될 수 있다.

연돌효과를 저감함으로써 빌딩의 유입 및 유출 공기가 최소화된다는 것은 빌딩운용에너지가 절감된다는 것에 직결된다. 상대적으로 적은 용량의 설비로 빌딩 내부의 공기온열환경 제어가 가능하며 에너지절감 뿐만이 아니라 설비를 위한 투자비 또한 감소된다는 것을 의미한다.

결과적으로 연돌효과 저감기술의 대상 시장범위가 고층 및 초고층 빌딩 위주에서 친환경 저에너지를 기반으로 하는 모든 빌딩으로 확대된다는 것을 의미한다.

연돌효과 대응기술은 앞서 말한 △연돌효과 저감기술 △연돌효과 활용기술 △연돌효과 응용기술의 통칭이다.

연돌효과 활용기술은 연돌효과를 자연환기의 구동력 혹은 발전의 구동력으로 이용하는 등 연돌효과를 새로운 에너지자원으로 활용하자는 측면의 기술분야로 친환경 저에너지와 직결된다.

연돌효과 응용기술은 연돌효과와 관련된 기존 기술분야에서의 설계(계획)기법, 하드웨어, 제어알고리즘 등을 연돌효과를 고려해 업그레이드함으로써 기존대비 새로운 비즈니스 기회를 창출하고자 하는 기술분야다.

공조 및 환기, 그리고 소방방재에 관련한 기술분야에서는 연돌효과를 필수적으로 고려해야하지만 아직 충분히 고려되지 않아 원래 의도한 성능이 발휘되고 있지 않은 것이 현실이다. 결국 설비용량이 과도해질 수밖에 없으며 목적성능을 확보하기 위한 무리한 운용으로 에너지가 필요 이상으로 소비되고 있다. 이러한 측면에서 연돌효과 응용기술 또한 친환경 저에너지에 직결된 기술분야라고 할 수 있다.

연돌효과 대응기술 보급의 활성화는 친환경빌딩 구현에 관련한 시장분야에서 새로운 비즈니스 기회를 제공하게 될 것으로 기대되며 현재 및 미래의 글로벌 친환경 동향을 고려할 때, 선제적인 기술개발 및 상품화 추진, 관련정책의 수립 등이 대내외 경쟁력을 좌우하는 열쇠로 작용하게 될 것으로 전망한다.