연돌효과에 의한 고층건물의 공기유동 및 실내공기질 분석에 관한 연구

• Published in: 설비공학 논문집, 36(1) Vol. 36; no. 1; pp. 44 - 54
• Main Authors: 김민성(Min Seong Kim), 김주욱(Joo wook Kim)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 2024
• Subjects: 기계공학; Energy-Plus(에너지플러스); High-rise building(고층건물); Simulation(시뮬레이션); Stack effect(연돌효과); Airflow Network(공기유동 네트워크); Indoor air quality(실내공기질)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2024.36.1.44

본 연구는 고층 주거용 건물에서 연돌효과에 의해 발생하는 수직 기류가 습도 및 CO2, 미세먼지 분포에 미치는 영향에 조사하였고 고층 주거건물 시스템 설계 및 제어 연돌효과의 영향을 고려해야 하는 필요성을 제시하였다. 그 결과는 다음과 같다. (1) 연돌효과로 인해 건물의 중성대(13층)의 습도, CO2 농도가 가장 높게 나타났다. (2) 반면 미세먼지의 농도의 경우 공기 유동량이 적은 중성대(13층)에서 농도가 가장 낮게 나타났다. (3) 중성대 위의 상층부로 갈수록 습도는 누적되는 반면 CO2 분포는 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. (4) 오염물질인 미세먼지는 Hall에서는 상층부의 농도가 저층부에 비해 낮게 형성되었고 Household는 상층부의 농도가 저층부에 비해 높게 형성되었다. (5) 겨울철 연돌효과로 인해 고층에서 세대 내에 결로로 인한 피해 발생 가능성이 있으며 미세먼지의 경우 Hall에서 높은 농도 형성으로 건물 이용자들에게 건강상의 영향을 줄 가능성이 있다. 본 연구에서 공기 유동에 따른 미세먼지 분석에서 중요한 침입계수와 침착계수 적용이 EnergyPlus 시뮬레이션에서 한계점으로 존재하였으며 정확한 분석을 위해 추후 연구가 진행되어야 한다. 본 연구의 결과 고층 주거건물 설계 시 수분과 미세먼지의 누적 등과 같은 요소들을 고려해야 할 필요성을 인식할 수 있었다. 이처럼 고층 주거건물에서 공기유동으로 인한 문제점은 실내외 온도차, 세대 위치 변화에 따라 열, 습기 및 오염물질의 분포 특성이 달라질 가능성이 있어 이를 정확히 파악하여 반영해야 할 것이다. 따라서 본 연구는 실별 냉난방 제어를 하지 않고 환기 시스템을 적용하지 않는 것을 가정하여 분석을 진행하였으나, 실별 냉난방 및 환기 시스템 제어를 하는 고층 주거건물의 경우 열, 습기 및 오염물질의 이동특성이 다르게 보일 수 있으므로 해당 연구를 토대로 추후 내부 시스템 적용을 통해 다양한 설비 변수를 통한 실내 공기질 분석과 더 나아가 냉난방 부하 분석을 통한 에너지 사용량 검토 연구를 진행할 예정이다. Air currents in tall buildings are created both vertically and horizontally due to temperature variations and wind pressure. These currents cause temperature, humidity, CO2, and pollutants to move by the airflow patterns. This study identified the airflow patterns resulting from the stack effect in a tall building and subsequently examined indoor air quality. Temperature, humidity, CO2, and particulate matter levels were analyzed within the target building using the Airflow Network Simulation program, taking into consideration the presence or absence of the stack effect. The analysis revealed that humidity and CO2 concentrations were at their highest in the neutral zone, where airflow was minimal. Humidity collected in the upper part of the building through the shaft, resulting in elevated concentrations. The CO2 concentration distribution resembled that of the lower levels due to the inflow of air into the residential areas. In contrast, particulate matter exhibited lower concentrations in the neutral zone, mainly because of the limited airflow and reduced inflow into the indoor environment. Consequently, it is imperative to account for the stack effect to prevent humidity-related condensation and address air quality deterioration caused by the distribution patterns of particulate matter in tall buildings. This necessitates the implementation of an appropriate facility system tailored to the distribution of pollutants. KCI Citation Count: 0