Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2021. 224-230
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210019

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 엘리베이터문 개폐 원리

  •   엘리베이터문의 구조 및 작동 원리

  •   엘리베이터 작동에 따른 닫힘 에너지

  •   재열림(re-opening)의 발생 원인

  • 실험 개요

  •   목업(mock-up) 구축

  •   실험 방법

  • 실험 결과

  • 결 론

서 론

건물에서는 기계 설비의 운전, 건물 외부의 바람, 그리고 연돌효과로 인하여 실내 공간마다 압력 분포가 복잡하게 나타난다(ASHRAE, 1993). 압력 분포는 건물 각 실 및 층 별로 다양하게 나타나며, 압력차의 크기가 커지면 기계 설비 운전, 실내 환경, 그리고 냉난방 부하 관점에서 많은 문제가 발생될 수 있다. 고층건물에서 실내외 온도차가 커지는 겨울에는 연돌효과로 인한 압력차가 큰 영향을 미친다. 이로 인해, 건물의 고층 및 저층부에서는 샤프트(shaft)와 엘리베이터 홀(hall) 사이의 강한 압력차로 인한 엘리베이터문의 오작동, 소음, 기기 고장 등의 문제들이 발생되고 있다. 건물 사용자들이 로비층에서 탑승하였을 때, 엘리베이터문이 정상적으로 닫히지 않는 오작동 문제(ASHRAE, 1993; Jo et al., 2007), 엘리베이터문이 닫혀져 있을 때 틈새 기류로 인한 소음 및 도어의 진동 소음(Lee et al., 2015; Yoon et al., 2020), 그리고 기술된 문제들의 장기적 발생으로 인한 기계 고장 등은 건물 압력차로 인해 발생되는 대표적인 엘리베이터 문제이다. 이중 엘리베이터문 오작동 기준은 국외연구(ASHRAE, 1993)에서 제시한 25Pa 데이터를 국내연구(Jo et al., 2007)에서 다루어진 이래로 지금까지 국내 엘리베이터문 압력차 문제 발생 기준으로 25Pa이 사용되고 있다. 2개의 고층건물을 측정한 연구(Lee et al., 2015)에서는 엘리베이터 틈새 소음에 대한 기준으로 약 35Pa 데이터, 6개의 고층건물에서 사용자 불만 자료와 시뮬레이션을 통해 기류문제 해결의 기준으로 다양한 압력차가 제시된 바 있다(Yoon et al., 2020). 고층건물에서의 압력차 문제 해결을 위한 다양한 건축적, 설비적 해결방안이 다루어졌지만 엘리베이터문 오작동 문제 발생 여부를 판단하는 압력차 기준 및 기술 표준 마련에 관한 연구는 부족한 실정이다.

엘리베이터에 관한 다양한 기술 표준들(ASME A17.1/CSA B44 Handbook, 2016; EN 81-20, 2020)에서는 리프트 하중, 작동 및 안전 등 다양한 관련 항목 별 요구사항, 시험 방법, 평가 방법 등을 다루고 있다. 또한, 건물에 발생하는 압력차 문제와 관련된 사항에서는 화재 시 샤프트 압력 제어 및 연기 제어 등에 관한 항목들을 다루고 있다. 그러나 건물에서 자연적으로 발생하는 압력차에 기인한 도어의 운행 장애, 오작동 등의 문제와 관련해서는 안전 기준 및 요구사항 등이 다루어 지지 않고 있다.

본 연구는 건물 압력에 따른 엘리베이터문의 오작동 문제와 관련한 기초 연구로, 건물 압력차에 의해 발생하는 도어 재열림(re-opening) 문제에 대한 실험을 수행하였다. 실물 규모의 엘리베이터 목업(mock-up)을 구축하고, 선정된 엘리베이터문에 유도되는 압력차 증가에 따른 재열림 발생 압력기준(Pa)을 규명하였다.

엘리베이터문 개폐 원리

엘리베이터문의 구조 및 작동 원리

엘리베이터문은 샤프트 도어(shaft door)와 카 도어(car door)의 두 부분으로 구분된다(see Figure 1). 샤프트 도어는 모든 층마다 있으며, 엘리베이터 카(car)가 없을 때 샤프트(shaft)와 홀(hall) 사이를 안전하게 분리하는 역할을 한다. 카 도어는 엘리베이터 안에 탑승 했을 때 보이는 도어이다. 카는 샤프트 마다 한대씩 설치되는 것이 일반적이며, 수직방향으로 이동하며 승객 또는 화물 등을 운반한다.

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Figure 1.

Common elevator door and main components

엘리베이터문은 천정에 설치된 레일(rail)에 롤러(roller)가 걸쳐진 형태로 수평방향으로 움직이며, 카에 설치된 모터를 주 동력원으로 톱니 벨트 메커니즘에 의해 작동한다. 카가 해당 층에 서면 카 도어가 열리기 시작할 때 커플러(coupler)라는 장치를 통해 샤프트 도어가 카 도어에 결속되어 함께 열린다. 이때 샤프트 도어의 잠금 장치인 인터록 시스템(interlock system)이 해제되며 샤프트 도어가 카 도어와 함께 열릴 수 있다. 엘리베이터문이 닫히는 시점에서는 커플러의 결속은 해제되며 샤프트 도어의 인터록이 닫힌다. 카가 떠난 후에도 샤프트 도어는 안전상의 이유로 항상 닫힌 상태가 유지되어야 하므로, 스프링 또는 무게 추 등에 의해 닫힘 상태를 유지한다.

엘리베이터 작동에 따른 닫힘 에너지

엘리베이터문의 닫힘력에 관한 안전기준(최대값)은 미국 기계 학회(ASME A17.1/CSA B44 Handbook, 2016)의 경우 135 N 으로, 유럽 표준(EN 81-20, 2020)은 150 N 로 제한한다. 그리고 닫히는 도어의 평균 운동에너지에 대한 최대값은 10 J 로 동일하다. 닫히는 도어의 운동에너지 계산은 샤프트와 카 도어 전체 무게를 기준으로 한다. 이는 도어의 운전 장치와 도어 패널에 연결되는 변속기, 그리고 견고하게 결속된 모든 부품의 무게도 포함된다(Koshak, 2015). 전체 엘리베이터문의 무게(m)와 도어의 평균 닫힘 속도(vavg)를 이용한 도어의 닫힘 에너지(EK) 계산은 식 (1)과 같다.

(1)
EK=12mvavg2

엘리베이터문은 안전 기준에 만족하기 위해 도어 무게에 따라 닫히는 운행 속도를 제한하며, 일반적으로 2초 내외의 시간에 이동을 완료한다.

재열림(re-opening)의 발생 원인

엘리베이터문이 닫히도록 운전 시스템에 입력되면, 인터록에 닫힘 신호가 전달될 때까지 도어는 멈추지 않고 닫힌다. 그러나 엘리베이터문이 닫히는 중 비정상적인 승강기 상황이 감지되면 도어는 완전히 닫히지 않은 상태에서도 다시 열릴 수 있다. 이를 재열림(re-opening)이라 한다.

재열림 현상이 발생하는 대표적인 원인으로는 문이 닫힐 때 승객 또는 화물의 끼임을 감지하는 센서(예, 멀티빔)의 감지가 있다. 그러나 끼임 센서에서 감지되지 않아도 재열림이 작동될 수 있으며, 감지되는 사항은 다음과 같다. 단, 아래 설정 사항은 일반적인 도어 사항으로 제조사에 따라 다를 수 있다.

1) 도어의 닫힘 시작 명령 후 설정된 특정 시간이 경과하여도 인터록 시스템으로부터 닫힘 신호가 전달되지 않는 경우

2) 도어의 닫힘 시작 명령 후 설정된 닫힘 속도를 유지하기 위해 모터에 흐르는 전류(부하)가 임계 값을 초과하는 경우

엘리베이터 샤프트와 홀 사이에 압력차가 존재할 때, 엘리베이터문이 열리면 일시적으로 압력차가 0이 된다. 그러나 엘리베이터문이 닫히는 과정에서는 사이간격이 좁아질수록 압력차가 증가하며 원래의 압력차와 같아진다. 이 때, 도어를 정면방향으로 밀거나 당기는 방향으로 압력이 커지면, 도어의 이동을 방해하여 모터의 과부하가 감지되거나 인터록에 닫힘 신호가 오지 않게 되어 재열림이 작동할 수 있다. 따라서, 재열림의 문제를 방지하기 위해서는 엘리베이터문의 허용 압력에 대한 연구가 필요하다.

실험 개요

목업(mock-up) 구축

엘리베이터문의 오작동이 발생되는 압력차의 수준을 확인하기 위하여, 실물 목업 실험을 수행하였다. 목업의 개념은 건물의 최상층 및 로비층에 위치한 카의 묘사가 가능하고 냉방 및 난방 기간에 따른 기류 방향의 묘사가 가능하도록 Figure 1(a)와 같이 도출하였다. ①과 ②는 각각 카의 위치를 묘사해 주기 위한 개구부로, 각각 열고 닫을 수 있도록 설계되었다. ①을 열면 로비층, ②를 열면 최상층에 정차한 카를 묘사할 수 있다. ③은 샤프트로의 기류 방향 및 압력을 조절할 수 있는 공기유동장비이다. Figure 2(b)는 개념 설계를 바탕으로 실제 구축된 실물 크기의 목업사진을 보여준다.

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Figure 2.

Design and build the mock-up

실험 방법

건물에서 발생할 수 있는 압력차의 범위는 건물과 지역마다 다양하게 나타난다. 이를 반영하기 위해, 목업 실험에서 유도되는 압력차는 0 Pa 부터 150 Pa까지 10 Pa 간격으로 설정하였다. 난방기간 로비층에서 정지한 카를 묘사하기 위해, 홀에서 가압을 하고 샤프트 상부로 기류가 상승하도록 목업을 설정하였다. 실험 대상 엘리베이터문은 일반 오피스 건물에서 주로 사용되는 높이 2100 mm, 폭 1000 mm의 도어를 사용하였다. 실험에 사용된 엘리베이터문은 멀티빔 등의 센서는 설치되어 있지 않으며, 결합된 샤프트 및 카 도어의 총 무게는 130 kg 이다.

실험은 엘리베이터 샤프트 도어의 사이간격을 측정하는 방법을 고안하여 진행하였다. 해당 도어의 제조사가 설정한 도어 사이간격 11 mm 를 임계 값으로 설정하였다. 도어가 닫히지 않고 사이간격이 이를 초과하는 경우에는 해당 압력차에서 앞서 기술된 도어의 오작동 문제가 발생한다고 가정하였다. 각 압력차에서 2회씩 측정하였으며, 매회 측정 시 측정자가 사이간격의 눈금을 읽고 이를 기록하였다(See Figure 3). 도어의 오작동 판단 여부는 두 측정 값 중 큰 값을 기준으로 하였다.

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Figure 3.

Description of the test method

실험 결과

목업은 실내 공간에 설치되어 있어 목업 내외부 온도 모두 상온에서 동일하게 유지되었다. Figure 4Figure 5는 대상 테스트 도어의 오작동 실험결과를 나타낸다. 각각 겨울철 최상층(top floor) 및 로비층(lobby floor)에 정차한 카를 묘사하도록 목업을 설정하였다.

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Figure 4.

The mock-up test result modeling the top floor in heating mode

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Figure 5.

The mock-up test result modeling the lobby floor in heating mode

최상층과 로비층을 묘사한 목업 실험에서, 공통적으로 압력차 증가에 따라 도어 사이간격이 점차 멀어지는 것이 확인되었다. 이는 도어에 정면 방향으로 가해지는 압력이 도어의 이동을 저해하여 운동에너지가 감소한 것으로 판단된다. 최상층을 묘사한 목업에서 0 Pa 부터 50 Pa 까지는 도어의 사이간격이 임계 값을 초과하지 않았지만, 약 54 Pa 부터는 입계 값을 초과하였다. 따라서 최상층에서 해당 엘리베이터문에서는 설정된 임계 값을 초과하지 않는 허용 압력차(Plimit)는 약 50 Pa 수준으로 실험결과 확인되었다. 로비층을 묘사한 목업에서는 0 Pa 부터 40 Pa 까지는 도어의 사이간격이 임계 값을 초과하지 않았지만, 약 42 Pa 부터는 사이 간격이 점차 벌어지기 시작하였다. 따라서 해당 엘리베이터문에 대하여 설정된 임계 값을 초과하지 않는 허용 압력차는 약 40 Pa 수준으로 확인되었다.

두 실험 결과를 비교하였을 때, 최상층 보다는 로비층의 엘리베이터문이 압력차 증가에 취약한 것으로 나타났다. 로비층의 경우 동일한 압력차 변화구간에서 임계 값 초과 지점이 약 12 Pa 더 낮았으며, 150 Pa 에서 사이간격이 약 100 mm 로 최상층(약 53 mm) 보다 40 mm 이상 더 벌어졌다.

결 론

본 연구는 건물에서 발생하는 압력차에 따른 엘리베이터문의 오작동 문제에 관한 실험으로, 실물 크기 규모의 목업 실험을 통하여 도어의 오작동이 발생하는 압력차를 도출하였다. 실험 결과, 엘리베이터 샤프트와 홀 사이의 압력차가 증가함에 따라 도어 사이간격이 증가하는 것(엘리베이터문 오작동 발생)이 확인되었으며, 대상 도어의 오작동은 최상층에서 약 50 Pa, 로비층에서 약 40Pa 수준에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과는 건물에서 발생하는 압력차가 엘리베이터문의 운전에 심각한 문제를 발생시킬 수 있음을 보여준다.

본 논문에서 기술된 엘리베이터문의 오작동 메커니즘과 실험 과정에서 설정된 조건들은 건물에서의 공기 유동 특성 및 엘리베이터문 유형에 따라 차이가 있다. 향후, 건물의 냉난방 모드, 공기 유동의 방향, 도어의 크기 및 작동타입 등에 따른 엘리베이터문 오작동을 판단할 수 있는 허용 압력차에 대한 상세한 연구가 요구된다.

Acknowledgements

이 논문은 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비지원 (20AUDP-B106327-06)에 의해 수행되었습니다.

References

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