[심층분석] 초고층 건물의 연돌효과…해외 실험과 실제 개선 사례가 보여준 해법

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[엘모아=편집부] 겨울철 초고층 건물에서 엘리베이터 문이 닫히지 않거나, 문틈에서 휘파람 같은 소리가 나고, 출입문을 열기 어려울 정도로 강한 바람이 느껴지는 현상이 나타날 수 있다. 유지관리 현장에서는 도어 오퍼레이터나 가이드, 잠금장치의 이상을 먼저 의심하기 쉽다. 그러나 부품에 특별한 결함이 없더라도 건물 내부의 공기 압력 차이 때문에 비슷한 문제가 발생할 수 있다.

이 현상의 배경에는 ‘연돌효과(Stack Effect)’가 있다. 굴뚝을 통해 뜨거운 공기가 위로 올라가는 것과 비슷한 원리로, 건물 내부와 외부의 온도 차이가 공기의 이동과 압력 분포를 만들어 내는 현상이다. 건물이 높고 겨울철 실내외 온도 차이가 클수록 영향이 커질 수 있다. 승강로와 계단실처럼 여러 층을 수직으로 연결하는 공간은 공기가 이동하는 통로가 되기 때문에 승강기 문에도 영향을 미친다.

문제는 이 현상이 승강기 자체의 고장으로 오인되기 쉽다는 점이다. 문이 반복적으로 다시 열리거나 특정 층에서만 개폐 문제가 나타난다면, 도어 장치뿐 아니라 건물 전체의 압력 분포를 확인해야 할 수 있다.

1. 압력 차이가 엘리베이터 문을 다시 열리게 한다

승강장 문은 도어 오퍼레이터의 구동력으로 열리고 닫힌다. 이때 문 양쪽의 압력 차이가 커지면 문짝에 작용하는 힘이 달라지고, 문이 움직이는 데 필요한 힘도 증가할 수 있다. 문 시스템이 감당할 수 있는 조건을 벗어나면 개폐가 원활하지 않거나 닫히던 문이 다시 열리는 문제가 나타날 수 있다.

중국 연구진이 2024년 국제 학술지 Building and Environment에 발표한 연구는 이 현상을 실제 크기의 시험장치로 재현했다. 연구진은 승강기 문 시스템에 여러 수준의 압력을 가해 작동 특성을 조사하고, 강한 연돌효과로 문 시스템에 오작동이 발생할 수 있음을 실험적으로 확인했다. 실험 결과를 토대로 여러 유형의 고층 건물에서 나타날 수 있는 압력 한계도 추정했다.

이 연구의 의미는 연돌효과가 단순한 이론적 가능성이 아니라 승강기 문 시스템의 작동에 영향을 줄 수 있는 실제 설계·운영 변수라는 점을 보여줬다는 데 있다.

다만 압력 차이가 어느 수준에 이르면 반드시 고장이 발생한다고 일반화해서는 안 된다. 문 구조와 구동 방식, 압력의 작용 방향, 승강기의 위치와 운전 조건에 따라 결과가 달라질 수 있기 때문이다.

2022년 같은 학술지에 발표된 별도의 실험 연구에서는 실제 건물 25곳의 압력 자료를 분석하고 실물 크기 시험장치에서 개폐 조건을 재현했다. 해당 연구는 시험 조건에서 약 40Pa의 압력 차이로 문 재개방 문제가 발생할 수 있음을 보고했다. 이는 모든 승강기에 적용되는 법정 기준이나 보편적인 고장 임계값이 아니라, 해당 연구의 시험 결과로 이해해야 한다.

출처: Building and Environment, 2022년 및 2024년 연구.

2. 서울의 60층 건물은 공조설비를 조정해 문제를 해결했다

연돌효과가 승강기 문에 미치는 영향을 보여주는 구체적인 사례는 국내에서도 확인된다.

2017년 국제 학술지 Sustainability에 발표된 연구는 서울의 60층 업무용 건물을 대상으로 겨울철 승강기 문 개폐 문제를 조사했다. 이 건물에서는 특히 저층부의 승강기 문 양쪽에 큰 압력 차이가 발생해 문이 원활하게 닫히지 않는 문제가 나타났다.

연구진은 먼저 현장에서 압력 차이를 측정한 뒤, 건물의 공기 흐름을 컴퓨터로 시뮬레이션했다. 여러 공조 운전 조건을 비교한 결과, 건물 상부 구역에 공기를 공급해 압력을 조절하는 방식이 효과적일 것으로 판단했다.

이후 40층부터 60층까지의 구역을 가압하는 방안을 실제 건물에 적용하고, 측정 결과를 바탕으로 공기 공급량을 조정했다. 연구에서 최종적으로 적용한 조건에서는 1층 고층용 승강기 문의 압력 차이가 135Pa에서 95Pa로 감소했고, 문이 원활하게 닫히기 시작했다.

여기서 주목할 점은 승강기 문이나 도어 오퍼레이터를 교체하는 것만으로 접근하지 않았다는 것이다. 문제의 원인을 건물의 압력 분포에서 찾고, 기존 공조설비의 운전 방식을 조정해 해결했다.

물론 이 수치는 해당 건물의 높이와 구조, 공조설비, 겨울철 설계 외기 조건에서 얻은 결과다. 다른 건물에 똑같이 40~60층 가압 방식을 적용하거나 같은 공기량을 공급한다고 동일한 효과가 나타나는 것은 아니다.

출처: Yu 등, Resolving Stack Effect Problems in a High-Rise Office Building by Mechanical Pressurization, Sustainability, 2017.

3. 소음이 85dB까지 올라간 50층 건물

연돌효과는 문이 닫히지 않는 문제에만 영향을 미치지 않는다. 건물 내부의 틈새를 통해 공기가 빠르게 이동하면서 승강장에 소음이 발생하거나 실내에 불쾌한 외풍이 나타날 수도 있다.

2021년 국제 학술지 Energies에 발표된 국내 연구는 겨울철 지속적인 소음 문제를 겪던 50층 건물을 조사했다. 연구진은 2년에 걸쳐 공조 운전 조건을 조정하는 시운전 과정을 진행했고, 1층과 47층의 승강장 주변에서 특히 높은 소음이 관측된다는 점을 확인했다.

연구에 따르면 공조설비를 끈 상태에서 1층 승강장에 기록된 최대 소음은 85dB(A)였고, 공조설비를 켠 상태에서는 70dB(A)였다. 이는 해당 건물과 측정 조건에서 나온 결과이며, 모든 건물에서 공조설비를 가동하면 소음이 같은 수준으로 감소한다는 의미는 아니다.

이 사례는 연돌효과의 영향이 단순히 문 개폐 성능에 국한되지 않는다는 사실을 보여준다. 압력 차이가 큰 공간에서는 소음과 외풍이 함께 나타날 수 있으며, 승강기 이용자는 이를 기계적 결함으로 받아들일 수 있다.

따라서 유지관리 과정에서 특정 층의 문 주변 소음이 겨울철에 반복된다면, 도어 장치의 상태를 확인하는 동시에 외기 온도와 공조설비 운전 상태, 층별 압력 조건을 함께 기록할 필요가 있다.

출처: HVAC Operation Schemes and Commissioning Process Resolving Stack Effect Problem and Adjusting According to Changes in the Environment: A Case Study in High-Rise Building in South Korea, Energies, 2021.

4. 해외에서도 같은 문제를 실험하고 있다

연돌효과는 한국만의 문제가 아니다. 겨울철 실내외 온도 차이가 크고 건물이 높은 지역에서는 비슷한 현상이 나타날 수 있다. 북미와 북유럽, 동아시아의 고층 건물에서도 승강기 문 개폐 이상과 틈새 바람, 소음 등이 연구 대상이 돼 왔다.

일본의 한 연구는 실제 고층 건물에서 겨울 한 계절 동안 승강기 문 양쪽의 압력 차이를 측정했다. 연구진은 압력 차이와 실내외 온도 차이, 외부 풍속, 시간대 등의 관계를 분석했다. 특히 건물의 현관문과 승강기 문이 열리고 닫히는 행위 자체가 건물 전체의 압력 분포와 환기 흐름에 영향을 줄 수 있다고 설명했다.

이는 건물의 압력 상태가 고정돼 있지 않다는 뜻이다. 출근 시간에 현관문이 자주 열리거나, 지하층 출입구가 개방되거나, 공조설비의 운전 조건이 바뀌면 공기 흐름도 달라질 수 있다. 따라서 특정 시간에만 발생하는 승강기 문 이상을 파악하려면 고장 시점의 환경 조건을 함께 살펴야 한다.

중국 연구진의 실물 크기 실험과 일본의 현장 측정 연구는 접근 방식은 다르지만 공통된 시사점을 제공한다. 승강기 문은 독립된 기계 부품이면서 동시에 건물 내부의 압력 환경과 상호작용하는 요소라는 것이다.

5. 압력을 낮추면 모든 문제가 해결될까?

해결책은 생각보다 복잡하다. 특정 층의 압력을 낮추거나 다른 구역에 공기를 공급하면 승강기 문에 작용하는 압력 차이를 줄일 수 있다. 그러나 한 곳의 압력을 조절하면 다른 층이나 건물 출입구의 압력 분포가 달라질 수 있다.

2025년 국제 학술지 Buildings에 발표된 연구는 43층 업무용 건물을 모델링해 여러 국소 대응책의 효과를 비교했다. 연구진은 겨울철 조건에서 1층의 문제 승강기 문에 약 56Pa의 압력 차이가 발생하고, 문 주변으로 약 1,300㎥/h의 공기 흐름이 형성되는 조건을 분석했다.

1층의 압력을 낮추는 방안을 적용했을 때 해당 승강기 문의 압력 차이는 34Pa로 줄어들었지만, 주출입구 문에 작용하는 압력 차이는 19Pa에서 39Pa로 커졌다. 한 곳의 문제를 줄이는 조치가 다른 곳의 문제를 악화시킬 수 있다는 뜻이다.

연구진은 승강로와 계단실 등 수직 공간이 서로 연결돼 있기 때문에 압력 변화가 건물 전체로 전달될 수 있다고 설명했다. 따라서 특정 승강장만 대상으로 조치하기보다 건물 전체의 압력 분포와 중성압력면의 위치를 고려해야 한다고 강조했다.

중성압력면은 건물 내부와 외부의 압력이 같아지는 높이를 의미한다. 이 위치가 달라지면 어느 층에서 공기가 들어오고 어느 층에서 빠져나가는지도 달라질 수 있다. 현관문 개폐나 외부 공기 유입 조건이 달라지면 이 위치 역시 움직일 수 있다.

이 연구가 보여주는 것은 단순하다. 압력 문제는 한 지점의 수치만 낮춘다고 끝나지 않는다. 건물 전체의 공기 흐름을 고려해야 한다.

6. 유지관리업체가 현장에서 확인해야 할 것은 무엇인가

연돌효과를 의심할 만한 증상이 나타났다고 해서 곧바로 공조설비 문제라고 단정해서도 안 된다. 도어 오퍼레이터의 이상, 행거와 슈의 마모, 레일 오염, 잠금장치의 문제, 센서 오작동 등 일반적인 기계적 결함부터 확인해야 한다.

기계적 결함이 확인되지 않거나, 특정 층에서만 문제가 반복되거나, 겨울철에 증상이 심해지는 패턴이 나타난다면 건물 환경을 함께 조사할 필요가 있다.

현장에서 유용한 점검 항목은 다음과 같다.

• 고장 이력: 문제가 발생한 층, 시간대, 외기 온도, 문 재개방 여부, 소음 및 외풍 여부를 기록한다.

• 기계적 상태: 도어 오퍼레이터, 행거, 슈, 레일, 잠금장치와 관련 센서의 이상 여부를 확인한다.

• 압력 조건: 문제가 발생하는 층의 승강장과 승강로 사이 압력 차이를 측정하고, 다른 층 및 주출입구와 비교한다.

• 건물 설비: 공조설비의 급기·배기 운전, 출입구의 개폐 상태, 건물 외피의 기밀성과 공기 누설 경로를 살펴본다.

• 개선 효과: 조치 전후의 압력과 문 개폐 상태를 비교하고, 외부 기온과 운전 조건이 바뀌었을 때도 개선 효과가 유지되는지 확인한다.

이 과정에서 승강기 안전장치나 도어 잠금장치를 임의로 해제해서는 안 된다. 압력 측정과 공조 운전 변경은 건축·기계설비 전문가 및 승강기 유지관리업체가 협력해 안전한 절차로 진행해야 한다.

7. 승강기 성능은 건물 환경과 함께 평가해야 한다

초고층 건물의 승강기 품질은 정격속도, 적재하중, 가감속 성능만으로 결정되지 않는다. 실제 이용자가 경험하는 운행 품질에는 건물의 공기 압력, 출입구 구조, 공조설비, 설치 환경 등 다양한 요소가 영향을 미칠 수 있다.

특히 승강장 문은 승강기와 건물 사이의 경계에 놓인 장치다. 문 자체의 강도와 구동 성능을 확보하는 것만큼, 문에 작용하는 외부 조건을 설계 단계부터 고려하는 것도 중요하다.

건축 설계 단계에서 승강로와 계단실의 수직 구획, 출입구의 기밀성, 공조·환기 계획을 함께 검토하면 준공 이후 반복되는 소음과 개폐 문제를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 운영 단계에서는 계절별 고장 이력과 압력 측정을 결합해 원인을 진단하는 방식이 필요하다.

결국 연돌효과는 승강기 제조사만의 문제도, 유지관리업체만의 문제도 아니다. 건축 설계와 기계설비 운영, 승강기 설계와 유지관리가 함께 다뤄야 할 건물 전체의 문제다.

엘모아 한 줄 요약

겨울철 초고층 건물에서 나타나는 엘리베이터 문 개폐 이상과 소음은 기계적 결함뿐 아니라 건물 내부의 압력 차이에서 비롯될 수 있다. 국내외 실측과 실험 연구는 공조설비 조정이 효과를 낼 수 있음을 보여주지만, 한 층의 압력만 조절하면 다른 곳의 문제가 커질 수 있어 건물 전체를 고려한 진단이 필요하다.

업계 체크포인트

• 유지관리업체: 반복되는 문 개폐 이상을 부품 교체로만 처리하지 말고 계절·층별 이력을 확인한다.

• 건물 관리주체: 겨울철 외풍과 소음, 문 재개방이 특정 층에서 반복되면 건물 압력 환경을 조사한다.

• 설계·시공업체: 승강로와 출입구의 기밀성, 공조·환기설비를 통합적으로 검토한다.

• 승강기 제조사: 현장 환경에 따른 도어 작동 조건을 진단할 수 있도록 점검 절차와 기술 정보를 제공한다.

엘모아 편집부

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