연돌효과

왜 배우는가: 연돌효과는 고층건축물의 냉난방 부하, 엘리베이터 문 개폐 저항, 화재 시 연기 확산, 피난 안전과 직결되어 설비 설계의 기본 현상이다. 기술사 시험에서도 열손실 방지, 수식 해석, 설비 대응 방안을 나눠 묻는 방식으로 반복해서 출제되었다.

출제 이력: 제122회 1교시 10번, 제121회 4교시 5번, 제95회 3교시 1번, 제93회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

연돌효과는 건물 내외의 온도차로 생긴 공기 밀도차(부력)에 의해 건물 높이 방향으로 압력차가 생겨, 실내외 공기가 틈새를 통해 이동하는 현상이다.

핵심 키워드

• 연돌효과(Stack Effect)
• 굴뚝효과(Chimney Effect)
• 부력(Buoyancy)
• 중성대(Neutral Pressure Level, NPL)
• 공기 밀도차
• 누기(Infiltration/Exfiltration)
• 층간 압력차
• 부압·정압

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 굴뚝 안의 연기가 위로 빨리 빠져나가는 것과 같은 현상이다. 따뜻한 공기는 가볍기 때문에 위로 올라가고, 건물 위쪽은 정압, 아래쪽은 부압이 된다.

정식으로는 실내외 온도차에 따른 공기 밀도차로 발생하는 부력이 건물 높이 방향의 압력차를 만들고, 그 결과 건물 틈새를 통해 공기가 이동하는 현상을 말한다. 이때 중성대는 실내외 압력차가 0이 되는 높이이며, 중성대 아래층에서는 외기가 유입되고 위층에서는 실내 공기가 유출된다.

여기서 핵심은 두 가지다. 첫째, 공기 밀도차가 원동력이다. 둘째, 건물 높이와 온도차가 커질수록 압력차가 커진다. 난방기(동절기)에는 실내가 따뜻해 외기가 아래층으로 들어오는 정상 연돌효과가 나타나고, 냉방기(하절기)에는 실내가 차가워 방향이 반대인 역 연돌효과가 나타난다.

개략 압력차 식은 다음과 같다.

$\Delta P = C \cdot a \cdot h \left(\frac{1}{T_o} - \frac{1}{T_i}\right)$

• \Delta P: 실내외 압력차(Pa)
• C: 상수(약 0.0188 K·m⁻¹ 계열의 계수로 교재마다 표기가 다름)
• a: 대기압(Pa)
• h: 건물 높이(m)
• T_o, T_i: 외기·실내 절대온도(K)

3. 등장 배경과 필요성

건물이 고층화되고 외피의 기밀성이 높아지면서 연돌효과의 영향이 커졌다. 건물 높이가 높을수록 압력차가 누적되므로 상층과 하층의 압력 편차가 커진다. 이 편차는 출입문과 엘리베이터 문에 큰 힘을 가하고, 계단실로 공기를 밀어 넣는다.

특히 초고층 건축물에서는 다음 문제가 동시에 나타난다. 동절기에는 저층부 출입문에서 외기가 과도하게 유입되어 실내 난방 부하가 늘고 로비에 찬 공기가 몰린다. 하절기에는 역 연돌효과로 상층부에 외기가 유입되어 냉방 부하가 증가한다. 화재 시에는 연기가 수직 샤프트를 따라 빠르게 확산되므로 피난 안전이 위협받는다.

따라서 연돌효과 대책은 단순한 열손실 감소가 아니라 공조 설계, 방화구획, 제연설비를 함께 고려해야 하는 설계 기준이다. 이 때문에 고층건축물의 화재안전기준에서도 계단실과 부속실 제연설비, 피난안전구역 설비 기준이 별도로 규정되어 있다.