풍압대

왜 배우는가: 풍압대는 건물 외피에 바람이 작용할 때 압력이 구역마다 양압과 부압으로 나뉘어 나타나는 현상이다. 고층건물의 배기 덕트 설계와 옥탑층 배기구 위치 선정에서 기본이 되므로 기계설비 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제120회 1교시 2번, 제109회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

풍압대는 바람을 받는 건물 외피에서 풍압의 크기와 부호(양압·부압)가 구역별로 달라지는 영역을 말한다.

• 풍압대
• 풍압계수
• 속도압
• 양압
• 부압
• 박리
• 후류
• 옥탑층 배기

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 바람이 건물에 부딪히면 바람을 맞는 면은 밀리고 옆면, 뒷면, 지붕 가장자리는 빨려 올라가는 힘을 받는다. 이 압력의 차이가 나타나는 구역을 풍압대라고 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 건축물 표면의 각 위치에서 작용하는 풍압력을 기준 속도압에 대한 비로 나타낸 풍압계수가 구역마다 다르며, 그 분포를 풍압대라고 부른다. 풍압계수는 구조물 표면 임의의 점에서 정압 상승분과 속도압의 비로 정의된다. 풍압계수가 양(+)이면 양압, 음(-)이면 부압이 작용한다.

풍압력은 다음 식으로 구한다.

$p = C_p \cdot q, \quad q = \frac{1}{2}\rho V^2$

여기서 p는 표면 풍압(Pa), C_p는 풍압계수(무차원), q는 속도압(Pa), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), V는 풍속(m/s)이다. 속도압은 풍속의 제곱에 비례하므로 풍속이 두 배가 되면 속도압은 네 배가 된다.

속도압은 풍속의 제곱에 비례

박리는 흐름이 물체 표면에서 떨어져 나가는 현상이다. 박리가 생기면 물체 뒤쪽에 후류가 형성되고, 그 영역은 낮은 압력(부압)이 된다. 옥탑이나 지붕 모서리에서 큰 부압이 생기는 이유가 이 박리와 와류 때문이다. 풍압대의 경계는 건물 형상, 높이, 주변 지형에 따라 달라진다.

풍압대는 풍압계수의 부호와 크기로 구분하는 건물 외피 압력 분포다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 높아질수록 상부의 풍속이 커지고, 그만큼 속도압과 풍압이 커진다. 저층건물에서는 외벽 압력 차이가 작아 문제가 드물었지만, 고층건물에서는 외피의 양압과 부압 차이가 실내 환기와 배기 성능을 좌우하게 되었다. 이때 배기 설비가 어느 풍압대에 놓이는지가 설계의 핵심 변수가 된다.

주방과 화장실의 배기를 위해 고층건물에 설치하는 입상건식덕트는 건물 상부에서 대기로 배출된다. 이 덕트의 상부 캡이 양압 구역에 놓이면 바깥 바람이 덕트 안으로 밀려 들어와 배기가 막히고 역류가 생긴다. 반대로 부압 구역에 놓이면 덕트 내부의 공기가 바깥으로 쉽게 빠져나간다. 그래서 상부 캡은 옥탑층에 형성되는 풍압대를 벗어나도록 위치를 잡는 것이 권장된다.

옥탑층은 본체 상부에 돌출되어 있어 주변 기류를 강하게 받는다. 옥탑 주변에서는 풍압대가 복잡하게 겹치므로 덕트 위치를 정할 때 옥탑의 형상과 풍향을 함께 고려해야 한다.

또한 풍압대는 연돌효과와 함께 생각해야 한다. 연돌효과는 건물 내외의 온도차로 인한 부력 때문에 생기는 압력차이고, 풍압대는 바람에 의한 압력차이다. 두 압력이 더해지거나 상쇄되면서 실내압과 배기 흐름이 결정되므로, 설계 단계에서 둘을 분리해 검토하는 것이 필요하다.

이처럼 풍압대의 개념은 배기 덕트의 위치와 방향, 배기 성능 확보, 역류 방지에 직접 연결된다. 그래서 고층건물 기계설비 계획에서 풍압대를 정확히 그리고 설명하는 능력이 요구된다.

4. 구성요소·원리·절차

풍압대(風壓帶, wind pressure zone)는 건물 주변에서 바람이 만드는 압력이 같은 부호와 비슷한 크기로 묶이는 영역을 말한다. 건물 외표면에 걸리는 풍압력은 건물 내외 표면상의 풍압분포로 나타나며, 풍압대는 이 분포를 면이나 구역 단위로 나눈 것이다. 구성요소는 다음 표와 같다.

옥탑층은 지붕 위로 돌출된 부분이므로 바람을 직접 받는다. 그래서 옥탑 주변에는 정압 영역과 부압 영역이 뚜렷하게 나뉘는 풍압대가 생긴다. 바람이 옥탑 앞면에 부딪히면 정압이 생기고, 옥탑 뒷면과 측면에서는 흐름이 박리되어 부압이 생긴다.

박리(separation)는 흐름이 물체 표면에서 떨어져 나가는 현상이다. 박리가 일어나면 뒷면에 와류가 생기고 압력이 낮아진다. 흐름이 다시 붙는 재부착(reattachment) 지점 근처에서는 압력 구배가 급하게 변한다. 풍압대의 경계는 이런 압력 변화가 큰 곳에 놓인다.

풍압은 속도압과 풍압계수의 곱으로 나타낸다. 속도압은 공기 밀도와 풍속의 제곱에 비례한다.

$q = \frac{1}{2}\rho V^2$

$p = C_p \cdot q$

여기서 q는 속도압(Pa), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), V는 설계풍속(m/s), C_p는 풍압계수(무차원), p는 풍압(Pa)이다. 정압 영역은 C_p가 양(+)이고 부압 영역은 음(-)이다. 풍압계수의 부호와 크기가 풍압대를 나누는 기준이 된다.

옥탑 풍압대에서 상부 캡을 벗어나게 하는 이유는 다음과 같다. 배기구가 부압 영역에 있으면 주변 공기가 배기 쪽으로 끌려 들어와 배기 효율이 떨어진다. 배기구가 정압 영역에 있으면 배출 공기가 옥탑 쪽으로 밀려 되돌아오는 재유입이 생긴다. 주방과 화장실 배기는 냄새와 오염물질을 포함하므로 재유입을 막는 것이 핵심이다.

다음은 상부 캡 위치를 정하는 절차다.

• 건물 형상과 옥탑 높이, 기준 풍향을 정한다.
• 풍향별로 옥탑 주변의 정압 영역과 부압 영역을 개략적으로 구분한다.
• 두 영역의 경계를 옥탑 풍압대의 범위로 설정한다.
• 입상건식덕트의 상부 캡을 풍압대 밖으로 이격시켜 배치한다.
• 배기 방향과 재유입 가능성을 검토하고 필요하면 위치를 조정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

상부 캡을 옥탑 풍압대 밖에 두는 권장 사항은 「건축기계설비 설계기준」의 주방 및 화장실 전용배기 항목에 있다. 이 권장은 배기 위치 선정의 근거가 된다. 풍압대의 크기와 풍압계수는 건축물 풍하중 기준에서 정한다. 국내에서는 건축구조기준(KDS 41 계열)의 풍하중 규정이 이에 해당한다. 풍하중은 기본풍속에 의한 속도압과 수압면의 풍력계수를 기본으로 하여 여러 계수를 곱해 산정한다.

건축구조설계기준은 풍하중중요도계수를 4단계로 나눈다. 설계풍속에 반영하는 계수는 다음과 같다.

풍하중중요도계수는 건물 용도와 사회적 중요도, 경제성을 고려해 설계 재현기간에 따라 정한다. 값이 클수록 설계풍속이 커지므로 풍압대의 세기도 커진다. 풍압계수의 값은 건물 높이와 평면 형상에 따라 달라지므로 표의 값은 대표 예시로 본다.

배기 설비 측면에서는 풍압대 경계가 중요하다. 풍압대 경계를 정확히 그리지 못하면 캡 위치가 부압 영역에 들어갈 수 있다. 이 경우 역류와 재유입이 함께 생긴다. 설계자는 건축구조 쪽 풍하중 자료와 기계설비 배기 조건을 함께 검토해야 한다.