요 약

제 목 : 초고층 건물의 외풍에 의한 높이별 환기특성 연구

최근의 건설 시장동향은 지속적으로 대형화, 초고층화 되어 가고 있으며, 주택의 경우에도 초고층 주상복합 아파트가 도시 주거문화의 트랜드로 자리 잡고 있는 추세이다. 특히 최근 서울 등 대도시와 수도권 신도시에서 신규 대지 확보의 어려움 및 재건축, 재개발시의 용적율 확대를 위하여 초고층 주택이 늘어가고 있으며 입주민들의 선호도도 과거에는 주택의 방향이 주 관심 대상이었으나 이제는 조망권이 우선시 되어 초고층 아파트가 다수 건설 중이거나 설계되는 예가 많아지고 있다. 현재 국내외 건설시장에서는 각 나라 마다의 랜드마크가 될 수 있는 초고층 건축물이 지어 졌다. 대표적으로 ‘버즈칼리파’, ‘타이페이2010’, 상하이의‘Jin Mao Tower'' 그리고 국내에서도 2011년도 준공된 해운대 우동의 ‘두산 위브더제니스’ 그리고 현재 시공중인 ‘잠실롯데 월드타워’나 상암동에 계획중인 `국제미디어센터’ 등이 있다.
이러한 건물들은 80층 이상의 건물로서 건물에서 발생하는 연돌효과 및 잦은 외부 풍압변동으로 인해 환기성능 저하가 빈번하게 발생하는 문제점이 대단히 높을 것으로 예상할 수 있으며, 중,저층 아파트에서는 4계절을 통하여 외부에 면한 창문의 개방을 통하여 필요한 신선외기를 공급 받을 수 있으나 초고층아파트에서는 창문의 개방을 통한 적정 환기량의 확보가 곤란하다. 이는 동,하절기 서울지방의 설계용 외기풍속이 2.2∼2.5 m/s 으로 고층부로 올라 갈수록 외기풍속이 증가하며 고층부에서 환기를 위해 창문을 개방 할 경우 건조중인 세탁물이나 종이류(신문) 등의 날림 현상 및 소음이 발생하여 입주 후 민원의 주원인이 되고 있다. 초고층 아파트에서 창문 폐쇄 상태에서의 틈새풍량으로 인한 자연환기량과 필요환기량을 비교 검토하여 과부족이 발생할 경우 환기량의 조절 또는 부족분의 확보가 요망된다.
특히 아파트 등의 주거시설의 경우 대부분 냉난방 설비만 되어 있고 재실자가 직접 환기량을 조절하게 되므로, 오염된 공기의 재순환을 통한 실내 이산화탄소 축적과 실내 인테리어 등으로 각종 유해 건축 자재에서 발생되는 VOCs (휘발성 유기화합물)과 HCHO (포름알데히드) 등은 새집증후군을 유발하는 주원인으로 분류된다.
이와 같은 실내공기질의 오염으로 인해 인체에 미치는 영향이 심각함에 따라 100세대 이상의 공동주택에 자연 환기설비 또는 강제 환기설치를 의무화 하고 있으며, 환기량 또한 환기회수 0.7회 이상으로 규정하는 공동주택의 환기설비 설치기준 및 설계환기량을 제시하고 있다. 본 연구에서는 초고층 건물의 환경인자 중 저층, 중층, 고층부의 높이별 환기특성과 대응책 마련을 목적으로 하였다.
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

300m 높이의 고층건물에서 외풍에 의한 높이별 환기특성에 관한 연구이다. CFD를 사용하여 박스형태의 고층빌딩을 대상으로 정면 방향과 45도 각도에서 풍속 10, 20, 30m/s의 바람에 대한 풍압을 산출하였다. 열회수형 환기시스템의 팬 성능데이타 및 압력강하, 창문 개구부가 모델로 적용 되었으며, EES 프로그램을 이용하여 모든 풍로에 대해 풍량 및 압력감소량을 측정하였다. 연구결과 풍속이 빨라지고 고도가 높아질수록 환기횟수가 증가함을 알 수 있었으며, 외풍에 의한 영향을 고려하여 초고층 건물의 풍로를 설계하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.

초고층건물의 환기에 미치는 영향인자는 크게 외부요인과 내부요인으로 구분될 수 있으며, 건물에서 발생하는 연돌효과 및 잦은 외부 풍압변동으로 인해 실내의 환기 장치의 성능 저하가 빈번하게 발생하는 문제점이 높을 것으로 예상된다. 초고층 주거에 있어서 여러 가지 기술적으로 해결해야 할 과제 가운데 외피의 기밀화로 부족해진 환기량을 보충하고 현행 환기량 기준이 규정한 필요 환기량을 에너지 절약적이고 친환경적인 방법으로 각 세대에 안정적으로 공급하는 문제이다.

이번 연구에서는 외부요인인 높이에 따른 건물의 외풍이 환기에 미치는 영향과 특성에 대한 시뮬레이션을 토대로 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. CFD에 의한 정면풍 풍압산출 결과 전면부 10m/s 풍속에서는 저층부 6.84Pa, 중층부 36.52Pa, 고층부는 49.92Pa, 측면부 20m/s 풍속에서는 각각 -41.48Pa, -104.3Pa, -123.2 Pa, 후면부 30m/s 풍속에서는 각각 -72.68Pa, -137Pa, -193.2Pa로 나타났다.

2. 또한 45도풍의 풍압은 전면부 10m/s 풍속에서 저층부 4.16Pa, 중층부 22.56Pa, 고층부는 23.28Pa, 측면부와 후면부 20m/s 풍속에서는 각각 -87.67Pa, -91.15Pa, -209.52 Pa, 전면부 30m/s 풍속에서는 각각 24.59Pa, 203.58Pa, 247.89Pa로 나타났다.

3. 정면풍 저층부에서 10m/s, 20m/s, 30m/s의 풍속에서 열회수형 환기장치의 환기횟수는 각각 시간당 0.97, 0.99, 1.03회, 중층부에서는 10, 20, 30m/s의 풍속에서 0.99, 1.08, 1.22회, 고층부에서는 10, 20, 30m/s의 풍속에서 1.01, 1.11, 1.29회로 산출되었다.

4. 10, 20, 30 m/s 풍속에 따라 환기횟수를 비교해 보면 중층은 저층 대비 2.1%, 7.9%, 17.3% 각각 증가하였으며, 고층은 저층 대비 2.9%, 11.6%, 24.9% 증가하였다.

Abstract

The Study of Ventilation of a High-Rise Building
due to External Wind

The recent trend of construction market shows that bigger, high-rise buildings are taking up great share. This trend is applied in housing market as well, as high-rise residential buildings are widely built in cities. In metropolitan cities like Seoul and other newly developed cities near Seoul, in particular, a number of high-rise buildings have been built due to the difficulty of securing new land and plans to increase floor area ratio in case of redevelopment. While residents were more interested in direction of houses in the past, their focus has shifted to the view of houses, which leads to construction of a number of high-rise residential apartment buildings. Landmark skyscrapers have been built both at home and abroad. Good examples abroad include Burj Khalifa in Dubai, Taipei 2010 in Taiwan, Jin Mao Tower in Shanghai while Korea also has Doosan We‘ve the Zenith, built in Busan in 2011 as well as Jamsil Lottel World Tower and International Media Tower, which are under construction and in preparation stage, respectively.
These buildings, taller than 80 stories, are likely to experience significantly poor ventilation due to the stack effects and changes in external wind pressure. While mid/low story apartment buildings can receive fresh air from outside through open windows throughout the whole year, high-rise buildings cannot secure enough ventilation by opening up windows. The external wind velocity for construction design in Seoul is 2.2-2.5 m/s. However, the higher the story, the higher external wind velocity, so if residents on higher stories open their windows for ventilation, the heavy wind blows laundry or newspapers away and creates noise, for which residents make complaints. Therefore, it is necessary to compare the natural ventilation volume from cracks in closed windows and required ventilation volume so that if there is any lack or excess, necessary adjustment can be made and lacked ventilation volume can be secured.
Residential buildings like apartment have only heating and air- conditioning system installed and residents themselves should control ventilation. When polluted air is re-circulated, CO2 is accumulated in the house, and VOCs and HCHO coming from harmful construction materials may cause health problems for residents.
As indoor air pollution has serious impacts on health, it is mandated to establish natural or artificial ventilation system in apartment houses of more than 100 units. There is also installation and ventilation volume standard with 0.7 times. This study aims to examine ventilation characteristics of high-rise buildings per their height with low, mid and high story and identify measures to address their problems.

The results of the study are as follows:

This study is about characteristics of ventilation by external wind pressure in high-rise building of 300 meters by height. The study used CFD to calculate wind pressure of 10, 20, and 30 m/s wind in box-shaped high-rise buildings in the front and 45 degrees. Fan function data and pressure drop of heat recovery ventilation system and window opening was applied as a model, and EES program was used to calculate wind volume and reduced pressure of all wind channels. The results show that the higher wind velocity and the higher the height, the number of ventilation has increased, and it is important to design wind channels of high-rise buildings in consideration of impacts by external wind pressure.

The factors impacting the ventilation of high-rise buildings are categorized as external and internal ones. The stack effects and frequent changes in external wind pressure in the buildings are likely to lower the performance of indoor ventilation system. Therefore, it is imperative to supplement insufficient ventilation volume and provide needed ventilation required by the standard to each house in an energy-saving and environmentally-friendly way.


This study examined the impact and characteristics of external wind pressure on ventilation in high-rise building by each height and came to the following conclusion:

1. The result of calculating wind pressure by CFD showed that in frontal wind velocity per 10m/s 6.84Pa in low stories, 36.52Pa in mid stories, and 36.52Pa in high stories, in side wind velocity per 20m/s, -41.48Pa, -104.3Pa, -123.2 Pa, respectively, and in rear wind velocity per 30m/s, -72.68Pa, -137Pa, -193.2Pa, respectively.

2. Also, the calculated 45 degree wind pressure was 4.16Pa in low stories, 22.56Pa in mid stories, and 23.28Pa in high stories in frontal wind velocity per 10m/s, -87.67Pa, -91.15Pa, and -209.52 Pa side and rear wind velocity per 20m/s, respectively, and 24.59Pa, 203.58Pa, 247.89Pa respectively, in frontal wind velocity per 30m/s.

3. The calculated ventilation numbers of heat recovery ventilation devices in frontal wind pressure was 0.97, 0.99, and 1.03 times by hours per 10m/s, 20m/s, and 30m/s of wind velocity in low stories, respectively, 0.99, 1.08, and 1.22 times per 10, 20, 30m/s in mid stories, and 1.01, 1.11, and 1.29 times per 10, 20, 30m/s in high stories.

4. Comparing ventilation numbers per 10, 20, and 30 m/s of wind velocity, there was 2.1%, 7.9%, and 17.3% increase in mid stories compared to low stories, respectively, while 2.9%, 11.6%, and 24.9% increase in high stories.

5. Comparing ventilation numbers per height, there was 2.4% increase per 20m/s of wind velocity and 6.7% increase per 30m/s in low stories by 10m/s standard, 8.3% and 22.2% in mid stories, and 10.9% and 28.9% in high stories, respectively.

6. The calculated ventilation numbers of heat recovery ventilation devices in 45 degree wind pressure was 0.98, 1.02, and 1.07 times by hours per 10, 20, and 30m/s of wind velocity in low stories, respectively, 0.99, 1.05, and 1.16 times per 10, 20, and 30m/s in mid stories, and 1.01, 1.12, and 1.31 times per 10, 20,