극간풍 계산

왜 배우는가: 극간풍은 건물의 외피 틈새로 들어오는 외기 침기로, 난방·냉방 부하와 실내 공기질, 기류 제어를 좌우하는 핵심 현상이다. 기밀 성능과 환기량 계획의 출발점이므로 실무 설계에서 반복 검토되며, 3교시와 4교시에 같은 주제가 출제되어 계산법과 저감 방안을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제92회 3교시 6번, 제89회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

극간풍은 건물 외피의 문틈·창틀 틈새 등 의도하지 않은 개구부를 통해 외기가 실내로 유입되는 공기의 흐름이다.

핵심 키워드

• 극간풍(Infiltration)
• 침기·배기(Exfiltration)
• 연돌효과(Stack Effect)
• 풍압
• 기밀성능(Airtightness)
• 유효누설면적(Effective Leakage Area, ELA)
• 멱법칙 모델(Power-law Model)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 창문을 닫아 두어도 건물 틈으로 바깥 공기가 들어오고 실내 공기가 나가는 현상이다. 이 공기 이동을 극간풍이라 부른다.

정식으로는 건물 외피의 의도되지 않은 누설 경로를 통해 외기가 실내로 침입하는 현상을 말한다. 반대로 실내 공기가 밖으로 빠져나가는 현상은 배기라 한다. 극간풍은 환기 설계에서 계획된 환기량과 별도로 발생하는 부가적인 공기 교환이다.

극간풍의 원동력은 세 가지다. 첫째는 풍압이다. 바람이 건물 벽면에 부딪혀 생기는 정압차가 틈새 양쪽의 압력차를 만든다. 둘째는 연돌효과다. 실내외 온도차에 따른 공기 밀도차가 부력을 만들어 건물 높이 방향의 압력 분포를 바꾼다. 셋째는 기계 환기의 불균형이다. 급기량과 배기량이 맞지 않으면 건물 내부가 정압 또는 부압이 되어 틈새 침기가 늘어난다.

누설 경로는 창호 개폐부, 샷시와 벽체의 접합부, 배관·덕트 관통부, 엘리베이터 샤프트, 계단실 출입문 등이다. 이 중 면적이 가장 큰 것은 대개 출입문과 창호이다.

누설량은 틈새를 통과하는 유량식으로 표현한다. 틈 하나의 유량 Q는 압력차 \Delta P의 거듭제곱에 비례한다.

$Q = C\,\Delta P^{\,n}$

여기서 Q는 누설 유량(m³/s), C는 틈의 누설 계수, \Delta P는 압력차(Pa), n은 틈의 형상 지수다. 틈이 오리피스에 가까우면 n은 0.5에 가깝고, 길고 얇은 틈이면 n은 1에 가깝다.

이 식에서 극간풍을 줄이는 방법이 바로 도출된다. 압력차를 줄이거나, 누설 계수 C를 줄이는 것이다. 설계는 대부분 후자, 즉 기밀 시공과 기밀 부품 선택에 초점을 둔다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 에너지 절약 요구가 커지면서 외피 기밀성이 중요한 설계 변수가 되었다. 단열 성능을 높여도 틈새로 외기가 계속 들어오면 난방·냉방 부하가 줄지 않는다. 특히 고단열·고기밀 건물에서는 극간풍이 전체 환기 부하에서 차지하는 비중이 상대적으로 커진다.

또한 실내 공기질 측면에서도 필요하다. 극간풍은 외부의 미세먼지, 꽃가루, 오염 물질을 제어되지 않은 상태로 유입시킨다. 환기 계획에서 열회수 환기장치를 쓰더라도 극간풍이 많으면 열회수 효율이 의미 없어진다.

고층 건물에서는 연돌효과가 강해 극간풍 문제가 더 두드러진다. 겨울철에는 저층부에서 외기가 빨려 들어오고 상층부에서 실내 공기가 빠져나간다. 이 현상은 엘리베이터 문, 계단실 문에 큰 압력 부담을 주며 실내 온열환경과 소음에도 영향을 준다.

따라서 극간풍은 부하 계산, 환기 계획, 기밀 시공 품질 관리가 함께 얽힌 주제다. 기술사 답안에서는 계산식과 저감 방안을 연결해 설명하는 것이 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

극간풍은 건물 외피의 틈새(창호 틈, 문틈, 벽체 접합부, 설비 관통부)를 통해 외부 공기가 실내로 들어오는 현상이다. 이 공기 흐름은 풍압과 온도차에 의한 연돌효과(stack effect)가 함께 만든다. 따라서 극간풍 계산은 틈새의 크기와 압력차를 함께 다루어야 한다.

극간풍의 구동 원리는 다음과 같다. 건물 외피 양측의 압력차가 틈새를 통과하는 공기 흐름을 만든다. 압력차가 클수록, 틈새 면적이 클수록 유량이 커진다. 건물 높이와 실내외 온도차가 커지면 연돌효과의 압력차도 커진다.

극간풍량은 틈새의 멱법칙(power law) 식으로 표현한다.

$Q = C \cdot \Delta P^{\,n}$

여기서 Q는 극간풍량(m³/s), C는 틈새 계수(m³/(s·Pa^n)), \Delta P는 압력차(Pa), n은 유동 형상 지수(0.5~1)다. n=0.5는 완전한 오리피스, n=1은 길고 얇은 틈에 가깝다.

연돌효과에 의한 압력차는 다음 식으로 구한다.

$\Delta P_s = 3460 \cdot \left(\frac{1}{T_o} - \frac{1}{T_i}\right) \cdot h$

여기서 T_o, T_i는 외기·실내 절대온도(K), h는 중성대에서 틈새까지 높이(m)다. 이 식으로 틈새별 압력차를 구한 뒤 멱법칙 식에 대입한다.

극간풍 계산 절차는 다음과 같다.

• 건물 외피의 틈새 위치, 길이, 면적 등 누출 특성을 파악한다.
• 설계 풍속과 외기·실내 온도로 풍압과 연돌효과 압력차를 구한다.
• 틈새별 압력차를 멱법칙 식에 대입해 개별 극간풍량을 구한다.
• 전체 틈새의 풍량을 합산하고 실내 용적으로 나누어 환기횟수(ACH)로 환산한다.
• 극간풍 현열·잠열 부하를 q_s = 1.2 \cdot Q \cdot \Delta t 와 q_L = 3000 \cdot Q \cdot \Delta x 로 산출한다(Q는 m³/s, 단위 환산 포함).

실무에서는 Sherman–Grimsrud 식 등 틈새 누출 모델을 함께 사용하며, 송풍기 가압 시험(블로어도어)으로 실측한 유효누설면적(ELA)을 입력값으로 쓰기도 한다. 블로어도어 시험은 4Pa 또는 50Pa 기준 누출량으로 건물 기밀 성능을 판정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

극간풍 계산과 최소화는 기계설비 설계 기준과 건축물 에너지 절약 기준에서 함께 다룬다. 국내에서는 건축물의 에너지절약설계기준이 기밀 계획과 창호 기밀성을 규정하고, 기계환기 관련 기준이 환기량 확보를 규정한다. 기준별 핵심 내용은 다음과 같다.

기밀 성능은 건물 전체 누출량으로 판정하는 것이 일반적이다. 기계환기 설계 시 극간풍은 실제 환기량에 포함되므로 과잉 설계를 줄이는 근거가 된다. 국내 건축물 에너지절약설계기준의 세부 조항 번호와 최신 개정 내용은 본 절에서 특정하지 않는다.

극간풍은 풍압과 연돌효과로 생기며 멱법칙 식으로 계산한다.

6. 유형과 비교

극간풍은 발생 원인에 따라 풍압차에 의한 것, 연돌효과에 의한 것, 설비 기계환기의 불균형에 의한 것으로 나눠 본다. 각 유형은 지배하는 힘과 계절·층별 나타나는 모양이 달라 계산과 대책도 달라진다.

위 표는 극간풍의 구동력이 어디서 오는지를 구분한 것이다. 실무 계산에서는 세 힘이 동시에 작용하므로 가장 큰 항을 먼저 잡고 나머지를 보정한다.

극간풍 계산 방식은 멱법칙(Power law) 과 제곱법칙(Quadratic) 으로 나뉜다. 멱법칙은 누기 유량을 Q = C\Delta P^{n} 으로 표현하며, 지수 n 은 균열 형상에 따라 0.5에서 1 사이 값을 가진다. 0.5는 완전한 오리피스, 1에 가까울수록 길고 가는 틈을 뜻한다. 균열 폭이 1.5mm 이하에서는 제곱법칙이 신뢰도가 높고, 폭이 커지면 멱법칙이나 수정 제곱법칙의 적합도가 높아진다는 결과가 있다.