연기확산의 주범 연돌효과(Stack Effect)의 이해

건물의 연돌효과는 겨울철 화재시 계단실이나 엘리베이터 승강로 등의 수직 샤프트를 통해 상층부로 연기를 확대시키는 원인이 되므로 제연설비 설계시 매우 중요하게 고려되어야 하는 요소입니다. 연돌효과는 연기의 전파 뿐만 아니라 연소를 확대시키는 요인이며, 피난은 물론 소방관의 소화활동을 어렵게 만드는 요소이기도 합니다. 이러한 연돌효과가 어떤 원리로 발생하는지 간단히 정리해 보고자 합니다.

 

그림1과 같이 연돌효과는 건물내 상승기류를 형성시키기 때문에 저층부 화재로 부터 발생한 연기가 곧바로 상층부로 이동하기때문에 오히려 상층부가 먼저 연기로 오염되는 현상이 발생합니다(a). 연돌효과로 인해 건물의 중간층 정도인 중성대 위쪽은 수직샤프트의 압력이 옥내보다 높고 중성대 아래쪽은 샤프트의 압력이 옥내보다 낮아 집니다. 이로인해 (b)와 같이 상층부 화재시에는 연기가 샤프트내부로 유입되기 어려워 연기이동이 지연되지만 화재가 크게 성장하게 되면 샤프트내부의 압력을 이기고 결국은 샤프트내부로 유입되게 됩니다(c).

 

그림1. 연돌효과에 의한 고층건물의 연기유동

 

결론적으로 겨울철 화재시 고층건물의 저층부에서 발생한 화재가 더욱 위험하며, 계단실 방연이 미흡하다면 피난을 불가능하게 할 정도의 심각한 상황이 초래될 수 있음을 보여줍니다.

 

그림2. 상층부에만 개구부가 있을때(왼쪽위), 그림3. 그림2의 상태에서 하층부에 개구부를 뚫었을 때(오른쪽위), 그림4. 그림3의 상태에서 하층부 개구부를 막았을 때(오른쪽아래)

 

그림2는 외부와 완벽히 절연된 건물을 가정하였습니다. 건물내부 온도는 외기보다 높습니다. 이 때 건물 꼭대기에 아주작은 개구부를 뚫은 상태입니다.

검정선은 지면에서 위로 올라갈수록 낮아지는 절대압력을 표시합니다. 건물내 개구부 압력은 동일높이의 외기압력과 같으므로, 빨간선과 같이 건물내부의 절대압력이 형성될 것입니다. 건물내외부의 공기온도차는 검정선과 빨간선의 기울기의 차이를 만들어내고, 결국 지면에서 같은높이임에도 불구하고 건물내외부 압력차를 발생시키게 됩니다

 

그림2에서 알수 있는 것은 건물의 어느 높이에서나 외기의 압력이 건물내부보다 높고 최하층에서 가장 압력차가 크다는 것입니다.

이때 최하층에 개구부를 추가로 뚫게되면 그림3과 같이 건물내부의 압력선도는 오른쪽으로 이동하게 되고 건물의 중간높이에서 건물내외부 압력이 동일해집니다. 이때는 건물중간 위로는 건물내부의 압력이 외기압력보다 높고 아래로는 건물내부의 압력이 낮아지게 됩니다. 비로서 아래층에서 위층으로 흐르는 상승기류가 발생하게 되는데 이것이 연돌효과의 발생원리입니다.

 

그림4는 그림3에서 위쪽의 개구부를 막았을 경우인데, 건물내부의 압력선도는 다시 오른쪽으로 평행이동하게 됩니다. 최하층의 개구부 내외의 압력이 같아지기 때문이며 기류흐름은 발생하지 않고 압력차만 존재하게 됩니다. 그림2의 경우와 정확히 반대되는 상황입니다.

 

결론적으로 연돌효과는 건물내 온도가 외기보다 높아 압력차가 발생하고 건물과 외기사이에 존재하는 틈새를 통해 상승기류가 발생하는 원리입니다. 이러한 압력차는 건물내외부의 온도차가 클수록, 중성대로부터 멀어질수록 커집니다.

중성대의 위치는 누설틈새가 큰 쪽으로 이동합니다. 주차램프와 출입구 등 건물저층부에 많은 개구부가 있어 중성대의 위치는 일반적으로 건물 중간층보다 더 아래에 형성됩니다. 이것은 상층부가 중성대로부터 더 멀리 떨어지게 되어 건물의 최상층에서 압력차가 가장 크게 발생하여 화재시 가장 위험할 수 있습니다.

참고로 연돌효과에 의해 발생하는 압력차는 다음과 같이 유도할 수 있습니다.