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표제지
목차
국문요약 13
I. 서론 16
1.1. 연구의 배경 및 목적 16
1.2. 연구의 내용 및 방법 19
II. 이론고찰 및 선행 연구 분석 21
2.1. U-City의 기본 개념 및 선행연구 분석 21
2.2. 제연 및 환기설비의 원리 및 선행연구 분석 23
2.2.1. 제연 및 환기설비의 원리 및 규정 23
2.2.2. 제연 및 환기 관련 선행 연구 분석 35
2.2.3. 방화문 및 창문의 틈새와 제연설비 42
2.2.4. 제연덕트 전용과 겸용의 장단점 52
2.3. 시뮬레이션 프로그램 54
2.3.1. Contam 프로그램 소개 54
2.3.2. Contam 프로그램을 통한 계산 검증 및 연돌효과 55
2.3.3. Contam 프로그램 적용 및 분석사례 59
2.4. 선행연구 분석 및 연구 방향 설정 63
2.4.1. 창문용 자동폐쇄장치의 문제점 63
2.4.2. 연구 방향 설정 67
III. 제연덕트를 이용한 환기시스템 설계 69
3.1. 환기 및 제연 성능을 만족하는 시스템 개발 69
3.1.1. 제연덕트를 이용한 환기시스템의 작동 개요 70
3.2. 제연덕트를 이용한 환기시스템 설계 73
3.2.1. 연구대상 선정 및 환기량 계산 73
3.2.2. 기존 제연설계 분석 74
3.2.3. 환기구와 틈새 분석 75
3.2.4. 자연환기장치와 제연풍량 분석 78
3.2.5. 하이브리드 환기시스템 적용한 환기 및 제연 80
3.3. 유비쿼터스 환경 구축 90
3.3.1. 기존시설 중 활용 가능한 센서 상황 90
3.3.2. 온도 센서 및 타이머 추가 91
3.3.3. 환기시스템 기동 및 정지 방법 92
IV. 환기시스템의 성능 비교 96
4.1. 시뮬레이션 조건 설정 96
4.2. 계절별 환기시스템의 효과 비교 108
4.2.1. 평상시 시스템 별 환기시뮬레이션 및 환기횟수 109
4.2.2. 여름철 시스템 별 환기시뮬레이션 및 환기횟수 114
4.2.3. 겨울철 시스템 별 환기시뮬레이션 및 환기횟수 131
4.2.4. 환기성능 비교 결과 및 환기시스템 선정 150
4.3. 하이브리드 환기시스템 적용 제연 시뮬레이션 152
4.3.1. 봄·가을에 화재 발생시 153
4.3.2. 여름철 화재발생시 156
4.3.3. 겨울철 화재 발생시 157
4.3.4. 하이브리드 환기시스템 적용 제연 시뮬레이션 결과 159
V. 결론 160
5.1. 연구의 결론 및 기대효과 160
5.2. 연구의 한계 및 발전방향 163
참고문헌 164
ABSTRACT 168
[표 2-1] NFSC 501A 주요내용 32
[표 2-2] 제연설비 성능시험조사표 비고 34
[표 2-3] The smoke resistance performance analysis of the fire door 43
[표 2-4] 전용설비의 장단점 53
[표 2-5] 겸용제연설비의 장단점 53
[표 2-6] 컴퓨터 환경 55
[표 3-1] 상황별 기구 작동 71
[표 4-1] 개구부 정보 101
[표 4-2] 생활패턴 및 피난패턴에 대한 리서치 및 결과 103
[표 4-3] 환기시뮬레이션 조건 106
[표 4-4] 평상시 시스템에 따른 환기 횟수 112
[표 4-5] 여름철 시스템에 따른 환기 횟수 129
[표 4-6] 겨울철 시스템에 따른 환기 횟수 147
[표 4-7] 제연시뮬레이션 조건(화재발생시 차압유지조건) 152
[그림 1-1] 연구의 흐름 및 과정 20
[그림 2-1] 급기가압방식에 의한 방연 23
[그림 2-2] 방연풍속의 개념 24
[그림 2-3] 병렬배열 25
[그림 2-4] 직렬배열 26
[그림 2-5] 기계환기방식의 종류 30
[그림 2-6] 태양집열창 환기시스템 37
[그림 2-7] 리버티타워 환기개념도 39
[그림 2-8] 제연덕트를 이용한 공동주택 환기 40
[그림 2-9] 창세트의 에너지소비효율등급표시 46
[그림 2-10] 거의 닫힌 볼륨댐퍼 48
[그림 2-11] 출입문 폐쇄 시 과압발생 49
[그림 2-12] 복합댐퍼 형상 51
[그림 2-13] 복합댐퍼 작동 모습 51
[그림 2-14] 수계산을 위한 기본 모형 56
[그림 2-15] 수계산 검증 contam 프로그램 57
[그림 2-16] 수계산 검증 Contam Results Viewer 57
[그림 2-17] 연돌효과 구현 58
[그림 2-18] 수계산 연돌효과 구현 58
[그림 2-19] 여름철 계단실문, 창문, 자동문 열고 측정 60
[그림 2-20] 겨울철 계단실문, 창문, 자동문 열고 측정 60
[그림 2-21] 창문용 자동폐쇄장치 64
[그림 2-22] 우리나라 성인흡연율 65
[그림 2-23] 성/연령대별 흡연율 65
[그림 3-1] 제연덕트를 이용한 환기 시스템 70
[그림 3-2] 안양시 D아파트 74㎡ Type 계단 코어 평면도 73
[그림 3-3] 자동차압댐퍼 77
[그림 3-4] 자연환기장치 설치로 인한 송풍기 운전점 이동 78
[그림 3-5] 자연환기장치 79
[그림 3-6] 하이브리드 환기 개념도 81
[그림 3-7] 차압유지 계산 평면 모델링 83
[그림 3-8] 방연풍속 계산 평면 모델링 85
[그림 3-9] 환기시스템 제어 흐름도 94
[그림 4-1] 기준층(지상2~15층) 공간 모델링 97
[그림 4-2] 지하 2층 모델링 98
[그림 4-3] 지하 1층 모델링 99
[그림 4-4] 지상 1층 모델링 99
[그림 4-5] 지붕층 모델링 100
[그림 4-6] 고정창 평상시(3층) 109
[그림 4-7] 자연환기장치만 설치 시 평상시(3층) 110
[그림 4-8] 고정창 제연환기 평상시(3층) 110
[그림 4-9] 하이브리드 환기 평상시(3층) 111
[그림 4-10] 평상시 시스템에 따른 층별 환기 횟수 비교 1 113
[그림 4-11] 평상시 시스템에 따른 층별 환기 횟수 비교 2 113
[그림 4-12] 고정창 여름철(1층) 114
[그림 4-13] 고정창 여름철(3층) 115
[그림 4-14] 고정창 여름철(10층) 116
[그림 4-15] 고정창 여름철(15층) 116
[그림 4-16] 고정창 여름철(지붕) 117
[그림 4-17] 자연환기장치만 설치 여름철(1층) 118
[그림 4-18] 자연환기장치만 설치 여름철(3층) 118
[그림 4-19] 자연환기장치만 설치 여름철(10층) 119
[그림 4-20] 자연환기장치만 설치 여름철(15층) 119
[그림 4-21] 자연환기장치만 설치 여름철(지붕) 120
[그림 4-22] 고정창 제연환기 여름철(1층) 120
[그림 4-23] 고정창 제연환기 여름철(3층) 121
[그림 4-24] 고정창 제연환기 여름철(10층) 121
[그림 4-25] 고정창 제연환기 여름철(15층) 122
[그림 4-26] 고정창 제연환기 여름철(지붕) 122
[그림 4-27] 하이브리드 환기 가동 여름철(1층) 123
[그림 4-28] 하이브리드 환기 가동 여름철(3층) 124
[그림 4-29] 하이브리드 환기 가동 여름철(10층) 124
[그림 4-30] 하이브리드 환기 가동 여름철(15층) 125
[그림 4-31] 하이브리드 환기 가동 여름철(지붕) 125
[그림 4-32] 하이브리드 환기 정지 여름철(1층) 126
[그림 4-33] 하이브리드 환기 정지 여름철(3층) 127
[그림 4-34] 하이브리드 환기 정지 여름철(10층) 127
[그림 4-35] 하이브리드 환기 정지 여름철(15층) 128
[그림 4-36] 하이브리드 환기 정지 여름철(지붕) 128
[그림 4-37] 여름철 시스템에 따른 층별 환기 횟수 비교 1 130
[그림 4-38] 여름철 시스템에 따른 층별 환기 횟수 비교 2 131
[그림 4-39] 고정창 겨울철(1층) 132
[그림 4-40] 고정창 겨울철(3층) 132
[그림 4-41] 고정창 겨울철(10층) 133
[그림 4-42] 고정창 겨울철(15층) 133
[그림 4-43] 고정창 겨울철(지붕) 134
[그림 4-44] 자연환기장치만 설치 겨울철(1층) 134
[그림 4-45] 자연환기장치만 설치 겨울철(3층) 135
[그림 4-46] 자연환기장치만 설치 겨울철(10층) 135
[그림 4-47] 자연환기장치만 설치 겨울철(15층) 136
[그림 4-48] 자연환기장치만 설치 겨울철(지붕) 136
[그림 4-49] 고정창 제연환기 겨울철(1층) 137
[그림 4-50] 고정창 제연환기 겨울철(3층) 138
[그림 4-51] 고정창 제연환기 겨울철(10층) 138
[그림 4-52] 고정창 제연환기 겨울철(15층) 139
[그림 4-53] 고정창 제연환기 겨울철(지붕) 139
[그림 4-54] 하이브리드 환기 가동 겨울철(1층) 140
[그림 4-55] 하이브리드 환기 가동 겨울철(3층) 141
[그림 4-56] 하이브리드 환기 가동 겨울철(10층) 141
[그림 4-57] 하이브리드 환기 가동 겨울철(15층) 142
[그림 4-58] 하이브리드 환기 가동 겨울철(지붕) 142
[그림 4-59] 하이브리드 환기 정지 겨울철(1층) 143
[그림 4-60] 하이브리드 환기 정지 겨울철(3층) 144
[그림 4-61] 하이브리드 환기 정지 겨울철(10층) 144
[그림 4-62] 하이브리드 환기 정지 겨울철(15층) 145
[그림 4-63] 하이브리드 환기 정지 겨울철(지붕) 146
[그림 4-64] 겨울철 시스템에 따른 층별 환기 횟수 비교 1 148
[그림 4-65] 겨울철 시스템에 따른 층별 환기 횟수 비교 2 149
[그림 4-66] 하이브리드 제연 차압유지 봄·가을(3층) 153
[그림 4-67] 하이브리드 제연 방연풍속유지 봄·가을(3층) 154
[그림 4-68] 하이브리드 제연 방연풍속유지 봄·가을(15층) 155
[그림 4-69] 하이브리드 제연 차압유지 여름철(3층) 156
[그림 4-70] 하이브리드 제연 방연풍속유지 여름철(3층) 156
[그림 4-71] 하이브리드 제연 방연풍속유지 여름철(15층) 157
[그림 4-72] 하이브리드 제연 차압유지 겨울철(3층) 157
[그림 4-73] 하이브리드 제연 방연풍속유지 겨울철(3층) 158
[그림 4-74] 하이브리드 제연 방연풍속유지 겨울철(15층) 158
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소방시설 중에 화재 시 거주자의 피난과 소방관의 안전을 위하여 일정규모이상에는 제연설비설치가 의무화 되어있다. 제연설비가 설치된 건축물과 제연설비가 없는 건축물의 화재 발생 시 피해 사례를 보면 제연설비가 설치된 건축물의 피해가 적은 것을 볼 수 있다. 하지만 제연설비로 인하여 평상시 생활에 불편을 주기도 한다. 특히 제연설비가 설치된 공동주택의 비상엘리베이터 홀은 밀폐구조로 되어있어 환기가 제대로 되지 않고 있으며 여름철에는 열기의 배출이 되지 않아 내부기온이 외부기온보다도 높은 열섬현상이 발생하기도 한다.
환기에 대한 해결책으로 평상시에는 열수 있고 화재 시에는 닫히는 창문용 자동폐쇄장치가 도입되었지만 외기와 접한 곳에 설치되어 있어 고장의 확률이 높고 흡연자가 방치한 라이터나 담배꽁초로 인해 비상시에 완전폐쇄가 안되어 제연설비의 본래 목적을 달성할 수 없는 요인이 될 수 있다.
인간은 누구나 행복을 추구하고 있으며 U-City의 본질적 목표는 안전하고 쾌적하고 편리한 삶이 되어야 할 것이다. 그러나 기존의 제연설비는 안전한 삶에는 도움을 주었지만 쾌적한 삶에는 방해요소로 작용하였다. 제연구역에 설치된 창문용 자동폐쇄장치는 안전마저도 보장되지 않을 수 있다. 따라서 안전과 쾌적함을 동시에 만족하는 제연덕트를 이용한 환기시스템의 개발이 필요하였다.
본 연구의 목적은 환기가 잘되지 않는 밀폐계단구조의 제연설비가 설치되어 있는 아파트를 대상으로 비상엘리베이터 홀의 환기성능을 제연덕트를 이용한 환기시스템을 적용하여 개선하고자 하였다. 그리하여 일상적인 생활에서는 환기성능을 유지하여 쾌적한 환경을 누리고 화재 시에는 제연성능을 만족하여 안전한 환경을 유지하도록 하였다. 이와 더불어 센서를 이용한 유비쿼터스 환경을 구축하여 편리하게 작동시키는 방법을 제시하였다. 환기 및 제연성능의 검증방법으로는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램의 하나인 Contam을 이용하였다.
연구의 대상은 계단실에 창문이 없는 밀폐계단구조로 되어있고 제연설비가 있는 아파트를 선정하여 다음의 4가지 유형으로 모델링하였다.
첫째, 비상엘리베이터 홀의 외기와 면하는 창은 고정창이 설치되어있다.
둘째, 비상엘리베이터 홀의 외기와 면하는 창은 고정창이지만 자연환기장치가 설치되어 있다.
셋째, 비상엘리베이터 홀의 외기와 면하는 창은 고정창이며 제연덕트를 이용한 환기시스템이 설치되어 있다.
넷째, 비상엘리베이터 홀의 외기와 면하는 창은 고정창이지만 자연환기장치가 설치되어 있고 동시에 제연덕트를 이용한 환기시스템이 설치되어 있다(이를 하이브리드 환기시스템이라 정의함).
4가지 유형의 모델링 후 화재상황이 아닌 일상적인 상황에서 연돌효과를 기대하기 어려운 환경(외기 및 실내 20 ℃)과 역 연돌효과가 발생하는 환경인 냉방을 하는 여름철(외기 32 ℃, 세대 26 ℃)과 연돌효과가 발생하는 환경인 난방을 하는 겨울철(외기 –11 ℃, 세대 22 ℃)로 구분하여 시뮬레이션을 실시하였다.
연구의 결과 자연환기장치와 제연덕트를 이용한 환기시스템이 결합된 하이브리드 환기시스템이 환기성능과 제연성능 면에서 가장 양호하였다. 환기성능은 밀폐가 심하여 환기가 잘되지 않았던 2~15층을 보면 평상시에 고정창과 자연환기장치만 설치된 경우는 환기가 전혀 안되었다. 그리고 하이브리드 환기시스템을 적용한 경우에는 시간당 환기횟수는 0.429회로 환기규정인 0.5회를 충족하지 못하였다. 그렇지만 고정창에 제연덕트를 이용한 환기시스템을 적용한 경우보다 20.17 % 개선되었다. 여름철에는 하이브리드 환기시스템을 적용한 경우가 시간당 1.293회로 자연환기장치만 있는 것에 비하여 29.04 % 개선되었다. 겨울철에는 환기시스템을 중지하더라도 자연환기장치만으로 환기역할을 충분히 수행하였으며 환기성능은 하이브리드 환기시스템의 가동을 멈추었을 때가 1.454회로 고정창만 있을 때보다 267 % 개선되었다.
본 연구가 제연설비가 설치된 많은 건축물에 적용된다면 환기가 되지 않아 불편하였던 비상엘리베이터 홀에 환기성능 개선시킬 수 있어 안전한 삶과 더불어 쾌적하고 편리한 삶을 동시에 영유할 수 있을 것으로 기대된다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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