고층 공동주택의 평면구조에 따른 연기제어 성능 분석
Smoke Control System Performance Analysis in Accordance with Floor Plan Configuration of High-rise Multi-family Residential Buildings
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Abstract
국내의 경우, 고층 공동주택의 특별피난계단 부속실과 비상용승강기의 승강장은 겸용구조를 채택하고 있다. 피난용승강기와 비상용승강기가 설치된 고층 공동주택의 경우 각 승강장의 배치 구조에 따라 두 가지 평면구조를 형성한다. 하나는 복도를 통해 두 승강장이 면하는 구조이고 다른 하나는 두 승강장이 직접 면하는 구조가 된다. 두 평면에 대하여 연돌조건에서 연기제어에 필요한 풍량과 차압을 비교 분석하였다. 그 결과 두 평면 모두 중성대 하부 승강장에서의 급기만으로도 중성대 상부의 승강장에 연기유입을 방지하기에 충분한 차압이 형성될 수 있는 것으로 분석되었다. 두 승강장이 면하는 구조의 경우, 중성대 상부의 승강장 차압이 피난 장애가 우려될 수준으로 높게 형성될 수 있는 것으로 분석되었다.
Trans Abstract
In Korea, the vestibule of a special escape stair and a fire service access elevator is typically used together. The floor plan configuration of high-rise multi-family residential buildings where occupant evacuation elevators are installed is of two types depending on the vestibule structure of the occupant evacuation elevators and fire service access elevators. In one type, the vestibules of an occupant evacuation elevator and a fire service access elevator face each other, and in the other type, each vestibule faces the corridor. As a result of analyzing the smoke control volume flow rate and pressure difference, air volume flow rate to form a pressure difference was used in the lower level of the neutral pressure plane in both the floor plan configurations. The pressure difference above the neutral pressure plane was confirmed to be formed sufficiently high to cause evacuation disturbances in the floor plan configuration without corridor.
1. 서 론
국내의 30층 이상 건축물은 2018년 2,833동에서 2021년 4,287동으로 약 51% 증가하였으며, 그중 공동주택이 전체의 약 78%를 차지하고 있다. 40층 이상 공동주택의 경우 2018년 8.9%에서 12.2%로 증가하는 추세를 보이고 있으며, 대부분의 복합건축물이 주거 용도를 포함하고 있는 경우까지 고려하면 2021년의 경우 약 97.5%에 해당되며(1), 인구 도심 집중 및 지대상승으로 이와 같은 현상은 지속될 것으로 보인다.
국내에서는 고층 건축물 화재 시 연돌효과에 의한 연기의 수직전파 위험성으로 부속실 설치가 의무화되어 있으며, 피난경로를 연기로부터 보호하기 위하여 가압 연기제어 방식의 제연설비를 설치하고 있다. 또한 30층 이상이거나 120 m 이상의 건축물의 경우 피난용승강기를 설치하도록 하여 거주자의 피난안전성을 강화하고 있다. 그러나 고층아파트의 경우 비상용승강기 승강장과 피난용승강기 승강장의 차압 형성에 대한 상호영향성 검증이 부족한 실정이며, 직통계단식 공동주택에 대하여 유입공기 배출 장치 설치를 제외하고 있어 특정 조건에서 거주자의 피난 안정성을 확보하기 위한 검증이 필요하다.
고층 건축물을 대상으로 한 제연설비에 대한 국내 연구에서 Park과 Kim(2)은 초고층 건축물의 계단실 단독 급기가압 조건에서의 연돌효과의 영향을 분석하여 가압 시 최대 225 Pa의 차압이 발생하여 과압배출장치의 필요성을 확인하였으며, Kim 등(3)은 직렬형태 구조의 제연성능 연구에서 피난용승강기 승강장과 비상용승강기 승강장이 직렬형태일 때 과압 발생 우려를 CONTAM program을 이용하여 분석하였으나 연돌조건은 고려되지 않았다. Joung(4)은 연돌조건에서 가압방식에 따른 승강기용 제연설비의 성능 검토와 관련된 연구를 수행하였으며, Kim 등(5)은 유입공기 배출설비에 의한 복도에서의 부압 발생과 이를 해소하기 위해 방안에 관해 연구하였다. 국외의 경우, 고층 건물의 제연 관련 연구는 주로 계단실 가압방식과 관련되어 있으며, Miller와 Beasley(6)는 계단실 가압과 승강기 샤프트 가압과 관련한 연구를 통해 승강기 샤프트 가압 시스템이 더 큰 급기량이 필요하다는 것을 확인하였고, Black(7)은 계단실의 기밀성 확보의 필요성을 제기하였으며, Chen 등(8)은 외기 풍속과 방향에 따른 각 층의 임계풍속 구현 가능성을 확인하였다.
부속실을 가압하지 않는 계단 가압 방식의 경우 계단실 가압과 동일한 방법을 적용하여 설계분석이 가능하나, 가압 부속실을 갖는 계단실 가압의 경우 별도의 설계분석이 필요한 것으로 알려져 있다(9). 고층 공동주택은 피난용승강기와 특별피난계단 및 비상용승강기 승강장의 배치에 따라 평면구조는 일반적으로 두 가지 형태이며, 유입공기 배출장치가 없는 가압방식의 제연설비를 적용하고 있다. 본 연구에서는 공기흐름 분석을 위한 모델링 도구로 NIST에서 개발한 airflow network modeling program인 CONTAM 3.4 프로그램을 이용하여 평면구조의 형태에 따라 연돌조건에서 화재 시 연기제어에 요구되는 층별 급기량 및 차압을 비교⋅분석하였다.
2. 본 론
2.1 연구대상 건물의 개요
고층 공동주택 평면구조는 대부분 특별피난계단 부속실과 비상용승강기의 승강장을 겸용하는 구조를 채택하고 있어 피난용승강기가 설치되는 공동주택의 경우 각 승강장의 배치 구조에 따라 두 가지 평면구조를 형성한다. 하나는 복도를 통해 두 승강장이 면하는 구조이고 다른 하나는 두 승강장이 직접 면하는 구조가 된다. 이에 따라 본 연구에서는 피난용승강기 승강장과 특별피난계단 부속실 겸용 비상용승강기 승강장이 직접 면하는 구조(이하, Type 1)와 피난용승강기 승강장과 특별피난계단 부속실 겸용 비상용승강기의 승강장이 복도에 면하는 구조(이하, Type 2)를 대상으로 하였다. Figure 1은 연구대상 건축물의 평면구조를 나타내며, 노란색 부분은 비상용승강기 승강장이며 녹색 부분은 피난용승강기 승강장이다.
Floor plan of the buildings.
Type 1의 기준층 평면구조는 중앙 코어부와 4개의 84 m2 세대로 구성되어 있으며, Type 2는 중앙 코어부와 84 m2 3세대와 99 m2 1세대로 구성되어 있다. 평면구조별 층수, 층고 및 지하층을 포함한 건물 높이는 Table 1과 같으며 각 층별 용도 및 층고는 Table 2와 같다.
Basic Conditions of the Buildings
Floor Uses and Height
Figure 1의 범례 Ev. EV는 피난용승강기를, Em. EV는 비상용승강기를 의미한다.
2.2 연구의 방법 및 입력 조건
분석 툴인 CONTAM 3.4 프로그램은 풍압 및 실내⋅외 온도차에 의한 기류 분석과 오염물질 농도 분석을 위해 개발되었으며, 적용 분야로서 건물 외피 누설에 따른 에너지 영향, 실내 공기질 분석 및 오염물질 운송과 연기 제어 등에 활용되는 것으로 소개하고 있다(10).
본 연구의 벽, 바닥 및 방화문 등 누설경로의 모델링을 위해 CONTAM 프로그램에서 적용된 모델은 일방향 멱급수(power law) 모델 중 Orifice area model이며, 적용된 주요 누설경로(airflow path)의 누설면적은 Table 3과 같다(11,12). Orifice area model을 위한 흐름지수(flow exponent)와 방출계수(discharge coefficient)는 기존 연구에서 일반적으로 사용한 값인 0.5와 0.65를 각각 적용하였다(9).
Leakage Areas of the Airflow Paths
Figure 2는 Table 3의 누설면적을 적용한 평면구조 1, 2의 기준층 model이며, 보라색은 피난용 및 비상용승강기, 녹색은 가압 공간인 승강장이며, 하늘색은 계단을 나타낸다. 층별 적정 소요 풍량을 추정하기 위하여 CONTAM에서 제공되는 단순 공기처리시스템(simple air-handling system, AHS)을 적용하였다. 이 모듈은 팬, 덕트 및 차압댐퍼 등의 적용 없이 특정 구역에 공기를 공급하거나 배출할 수 있기 때문에 덕트 누기량 및 디퓨저 마찰손실 등에 의한 오차를 최소화 할 수 있다.
CONTAM model.
차압과 소요풍량을 비교⋅분석하기 위하여 4단계 과정으로 시뮬레이션을 진행하였다.
Step 1. 온도차에 의한 연돌효과로 계단 및 승강기 샤프트를 통해 형성되는 차압을 분석하였다. 적용된 온도 조건은 서울시 1월 평균온도와 유사한 외기 –10 °C, 건축물 내부의 각 실 온도 20 °C로 적용하였다.
Step 2. 각 평면 구조에 대하여 각 층 승강장 방화문의 차압이 50 ± 0.5 Pa이 되도록 AHS를 이용하여 급기를 공급하였다. 50 ± 0.5 Pa을 초과하는 층에 대해서는 급기를 제공하지 않는 조건에서 각 층의 차압 분포가 설정 범위 이내가 되도록 시행착오법(trial and error method)을 이용하여 급기량을 조정한 후 각 층의 소요 풍량과 차압을 분석하였다.
Step 3. 스프링클러가 설치된 건축물의 최소 차압 12.5 Pa(11,13)에 연돌 및 풍압 조건을 고려하여 차압 25 Pa을 구현할 때 필요한 각 층의 소요 풍량과 차압 형성을 위해 Step 2와 동일한 방법으로 수행하여 비교⋅분석하였다.
Step 4. 제시한 두 가지 평면구조에서 건축물 높이차의 영향을 배제하기 위해 Type 2 평면의 층수를 8개 층 추가한 model (Type 3)과 Type 1을 Step 2의 조건에서 비교⋅분석하였다.
3. 해석 결과 및 고찰
3.1 연돌효과에 의한 차압
두 가지 Type의 평면에 대하여 강제 급⋅배기가 없는 조건에서 외기온도 –10 °C, 실내온도 20 °C의 온도조건에 의해 주요 수직 경로인 계단과 EV 승강로에 형성된 차압을 분석하였다. 각 샤프트와 외기와의 차압을 분석한 결과, Type 1의 경우 비상용승강기의 승강로와 외기와의 차압이 –132.3 Pa로 가장 크게 형성되었으며, Type 2의 경우 일반용 승강기의 승강로가 –107.5 Pa로 가장 크게 형성되었다. 연돌효과에 의해 각 샤프트와 외기와의 차압 결과는 Table 4(a)와 같이 분석되었다. 연돌효과에 의해 형성된 외기와의 차압이 가장 큰 샤프트는 연결된 누설경로가 가장 큰 승강기로 분석되었으며, Type 1에서는 비상용승강기, Type 2에서는 일반용 승강기였다.
Pressure Difference in Stack Effect
연속적 개구부를 갖는 건물의 중성대는 아래 식(1)과 같이 구할 수 있다(9).
여기서, Hn: 중성대의 높이(m),H: 건물 전체 높이, Ts: 샤프트 온도(K), To: 외기 온도(K)
위 식을 적용하여 계산된 중성대 높이 및 온도에 따른 밀도차를 적용하여 각 층별 외기와의 차압을 구한 결과와 CONTAM 해석 결과를 비교하여 Figure 3에 나타내었다. 중성대의 위치는 Type 1의 경우 이론식에 비해 2개 층 높은 25F에서 형성되었으며, Type 2의 경우는 1개 층 낮은 층에서 형성되었다. 평면구조에 따라 다른 특성을 보인 원인은 지하층, 주차장 및 판매시설 등의 누설경로 및 누설면적 차이로 추정된다.
Comparison of pressure difference in stack effect by CONTAM modeling and formulas.
가압이 되지 않는 순수한 연돌조건에서 피난 및 진압 경로상의 방화문 사이의 차압을 분석하였다. Type 1의 경우 세대 방화문의 차압이 46.8 Pa에서 –49.0 Pa로 분석되어 가장 크게 나타났으나 피난 장애를 초래할 수준은 아니였다. Type 2의 경우도 세대 방화문의 차압이 가장 크게 나왔으며 49.9 Pa에서 –35.7 Pa로 분석되었다. 피난경로상의 방화문인 세대, 계단실, 피난용승강기 부속실 및 비상용승강기 부속실 방화문의 차압을 Table 4(b)에 나타냈었다. 계단실 문의 경우 피난층을 기준으로 2개의 중성대가 형성되는 것으로 분석되었으며, 다른 피난 경로상의 방화문 차압은 세대 방화문 차압보다 작은 것으로 분석되었다.
3.2 50 Pa의 차압 형성에 소요되는 풍량
외기온도 –10 °C, 실내 20 °C의 온도조건에서 Step 2에 따라 각 승강장에 급기 풍량을 적용하여 그 결과를 분석하였다. Type 1의 비상용승강기 승강장과 세대의 차압(세대출입문 양단의 차압)은 30F까지 50 ± 0.5 Pa의 차압을 형성하였으나, 30F 이상 층에서는 층이 높아질수록 연돌효과로 중성대 하부에서 승강로로 유입된 공기의 영향으로 29F 이상 층에 AHS를 통한 급기가 없음에도 차압이 급격히 증가하여 최상층에서는 83.1 Pa의 차압을 형성하였다. 피난용승강기의 경우는 25층 이상 층에 AHS를 통한 급기가 없음에도 동일한 효과에 의해 최상층에 76.4 Pa의 차압이 형성되었다. Type 1의 경우 50 Pa의 차압을 형성하기 위해 공급된 총 급기량은 피난용승강기가 43,070 cubic meter per hour (CMH), 비상용승강기는 96,340 CMH이다. Figure 4는 Type 1의 평면구조에 50 Pa의 차압을 형성하기 위해 각 층에 공급한 급기량과 형성된 차압을 나타낸다.
Air volume flow rate and pressure difference of Type 1.
이에 비해 복도가 형성되어 있는 Type 2의 경우 비상용승강기 및 피난용승강기 승강장과 복도와의 차압이 34F 이상 층에서 50 ± 0.5 Pa을 초과하기 시작하여 최상층에서 54.8 Pa과 53.5 Pa을 형성하였다. 차압을 형성하기 위한 총 급기량도 피난용승강기의 경우 32,420 CMH, 비상용승강기의 경우 29,580 CMH로 Type 1에 비해 피난용승강기의 경우 약 75%, 비상용승강기의 경우 약 31% 수준으로 감소하였다. Type 2의 각 층별 차압을 형성하기 위한 급기 유량과 차압의 분포는 Figure 5와 같다.
Air volume flow rate and pressure difference of Type 2.
평면구조에 따른 비상용승강기의 총 급기량 차이가 발생하는 것은 Type 1의 경우 비상용승강기의 승강장을 구성하는 누설경로가 닫힌 승강기 출입문 2개, 세대 방화문 4개 및 계단실 방화문 1개 및 피난용승강기 승강장 방화문 1개가 병렬 누설구조로 구성된 반면, Type 2는 승강장 방화문 1개로 구성되어 누설경로 크기의 차가 주원인 것으로 분석된다.
이러한 누설경로 크기의 차이는 중성대 하부에서 더 많은 급기량을 필요로 할 뿐 아니라 승강기 출입문 틈새를 통해 승강로 상부로 이동한 공기가 중성대 상부층의 과다한 차압을 형성하는 급기로 작용함을 확인할 수 있었다. Type 1의 최상층인 49F의 비상용승강기 승강장으로 유입되는 주요 유입 공기량을 보면 비상용승강기를 통한 유입이 2,456 CMH, 피난용승강기 승강장을 통한 공기 유입 606 CMH 및 계단실을 통한 공기 유입이 218 CMH로 총 유량이 3,280 CMH이었으며 이는 비상용승강기 승강장의 방화문(세대 출입문)에 피난 장애를 초래하는 과압을 형성하기에 충분한 유량으로 분석되었다.
3.3 25 Pa의 차압 형성에 소요되는 풍량
스프링클러가 설치된 경우 최소 차압은 화재안전기준에 따라 12.5 Pa 이상을 요구하고 있으나, NFPA에서는 최소 차압이 12.5 Pa인 경우 연돌효과와 외부 풍압이 작용할 경우에도 만족하여야 한다(11). 이러한 부분을 고려하여 Step 3에 따라 최소 차압이 25 Pa 이상 형성되는 조건에서 각 층별 급기량과 차압을 분석하였다.
Type 1의 경우 비상용승강기 승강장에 최소 차압 25 Pa를 형성하기 위해 공급한 총 급기량은 75,570 CMH였으며, 최대 차압은 49F에서 75.9 Pa로 높게 형성되었다. 피난용승강기의 경우 총 급기량이 31,160 CMH이며 최대 차압은 최상층에서 55.4 Pa로 피난 장애를 초래하지 않는 범위 내에서 차압이 형성되었다. 최소 차압을 25 Pa로 했을 경우 각 층별 급기량과 차압을 Type 1은 Figure 6, Type 2는 Figure 7에 나타내었다. Type 2의 경우 최소 차압을 25 Pa로 유지했을 때 최대 차압은 최상층에서 비상용승강기 36 Pa, 피난용승강기 35.7 Pa이 형성되었으며 총 급기 풍량은 비상용승강기 22,860 CMH 및 피난용승강기 21,200 CMH이었다.
Air volume rate and pressure difference to form a minimum differential pressure of 25 Pa of Type 1.
Air volume rate and pressure difference to form a minimum differential pressure of 25 Pa of Type 2.
차압과 풍량과의 관계는 오리피스 방정식에 의해Q ∝ √ΔP)의 관계가 있다. Step 2에서 구한 최소 차압과 급기 풍량을 이용하여 이론적 배경에 근거한 최소 차압 25 pa에 요구되는 급기량을 추정한 결과는 Table 5와 같다. 연돌효과의 영향을 가장 많이 받는 Type 1의 비상용승강기 승강장은 추정 유량 대비 약 111%의 유량 공급이 필요하였으나, 승강장을 형성하고 있는 나머지 3개의 샤프트는 추정 유량 대비 100∼102% 수준으로 매우 유사한 결과를 보였다.
Total Air Volume Rate to Form Pressure Difference
50 Pa과 25 Pa의 차압을 형성하기 위한 급기량은 지상층에서 중성대로 가면서 점자 감소하는 특성을 동일하게 보였고, 중성대 하부에만 급기하여도 목표한 전체 구간에 최소 차압 이상이 형성될 수 있는 것으로 분석되었다.
3.4 동일 높이에서의 비교
Type 1과 Type 2의 지하층과 옥탑층을 포함한 건축물 높이는 172.1 m와 140.7 m로 약 30 m의 높이 차이가 있다. 높이로 인한 효과를 배제하기 위하여, Type 2 모델의 층수를 피난안전층 상⋅하부에 각각 4개 층씩 추가(높이 25.2 m = 3.15 m/층 × 8층)한 CONTAM model을 Type 3로 하여 Type 1과 비교⋅분석하였다.
Type 1과 3은 층고 차이가 있으므로 높이에 따른 차압 분포를 Figure 8에 나타내었다. Type 3의 최대 차압은 비상용승강기 승강장의 경우 61.2 Pa, 피난용승강기의 경우 59.4 Pa로 Type 2에 비해 각각 6.4 Pa 및 6.1 Pa 상승하였다. 총 급기량은 비상용승강기가 38,180 CMH이고 피난용승강기는 35,010 CMH로서 각각 5,760 CMH와 5,430 CMH가 증가하였다.
Comparison of pressure difference characteristics according to the height of Type 1 and Type 3.
Type 3는 8개 층을 추가하였음에도 불구하고 높이에 따른 차압 분포가 Type 2와 유사한 형태를 보였다. 높이 차이로 인한 효과를 반영하여도 Type 2의 평면구조는 연돌조건에서 적정한 차압이 형성될 수 있었으나 Type 1의 형태는 피난에 장애를 초래할 수 있는 과압이 형성될 수 있음을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
고층 공동주택에 피난용승강기가 설치됨에 따라 특별피난계단 부속실 겸용 비상용승강기 승강장과 피난용승강기의 승강장이 연결되는 평면구조는 두 승강장이 직접 면하는 구조(Type 1)와 두 승강장이 복도를 통해 면하는 구조(Type 2)의 평면구조를 형성한다. 이 두 가지 평면구조를 대상으로 외기온도 –10 °C, 실내온도 20 °C의 연돌조건에서 최소 차압 25 Pa 및 50 Pa이 형성되도록 할 때 각 층 급기량과 차압 분포를 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
￭두 평면구조 모두에서 중성대 하부에서의 급기만으로도 연돌효과의 영향으로 중성대 상부에 최소 차압 이상의 차압이 형성될 수 있는 것으로 분석되었다.
￭제연설비 설계 시 각 층 승강장의 차압을 형성하기 위해 요구되는 풍량은 연돌조건에서 중성대 하부에 집중되므로 2개 이상의 송풍기로 분배하여 급기할 시 이에 대한 고려가 필요하다.
￭피난용승강기 승강장과 비상용승강기 승강장이 복도를 통해 면하는 평면구조(Type 2)가 두 승강장이 면하는 구조(Type 1)에 비해 최소 차압을 구현하기 위한 급기 풍량이 피난용승강기의 경우 약 75%, 비상용승강기의 경우 약 31% 수준으로 감소됨을 확인하였다.
￭Type 1의 평면구조는 중성대 하부의 비상용승강기 출입문을 통해 승강로로 유입된 공기에 의해 40F (약 145 m) 높이에서 70 Pa 이상의 최대 차압이 형성되어 피난 장애에 대한 대책이 적용될 필요가 있음을 확인하였다.
￭특히, 최저 차압을 25 Pa로 감소시킨 조건에서도 Type 1의 최대 차압은 피난 장애가 우려되는 75.9 Pa의 차압이 최상층에서 형성될 수 있음을 확인하였다.
￭Type 2의 평면구조는 Type 1의 평면구조에 비해 연돌효과의 영향을 적게 받아 건축 높이 약 170 m에서도 최대 차압이 61.2P로 분석되어 피난 장애가 초래되지 않을 수준을 형성하였다.
￭동일한 건축물 높이에서 평면구조에 따라 연돌효과의 영향으로 각 승강장의 최대 차압 분포 특성이 다르게 형성되는 것이 확인되었고, 공동주택의 경우 플랩댐퍼 등을 활용한 과압 방지 대책의 적용이 어려운 점 등을 고려한 평면 계획의 검토가 필요하다.
본 연구는 고층 공동주택에서 사용되는 대표적인 두 가지의 평면구조에 대한 제한적 결과로서 향후 연돌조건 이외의 풍압 효과, 외벽 누설조건 의 변화 등을 고려한 추가적인 연구를 수행할 필요가 있다.