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초고층건물의 신개념 설비시스템 (High-Riser System). 2004. 05. 2004. 05. 2005. F. 초고층건물 배관계의 수압력 제어시스템 Pressure Distribution & Regulation in High-Rise Buildings. High-Riser SYSTEM. E-mail : jrpark@mail.mjc.ac.kr. 목 차. 0. High - Riser System 의 개요. 1. 초고층 건물이란 ?. 2. 초고층 건물과 수압력.

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  1. 초고층건물의 신개념 설비시스템 (High-Riser System) 2004. 05 2004. 05 2005. F 초고층건물 배관계의 수압력 제어시스템 Pressure Distribution & Regulation in High-Rise Buildings High-Riser SYSTEM E-mail : jrpark@mail.mjc.ac.kr

  2. 목 차 0. High - Riser System의 개요 1. 초고층 건물이란? 2. 초고층 건물과 수압력 3. 초고층 건물과 중간기계실 4. High - Riser System 5. High - Riser System의 안전성 6. High - Riser System의 기대효과 7. High-Riser System의 적용 대상 건물 8. High-Riser System의 Mechanism 9. 경제성 비교분석 및 동력비 비교 10. 적용 사례 11.세계의 초고층건물 현황 12.특허 관련 사항

  3. 0-1. HIGH RISER SYSTEM의 개요 ◈초고층건물의 중간기계실/열 교환기가 필요 없는 신개념 설비 시스템 High-Riser System은 초고층건물에서 높이에 기인하는 높은 수 압력을 안전범위내의 압력으로 정밀 제어하여 중간 기계실/ 열 교환기를 없이 운전시키는 신 개념의 시스템임. - 에너지 절약 : 초고층건물의 냉난방 열 유체(냉 온수)를 열 사용기기에 (AHU, FCU 등) 직접 공급하여 에너지 절약 - 건설 공사 비의 절약과 자원의 절약. - 안전 운전 보장 - 운영 비용 최소화 (유지 보수 비용 절감, 운영 인원 최소화) 의 시스템 엔지니어링 기술임. ◆High-Riser System의 경제성 - 중간기계실을 축소 시켜 건물의 경제적 가치 증대. - 건축 하중 축소로 건물의 안정성 증대. - 초고층건물의 총 공사비 의 약 8% 절약이 가능. - 동력에너지의 30%이상 절감 가능. - 열원기기의 집중 배치로 관리가 쉬워 운영 인원 축소로 경제적 이익을 얻을 수 있다.

  4. 0-2-1. HIGH RISER SYSTEM의 공학적 원리 1) JR HIGH-RISER SYSTEM은 유체역학의 기본이론인 파스칼(Pascal)의 원리, 사이폰(siphon)작용의 원리와 에너지보존 법칙인 베르누이의 방정식 이론으로 해석되어지는 설비시스템인것을 공학 적인 이론과 원리를 알아본다. 조건은 양자를 동일한 높이의 초고층빌딩(40~80층)일 경우를 생각해본다. 2) 오른쪽 그림 1.은 밀폐배관시스템으로 구성되는 공조배관시스템계통에서 JR HIGH-RISER SYSTEM을 적용할 경우에 대 한 공학적인 이론을 설명하기 위하여 간 략하게 표현한 개념도이다. 3) 그림에서 순환펌프(B)는 상부 A점과 감압제어기기(C)에 배관망으로 연결된다. 즉, B→h1→A→h2→C 연결되고 이 부분은 사이폰이다 그리고 아래 부분은 순환펌프(B)와 감압제어장치(C)에 연결된 부분인 C→h4 →R.B→h3→B 으로 연결된 아래 부분은 역 사이폰이다

  5. 0-2-2. HIGH RISER SYSTEM의 공학적 원리 4) “밀폐된 용기 속의 유체에 작용한 힘은 외부압력의 크기에 상관없이 유체 모든 부분 에 같은 힘으로 전달된다.”는 파스칼(Pascal)의 원리와 베르누이의 에너지방정식에 의하여 생각해본다. 5) 밀폐배관계통의 개념도인 위의 그림 1. 에서 사이폰의 최상부의 A점을 기준점으로 하면 좌측의 h1과 우측의 h2는 대칭이다. 역 사이폰의 h3과 h4도 서로대칭이다. 물은 비압축성 유체이고 배관내의 유체의 질량유량은 A점을 기준으로 좌우가 동일 하게 균형이 되어지고 있으므로 시스템내의 유체를 시계방향으로 순환 시키는데 필요한 펌프동력은 베르누이의 방정식에서 좌변과 우변은 서로 대칭이고 마찰저항손실이 유체를 순환 시키는데 필요한 양정 (동력)이 된다.

  6. 0-2-3. HIGH RISER SYSTEM의 공학적 원리 6) 마찰저항손실 hL은 배관마찰손실(hf), 기기마찰손실(hd), 제어기기의 작동에 필요한 마찰손실(h m)의 합이 된다. 여기서 배관마찰손실(hf), 기기마찰손실 (hf)은 기존 방 식이 좀 더 많지만 편의상 동일한 것으로 간주하고 개략적으로 비교해도 상당한 양의 에너지가 절약될 수 있는 것을 예측할 수가 있게 된다. 기존 방식의 개념도 HIGH-RISER SYSTEM

  7. 0-2-3. HIGH RISER SYSTEM의 공학적 원리 7) 여기서 JR High-Riser System은 압력제어장치가 시스템구성에 필수적으로 사용되 어 지며 압력제어장치에 소요되는 동력은 마찰저항손실에 해당하는 제어기기의 작 동압력이다. 동력은 제어장치를 작동시키는데 필요한 동력만이 요구되어질 뿐이며 이 힘(압력)은 3～5 psi 이다. 이것을 환산하면 0.21～0.35 kg/㎠ 에 해당된다 8) JR High-Riser System은 초고층빌딩에서 중간 기계실과 열교환기가 필요 없다. 기존 방식의 시스템에서 필연적으로 설치 해야만 되는 열교환기의 에너지손실이 없으며, 열교환기의 1, 2차 순환 펌프가 없게 되므로 열에너지와 전기동력에너지 절약으로 약 25～35% 의 에너지 절약이 가능하게 된다. 상기의 HIGH-RISER SYSTEMDM의 공학적 원리를 검토한 결과 이상이 없으며 에너지절감이 확실히 가능함을 확인함. 2006 년 05 월 일 확인자: 인하전문대학 교수 공학박사 박 정 환 건설기술연구원 공학박사 이 태 원 명지전문대학 교수 공학박사 박 두 원

  8. (기준 : 60층규모 총 공사비 약 3,000억원 소요) 기존공법 대비 공사비 절감 가능액 구   분 공사비 절감액 절감율 비 고 1.건축공사 1,440 억원 22.5 억원 1.56 %   C= B/A 2.기계설비 공사 8.16 % ″ 634.9 억원 115.3 억원 공 사 비 합 계 2,074.9 억원 6.64 % “ 137.8 억원 에너지절감등 창출수익 년 절감액 구    분 15년 사용 시 절감액 800평 x 6만원/평.월/x 12월 x 15년= 86.4억 1.유효공간임대수익 5.8 억원 8.1억원/년 x 15년 = 121.5 억원 2.에너지절약 8.1 억원 3.유지관리비절감 4.3 억원 4.3억원/년 x 15년 = 64.5 억원 합  계 18.2 억원 272.4 억원

  9. 1. 초고층 건물이란? 초고층의 정의: 지상 30층 이상 또는 건물높이 100m 이상 건물 보편적 정의: 건물의 높이로 인하여 설계 · 시공 · 사용성 등에 있어서 주변의 건물과 다른 현상이 야기될 때 이러한 건물을 말함 ▶상징성 - 국가의 경제적인 부와 국력의 자부심 표출 -도시의 Skyline을 상징하는 Landmark -건물 자체가 도시의 관광명소로 부각 ▶활용성 -세계적인 인구의 도시집중화.도시의 팽창.거대화에 대응 -도시의 좁은 토지와 공간의 효율적인 이용의 극대화 -복합기능의 실용성이 높은 건물(사무실,호텔 등) ▶첨단성 -초고층은 공학 기술의 발달로 가능해진 건축의 첨단기술 -설계자, 시공자의 기술력을 자랑

  10. 2. 초고층 건물과 수압력 건물 높이에 비례하여 작용하는 높은 수압력 때문에 10m 의 물기둥이 누르는 힘은? 초고층 건물 (100 층)의 수압력의 크기는? ☞기기, 장치, 배관 등은 사용압력 에 한계 (건축설비의 일반 안전 사용압력 : 10-20 ㎏/㎠ 급) ☞높은 수압력에 사용되는 내압 기기를 특수 제작할 경우 공사비 상승 ☞ 높은 수압력은 안전과 운전 관리 상 어려움. ☞이의 해결을 위해 기존 초고층 건물에서는 중간 기계실을 설치 운용하고 있음. 1 ㎏/㎠ 100층 건물 (예) 1 Bar 높이 약 400 m 14.2 Psi 수압력 40 ㎏/㎠

  11. 3. 초고층 건물과 중간기계실 중간기계실의 필 요 성 ▶초고층건물 수 배관에는 건물높이에 비례하여 작용하는 높은 수압력이 발생 ▶ 보통 45층 이상의 초고층건물은 수압력 때문에 중간기계실 필요 ▶건축물의 중간층에 기계실을 설치함으로서 이용 가능한 공간의 감소 ▶중량물인 기계설비를 건축물 중층부 및 고층부에 설치해야 되므로 건축구조체를 보강 설계. 시공함으로 건축비의 증가 ▶기계 운전시에 발생되는 소음.진동으로 인접 실들의 사무환경에 악영향을 발생 ▶기계장치/설비가 여러 장소에 분산 설치되므로 유지.관리 불편 및 관리인원의 증가 ▶열 유체의 공급온도가 높아짐에 따라 에너지손실이 커지고, 이에 비례하여 배관경 및 덕트의 규격이 커지고 따라서 배관 PIT 면적증가 및 천정공간 높이 증가 ▶중간 기계실 누수 사고 시에 소손 피해의 광범위한 확산 문 제 점 ▶ 초기 투자비(건설비용) 증가와 이용면적축소로 경제적손실(분양/임대수익)이 많음 ▶ 주변실내환경이 열악해지고 유지관리의 어려움 ▶ 유틸리티의 이용효율이 낮아 에너지비용이 커짐 ▶ 덕트 및 배관경 커짐.천정 높이 증가로 실내천정 낮아짐. 전체건물층수 감소 결 과

  12. 기계실 배치 형 식 최상층 지하기계실 각 층, 지하층 (최상층) 기계실 최상층 기계실 3개소 기계실 지하 기계실 3-1. 기존 방식 : 통상적인 중간기계실 설치방식

  13. 60F A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U 40F R.B A.H.U 펌 프 A.H.U A.H.U 20F R.B 냉동기(R) 보일러(B) A.H.U A.H.U A.H.U R.B 기계실 3-2. 기존 방식 : 중간기계실에 열원기기(냉동기.보일러)를 설치하는 방식 • ◈일반적으로 건물높이 100 m 이상, 25층 이상의 건물은 수압력 때문에 기기안전을 위해서 중간층 또는 옥상층에 중간기계실을 배치 • ◈ 중간기계실에는 열원기기(냉동기, 보일러 등)를 설치하여 열원을 직접 공조기기에 공급 • ◈ 그림은 60층 건물에 중간층 2개 부분에 기계실을 배치한 경우의 개념도임

  14. A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U A.H.U Pump & PCV A.H.U A.H.U 보일러(B) 냉동기(R) A.H.U A.H.U JRSYS JRSYS ꁣ R.B 4. High-Riser System 4-1. 개 요 ◇건물의 중간층에 기계실이 필요 없는 초고층건물 공조설비 수배관계통의 수압력 제어시스템 ◇열 유체(냉 온수)를 직접적으로 A.H.U에 공급 하 므로 에너지의 효율적인 이용 ◇열원기기를 Power Plant에 집중 설치할 수 있으므로 합리적이고 경제적인 운영관리가 가능 ◇초고층건물의 수배관계통에 작용하는 높은 수 압력을 임의대로 안전하고 정확하게 제어할 수 있는 신축 및 기존의 모든 초고층 건물에 적용할 수 있는 시스템

  15. 4-2. High-Riser System’s Schematic Diagram

  16. 4-3. High-Riser System과 기존방식과의 비교표

  17. 5. High-Riser System의 안전성 ◈제어기기 Mechanism이기계식 채택으로 고장이 없고 작동이 정확하다. ◈ 제어기기는 자체 수압력으로 작동하는 자력식의 완전자동(Self-Action Automatic Control Device)기기이고 수 압력 제어에 필요한 특성과 기능을 부가하여 제작한다. ◈제어기기는 건물에 따라 맞춤 구성/설계되고 설계사양서에 의해 특별 제작한다. ◈제어기기의 사용압력 범위는 초고층 건물 특성에 맞추어 최대 700psi (48Kg/Cm2)까지 적용이 가능하다. ◈제어기기의 부품은 내구성이 높아 유지 보수 부품이 매우 적게 소요된다. ◈제어기기의 조정과, 정비보수가 쉽고 간단하다.

  18. 6. High-Riser System의 기대효과

  19. 7.High-Riser System의 적용대상 건물 (1) 사무소건물(Office Building) (2) 주상복합건물(Residential & Store Complex) (3) 주거건물(Residential) (4) 호텔건물(Hotel/Lodging) (5) 병원(Hospital) (6) 학교(Education) (7) 기타 고층의 모든 건축물 (20층 이상, 높이 70m 이상)

  20. 8. High-Riser System의 Mechanism 8-1. Base Area(Power Plant) 8-2. Supply Line System (1) 기본압력유지제어(Base Pressure) Power Plant의 기본압력(Base Pressure)의 절대유지 (2) 기본압력은 안전과 경제성을 검토하여 최적 조건으로 설계 (3) 팽창압력제어(Expansion Control) (4) 압력도피제어(Pressure Relief ) (1) Booster Pump (2) Pump Control (3) Water Hammer Prevention (4) Surge Anticipator (5) Pressure Relief Control (6) Cavitation Prevention ◈ High-Rise System은 유량조절, 감압 및 자동개도조절의 복합기능 및 신속 정밀한 제어능력을 갖춘 시스템으로서 기존의 감압밸브나 유량조절밸브 등으로서는 달성할 수 없었던 압력제어, 유량을 정확하게 제어하여 중간기계실/ 열 교환기가 필요 없는 시스템

  21. 8-3. Return Line System (1) Surge Control • 써지 압력 도피제어/감시/경보 (2) Pressure Reducing Control • 기기전후 압력제어/경보 • 기기전후 온도감시/경보 (3) Cavitation Prevention (4) Pressure Relief Control (5) Pressure Sustain Control (6) Solenoid Control (7) 원격제어/감시/경보

  22. 9. 기존 시스템과의 경제성 비교분석 9-1. 60층 규모 초고층 건축물의 개략 공사비 ◆ 비교 조건 • 층수 : 60층 규모 • 건물높이 : 240M • 연면적 : 60,000평(180,000평방미터) • 건설공사비 총합계 : 3,000억원(개략 치) • 냉방시스템 유틸리티를 기본으로 비교 분석함. 전기공사 18.5% 건축공사 기계설비 58.5% 23.0% 총공사비 3,000억원

  23. 9-2. 60층 건물에 시스템 적용시 절감 가능한 금액(공사비 기준) 단위:억원 ◈ 상기 표의 에너지 절감부분은 1년간의 전기 및 열 에너지 절감율이며 건물의 기계설비의 LIFE CyCLE(LCC) 을 감안하면 에너지 절약효과가 있음 (예: 20년×8.1억= 162억원)

  24. 9-3.60층 규모 초고층건축물에 시스템 적용시 임대 및 에너지절감 수익효과 관리비절감 유효공간 25.1% 임대수입 에너지절약 33.6% 41.3% 합계 19.7억원

  25. 10. 적 용 사 례 1. 건 물 명 : 포스코 센터(POSCO CENTER) 2. 위 치: 서울 강남구 대치동 3. 용 도: 업무시설(오피스빌딩) 4. 건축규모: 지하 6층, 지상 31층 5. 연 면 적: 181,012 평방미터(54,756평) 6. High-Riser System의 설치 • 설치 년도: 1996.10. • 층 수: 지상 31층, 지하 6층(높이 157m) • 지하6층 기계실에 JR High-Riser System 설치 • 공조배관계통을 저, 중, 고층부로 구획 • 중간기계실이 없음 • 압력제어(Base압력설정, 감압 및 압력유지) • 7. 운전결과(2004년 현재) • 완전자동운전, 에너지절약, 유지관리비절감 • 시스템의 성능 및 안전성, 경제성이 확인 입증됨

  26. 11. 세계의 초고층건물 현황 ◆최근 10년 동안 지어진 세계의 초고층 건물 : 5,826개 ◆세계의 초고층건물의 총계 : 36,608개(2002년 현재) ◆2002년에 준공된 세계의 초고층건물 : 350개 이상 11-1. 세계의 지역별 초고층 건물 분포 현황 (Source: www.skyscrapers.com, June 2002)

  27. 11-2. 세계의 최근 10년간 건설된 초고층건물 현황 (Source: www.skyscrapers.com, June 2002) 11-3. 신축 및 기존건물에 적용할 수 있는 유연성이 장점 ◆초고층의 건설 붐 : 현재 전세계에는 수 많은 초고층건물이 경쟁적으로 지어 지고 있음 ◆SYSTEM의 적용의 유연성 : 신축 및 기존건물 모두 다 적용이 가능 ◆ 기존건물에 적용 : 기존의 초고층건물에 적용하면 더 많은 이익 창출가능

  28. 구 분 항   목 기 대 효 과 내 용 건 설 회 사 1. 건설공사비 절약 2. 건축 공사기간 단축 1. 건설공사비 총 금액의 약 8% 절약 가능 2. 중간기계실의 건축공사 및 기계설비공사 생략으 로 공기 단축 1. 국내 외 초고층공사의 수주에 유리 1. 신기술(국제특허)신공법,공사비절약,에너지절약, 공기단축→발주자 우선협상대상 수주가능 1. 신축초고층공사 시장 2. 기존 초고층건물의 개 보수공사 시장 1. 세계초고층 매년350~500개 이상 신축되고 있음 2. 세계기존초고층건물 36,600개 이상 건설되어짐 건 축 주 • 1. 건축이용면적 확보 • 2. 건물층수증가 가능 • 3. 건물의 안전도 증가 • 4. 에너지 절약 • 5. 유지관리비 절약 1. 중간기계실공간을 업무용 공간으로 확보하여 이용 (연면적의 2∼3%) 2. 천정공간 축소로 건물의 층수 증가 가능 (천정공간 10~20cm 축소가능) 3. 기계실 및 기기의 하중부하가 없어짐으로 건물 안전도 증가(중량물기계장치의 설치생략) 4. 동력전기 및 열에너지 절약 : 30% 이상 5. 열원기기의 집중설치 관리(지하 기계실에 집중 설치)로 유지관리비의 절약 11-4. 초고층 건설공사와HIGH-RISER SYSTEM의 선택 시 기대효과

  29. 12. 특허등록 및 특허출원 사항 • 1. 특허등록 • 1) 대한민국 특허등록 제 0245587호 (1999.11.30) • 2) 대한민국 특허등록 제 0550131호 (2006.02.01) • 3) 미국특허등록 Patent No. US 6,715,691 B2 (2004.04.06) • 4) 일본 특허 등록 제 3730960호(2005.10.14) • 5) 싱가폴 특허 등록 P No. 97100 [WO 02/44626] (2005. 07.29) • 2. PCT 국제특허 국가별 출원번호 • 1) 미 국 특허출원번호 : 10/432,978 • 2) 중 국 특허출원번호 : 01821952.7 • 3) 캐 나 다 특허출원번호 : 01821952.7 • 4) 호 주 특허출원번호 : 2002221145 • 5) EPO (유럽 연합) 특허출원번호 : 01998777 • 6) 홍 콩 특허출원번호 : 04102770.8

  30. 12-1. 현재 등록 특허(대한민국)

  31. 12-2. 현재 등록 특허(미국)

  32. 12-3. 현재 등록 특허 (일본, 싱가폴)

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