1. 서론
초고층 건축물은 건물 높이가 증가함에 따라 굴뚝효과(Stack Effect), 풍압(Wind Effect), 승강기 피스톤 효과(Piston Effect) 등의 영향으로 일반적인 계단실 가압방식만으로는 안정적인 차압 유지가 어렵다. 이에 따라 국내 초고층 건축물에서는 피난안전구역(Refuge Floor)을 중심으로 압력구역을 분리하는 **샌드위치 가압방식(Sandwich Pressurization System)**이 적용되고 있다. 이 방식은 건물을 여러 개의 압력구역으로 나누어 각 구역별 독립적인 차압을 유지함으로써 제연성능을 확보하는 대표적인 초고층 제연기술이다.
2. 샌드위치 가압방식의 기본 원리 및 시스템 모델
(1) 기본 원리
샌드위치 가압방식은 피난안전구역(Refuge Floor)을 중심으로 상부와 하부를 각각 독립된 가압구역으로 분리하여 제연하는 방식이다.
각 구역마다 별도의 급기가압설비를 설치하여 계단실과 부속실의 차압을 유지하며, 피난안전구역은 완충(Buffer Zone)의 역할을 수행한다.
즉,
"피난안전구역을 중심으로 상·하부 압력구역을 분리하여 건물 전체를 다단 가압하는 방식"
이다.
(2) 시스템 모델
옥상
─────────────────────
상부 가압구역
(Pressurization Zone-1)
=============================
피난안전구역
(Refuge Floor / Buffer)
=============================
하부 가압구역
(Pressurization Zone-2)
──────────────────────
지상
또는 고층 건물에서는
Zone-1
Refuge Floor
Zone-2
Refuge Floor
Zone-3
Refuge Floor
Zone-4
와 같이 여러 개의 압력구역으로 분할한다.
(3) 구성요소
급기가압팬(Supply Fan)
차압댐퍼(Pressure Relief Damper)
자동제어시스템(BAS)
피난안전구역
계단실 및 부속실
차압센서 및 풍량제어장치(VFD)
3. 시스템의 장·단점
(1) 장점
① 굴뚝효과 저감
압력구역을 분할하므로 초고층에서 발생하는 Stack Effect를 감소시킨다.
② 차압 유지 용이
각 구역별 독립제어가 가능하여 법정 차압(약 40~60 Pa)을 안정적으로 유지할 수 있다.
③ 피난안전성 향상
피난안전구역이 완충공간 역할을 수행하여 연기확산을 방지한다.
④ 에너지 절감
필요 구역만 운전 가능하므로 전체 급기량 감소 효과가 있다.
⑤ 유지관리 용이
구역별 점검 및 운전이 가능하다.
(2) 단점
① 설비 증가
팬, 덕트, 댐퍼 등의 설치가 증가한다.
② 초기 투자비 증가
설비비 및 시공비가 높다.
③ 제어 복잡
압력균형 제어가 어렵다.
④ 오동작 위험
댐퍼 또는 센서 이상 시 차압 불균형이 발생할 수 있다.
⑤ 유지관리 어려움
자동제어시스템의 지속적인 유지관리가 필요하다.
4. 국내 설계현황 및 문제점
(1) 국내 설계현황
국내 초고층 건축물은 「소방시설법」 및 「특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재안전기준(NFSC 501A)」에 따라 특별피난계단의 부속실 또는 계단실 가압방식을 기본으로 적용하고 있으며, 100층 이상 또는 초고층 복합건축물에서는 피난안전구역을 활용한 샌드위치 가압방식이 성능위주설계(PBD)를 통해 적용되고 있다.
주요 특징은 다음과 같다.
피난안전구역 중심 구역분할
VAV 또는 VFD 제어 적용
BAS와 연동한 자동제어
성능위주설계 중심 적용
(2) 문제점
① 굴뚝효과 고려 부족
동절기 Stack Effect가 충분히 반영되지 않는 경우가 있다.
② 풍압 영향
외기 풍속 변화에 따라 차압 유지가 어려워진다.
③ 차압 불균형
문 개방 시 과압 또는 부족압이 발생한다.
④ 성능시험 부족
준공 후 TAB 및 성능검증이 충분하지 않은 사례가 있다.
⑤ 유지관리 미흡
센서 교정과 제어시스템 유지관리가 부족하면 설계 성능을 유지하기 어렵다.
5. 개선방향
(1) 성능위주설계(PBD) 확대
CFD(FDS)와 네트워크 모델(CONTAM 등)을 활용하여 화재 및 연기거동을 사전에 검증한다.
(2) 실시간 차압제어
VFD(인버터 팬)
차압센서
자동풍량조절
을 이용하여 목표 차압을 유지한다.
(3) 굴뚝효과 해석 의무화
계절별(Stack Effect) 및 풍압(Wind Pressure)을 고려한 설계를 수행한다.
(4) 피난안전구역 최적 배치
건물 높이와 용도에 맞는 적정 간격으로 피난안전구역을 설치하여 압력구역을 효율적으로 분할한다.
(5) 유지관리 강화
TAB(Test, Adjust & Balance) 정기 실시
차압센서 정기 교정
자동제어 시스템 성능점검
화재 시나리오 기반 종합 성능시험 수행
6. 시스템 비교
| 구분 | 일반 가압방식 | 샌드위치 가압방식 |
|---|---|---|
| 압력구역 | 단일 | 다단 분할 |
| 굴뚝효과 대응 | 불리 | 우수 |
| 차압 안정성 | 보통 | 우수 |
| 설비 규모 | 작음 | 큼 |
| 자동제어 | 단순 | 복잡 |
| 초고층 적용성 | 제한적 | 매우 우수 |
7. 결론
샌드위치 가압방식은 피난안전구역을 중심으로 건물을 상·하부의 독립된 압력구역으로 분리하여 차압을 유지하는 초고층 건축물 전용 제연방식이다. 이 방식은 굴뚝효과와 풍압에 효과적으로 대응하고 피난안전성을 향상시키는 장점이 있으나, 설비가 복잡하고 초기 투자비가 증가하는 단점이 있다. 따라서 국내에서는 성능위주설계(PBD)를 기반으로 CFD 해석, 실시간 차압제어, 굴뚝효과를 고려한 설계 및 유지관리 체계 강화를 통해 제연성능의 신뢰성을 확보하는 방향으로 발전시켜야 한다.
기술사 답안 핵심 포인트:
① 피난안전구역을 중심으로 상·하부 압력구역을 분리하는 원리 제시 → ② 시스템 모델(Zone–Refuge–Zone) 도식화 → ③ 굴뚝효과 저감·차압 안정성 확보 등의 장점과 설비 복잡성 등의 단점 비교 → ④ 국내 설계현황과 문제점 → ⑤ PBD, CFD, 실시간 차압제어, 유지관리 강화 등의 개선방향을 연계하여 서술하면 고득점 답안 구성이 가능하다.
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