Original Article

Journal of Korean Society of Disaster and Security. 30 June 2019. 47-56
https://doi.org/10.21729/ksds.2019.12.2.47

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구대상 및 방법

  •   2.1 주차장의 형태 및 급․배기 조건

  •   2.2 Hot Smoke Test 방법

  •   2.3 연구방법

  • 3. 결과 분석 및 고찰

  •   3.1 화재 플럼 주변의 온도 특성

  •   3.2 CCTV를 이용한 연기 가시도 변화 분석

  •   3.3 고찰

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 대형 건축물의 지하는 주차장의 확보와 판매시설의 확보를 위하여 대규모화 및 고심도화 되고 있다. 고심도화는 화재 시 연기로 인한 위험뿐 아니라 소방대원이 화점에 진입하기 곤란한 문제를 야기하고 있다. 2013년 8월 의왕 아파트 주차장 화재와 인천 2017년 인천 송도의 주차장 화재는 다수의 거주자에 대한 화재 피해 우려의 위험성을 보여준 사례들 중 하나이다. 대형 건축물의 화재로 인한 위험을 감소시키기 위하여 국내의 경우 2011년 7월부터 󰡔소방시설 등의 성능위주 설계 방법 및 기준󰡕에 관한 고시를 통하여 화재 위험을 저감할 수 있도록 새로운 설계방법을 요구하고 있다. 그러나 위험을 감소하기 위한 성능위주 설계기법이 적용됐음에도 불구하고 그 성능에 대한 적정성 평가는 거의 이루어지지 않고 있다.

주차장 화재 시 연기로 인한 위험을 감소시키기 위한 설계방법으로는 시간당 3~6회의 환기계수를 적용하는 방법과 NFPA 88A(2011)의 6.3절에 따라 300 L/min․m2을 적용하는 방법이 주로 사용되고 있다.

그러나 많은 엔지니어들과 소방대원들은 이러한 설계기법이 적용된 건축물의 지하 연기 배출 성능에 대해 의문을 제기할 뿐 아니라 그에 대한 대책으로 지하 주차장의 연기 배출 성능의 향상을 위하여 주차장법 시행규칙 제6조에 따른 일산화탄소 농도 50 ppm이하를 유지하기 위해 주로 설치되는 유인팬을 화재 감지기와 연동 운영될 수 있도록 요구하고 있다.

주차장 화재 시 제연시스템의 연동은 화재 초기 스프링클러의 동작 지연과 유인팬 동작으로 인한 연기층의 교란 우려가 있기 때문에 적정한 성능평가를 통하여 연기제어 시스템의 운영방안이 결정되어야 하나 그렇게 운영되지 못하고 있는 게 현실이다.

국외의 경우 제연설비의 성능 평가 방법으로 AS 4391-1999 󰡔Smoke management systems – Hot smoke test󰡕가 주로 활용되고 있으나 국내의 경우 표준화된 성능평가 방법이 도입되어 있지 못한 실정이다. 연막탄을 이용한 연기제어 시스템의 평가 시 부력이 형성되지 않아 정확한 연기층의 관찰을 정확히 할 수 없는 한계가 있다. 그러나 AS 4391-1999 Hot Smoke Test 는 시험장소의 높이 및 온도 조건에 따라 일정 크기의 화원을 제공여 부력을 형성하므로서 보다 안정된 연기층의 관찰이 가능한 시험방법이다. 이와 관련된 제연설비 성능평가 관련 연구에는 고천정 대공간의 축연효과의 강제 배출방식의 성능과 관련한 ‘이케아 광명점 특수제연설계 및 Hot Smoke test’(Hwang et al., 2014)의 사례가 있으며, 국외의 경우 스케일링에 기반한 Hot smoke test(Morgan et al., 2004) 연구와 아트리움에서의 연기 배출 성능(Chow et al., 2005)과 관련한 연구 등이 있다.

이에 본 연구에서는 Hot smoke test 방법을 이용하여 주차장 환기설비의 제연설비로의 활용 가능성에 대한 성능 평가와 유인팬의 가동 여부에 따른 제연설비로의 성능 변화를 CCTV를 이용한 정성적 분석을 통하여 보다 효과적인 주차장 연기제어 방법의 제시 및 주차장 연기제어 시스템의 성능 평가 방법으로 Hot smoke test의 일반적 적용 가능성을 검토하려 한다.

2. 연구대상 및 방법

2.1 주차장의 형태 및 급․배기 조건

연구 대상 건축물의 해당 지하층 연면적은 약 55,623 m2이며, 그 중 주차장으로 사용되는 면적은 29,585 m2, 층고는 5.2 m이다. 주차장 환기를 위해 적용된 설계 기준은 이산화탄소 농도 50 ppm이하로 설치된 급․배기 팬의 풍량은 448,000 CMH이며, 시간당 약 3.0회의 환기횟수이다. 해당 주차장의 유인팬(Jet fan)은 총 129개가 하향각도 약 5〫 로 설치되어 있으며, 정격 풍량은 개당 1,800 CMH이고 정압 3 mmAq, 풍속 15.2 m/s의 제원으로 설치되었다. 급기팬(SA)과 배기팬(EA)이 설치된 위치는 Fig. 1과 같다. Hot Smoke Test를 위한 화원 인근의 유인팬의 기류 흐름 방향은 Fig. 2와 같다.

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Fig. 1.

Location of fire source and fan

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Fig. 2.

Flow direction of fet fan

2.2 Hot Smoke Test 방법

2.2.1 화재의 크기 결정

Hot smoke test를 위한 화원과 연기발생장치는 AS 4391-1999(1991)에 따라 Fig. 3과 같은 장치를 이용하며, Water bath 내부에 연료 트레이를 설치하여 시험 중 질량연소속도가 일정하게 되도록 하는 구조이다. Hot smoke test를 위한 화원의 크기는 AS 4391-1999의 3.3.2에 따라 화재진압 설비의 동작온도보다 시험 시 천정의 온도가 10°C 낮도록 선정하였다. AS 4391-1999의 Table A1에 따라 주위온도 20°C, 층고 5 m을 적용하여 결정된 화재 크기는 A2 Size로 추정 천정온도는 52°C가 된다. 시험을 위한 연료는 메탄올을 사용하였다.

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Fig. 3.

Test apparatus

Table 1. Character of fuel

Fuel Heat of combustion (MJ/kg) Avg. maximum burning rate per unit area (kg/s․m2)
Methanol 19.8 0.022

2.2.2 측정 장비 및 열전대와 CCTV 위치

Hot Smoke Test를 진행하는 중 천정부와 플럼의 온도를 측정하기 위하여 K종 열전대를 사용하였으며, 이를 데이터 로거(Hioki LR8400)를 이용하여 매 1초 간격으로 기록하였다. 열전대는 총 30개가 설치되었으며 그 위치는 Fig. 4과 같다. 연기 가시도의 변화를 관찰하기 위한 CCTV는 Fig. 5와 같이 급배기 흐름이 관찰될 수 있도록 총 8개를 분산 설치하였다. 연기 가시도 관찰을 위해 화원 주변에 가시도 1 m의 연기를 분당 440 m3 발생하는 (440 m3/min@1m vis)의 연기발생기를 2대 설치하였다.

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Fig. 4.

Location of thermocouple

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Fig. 5.

Location of CCTV

2.3 연구방법

본 연구에서는 AS 4391-1999의 Hot smoke test 방법을 이용하여 주차장 제연설비의 성능을 평가하였다. 실험 조건은 급․배기 팬만 운전하는 경우(CASE 1)와 하향 각도 5°로 설치된 유인팬을 추가로 운전하는 경우(CASE 2)의 2가지 조건에서 화원 근처에 설치한 8대의 연기 가시도 분석용 CCTV를 통하여 분석하여 각 조건에 따른 연기 가시도 변화를 분석하여 주차장 제연설비의 성능평가 및 효율적 운영방안을 제안하려 한다. 또한 Fig. 4와 같이 열전대(K종)를 설치하여 측정한 결과와 아래 식(NFPA, SFPE, 2002)에 따른 Alpert의 Ceiling Jet 온도 예측과 비교 분석하여 Hot smoke test를 주차장 연기제어 시스템 평가에 일반적으로 적용할 수 있는지 분석하려 한다. Alpert의 식은 플럼 중심축과 천장높이까지의 비에 따라 식 (1)과 식 (2)로 구분 적용되며, 그 이유는 화재플럼으로부터 직접적으로 영향을 받는 부분과 Ceiling Jet이 형성된 부분과의 온도 특성이 상이하기 때문이다.

$$T-T_\infty\;=\;16.9\frac{{\displaystyle\overset.Q}^{2/3}}{H^{5/3}}\;\;\;for\;\;r/H\;\leq\;0.18\;$$ (1)
$$T-T_\infty\;=\;5.38\frac{{\displaystyle\overset.Q}^{2/3}/H^{5/3}}{(r/H)^{2/3}}\;\;\;for\;\;r/H\;\geq\;0.18\;$$ (2)

여기서, T : 플럼의 온도(°C)

T : 주위온도(°C)

Q. : 열발출량(kW)

r : 플럼중심축에서의 이격거리(m)

H : 천정높이(m)

3. 결과 분석 및 고찰

3.1 화재 플럼 주변의 온도 특성

AS 4391-1999에 따라 화원의 크기를 A2 사이즈로 하고 급배기 조건을 변경(CASE 1, 2)하여 Hot smoke test를 시행하였다. Plume의 중심축에 K종 Thermocouple을 Fig. 4와 같이 설치하고 연기층 온도를 측정한 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 6과 Fig. 7의 가로축은 시험시간 전체에 대한 시간축이며, Fig. 6의 세로축은 플럼중심인 Ch 1~6의 온도측정결과이다. Fig. 7의 세로축은 플럼중심과 좌우로 4, 8 m 지점에 천정면 20 cm에 설치된 Thermocouple인 Ch1, 7, 10, 19, 22에서 측정된 온도 측정결과이다. 화원이 안정되는 단계로 추정되는 150초 이후부터 시험 종료 시까지의 천정에서 20 cm의 높이에 설치한 ch1의 최고온도를 비교하여 보면 급․배기 팬만 가동했을 경우(CASE 1) 43.8°C가 측정되었으며, 유인팬을 추가로 가동한 경우(CASE 2)에는 42.3°C로 최대차가 2.5°C로 큰 차이를 보이지 않았다.

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Fig. 6.

Temperature of plume center axis

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Fig. 7.

Temperature at 4 m, 8 m from plume center axis

천정류의 온도를 예측하는 방법으로 가장 많이 활용되는 방법 중 하나인 Alpert의 식과 화재공학원론(Quintiere, 2015)에 근거한 Table 1의 연료 특성을 적용하여 열방출량과 온도 상승값을 구하여 측정된 결과와 비교하였다. 천정하부 0.2 m 지점 높이에서 플럼 중심축과 그 좌우로 4 m~15 m 지점에서 측정한 온도와 AS 4391-1999에서 추정한 온도 그리고 Alpert의 Ceiling jet 추정온도와 비교한 결과를 Table 2과 Fig. 8에 나타내었다. 측정값은 시험 시작 후 150초 이후에 플럼 중심축의 온도가 최고가 되는 시점의 전후 10초의 평균값이다. 그 결과를 보면, 급․배기 팬만 가동하는 경우(CASE 1)의 측정값을 Alpert의 식을 이용한 계산값과 비교하면 공기가 유입되는 쪽의 4, 8 m 지점에서는 각각 2.8°C와 5.0°C 높고, 연기가 유출되는 쪽의 4 m, 8 m 지점에서는 8.1°C와 9.0°C가 높게 측정되었다. 급․배기 팬 과 유인팬을 동시에 작동하는 경우(CASE 2) 측정값은 Alpert의 계산치와 비교했을 경우에 공기가 유입되는 쪽의 4, 8 m 지점에서는 각각 2.6°C와 4.5°C 높고, 연기가 유출되는 쪽의 4 m, 8 m 지점에서는 7.6°C와 7.9°C 높게 측정되었다.

Table 2. Temperature characteristic of Plume

T-max AS 4391-1999 Alpert** Case 1** Case 2**
Plume center axis (°C) 52* 44.7 43.8 42.3
4m point on the right (°C) - 34.3 37.1 36.9
8m point on the right (°C) - 30.8 35.8 35.3
4m point on the left (°C) - 34.3 42.4 41.9
8m point on the left (°C) - 30.8 39.8 38.7

* : Ambient temperature 20°C, Height of ceiling 5m, Fire Source A2
** : Ambient temperature 24.9°C
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Fig. 8.

Maximum temperature along the distance from the plum center

CASE 1에서 공기가 유입되는 쪽의 온도보다 연기가 유출되는 쪽의 온도가 더 큰 편차를 보인 이유는 제연설비의 작동에 의한 강제 대류 효과와 주차장의 보로 인한 축열 공간의 형성에 의한 것으로 추정된다. CASE 2의 경우도 거의 유사한 특성을 보였으며, CASE 1과 2의 연기 배출 쪽 온도편차 중 CASE 1이 더 큰 이유는 유인팬의 가동에 따른 추가 공기 유입의 효과로 판단된다.

유인팬의 추가 동작에 따른 급기 흐름의 증대 효과로 화재 진압을 위한 진입 시 급기량을 증가시킴으로서 화점에 보다 쉽게 접근할 수 있을 것을 것이다. 다만 추가된 공기량으로 인하여 화재의 크기가 확대될 수 있음에 주의하여야 할 것이다. 급․배기 팬 이외에 추가적으로 유인팬을 가동할 경우 공기가 유입되는 방향으로 화원 인근의 온도를 추가적으로 낮출 수 있다는 것을 Hot smoke test를 이용한 Plume 주위의 온도를 측정한 결과 확인할 수 있었으나 그 효과는 크지 않았다.

Plume 주변에서 K종 thermocouple로 측정된 온도는 화재 크기가 안정된 150초 이후에는 AS4391-1999에 의해서 추정되는 최고 온도 52°C 보다는 낮게 측정되었으나, CASE 1의 경우 실험 초기의 과도상태에서는 천정부가 온도가 약 50°C에 도달하고 있음을 Fig. 6의 ch1에서 확인할 수 있다. 주위 온도차 및 천정에서 0.2 m 하부의 온도임을 고려할 때 최고 온도는 AS 4391-1999에서 추정하는 온도를 준용하여도 될 것으로 판단된다.

3.2 CCTV를 이용한 연기 가시도 변화 분석

3.2.1 연기층의 교란 효과

CCTV 5번 위치에서 급배기 조건의 변화(CASE 1, 2)에 따른 연기층의 형성을 동일한 시간의 스틸사진을 통하여 비교 분석한 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 그 결과를 보면 연기발생 후 5분 및 10분 후의 가시도를 비교하면 급․배기 팬만을 가동한 경우(CASE 1)가 유인팬을 추가 가동한 경우(CASE 2)에 비하여 바닥의 가시도가 더 좋게 형성되고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 원인은 유인팬의 지향 각도가 약 하향 5°로 설치되어 있기 때문에 유인팬의 운전으로 연기층이 교란되어 청결층이 유지되지 못하는 현상이 발생했기 때문으로 관찰되었다.

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Fig. 9.

Smoke layer disturbances

3.2.2 연기 배출 성능의 비교

연구 대상 주차장의 설계기준은 환기회수 3회/시간으로 일반적으로 주차장 환기를 위해서 적용되는 환기성능을 가지고 있다할 수 있다. 주차장 제연설비의 성능 평가를 위하여 연기발생 종료 후 특정 시간의 CCTV Ch6 스틸사진을 통하여 가시도를 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10의 연기발생 정지 직후의 사진을 보면 CASE 1, 2 모두에서 가시도가 거의 확보되지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 이는 화재 시 화점으로의 진입이 거의 불가능할 수 있음을 보여주는 것으로 환기횟수 3회/시간의 환기설비 능력으로는 제연설비로서의 성능을 확보할 수 없다할 수 있다.

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Fig. 10.

Smoke visibility according to case and time

환기성능 확인을 위하여 연기발생 정지 후 20분까지의 스틸사진을 비교한 결과, CASE 2의 경우가 CASE 1에 비하여 가시도가 더 빠르게 회복되고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 Hwang et al.(2014)의 지하 주차장의 환기성능평가에 관한 연구 결과인 유인팬을 작동했을 경우(CASE2) 환기량이 8% 정도 개선된다는 결과와 유사한 결과라 할 수 있다.

3.3 고찰

최근의 대규모 건축물의 주차장은 대규모화 및 고심도화의 특징을 가지고 있다. 이러한 건축 구조적 특성을 가진 주차장의 화재 시 신속한 피난과 화재 진압을 위해선 주차장 제연설비의 성능을 확보하는 것이 매우 중요하다. 그러나 2011년 이후 성능위주 설계가 적용되었음에도 불구하고 아직까지도 주차장의 제연설비의 성능을 평가하기 위한 구체적인 방안이 제시되지 못하고 있다.

Hot smoke test를 이용한 주차장 제연설비의 성능평가를 실시한 결과 보다 효과적인 주차장 화재의 진압 전술을 위하여 다음과 같은 개선이 필요한 것으로 분석되었다.

• 화재 초기 유인팬을 자동화재탐지설비와 연동하는 경우 화원 주변의 연기층 교란이 발생하여 초기 피난 지연의 우려가 있으므로 급․배기 팬만 연동할 필요가 있다.

• 유인팬의 작동은 화재 주변 온도상승 억제 및 배기 성능의 향상에 도움이 되므로 화재 진압 활동을 위해 수동운전이 가능하도록 전용의 제어반을 설치할 필요가 있다.

• 유인팬 가동을 위한 제어반은 소방대원이 화재 진압 시에 사용하므로 방재실 또는 화재로부터 안전한 장소에 설치되어야할 필요가 있다.

4. 결 론

환기용으로 설계된 주차장 환기설비에 대하여 AS 4391-1999 규격에 따른 Hot smoke test를 이용하여 제연 성능 평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) Alpert 식에 따른 계산값과 Hot smoke test를 이용한 온도 측정 결과를 비교한 결과 Ceiling jet의 최고온도는 측정치가 Alpert 식보다 CASE 1의 경우 0.9°C, CASE 2의 경우 2.5°C의 낮게 나왔으나 매우 유사한 크기를 보였다.

2) Plume 중심축에서 4, 8 m 떨어진 거리에서 측정한 천정류의 온도는 Alpert 식보다 7.9~9.0°C 높게 측정되었다. 이는 주차장 환기설비의 작동에 따른 강제 대류로 효과와 보에 의한 집열효과로 판단된다.

3) 유인팬의 추가 운전에 따라 환기설비의 배연 성능은 CCTV를 이용한 연기 가시도 변화를 분석한 결과 Fig. 10에서와 같이 배연성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.

4) 3회 환기/ 시간당 배출량을 가진 환기설비를 제연설비로 활용하는 경우 연기가 발생되고 있는 상태에서는 화재 진압에 필요한 환경을 조성하기에는 성능이 부족함을 확인할 수 있었다.

5) 유인팬의 작동은 Fig. 8에서와 같이 화재 주위의 온도를 감소시키고 Fig. 10과 같이 연기의 배출성능을 향상시키는 장점이 있으나 Fig. 9에서와 같이 화재 초기 화원 주변의 연기층을 교란시켜 피난 지연이 발생할 수 있는 문제점을 확인할 수 있었다.

6) 유인팬의 작동은 연기층 교란이 문제되지 않는 화재 진압 조건에서 활용 가능할 것으로 판단됨에 따라 자동화재탐지설비와의 연동보다는 별도의 제어반에 의한 수동 조작이 더 효과적일 수 있음을 확인할 수 있었다.

본 연구 결과는 환기횟수 3회/시간의 주차장 환기설비를 제연설비로 활용한 경우, 그 성능을 Hot smoke test를 통해 분석한 결과에 제한된 것으로 추후 환기횟수, 급․배기 팬의 위치 등의 변화 및 다양한 설계조건이 적용된 건축물에 대한 Hot smoke test를 활용한 제연설비의 성능평가가 이루어질 필요가 있으며, 이를 통하여 필요한 주차장 제연설비의 성능 조건과 운영방안을 일반화할 필요가 있을 것이다.

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