자연환기

왜 배우는가: 자연환기는 기계 설비 없이 건물의 압력차와 온도차를 이용하므로 설비비와 운전비를 줄이는 대안으로 자주 검토된다. 바람과 온도차라는 두 구동력의 차이, 그리고 유량을 결정하는 압력차 계산은 시험에서 기초로 반복해 나오는 내용이다. 이 절은 그 기초 개념을 정리한다.

출제 이력: 제123회 1교시 8번, 제101회 2교시 4번, 제90회 1교시 11번, 제89회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

자연환기는 기계식 송풍기 없이 건물 개구부의 압력차와 온도차로 공기가 유입·유출되는 환기 방식이다.

자연환기는 설비 동력을 쓰지 않으므로 운전비가 적고, 열이 많이 발생하는 공정에서 실내의 열과 오염 공기를 밖으로 빼내는 데 유리하다. 다만 외부 바람과 기온 조건에 따라 환기량이 크게 달라지므로 필요한 풍량을 일정하게 보장하기 어렵다. 따라서 자연환기는 적용 조건을 먼저 판단한 뒤 채택하는 방식이다.

자연환기가 적합한 조건은 발생원의 열부하가 커서 실내외 온도차가 뚜렷한 경우, 작업장에 높이가 있어 상부와 하부에 개구부를 나눠 둘 수 있는 경우, 바람의 영향을 예측할 수 있는 지역인 경우이다. 반대로 유해물질의 독성이 강하거나 발생 위치가 고정되지 않은 경우에는 국소배기장치를 함께 쓰는 것이 일반적이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 개구부: 창문, 출입문, 환기구처럼 실내와 외기가 통하는 열린 부분이다.
• 풍압차: 바람이 건물 외벽에 부딪혀 생기는 압력 차이로, 바람을 맞는 면은 양압, 반대면은 음압이 된다.
• 온도차 부력: 실내 공기가 외기보다 따뜻하여 밀도가 낮아지고 위로 올라가려는 힘이다.
• 중력환기: 온도차에 의한 부력으로 일어나는 환기 방식이다.
• 굴뚝효과: 따뜻한 공기가 건물 상부로 빠지고 하부로 외기가 들어오는 현상이다.
• 중성대: 건물 내외의 압력차가 0이 되는 높이로, 그 위쪽은 유출, 아래쪽은 유입이 일어난다.
• 필요환기량: 발생 오염물질이나 열부하를 기준 농도 이하로 희석하는 데 필요한 공기량이다.

2. 개념 풀이

자연환기는 건물 개구부의 양쪽에 생기는 압력차를 구동력으로 삼아 외기와 실내 공기를 교환하는 환기 방식이다. 개구부를 통과하는 공기 유량은 이 압력차로 결정되므로, 자연환기 해석의 출발점은 개구부 양쪽의 압력차 ΔP를 구하는 것이다. 개구부 유량은 오리피스 식으로 다음과 같이 나타낸다.

$Q = C \cdot A \cdot \sqrt{\frac{2\,\Delta P}{\rho}}$

여기서 Q는 유량(㎥/s), C는 유량계수, A는 개구 면적(㎡), ΔP는 개구 양쪽의 압력차(Pa), ρ는 공기 밀도(kg/㎥)이다. 유량은 면적에 비례하고 압력차의 제곱근에 비례하므로, 압력차를 네 배로 늘려도 유량은 두 배가 된다.

압력차를 만드는 원리는 두 가지이다. 풍력환기는 바람이 건물 외벽에 부딪혀 풍상면에 양압, 풍하면에 음압을 만들고, 이 압력차가 공기를 관통시키는 방식이다. 중력환기는 실내외 온도차에 따른 공기 밀도 차이로 생긴 압력차가 구동력이 되는 방식이다. 바람은 시시각각 강도와 풍향이 바뀌므로 풍력환기는 환기량을 일정하게 유지하기 어렵고, 중력환기는 내외 온도차에 따라 그 크기가 정해진다.

풍력환기의 압력은 바람 속도의 제곱에 비례하는 동압으로 표현되며, 건물 표면의 위치와 형상에 따라 풍압계수가 달라진다. 풍상면의 풍압계수는 양수, 풍하면은 음수가 되는 것이 일반적이다. 따라서 같은 풍속이라도 개구부의 배치에 따라 실내 기류의 방향과 양이 달라진다.

중력환기의 압력차는 중성대에서 개구부까지의 높이 h에 비례하며, SI 단위의 근사식은 다음과 같다.

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

여기서 T_o는 외기 절대온도(K), T_i는 실내 절대온도(K), h는 중성대에서 개구부까지의 높이(m)이다. 상수는 3460 Pa·K/m 이다. 실내 온도가 외기보다 높으면 지붕 쪽 개구부로는 유출, 바닥 쪽 개구부로는 유입이 일어난다. 온도차가 같아도 중성대에서 먼 개구부일수록 압력차가 커진다. 이 관계로 굴뚝효과가 고층 건물에서 뚜렷해지는 이유를 설명할 수 있다.

유량계수 C는 개구부 형태와 공기 흐름의 저항을 반영하는 값으로, 날개형 창이나 단순 개구부에 따라 달라진다. 실제 설계에서는 개구부 면적을 유효 면적으로 환산해 쓰는 것이 일반적이다. 자연환기는 여러 개구부가 함께 작동하므로, 각 개구부의 유입량과 유출량이 질량 보존을 만족하도록 중성대 위치를 찾아 계산한다.

3. 등장 배경과 필요성

자연환기는 건축에서 오래전부터 쓰인 통풍 방식이다. 기계식 송풍 설비가 보급되면서 설비에 의존하는 설계가 늘었지만, 설비비와 운전 에너지 부담이 커지면서 자연환기가 다시 검토되고 있다. 특히 열부하가 큰 용해공정, 타이어 공정, 유리 가공 공정 같은 발열 작업장에서는 기계환기의 풍량이 커져 설비 규모와 운전비가 급증하므로 자연환기가 대안으로 거론된다.