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1. 연구배경 및 목적

대한민국의 대도시는 많은 사람들이 생활해야하므로 대도시의 도심지에 건설되는 건축물은 초고층으로 건설 되고 있다. 또한 토지의 효율적인 이용을 위해, 많은 차량을 주차하는 주차장은 지하에 건설되고 대형화, 복층화 되고 있다. 이러한 지하주차장은 차량의 배기가스에 의해 오염되므로 환기설비를 필수적으로 적용해야 한다. 최근에는 소방분야의 성능위주 설계에 의해 지하주차장에서 발생되는 화재로 인해 발생된 고온의 연기를 배출시키기 위해, 제연겸용 환기설비를 대형주차장에 주로 설치하고 있다. 최근 건설되는 공동주택의 지하주차장은 상업용 건물과 유사하게 세대용 엘리베이터를 이용할 수 있도록 연결하고 있다. 이로 인해 지하주차장의 환기 및 제연운전의 필요성이 더욱 대두되고 있다. Park et al.⁽¹⁾은 지하주차장에 설치되는 환기구의 면적과 송풍기 종류 및 팬룸의 위치가 환기성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 연구를 수행하였다. 급배기 피트 내에 설치된 메인 송풍기의 위치가 환기성능에 미치는 영향을 평가한 것이다. 급기용 메인 송풍기의 설치위치가 급기풍량에 큰 영향을 미치지만 배기용 메인 송풍기의 설치위치는 풍량변화에 큰 영향을 미치지 않고 있음을 제시하였다. Jung et al.⁽²⁾은 국외 기준(EPA)과 국내 기준(주차장법)에서 제시하고 있는 CO발생량을 활용하여 지하주차장에서 유지되는 오염농도를 평가하였다. 그 결과 EPA에서 제시한 CO발생량을 적용하면 국내기준을 적용한 경우보다 지하주차장 환기량을 증가시켜야 됨을 확인하였다. Oh and Son⁽³⁾은 지하주차장의 층고가 제연성능에 미치는 영향을 연구하였다. 동일한 관측점에서 층고가 증가함에 따라 온도가 증가되므로 제연설비 시스템 선정변수에 포함시킬 필요성을 제시하였다. Bak et al.⁽⁴⁾은 초고층주거용 건물에 설치된 지하주차장은 세대출입의 편의성을 제공하기 위해, 지하주차장과 세대용 엘리베이터 및 계단실이 연결되므로 특히 겨울철에 발생하는 연돌효과에 의해 세대연결통로인 엘리베이터 및 계단실로 자동차 배기가 가스가 유입될 가능성을 CO농도 기반 가상센서 성능을 평가하였다. 이러한 관점에서, 최근 연구는 공동주택의 지하주차장의 자동차 출입램프에 외기의 유입을 차단하기 위한 개폐형 차단벽을 설치하는 연구를 수행하고 있다.⁽⁵⁾ 자동차 출입램프에 차단벽을 설치함으로써 겨울철의 굴뚝효과를 차단할 뿐만 아니라 봄철에 발생하는 황사를 차단하여 지하주차장의 공기질을 향상시킬 수 있는 부수적인 효과를 얻을 수 있다. 본 연구는 공동주택 및 상업용 건물에 적용되는 지하주차장의 환기를 위해 설치되는 급기루버의 위치와 유인팬이 환기성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 환기횟수를 변수로 하여 수행되었다.

2. 연구방법

본 연구 대상인 지하주차장은 자동차와 사람의 통행이 빈번하여 램프는 항상 개방되고 사용자에게 편의성을 제공하기 위해 출입문은 간헐적으로 개방된다. 이러한 지하주차장이 대형화, 복층화 되므로 인해, 환기 및 제연의 필요성이 증가하고 있다. 지하주차장에 적용되는 환기시스템은 급배기 메인 송풍기와 국소적으로 환기성능을 향상시키기 위해 유인팬으로 구성되며 유인팬의 설치 유무에 따라 환기성능이 차이 나는 것으로 알려져 있다. 환기시스템을 이용하여 지하주차장으로 공급하는 풍량은 자동차에서 배출되는 CO가시량을 활용하여 CO의 실내허용농도를 기준으로 산정하게 되며 이러한 과정을 통하여 평가되는 환기량을 환기횟수로 환산하면 3-6 회/hr으로 알려져 있으며 제연풍량은 화재발생량에 따라 선정하는 방법이 제시되어 있지 않으나 미국, 영국 및 싱가포르의 경우, 화재강도에 따라 6-15 회/hr 범위 내에서 선정하도록 권장하고 있다. 국내에서도 “소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준”으로 심의하는 서울시, 부산시 및 경기도 등에서 지하주차장의 환기설비가 제연기능을 갖도록 권장하고 있지만 제연풍량의 산정기준은 아직 제시되지 않고 있다. 본 연구는 Fig. 1과 같은 비직교 형상을 갖는 지하주차장에 설치된 급배기 메인 송풍기의 설치위치에 따른 환기성능을 평가한 후 유인팬을 추가적으로 설치하여 환기성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었다. 본 연구 대상인 지하주차장의 치수는 최대 길이가 91 m(L) × 65.7 m(W) × 3.8 m(H)이며 계산조건(급기 및 배기용 루버의 면적, 위치, 환기횟수, 유인팬의 유무)은 Table 1과 같다. 유인팬은 Fig. 1에 표현된 13개 지점의 천청면 부근에 설치하였고 유인팬의 운전압력은 270 Pa로 가정하였다. 유인팬의 직경은 Fig. 1(A)에 표기된 바와 같이 250 mm이며, 바나나 형태로 수직 하방향으로 15° 휘어진 토출구를 갖는 유인팬의 길이는 920 mm이다. Fig. 1과 같이 SA1, SA2 및 SA3로 배치된 급기루버는 3개 모두 사용하거나 2개를 선택적으로 사용하였고 EA1, EA2 및 EA3로 표기된 배기루버의 위치는 고정하여 3가지의 환기시스템을 구성하였다. 환기시스템의 최적성능은 급기 및 배기구의 균등배치 여부에 따라 결정된다. 그러므로 급기루버의 위치변화에 따라 차이 나는 환기성능은 공기연령을 구하여 평가하였으며 급기구 기여율(SVE4)을 이용하여 급기루버를 통하여 지하주차장으로 공급된 신선외기가 EA1, EA2 및 EA3으로 배기되는 비율을 평가하여 제시하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of underground parking lot and specification of banana fan.

3. 결과 및 고찰

본 연구대상인 지하주차장에 설치되는 환기설비는 Table 1에 표기된 바와 같이 3개의 배기루버는 고정하였고 SA1과 SA2의 급기루버가 운전되는 Case 1, SA2와 SA3의 급기루버가 운전되는 Case 2 그리고 SA1, SA2, SA3의 급기루버가 운전되는 Case 3과 같이 3가지 방법으로 운전되는 것으로 가정하였다. 즉, 지하주차장의 환기는 좌측하단에 위치한 급기루버에서 사선방향의 우측상부 및 우측하단에 설치된 배기루버로 기류가 이동되면서 수행된다. Fig. 1과 같은 형상을 갖는 지하주차장에 적용된 3개 환기시스템에 의해 유지되는 환기성능을 평가한 결과는 다음과 같다. Fig. 2는 Case 1의 환기시스템에서 공급되는 신선외기의 환기횟수가 4 ACH, 8 ACH인 경우, 속도분포를 나타내고 있다. 환기횟수가 4 ACH인 경우, 지하주차장 속도분포는 좌측 하부코어를 중심으로 순환되거나 EA1 좌측영역에서 순환되는 영역이 발생하지만 환기횟수가 8 ACH으로 증가하면 이러한 현상이 둔화되고 있었다. 이는 환기횟수가 감소하면서 SA2에서 지하주차장으로 공급하는 신선외기가 코어의 벽면과 마찰하므로 인해 추력이 감소되기 때문이다. 그러나 Case 1과 차이 나게 급기루버를 설치한 Case 2, Case 3은 Fig. 3(a), Fig. 4(a)와 같이 좌측 하부코어를 중심으로 순환되는 유동현상이 소멸되었다. 또한 환기횟수가 4ACH인 경우, SA1의 급기루버가 운전되는 Case 1, Case 3에서 EA1의 좌측영역에서 순환유동이 Fig. 2(a), Fig. 4(a)에서 형성되고 있다. 이는 지하주차장의 급기루버가 SA1과 같이 토출방향에 인접하여 설치하면 코안다 효과에 의해 정체영역의 형성됨을 확인하였다.

Fig. 2 Iso velocity contour for various air change rates at Z=1.9m, VT=Case 1.

Fig. 3 Iso velocity contour for various air change rates and induction fans at Z=1.9m, VT=Case 2.

Fig. 4 Iso velocity contour for various air change rates and induction fans at Z=1.9m, VT=Case 3.

Case 2와 Case 3의 환기시스템에 유인팬을 설치하면, Fig. 3(b)와 Fig. 4(b)와 같은 유동현상을 나타내고 있다. 유인팬으로 인해 전방의 유속이 증가하고 있으나 급기루버에 의해 형성된 유인팬 주변의 기류유동 때문에 유인팬의 토출방향으로 기류가 이동하지 못하는 현상이 대부분 발생하고 있다. 그러나 지하주차장 전체적인 기류속도는 유인팬이 설치안 된 조건보다 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 유인팬이 설치안 된 Case 2의 경우, Fig. 3(a)와 같이 SA3에서 토출된 신선공기의 대부분이 EA3가 위치한 방향으로 이동되지만 유인팬이 설치되면 Fig. 3(b)와 같이 EA3로 이동하는 기류의 일부가 EA1과 EA2가 위치한 방향으로 이동함으로써 유인팬이 기류이동방향을 조절함을 확인할 수 있다. 또한 Case 3의 경우, 유인팬이 설치안 된 Fig. 4(A)와 같이 환기횟수에 관계없이 EA1의 좌측에 형성되는 순환유동이 유인팬이 운전됨으로 인해 현저히 둔화되는 현상을 확인하였다. Case 1, Case 2 및 Case 3의 환기시스템에 의해 형성된 기류분포를 이용하여 공기연령을 계산한 결과, Case 2의 평균국소 공기연령은 Fig. 5에 나타난바와 같이 가장 낮은 값을 나타내고 있다. 이는 환기횟수에 관계없이 정체영역이 가장 적게 형성되기 때문이다. Fig. 1과 같이 13개의 유인팬을 Case 2와 Case 3의 환기시스템에 설치한 경우, 평균공기교환효율은 Table 3과 같이 환기횟수에 관계없이 유인팬이 설치 안된 조건에서 낮게 유지되고 있다. 그리고 유인팬이 설치되지 않은 조건에서 Case 2의 평균공기교환효율이 Case 3보다 높게 유지하고 있다. 이는 유인팬에서 기류에 제공한 추력에 의해 환기성능이 개선되었고 Case 3은 Case 2와 달리 벽체에 인접하여 설치된 SA1에서 토출된 신선외기가 코안다효과에 의해 정체영역이 존재하기 때문이다. 이러한 정체영역이 형성되는 Case 3에 Fig. 1과 같이 13개의 유인팬을 설치하면 정체영역이 형성하지 않는 Case 2보다 평균공기교환효율이 미소하게 낮게 유지시키고 있다. 또한 환기횟수가 증가하면 유인팬에 의해 환기성능이 개선되는 효과가 미소하지만 적은 것을 확인하였다. 또한 급기 및 배기루버만에 의해 환기를 수행할 때, 최적 공기교환효율을 유지하는 조건에서 유인팬을 설치하여야만 환기성능을 보다 향상시킴을 알 수 있다.

Fig. 5 Average local mean age for various ventilation systems.

Fig. 6은 환기횟수가 4 ACH, 8 ACH일 때, 3개의 환기설비시스템의 유인팬의 설치지점에서 국소공기연령을 나타내고 있다. 환기횟수가 4 ACH인 경우, 국소공기연령은 Case 1의 환기설비시스템에서 유인팬의 위치가 9, 10, 11 및 13지점에서 명목시간상수보다 현저히 높게 나타났다. 그러나 환기횟수가 증가(8 ACH)하면 명목시간상수보다 현저히 낮아지는 영역이 증가하지만 Fig. 6(b)와 같이 11지점에서만 명목시간상수보다 현저히 높게 유지되고 있다. 그러나 Case 2와 Case 3에 유인팬이 설치된 경우, 국소 공기연령은 환기횟수가 8 ACH인 이면서 유인팬이 11과 13지점을 제외하고 대부분의 지점에서 명목시간상수보다 낮게 유지되고 있다. 이는 환기횟수가 증가하면 유인팬 주변을 이동하는 기류유동속도가 빠르므로 유인팬의 기류이송 보조기능이 둔화되기 때문이다. 즉, 지하주차장의 환기성능을 개선하기 위해서는 환기횟수 증가보다 급기루버의 균일배치를 우선적으로 고려한 후 유인팬의 설치위치를 선정해야 되며 추가적인 에너지 절약을 유도할 수 있음을 확인하였다. 급기루버에서 지하주차장으로 공급된 신선외기가 3개의 배기구에 도달하는 비율을 평가하여 신선외기의 균등분배기능을 평가하였다. Case 1과 Case 3의 환기시스템이 4 ACH의 환기횟수로 운전될 때, 다수의 급기루버로 유입된 신선외기가 3개의 배기루버에 도달하는 비율은 Fig. 7에 나타내고 있다. Case 1은 SA1에 3개 SA2에 2개의 급기루버를 갖고 있으며 Case 3은 SA1, SA2의 급기루버에 추가하여 2개의 SA3을 추가하여 총 7개의 급기루버를 갖고 있다. SA1 급기루버에서 신선외기를 공급하면 Fig. 7(a), Fig. 7(b)에 나타난바와 같이 SA1의 3개 급기루버 중에서 1번 급기루버에서 토출된 기류는 EA3로 배기되는 풍량의 50% 정도 이동하지만 2, 3번 급기루버에서 토출된 신선외기가 EA3으로 이동하지 못하고 대부분 EA1과 EA2의 배기루버로 이동하고 있다. 이로 인해, SA1, SA2 및 SA3에서 토출된 신선공기가 3개의 배기구로 균등하게 이동되지 못하고 있다.

Fig. 6 Local mean age for various air change rates in the installation location of induction fan.

Fig. 7 SVE4 in three kinds of exhaust louver for two ventilation systems at ACH=4.

Fig. 8은 Case 2의 환기시스템이 4 ACH의 환기횟수로 운전할 때, SA2에 2개 SA3에 2개의 급기루버를 갖고 있어 총 4개의 급기루버에서 토출된 신선외기가 3개 배기루버에 도달하는 비율을 유인팬의 설치유무에 따라 비교하여 나타내고 있다. SA2와 SA3의 4개의 급기루버에서 토출된 신선외기가 Fig. 7보다 3개의 배기구로 균등하게 배기됨을 확인할 수 있으며 Fig. 8(b)와 같이 유인팬이 설치 경우, 균등배기가 더 많이 나타나고 있음을 확인하였다. Table 3과 같이 환기시스템의 공기교환효율이 높게 나타나는 것은 급기루버에서 공급된 신선외기가 3개 배기루버로 균등하게 배기되기 때문이다. Fig. 9는 Fig. 8과 동일한 환기시스템인 Case 2일 때 8 ACH의 환기횟수로 운전할 때, 4개의 급기루버에서 토출된 신선외기가 3개의 배기루버에 도달하는 비율을 유인팬의 설치유무에 따라 나타내고 있다. Fig. 8(a)와 같이 유인팬이 정지된 조건에서 SA3의 3, 4번 급기 루버에서 토출된 신선외기가 EA1과 EA3으로 대부분 배기됨으로 인해, SA2의 1, 2번 급기루버에서 토출된 신선외기가 EA2번 배기루버로 배기되는 풍량의 약 60% 정도 배기되어 급기루버에서 토출된 신선외기가 3개의 배기루버에 불균등하게 배기됨을 알 수 있다. 그러나 유인팬이 운전되는 Fig. 9(b)의 경우, 3개 배기 루버에서 SVE4는 Fig. 9(a)보다 상대적으로 균일도가 높지만 유인팬을 운전하여도 SA2의 1, 2번 급기루버 에서 토출된 신선외기가 EA3로 배기되는 비율이 현저히 낮음을 확인하였다. 이는 환기횟수가 증가하면 급기루버에서 공급된 신선외기가 균등하게 배기되기 위해 보다 균등한 급기루버의 위치를 선정할 필요성을 제시하고 있다.

Fig. 8 SVE4 in three kinds of exhaust louver for operation conditions of induction fan at ACH=4, VT=Case 2.

Fig. 9 SVE4 in three kinds of exhaust louver for operation conditions of induction fan at ACH=8, VT=Case 2.

4. 결 론

본 연구는 지하주차장에 적용하는 환기시스템의 환기성능에 급기루버의 위치와 유인팬의 운전 유무가 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었다. 지하주차장에 3개의 위치에 설치된 배기루버는 고정하고 환기횟수가 동일한 조건에서 급기루버의 위치변화에 따라 변화되는 환기성능을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 지하주차장환기를 위해 설치되는 급기루버의 위치와 유인팬의 운전이 환기성능에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

(2) 지하주차장에 적용된 3가지 환기시스템 중에서 Case 2조건이 급기루버에서 토출된 신선외기가 3개의 배기루버로 상대적으로 균등하게 이송하여 다른 환기시스템보다 평균공기교환효율을 향상시켰다.

(3) 급기루버에서 토출된 신선외기가 3개의 위치에 설치된 배기루버로 상대적으로 균등하게 이송하는 Case 2조건도 환기횟수가 증가함에 따라 배기량이 불균일해지므로 급기루버를 균등 배치할 필요가 있다.

(4) 지하주차장에 적용된 환기시스템의 국소 환기성능은 유인팬이 운전되는 조건에서 향상되었고 이러한 현상은 유인팬 주변의 기류속도가 상대적으로 낮게 유지되는 Case 2, ACH=4인 조건에서 발생됨을 확인하였다.