옹드람
(Munkhbat Undram)
1
송두삼
(Doosam Song)
2†
김주욱
(Joowook Kim)
3
-
성균관대학교 건설환경시스템공학과 석사과정
(Master Student, Dept. of Civil and Environmental System Eng., Graduate School, Sungkyunkwan
University, Suwon, 16419, Korea)
-
성균관대학교 건설환경공학부 교수
(Professor, School of Civil, Architectural Eng. & Landscape Architecture, Sungkyunkwan
University, Suwon, 16419, Korea)
-
성균관대학교 건설환경연구소 연구교수
(Research Professor, Center for Built Env., Sungkyunkwan University, Suwon, 16419,
Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
블로우 도어 테스트(Blower door test), 기밀성능(Airtightness), 외피(Envelope), 누기율(Air leakage rate), 시험 표준(Test standard)
기호설명
$Q$：풍량 [m3/s]
$Q_ {0}$：누기량 [m3/s]
$Q_ {2}$：$\Delta P_{2}$에서의 누기량 [m3/s]
$Q_ {a}$：보정된 누기량 [L/s]
$Q_ {r}$：풍량 [L/s]
$Q_ {50}$：50 Pa에서의 누기량 [m3/h]
$V_ {env}$：누기량 [m3/h]
$V_ {m}$：풍량 [m3/h]
$q_ {50}$：50 Pa에서의 단위면적당 누기량 [m3/hm2]
$C$：누기계수 [m3/s·Pan]
$\Delta P$：실내외 압력차 [Pa]
$\Delta P_{m}$：측정 실내외 압력차 [Pa]
$\Delta P_{o,i}$：팬이 정지된 상태의 초기 압력차 [Pa]
$\Delta P_{o,f}$：팬이 정지된 상태의 말기 압력차 [Pa]
$n$：압력지수 [-]
$A$：누기면적 [cm2]
$A _ {E}$：외피 면적 [m2]
$C _ {D,1}$, $C _ {D,2}$：$A _{1}$, $A _{2}$에서의 유량계수 [-]
$\rho$：공기 밀도 [kg/m3]
$t _ {o}$：외부 온도 [℃]
1. 서론
건물의 기밀성능은 실내외 온도차 및 풍압에 의한 압력차로 인하여 건물 틈새를 통해 유입 및 유출되는 정도를 나타낸다. 건물 기밀성능은 냉난방부하 뿐만
아니라 실내 공기질 및 거주자의 쾌적성에도 영향을 미친다. ASHRAE Fundamental[1]에는 건물의 전체 침기량 중에 외벽을 통한 침기량이 18~50%(평균 35%)를 차지하는 것으로 기술되어 있다. 특히 겨울철 실내외 온도차가 큰 지역의
경우, 기밀성능 저하가 난방부하를 증가시키는 주요인이 된다. 이에 국내에서도 건물 기밀성능에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 여러 선행연구에서
건물 기밀성능 향상이 건물 냉난방에너지 절감에 큰 효과가 있다고 보고하고 있다.[2,3]
대부분의 유럽 국가에서는 신축 시에 건물 기밀성능 테스트를 의무화하거나 최소 기밀성능 수준을 달성하도록 권장하고 있다. 미국의 경우 2012년부터
건물에너지 절약을 목적으로 International Energy Conservation Code(IECC) c402.5에서 상업용 건물 외피는 ASTM
E 779기준에 의거하여 기밀성능 테스트를 받아야 하며, 최소 기밀성능으로 0.4 cfm/ft2(2.0 L/s·m2) 이하가 되도록 요구하고 있다. 또한 미국 워싱턴 주에서는 6층 이상의 모든 건물에 대해 기밀성능 테스트를 의무화하고 관련 요구사항, 최대 누기량
및 공기 차단에 관한 사항을 정의하고 있다.[4] 국내에서 건설되고 있는 신축건물 중에도 IECC 기준이 적용된 경우도 있다.
국내의 경우, 기밀성능 시험 방법으로는 2006년에 제정한 「KS L ISO9972-건물의 기밀성능 측정 및 팬가압법 기밀성능 시험 기준」[5]이 있다. 국내 건축물의 기밀성능 관련한 법규로 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣에서 ‘기밀성 창호’, ‘기밀성 문’에 대해 ‘KS F 2292 규정에
의하여 기밀성 등급에 따른 통기량이 5등급(5 m2/ h·m2) 이하인 창호를 말한다.’라고 규정하고, 외기에 직접 면하는 부위에는 기밀성 창호를 설치하도록 요구하고 있다. 국내의 건물의 최소 기밀성능에 대한
학회 규정으로 냉난방을 실시하고 재실자가 이용하는 공간은 5.0 ACH50 이하의 기밀성을 가져야 한다고 규정하고 있다.[6]
건물 기밀성능 측정방법으로 가장 대표적인 것은 가스추적법 및 가압(pressurization)/감압(depressurization)법이다.
가스추적법은 측정 대상공간에 추적가스를 주입하여 실내 추적가스 농도 변화를 통해 환기량을 측정하는 방법이다. 이 방법은 자연상태에서 건물의 환기량을
직접 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 풍압이나 실내외 온도차에 따라 결과가 상이할 수 있으며 건물의 규모가 커지거나 높이가 높아지면 정확한 값을
도출하는데 어려움이 있다.
가압/감압법은 공조설비나 팬을 사용하여 측정 대상공간을 가압 또는 감압하여 실내외 일정 압력차에서 유입 또는 유출 공기량을 측정하는 방법이다. 기밀성능을
측정하는 가압/감압법은 오래전부터 이용되어 왔으며 기밀성능 측정 기준인 ASTM[7], CGSB[8], ISO[9], EN 13829[10] 등에서 이 방법을 채용하고 있다.
가압/감압법을 이용한 건물 기밀성능 측정방법으로 측정 대상공간 출입구에 팬을 설치하여 대상공간을 가압/ 갑압하는 블로우도어(Blower door)
방법이 가장 널리 적용되고 있다. 유럽, 미국, 캐나다, 한국 등 각 국가별로 블로우도어 기밀성능 테스트 표준 방법을 제공하고 있다. 측정방법은 일반적으로
동일하나 시험 가능한 압력 범위, 실내외 온도조건, 풍속조건, 결과 값의 보정 및 표현 방법에는 다소 차이가 있다. 그러나 국내의 경우, 이들 내용에
대해 구체적으로 비교, 분석한 연구가 부재하다. 아울러 각국에서 제시하는 기밀성능의 결과 표현방식이 상이하여 연구자들이 그 결과를 이용하기 위해서는
단위환산이 불가피한 상황이다.
본 논문에서는 현재 주요 국가에서 가장 널리 적용하고 있는 건물 기밀성능 측정 방법인 블로우도어 테스트 방법의 기본적인 내용, 요구사항 및 제한사항을
비교, 분석하였다. 아울러 기밀성능 표현 방법의 의미, 각 표현 방법 간의 단위환산 방법에 대해서 고찰하였다. 또한 국내 건물의 기밀성능 수준을 알아보기
위하여 기존 연구에서 제시된 국내 중-고층 건물의 외피 기밀성능을 ASHRAE[11]에서 채택하고 있는 건물 외피의 기밀성능 기준 및 국외 중-고층 건물의 외피 기밀성능 결과와 비교 분석하였다.
2. 기밀성능 시험 방법에 대한 고찰
2.1 Blower door를 이용한 가압/감압법
블로우도어 테스트 방법은 건물의 창 및 문 등의 개구부에 팬을 설치하여 실내로 공기를 공급하거나 배출하여 실내외 압력차를 발생시킨다. 생성된 압력차가
일정 압력차에 도달하였을 경우의 팬의 풍량을 측정하여 이를 측정 대상공간의 공기누설율(Air leakage rate)로 정의한다. 이 방법은 일반적으로
단일 층의 건물 또는 소규모 건물의 기밀성능을 측정하기 위해 개발되었으나 대규모 공간에도 적용할 수 있다. 블로우도어는 5 Pa에서 50 Pa 또는
그 이상의 실내외 압력차를 생성할 수 있기 때문에 외부 바람(풍압)이나 실내외 온도차에 의해 자연적으로 발생하는 실내외 압력차로 인한 침기의 영향을
배제할 수 있다. 블로우도어 시스템은 1977년에 스웨던에서 처음 건물의 기밀성능을 측정하기 위해서 사용되었으며, 당시에는 창문에 설치하여 측정하였다.[12] 이후에 여러 연구자들[13,14,15]에 의해 개발 및 적용이 이루어지다가 1980년에 미국에서 처음으로 Gadsco blower door라는 이름으로 상용화 되었으며, 그 구성은 다음과
같다.
∙ 건물을 가압/감압하기 위해 공기를 공급하는 보정된 팬
∙ 팬 앞면 및 건물 외피의 압력을 동시에 측정하는 압력 측정기
∙ 팬을 문 및 창에 고정시키기 위한 고정 틀
∙ 팬을 통과하는 공기량을 측정하는 유량계
일반적으로 팬 유닛에 압력측정기가 통합되어 있으며 팬의 풍량 계산을 할 수 있는 제어 장치가 장착되어 있다. 1981년에는 Harry Sherman에
의해 Harmax라는 브랜드로 블로어도어 시스템이 판매되기 시작하였다. 그 이후에 Gray Nelson에 의해 Minneapolis bower door가
시판되기 시작하여 현재에 이르고 있다.
블로우도어를 이용한 건물의 기밀성능 측정은 압력차와 누기량의 상관관계로 정의되는 멱승법칙(Power law equation)에 의해 정의된다.
따라서 정확한 결과를 도출하기 위해서 팬의 풍량 및 압력차 값을 정확하게 측정할 필요가 있다. 가장 일반적인 압력은 4 Pa 및 50 Pa이지만 1
Pa, 10 Pa, 25 Pa, 75 Pa도 사용된다. 일반적으로 대기압이 1~4 Pa 정도이기 때문에 4 Pa의 결과 값은 자연상태에서의 침기량을
나타낸다. 위 식 (1)에서 압력지수 n값 및 누기계수 C값은 건물 외피의 특성을 나타내는 지수로 모든 압력차와 누기량에 대해 일정하다.[16] n값은 0.5 < n < 1.0사이 값을 가지며 가압/감압을 통해 실험적으로 결정하거나 선행연구의 실험 데이터를 바탕으로 일반적으로 0.65로
가정한다.[17] 큰 누기경로는 일반적으로 0.5값을 가지며, 작은 틈 및 균열은 0.65에 가까운 값을 가진다.[18] 따라서 n값을 통해 건물의 누기경로의 특성을 파악할 수 있다. n값이 0.5보다 작거나 1보다 큰 경우 시험의 결과가 정확하지 않음을 의미하기 때문에
실험을 다시 실시하여야 한다. C는 누기경로의 함수인 누기계수이며 실험적으로 결정된다. 정확한 데이터가 없는 경우 C값은 보통 0.6으로 가정할 수
있다.[18]
2.2 기밀성능 측정 결과의 표현 방법
기밀성능의 측정 결과를 표현하는 여러 가지 방법이 있다. 가장 일반적인 결과 표현 방법은 다음과 같다.
∙CFM50(ft3/min) 및 CMH50(m3/hr) : 실내외 압력차를 50 Pa로 유지하기 위해 실내에 유입시켜야 할 공기량을 의미한다. 외피의 공기누설 특성을 나타내기 위해 사용된다.
∙Air change rate(h-1) : 건물 외피에 50 Pa의 압력차가 작용하고 있을 경우, 실내 대상공간에 대해 시간당 외부공기가 실내 대상공간의 체적당 얼마나 유입되고 있는지를
나타내는 방법이다. 서로 다른 크기의 건물에서 측정된 기밀성능 결과를 비교할 때 유용하다. 누기량을 대상공간의 체적으로 나눈 값이다.
∙Equivalent leakage area(EqLA)(cm2/m2) : 건물 실내외에 10 Pa의 압력차가 작용하고 있을 경우에 발생하는 누기량과 동일한 양의 공기가 새어나가는 틈 및 균열의 크기를 1제곱미터 당
제곱센티미터의 누기면적으로 나타낸다. 외피의 경우에 cm2/m2@75 Pa로 표기한다.
∙Effective leakage area(cm2/m2) : 건물 실내외에 4 Pa의 압력차가 생길 때 발생하는 누기량과 동일한 양의 공기가 새어나가는 틈 및 균열의 누기면적을 나타내는 것이다. EqLA와
동일하나 작용 압력차가 다르다.
∙Air permeability(cfm/ft2, L/sm2) : 건물 외피의 누기량을 전체 외피면적으로 나눈 단위면적당 누기량을 나타낸다. 유럽에서 주로 사용된다.
기밀성능 측정 결과의 표현 방법은 각 나라 및 관련 표준(Standard)에서 그 단위가 다르다. 현재 국내에서는 법적으로 건물의 기밀성능에 대해
규정하고 있지 않기 때문에 선행연구에서 실험을 통해 정의하고 있는 건물의 기밀성능 결과 값을 단위환산을 통해 통일시키는 과정이 요구된다. Air change
rate(ACH)로 표시되는 경우, 건물의 바닥면적, 체적, 외피면적 등의 상세한 건물 정보가 주어지 않은 경우에는 다른 기밀성능 단위로 환산하는
것이 불가능하다. 각각 다른 압력차 조건에서의 누기면적 결과는 다음 식 (2)를 통해 환산될 수 있다. 이때 $C _{D}$값은 4 Pa에서 1[19], 10 Pa에서 0.611[8]로 가정한다. 50Pa에서는 건물 체적을 시간당 누기량으로 나눈 값으로 한다.[20]
기준 압력차에서의 누기면적은 다음 식 (3)을 통해 기준압력차에서의 누기량으로 변환될 수 있다.
3. 기밀성능 시험 표준 방법
3.1 Blower door를 이용한 각국의 기밀성능 측정 표준
블로우도어를 이용하여 건물의 기밀성능을 측정하는 시험 표준을 각 나라마다 제정하고 있으며, 지정된 시험 표준을 통해 건물의 기밀성능을 측정하는 것을
권장하고 있다. Table 1은 건물 외피의 기밀성능을 측정하는데 적용되고 있는 각 국의 표준 내용이다. 각 표준에서 제로 유량 압력차(Zero-flow pressure difference)의
측정에 대해서 규정하고 있다. 이것은 팬이 작동하지 않는 자연상태에서 실내외 간에 생기는 압력차를 의미한다. 제로 유량 압력차는 보통 시험 시작 전후에
측정하며 시험 수행 중에 측정된 실내외 압력차에서 이 값을 빼는 방식으로 압력차를 보정하여 누기량 계산을 한다. 제로유량 압력차 측정은 각 표준에
따라 측정 회수, 측정 시간, 허용 최대 압력이 다르다.
Table 1. Comparison of the airtightness testing standards
|
Standard
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ASTM E779[7]
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CGSB 149.10[8]
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EN 13829[10]
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ISO 9972[9] / KS L ISO 9972[5]
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Origin
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USA
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Canada
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Europe
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International
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Test Scope
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all buildings
(single zone)
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residential building
(all zone)
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all buildings
(single zone)
|
all buildings
(single zone)
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Acceptable Conditions
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$\Delta T$ × < 200 m·K
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wind < 20 km/h
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$\Delta T$ × < 500 m·K,
wind < 6 m/s
|
$\Delta T$ × height < 250 m·K,
wind < 6 m/s
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Pressure Range
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10 Pa~60 Pa
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15 Pa~50 Pa
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10 Pa~50 Pa
($\leq$100 Pa)
|
10 Pa~50 Pa
($\leq$ 100 Pa)
|
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Number of Points
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(by 5~10 Pa)
> 5 at each direction
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(by 5 Pa)
8
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> 5 at each direction
|
> 5 at each direction
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Test Direction
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pressurization and de-pressurization
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de-pressurization
|
pressurization and de-pressurization
|
pressurization and de-pressurization
|
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Leakage Results
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EfLA
CFM50
|
EqLA
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CFM50/ft2
ACH
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CFM50/ft2
ACH, EqLA, ELA
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Related Standard
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Energy Star, IECC, LEED, ASHRAE
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R-2000, LEED Canada, ASHRAE, Vancouver
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Passiv Hous, ATTMA L2
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International Standard
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3.2 ASTM E779-Standard Test Method for Determining Air Leakage Rate by Fan Pressurization
ASTM E779는 미국에서 가장 보편적으로 사용되는 기밀성능 시험 표준이다. ASTM E779는 팬 가압/감압을 통하여 건물 외피의 기밀성능을 결정하는
방법이며 ASHRAE, LEED, Washington State Energy code, IECC 등의 건물 성능 평가 관련 다양한 기준에서 건물 기밀성능
테스트 방법으로 채택되고 있다. ASTM E779는 5 Pa에서 10 Pa 단위로 10 Pa~60 Pa의 압력 범위에 대해 측정하고 있다. 건물의
기밀성능은 Effective Leakage Area(EfLA)로 표현한다. 이 표준은 시험이 수행될 수 있는 기상조건에 대한 제한사항을 제공하고 있다.
이는 연돌효과로 인해 결과를 정확하게 산출할 수 없기 때문이다. 시험을 수행할 수 있는 가장 이상적인 기상조건은 외부풍속 0~2m/s, 외부온도 5~35℃로
규정하고 있다. 시험 방법에 대한 자세한 사항은 Table 2와 같다.
Table 2. Airtightness Test Method of ASTM E779
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Title
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Description
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Test Scope
|
- Applicable to small temperature differentials and low-wind pressure differential
- Intended to be used for measuring the air tightness of building envelopes of single-zone
buildings
- Multi-zone buildings can be treated as single-zone buildings by opening interior
doors or by inducing equal pressures in adjacent zones
|
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Test method
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Pressurization and depressurization
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Apparatus
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Air moving equipment : HVAC system, Blower door
Pressure measuring device : accuracy of ±5% of the measured pressure or 0.25 Pa
Airflow measuring system : accuracy of ±5% of the measured flow
Temperature measuring device : accuracy of ±1℃(2℉)
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Test limit
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indoor/outdoor air temperature difference × building height < 200 m·℃
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Pressure range
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10~60 Pa
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Air leakage metric
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Effective Leakage Area(EfLA), cm2/m2@4 Pa
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Zero-flow pressure difference
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Zero flow pressures shall be measured before and after the flow measurements and shall
be subtracted from the envelope pressures measured during pressurization and depressurization.
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Air leakage rate
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Depressurization : $Q_{0}=Q \frac{\rho_{i}}{\rho_{0}}$ $ \quad \quad $Pressurization
: $Q_{0}=Q \frac{\rho_{o}}{\rho_{i}}$
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Leakage area
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$A=C\left(\frac{\rho_{o}}{2}\right)^{\frac{1}{2}}(\triangle P)^{\left(n-\frac{1}{2}\right)}$
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Details
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Strong winds and large indoor-outdoor temperature differentials shall be avoided
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ASTM E779는 원래 단독주택의 기밀성능을 측정하기 위해 개발되었다. 다중구역 건물의 경우 실내 문을 열거나 인접한 구역에서 동일한 압력을 유도할
경우에 단일구역 건물로 취급할 수 있다고 설명하고 있다. 그러나 ASTM E779의 제한사항으로 실내외 온도차에 건물의 높이를 곱한 값이 200 m·℃를
초과하면 연돌효과로 인하여 정확한 값을 얻을 수 없기 때문에 시험을 수행하지 않도록 권장하고 있다.
또한 ASTM E779 팬가압법은 시험의 압력 범위를 10~60 Pa로 지정하고, 결과 표현은 자연상태에 가까운 4 Pa 에서의 누기면적으로 기밀성능을
표기하고 있다. 따라서 측정하지 않은 압력차에서의 누기면적으로 결과를 표현하기 때문에 이에 대한 불확실성의 연구가 이루어지기도 했다.[21]
3.3 CGSB 149.10-Determination of the Airtightness of Building Envelopes by the Fan
Depressurization Method
CGSB 149.10는 캐나다에서 건물 외피의 기밀성능을 측정할 때 적용되는 가장 일반적인 시험방법이다. CGSB도 마찬가지로 소규모 건물을 위해
제정되었으나 대형 건물에도 적용이 가능하다. 하나 또는 여러 개의 팬를 사용하여 50 Pa에서 15 P의 범위에서 5 Pa씩 감압하여 측정한다. CGSB
149.10 시험 표준은 정확한 결과를 얻기 위해서 건물의 개구부 및 기타 누기가 발생할 수 있는 부위를 밀봉하는 것과 관련된 사항을 자세히 규정하고
있다. 또한 외부 압력을 측정하는 방법에 대한 지침도 제공한다. 기상조건에 대한 제한사항은 풍속에 대해서만 규정되어 있으며 외부 풍속이 20 km/h(5.6
m/s) 이상인 경우, 시험을 수행하지 않도록 권고하고 있다. 시험 방법에 대한 자세한 사항은 Table 3과 같다.
Table 3. Airtightness test method of CGSB 149.10
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Title
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Description
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Test Scope
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- Applicable to small detached buildings(especially houses)
- with appropriate modifications, it can also be used for other buildings or parts
of buildings.
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Test method
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Depressurization
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Apparatus
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Fan : Sufficient capacity for testing new detached houses may be about 1500 L/s and
for older detached houses it may be about 2500 L/s.
Pressure measuring apparatus : accuracy of 2 Pa
Thermometer : accuracy of ±1℃
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Test limit
|
It is recommended that the test not be conducted if the wind speed is greater than
20 km/h
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Pressure range
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15~50 Pa
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Air leakage metric
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Equivalent Leakage area(ELA), m2@10 Pa
Normalized Leakage area(NLA), cm2/m2
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Zero-flow pressure difference
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Zero flow pressures shall be measured before and after the flow measurements and the
average value of zero flow pressure shall be subtracted from the envelope pressures
measured during pressurization and depressurization.
$\triangle P=\triangle P_{m}-\frac{\left(\triangle P_{o, i}+\triangle P_{o, f}\right)}{2}$
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Air leakage rate
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$Q_{a}=Q_{r} \sqrt{\frac{101.325}{P a} \frac{\left(t_{0}+273.15\right)}{(20+273.15)}}$
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Leakage area
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$E L A=0.001157 \sqrt{\rho} \circ C \circ 10^{n-0.5}$
$N L A=\frac{E L A}{(\text {Areaofthe Building Envelope})} \times 10000$
|
CGSB에서 누기량의 계산은 20℃ 및 101.325 kPa의 기준 조건으로 보정된다. CGSB 149.10의 경우, 감압법을 통하여 외피의 기밀성능을
측정하도록 하고 있다. 시험을 수행할 때 감압 및 가압의 한 방법으로만 측정할 경우, 결과가 서로 다를 수 있다. 가압법은 일반적으로 감압보다 약간
더 높은 누설률을 나타내기 때문이다. 따라서 한 가지 방법으로 측정할 경우 실제보다 높거나 낮은 결과를 초래할 수 있어 두 가지를 모두 수행할 필요가
있다고 ISO 9972에서 정의를 하고 있다. 건물이 기밀한 경우에는 가압 및 감압법의 시험 결과가 크게 차이가 없으나 건물이 충분히 기밀하지 못한
경우에는 결과에 상당한 차이가 있을 수 있다.[22]
3.4 EN 13829-Determination of air permeability of buildings-fan pressurization method
이 표준 시험방법은 많은 유럽 국가에서 채택하고 있다. EN 13829는 블로우도어 테스트의 정확한 결과를 위해 ASTM E779와 같이 기상조건에
대한 제한사항을 규정하고 있다. 외부 풍속이 측정 시 6 m/s 이하이여야 하며, 실내외 온도차의 절대 값을 건물 높이로 곱한 값이 500 m·K(226.8
m․℃)보다 낮은 조건에서 측정을 해야 한다고 규정한다. 건물 내부 및 외부 정압 차이는 외피가 다 닫힌 상태에서 팬의 가동 없이 5 Pa 미만이어야
한다. EN 13829는 2000년에 처음 발표가 되었으며, EN 13829를 기준으로 BS EN 13829, DIN EN 13829, ISO 9972
등의 기밀성능 측정 표준이 추후에 작성되었다. Table 4에 시험 방법의 자세한 사항을 설명하고 있다. EN 13829 시험 방법에서는 a) 사용 중인 건물 상태, 또는 b) 건물의 외피 시험 등 두 가지
건물 유형의 시험 방법을 소개하고 있으며 두 유형에서 서로 다른 준비 사항을 제시하고 있다.
Table 4. Airtightness test method of EN 13829
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Title
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Description
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Test Scope
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- Intended for the measurement of the air leakage of building envelopes of single-zone
buildings
- Multi-zone buildings can be treated as single-zone buildings by opening interior
doors or by inducing equal pressures in adjacent zones.
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Test method
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Pressurization and depressurization(one set of measurements is also acceptable)
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Apparatus
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Air moving equipment : Blower door and HVAC system in large buildings
Pressure measuring device : accuracy of ±2 Pa
Air flow rate measuring system : measure airflow rate within ±7% of the reading
Temperature measuring device : accuracy of ±1 K
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Test limit
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Indoor/outdoor air temperature difference(K) × height of the building envelope <
500 m·K. Meteorological wind speed < 6 m/s or Beaufort scale 3
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Pressure range
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10~50 Pa(up to 100 Pa)
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Air leakage metric
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Air permeability, cfm/ft2, L/sm2
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Zero-flow pressure difference
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Zero flow pressures shall be measured before and after(average value) the flow measurements.
If either the positive or negative zero-flow pressure difference reading after the
test is greater than 5 Pa the test shall be declared not valid.
$\Delta P=\Delta P_{m}-\frac{\left(\Delta P_{o, i}+\Delta P_{o, f}\right)}{2}$
|
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Air leakage rate
|
Depressurization : $V_{e n v}=V_{m}\left(\frac{\rho_{i}}{\rho_{o}}\right)$ $\quad
\quad $ Pressurization :
|
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Leakage area
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$q_{50}=\frac{Q_{50}}{A_{E}}$
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Details
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Describe two types of test methods depending on the purpose. Both types require different
preparation of the building.
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a)의 건물이 완공되어 사용 중인 건물 상태, 즉 창을 닫은 상태에서 환기구 및 기타 환기를 목적으로 하지 않는 개구부를 의도적인 밀봉을 하지 않은
상태에서 대상공간의 기밀성능을 측정하는 것이다.
b)의 건물 외피 기밀성능 시험은 건물시공 중에 외피의 기밀성능 향상의 목적으로 실시되며 기밀성능 시험을 수행하여 침기부의 위치를 찾아내어 이를 개선하는
것이 근본목적이다. 시험 압력은 10 Pa~50 Pa 범위로 지정하고 있지만 최대 100 Pa까지 수행할 수 있다. 최소 5개의 데이터 포인트를 가진
시험을 2번 이상 수행해야 하며 감압과 가압 방식의 두 가지 측정값을 평균하여 결과를 산출하도록 하고 있다. 그러나 가압과 감압 중 한 가지 방식으로
시험하는 것도 허용한다.
3.5 ISO 9972-Thermal Insulation-Determination of Building Airtightness-Fan Pressurization
Method
ISO 9972는 1996년에 처음 발표가 되었으며 2006년에 발표된 개정판은 EN 13829를 기반으로 작성되었기 때문에 EN 13829의 내용과
거의 동일하다. 시험 절차에 대한 전반적인 내용은 동일하나 ISO 9972는 EN 13829에 비해 기상조건에 대해 좀 더 엄격하게 제한하고 있으며
세 가지 유형의 시험 방법을 제공한다.
a) 건물이 완공이 되어 사용 중인 상태, b) 건물의 외피 시험, c) 특정 목적을 위한 건물의 시험의 세 가지 상태에 대한 시험 방법을 제공하고
있다. 방법 a), b), c)는 EN 13829과 동일하나, 방법 c)의 경우 각 국가의 표준 또는 관련 정책에 따라 시험을 수행할 수 있도록 2012년에
새로 추가되어 사용되고 있다. 기상조건은 실내외 온도차 K에 건물의 높이 m을 곱한 값이 250 m·K보다 큰 경우, 또한 지면 근처의 풍속이 3
m/s를 초과하거나 기상 풍속이 6 m/s를 초과할 경우 시험을 수행하지 않는 것을 권장하고 있다. 기밀성능 측정의 결과 표현 방법은 국제 표준에
따라 CFM50, ACH, ELA, EqLA 등 다양한 단위로 도출하도록 하고 있다. 따라서 다른 건물의 기밀성능 결과와의 비교가 더 수월하다고 할
수 있다. ISO 9972의 방법은 다양한 단위로 기밀성능 결과를 나타낼 수 있다는 장점이 있으나 그 단위 환산에 대한 명확한 규정이 제시되어 있지
않아 단위 환산 과정에서 오류가 발생할 수 있다는 지적도 있다.[23]
국내에서는 KS L ISO 9972 -건물 기밀성 측정- 팬 가압법이 건물 외피의 기밀성능을 측정하는 표준 방법으로 채택되고 있다. KS L ISO
9972 또한 ISO 9972를 기반으로 작성되었기 때문에 전체 내용은 ISO 9972과 같다. 국내 학회기준으로 한국건축친환경설비학회의 건축물의
기밀성능 기준도 시험방법으로 ISO 9972 및 KS L ISO 9972를 채택하고 있으며, 건축물의 기밀성능으로 ‘냉난방을 실시하고 재실자가 이용하는
공간은 5.0 ACH50 이하의 기밀성능을 가져야 한다’고 규정하고 있다.
4. 국내·외 건물 외피 기밀성능 현황
국내에서는 1990년대부터 건물 기밀성능에 대한 연구가 시작되었다. 그러나 국내의 경우 건물의 기밀성능에 대한 정해진 법적인 기준이 없으므로 측정된
데이터의 표현 단위가 연구자에 따라 각기 다르다. 단위를 통일하는 데에는 건물의 부피, 면적 등 상세조건 및 측정 조건에 대한 내용이 필요하다.
현재 국내 건물의 기밀성능을 참고할 수 있는 데이터베이스가 존재하지 않는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 국내 중-고층 건물의 기밀성능 현황을 알아보기
위하여 선행연구에서 측정된 20개(24~32) 건물의 기밀성능을 국외에서 측정된(33~38) 중/고층 건물의 기밀성능과 비교하였다. 측정 데이터를
비교하기 위하여 기밀성능의 표현은 Equivalent Leakage Area로 통합 환산하였으며 환산 방법은 본 연구의 제 2.2절에서 소개된 단위환산
식을 사용하였다. n값 및 값은 선행연구의 실험 데이터를 바탕으로 가정된 값을 사용하여 계산하였다. 그 결과는 Fig. 1과 같다. 또한 국내 건물의 기밀성능 수준을 ASHRAE에서 정의하고 있는 외피의 기밀성능 기준으로 분류하여 Fig. 2에 나타내었다. ASHRAE에서 건물의 외피의 기밀성능을 Loose(4.2 cm2/m2@75 Pa), Average(2.1 cm2/m2@75 Pa), Tight(0.7 cm2/m2@75 Pa) 3개의 수준으로 나누어 평가하고 있다.[11]
Fig. 1. Comparison of the envelope airtightness between domestic and overseas buildings-by completion years.
Fig. 2. Comparison of the envelope airtightness for domestic buildings-by envelope types and completion years.
국내 20개 건물의 기밀성능을 준공연도 별 비교한 결과, 최근에 지어진 건물에서 기밀성능이 우수하다는 것을 확인 할 수 있었다. 외피 기밀성능 평균값은
1.9 cm2/m2@75 Pa로 나타났으며 외피 형태로 나누었을 경우, 커튼월 2.2 cm2/m2@75 Pa, 펀치윈도우 1.6 cm2/m2@75 Pa로 나타났다. 커튼월 및 펀치윈도우에 따른 큰 차이는 없으나 펀치윈도우에 비해 커튼월 시스템의 기밀성능은 시공 품질에 영향을 많이 받기
때문에 그 편차가 큰 것으로 나타났다. ASHRAE에서 정의하고 있는 건물 외벽 기밀성능의 Loose, Average, Tight 값과 비교하였을
때 국내에서 2010년 이후로 지어진 건물은 모두 Average보다 기밀한 외벽 기밀성능을 갖고 있는 것으로 나타났다. 이것은 국내에서 최근에 시공된
공동주택 및 건물들이 모두 고층화되어 연돌효과에 따른 기밀성능에 대한 관심의 증가, 그에 따른 시공 기술의 향상에 기인한 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 블로우도어를 이용한 팬 가압/감압법에 대한 국내 및 국제 각 시험 표준 방법에 대한 내용을 분석하였다. 분석한 시험방법은 국제적으로
가장 많이 통용되고 있는 ASTM E779, CGSB 149.10, EN 13829, ISO 9972의 4가지 표준 방법이었다. 모든 표준 시험방법에서
외부 풍압 및 실내외 온도차에 따른 결과의 차이를 보정하기 위한 방법, 그리고 결과의 신뢰도를 보장하기 위한 측정 가능한 외부 기상조건에 대한 제한사항
등에 대해 규정하고 있다. EN 13829, ISO 9972 및 ASTM E779에서는 가압/감압 두 가지 방법으로 모두 시험을 수행하여 그 평균으로
결과를 도출하는 것을 권장하고 있으나 CGSB 149.10의 경우 한 가지 방법으로만 시험을 수행하는 것을 규정하고 있다. 그러나 한 가지 방법으로만
시험을 수행하는 경우 실제보다 기밀성능의 측정결과가 크거나 작을 수 있다는 연구 결과가 제시되어 있으며, 한 가지 시험방법을 채용하는 경우에는 결과의
차이에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다. 또한 CGSB 149.10를 제외한 세 가지 방법에서 건물 높이와 실내외 온도차를 곱한 값이 일정치를
초과하며 시험을 수행하지 않는 것을 권장하고 있다. 따라서 건물의 높이 및 외기 기상조건을 고려하여 기밀성능 측정 방법을 선택하는 것이 바람직하다.
또한 국내 건물의 기밀성능 현황을 검토하기 위해 국내 중/고층 건물 20개에 대한 기존의 기밀성능 측정결과와 국외 건물의 기밀성능 데이터를 ASHRAE
외벽 기밀성능 기준과 비교한 결과, 최근 국내에서 건설되고 있는 중/고층건물의 기밀성능이 우수하다는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 건물의 기밀성능 시험 방법의 기본적인 원리 및 각 시험 표준 방법의 요구사항을 이해하고 기밀성능 측정 결과의 표현 방법의 의미 및 표현
방법 간의 단위환산에 대해 자세히 설명하고자 하였다. 국내 건물의 기밀성능 현황을 제시하여 추후 관련연구를 수행하는 연구자들에게 참고가 될 수 있을
것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 2019년도 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원(과제번호 : 19AUDP-B100343-05)에 의해 수행되었습니다.
References
ASHRAE , 2013, ASHRAE Handbook-Fundamentals, Chapter 16 : Ventilation and infiltration,
pp. 16.16-16.17
Lee J. H., Shin J. H., Cho Y. H., 2017, Evaluation of the Energy Consumption of Cooling
and Heating according to the Air-tightness Performance of Non-residential Buildings,
The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, pp. 877-880
Kang K. N., Park M. J., Lee J. C., Kim D. K., 2017, A Study on the Reduction Rates
of Building Energy Demand According to the Airtightness Performance, The Society of
Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, pp. 220-223
Washington State Building Code Council , 2015, Washington State Energy Code, Commercial
Provisions
Korean Standards Association , 2016, KS L ISO 9972-Thermal insulation-Determination
of building airtightness-Fan pressurization method, KATS 2016-0431
Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems , 2013,
KIAEBS C-1 : 2013 Building Airtightness Criteria
American Society for Testing and Materials , 2010, ASTM E779-10 Standard Test Method
for Determining Air Leakage Rate by Fan Pressurization
Canadian General Standards Board , 1986, CGSB-149.10-M86 Determination of the Airtightness
of Building Envelopes by the Fan Depressurization method
International Organization for Standardization , 2015, ISO 9972-Thermal performance
of buildings-Determination of air permeability of buildings-Fan pressurization method
European Committee for Standardization , 2000, EN 13829 : 2000 Thermal performance
of buildings-Determination of air permeability of buildings-Fan pressurization method
ASHRAE , 2015, ASHRAE Handbook-HVAC Applications, Chapter 53 : Fire and Smoke Control,
pp. 53.12-53.13
Sherman M. H., 1995, The Use of Blower-Door Data1, Indoor Air, Vol. 5, No. 3, pp.
215-224
Caffey G. E., 1979, Residential Air Infiltration, ASHRAE Transactions, Vol. 85, No.
1, pp. 41-57
Harrje D. T., Blomsterberg A. K., Persily A., 1979, Reduction of Air Infiltration
Due to Window and Door Retrofits in an Older Home, CU/CEES Report No. 85
Holladay M., 2010, Blower door basics, Green Building Advisor
Walker I. S., Wilson D. J., Sherman M. H., 1998, A Comparison of the power law to
quadratic formulations for air infiltration calculations, Energy and Buildings, Vol.
27, pp. 293-299
Hutcheon N. B., Handegord G. O., 1995, Building Science for a cold climate, National
Research Council of Canada
Mumovic D., Santamouris M., 2009, A Handbook of a Sustainable Design and Engineering,
pp. 199-200
Sherman M. H., Grimsrud D. T., 1980, Infiltration-pressurization correlation: Simplified
physical modelling, ASHRAE Transactions, Vol. 86, No. 2, pp. 778-807
Blomsterberg A. K., Harrje D. T., 1979, Approaches to evaluation of air infiltration
energy losses in buildings, ASHRAE Transactions, Vol. 85, No. 1, pp. 797
Sherman M. H., Palmiter L., 1995, Uncertainty in fan pressurization measurements,
ASTM Special Technical Publication
Walker I. S., Sharman M. H., Joh J., Chan W. R., 2013, Applying Large Datasets to
Developing a Better Understanding of Air Leakage Measurement in Homes, International
Journal of Ventilation, Vol. 11, No. 4, pp. 323-337
Bolender T., 2007, Measuring standard ISO 9972(edition May 2006)-differences to the
measuring standard EN 13829(German edition February 2001) as well as state of the
treatment of the DIN 4108-7, European Blower Door Symposium
Ji K. H., Shin H. K., Jo J. H., 2016, Analysis of Airtightness Characteristics and
Investigation of Leakage Point in High-rise Residential Buildings, Korean Institute
of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, pp. 308-313
Shin H. K., 2018, A Calculation Method for Determining Air Infiltration of High-rise
Buildings Based on Airtightness and Stack Effect Pressure, Inha University
Park W. S., Yoon J. O., 2003, The Field Measurement of Airtightness in the Apartment
Buildings, Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, pp. 43-50
Han S. K., Cho H. J., Park J. Y., Jeong J. W., 2013, Estimation of Air-Handler Fan
Pressurization Test Applicability Based on the Field Measurement of Envelope Leakage,
The Architectural Institute of Korea, pp. 279-286
Koo S. H., Jo J. H., Yeo M. S., Kim K. W., 2005, Solving the Problems Caused by Stack
Effect in a High-rise Residential Building through Field Measurement and Simulation,
The Korean Housing Association, pp. 73-80
Jo J. H., 2005, Simulation of Pressure Distribution and Solving the Pressure Differentials
Problem in High-rise Residential Buildings, The Architectural Institute of Korea,
pp. 269-276
Lim H. W., 2010, A Study on the Analysis methods and Countermeasures of Stack effect
in High-rise office buildings on occupancy stage, Sungkyunkwan University
Lee B. H., et al , 2015, A Study on the Airflow Characteristics through the Entrance
of Underground Parking Lots in Office Building, The Architectural Institute of Korea,
pp. 139-146
Yoon S. M., 2011, Proposal of the whole building airflow simulation method in high-rise
residential buildings, Sungkyunkwan University
Denali J., et al , 2014, Building enclosure airtightness testing in Washington state-lessons
learned about air barrier systems and large building testing procedures, ASHRAE Transactions,
Vol. 120, No. 2, pp. 1-9
Anis W., et al , 2013, ASHRAE 1478 RP : Measuring Air-tightness of Mid-and High-rise
Non-residential Buildings, ASHRAE Transictions, Vol. 119, pp. 1-13
Gulay B. W., Stewart C. D., Foley G. J., 1993, Field investigation survey of air tightness,
air movement and indoor air quality in high-rise apartment buildings : summary report,
Report 96-220, Canada Mortgage and Housing Corporation, pp. 96-220
Shaw C. Y., Gasparetto S., Reardon J. T., 1990, Methods for measuring air leakage
in high-rise apartments, ASTM STP 1067, Air Change Rate and Airtightness in Buildings,
pp. 222-230
Finch G., Straube J., Genge C., 2009, Air Leakge Within Multi‐Unit Residential Buildings
: Testing and Implications for Building Performance, Proceedings of 12th Canadian
Conference on Building Science and Technology, pp. 529-544
Brennan T., Persily A., Clarkin M., Emmerich S. J., 2007, Airtightness Measurement
of the ASHRAE Headquarters Building, ASHRAE Journal, Vol. 49, No. 9, pp. 26-32