풍압과 부력에 의한 복합 자연환기

제시된 IEC 60079-10-1 조항 C.5.4의 풍압과 부력의 복합 환기(Combination of the natural ventilation induced by wind and buoyancy)의 복합 작용 메커니즘과 복합 환기량 정량 수식 구조에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

풍압과 부력에 의한 복합 자연환기

두 구동력의 복합 거동 및 방향성 (Figure C.7 메커니즘)

바람에 의한 환기와 열적 부력에 의한 환기는 독립적으로 일어날 수 있으나, 실제 자연 환경에서는 동시에 발생한다. 기상 조건에 따라 공간 전체의 환기를 지배하는 주된 구동력(Dominating driving force)이 달라진다.

• 춥고 바람이 없는 날(Calm cold day): 열적 부력에 의한 압력 차이가 환기를 지배한다.
• 덥고 바람이 강한 날(Windy hot day): 풍압에 의해 형성되는 압력 차이가 환기를 지배한다.

 

 

다음 그림 Figure C.7 (Example of opposing ventilation driving forces, 상쇄되는 환기 구동력의 예시)은 풍압(바람)과 열적 부력(연돌 효과)의 방향이 서로 충돌할 때, 건물의 내부 환기 효율이 어떻게 상쇄되고 억제되는지를 시각적으로 증명하는 규격서의 핵심 도해이다.

 

Figure C.7 – Example of opposing ventilation driving forces

 

1. 바람의 방향 (Wind direction - 좌측에서 우측):

• 외부 바람이 건물 왼쪽 벽면을 강하게 때린다. 이로 인해 바람을 정면으로 맞는 건물 왼쪽 외벽에는 양압(Positive pressure, +)이 형성되고, 바람이 지나쳐 가는 오른쪽 외벽과 지붕 상부에는 음압(Negative pressure, -) 또는 흡입력이 형성된다.

2. 실내외 온도 조건 (Ti > To):

• 실내 온도(Ti)가 외기 온도(To)보다 높다. 연돌 효과의 기본 물리 법칙에 따라, 건물 내부의 따뜻한 공기는 위로 떠올라 지붕이나 상부 개구부를 통해 밖으로 나가려는 힘을 가지며, 차가운 외기는 하부 개구부를 통해 안으로 들어오려는 힘을 가집니다.

3. 상부 개구부에서의 충돌 (지붕 영역):

• 부력은 내부 공기를 지붕 개구부 밖으로 밀어내려(Upward buoyancy force) 한다. 하지만 왼쪽에서 불어오는 바람이 지붕 위를 덮치며 개구부 내부로 밀고 들어오려는 풍압(Wind pressure force)을 동시에 작용시킨다. 결과적으로 상부 개구부에서 부력의 배출 힘과 바람의 유입 힘이 정면으로 충돌(Oppose) 한다.

4. 하부 개구부에서의 충돌 (오른쪽 벽면):

• 부력은 차가운 외기를 오른쪽 하부 개구부를 통해 안으로 끌어들이려 한다. 그러나 바람이 건물을 지나치며 오른쪽 외벽에 음압(-)을 형성하므로, 실내 공기를 밖으로 빨아내려는 흡입력이 작용한다. 결과적으로 하부 개구부에서도 부력의 유입 힘과 바람의 흡입력이 정면으로 충돌(Oppose) 한다.

 

<구동력의 상호 관계 (보완 vs 상쇄)>

• 바람의 방향과 부력 환기용 개구부(유입구 및 유출구)의 상대적 위치에 따라 두 구동력은 서로를 도와 환기량을 늘리는 보완(Complement) 관계가 될 수도 있고, 서로 부딪혀 환기량을 깎아먹는 상쇄(Oppose, Figure C.7) 관계가 될 수도 있다.
• 예를 들어, 바람이 불어 들어오는 하중측(Upwind)에 하부 개구부가 있고, 바람이 빠져나가는 상층측(Downwind)에 상부 개구부가 있다면 부력과 풍압은 보완 관계를 이룬다. 반대로 바람의 방향이 역전되면 두 힘은 상쇄되어 실내 환기 속도가 극도로 떨어진다.

 

 

복합 환기량 정량 계산식 (수식 C.5)

풍압과 온도 차이(밀도 변화)가 동시에 작용하는 복합적인 환경에서, 면적이 A인 개별 개구부를 통과하는 환기 유량(Q)은 오리피스 유동 원리를 확장한 다음 계산식을 통해 산출할 수 있다.

Q = Cd * A * (2 * ΔP / ρa)^0.5

• Q: 개별 개구부를 통과하는 체적 환기 유량 (㎥/s)
• Cd: 개구부 유출 계수 (무차원수, 통상 0.6)
• A: 해당 개구부의 면적 (㎡)
• ΔP: 풍압과 부력의 벡터 합성으로 계산된 개구부 전후의 최종 실효 압력 차이 (Pa)
• ρa: 대기 공기의 밀도 (kg/㎥)

 

 

위험지역 해석(Figure C.1 차트) 적용을 위한 엔지니어링 실무 절차

복합 환기 환경은 변동성이 매우 크기 때문에, 단순 계산에 의존해서는 안 되며 반드시 해당 지역의 기후 특성, 바람 장미 도표(Wind rose diagram), 그리고 발생 가능한 실내 온도 조건을 모두 고려한 확률론적 평가(Probability-based assessment)를 적용해야 한다. 계산서 도출 절차는 다음과 같다.

1. 최악의 복합 유량(Qmin) 선정: 풍압과 부력이 상쇄되는 방향(Figure C.7 조건) 및 하절기 최고 외기 온도 조건을 연립하여, 복합 수식으로부터 발생 가능한 최소 환기 유량 Qmin(㎥/s)을 산출한다.
2. 실내 평균 속도(v) 변환: v = Qmin / Ac (Ac는 실내 기류 통과 주 단면적, ㎡)
3. 실효 겉보기 풍속(uz) 도출: 내부 장애물 밀집에 따른 기류 차단 효과를 반영하기 위해 환기 비효율 계수 f로 최종 감쇄시킨다. uz = v / f
4. 희석 등급 판정: 산출된 최종 uz 수치를 Figure C.1 차트의 세로축에 대입하여 고/중/저 희석 등급을 확정한다. 동시에 공간 전체의 평형 배경 농도 Xb = G / (Qmin * f)를 계산하여 LFL의 25 % 초과 여부를 교차 검증한다. 만약 이 상쇄 상태에서 배경 농도 Xb가 LEL의 25 %를 초과하게 되면 해당 실내 전체는 무조건 저희석 등급인 Zone 1 또는 Zone 0 지역으로 강제 분류된다.

<그림 1> wind rose diagram weather chart. 출처: en.wikipedia.org

 

결론적으로, 복합 자연환기는 풍압과 부력이 상쇄되는 최악의 기상 시나리오(Figure C.7)를 전제로 수식 C.5를 통해 정량적인 최소 유량을 확보한 후, 실내 단면적(Ac)과 기류 차단 계수(f)로 순차적으로 나누어 감쇄시킨 실효 풍속(uz)을 Figure C.1 차트에 대입하는 것이 규격서의 요구사항을 오차 없이 이행하는 정량 해석 경로이다.