굴뚝 효과

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1. 개요
2. 건물에서의 굴뚝 효과
- 2.1. 굴뚝 효과의 활용
- 2.2. 굴뚝 효과와 화재
3. 굴뚝 효과의 원리
- 3.1. 굴뚝 내외부의 압력 차
- 3.2. 급기 속도와 급기 유량
4. 굴뚝 효과의 응용
참조

1. 개요

굴뚝 효과는 건물 내부와 외부의 온도 차이로 인해 발생하는 현상으로, 따뜻한 공기는 상승하고 차가운 공기는 하강하면서 공기의 흐름을 만들어낸다. 건물, 전자 기기, 산업, 수송 장치, 자연 에너지 등 다양한 분야에서 활용되며, 건물 설계에서는 자연 환기 시스템 구축에 기여하지만, 화재 시 연기 확산을 가속화하여 인명 피해를 키울 수 있어 주의가 필요하다. 굴뚝 효과는 온도 차이, 부력, 압력 차이, 급기 속도 등의 원리로 설명되며, 건축, 전자 기기, 산업, 수송 장치, 자연 에너지 등 다양한 분야에서 응용된다.

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굴뚝 효과
개요
정의	굴뚝 효과(stack effect)는 건물 내부와 외부의 온도 차이로 인해 발생하는 공기의 수직 이동 현상임. 이는 따뜻한 공기가 상승하고 차가운 공기가 하강하는 자연적인 현상에 기인함.
발생 원리	건물 내부의 따뜻한 공기는 밀도가 낮아 상승하려는 경향이 있음. 건물 외부의 차가운 공기는 밀도가 높아 하강하려는 경향이 있음. 이러한 밀도 차이로 인해 건물 내부에 상승 기류가 형성되어 굴뚝과 같은 효과를 나타냄.
영향 요인	건물 내외부의 온도 차이 건물의 높이 건물의 기밀성 바람의 영향
긍정적 효과
자연 환기 촉진	굴뚝 효과는 건물 내부에 신선한 공기를 유입하고 오염된 공기를 배출하여 자연 환기를 촉진함.
에너지 절약	자연 환기를 통해 냉난방 에너지 소비를 줄일 수 있음.
부정적 효과
불균등한 온도 분포	굴뚝 효과로 인해 건물 상부와 하부의 온도 차이가 커질 수 있음.
과도한 환기	겨울철에는 과도한 환기로 인해 난방 부하가 증가할 수 있음.
연기 확산	화재 발생 시 굴뚝 효과로 인해 연기가 빠르게 확산될 수 있음.
제어 방법
건물 설계	건물 높이 및 형태 최적화 건물 기밀성 확보 환기 시스템 설계
설비 제어	자동 환기 시스템 운영 온도 제어 시스템 운영
기타	굴뚝 효과 방지 장치 설치 화재 확산 방지 시스템 구축
활용 분야
건축 설계	건물 에너지 효율 향상 및 쾌적한 실내 환경 조성
화재 안전	화재 확산 방지 및 연기 제어
산업 설비	산업 설비의 환기 및 냉각

2. 건물에서의 굴뚝 효과

건물은 완전히 밀폐되어 있지 않기 때문에 내외부 온도 차이에 의해 공기 침투(infiltration)가 발생한다. 겨울철에는 난방으로 데워진 따뜻한 실내 공기가 상승하여 건물 상부의 틈이나 개구부를 통해 빠져나가고, 차가운 외부 공기가 건물 하부로 유입된다. 이러한 현상을 굴뚝 효과라고 한다. 냉방 기간에는 굴뚝 효과가 반대로 나타나는데, 이를 역 굴뚝 효과라고 한다. 차가워진 실내 공기가 건물 하부로 빠져나가고, 더운 외부 공기가 건물 상부로 유입되지만, 온도 차이가 겨울철보다 작아 그 영향은 상대적으로 약하다.^[1]

현대식 고층 건물은 건물 외피가 잘 밀폐되어 있어 굴뚝 효과로 인한 압력 차이가 크게 나타날 수 있으므로 설계 시 이를 고려해야 한다. 이 압력 차이는 기계적 환기로 해결할 수 있다. 계단, 샤프트, 엘리베이터 등은 굴뚝 효과를 강화하는 경향이 있지만, 내부 칸막이, 바닥, 방화 격벽은 굴뚝 효과를 완화할 수 있다.^[2]

2. 1. 굴뚝 효과의 활용

일부 건물은 낮은 층의 창문이나 통풍구로 시원한 공기를 유입하고, 채광창, 지붕 통풍구 또는 고측창과 같은 높은 층의 개구부를 통해 따뜻한 공기를 빠져나가도록 설계되어 굴뚝 효과를 유도한다. 이러한 수직 기류 이동은 실내 온도를 낮추는 자연 환기 시스템을 만든다. 굴뚝 효과를 건물 한쪽에서 다른 쪽으로 기류가 이동하는 교차 환기와 결합하면 전반적인 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.^[7]^[8]

굴뚝 효과는 전통적인 건물과 현대적인 친환경 건축 모두에서 사용된다. 전통적인 사용 예로는 더 시원한 바람을 건물 안으로 끌어들여 더운 공기를 배출하여 실내 온도를 쾌적하게 유지하는 중동 건축에서 흔히 볼 수 있는 풍탑이 있다.^[9] 현대적인 지속 가능한 건물은 종종 지열 결합, 토굴집, 증발 냉각 챔버와 같은 관련 비전기 기술과 함께 굴뚝 효과를 사용하여 건물의 수동 냉방을 개선한다. 건축가는 건물의 구조, 방향 및 환기 경로를 신중하게 설계함으로써 굴뚝 효과를 활용하여 기계식 냉방 시스템에 대한 의존도를 줄이고 전반적인 에너지 효율성을 높일 수 있다.^[8]

'''자연 환기''': 일본의 오래된 민가에서는 토방이나 이로리에서 땔감이나 짚을 사용하여 취사나 난방을 했다. 이때 발생하는 연기를 자연 배기하기 위해 지붕 위에 굴뚝이 설치되어 있었다. 또한 농촌에서 양잠이 성행하면서 우에가키 모리쿠니의 양잠비록^[22] 등의 저작을 통해 실내 환기·조온의 중요성이 인식되었고, 자연 환기를 이용하여 실내 전체의 환기를 좋게 하기 위해 건물 전체를 덮는 고시야네가 고안되었다.^[23]

'''이중 외피 시스템''': 빌딩의 외벽에는 넓은 면적에 걸쳐 유리창이 설치되는 경우가 있다. 그러나 창이 있는 부분은 여름철 햇볕에 의한 열 유입, 겨울철 실내 열의 복사에 의한 열 손실이 높아 건물의 에너지 소비를 증가시키는 주요 요인이 된다. 이를 방지하는 방법으로 유리창 바깥에 추가로 유리를 설치하고, 그 두 겹의 유리 상하 부분에 틈을 둔다. 그 두 겹의 유리 사이에 블라인드나 루버를 설치하면, 여름철에는 블라인드 등을 통해 두 겹의 유리 사이의 공기가 따뜻해지지만, 그곳의 고온의 공기를 상하 틈을 통해 외부의 차가운 공기와 굴뚝 효과로 교체하여 열 유입을 억제하고, 또한 겨울철에는 두 겹의 유리 상하의 틈을 막아 유리 사이를 온실 상태로 만들어 실내로부터의 열 손실을 방지하는 이중 외피 시스템이 실용화되고 있다.^[24]

'''에어 사이클 시스템''': 이중 외피 시스템은 주로 건물의 창 부분에서의 열 유입 손실 대책을 하지만, 이 생각을 더 나아가 지붕이나 벽까지 응용한 것이 에어 사이클 시스템이다. 이 방식은 민가 등 외면적에서 지붕이나 벽의 비율이 높은 건물에 효과가 높다. 민가의 경우, 바닥 아래를 축열 재료로 사용하는 경우도 있다. 에어 사이클이나 솔라 서킷 등의 명칭으로 주택 메이커 각사에서 판매하고 있다.

'''아트리움형 건축''': 1980년대부터 1990년대에 걸쳐 포드 재단 빌딩이나 삿포로 팩토리와 같이 고층 빌딩 안에 나무가 무성한 중정을 만드는 아트리움형 건축이 세계 각지에서 다수 건축되었다.^[25] 이들 중에는 중정 상공에서 햇빛을 끌어들임과 동시에 건물 하부에서 외기를 끌어들여 자연 공조를 도모한 건물도 있다. 일본전기 본사 빌딩이나 짐바브웨의 수도 하라레에 있는 이스트게이트 쇼핑 센터 등이 그 예이다.

단, 자연 환기를 촉진하기 위한 개방적인 공간 구성은 화재 시 발생한 연기의 유동을 용이하게 하므로, 건물 전체의 인명 위험을 초래할 우려가 커, 화재 시에는 연기의 유동을 막을 수 있도록 하는 대책이 필요하다.^[26]

2. 2. 굴뚝 효과와 화재

굴뚝 효과는 화재 발생 시 연기와 화염의 확산을 가속화할 수 있다. 특히 고층 건물이나 터널과 같이 밀폐된 공간에서는 이러한 효과가 더욱 두드러져 대형 인명 피해로 이어질 수 있다.^[2]

건축물에서 상하 방향으로 공기가 흐를 수 있는 공간이 있고, 그 하부에 공기를 공급할 수 있는 구조라면, 이 부분은 굴뚝과 같은 구조가 되어 연소를 촉진시킨다. 또한, 연기는 사람이 달리는 속도보다 빠르기 때문에 대피 시간을 확보하기 어려워 대형 참사로 이어지는 경우가 많다.
주요 화재 사례

사건명	발생 장소	굴뚝 효과 발생 위치	특징
대연각호텔 화재	호텔	계단, 공조 덕트, 엘리베이터 샤프트
오스트리아 케이블카 화재 사고	케이블카 터널	케이블카 터널
대구 지하철 방화 사건	지하철 터널 및 역	지하철 터널과 역 지상부로 통하는 계단^[30]
카프룬 터널 화재	터널	터널	^[4]
킹스 크로스 화재	지하철역		^[4]
그렌펠 타워 화재	고층 아파트	외부 알루미늄 클래딩과 내부 단열재 사이의 빈 공간	의도치 않은 굴뚝 형성으로 화재가 위로 빠르게 확산^[5]^[6]

특히, 그렌펠 타워 화재의 경우 건물 외벽의 알루미늄 클래딩과 단열재 사이의 공간이 굴뚝 역할을 하여 화재를 급격히 확산시킨 것으로 밝혀졌다.^[4]

따라서 건물 설계 시에는 굴뚝 효과를 제어할 수 있는 방화 격벽 설치, 연기 제어 시스템 구축 등 안전 대책 마련이 필수적이다.^[2] 특히 화재 시 굴뚝 효과는 연기 및 화재 확산을 막고, 입주자와 소방관에게 견딜 수 있는 조건을 유지하기 위해 제어해야 한다.^[2] 공기 배출구를 지면에 가깝게 설치하는 등의 자연 환기 방식이 효과적일 수 있지만, 더 높은 구조물이나 공간이 제한된 건물에서는 기계 환기가 선호되는 경우가 많다.^[3] 연기 배출은 새로운 건설에서 중요한 고려 사항이며 설계 단계에서 평가해야 한다.^[3]

3. 굴뚝 효과의 원리

건물은 외부와 완전히 밀폐되지 않아 건물로 공기가 새어 들어오는 침기 현상이 발생한다. 겨울철에는 차가운 공기가 건물 아래쪽에 머무르다가 난방으로 데워지면서 밀도가 낮아져 위로 올라가는 과정이 반복된다. 낮에는 햇볕에 의해 건물 위쪽부터 따뜻해진 공기가 밀도가 낮아져 상승하고, 건물 틈이나 창문으로 들어온 차가운 공기도 데워지면서 위로 올라가 건물 내부 온도를 차갑게 유지한다. 반대로 밤에는 냉각 복사로 열이 방출되어 건물 위쪽이 빨리 차가워지고, 밀도가 높아진 차가운 공기는 아래로 내려온다.

샤를의 법칙(조제프 루이 게이뤼삭의 법칙이라고도 함)에 따르면, 일정 무게의 기체 부피( $V$ )는 절대 온도(''T'')에 비례하여 증가한다.^[17] 즉, 일정 부피의 용기에 들어가는 기체의 무게는 온도에 반비례하여 감소하고, 이는 기체의 밀도(ρ)가 온도에 반비례하여 낮아짐을 의미한다.

따라서 따뜻한 기체는 차가운 기체보다 밀도가 낮아 가벼워지므로, 충분한 중력이 작용하는 지구 표면 근처에서는 부력이 발생하여 위로 상승한다.^[15]

3. 1. 굴뚝 내외부의 압력 차

외부 공기와 건물 내부 공기 사이의 온도 차이로 인해 건물 외부와 내부 공기 사이에 압력 차이가 발생한다. 이러한 압력 차이(''ΔP'')는 굴뚝 효과의 원동력이며 다음 방정식으로 계산할 수 있다.^[10]^[11]

:

\Delta P = C a h \bigg(\frac {1}{T_o} - \frac {1}{T_i}\bigg)

이 방정식은 건물 내외부에 모두 공기가 존재하는 건물에만 적용된다. 1~2층 건물에서는 ''h''가 건물의 높이가 된다. 다층 고층 건물의 경우, ''h''는 건물의 중립 압력 레벨(NPL)에서 최상위 개구부 또는 최하위 개구부까지의 거리가 된다.^[10]

SI 단위
기호	의미	단위
ΔP	사용 가능한 압력 차이	Pa
C	상수	0.0342 K/m
a	대기압	Pa
h	높이 또는 거리	m
T_o	절대 외부 온도	K
T_i	절대 내부 온도	K

미국 단위계
기호	의미	단위
ΔP	사용 가능한 압력 차이	psi
C	상수	0.0188 °R/ft
a	대기압	psi
h	높이 또는 거리	ft
T_o	절대 외부 온도	°R
T_i	절대 내부 온도	°R

굴뚝 효과는 충분한 중력이 작용하는 장소에서 다음과 같은 3단계로 설명된다.^[15]

# 공기의 밀도는 온도가 높을수록 낮아진다. 굴뚝 내부는 외부보다 고온이므로 외부보다 공기 밀도가 낮아져 '''부력'''이 발생한다.

# 이 부력에 의해 굴뚝 하부에서 Δ''P''의 '''압력 차'''가 발생한다.

# 이 압력 차이에 의해 굴뚝 하부의 공기 흡입구로부터 매 초 ''Q''의 차가운 공기가 '''급기'''되고 동시에 따뜻한 공기는 굴뚝 내부를 상승하여 '''배기'''된다.

충분한 중력과 대기를 가진 행성 위에서 지표면에서 상공으로 세워진 굴뚝의 경우, 굴뚝 출구의 기압은 지표면에 있는 굴뚝 입구보다 약간 낮다. 굴뚝 출구(상단)와 입구(하단)의 압력 차이 P는 굴뚝의 높이를 ''h'', 공기의 밀도를 ρ, 중력 가속도를 ''g''라고 하면 다음 식으로 주어진다.

: $P = g \cdot \rho \cdot h$

지상에서는 굴뚝 안팎으로 다음의 기압 차이 Δ''P''가 발생한다.

: $\Delta P = P_o - P_i = g \cdot (\rho_o - \rho_i) \cdot h$

: $\Delta P = g \cdot h \cdot \rho_s \cdot \frac {273.15}{T_o} \cdot \frac{T_i - T_o}{T_i} = (273.15 \cdot g \cdot \rho_s ) \cdot h \left(\frac {1}{T_o} - \frac {1}{T_i}\right) = C \cdot h \left(\frac {1}{T_o} - \frac {1}{T_i}\right)$

기호 설명^[19]
기호	의미와 단위
ΔP	발생하는 압력 차이, [Pa]
C	상수: 273.15 × g × ρ_s = 3463 kg・K・m^-1・s^-2^[18]
h	굴뚝의 높이, [m]
T_o	외기 절대 온도, [K]
T_i	굴뚝 내 평균 온도, [K]

밀도 차이로 인해 발생한 압력 차이 Δ''P''에 의해 외부에서 굴뚝으로 들어오는 공기의 부피를 ''V_o'', 이 부피의 공기 질량을 ''m_o'', 공기의 유속을 ''u_o''라고 하면, 에너지 보존의 법칙에 따라 아래 관계가 성립한다.

: $\Delta P \cdot V_o = \frac{1}{2} m_o \cdot u_o^2$

가스가 굴뚝으로 유입되는 속도 ''u_o''는 아래 식으로 주어진다.

: $u_o = \sqrt {2 g \cdot h \cdot \frac{T_i - T_o}{T_i}}$

이 속도에 굴뚝의 단면적 ''A''를 곱한 값이 급기 유량 ''Q''이다. 단, 실제 공기에서는 에너지 손실 등에 대한 보정으로 유량 계수 ''C'' (통상 0.65 - 0.7)를 곱한 값을 사용한다.

결과적으로 급기 유량과 외기 온도의 관계는 아래 식과 같다.^[20]

: $Q = C \cdot A \cdot \sqrt {2 g \cdot h \cdot \frac{T_i - T_o}{T_i}}$

기호 설명
기호	의미와 단위
Q	굴뚝 효과에 의한 급기 유량, [m³・s^-1]
A	굴뚝의 단면적^[21], [m²]
C	유량 계수 (통상 0.65 - 0.7)
g	중력 가속도 [9.80665 m・s^-2]
ｈ	굴뚝의 높이, [m]
T_o	외기의 절대 온도, [K]
T_i	굴뚝 내 평균 온도, [K]

예를 들어 높이 25m의 굴뚝에서 굴뚝 내부 온도가 250℃이고 외부 기온이 20℃인 경우, 내외부의 압력 차이는 약 130Pa로 적지만, 급기 속도는 약 10.4m/s에 달하며 100m를 약 9.6초에 진행한다. 이것은 육상 경기 100m 달리기 세계 기록보다 빠르며, 굴뚝 정상까지 5초 미만으로 도착한다. 이 사실은 고층 빌딩의 화재에서 연기가 사람의 달리는 속도보다 빠르게 퍼져나간다는 것을 의미한다.

3. 2. 급기 속도와 급기 유량

굴뚝 효과에 의해 유도되는 통풍 유량은 다음 방정식으로 계산할 수 있다.^[12]^[13] 이 방정식은 건물 내부와 외부에 공기가 모두 있는 건물에만 적용된다. 1~2층 건물에서 '''h'''는 건물의 높이이고, '''A'''는 개구부의 유동 면적이다. 다층 고층 건물에서 '''A'''는 개구부의 유동 면적이고, '''h'''는 건물의 중립 압력 레벨(NPL)에서 최상위 개구부 또는 최하위 개구부까지의 거리이다. NPL이 고층 건물에서 굴뚝 효과에 어떤 영향을 미치는지에 대한 설명은 참고자료에서 확인할 수 있다.^[10]

:

Q = C A \sqrt {2gh\frac{T_i - T_o}{T_i}}

SI 단위
변수	설명
Q	굴뚝 효과 통풍 유량 (m³/s)
A	유동 면적 (m²)
C	방출 계수 (보통 0.65~0.70)^[14]
g	표준 중력 중력 가속도 (9.81 m/s²)
h	높이 또는 거리 (m)
T_i	평균 내부 온도 (K)
T_o	외부 공기 온도 (K)

미국 단위계
변수	설명
Q	굴뚝 효과 통풍 유량 (ft³/s)
A	유동 면적 (ft²)
C	방출 계수 (보통 0.65~0.70)^[14]
g	중력 가속도 (32.17 ft/s²)
h	높이 또는 거리 (ft)
T_i	평균 내부 온도 (랭킨 척도 °R)
T_o	외부 공기 온도 (°R)

이 방정식은 통풍 유동에 대한 저항이 방출 계수 '''C'''로 특징지어지는 오리피스를 통한 유동의 저항과 유사하다고 가정한다.

굴뚝 효과는 충분한 중력이 작용하는 장소에서 다음과 같은 3단계로 설명된다.^[19]

# 공기의 밀도는 온도가 높을수록 낮아진다. 굴뚝 내부는 외부보다 고온이므로 외부보다 공기 밀도가 낮아져 '''부력'''이 발생한다.

# 이 부력에 의해 굴뚝 하부에서 Δ''P''의 '''압력 차'''가 발생한다.

# 이 압력 차이에 의해 굴뚝 하부의 공기 흡입구로부터 매 초 ''Q''의 차가운 공기가 '''급기'''되고 동시에 따뜻한 공기는 굴뚝 내부를 상승하여 '''배기'''된다.

밀도 차이로 인해 발생한 압력 차이 Δ''P''에 의해 외부에서 굴뚝으로 들어오는 공기의 부피를 ''V_o'', 이 부피의 공기 질량을 ''m_o'', 공기의 유속을 ''u_o''라고 하면, 에너지 보존 법칙에 따라 아래 관계가 성립한다.

: $\Delta P \cdot V_o = \frac{1}{2} m_o \cdot u_o^2$

여기서

: $\begin{align}\Delta P &= g \cdot h \cdot \rho_o \cdot \frac{T_i - T_o}{T_i},\\\rho_o &= \frac{m_o}{V_o}\end{align}$

의 관계를 사용하면 가스가 굴뚝으로 유입되는 속도 ''u_o''는 아래 식으로 주어진다.

: $u_o = \sqrt {2 g \cdot h \cdot \frac{T_i - T_o}{T_i}}$

이 속도에 굴뚝의 단면적 ''A''를 곱한 값이 급기 유량 ''Q''이다. 단, 실제 공기에서는 에너지 손실 등에 대한 보정으로 유량 계수 ''C'' (통상 0.65 - 0.7)를 곱한 값을 사용한다.

이 결과, 급기 유량과 외기 온도의 관계로 아래 식이 얻어진다.^[20]

: $Q = C \cdot A \cdot \sqrt {2 g \cdot h \cdot \frac{T_i - T_o}{T_i}}$

기호의 의미와 단위
기호	의미와 단위
Q	굴뚝 효과에 의한 급기 유량 (m³/s)
A	굴뚝의 단면적^[21] (m²)
C	유량 계수 (통상 0.65 - 0.7)
g	중력 가속도 (m/s²)
h	굴뚝의 높이 (m)
T_o	외기의 절대 온도 (K)
T_i	굴뚝 내 평균 온도 (K)

4. 굴뚝 효과의 응용

굴뚝 효과는 건축, 전자 기기, 산업, 자연 에너지 등 다양한 분야에 응용된다.

건축: 건물은 굴뚝 효과를 이용하여 교차 환기와 결합해 냉각 효과를 높인다. 풍탑처럼 전통 건축이나 지열 결합, 토굴집 등 현대 친환경 건축에도 활용된다. 일본 민가는 자연 환기를 위해 지붕에 굴뚝을 설치하고, 고시야네를 통해 실내 환기를 개선했다. 이중 외피 시스템은 유리창의 열 손실을 줄이고, 에어 사이클 시스템은 지붕과 벽까지 확장 적용된다. 아트리움형 건축은 자연 공조를 도모하지만, 화재 시 연기 유동 대책이 필요하다.^[26]
전자 기기: CPU 등 발열 소자를 냉각하기 위해 CPU 쿨러 대신 굴뚝 효과를 활용하기도 한다.
산업: 산업 굴뚝은 뜨거운 연도 가스를 배출하고, 대기 오염 물질의 지표 농도를 줄이기 위해 높게 설치된다. 카자흐스탄 에키바스투스 2 발전소 굴뚝은 419.7m에 달하며, 일본에도 200m가 넘는 굴뚝이 있다. 도자기 가마는 굴뚝 효과로 고온 소성이 가능하며, 등요 또는 연방식 등요가 사용된다.
수송 장치: 증기 기관차는 차량 한계 내에서 굴뚝 효과를 활용하며, 집연 장치를 통해 연소 잔재를 처리한다. 증기선은 굴뚝을 여러 개 설치하여 균형을 유지한다.
자연 에너지: 태양열 상승기류 타워 발전은 굴뚝 효과를 이용해 전기를 생산한다. 스페인 만사나레스에 실험 시설이 건설되었으며, 일본에서는 태양열 굴뚝이라고도 불린다.^[29]

기타: 스모크잭은 굴뚝 상승 기류를 동력으로 활용하며, 주마등은 양초나 백열전구의 열을 이용해 회전한다.

4. 1. 건축

일부 건물은 낮은 층의 창문이나 통풍구를 통해 시원한 공기가 유입되고, 채광창, 지붕 통풍구 또는 고측창과 같은 높은 층의 개구부를 통해 따뜻한 공기가 빠져나가도록 전략적으로 다른 높이에 개구부를 배치하여 굴뚝 효과를 유도하도록 설계된다. 이러한 수직 기류 이동은 실내 온도를 상당히 낮출 수 있는 자연 환기 시스템을 생성한다. 굴뚝 효과를 건물 한쪽에서 다른 쪽으로 기류가 이동하는 교차 환기와 결합하면 전반적인 냉각 효과를 향상시킬 수 있다.^[7]^[8]

굴뚝 효과는 전통적인 건물과 현대적인 친환경 건축 모두에서 사용된다. 전통적인 사용 예로는 더 시원한 산들바람을 건물 안으로 포집하여 유입시키고 더운 공기를 배출하여 실내 온도를 쾌적하게 유지하는 중동 건축에서 흔히 볼 수 있는 풍탑이 있다.^[9] 현대적인 지속 가능한 건물은 종종 지열 결합, 토굴집, 증발 냉각 챔버와 같은 관련 비전기 기술과 함께 굴뚝 효과를 사용하여 건물의 수동 냉방 프로파일을 향상시킨다. 건축가는 건물의 구조, 방향 및 환기 경로를 신중하게 설계함으로써 굴뚝 효과를 활용하여 기계식 냉방 시스템에 대한 의존도를 줄이고 전반적인 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.^[8]

; 자연 환기

: 일본의 오래된 민가에서는 토방이나 이로리에서 땔감이나 짚을 사용하여 취사나 난방을 했다. 이때 발생하는 연기를 자연 배기하기 위해 지붕 위에 굴뚝이 설치되어 있었다. 또한 농촌에서 양잠이 성행하면서 우에가키 모리쿠니의 양잠비록^[22] 등의 저작을 통해 실내 환기·조온의 중요성이 인식되었고, 자연 환기를 이용하여 실내 전체의 환기를 좋게 하기 위해 건물 전체를 덮는 고시야네가 고안되었다.^[23]

; 이중 외피 시스템

: 빌딩의 외벽에는 넓은 면적에 걸쳐 유리창이 설치되는 경우가 있다. 그러나 창이 있는 부분은 여름철 햇볕에 의한 열 유입, 겨울철 실내 열의 복사에 의한 열 손실이 높아 건물의 에너지 소비를 증가시키는 주요 요인이 된다. 이를 방지하는 방법으로 유리창 바깥에 추가로 유리를 설치하고, 그 두 겹의 유리 상하 부분에 틈을 둔다. 그 두 겹의 유리 사이에 블라인드나 루버를 설치하면, 하절기에는 블라인드 등을 통해 두 겹의 유리 사이의 공기가 따뜻해지지만, 그곳의 고온의 공기를 상하 틈을 통해 외부의 차가운 공기와 굴뚝 효과로 교체하여 열 유입을 억제하고, 또한 동절기에는 두 겹의 유리 상하의 틈을 막아 유리 사이를 온실 상태로 만들어 실내로부터의 열 손실을 방지하는 이중 외피 시스템이 실용화되고 있다.^[24]

; 에어 사이클 시스템

: 이중 외피 시스템은 주로 건물의 창 부분에서의 열 유입 손실 대책을 하지만, 이 생각을 더 나아가 지붕이나 벽까지 응용한 것이 에어 사이클 시스템이다. 이 방식은 민가 등 외면적에서 지붕이나 벽의 비율이 높은 건물에 효과가 높다. 민가의 경우, 바닥 아래를 축열 재료로 사용하는 경우도 있다. 에어 사이클이나 솔라 서킷 등의 명칭으로 주택 메이커 각사에서 판매하고 있다.

; 아트리움형 건축

: 1980년대부터 1990년대에 걸쳐 포드 재단 빌딩이나 삿포로 팩토리와 같이 고층 빌딩 안에 나무가 무성한 중정을 만드는 아트리움형 건축이 세계 각지에서 다수 건축되었다.^[25] 이들 중에는 중정 상공에서 햇빛을 끌어들임과 동시에 건물 하부에서 외기를 끌어들여 자연 공조를 도모한 건물도 있다. 도쿄도 미나토구에 있는 일본전기 본사 빌딩이나 짐바브웨의 수도 하라레에 있는 이스트게이트 쇼핑 센터 등이 그 예이다.

단, 자연 환기를 촉진하기 위한 개방적인 공간 구성은 화재 시 발생한 연기의 유동을 용이하게 하므로, 건물 전체의 인명 위험을 초래할 우려가 커, 화재 시에는 연기의 유동을 막을 수 있도록 하는 대책이 필요하다.^[26]

4. 2. 전자 기기

노트북 컴퓨터 등에서는 CPU 등 다량의 열을 발생시키는 소자가 사용되고 있으며, CPU 쿨러가 필요할 때도 있다. 그러나 기기의 크기나 무게의 제한 때문에 팬을 부착하여 냉각하는 것이 어려운 경우도 있다. 이러한 기기에서는 팬 대신 굴뚝 효과를 이용하여 고발열 소자를 냉각하는 경우가 있다. 예를 들어, 노트북 컴퓨터의 액정 디스플레이 뒷면과 뒷면 덮개 사이에 틈을 만들어 굴뚝으로 활용하여 열을 배출하는 발명의 특허가 존재한다.

4. 3. 산업

산업 굴뚝의 굴뚝 효과는 건물과 유사하지만, 주변 외부 공기와 큰 온도 차이를 보이는 뜨거운 연도 가스가 관련된다는 점이 다르다. 또한, 산업용 굴뚝은 일반적으로 연도 가스에 대해 길이 방향으로 방해를 거의 제공하지 않으며, 실제로 팬 에너지 요구 사항을 줄이기 위해 굴뚝 효과를 향상시키도록 최적화된다.

화력 발전소 등의 배기용 굴뚝은 배출 가스량을 증가시키기 위해 높게 만들지만, 그 외에도 높이가 높을수록 배출 가스에 포함된 대기 오염 물질이 지표에 도달하기 전에 확산됨으로써 굴뚝에서 배출된 대기 오염 물질의 지표 농도가 감소하기 때문에 굴뚝의 높이를 높이는 대책이 널리 권장되어 왔다.^[27] 카자흐스탄의 에키바스투스 2 발전소에는 높이 419.7m의 굴뚝이 설치되어 있다. 또한 일본에서도 200m를 넘는 굴뚝이 이용되고 있다.

도자기 소성은 처음에 들판에서 성형한 작품에 초목을 덮어 굽는 노야키가 주였다. 그러나 이 방법은 연소 온도가 낮을 뿐만 아니라 연소 효율도 낮기 때문에 점차 경사면에 구멍을 파고, 아래쪽을 불쏘시개 입구, 위쪽에 굴뚝을 설치하고 그 중간에 성형품을 넣어 굽는 가마가 이용되게 되었다. 이로 인해 불쏘시개 입구와 굴뚝 사이에 굴뚝 효과가 발생하여 공기 공급량이 증대하므로 고온 소성이 가능하게 되었다. 그러나 이 구조에서는 불쏘시개 입구 가까이와 멀리에서 소성 온도가 변화하거나, 소성 분위기가 일정하지 않은 등의 결점으로 인해 소성 불량이나 도자기 발색이 불안정해지는 등의 단점이 있다. 이 때문에 에도 시대 초기에 히젠 국의 가라쓰야키에, 경사면 아래에서 위로 소성실(방)을 여러 개 이은 최상부에 굴뚝을 설치하고, 각 연소실마다 연료 및 공기 공급용 사기공을 설치한 등요 또는 연방식 등요라고 불리는 가마 형식이 도입되었으며, 거기에서 오와리 국・미노 국으로 전해져, 더 나아가 일본 각지로 퍼져나갔다.^[28]

4. 4. 수송 장치

증기 기관차는 석탄을 태워 발생시킨 수증기의 힘으로 움직인다. 하지만 터널, 다리, 플랫폼, 신호 설비 등의 높이 제한(차량 한계) 때문에 화력 발전소나 공장처럼 굴뚝을 높게 설치할 수 없다. 그래서 벨기에 기술자 리게인은 1925년에 굴뚝을 2개로 늘려 굴뚝 면적을 2배로 하고, 같은 배출 가스량으로 굴뚝 높이를 1/√2로 줄일 수 있었다. (앙드레 샤프롱 참조)

증기 기관차는 석탄 등을 태울 때 연소 잔재가 연기와 함께 굴뚝에서 튀어나와 연선에 화재를 일으킬 수 있다. 이를 막기 위해 굴뚝 상부에 굴뚝 효과로 회전하는 '회전식 불똥 방지기'를 설치한 기관차도 만들어졌다. (집연 장치)

증기선은 석탄을 태워 발생시킨 수증기의 힘으로 스크류나 외륜을 돌려 움직인다. 하지만 굴뚝을 너무 높게 하면 배의 균형이 나빠지기 때문에, 일정 높이 이상으로는 굴뚝을 높일 수 없다. 그래서 여러 개의 굴뚝을 설치한 배도 있다.

4. 5. 자연 에너지

태양열 상승기류 타워 발전은 넓은 대지를 온실로 덮고, 여기에 태양이 비치면 온실 내부 온도가 올라간다. 이 온실에 높은 굴뚝을 설치하면 굴뚝 효과에 의해 굴뚝 안에 상승 기류가 발생한다. 이 상승 기류를 이용해 풍력 발전기를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 1982년 독일 정부의 지원을 받아 스페인 만사나레스에 최초의 태양열 상승기류 타워 발전 실험 시설이 건설되었고, 약 8년 동안 실험 자료가 수집되었다.^[29] 이 시설은 굴뚝 지름 10m, 높이 195m, 온실 바닥 면적 46000m²이며, 최대 전력 출력 시 발전 능력은 약 50kW였다.^[29] 일본에서는 태양열 굴뚝이라는 이름으로도 불린다.

4. 6. 기타

스모크잭

벽난로에 불을 지피면 굴뚝 효과로 상승 기류가 발생하여 연기가 위로 올라가는데, 이 상승 기류로 풍차를 회전시키고, 그 회전력을 동력으로 사용하는 장치가 스모크잭이다. 다빈치는 이 장치 중 하나로, 벽난로에서 고기를 구울 때 이 동력으로 고기를 회전시켜 전체 면이 균일하게 구워지도록 하는 기계를 발명했다. 이 고기의 전체 면을 균일하게 굽기 위한 스모크잭은 치니 재크(Chimney jack)라고 불린다.^[31]

주마등

일본에서는 오본 등에 사용하는 등롱으로, 표면의 그림자 그림이 천천히 회전하는 주마등은 중심에 양초를 놓고 그 바깥쪽에 표면에 그림을 그린 원통형으로 회전 가능한 불주머니(종이로 만든 원통)와, 그보다 더 바깥쪽에 고정된 불주머니를 설치한 등롱의 일종이다. 양초에 불을 켜면 그 열로 불주머니 안에서 굴뚝 효과가 발생하여 회전 가능한 불주머니가 회전하고, 동시에 이 불주머니에 그려진 그림의 그림자가 바깥쪽 불주머니에 움직이는 것처럼 비쳐진다. 또한 유사한 장치로, 양초 대신 백열전구를 설치하고 백열전구에 의해 발생한 열을 이용하여 비슷한 동작을 하는 것도 존재한다.

참조

_[1] 간행물 Resolving Stack Effect Problems in a High-Rise Office Building by Mechanical Pressurization http://www.mdpi.com/[...] 2017-09
_[2] 문서 NIST Technical Note 1618 http://fire.nist.gov[...] National Institute of Standards and Technology
_[3] 웹사이트 Smoke Simulation: Heat and Smoke Extraction for Building Design https://www.simscale[...] 2019-07-04
_[4] 뉴스 Grenfell Tower final death toll: police say 71 lives lost as result of fire https://www.theguard[...] 2017-11-16
_[5] 뉴스 Met Police Statement. Update: Grenfell Tower fire investigation http://news.met.poli[...] 2017-07-06
_[6] 뉴스 The fatal mistake made in the Grenfell Tower fire https://www.independ[...] 2017-06-16
_[7] 웹사이트 Stack Effect Strategies for Tropical Homes https://architropics[...] 2024-08-07
_[8] 논문 Optimizing stack ventilation in low and medium-rise residential buildings in hot and semi-humid climate https://www.scienced[...] 2023-12-01
_[9] 논문 Evaluation of airflow and thermal comfort in buildings ventilated with wind catchers: Simulation of conditions in Yazd City, Iran https://www.scienced[...] 2016-12-01
_[10] 웹사이트 Natural Ventilation Lecture 2 http://www.energiaze[...] 2020-02-12
_[11] 웹사이트 Educational Package Ventilation - Lecture 3 : Mechanical (forced) ventilation http://www.energiaze[...] IDES_EDU / Intelligent Energy Europe 2011-10-28
_[12] 웹사이트 Natural Ventilation http://www.wbdg.org/[...] National Institute of Building Sciences 2016-08-02
_[13] 서적 AM10 Natural ventilation in non-domestic buildings CIBSE 2010
_[14] 논문 Stack Effect Ventilation in Different Climates https://bee.kku.ac.t[...] 2018
_[15] 웹사이트 建築設備基礎 26章煙突効果 http://setukiso.goog[...] setukiso.googlecode.com 2012-07-10
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_[17] 웹사이트 建築設備基礎 4章熱の基本法則 http://setukiso.goog[...] setukiso.googlecode.com 2012-07-10
_[18] 문서
_[19] 서적 化学工学概論丸善株式会社
_[20] 문서
_[21] 문서
_[22] 서적 江戸科学古典叢書13巻　養蚕秘録恒和出版
_[23] 서적 民俗建築大辞典屋根の装飾の項柏書房
_[24] 웹사이트 窓廻り空調システム https://www.pref.osa[...] 大阪府 2012-07-10
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_[26] 웹사이트 省エネルギー・火災安全性からみた煙突効果の制御と利用に関する研究 http://kaken.nii.ac.[...] 2012-07-10
_[27] 웹사이트 鹿島火力発電所敷地内に設置する緊急設置電源 http://www.tepco.co.[...] 2012-07-10
_[28] 웹사이트 日本の窯の歴史 https://web.archive.[...] 2012-07-10
_[29] 서적 The solar chimney Stuttgart, Germany: Axel Menges
_[30] 웹사이트 大邱の地下鉄火災 http://www.sozogaku.[...] 失敗知識データベース 2012-07-10
_[31] 웹사이트 Da Vinci's chimney jack http://theenergylibr[...] null 2012-08-22

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