아직까지 연돌효과 및 문제에 대한 개선대책으로 건축적 대책방안만을 고집하는 사례가 빈번하게 발생하고 있다. 이는 건축적 대책방안이 설비적 방안에 비해 경제적으로 저렴하고 시공이 간단하다는 오해에서 비롯된 것으로 보인다. 건축적 대책방안은 지속적일 것이라는 사고방식 또한 이러한 오해에 한몫을 더하고 있다.
실제로 건축적 대책방안은 설비적 대책방안에 비해서 시공이 어려우며 많은 시간과 비용을 필요로 하고 기후변동 및 빌딩의 거주패턴 변동에 대한 영향을 크게 받을 수 있다. 그리고 동일한 성능확보를 위해서는 빌딩의 노후화를 고려한 정기적인 보수가 필요하다.
반면 설비적 대책방안은 상대적으로 적은 비용으로 간편하게 시공이 가능하며 대책방안에 따라 기후변동 및 거주패턴의 변동에도 대응할 수 있다. 단 설비적 대책방안의 효과적 적용을 위해서는 설계단계에서부터의 검토가 필수적이며 특별한 기술적 노하우가 필요하다. 사후대책으로써 검토하게 되는 경우에는 시공자체가 불가능해질 수도 있으며 억지로 구현해도 문제개선효과를 기대할 수 없으므로 주의가 필요하다.
결국 설비적 대책방안은 건축적 대책방안의 한계를 보완하는 보다 적극적인 방법의 연돌효과문제 개선대책이라고 할 수 있다.
건물 수직통로, 연돌효과 크기 결정
설비적 대책방안 중 하나는 ‘엘리베이터 샤프트 냉각장치’와 관련이 있다. 여기에서 주의할 점은 이 장치는 엘리베이터 샤프트에만 적용하지 않는다는 점이다. 이 장치는 빌딩에서 공기유동의 수직통로 전체를 냉각의 대상으로 설정하고 있으나 비상계단실은 일반적으로 2중 도어로 구획돼 있고 평소에 사용하지 않는 점을 고려해 공기유동의 대부분이 발생하고 있는 엘리베이터 샤프트를 중심으로 냉각한다는 개념에서 명명됐다.
엘리베이터 샤프트 냉각장치에서는 샤프트와 외기를 덕트 등을 통해 연결함으로써 샤프트와 외기 사이에 별도의 연돌효과 발생, 즉 공기순환을 유도한다.
이를 통해 차가운 외기가 샤프트 내부를 순환하면서 샤프트가 냉각되는 원리이다. 샤프트가 냉각됨으로써 빌딩 내부와 외기 간의 온도차이가 작아지고 결과적으로 빌딩에서 발생하는 연돌효과가 작아져 문제가 개선되는 원리이다.
연돌효과의 크기를 결정하는 요인인 빌딩 내·부의 온도 차이에 대한 빌딩 내부기준점은 엘리베이터 샤프트 등의 수직통로라는 것을 이해해야한다. 사람이 거주하는 공간의 온도는 연돌효과의 크기를 결정하는 데에 직접적으로 영향을 주지 않는다.
결국 사람이 거주하는 공간은 평상시대로 난방을 하면서 엘리베이터 샤프트와 같은 수직 공간만을 냉각해 연돌효과가 저감될 수 있다.
기타의 연돌효과 대책방안은 구획간 압력분담률의 조정 및 압력분산, 기밀성능강화 등을 통해 빌딩 내부구획에서 발생하는 연돌효과문제를 개선하는 방법으로 연돌효과 자체는 변하지 않는다. 이에 대해 엘리베이터 샤프트 냉각장치는 연돌효과 자체를 저감시킬 수 있는 유일한 대책방안이라는 점에서 의미를 가진다.
냉각장치를 효과적으로 구현하기 위해서는 첫째, 냉각을 위한 외기도입량과 샤프트로부터의 배출량은 동일해야 한다. 둘째, 냉각을 실시하는 샤프트 구획에 대한 충분한 단열을 실시한다. 셋째, 온도분포를 최소화해 샤프트 전체를 균등하게 냉각한다는 전제조건이 있어야 한다.
첫 번째 전제조건은 샤프트의 중성대를 고정해 냉각해야 한다는 의미로 급배기 밸런스가 맞지 않은 경우에는 중성대가 이동해 연돌효과저감효과가 경감되는 부분이 발생하기 때문이다. 중성대를 고정해 냉각하는 경우에는 빌딩의 연돌효과(압력분포 및 공기유동분포)가 빌딩 전체적인 측면에서 일정하게 저감되는 효과를 기대할 수 있으며 이 또한 냉각장치가 가지는 커다란 특징이다.
두 번째 전제조건은 실내로부터 전열을 방지해 적은 외기순환으로 효과적인 샤프트 냉각을 실시하기 위해서이며 냉각을 위한 외기순환의 최소화는 공기유동에 따른 소음발생 등의 2차적 문제에도 대응한다는 의미이다.
세 번째 전제조건은 연돌효과 저감효과를 최대한 확보하기 위한 조건이라고 할 수 있다. 냉각장치에서 수직샤프트를 냉각한다는 것은 샤프트 내부의 공기의 밀도를 증가시킴으로써 수직샤프트를 통한 공기유동에 대한 저항을 크게 만든다는 의미이기도 하다.
샤프트 전체 온도분포를 최소화해 균등하게 냉각하기 위해서는 샤프트로 유입되는 열량의 분포 특성에 대한 이해가 필요하다. 실내와 샤프트 내부의 온도가 각각 일정하다고 가정한다면 실내에서 샤프트로의 전열량은 모든 층에서 유사한 값을 가지게 될 것이다. 하지만 실내를 경유해 샤프트로 들어오는 공기에 따른 유입열량분포는 층별로 상이하다.
일반적으로 샤프트를 냉각할수록 연돌효과가 저감된다고 할 수 있지만 실내에서 샤프트로 유입되는 공기의 노점온도 이하까지 샤프트가 냉각되는 경우 샤프트 내부에 결로가 발생하게 된다.
이는 관련기계설비 등의 고장을 초래하는 요인으로 작용하게 되며 따라서 엘리베이터 샤프트 냉각장치에서는 실내공기의 노점온도를 샤프트의 최대 냉각온도로 설정하고 있다.
이와 같은 이유에서 엘리베이터 샤프트냉각장치 적용에 따른 연돌효과 저감효율을 30~40%로 규정하고 있다. 예를 들어 엘리베이터 샤프트를 외기와 동일한 온도까지 냉각한다면 연돌효과는 ‘0’이 된다.
그렇지만 현실적으로 불가능하며 이것이 바로 설비적 대책방안으로써 냉각장치가 가지는 한계점이다. 따라서 건축적 대책방안과 설비적 대책방안을 효과적으로 병행해 적용하는 방법이 가장 현실적이라고 할 수 있다.
건축적 대책방안과 엘리베이터 샤프트 냉각장치간의 관계를 예를 들어 보면 빌딩이 기밀할수록 샤프트 냉각을 위한 외기도입량을 저감시킬 수 있으며 샤프트를 냉각해 연돌효과 저감됨으로써 건축적 대책방안의 적용범위가 최소화될 수 있다.
결국에는 대상빌딩의 조건을 고려한 건축적 대책방안 및 설비적 대책방안의 적절한 병행 적용 방법을 강구하는 것이 가장 효과적인 측면의 연돌효과문제 개선대책일 것이다.
빌딩에서 연돌효과로 발생하는 공기유동을 건축적인 방법으로 20% 저감시키기 위해서는 빌딩 전체 층 외피와 내부구획 기밀성능을 동일하게 20% 향상시켜야 되지만 냉각장치에서는 냉각온도 조절만으로 이와 동일한 효과를 얻을 수 있다. (자료참고: 연돌효과 저감을 위한 E/V샤프트 냉각장치의 적용에 대한 연구 <이중훈 박사, 2009>)
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