엘리베이터 스태킹 효과 검토 및 대책Ⅰ

건물 내 공기의 흐름, 승강기에 어떤 영향을 미칠까?

엘리베이터 스태킹 효과 검토 및 대책Ⅰ

현대건축물의 고층화에 따라 공간적 제한을 해소하고 안락한 업무 및 거주환경을 유지할 수있는 긍정적 측면과, 고층화와 함께 불가피하게 수반되는 건축물의 구조적, 환경적 문제점도나타나고 있다. 여러 가지 문제점 중에서도 고층빌딩의 상하고저 차에 의한 기압, 온도 등에따른 공기역학에 따라 승강기 운행과 건축물 및 입주자의 생활환경에 많은 영향이 크게 나타날 수 있다.

스태킹 효과(Stacking effects)는 건물 내에 존재하거나 건물 내로 유입된 공기가 건물 밖으로 이동하는 현상으로, 이 현상이 건물 내에 영향을 미치는 것이다. 여기서는 승강기에 의한스태킹 효과를 중점적으로 검토해보기로 한다. 스태킹 효과는 연돌 효과(Chimney effects)등으로도 불리지만 여기서는 통상적으로 적용하는 영어원어를 중용키로 한다.

글 이재탁(前코네엘리베이터코리아㈜ 대표)

승강기에 의한 발생요인

스태킹 효과의 발생요인은 승강기의 상하 운행에 따른 구동력이 밀폐된 승강로에 일부가 이전되어 운행

방향의 선단부에 양압과 음압이 발생하고, 이 압력을 분산 또는 이완시키기 위한 배출과정에서 외부공기

의 유입과 내부공기의 유출로 이어지며 발생하게 된다. 즉 공기의 밀도 및 기압차에 의한 평형유지를 위

해 자연발생적으로 발생하는 것이다.

단지 승강로의 승강행정에 의한 발생과 함께, 아래의 요인들이 복합적으로 연동되어 건물에 폭넓게 영향

을 미치게 된다.

•상하부층의 자연환기 또는 실내공기조화장치(냉난방 등)에 의해서 발생

•건물의 상하구조물의 온도차에 의한 대류현상

•태양광의 조사각도에 따른 건물에 가해지는 복사열의 변동

•난방설비의 가동에 따른 내부 가열요인 등

자연발생적인 대류현상과 같이 건물 내의 압력차에 의한 대류현상은 건물의 중간층을 정압기준을 정하

면, 여름철인 경우, 상층으로 올라갈수록 확산양압이 증가하고 아래층으로 갈수록 음압이 증가하게 된다.

즉 아래층으로 갈수록 유입압력이 증가하여 최하층에서의 음압영향은 최대가 되고, 최상층에서는 확산

양압에 의한 배출압력은 최대로 증가하게 된다. 또한 겨울철에는 반대의 현상이 발생하게 된다.

스태킹 효과에 의한 영향

이러한 스태킹 효과에 의해 직접적으로 승강기 관련 장치에 미치는 영향으로는 아래와 같다.

•승강기 도어의 개폐가 불량 : 승강장 도어가 잘 닫히지 않아서 고장의 원인과 안전상의 문제점이

될 수 있다.

•주행 중 승강기내의 공기흐름의 발생소음 유입 : 승강기와 구조물 간의 이격거리에 따라 심한 고

주파소음 및 저주파 소음이 발생한다.

•압력차에 의한 탑승객의 신체적 압력변화로 생리적 불편 : 고막에 영향을 미칠 수 있고, 안압의 변

화로 눈이 충혈될 수 있고, 코에서 출혈이 발생하거나, 생리적 변화를 겪을 수 있다.

•공기 흐름의 영향으로 진동의 발생 : 승강로의 철구조물 및 벽체와의 간섭으로 승강기 운행 시 반

복적인 압력변화로 승강기의 진동이 발생할 수 있으며, 승강로 상하부의 큰 압력차가 발생하는 이

상현상이 발행할 경우(강풍이나 급격한 외기압의 변화), 심각한 진동이 발생하기도 한다.

•건물 내의 미세먼지의 유입과 확산 : 피스톤효과에 따라 건물 내의 모든 미세먼지가 탑승객은 물

론 건물 내 상주인구 모두에게 빠르게 확산된다.

•미생물 및 바이러스의 급속한 확산 : 미세먼지의 확산과 함께, 병원균이나 바이러스의 이동이 쉬

운 적정습도와 온도가 유지되어 급속한 확산우려가 있다.

•건물 내의 출입문의 개폐 불량 : 일반 사무실 및 가정의 개폐문이 영향을 받아 닫기 어렵거나 큰

압력으로 개폐되어 위험할 수 있다. 고층빌딩에 설치되는 고속엘리베이터의 정격 주행속도에 따른

승강장 도어에 가해지는 압력은 예상보다 큰 충격이 될 수 있다.

만약 정격 주행속도가 초당 17.0mps (1,020mpm) 인 승강기가 폭 1.2m 높이 2.4m의 승강장 도어

에 가해지는 풍압을 간략히 소개하면,

•승강기 운행에 따른 공기의 흐름은 풍압으로 변환 시 P(㎏/㎥)=pv2/2[p=air density=1.2㎏/㎥,

v=rated speed(㎧)]에 적용하면, 그 풍압은 약 173.4N/㎥을 얻게 된다.

•이 풍압을 1.2m×2.4m의 승강장 도어(2.88㎡)에 적용하면 약 500 N/㎡의 풍압이 계산되고 이는

약 50㎏.force의 충격을 받게 된다는 결론이다.

•이 결과를 풍속 40㎧의 초강력 태풍에서 2.88㎡의 승강장도어에 가해지는 풍압은 대략 276

㎏.force가 계산되는데, 고속용 승강기의 운행 시 발생되는 공기흐름에 의한 충격은 예상을 뛰어

넘는 강한 풍압을 보여준다.

  

스태킹 효과에 대한 대책

고층빌딩의 경우 엘리베이터 승강로의 자연대류현상과 기압차에 의해 발생하는 이 승강로만의 연돌

효과는 엘리베이터 제작사에서 적절한 기술적 대응이 가능하지만, 건물 내의 대류현상은 매우 복잡

한 요소가 많아서 각층의 승강장 로비와 승강로의 압력차와 온도차를 최소화는 설계기술을 적용해

야 한다. 승강로와 승강장의 압력차가 적정수치 이상일 경우, 엘리베이터 도어의 개폐가 원할하지

못하기 때문에 이 압력차를 최소화할 수 있는 구조적장치인‘Air ventilation’을 설치하여 승강장과

승강로의 공기흐름을 조절하거나 기타 전기기계적 장치에 의해 자동조절이 될 수 있는 설계가 필요

하다.

앞서 설명했지만 이 공기의 흐름과 구조물과의 공기역학적 충격(Air flow impact)는 결국 소음과 진

동발생의 원인이 될 수 있다. 특히 고층빌딩의 수송능력 확보를 위해 더블데크엘리베이터를 설치한

경우, 특성상 엘리베이터 선단부에 매우 높은 압력이 발생(Piston effect)하여 연돌 효과에 의한 영

향을 증폭시키게 된다.

이러한 문제점을 최소화하기 위해서는 아래의 사항들을 고려해 보아야 한다.

•비상용 엘리베이터와 같이 단독승강로가 필요한 엘리베이터를 최소화

•가능한 엘리베이터 설치를 건물전체 층수에 따라 3개 또는 4개의 구역(Zone)으로 나누어 엘리베

이터 승강로의 행정을 줄임

•고속으로 운행하는 더블데크의 경우 피스톤 효과에 의해 발생한 높은 압력을 조절할 수 있는 댐

퍼의 설계 고려

엘리베이터 승강로가 충분히 넓다면 이러한 영향을 크게 완화할 수 있으나, 초고층 건물의 경제성을

고려하고 건물의 품격과 등급에 맞게 승강로의 크기와 스태킹 효과 및 피스톤 효과에 대한 목표치

를 설정하는 것이 필요하다.

우측의 더블데크의 구조와 같이 상하 2개의 카를 층고에 맞게 가동 조절해야하는 구조이므로, 특히

승강로에서 발생하는 피스톤 효과가 매우 크기 때문에, 충분한 구조적 설계로 공기 흐름을 유체역학

적으로 구성하도록 해야 한다.