1. 서 론
최근 설계되고 건축되는 고층건축물의 경우 용적율 및 고도제한 등을 이유로 상업지구에 위치한다. 상업지구에 건축되는 건축믈은 상업시설을 포함하여야만 하며, 이러한 이유로 주상복합의 건축물이 많이 건축되는 추세이다. 주상복합 건축물의 경우 지하에 주차장을 설치하고 지상 저층부에 상업시설, 지상 고층부는 주거시설을 배치하는 형태로 계획되는 것이 일반적이다.
따라서, 지하주차장은 계단 및 승강로를 통해 여러 개의 동이 연결되는 구조가 된다. 이 중 상부에 연결된 건축물이 고층건축물일수록 높은 높이로 인해 계단 및 승강로와 같은 수직관통부에 강한 연돌효과가 발생하는 특성이 있다. 연돌효과가 발생하는 경우 승강기의 문닫힘에 대한 문제와 특별피난계단의 출입문 개방 및 폐쇄에 대한 문제가 발생할 수 있으며, 연기 이동의 원인이 되기도 한다.
화재가 발생하는 경우 재실자가 사망하게 되는 주요 원인은 연기이다. 따라서, 수직관통부로 연기가 유입되는 것을 방지하기 위한 부속실제연설비의 성능확보가 요구된다. 이를 위해 소방청 가이드라인에서는 부속실제연설비의 성능확보 여부를 확인하기 위한 시뮬레이션을 요구하고 있으며, 시뮬레이션은 NIST의 CONTAM이 활용되고 있다.
제연설비의 성능확보를 위한 연구로는 Jang (2018)은 유입공기배출 댐퍼의 누설량과 차압을 측정하여 댐퍼의 Blade에 Seal의 부착여부에 의한 댐퍼의 기밀등급을 확인하였다. Lee (2017)는 제연구역 출입문 개폐상황에 따라 제연구역의 풍량을 제어할 수 있는 이중댐퍼를 개발하고 성능검증을 위한 성능시험을 통해 이중모드 댐퍼의 유용성을 입증하였다.
CONTAM 시뮬레이션을 통한 연구로 Lim (2015)은 바람의 영향이 굴뚝효과에 미치는 영향을 분석하기 위해 서울과 제주의 기상조건을 CONTAM에 적용하여 분석하였다. Kim et al. (2021)은 부속실 방화문 폐쇄조건에서 제연설비가 동작 시 복도 부압에 의한 방화문 개방의 어려움을 해결하고자 대안을 제시하며 CONTAM을 이용하여 검증하였다. Kim and Joung (2022)은 피난용승강기와 비상용승강기의 부속실을 각각 단독과 겸용으로 배치되는 경우 부속실의 연돌효과에 의한 차압형성을 위한 풍량과 차압을 비교 분석하여 중성대 하부의 급기만으로도 제연설비의 성능확보가 가능함을 확인하였다. Joung (2021)은 덕트와 승강로 가압방식에 의한 승강장에서 기류변화에 대해 확인하였다. Kim and Min (2017)은 공조겸용 제연시스템에서 정압계산방법을 Contam 등을 이용하여 국내와 해외의 방법을 비교함으로서 적절한 정압계산방법을 제시하였다.
그러나, CONTAM을 통한 기류이동 및 부속실제연설비의 성능확보여부를 확인함에 있어 해석대상에 대한 설정기준은 아직까지 없는 상태이다. 특히, 지하주차장을 통해 연결된 건축물이 여러 개인 경우 해석대상 선정에 대한 명확한 기준이 없으며, 그 영향이 어느 정도인지 아직까지 연구가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서, 합리적인 해석대상 선정을 위한 연구가 필요하다.
2. 모델링
2.1 관련이론
2.1.1 공기흐름
건축물에서의 공기는 개구부, 창문, 틈새 등을 통해 유동한다. 공기 유동과 관련하여 개구부에서의 공기 이동이 이루어지는 개구부의 경우 실별 배치형태에 따라 달리 산정하며, 면적산정은 Eqs. (1), (2)와 같이 계산된다(BS EN 12101-6, 2005; Hurley, 2016).
Eqs. (1), (2)에서 n은 누설면적 Ai의 수이고 AT는 계산된 개구부의 총면적이다.
Eq. (1)은 개구부가 병렬로 되어 있는 경우이며 Eq. (2)는 개구부가 직렬로 배열되어있는 경우 적용된다.
급기가압설비가 적용된 경우 분석에 사용되는 방정식은 오리피스 방정식으로 Eqs. (1), (2)를 통해 산출된 개구부 면적을 적용하여 계산된다. 오리피스 방정식은 Eq. (3)과 같이 표현된다.
Eq. (3)에서 m은 질량유량(kg/s), C는 유량계수, A는 누출면적(m2), ρ는 가스밀도(kg/m3), ΔP는 압력차(Pa)이다.
Eq. (3)에서 A는 개구부나 틈새의 배열에 따라 Eqs. (1), (2)에 의해 계산된 값이다. Eq. (3)에서 1 atm, 21 °C의 조건을 적용하면 Eq. (3)은 Eq. (4)와 같이 변환된다.
Eq. (4)에서 ms는 표준유량(m3/s)이다.
Eq. (4)에서 표준유량은 1.2 kg/s가 된다. 이를 이용하여 질량유량을 체적유량으로 환산하면 Eq. (5)와 같이 표현된다.
Eq. (5)에서 V는 체적유량(m3/s)이다.
Eqs. (3), (4), (5)는 등가형식의 오리피스 방정식이며, CONTAM의 경우 오리피스에서 공기흐름의 해석에 Eqs. (3), (4), (5)가 사용된다.
2.1.2 문의 개방력
화재로 인해 급기가압제연설비가 동작하는 경우 가압실은 비가압실과 비교하면 상대적으로 압력이 높아진다. 개방력이 100 N 일 때 가압실로 들어가는 출입문의 최대차압은 Eq. (6)과 같이 계산된다(BS EN 12101-6, 2005).
Eq. (6)에서 P는 최대차압(Pa), Fdc는 비가압상태에서 문손잡이에 가해지는 힘(N), Wd는 문의 폭(m), d는 문손잡이와 문 끝까지의 거리(m), DA는 문의 면적(m2)이다.
가압실의 출입문 개방을 위해 필요한 힘은 Eq. (7)과 같이 계산된다(NFPA 92, 2015; Hurley, 2016).
Eq. (7)에서 F는 개방력(N), Fr은 문이 닫히는데 필요한 힘(N), ΔP는 출입문 양쪽의 차압(Pa)이다.
2.1.3 연돌효과
건축물의 수직 관통부인 계단, 승강기 승강로는 굴뚝과 같은 형상으로 내외부의 온도차이가 있을시 기류가 상하부로 상승 또는 하강하려는 경향을 가진다. 특히, 높이와 내부온도, 외부온도에 의해 이러한 영향은 더 크게 나타나기도 한다. 연돌효과는 Eq. (8)과 같이 계산된다(Hurley, 2016).
Eq. (8)에서 ΔPs는 연돌효과의한 압력(Pa), TO는 외부온도(°C),TS는 샤프트내부의 온도(°C), h는 중성대로 부터의 높이(m)이다.
2.1.4 차압 및 개방력
급기가압제연설비가 적용된 경우 보호하고자 하는 계단, 승강로로 연기유입을 방지하기 위해서 차압을 형성한다. 이를 위해 대부분의 경우 부속실 가압을 통해 부속실과 화재실 간의 압력차이를 형성하고 이를 통해 부속실에서 연기유입을 방지하여 보호대상을 연기로부터 보호하는 방식이 적용된다. 연기유입을 방지하기 위한 최소차압과 동시에 너무 과도한 압력이 형성되는 경우 출입문 개방에 어려움을 겪을 수 있다. 따라서, 각 나라에서는 국민들의 체격 등을 고려하여 차압 및 개방력을 규정하고 있다. 이를 정리하면 Table 1과 같다(BS EN 12101-6, 2005; NFPA 92, 2015; NFRIK, 2022).
Table 1
Comparison of Smoke Control System Regulations
Table 1과 같이 국가별로 약간씩의 차이를 보이고 있으나 공통적으로 차압과 개방력, 방연풍속을 각각 규정하고 있다. 이 중 BS EN 12101-6에서는 설계단계에서 도어클로저의 열리는 힘을 알 수 없는 경우 최대차압 60 Pa을 적용할 수 있다고 명시하고 있다.
2.2 연구대상 건축물의 개요
금회 연구대상으로 선정한 건축물은 지하층에서 2개의 동이 연결된 건축물로 울산광역시 남구에 위치한다. 지하 6층, 지상 28층으로 구성되어 있으며, 층별 용도와 높이는 Table 2와 같다.
Table 2
Use and Height of Each Floor
| Main Use | Floor | Height |
|---|---|---|
| Parking Area | B6F~B2F | 18.6 m |
| Sales Facility | B1F~1F | 11.6 m |
| Neighborhood Living Facilities | 2F | 9 m |
| Apartment | 3F~28F | 76.45 m |
| Elevator Room | Roof Floor | 7.8 m |
이 중 공동주택 기준층의 층고는 2.85 m이며, 주요평면구성은 Fig. 1과 같다.
2.3 입력조건
2.3.1 기후 조건
시뮬레이션에서 기후 조건은 시뮬레이션의 결과에 많은 영향을 준다. 해당 장소에서 발생 가능한 최악의 상황을 고려하기 위하여 기상청의 최근 10년간 기후를 조사하였으며 이를 정리하면 Table 3과 같다.
Table 3
Ulsan Weather Data for Jan. 26, 2018
Table 3에서 최저기온이 나타난 날은 2018년 1월 26일이며 최고기온이 나타난 날은 2013년 8월 8일이다. 해당 날자의 최저기온과 최대기온은 각각 -12.4 °C, 38.8 °C이다. 해당 온도가 건물에 미치는 연돌효과를 계산하기 위하여 Eq. (8)에 각각 대입하면 최저온도에서 약 145.7 Pa, 최대온도에서 -70.7 Pa이 된다. 따라서, 최저온도가 나타난 겨울철이 여름철에 비해 악조건이 된다. 최저온도가 나타난 2018년 1월 26일의 기상조건을 적용하였으며 정리하면 Table 4와 같다(Meteorological Agency’s Weather Data Open Portal, 2023).
Table 4
Weather Data in Ulsan from 2012 to 2022
CONTAM 시뮬레이션에서 날씨 조건은 Table 4에서 명시된 최저온도 -12.4 °C, 상대습도 29.6%, 바람속도 2.9 m/s, 바람의 방향 320°를 적용하였다.
2.3.2 개구부 조건
개구부는 공기의 유동을 발생시키는 주요 요인으로 CONTAM 시뮬레이션에서 풍량에 영향을 준다. 본 연구에서 시뮬레이션에 적용된 개구부는 One-way Flow Powerlaw Models 중 Orifice Area Data를 적용하였으며 주요 개구부의 누설면적을 정리하면 Table 5와 같다(Klote, 2013; KSA, 2019).
Table 5
Leakage Area at Airflow Paths
| Classification | Leakage Area | Unit |
|---|---|---|
| Closed Door | 0.023 | m2/item |
| Closed Elevator Door | 0.06 | m2/item |
| Window | 4.9 × 10-4 | m2/m2 |
| Wall | 1.7 × 10-4 | m2/m2 |
| Floor | 5.2 × 10-5 | m2/m2 |
| Rope Hole of Elevator | 0.5 | m2/item |
Table 5의 개구부에 대해 Orifice Area Data를 적용함에 있어 Discharge Coefficient와 Flow Exponent는 기존 연구를 참조하여 각각 0.65와 0.5를 적용하였다. Reynolds Number는 기본값인 30을 적용하였다(Klote, 2013).
3. 시뮬레이션 및 결과해석
3.1 분석조건
날씨에 의한 최악 조건 및 건축물 높이에 의한 연돌효과를 극복하고 제연설비의 성능이 구현되는 조건을 확인하기 위하여 전체층이 비개방되는 조건을 적용하였다. 부속실이 비개방 되는 경우 차압형성이 되어야 한다. 국내의 차압조건 중 최소차압은 12.5 Pa로 명시되어 있다. 다만, 최대차압은 별도의 규정이 없으며 개방력으로 최대차압을 규정하고 있다. 개방력은 Eq. (7)에서 명시된 것과 같이 해당구역의 차압, 문의 크기, 손잡이의 위치, 도어클로저의 개방력이 변수가 된다. 국내의 도어클로저는 호별로 도어클로저의 개방력과 폐쇄력에 의해 분류된다. 이와 관련하여 국내의 도어클러저 종류를 정리하면 Table 6과 같다(KSA, 2021).
Table 6
Types of Door Closers
분석대상의 출입문의 크기는 가로 1.2 m, 세로 2.1 m이다. 출입문 손잡이와 출입문끝까지의 거리를 10 cm로 가정하는 경우 Eq. (7)을 이용하여 도어클로저 호칭별 개방력을 고려한 최대 차압을 계산하면 Table 7과 같다.
Table 7
Types of Door Closers’s Maximum Pressure Difference
| Designation | Maximum Pressure Difference |
|---|---|
| Class 1 | 64 Pa |
| Class 2 | 57 Pa |
| Class 3 | 36 Pa |
| Class 4 | 22 Pa |
| Class 5 | 7 Pa |
Table 7에서 보여지는 것과 같이 도어클러저의 개방힘을 고려한 차압은 최소 12.5~64 Pa까지 차이가 발생된다.
즉 차압의 범위가 약 51.5 Pa까지 발생되므로 최소차압과 최대차압 기준을 적용시키기에는 너무 큰 차이를 보인다. 따라서, 가압실에서 50 Pa이 유지되도록 하였다. 다만, 50 Pa로 모든 부분을 유지시키기에는 무리가 있어 오차범위는 ±0.5 Pa로 하여 가압에 필요한 풍량을 확인하였다.
3.3 해석결과
3.3.1 연돌효과
해석대상이 겨울철에 기온차에 의한 연돌효과가 어느 정도인지 확인하기 위하여 가압하지 않은 상태에서의 코어별 출입구에서 압력을 확인하였다. 확인된 압력은 Fig. 5와 같다.
Fig. 5에서 부속실 방향으로 압력이 발생하는 경우 양압으로 표현하였으며 계단 및 엘리베이터 방향으로 압력이 발생하는 경우 음압으로 표현하였다. 또한, 부속실에서 차압은 부속실에서 화재실 방향으로 압력이 발생하는 경우 양압으로 표현하였으며 반대인 경우 음압으로 표현하였다.
개구부의 존재여부, 개구부와 연결된 공간, 건물높이 등으로 인하여 압력은 균일하게 발생하지는 않았다. 다만, 전반적으로 건축물 높이에 따라 연돌효과가 증가되는 모습을 보이고 있으며, 지하는 거의 일정한 압력을 보이고 있다. 특히, 주거용도인 지상 4층 이상에서는 개구부가 모두 동일하므로 거의 균일한 압력차이를 보이고 있다.
또한, 건축물의 높이로 인해 지상 14층 부근에서 중성대가 형성됨을 보여준다.
해석대상에 대해 각 부속실의 차압을 50 Pa ± 0.5 Pa로 가압에 필요한 풍량을 나타내면 Fig. 6과 같다.
3.3.2 지하주차장 면적변화와 제연성능변화
적절한 해석대상을 확인하기 위하여 동일한 풍량이 공급되는 조건에서 지하주차장의 면적을 변화시키는 조건과 최고층이 있는 A코어만 해석하는 경우의 차압을 확인하였다. 지하주차장의 면적은 설계면적 2,849 m2 외에 임의의 면적 2,000 m2, 1,000 m2 조건을 적용하였다. A코어만 해석대상으로 선정하는 경우는 주차장 면적은 설계면적을 적용하고 B코어 부분만 삭제하였다. 각 조건에 시뮬레이션에 의해 나타난 차압은 Fig. 7과 같다.
Fig. 7에서 보여지는 것처럼 지하층 면적변화에 따른 차압의 변화는 극히 적다. 전반적으로 차이는 0.5 Pa 이내의 차이를 보인다. 다만 외기와 직접적인 개구부로 연결된 1층의 경우만 차이를 보이나 그 차이도 1.5 Pa 이내로 나타난 것을 보여준다. 또한, 1개코어만 해석하는 경우 그 차이도 매우 적었다.
Fig. 8에서 확인되어지는 것처럼 일부는 차압의 변화가 0에 가깝다. 또한 차이를 보이더라도 0.5 Pa 이내인 경우가 대부분이었으며 외부와 출입구가 연결되는 지상 1층과 지상 3층은 차압의 변화를 보여주었으나 변화된 압력도 최대 1.5 Pa 이내인 것을 보여주고 있다. 부속실 제연설비의 도어클러저의 개방력을 고려한 차압이 12.5~64 Pa임을 고려하면 매우 적은 변화임을 알 수 있다.
지하층 면적 변화에 따른 차압형성 변화의 관계와 전체 해석과 부분해석 시의 A코어에서의 관계를 확인하기 위하여 상관관계를 분석하였다. 분석된 상관관계는 Table 8과 같다.
Table 8
Result of Correlation Analysis by Core-A
| Core-A | 2,849 m2 | 2,000 m2 | 1,000 m2 | 2,849 m2 -Part |
|---|---|---|---|---|
| 2,849 m2 | 1 | |||
| 2,000 m2 | -0.33046 | 1 | ||
| 1,000 m2 | -0.34563 | 0.999628 | 1 | |
| 2,849 m2 -Part | 0.027122 | 0.069144 | 0.089971 | 1 |
Table 8에서 나타나 값은 피어슨 상관 계수(Pearson correlation coefficient, Pearson’s r)로 이변량 상관분석에서 보편적으로 이용되는 수치이다. Table 8에 의한 관계를 분석하면 A코어에서의 지하부 면적변화에 의한 관계는 뚜렷한 음적 선형관계를 보이나 전체와 일부를 해석하는 경우에는 무시될 수 있는 선형관게를 보이고 있다. 즉, 지하층의 면적변화에 의한 코어의 차압변화는 전반적으로 면적이 감소하면 차압이 증가하는 양상을 나타낸다. 코어해석과 관련하여 전체와 일부를 해석하는 경우에는 특별한 관계를 나타내지는 않는다. 다만 전체와 일부의 해석차이에 대한 결과는 특별한 관계를 나타내지는 않으나 Fig. 8에서 확인 가능한 것과 같이 차압의 변화량은 매우 적어 해석 시 오차의 범위도 매우 적은 것을 나타낸다.
4. 결 론
지하주차장을 통해 연결된 2개의 동이 있는 건축물에서 적정한 해석범위를 산정하기 위하여 건축물 전체(코어2개소)와 최고층이 포함된 코어 1개소에 대해 모델링 하였다. 해석대상은 특별피난계단과 비상용승강기가 1개소씩 배치되는 형상으로 관련기준에 의해 부속실을 공용으로 사용하는 형태이다. 해석을 위해 해당지역의 최근 10년간 기상자료를 적용하였으며 해석대상에 대해 차압을 50 Pa로 유지시킨 상태에서 해석범위에 따른 유지차압을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
차압을 50 Pa ± 0.5 Pa로 유지시키는 상태로 가압하는 경우 차압유지를 위한 풍량을 비교한 경우 전반적으로 연돌효과와 비례하여 일정하게 풍량이 변화되는 모습을 보여준다. 그러나 지상 1층과 지상 3층의 경우 개구부 조건이 상이하여 기존과는 다른 풍량이 공급되는 조건에서 차압을 만족시키는 결과를 나타낸다. 즉, 차압 형성에는 높이에 의한 연돌효과와 동시에 개구부 조건이 차압형성에 직접적인 영향을 주는 것이 확인된다. 특히 개구부 조건이 일정한 지상 4층 이상의 층에서는 높이에 따른 연돌효과로 인한 부분의 차이만 나타나므로 차압형성을 위한 풍량이 일정하게 요구되는 것으로 나타난다.
해석대상에 대한 적정범위를 해석하고자 동일한 풍량이 공급하는 조건에서 지하 주차장 전체와 지상 2층 근린생활시설의 면적을 각각 2,000 m2, 1,000 m2으로 변경시킨 상태에서 차압의 변화를 확인하였다. 확인된 결과 연결된 부분의 면적이 2,000 m2에서는 r = -0.33, 1,000 m2에서는 r = -0.34로 나타나 연결면적과 유지차압은 반비례의 결과가 나온다는 사실을 확인할 수 있었다. 즉, 면적이 증가되는 경우 유지차압은 감소되며, 면적이 감소되는 경우 유지차압은 증가된다. 다만, 차압의 변화가 발생하더라도 변동 차압은 0.5 Pa 이내로 나타나 제연시스템의 성능확보에 지장을 주는 정도의 변화는 아니라는 사실이 확인된다. 또한, 전체와 부분해석을 비교하는 경우 r = 0.027로 나타나고 있다. 이는 피어슨 상관계수를 통해 무시 될 수 있는 선형관계를 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 상관관계 분석을 통해서는 전체해석과 부분해석은 상호간에 관계 없이 변화되는 것을 나타낸다. 다만, 이러한 변동 차압도 0.5 Pa 이내로 나타나고 있어 차압의 변화는 거의 없음을 알 수 있다.
본 연구는 1개소 대상에 대해 전체 해석에서 일정한 차압형성을 위해 필요한 풍량을 확인한 후 연결부분의 면적(체적)변화와 최고층이 있는 부분의 1개소에 대한 분석을 통해 비교하였다. 연구결과 최고층에 대한 1개소 해석이 되더라도 전체해석과 유사한 결과가 나온다는 결론을 얻었으며 연결부분의 면적 변화보다 개구부 조건이 차압의 변화에 더 많은 영향을 준다는 점을 알 수 있었다. 그러나, 본연구는 1개 대상에 대해 수행한 결과이며, 최근 피난용 승강기로 인해 많이 나타나는 겹부속실 등 다양한 평면구성 모두를 반영한다고 하기에는 한계가 있다. 따라서, 추가적으로 다른 평면구성 및 다양한 연결부분의 면적변화를 통한 차압변화에 대한 연구가 이루어져야 한다.
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