초고층빌딩 전기설비 일반사항
가. 개요
초고층 빌딩이란 어떤 법적인 근거로 구분되어지는 것은 아니나 현시대에서 이 정도의 규모를 초고충의 범주로 넣는다는 통념의 개념으로 보면(국내에서는 고층 빌딩이라 정의할 수 있는 건물의 설계 및 시공이 드물어 일본의 자료를 인용하면) 지상 高 100m, 30층 이상의 고층 빌딩을 초고층 빌딩의 범주에 넣을 수 있다 (고층 빌딩의 범위는 주택지역 21m 이상, 기타 지역 31m 이상으로 정하고 있다).
초 고충 빌딩의 전기설계시 착수를 위한 기본설계와 실시설계 과정에서 타 빌딩 설계보다도 건축, 기계설비와의 충분한 협의가 이루어져야 하고, 특히 기계설비의 분포 및 방식에 따라 대부분의 동력간선 방법 등이 제시되므로 이 점에 유의하여야 한다.
나. 초고층 빌딩의 설비 및 특징
1. 기상
지상 약 70m지점에서 순간 최대풍속이 최고도에 달한 후 위로 갈수록 약화되었다가 170m, 250m지점에서 재차 풍속이 강해진다. 또한, 대도시의 경우 질소산화물, 아황산산화물, 매연, 대기오염 등이 상부 층에 역전층을 이루어 초고층 빌딩의 일부층은 대기오염의 영향을 심각하게 받게 되므로 OA기기 위치 선정 및 청정대책을 강구해야 한다. ( 초고층 빌딩 설계 4∼5년 전부터 기상관측 등을 하여 데이터를 수집한다).
2. 냉방
고층에서는 복사열의 영향으로 냉방부하가 커지며 풍속의 증대로 외기유입량이 많아 냉방부하가 증가하게 되고 따라서 전기부하도 증가하게 된다.
3. 난방
야간 복사로 인한 난방손실이 커지므로 실내온도의 급강하 및 결로 현상 등에 대한 방지대 책을 강구해야만 한다.
4. 방재 및 피난
소방법, 건축법에 의한 소방시설 외에도 화재, 지진시 일시에 대피, 피난하여야 하므로 건물 내에 피난구를 분산하여야 하며, 최대 피난인력을 감안하여 건물설계를 하여야 한다.
화재시 고가사다리에는 한계가 있으므로 중간층 및 적정 층에 일시대피 피난구조 대기장소를 마련하고 비상전화, 비상전원, 비상식수 등을 고려해야 한다. (엘리베이터가 Transfer되는 곳에 피난 대기 장소를 마련하는 것이 바람직하다 - 60층, 40층, 20층).
특히 방재센터는 가능한 한 화재 재난시 총지휘를 원활히 할 수 있도록 1층에 배치시키는 것이 좋으며 지진계, 지진예측 경보기 등의 설치가 필수적이다.
불연성의 재료를 사용한다.
불이나 매연에 대한 드래프트 효과가 크므로 층간 관통부, 방화구획 관통부의 처리를 완전하게하고 특히, EPS 등의 경우에는 수평구획도 철저하게 하여야 한다.
초고층 빌딩에서 화재에 대한 대책이 중요한 이유
- 건물의 수용인원이 많다.
- 외부로부터의 소화, 구조 등의 소화활동이 어렵다.
- 화재현장까지 도달하는데 많은 시간을 요한다.
- 굴뚝효과가 크다.
- 피난동선이 길다.
5. 승강기
특수 승강기(비상용, 전망용 등)를 제외한 일반용 승강기는 저층용, 중층용, 고층용 등으로 분할배치하여 인원수송뿐 아니라 각종 설비(기계, 전기 등)들을 원활히 운송할 수 있도록 고려해야 한다 (적재하중, 규격, 구동방식 등 고려) 특히, 일본에서는 화물용 승강기, 방화문, 표시유리창, 아파트 베란다(지그재그식)까지 고려하고 있다.
엘리베이터 속도는 저층 뱅크에서 고층뱅크에 걸쳐 150~540m/min을 할당하는 것이 일반적이다
100층 정도의 초고층을 실현시키기 위해서는 저층 건축면적 대부분이 엘리베이터 샤프트가 된다. 따라서 모든 엘리베이터가 1층에서 출발한다는 사고에서 벗어나 스카이로비 방식의 적용을 검토하여야 한다.
5-1. 진동현상
저층부에서는 로프(균형체인)의 진동범위가 작지만 고층부로 올라갈수록 로프의 진동수가 커지고 주파수가 증가하게 되므로 로프가 손상되어 승강기의 안전에 영향을 준다. 따라서 이동식 로프가이드를 설치하여 진동을 억제하여야 한다.
5-2. 바람의 영향
초고층 빌딩에 적용하는 승강기는 초고속으로 운행되고 운행거리도 길어 승강로 내에 바람의 이동이나 충격이 발생한다. 따라서 바람의 충격이나 이동을 완화시키기 위해 공기충격을 완화할 수 있는 완충공간을 최상층, 중간층, 최하층에 설치한다.
5-3. 굴뚝현상(Stack Effect)
1층 현관에서 문이 열려있는 경우 승강로가 굴뚝으로서 작용하게 되므로 출입문의 조작이 곤란하거나 특히, 화재발생시 고층거주자가 질식하는 사고가 발생된다. 따라서 현관문은 2중(회전문)으로 하고 승강기 기계실의 창문을 밀폐형으로 한다.
6. 조명
초고층 빌딩 설계시 특히 중요한 항목으로 강한 태양광선 조사에 의한 사무실 내 조도대비, 방향에 따른 휘도분포 외부광량의 절대적인 차이 등에 대해서 효율적으로 대처하고(관련도표, 참고자료 등) 또, 조명에 의한 에너지 절약측면 대책이 적극 강구되어야만 한다.
7. 건축구조 및 마감
초고충 빌딩은 각 부분의 내진설계가 필수적이며, 풍압을 계산한 설계, 유구구조, 유지보수 측면 등이 고려되어야 한다. 특히, 정보통신 및 OA기기 등의 설치 변경이 용이한 건축마감이 되어야 한다.
다. 전기적 특징 및 설계시 유의사항
1. 부하특징
전기부하는 종 방향으로 분포되어 간선의 긍장은 건물의 수직 방향으로 길게 되므로 간선을 포설하는 EPS(Elect. Pipe shaft)는 건물의 유효 사용면적 확보로 인한 제약으로 필요 최소 space로 될 수밖에 없다. 따라서 초고층 빌딩의 간선은 필연적으로 간선 용량을 대형화하여 간선계통수를 적게 할 필요가 있다.
건물의 구조가 유구이므로 지진시 건물이 받는 수직. 수평방향의 가속도 및 층 간 변위가 대단히 크기 때문에 간선설비의 내진 성능을 충분히 검토할 필요가 있다. (동력, 전력용 Bus 는 Plug in type으로 시설한다), (flex. type 전기설비 필요)
초고층 건물은 대용량의 부하가 건물전반에 분산해 설치되는 경우가 많다. 따라서 변압기의 설치위치를 검토할 경우 경제성, 시공성, 안전성, 소음, 진동 등의 기술적인 문제와 함께 건물의 특수성, 관리운영상의 문제도 검토하여 결정하여야 한다.
◆ 변압기의 설치장소
- 지하층에만 변압기를 설치한다.
- 지하층과 최상층에 변압기를 설치한다.
- 지하층과 중간층에 변압기를 설치한다.
- 지하층, 중간층, 최상층에 변압기를 설치한다
1-1. 배전방식
초고층 빌딩의 동력기기는 단위용량이 크고 간선거리도 길어지기 때문에 저압배전의 경우 400V급을 채용하고, 단상부하 필요시에는 각층 또는 2~3층마다 타이트랜스를 설치하는 것을 검토한다.
2. 저압간선의 선정
변압기의 위치는 유지관리상 또는 건물의 유효 사용면적확보를 위해 지하층에 집중하는 경우에는 간선의 수가 많아지게 된다. 또한 간선의 샤프트는 제한된 공간일 경우가 많으므로 필연적으로 간선의 용량을 크게 하여 계통수를 적게 하여야 하는 제약이 따르므로 저압간선은 가능한 한 전압별로 대용량화하여 경량, 경제적인 면을 비중있게 검토해야 한다
초고층 빌딩의 경우 저압 대용량 간선에 적용되는 전선재
- AL-Fe Low Impedance Bus Duct
- 알루미늄 파이프 모선
- 알루미늄 파이프 절연모선
- 알루미늄 콜게이트 절연모선
- 알루미늄 케이블
3. 간선용량의 결정
전원공급 범위 내의 모든 부하를 종목별로 집계하고 부하 종목마다 수요율을 설정하고 총 부하 전류를 산출하여 간선용량과 계통수를 산정하여야 한다. (이때 제작상 및 시공상의 한계를 고려 할 필요가 있다)
간선용량으로 결정되는 차단기 설정시 상위 및 하위 차단기와 각종의 단락보호, 과전류 보호, 지락보호 협조 등을 고려하여 사고회로의 선택차단이 완전하게 되도록 할 필요가 있다.
4. 간선계통의 고장에 대한 대책
대용량 간선계통의 고장사고는 그 부분의 제거, 수선복구 작업에 상당한 시간을 요하게 되므로 사고시 건물에 중대한 지장을 초래하는 경우가 야기된다. 이 문제점을 보완하기 위해 Back-Up 송전방식, Loop 송전방식(4~6개로 구분한다) 예비,본선 송전방식(샤프트의 구분)등을 고려해야 한다.
4-1. Back up 방식
중요부하만 양쪽 피더에서 연결, 이상시 By Pass
나머지 부하는 Stop
가장 경제적인 방식
4-2. Loop 방식
평상시 By pass S/S off, 이상시 By pass S/S on
간선, 차단기 사이즈는 2배로 한다.
4-3. 예비본선 방식
각 부하마다 양쪽 피더에서 연결하는 방식으로 신뢰도가 크게 되나 가장 값이 비싸다.
5. 통신, OA설비
통신설비, OA설비는 최근 중요한 설비로 부상하고 있어 통신선로의 간선은 전기설비 방식에 준한 Loop, Back-Up, 예비본선 방식을 적용시키고 LAN을 이용한 광통신 포설경우도 2중 Loop 방식이 적극 검토 적용되어야 한다.
6. 인접건물의 전파장해
고층 빌딩의 인접건물에는 전파장해 문제가 발생하게 되므로 대책을 강구한다.
6-1. 직접파의 전파장해 문제
건물에 SHF안테나설치, 또는 초고층빌딩에 전파장해 대책용 안테나를 설치하여 케이블로 분기한다.
6-2. 간접파의 전파장해
직접파와 마찬가지로 전파장해 요인에 대한 적극적인 검토가 필요하다. 피해건물의 공청안테나 대신 전파장해를 유발하는 초고층 빌딩의 옥상에 공청안테나를 설치하여 케이블로 연결한다.
7. 피뢰설비
초고층 빌딩의 경우 피뢰설비의 완전한 보강이 절대적인 요건이 된다 (낙뢰는 건물높인의 약 2승에 비례)
일본의 경우 건축물의 낙뢰횟수와 건물높이와의 관계를 다음과 같은 식으로 나타내고 있다.
- 일반건축물
N = 2.46×10-5×H l.924
N : 낙뢰회수/년, H : 건물높이m
- 초고층빌딩(m)
N = 3.44×10-4 ×H l.924 ≒ 3×10-4×H²
건물의 높이가 높을수록 낙뢰 횟수의 증가뿐만 아니라 낙뢰전류도 급격히 비례 증가하므로 피뢰방식(완전보호 방식 - 케이지방식) 및 피뢰도체 규격 선정(초고층 100㎟ 이상, 보통 30㎟ 이상)에 유의할 필요가 있다.
즉, 초고층 빌딩의 상부는 100% 완전보호 낙뢰설비를 해야만 한다 (cage, 수평도체 + 돌침)
건물 내 정보통신, OA설비는 직접 낙뢰의 피해를 받지 않더라도 간접적으로 영향을 받는 점에 유의해야 한다 (낙뢰횟수, 뇌격전류, 뇌격거리 등)
8. 인텔리젼트 빌딩에의 대응
초고층빌딩은 상당한 부분이 임대되는 경우가 많고 또한 장래에는 정보화시대에 대응한 기반 정보통신설비(케이블 수납공간확보 : 샤프트, 바닥 등), 전원설비(OA 전원용량 50VA/㎡정도), 통신회선(전화선을 제외한 데이터 용)가 미비된 건축물의 임대는 기대난이라고 할 수 있다.
라. 시공시 유의시항
설계 및 시공은 내진설계에 의하여 행해져야 하며, 특히 초고층 빌딩의 전기부분 중요설비 시공의 경우 간선의지지가 중요한 사항으로 검토되어야 한다.
1. 간선의 지지
간선의 정 하중에 대하여 충분한 강도를 가지는 것은 물론 지진 발생시에 무리한 응력이 가해지지 않도록 시공방법을 취해야 한다.
또, 간선의 열신축에 의한 간선 및 구조물에 무리한 응력이 가해지지 않도록 고려해야만 한다.
케이블공사 등과 같이 가요성이 있는 것은 비교적 대처하기가 용이하지만 Bus-Duct 같이 가요성이 없는 것에 대해서는 상 지지에 방진고무, 코일, 스프링 등을 사용하고 필요개소에 Flexible Joint 등을 설계하여 응력을 흡수할 필요가 있다.
일반 케이블의 경우 별도 주문제작을 요한다.(케이블 내부에 강선 삽입으로 기계적 강도 보강).
2. 간선의 분기 방법
고압간선은 주로 케이블을 사용하고 저압간선은 Bus duct를 사용한다.
대용량 간선(저압간선)에는 거의 AL. Bus duct가 사용되고 있다.
따라서, 접속개소의 전기적 신뢰성이 높은 접촉방법을 강구하지 않으면 안 된다.
분기에 대해서는 현장에서의 접속작업은 신뢰성이 없고 제작도 어려우며 시간 또한 많이 걸리므로 정확한 Order Made 방식이 바람직하다.
제작된 제품을 현장조립 형식으로 처리하는 것이 표준적인 방법이다