1. 서 론

경제 성장에 따라 인구가 도시로 집중되고 있으며, 주택 공급 확대를 위해 고층주거건물이 증가하고 있다. 이러한 고층건물의 경우, 겨울철 연돌효과로 인해 상층부 공기유동경로의 압력차는 증가한다¹⁾. 특히 재실자 출입에 의해 저층부에 위치한 주요 출입부가 개방되면 건물의 중성대는 하강하며 상층부의 압력은 더욱 강해질 수 있다²⁾. 이러한 압력문제는 세대 출입부 개폐의 어려움²⁾, 엘리베이터의 오작동³⁾, 계속된 침기 발생⁴⁾, 소음⁵⁾, 저층부의 오염물질 운반⁶⁾ 등 상층부 재실자에게 불편함을 야기할 수 있다.

연돌효과로 인한 압력 문제를 해결하기 위해, 각 구획 별 압력을 실시간으로 측정할 수 있는 기술이 필요하다. 하지만 각 구획 별 압력차를 실물센서로 측정하기에는 물리적, 시간적 한계가 존재한다⁷⁾. 이러한 맥락에서, 구획 별 압력을 비침습적으로 측정하는 현장 가상센싱 방법은 그 대안이 될 수 있다. 본 논문에서는 현장 가상센싱 방법을 활용하여 건물 주요 출입부 개방에 따른 연돌효과 압력 분포 변화를 관측 및 분석한다.

2. 방법론

2.1 대상 건물 및 실측

대상 건물은 인천에 위치한 고층주거건물이다. Table 1은 대상 건물의 개요를 나타낸다. 대상 건물은 지상 49층과 지하 2층으로 이루어져 있으며 높이는 154.1 m이다. 건물 내에서 공기는 수평적으로 외피, 세대 현관문, 샤프트 문을 통해 이동하며, 수직적으로 2개의 엘리베이터 샤프트와 계단실을 통해 이동한다. Fig. 1은 측정 장소를 건물의 평면도와 입면도 상에서 나타낸 그림이다. 시뮬레이션 모델 구축을 위해 외기 온도, B2층의 각 구획 별 온도와 B1, 1, 3, 7, 20, 47층의 복도 온도, 47층 세대 내 온도를 측정하였고, 모델 보정 및 검증을 위해 B2, B1, 1층의 주요 현관문 압력차와 3, 7, 47층의 세대 현관문 압력차를 측정하였다. Table 2는 실측 항목과 측정 장비의 정보를 나타낸다. Fig. 2는 온도 센서 설치 및 압력 센서를 통해 측정하는 사진이다.

Fig. 1

Cross section and floor plan for a target building

Fig. 2

Pictures describing the position of the sensors and the measurement

2.2 CONTAMW 기반 연돌효과 압력 분포 가상 센싱

대상 건물의 연돌효과 압력분포를 측정하기 위해 현장 가상센싱 방법을 활용하였다. Kim et al. (2023)⁸⁾은 건물 운영단계에서 건물의 세대 별 침기율을 실시간으로 관측하는 현장 가상센싱 방법을 제안하였다. 본 연구에서는 이를 압력분포 가상센서로 활용하였으며, Fig. 3은 압력분포 가상센서의 모델링 과정을 나타낸다. 대상 건물의 구조 및 공기유동경로는 설계정보를 바탕으로 모델링하였다. 개구부 누기면적은 설계정보와 창호시험성적서를 기반으로 설정하였다. 외기 온도, 내부 온도 등 건물 운영 과정에서 얻어야 할 데이터들은 실측을 통해 얻은 시계열 데이터를 활용하였다. Table 3는 시뮬레이션 입력 변수의 값을 나타낸다. 가상센서의 성능을 평가하기 위해 도출된 압력 분포를 실측 과정에서 얻은 3, 7, 47층의 세대 현관문 압력차 데이터와 비교하였다. Table 4는 두 데이터를 비교해 정확도를 구하는 과정이며, 약 94.6%의 평균 정확도를 보임을 확인하였다.

Fig. 3

Pressure distribution virtual sensor modeling process

2.3 건물 주요 출입부의 개폐에 따른 압력 분포 변화

주요 출입부 개폐에 따른 연돌효과 압력분포 변화와 최고층 세대 현관문의 압력차 변화를 알아보기 위해 Table 5와 같은 케이스를 설계하였다. Case 0은 모든 문이 닫혀 있는 건물의 기본적인 상태이다. 대상 건물에는 총 3개 층에 건물 출입부가 존재하므로 Case 1-3에서는 1개 층씩 출입부를 열어 그에 따른 압력분포 변화를 알아본다. 또한 연돌효과로 인해 발생되는 압력은 외기 온도와 내부 온도의 차에 비례한다. 이에 따라, 2023년 12월부터 2024년 2월까지 인천의 최저 온도인 –14.2℃와, 주요 출입부가 가장 많이 개방되는 출퇴근 시간인 오전 6 ~ 8시와 오후 6 ~ 8시의 최저 온도인 –5.9℃로 외기 온도를 설정했을 때, 그 결과들을 각 케이스 별로 도출해 비교한다. 외기 온도는 기상청 데이터를 참조하였다⁹⁾.

3. 결과 및 고찰

Fig. 4는 외기온도를 –5.9℃로 설정했을 때 대상 건물의 운영 단계에서 연돌효과 압력분포를 현장 가상센서로 측정한 값을 나타낸다. Case 0과 Case 1을 비교하면, 주요 출입부가 1개 열렸을 때 최고층 세대 현관문의 압력은 6 ~ 7 Pa 증가하며, 50 Pa 기준¹⁰⁾ 그 이상을 압력차로 인한 문제가 발생되었다 판단할 때 그 층수는 3개 늘어난다. Case 1과 2를 비교할 때 압력은 5 ~ 6 Pa, 문제 층수는 3개 늘어났으며, Case 2과 3을 비교할 때 4 ~ 5 Pa, 문제 층수는 2개 증가함을 확인하였다. 모든 출입부가 개방되었을 때의 최고층 세대 현관문의 압력은 모두 닫혔을 때 대비 최대 17 Pa 증가하며, 문제 층수는 8개 늘어났다. Fig. 6(a)는 최고층 세대 현관문의 압력과 압력차 문제 층수의 변화를 나타낸다. 이를 통해 건물 주요 출입부의 개폐는 최상부 세대의 현관문 압력에 심각한 영향을 끼치며, 건물 주요 출입부를 닫은 상태로 유지하는 것이 중요함을 확인하였다.

Fig. 5는 외기온도를 –14.2℃로 설정했을 때 연돌효과 압력분포를 현장 가상센서로 측정한 값을 나타낸다. Case 0과 Case 1을 비교하면, 주요 출입부가 1개 열렸을 때 최고층 세대 현관문의 압력은 9 Pa 증가하며, 압력차 문제 층수는 3개 늘어난다. Case 1과 2를 비교할 때 압력은 7 ~ 9 Pa, 문제 층수는 3개 늘어났으며, Case 2와 3을 비교할 때 6 ~ 7 Pa, 문제 층수는 3개 증가함을 확인하였다. 모든 출입부가 개방되었을 때의 최고층 세대 현관문의 압력은 모두 닫혔을 때 대비 최대 24 Pa 증가하며, 문제 층수는 8개 늘어났다. Fig. 6(b)는 최고층 세대 현관문의 압력과 압력차 문제 층수의 변화를 나타낸다. 이를 통해 실내외 온도차가 큰 한겨울에는 주요 출입부를 개방함에 따른 현관문의 압력 상승의 폭이 크다는 것을 알 수 있다. 한편 기온이 낮은 한겨울에는 건물 출입부가 열리지 않은 상태에서도 최상부 현관문의 압력차가 위험할 정도로 상당히 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 출입부가 모두 열린 상태에서 최고층 세대 현관문의 압력이 현관문 압력 기준에 2배에 가까운 95 Pa이라는 점에서 정상적으로 문을 열고 닫기 어려운 상태임을 알 수 있다.

Fig. 4

Pressure difference of the target building when outdoor temperature is –5.9°C

Fig. 5

Pressure difference of the target building when outdoor temperature is –14.2°C

Fig. 6

Pressure difference at the top floor and the number of floors at risk

4. 결 론

본 연구는 현장 가상센싱 방법을 통해 고층주거건물의 연돌효과 압력분포와 주요 출입부 개방에 따른 최고층 세대 현관문의 압력차 변화를 확인하였다. 가상센서의 예측값과 실측 결과를 비교한 결과 94.6%의 정확도를 나타내는 점에서, 가상센서를 통해 압력분포가 성공적으로 관측됨을 확인하였다. 주요 출입부 개방에 따른 최고층 세대 압력차 변화를 관측한 결과, 건물 출입이 가장 잦은 출퇴근 시간에는 출입부가 다 닫혀있을 때 대비 17 Pa 증가하였고 문제 층수는 8개 늘어났으며, 가장 추운 한겨울에는 출입부가 다 닫혀있을 때 대비 24 Pa이 증가하였으며 문제 층수는 8개 늘어났다. 이러한 결과는 겨울철 연돌효과 방지를 위해 건물 주요 출입부를 닫은 상태로 유지하는 것이 중요하며, 연돌효과를 저감하기 위한 건물 운영 기술이 필요함을 시사한다. 후속 연구에서는 재실자의 행동에 따른 연돌효과 압력 변화를 저감할 수 있는 현장 가상센싱 기반 건물 운영 기술을 제안할 예정이다.