기호설명

$C$ ：오염농도 $[PPM]$

$S.A.$ ：급기풍량 $[CMH]$

$SVE4$ ：급기구의 기여율

$E.A.$ ：배기풍량 $[CMH]$

$Q$ ：풍량 $[m^3/s]$

1. 연구배경 및 목적

초고층 건물의 건설이 많아짐에 따라 복층 지하주차장의 건설빈도가 높아지고 있으며 대형화되고 있는 추세이다. 이와 같이 지하주차장이 대형화 그리고 복층화 됨으로 인해, 지하주차장에서 차량의 이동으로 인해 국소적으로 발생하는 오염물질을 제거하기 위해, 설치해야 되는 환기시스템의 성능을 양호하게 유지할 필요성이 대두되고 있다. 그러나 현실적으로는 복층형 지하주차장의 배기를 위해 건축관점에서 제공하고 있는 배기 pit의 면적은 좁아지고 있으므로 이로 인해 지하주차장의 층별 배기불량 현상이 심화되고 있다. 지하주차장에 설치되는 환기시스템을 구성하는 급기 및 배기 메인 팬의 설치형태는 다음과 같이 변화되었다. 과거에는 지하 주차장의 환기를 위해 도입되는 외기량과 배출되는 배기량을 처리하기 위해, 주차장의 코너에 팬룸을 설치 하였으나 팬룸이 주차면적을 감소시킴으로 인해, 행거팬을 이용하여 지하주차장의 주차면적을 증대시키기 위해 일반화되었다. 최근에는 행거팬을 대체하여 지하주차장의 벽체에 설치하는 축류형 송풍기를 설치하고 있다. Kwon⁽¹⁾은 지하주차장에 설치되는 벽체 매립형 환기용 송풍기를 구성하는 블레이드의 모양, 블레이드 각도 및 회전수를 변화하여 환기성능을 평가하여 최적화된 환기팬을 제시한 연구를 수행하였다. Kwon et al.⁽²⁾는 지하주차장이 대형화됨에 따라 환기뿐만 아니라 제연시스템의 설치필요성을 제시하고 있으며 이러한 환기겸용 제연시스템은 일산화탄소 농도를 감지하여 일반적으로 운전하고 있는 환기시스템이 풍량을 증가시켜 제연 운전이 가능하도록 제연운전이 가능하도록 제안하고 있다. 이와 더불어 환기시스템이 제연운전을 수행하기 위해 존별환기를 수행할 수 있도록 제어시스템을 구성할 것을 제안하였다. Bae et al.⁽³⁾는 지하주차장에 설치 되는 환기시스템이 저속덕트방식, 고속노즐방식, 무덕트 방식 및 자연환기방식으로 구분하여 설치된 경우, 지하 주차장의 사용빈도가 높은 아침과 저녁시간에 CO, CO2의 농도를 측정한 결과, 자연환기방식을 제외하고 강제 환기방식의 경우, 허용오염농도이하로 농도가 유지됨을 확인하였다. 그러나 간헐적으로 차량의 유동이 많을 경우, 허용오염농도이상을 유지하는 경우가 발생되므로 환기설비의 가동의 법적기준을 제시할 필요성이 있음을 제시하였다. Oh et al.⁽⁴⁾은 지하주차장의 환기효율을 극대화시키기 위해 일반적으로 적용하고 있는 급배기 메인팬과 유인팬이 조합하여 운전되는 경우, 지하주차장의 제연효과를 극대화하기 위해 건축구조에 결합된 설비시스템에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 연구를 통해 제연에 적합한 층고는 3.5 m가 최적임을 증명하였고 유인팬의 배치간격은 말단풍속이 1.5 m/s로 유지되도록 설치하기를 권장하고 있으며 제연운전을 수행하는 유인팬은 역회전이 가능한 임펠러를 설치하도록 권장하고 있다. Jung et al.⁽⁵⁾은 시뮬레이션을 통하여 국외 EPA에서 제시 하고 있는 CO발생량과 설계적용기준에서 제시하고 있는 CO허용농도를 비교하여 연구한 결과, EPA 기준값을 그대로 적용하여 CO발생량을 산정할 경우, 풍량 상승에 따라 송풍기 소비동력과 급배기용 공기 유입구의 면적이 커질 가능성이 있음을 제시하였다. 본 연구에서는 지하주차장의 환기 및 제연용으로 공급되는 신선 공기가 지하주차장을 체류하여 오염된 후 배기를 수행하기 위해 일반적으로 설치하는 벽체 매립형 송풍기에서 층별 배기풍량이 일정하게 유지하도록 최적운전방안을 수치해석을 통행 제시하고자한다. 이는 벽체매립형 송풍기를 설치하여 도출되는 피트의 넓이와 폭이 건축측면에서 좁게 할당되기 때문이다.

2. 연구방법

대형 주차장의 환기를 위해, 외기를 도입하거나 배기를 수행하기 위해 설치되는 벽체 매립형 송풍기는 일반적 으로 축류형 송풍기를 사용하고 있다. 이로 인해, 급기용 송풍기와 같이 토출방향의 공간이 넓은 경우는 유동 저항에 크게 영향을 받지 않지만 배기타워와 같이 토출방향의 제한된 부피를 갖는 피트에 공기를 배출하는 경우, 마주보는 벽체에 토출된 공기가 직접 부딪치게 되어 유동저항을 유발시키게 된다. 이와 같이 제한된 공간으로 토출되는 공기가 유동저항을 감소시키고 배기구로 쉽게 배기시키기 위해, 아래와 같이 3개 층으로 구성된 배기피트를 구성하여 유동해석을 수행하고 결과를 이용하여 벽체 매립형 송풍기의 최적운전방안을 제시하기 위해 본 연구는 수행되었다. Fig. 1(A)는 3개 층으로 구성된 배기타워의 형상을 나타내고 있다. 층별 높이는 3.7 m로 가정하여 배기타워의 전체 높이(H)는 14.8 m로 가정하였고 배기타워의 폭(L)은 6 m로 가정 하였다. 배기타워의 깊이(△x)는 1 m, 1.5 m 그리고 2 m로 변화시켰다. 이와 같이 배기타워의 깊이 변화될 때, Fig. 1(B)와 같이 3개 층에 설치된 축류형 송풍기의 토출구에 Fig. 2와 같이 3종류의 유동방향을 변화시킬 수 있는 가이드 날개를 설치하였다. Case 1은 송풍기의 운전이 정지된 조건에서 폐쇄시키고 운전될 경우, 90°로 펼쳐지는 블레이드를 기준블레이드로 가정하였으며 Case 2와 Case 3는 개폐블레이드에 배기구 방향으로 유동을 변화시키는 블레이드를 추가적으로 설치하였으며 Case 3은 추가된 블레이드 측벽으로 유동을 제거하기 위해 측벽을 막은 조건이다. 이러한 3종류의 블레이드조건과 배기타워 깊이에 따라 변화되는 배기성능을 해석하기 위해 사용된 유동해석방법 다음과 같다.

3. 결과 및 고찰

본 연구는 배기타워의 깊이와 벽체에 매립되는 축류형 송풍기의 토출부에 기류 이동방향을 상부로 변화 시키기 위해 설치된 블레이드가 배기타워의 배기능력에 미치는 영향을 분석하기 위해, 수행되었으며 그 결과는 다음과 같다. 지하주차장의 오염된 공기를 배기타워로 배출하기 위해, 3개 층에 설치된 송풍기에서 토출된 공기의 유동방향을 변화시키는 블레이드가 배기타워의 깊이에 미치는 영향을 평가하기 위해 Case 1, Case 2 및 Case 3에 대해 유동해석을 수행한 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 참고적으로 Case 2와 Case 3의 유동특성은 유사하여 Case 3에 대해서만 표현하였다. Fig. 3은 Case 1조건에서 배기타워의 깊이가 1.0, 1.5 및 2.0 m로 증가될 때, 배기타워 깊이방향으로 변화되고 있는 속도분포를 표현하였고 송풍기가 설치된 면을 마주보는 상부에 파란색으로 표현된 부분이 배기구이다. Case 1의 경우, 배기타워의 깊이가 짧은 △x = 1.0 m인 경우에 송풍기에서 토출된 기류가 마주보는 벽체에 도달 한 후, 상부에 설치된 배기구로 이동하는 현상을 나타내고 있으며 배기타워의 깊이가 2.0 m까지 증가함에 따라 이러한 현상이 둔화되고 있지만 상부에 설치된 배기구에 가까운 지하 1층(BF1)에서 배출된 기류가 하부에서 상승하는 기류를 여전히 간섭하고 있음을 확인 할 수 있다. 그러나 송풍기 토출부에 블레이드를 설치하고 블레이드 끝단에 차단 면을 설치한 Case 3인 경우, 배기타워 내에서 형성되는 기류유동현상이 Fig. 4와 같이 나타나고 있다.

배기타워의 깊이가 짧은 △x = 1.0 m인 경우는 송풍기에서 도출된 기류가 블레이드에 의해 유동방향을 변경하여도 Case 1과 같이 유동저항을 발생시키고 있지만 △x = 1.5, 2.0 m경우는 Case 1과 차이나게 각 층에서 배기타워로 토출된 기류가 상부방향으로 유동하여 하부층에서 유입되는 기류와 유동간섭하는 경향이 둔화 되고 있다. 이러한 현상은 △x = 2.0 m인 조건에서 더욱 두드러지게 나타나고 있다. Fig. 5는 벽체에 매립되는 축류형 송풍기의 토출면에서 형상이 Case 1인 경우, 배기타워의 깊이가 변함에 따라 층별로 배출되는 풍량을 나타내고 있다. 지하 1층(BF1)의 토출풍량은 배기타워의 깊이에 따라 차이나지만 지하 2층 및 지하 3층에서 배출되는 풍량보다 약 20~35% 증가하고 있다. 이는 Case 1인 경우가 축류형 송풍기에 의해 토출된 공기가 마주보는 벽체로 직접 토출된 후, 상부의 배기구로 이동하므로 저층부에서 배출된 공기가 상부로 이동하면서 유동저항을 크게 받기 때문이다.

Fig. 5에서 Fig. 7에 나타난 바와 같이 계산조건에 관계없이 지하 1층의 배기풍량은 배기타워의 깊이에 관계 없이 유사하게 나타나고 있다. 이는 지하 1층(BF1)의 배기를 위해 설치한 축류형 송풍기가 배기타워 상단에 설치된 배기구와 가까워서 3개 층이 동시에 배기를 수행하여도 다른 층에서 배기되는 공기에 의해 발생되는 유동저항없이 배기구로 빨리 유동하기 때문이다. 축류형 송풍기의 토출부에 토출방향을 변화시키기 위해 블레이드를 설치한 Case 2와 블레이드의 측면에 차단막을 추가로 설치한 Case 3는 Fig. 6과 Fig. 7에 나타난 바와 같이 지하 2층(BF2) 지하 3층(BF3)의 경우, 배기타워의 깊이(△x)가 1.5 그리고 2.0일 때, 배기되는 층에 관계없이 배기풍량이 유사하게 나타나고 있다. 그러나 배기타워의 깊이가 1.0인 경우는 지하 1층(BF1)의 배기 풍량과 지하 2층(BF2) 및 3층(BF3)의 배기풍량이 약 18%로 감소하는 현상을 나타내고 있지만 Case 1보다 감소 풍량이 둔화되고 있다. 또한 배기타워의 깊이에 관계없이 지하 3층(BF3)의 배기풍량이 지하 2층(BF2)의 배기 풍량보다 미소하게 증가되거나 배기타워의 깊이가 2.0인 경우, 지하 1층(BF1)의 배기량보다 지하 2층(BF2) 및 지하 3층(BF3)에서 배기되는 풍량이 미소하게 증가하는 현상을 나타내고 있다. 이와 같이 저층에서 배기되는 풍량이 고층에서 배기풍량과 유사해지거나 미소하지만 저층에서 배기되는 풍량이 고층에서 배기되는 풍량보다 증가되는 현상은 축류형 송풍기의 토출부에 토출방향을 변경하기 위해 설치된 블레이드가 각 층에서 배출되는 배기에 의해 형성되는 유동간섭현상을 둔화시키기 때문이다.

배기타워의 깊이와 벽체에 매립되는 축류형 송풍기의 토출부에 토출방향을 상부방향으로 변화시키기 위해 설치된 블레이드가 배기타워로 배기되는 각층의 배기능력에 미치는 영향을 분석하기 위해, SVE4를 이용하여 해석한 결과를 Fig. 8~Fig. 10에 나타내고 있다. 블레이드 설치방향이 수평인 Case 1인 경우, 배기타워의 배기구로 유입되는 풍량 중에서 각 층에서 배기된 풍량의 비율이 배기타워의 깊이에 관계없이 Fig. 8과 같이 불균일하게 유지되어 지하 1층(BF1)에서 토출된 풍량이 45%정도 차지하고 있으며 지하 2층(BF2) 그리고 지하 3층(BF3)에서 배기된 풍량이 각각 낮은 비율로 배기되고 있다. 이는 Fig. 5에 나타나는 바와 같이 지하 2층(BF2) 또는 지하 3층 (BF3)에서 배기되는 풍량이 각 층에서 수평방향으로 토출되어 상부층에서 배기된 기류가 하부층에서 배기타워로 토출되어 상부로 이동할 때, 유동저항으로 작용하여 지하 1층(BF1)에서 배기되는 풍량보다 현저히 작기 때문이다.

그러나 블레이드의 설치방향이 상부로 향한 Case 2와 Case 3의 경우는 배기타워의 깊이가 짧은 △x = 1.0 m 인 조건을 제외하고 각 층에서 배기된 풍량이 배기타워의 최상부에 위치한 배기구로 거의 균등하게 배기됨을 Fig. 6 또는 Fig. 7에서 확인할 수 있었다. 특히 Case 3인 경우는 최상부에 위치한 배기구로 배기되는 풍량이 지하 1층(BF1)에서 지하 3층(BF3)까지 배기된 풍량이 균등하게 유지되고 있다. 이로 인해, 축류형 송풍기 토출부에 블레이드를 설치함으로써 각층에서 배기타워로 토출한 풍량이 최상부에 위치한 배기구에서 배출되는 총 풍량 중에서 차지하는 비율로 표현된 Fig. 9와 Fig. 10에 나타난 바와 같이 Case 3의 △x = 2.0인 조건에서 균등하게 유지됨을 SVE4를 이용하여 확인하였다. 이는 배기타워의 벽체에 부착된 축류형 송풍기 전단에 설치한 블레이드의 방향을 상부로 변환시키면 각 층에서 토출된 배기가 경사진 경로로 상부의 배기구까지 이동하게 되어 각층에서 수평으로 배기됨으로 인해 발생되는 유동저항을 소멸시키기 때문이며 이러한 현상이 배기타워의 깊이가 깊은 △x > 1.0 m에서 발생되는 것을 확인하였다.

4. 결 론

현재 건설되는 모든 상업용, 주거용 건물의 지하주차장은 대형화, 복층화 되고 있다. 그러나 지하주차장에 설치되는 배기타워가 협소하게 할당됨에 따라 발생하는 층별 배기불량현상을 개선하기 위해, 송풍기 전단에 블레이드를 설치하여 층별로 수평방향으로 토출하여 배기되는 기류에 의해 제공되는 유동저항을 소멸시켜 층별 배기능력을 향상시키기 위한 개선안을 제시하기 위해 본 연구는 수행되었으며 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 층별로 배기를 수행하기 위해 설치된 축류형 송풍기의 전단에 수평으로 블레이드를 설치한 경우, 상층부 (BF1)에서 토출되는 배기량이 배기타워의 깊이(1.0 m ≤ △x ≤ 2.0 m)에 관계없이 일정하게 유지되지만 하층부(BF2, BF3)에서 배기량은 현저히 감소하여 층별 배기불균형이 발생하였음을 확인하였다.

(2) 층별로 배기를 수행하기 위해 설치된 축류형 송풍기의 전단에 상부방향으로 경사지게 기류이동방향을 30° 변환시킨 블레이드를 설치한 경우, 배기타워의 깊이(1.0 m ≤ △x ≤ 2.0 m)가 증가함에 따라 층별 배기불균형이 해소됨을 확인하였다.

(3) 특히 Case 3의 경우, △x = 2.0 m인 조건에서 층별 배기량이 균등하게 배출됨을 SVE4를 이용하여 확인 하였다.