Co2배출 줄이는 그린빌딩(Green Building)설계(22)냉방 : 굴뚝환기

굴뚝환기는 더운공기가 위로 올라가는 원리(층화현상)를 이용한 Passive 냉방전략입니다. 이에는 두가지 기본원칙이 있습니다. "첫번째, 따뜻해진 공기는 밀도가 줄어들고 상승한다. 두번째, 주변공기가 그 자리를 채운다."는 것입니다. 대류시스템에 의해 따뜻해진 공기가 높은곳으로 배출되고, 그 자리를 보다 시원한 공기가 채워지는 공기흐름을 만들어내는 것입니다.

충분한 효과를 위해서는 실내와 실외 온도차가 1.7도씨 이상이 필요합니다(이정도는 충분하게 차이가 날것으로 생각됩니다). 이보다 더 큰 온도차가 난다면 훨씬 효과적인 공기순환과 냉방효과가 있을 것입니다.

아래 그림은 네델란드 Wageningen 소재 IBN-DLO 산림자연연구소 프로젝트에서 제안된 굴뚝환기 시스템의 개념도 입니다. 

 

굴뚝환기의 효과를 키우기 위한 방법으로 한가지는 굴뚝의 높이를 높이는 것입니다. 굴뚝 높이가 높일수록 수직 온도층이 커지기 때문입니다. 유입공기와 배출공기간의 온도차이를 증대시키는 또 한가지 방법은 태양에너지를 이용해 공기를 가열하는 것입니다. 태양복사가 수직통로(굴뚝)내에서 공기를 가열시켜 건물 내부 공기흐름을 촉진시킬수 있기 때문입니다.

다음 사례가 태양열 굴뚝이 설치된 사례입니다. (영국 Hertfordshire, Garston - 빌딩연구소 사무소)

 

이에 대한 건축적 주요현안은 수진통로가 잘 작동되도록 하는 것입니다.

배기공기와 유입공기간의 온도차를 증대시켜야 하며, 수직통로 높이를 증가하는 것을 포함하여 몇가지 방법이 있습니다. 수직통로는 건물의 전체높이 가운데 아래쪽 절반에 해당하는 건물구역에 효과적인 통풍을 제공하는 것이므로, 모든 건물 층에 굴뚝환기를 통한 냉방제공을 위해서는 절반으로 분할하여야 할 것입니다.

수직통로는 통합식 아니면 노출식으로 할수 있으며, 수직통로는 태양접근을 위해 건물 둘레에 배치하는 것과 아뜨리움 속에 통합시키는 방법 두가지로 나뉩니다. 건축물의 디자인문제뿐만 아니라 기후조건, 냉각부하 및 구역화, 건축규정등을 잘 고려하여 적합한 방법으로 선정하면 될 것입니다.

다양한 굴뚝환기의 형태는 다음과 같습니다.

 

수직통로를 "환기사슬"이라 일컫습니다. 아래쪽 공간 즉 낮은 부분의 공기흐름을 촉발시켜 열층을 희석시키는 것으로 냉방환기에 효과적이긴 합니다. 하지만 비용이 많으들며, 개구부 수를 늘려야 하는 문제 등, 실현가능성이 희박합니다.

어쨌건 굴뚝환기 방식은 기후에 일교차가 큰 기후에서 이상적일 것입니다.

설계절차는 다음과 같습니다. 

1. 프로젝트의 실행가능성있는 수직통로 높이를 결정한다. 효과적인 수직통로 높이는 보통 환기될 공간 높이의 두배로 설정한다.

2. 수직통로 개구부(유입구, 배출구, 병목구역 등)의 크기를 결정한다.

3. 굴뚝환기 시스템의 냉방성능을 수직통로높이와 수직통로대 바닥면적 비를 기준으로 추정한다.

4. 요구된 냉방선응을 달성하기 위해 필요한 경우 수직통로 개구부를 조정한다.

아래 그래프는 굴뚝환기의 성능을 나타낸 것입니다. (Kathy Bevers)

 

사례입니다.

* 플로리다 Tampa에 위치한 로건하우스(Logan House)(왼쪽)는 연돌효과 환기의 모범사례입니다. 수직통로의 성능을 결정하고 대안적인 창문형태를 연구하기 위해 로건하우스 모형에 대한 거품실험을 하는 모습입니다(오른쪽)

* 영국 Hertfordshire Garston 빌딩연구기구 사무실 남측 태양광 발전패널과 태양열 굴뚝환기시스템의 모습입니다.

 

 * 영국 Coventry대학교 Lanchester 도서관 굴뚝 환기탑의 모습입니다.

 * Lillis 비즈니스 복합단지(오레곤주) 의 아뜨리움 입니다. 건물내 이동통로이자, 굴뚝효과를 가집니다. 또한 사회적인 공간(커뮤니티)를 만들어내는 공간이기도 합니다.

위 사례의 배출효과를 나타낸 그림입니다.

 

 

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