최근 초고층 공동주택의 건설이 증가하고 있으나 초고층 공동주택은 일반 건물에 비해 에너지 다소비형 건물로, 이에 대한 대책이 반드시 필요하다. 특히, 초고층 건물은 풍력발전 시스템의 적용이 주목받고 있으나 우리나라에서는 계절적으로 바뀌는 풍향등의 이유로 안정적인 풍량을 확보하는 것이 힘든 실정이다. 따라서 본 연구에서는 초고층 공동주택에서 안정적 풍량 확보를 통해 풍력발전 시스템을 운전하는 동시에 배기문제를 함께 해결하기 위하여, 기존 사례와 문헌 및 이론 고찰을 통해 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 개발하고 CFD 시뮬레이션과 Test-bed 실험을 통해 적용방안을 제안하고자 하였다. 핵심어 : 초고층 공동주택, 신재생 에너지, 배기효과, 에너지 절약, 소형풍력발전 시스템
본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 초고층 공동주택에 적용하기 위한 고려요소는 풍환경에 따른 고려요소, 소형풍력발전 시스템에 따른 고려요소, 그리고 배기풍을 이용하기 위한 고려요소로 구분된다. 이러한 고려요소에 따라 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 설계하였으며, 벤츄리 효과와 원형의 모양으로 설계하여 외기풍과 배기풍을 최대한 집풍할 수 있도록 하였다. 이 때, 적용되는 소형풍력발전 시스템은 기존의 사보니우스형과 다리우스형이 결합된 수평축의 블레이드가 적합한 것으로 판단된다.
(2) 설계 제작된 배기겸용 소형풍력발전 시스템은 CFD 시뮬레이션 결과 외기 풍속 3~5m/s 일 때, 일반 배기구에 적용한 소형풍력발전 시스템보다 배기풍속이 0.46~0.77m/s 증가하여 배기효과가 있음을 확인하였다. 또한 건물에서의 최적 위치는 건물의 측면부이며, 인접 배기구에 대해 4m의 이격거리가 필요한 것으로 나타났다.
(3) 건물 높이 53m의 Test-bed 에 제작된 시스템을 적용하여 소음과 진동을측정한 결과, 최대 7대의 설치가 안전하며, 1대 설치시 거주 공간과 10m이상의 이격거리가 필요한 것으로 나타났다. 또한, 외기풍속 1.3m/s 일 때 13일간 발전량을 측정한 결과 소형풍력발전 시스템 1개에서 평균 15Wh/day의 발전량을 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 공동주택 높이 100m, 200m, 300m 에서의 연간발전량을 예측하면, 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 설치한 경우 연간 23,452Wh/year ~27,363Wh/year 의 발전이 가능하며, 이는 소형풍력발전 시스템만 운전한 경우보다 2.0~2.5배, 일반 원통형 배기구에 적용하여 운전한 경우보다 1.7~1.9배 많은 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서 개발한 배기겸용 소형풍력발전 시스템이 초고층 공동주택에서 소형풍력발전 시스템만을 적용하거나 일반 배기구에 적용한 경우보다 전력생산에 있어 유리한 것을 확인하였다.
(4) 아직까지 현재의 초고층 공동주택에 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 적용하기 위해서는 많은 한계점이 있으며, 따라서 배기겸용 소형풍력발전 시스템의 최적 적용을 위해서는 ①건물의 계획단계부터 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 적용하기 위한 통합 설계 ②배기겸용 소형풍력발전 시스템 전용의 블레이드 개발 ③배기풍의 풍속 증폭과 같은 방안이 필요하다.
본 연구는 초고층 공동주택의 에너지소비문제를 해결하기 위한 방안으로서 배기겸용 소형풍력발전 시스템을 개발하고 그 적용가능성을 확인하였다. 그러나 초고층 공동주택에서 배기겸용 소형풍력발전 시스템의 최적 적용을 위해서는 옥상 배기구에서 바람을 극대화하기 위한 건물의 최적 설계방안과, 블레이드 및 소형풍력발전 시스템의 기술개발에 관한 연구가 진행되어야 할 것이다.

While the construction of super high-rise apartments has recently increased, super high-rise apartments have larger energy consumption than general buildings. Therefore, these buildings require measures to resolve the problem with energy consumption. In particular, while applying the wind power generation system in super high-rise buildings is drawing substantial attention in the market, the acquisition of a stable level of air volume is difficult in Korea as the country shows seasonally changing wind directions. In this regard, this study intended to operate a small wind power system combined with a exhaust opening and resolve the issue of exhaust emissions by obtaining a stable level of air volume in super high-rise apartments. To this end, this study aimed to develop a small wind power system combined with an exhaust opening by reviewing existing cases, literature, and theories, and conducting CFD simulations and test-bed experiments. Keyword: super high-rise apartments, renewable energy, exhaust effects, energy saving, small wind power system
This study''s results are summarized as follows:
(1) Factors required to consider to apply a small wind power system combined with an exhaust opening in super high-rise apartments are divided into the wind environment, the small wind power system, and the use of exhaust air. This study designed a small wind power system combined with an exhaust opening according to these considerations. The system was also designed based on the Venturi effect and a round shape to collect the maximum level of outdoor and exhaust air. In addition, a horizontal-axis blade that combined the existing Savonius and Darrieus types was applied as it was considered appropriate for the applied small wind power system.
(2) Based on the results of CFD simulations, at an outdoor wind speed of 3~5m/s, the designed and produced small wind power system combined with an exhaust opening exhibited an increase in the speed of exhaust air by 0.46~0.77m/s from small wind power systems applied to general exhaust openings. This confirmed the proposed system''s ventilation effects. Moreover, the system''s optimal location in a building was its side with a separation distance of 4m from the adjacent exhaust opening.
(3) Noise and vibration levels were measured by installing the proposed system in a test-bed located 53m high at a building. This showed that the installation of up to seven units was safe, and the installation of a single unit required a separation distance of 10m or longer from the residential space. In addition, the measurement of power generation for 13 days at an outdoor wind speed of 1.3m/s resulted in an average output of 15Wh/day for one small wind power system. Based on these results, annual power generation at 100m, 200m, and 300m-high apartment houses was projected. The installation of the small wind power system with a ventilator was estimated to generate an annual output of 23,452Wh/year to 27,363Wh/year. This was 2.0 to 2.5 times larger than the mere operation of a wind power system, and 1.7 to 1.9 times larger than the operation of a general cylindrical exhaust opening. Thus, this study confirmed that, in terms of power generation, the proposed small wind power system with an exhaust opening is more beneficial for super high-rise apartment buildings than the single operation of either a wind power system or general exhaust opening.
(4) Until now, the application of a small wind power system with an exhaust opening in super high-rise apartment buildings presents a number of limitations. Therefore, the system''s optimal application requires ① an integrated design to apply the small wind power system with an exhaust opening from the building''s planning phase, ② the development of blades that are exclusively for the wind power system with an exhaust opening, and ③ increases in the speed of exhaust air.
This study confirmed the potential to develop and apply a small wind power system with an exhaust opening as a measure to resolve the problem with energy consumption in super high-rise buildings. However, the optimal application of such a system in super high-rise buildings requires future studies on solutions for the optimal design of buildings that can maximize the wind in their rooftop exhaust openings and technological development for blades and small wind power systems.