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연재기획

친환경빌딩 구현, 연돌효과 필수고려

환기·공조·소방방재 필수 고려요건

연돌효과 대응기술의 세 번째 파트로 소개된 연돌효과 응용기술에 대해 소개한다. 연돌효과 응용기술은 환기기술분야, 환기 및 냉난방 등을 모두 포함하는 공조기술분야 더 나아가서는 비상시에 발생할 수 있는 치명적 피해 및 대규모 물질적 피해를 최소화하는 목적인 소방방재기술분야 등에서는 설계 시, 관련하드웨어 구현 시, 관련설비 제어 시에 연돌효과가 필수적으로 고려돼야 한다. 

하지만 이러한 분야에서는 아직까지도 연돌효과를 충분하게 반영하지 않는 것이 현실이다. 따라서 상기 기술분야에 연돌효과 개념을 충분히 도입함으로써 각 기술분야가 추구하는 목적을 효율적으로 만족시키는 방법을 제시하는 것이 바로 연돌효과 응용기술분야다.

연돌효과 발생특성에 관련한 연구 및 이론정립에 선구적으로 기여한 기술분야는 소방방재분야다. 하지만 소방방재분야에서 조차도 연돌효과를 충분하게 반영하고 있지 않는다는 점은 이해하기가 쉽지 않다.

각 기술분야에서 연돌효과를 충분하게 고려하지 않기 때문에 발생하는 문제는 다음과 같다. 환기기술분야에서 발생하는 대표적인 문제는 ‘환기불균형’ 발생이다. 이는 특히 아파트와 같은 공동주택이 주를 이루고 있는 국내는 더욱 명확해질 수 있다. 

풍압을 배제하고 본다면 연돌효과에 의해서 빌딩에 발생하는 수직적 압력분포를 고려할 때 겨울철, 빌딩하부에서는 빌딩 내부로 향하는 압력과 빌딩 상부에서는 빌딩 외부로 향하는 압력이 작용된다. 

또한 빌딩의 하부 및 상부 각 부분에서는 수직적 위치에 따른 작용압력의 크기가 달라진다. 이는 환기설비의 급기 및 배기용 펜에 작용하는 정압이 환기설비의 설치위치에 따라서 달라질 수 있으며 이로 인해 펜의 성능(풍량)에 차이가 발생할 수밖에 없다. 이러한 현상은 빌딩의 수직규모가 커질수록 더욱 분명하게 나타나게 된다. 

겨울철, 빌딩하부에서는 침기에 따른 외기가 도입될 수 있으나 빌딩상부에서는 풍압이 작용하지 않는 한 자연적인 외기의 도입은 발생하지 않는다. 빌딩상부에서는 오히려 빌딩하부를 경유한 오염된 공기가 유입되는 현상이 발생한다.

이와 같은 이유들로부터 빌딩의 수직적 특성을 고려하지 않고 모든 층 모든 세대에 동일사양의 환기설비를 적용하고 있는 현재의 상황에서는 층 별 환기불균형이 발생할 수밖에 없으며 현재 정책적으로 설정돼 있는 환기회수 0.5회가 절대적인 적정 값이 될 수 없다.

연돌효과 응용기술의 공조기술 적용
겨울철의 오피스빌딩에서 일반적으로 경험할 수 있는 풍경이 있다. 공조설비가 적용돼 운용되고 있어도 로비층에서 근무하는 보안요원이 두꺼운 외투를 착용하고 있으며 심지어는 보조난방기까지 사용하고 있는 모습을 심심치 않게 목격할 수 있다. 또한 오피스빌딩의 상부에서는 한 겨울이지만 창문이 열려있는 모습을 쉽게 볼 수 있다. 

보안요원의 경우는 춥기 때문이며 창문이 열려있는 것은 덥기 때문에 발생하는 현상이다. 실제로 겨울철 오피스빌딩에서는 빌딩하부에서 난방운전이 실시되고 빌딩상부에서는 냉방운전이 실시되는 사례가 발생하고 있다. 이는 공조설비의 설계와 제어에 연돌효과특성이 충분하게 반영돼 있지 않기 때문에 발생하는 현상이다.

빌딩상부의 고온현상으로 인해 창문을 여는 경우에는 연돌효과에 따른 공기흐름이 더욱 원활해지기 때문에 빌딩하부는 더 추워지며 빌딩하부의 난방이 증가돼 에너지소비가 커지며 빌딩상부는 더 더워질 수가 있다. 따라서 단순히 심리적인 안정감을 얻기 위해 창문을 여는 행위는 연돌효과에 의해 발생하는 현상을 이해하고 자제해야 할 필요가 있다. 환기 및 공조는 빌딩의 기밀성능이 확보돼야만 보다 계획적으로 구현하고 제어하는 것이 가능해지기 때문이다.

이전 연재에서 소개한 연돌효과 저감기술 중 공조가감압장치를 새로운 방식의 공조설계프로세스에 반영함으로써 연돌효과 저감과 응용을 동시에 수행하는 것이 가능하다. 

연돌효과 대응기술을 구성하고 있는 연돌효과 저감기술, 연돌효과 활용기술, 연돌효과 응용기술은 별도로 다뤄질 수 없는 불가분의 관계에 있으며 각 기술분야는 서로 간에 보완적 역할을 수행하게 되므로 각 기술분야를 융합의 개념으로 다룸으로써 보다 완성도가 향상된 효율적인 연돌효과 대응기술이 구현될 수 있다.

소방방재와 연돌효과
연돌효과와 관련된 소방방재기술의 대표적인 측면은 화재 시 유독가스 확산 제어를 통한 인명피해의 최소화라고 할 수 있다.

화재 시에는 유독가스 확산제어를 통해 피난을 위한 경로 및 시간을 충분히 확보해야 하나 빌딩의 고층화를 고려할 때 설비적인 측면 중심으로 접근하고 있는 현재의 대응방법으로는 한계가 발생할 수 있다. 

화재는 빌딩의 어느 부분에서도 발생할 수 있으며 화재발생 후 시간경과에 따른 유독가스 및 열기의 확산패턴 또한 한정 짓는 것이 불가능하다. 또한 소방설비의 비상 시 작동 보장여부 및 패닉상태에서의 재실자 행동패턴 등의 영향을 고려할 때 현재의 소방방재기법을 보다 효율적으로 개선할 필요가 있다. 

효율적인 피난설계를 위해서는 우선적으로 빌딩의 연돌효과(역 연돌효과) 발생특성 및 각종 화재발생조건에 따른 연돌효과(역 연돌효과)의 변동특성에 근거한 검토가 필요하다. 

결국 빌딩의 특성 등을 고려해 보다 체계적이고 정량화된 측면에서의 피난대책설계 및 적용이 필요하며 이를 위한 설계프로세스의 재정립이 필요하다는 것을 의미한다. 이를 통해 보다 효율적인 유독가스 제어를 위한 새로운 상품이 제시되는 것도 가능할 것이며 관련 정책개선을 위한 자료 확보가 가능해 질 것이다.

피난을 위한 요구시간이 길어질 수밖에 없는 빌딩의 고층화(초고층화)를 고려할 때에는 인근 소방서 및 소방방재청 등과 연계된 네트워크방식의 피난프로그램이 마련될 필요가 있다. 

이 같은 내용은 일부 업체 및 기관 범위에서 다룰 수 있는 문제가 아니며 이를 통해 소방방재 기술분야 및 관련 산업분야에 있어서 발전기회를 모색해 보는 것이 바람직할 것으로 보인다. <자료출처: 고층주거건물의 압력분포 특성을 고려한 환기계획 방안(이중훈 박사, 2009)>