본 연구에서는 미국 NFPA 204 기준에 의해 설계된 수직 배연구에 대하여 배연구의 위치, 외기 온도, 풍속 및 화재크기가 자연배연 성능에 미치는 영향과 화재특성을 CFAST 프로그램을 사용하여 수치 해석적으로 조사하였다. 배연구는 외벽의 최고 상부에 위치한 경우와 외기온도가 낮은 경우 및 풍속이 작은 경우 배연성능기준을 만족하였다. 또 화재크기가 클수록 배출량은 증가하나 연기층 높이는 낮아져 배연성능기준을 만족하지 못하였다. 직접 외기와 통하는 수직 자연배연구의 설계시 해당지역의 최고 온도와 최대 풍속을 고려하고, 설계화재를 정확히 결정하여 배연성능기준이 만족되도록 주의가 요망된다.
본 연구에서는 미국 NFPA 204 기준에 의해 설계된 수직 배연구에 대하여 배연구의 위치, 외기 온도, 풍속 및 화재크기가 자연배연 성능에 미치는 영향과 화재특성을 CFAST 프로그램을 사용하여 수치 해석적으로 조사하였다. 배연구는 외벽의 최고 상부에 위치한 경우와 외기온도가 낮은 경우 및 풍속이 작은 경우 배연성능기준을 만족하였다. 또 화재크기가 클수록 배출량은 증가하나 연기층 높이는 낮아져 배연성능기준을 만족하지 못하였다. 직접 외기와 통하는 수직 자연배연구의 설계시 해당지역의 최고 온도와 최대 풍속을 고려하고, 설계화재를 정확히 결정하여 배연성능기준이 만족되도록 주의가 요망된다.
In this study, the effects of vent location, outside temperature, wind velocity and fire size on the performance of natural venting of the vertical vent designed according to NFPA 204 standard and fire characteristics were numerically investigated using CFAST. In cases of the Vent located on most up...
In this study, the effects of vent location, outside temperature, wind velocity and fire size on the performance of natural venting of the vertical vent designed according to NFPA 204 standard and fire characteristics were numerically investigated using CFAST. In cases of the Vent located on most upper wall, lower outside temperature and lower wind velocity, vents met the performance criteria of venting. The larger fire size becomes, the more mass flow rate through a vent becomes, but the lower interface height of smoke layer becomes, so that vent didn't meet the performance criteria of venting. It should be noted that a natural vertical vent be designed considering maximum outside temperature and maximum wind velocity and developing a design fire accurately in order to meet the performance criteria of venting.
In this study, the effects of vent location, outside temperature, wind velocity and fire size on the performance of natural venting of the vertical vent designed according to NFPA 204 standard and fire characteristics were numerically investigated using CFAST. In cases of the Vent located on most upper wall, lower outside temperature and lower wind velocity, vents met the performance criteria of venting. The larger fire size becomes, the more mass flow rate through a vent becomes, but the lower interface height of smoke layer becomes, so that vent didn't meet the performance criteria of venting. It should be noted that a natural vertical vent be designed considering maximum outside temperature and maximum wind velocity and developing a design fire accurately in order to meet the performance criteria of venting.
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문제 정의
본 연구에서는 zone 모델인 CFAST(ver. 6.0.10)를 사용하여 미국 NFPA 204 기준에 의해 설치된 수직 배연구에 대하여 화재시 배연구의 위치, 외기 온도, 풍속 및 화재크기가 수직 배연구의 자연배연 성능에 미치는 영향과 화재특성을 수치 해석적으로 조사하였다.
본 연구에서는 미국 NFPA 204 기준에 의해 설계된 단일공간의 수직 배연구에 대하여 배연구의 위치, 외기 온도, 풍속, 화재크기가 자연배연 성능에 미치는 영향과 화재특성을 수치해석적으로 조사하였다.
본 연구의 목적은 수직 배연구의 자연배연 성능과 화재실의 화재특성을 조사하여 자연배연설비의 성능위주설계시, 거주자의 피난안전계획수립시 및 제연설비 설치기준에 대한 보완 작업시 기초자료를 제공하고, 화재영향평가의 실무 작업에 도움이 되도록 하는 것이다. 후속 연구에서는 본 연구에서 얻어진 화재시뮬레이션 결과분석 내용을 실제 수직자연배연구가 설치된 건물에 적용하여 화재시 배연구의 자연배연성능과 배연구의 작동이 화재 및 피난안전에 미치는 영향에 대한 내용을 다루고자 한다.
특히, 최근에 일부 법 규정에 도입적용되고 있는 화재영향평가와 성능위주설계를 고려한다면 배연설비에 대한 성능 확인은 더욱 요망되어진다고 할 수 있다. 이에 본 연구를 통하여 현재 적용되고 있는 설계의 문제점과 이에 대한 개선점을 제안하고자 한다.
가설 설정
1) 배연구는 외벽 상부에 위치할 경우 배연성능기준을 만족한다.
2) 외기 온도가 높은 여름철의 경우 배연성능기준을 만족하지 않을 가능성이 있다.
제안 방법
본 연구에서는 배연구가 설치되지 않은 화재모델(No. 0)의 화재특성을 먼저 조사하고, 이어 배연구와 외기유입구의 위치(z1, z2) 외기 온도(Tout), 풍속(Vwind) 및 화재크기(HRR)가 배연구의 배연성능에 미치는 영향을 조사하기 위하여 각 조건을 변화시켜가며 해당 화재모델 (No. 1-11)을 만들어 화재시뮬레이션을 수행하였다. 화재모델에 대한 내용을 Table 1에 나타내었다.
외기온도에 대한 배연성능을 조사하기 위한 화재모의실험조건은 화재모델 No. 3을 기본화재모델(Tout=20℃)로 하여 외기온도를 35℃, 5℃, -10℃로 변화시켜 화재모의실험을 수행하였다.
풍속에 대한 배연성능을 조사하기 위한 화재모의실험조건은 화재모델 No. 3을 기본화재모델(Vwind=0m/s) 로 하여 배연구가 설치된 벽면 정면으로 향하는 풍속을 1m/s, 3m/s, 5m/s로 변화시켜 화재모의실험을 수행하였다.
화재크기에 대한 배연성능을 조사하기 위한 화재모의실험조건은 화재모델 No. 3을 기본화재모델(HRR=1750 kW)로 하여 열방출율을 3500 kW, 5250 kW로 변화시켜 화재모의실험을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 특정소방대상물 중 문화집회장의 바닥면적이 400 m2인 구획에 대해 자연배연설비의 배연구를 설계하여 화재모델로 적용하였다.
본 연구의 화재모델은 단일공간의 한 쪽 벽면에 배연구와 외기유입구를 설치한 구획으로 크기는 폭(W)× 깊이(D)×높이(H)가 20.0 m×20.0 m×4.0 m이다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 성능위주설계를 고려하여 미국 NFPA 204 기준을 적용하여 배연구의 면적을 계산하였다. 화재면적이 1m2이고, 열방출율이 1750 ㎾ 의 화재에 대하여 식(5b)와 식(6)을 사용하여 계산된 전체 배연구의 면적은 2.
두 기준을 비교하면 자연배연설비의 배연구 설계시 국가화재안전기준은 미국 기준에 비해 매우 단순하며, 공학적 설계 개념이 부족하다는 것을 알 수 있다. 또 앞서 서술한대로 실제 소방업계에서는 제연설비의 면제기준을 적용하여 직접 외기로 통하는 배출구 면적의 합계가 당해 제연구역 바닥면적의 1/100 이상 조건만 만족되도록 배출구의 면적을 결정하여 설계하고 있다.
5% 감소되었다. 외기온도가 15℃로 높아진 경우 질량유량은 5.6%, 연기층높이는 5.1% 감소하였으며, 풍속이 5m/s로 커진 경우 질량유량은 29.3 %, 연기층높이는 27.1% 감소되었다. 화재크기가 3배로 커진 경우 질량유량은 38.
화재모델 No. 3의 결과를 기준으로 배연구와 유입구의 간격(d)이 1/3배로 줄어든 경우 질량유량은 22.6%, 연기층높이는 19.5% 감소되었다. 외기온도가 15℃로 높아진 경우 질량유량은 5.
후속연구
본 연구의 목적은 수직 배연구의 자연배연 성능과 화재실의 화재특성을 조사하여 자연배연설비의 성능위주설계시, 거주자의 피난안전계획수립시 및 제연설비 설치기준에 대한 보완 작업시 기초자료를 제공하고, 화재영향평가의 실무 작업에 도움이 되도록 하는 것이다. 후속 연구에서는 본 연구에서 얻어진 화재시뮬레이션 결과분석 내용을 실제 수직자연배연구가 설치된 건물에 적용하여 화재시 배연구의 자연배연성능과 배연구의 작동이 화재 및 피난안전에 미치는 영향에 대한 내용을 다루고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대형 화재시 인명손실의 가장 큰 원인은 무엇인가?
다중이용업소, 공연장, 관람장, 전시장, 예식장 및 집 회장 등 출입인구밀도가 높은 장소에서의 화재시 초기 화재 대응이 늦어질 경우에 대형 화재로 이어져 인명과 재산상의 큰 피해를 초래하게 된다. 대형 화재시 인명손실의 가장 큰 원인은 주로 연기나 독성가스에 의한 사망으로, 피난 도중 거주자가 고온 연기나 독성가스에 장시간 노출됨에 따라 질식사하는 경우가 대부분이다. 따라서 이러한 화재위험으로부터 피난안전을 확보하기 위하여 국내소방법에서는 소화활동설비의 소방시설 적용기준 제1호의 규정에 따른 제연설비를 설치 및 유지 관리하도록 정하고 있다.
화재시 제연방법에는 무엇이 있는가?
화재시 제연방법에는 차단, 희석, 가압, 방연, 배연 등이 있으며, 제연구역에 적용할 경우 제연 효과를 높일 수 있도록 제연대상물의 구조적 특성, 제연설비의 설치 환경, 각종 제연설비의 특성과 적용성 등을 잘 고려하여야 한다. 1) 본 연구에서 다루고자 하는 자연배연 설비는 화재시 열의 체적팽창효과와 고온 연기의 부력 효과에 의해 지붕과 외벽 등에 설치된 배연구를 통하여 연기를 자연 배출하는 방식으로, 타 제연설비에 비해 설치가 간단하고 유지관리가 용이하며 시공비가 적게 든다는 장점이 있다.
자연배연구의 장점은?
화재시 제연방법에는 차단, 희석, 가압, 방연, 배연 등이 있으며, 제연구역에 적용할 경우 제연 효과를 높일 수 있도록 제연대상물의 구조적 특성, 제연설비의 설치 환경, 각종 제연설비의 특성과 적용성 등을 잘 고려하여야 한다. 1) 본 연구에서 다루고자 하는 자연배연 설비는 화재시 열의 체적팽창효과와 고온 연기의 부력 효과에 의해 지붕과 외벽 등에 설치된 배연구를 통하여 연기를 자연 배출하는 방식으로, 타 제연설비에 비해 설치가 간단하고 유지관리가 용이하며 시공비가 적게 든다는 장점이 있다. 이 제연설비는 일반적으로 중층 건물에 적합하다.
참고문헌 (15)
ASHRAE, '1999 ASHRAE Application Handbook ; Chapter 51 Fire and Smoke Management', ASHRAE, pp. 51.1-51.6(1999)
백열선, '소방기계설비', 형설출판사, pp.555-562(2005)
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Leonard Y. Cooper, 'Calculation of the flow through a horizontal ceiling/floor vent', NISTIR 89-4052, pp.1-25(1989)
S.H.-K. Lee, W. K.-S. Chiu and Y. Jaluria, 'Experimental study of enclosure fires with horizontal vents', Combustion institute/Eastern states section, technical meeting, pp.327-330(1993)
Abib, A. H. and Jaluria, 'Numerical simulation of the buoyant-induced flow in a partially open enclosure', Numerical heat transfer, Vol.14, pp.235-254(1988)
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