굴뚝효과

계기 4개는 기압계를 묘사한 것으로 굴뚝효과가 발생하는 건물 하층부의 기압이 낮아져, 외부 대기가 유입되는 것을 보여준다.

굴뚝효과(Stack effect) 또는 연돌효과는 고층건물에서 수직공간 내부의 온도차로 인해 공기 자체의 부력이 발생하고 이로 인한 압력차가 발생하면서 공기가 수직으로 된 공간을 상승하거나 하강하게 되는 현상을 의미한다.

일반 상황에서는 건물 냉난방비를 우걱우걱하는 원인이 되며 화재 상황에서는 건물 내부에서 발생한 화재시 건물 내부에서의 공기 이동은 건물 내부에서 공기가 상승하는 효과로 나타나며 반대로 건물 외부에서 화재가 발생하여 건물을 덮칠 경우에는 역으로 공기가 하강하여 건물 내부로 연기와 화염이 들어오게 된다.

비화재 상황에서의 굴뚝효과

사실 고층건물에서는 화재상황이 아닌 일반 상황에서도 이 굴뚝효과가 발생하는데 건물 내부에서 발생하는 자연기류가 바로 이것이다. 고층건물 계단에서 발생하는 수직상승기류가 바로 그것이며 하층부의 난방열이 공기를 팽창시켜 상층부로 이동시키는 것으로 날씨가 추운 겨울철 고층 건물의 상층부 비상계단이나 엘리베이터 입구 등에서 부는 바람이 바로 이것이다.

특히 겨울철에는 외부 공기가 건물 하층부에서 데워진 뒤 실내에서 상승하여 수직경로를 따라 공기가 상승, 건물 최상부를 통해 빠져나가게 되는데 상층부에 공기 통로가 열려있어 이 공기의 이동 속도가 상당히 빠르게 일어날 경우 건물 전체에 대한 난방소요량이 급증하게 되어 난방비 증가의 직접적인 원인으로 작용하게 된다.

특히 기껏 데워놓은 공기가 죄다 위로 올라가 버리게 되는 하층부 거주층은 아무리 난방을 해도 난방의 효과를 거의 볼 수 없으며 반대로 상층부에서는 난방을 죄다 꺼놓아도 아래에서 데워진 공기가 계속 유입되면서 과열로 인한 불쾌감이 발생할 수 있으며 이를 해소하기 위해 환기를 한다면서 문이나 창문을 여는 조치 등을 할 경우 굴뚝효과를 더 심화시키는 악순환에 빠질 수 있다. 반대로 여름철에 상층부가 쪄죽는 찜통이 되는 것은 덤. 건물주 입장에서 보면 이런 현상 덕분에 대형건물의 공조 시스템에 과부하가 걸리고 건물 유지비가 지속적으로 상승하는 요인으로 작용하기도 한다. 임대료를 올리면 해결된다

이게 심한 경우 건물 현관문이나 엘리베이터의 문이 제대로 닫히지 않는 등의 현상이 발생하기도 한다. 특히 높은 풍압이 걸려서 주요 통로에서 공기가 세어나오는 고층부에서 문이 잘 닫히지 않으며, 적절한 위치에 압력차를 해소할 수 있는 댐퍼 등을 설치하여야 불편함을 해소할 수 있다.

컴퓨터 부품 배치에서도 중요하게 여겨지는 데, 굴뚝효과로 최대한 발열의 자연적인 이동을 유도해 쿨링 효과를 극대화하는 데 사용한다. 흔히 말하는 '굴뚝 케이스'가 이런 효과를 고려해 부품 배치가 가능한 케이스이다.

화재상황에서의 굴뚝효과

건축물 화재에서 건물 중심부(엘리베이터 승강로, 계단 등)가 굴뚝으로 작용할 경우 하층부에서 발생한 불길이 순식간에 상층부까지 올라가게 되며 여기서 주변으로 불이 옮겨붙을 경우 건물 전체가 불덩어리가 되는 원인이 된다. 이 경우 굴뚝효과만으로 불이 번지는 것이 아니라 이미 상층부에 들어차 있는 가연성 가스에 불이 옮겨붙는 플래시 오버 현상이 동반한다.

대규모 건축물인 경우 건축물 내부 아래쪽서 화재가 발생했을 때 수직공간이 굴뚝으로 작용하여 연기가 상층으로 퍼져간다. 건축물의 내부에서 압력이 중립상태가 되는 지점 아래쪽은 수직공간 내의 유입만이 가능하므로 수평방향으로 연기확산은 거의 없을 것이며 해당 구간 위쪽은 수직공간 밖으로 연기가 빠져나가려는 경향 때문에 연기가 수평으로 확산된다.

상층부로 갈수록 이러한 경향이 증가하여 상층부는 매우 거센 연기에 휩싸이게 되는 것이 일반적이다. 유독가스도 연기를 타고 올라오며 적절한 시간 내에 탈출하지 못하면 옥상 비상문 앞에서 질식사 하기도 한다. 또한 최상부의 개구부를 통해 강한 상승기류가 발생하기 때문에 헬리콥터가 출동하여도 비행이 불안정해져 구조나 화재진압 자체가 매우 어렵다.

굴뚝효과가 발생하는 구획과 그렇지 않은 구획 간의 압력 차이로 인해 화재 상황에서 여닫이문이 열리지 않거나 반대로 닫히지 않는 상황도 발생하게 된다. 이 경우 열려야 하는 비상문이 열리지 않거나 열리지 않아야 하는 방화문이 열려버리는 상황이 발생할 수 있기 때문에 안전상 매우 큰 문제가 될 수 있다.

최악의 상황이 되면 건물 코어가 장시간의 고온에 노출되면서 건물 구조 자체가 매우 약해져서 건축물이 붕괴하는 사고가 발생할 가능성이 있다.

방지 대책

• 애초에 건물 건축시 압력에 잘 견디는 자재를 사용하며 건물의 기밀성을 높이는 시공이 필요하다. 특히 화재시 건물 외장재와 건물 사이의 틈새가 굴뚝으로 작용하는 경우도 있으모로 외장 마감시에는 건물과 외장재 사이의 빈 틈을 불연성 소재로 메꾸는 것이 중요하다.
• 층간 방화구역을 두어서 각각의 층을 분리시킨다. 특히 굴뚝이 되는 계단, 엘리베이터 코어, 전기실, 기계실, 기타 열린 개구부 등은 방화문과 방화셔터로 구역별 분리를 하고 방연셔터나 여타 장치를 사용하여 건물이 굴뚝이 되는 것을 방지하여야 한다.
• 건물 내부 화재 발생시(특히 하층부에서) 새로운 통로를 만들어서 진입을 하지 않는다. 백드래프트의 우려도 있지만 외부에서 새로운 통로를 내면서 건물에 공기유입구를 만들 경우 새로 뚫린 구멍을 통해 공기가 유입되고 상층부까지 굴뚝이 되는 형상을 만들게 되며 이 가연성 가스에 화염이 옮겨붙는 플래시 오버 현상의 트리거로 작용할 수 있기 때문이다. 이 때문에 굴뚝효과가 발생하여 건물 내부에 불길이 잔뜩 번져있는 상황이라면 진화 자체가 매우 어려운 상황이다.

같이 보기

• 백드래프트
• 플래시 오버