본 연구에서는 산림 내 가연물의 산불위험성을 판단하기 위하여 영동지역에서 자생하는 관목류(생강나무, 조록싸리나무, 초피나무, 산초나무, 개암나무)의 생엽을 대상으로 발화점시험기, 콘칼로리미터, 연기밀도시험기를 이용하여 연소특성을 고찰하였다. 조록싸리나무는 발화온도가 가장 낮고 착화시간이 가장 빨랐으며, CO와 $CO_2$의 평균방출농도가 가장 높은 것으로 나타났다. 초피나무는 가장 많은 열량을 방출하였으며, 산초나무는 가장 많은 연기를 발생한 것으로 나타났다. 따라서 산불발생 시 조록싸리나무는 다른 수종에 비하여 착화가 가장 용이하고 초피나무는 확산 및 화재강도가 가장 클 것으로 판단되며, 산초나무와 조록싸리나무는 다량의 연기발생에 따라 피난이 어려울 것으로 사료된다.
본 연구에서는 산림 내 가연물의 산불위험성을 판단하기 위하여 영동지역에서 자생하는 관목류(생강나무, 조록싸리나무, 초피나무, 산초나무, 개암나무)의 생엽을 대상으로 발화점시험기, 콘칼로리미터, 연기밀도시험기를 이용하여 연소특성을 고찰하였다. 조록싸리나무는 발화온도가 가장 낮고 착화시간이 가장 빨랐으며, CO와 $CO_2$의 평균방출농도가 가장 높은 것으로 나타났다. 초피나무는 가장 많은 열량을 방출하였으며, 산초나무는 가장 많은 연기를 발생한 것으로 나타났다. 따라서 산불발생 시 조록싸리나무는 다른 수종에 비하여 착화가 가장 용이하고 초피나무는 확산 및 화재강도가 가장 클 것으로 판단되며, 산초나무와 조록싸리나무는 다량의 연기발생에 따라 피난이 어려울 것으로 사료된다.
In this study, we have investigated the combustibility of five shrubs growing in Youngdong area such as Lindera obtusiloba, Lespedeza maximowiczii, Zanthoxylum piperitum, Zanthoxylum schinifolium, and Corylus heterophylla var. thunbergii using the ignition temperature tester, the cone calorimeter an...
In this study, we have investigated the combustibility of five shrubs growing in Youngdong area such as Lindera obtusiloba, Lespedeza maximowiczii, Zanthoxylum piperitum, Zanthoxylum schinifolium, and Corylus heterophylla var. thunbergii using the ignition temperature tester, the cone calorimeter and the smoke density chamber in order to estimate the danger of a forest fire. The results showed that Lespedeza maximowiczii has the lowest ignition temperature, the fastest ignition time and the highest average release concentrations of CO and $CO_2$. Zanthoxylum piperitum and Zanthoxylum schinifolium showed the highest level in heat release and smoke release, respectively. Therefore, we have concluded that Lespedeza maximowiczii has the highest ignitibility, Zanthoxylum piperitum the most intensive fire spread and fire intensity, and Zanthoxylum schinifolium and Lespedeza maximowiczii most difficult to escape from a forest fire.
In this study, we have investigated the combustibility of five shrubs growing in Youngdong area such as Lindera obtusiloba, Lespedeza maximowiczii, Zanthoxylum piperitum, Zanthoxylum schinifolium, and Corylus heterophylla var. thunbergii using the ignition temperature tester, the cone calorimeter and the smoke density chamber in order to estimate the danger of a forest fire. The results showed that Lespedeza maximowiczii has the lowest ignition temperature, the fastest ignition time and the highest average release concentrations of CO and $CO_2$. Zanthoxylum piperitum and Zanthoxylum schinifolium showed the highest level in heat release and smoke release, respectively. Therefore, we have concluded that Lespedeza maximowiczii has the highest ignitibility, Zanthoxylum piperitum the most intensive fire spread and fire intensity, and Zanthoxylum schinifolium and Lespedeza maximowiczii most difficult to escape from a forest fire.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 산불발생 시 착화특성, 확산특성, 연기특성을 고찰하고자 발화온도 시험기와 콘칼로리미터, 그리고 연기밀도시험기를 이용하여 산불다발지역인 강원도 영동지역에서 자생하는 관목류들 가운데 주요 5가지 수종인 생강나무(Lindera obtusiloba), 조록싸리나무(Lespedeza maximowiczii), 초피나무(Zanthoxylum piperitum), 산초나무(Zanthoxylum schinifolium), 그리고 개암나무(Corylus heterophylla var. thunbergii)를 실험대상으로 선정하고 생엽을 채취하여 연소특성을 고찰함으로써 산불의 화재위험성을 예측하기 위한 연소자료를 확보하는데 목적을 두고 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료의 착화특성, 확산특성, 연기특성을 고찰하고자 연소특성 시험을 수행하였다. 착화특성으로는 자연발화온도(무염착화), 착화시간(발염착화시간) 및 화염종료시간을 측정하여 분석하였으며, 확산특성으로는 총열방출량(THR, Total heat release) 및 열방출율(HRR, Heat release rate), 총산소소모량(TOC, Total oxygen consumed)을 분석하였고 연기특성으로는 가시거리 예측을 위한 총연기 방출량(TSR, Total smoke release) 및 최대연기밀도(Ds, Smoke density)와 연기온도(Ts, Smoke temperature), 연소생성물인 CO 및 CO2 방출농도와 잔류량 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 산불발생 시, 산림 내 연료의 화재강도 및 산불동태 예측을 판단하기 위하여 강원도 영동지역에 자생하는 관목류 주요 수종 5가지를 대상으로 선정하여 생엽을 채취하여 함수율을 측정하고 연소실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
강원도 영동지역에서 자생하는 관목류 수종들 가운데 생강나무, 조록싸리나무, 초피나무, 산초나무, 개암나무를 대상으로 생엽을 채취하여 함수율을 측정하였다. 함수율은 3회 측정에 대한 평균값을 사용하였으며, 연료의 채취 시기는 7월~9월 사이 맑은 날이 5일 이상 유지된 다음날 동일 장소에서 채취하여 연료로 사용하였으며 연소특성 시험에 앞서 채취한 연료들의 함수율을 측정하였다.
발화온도 측정 시, 발염의 확인은 육안에 의해 판단하고, 발화대기 시간은 4초로써 착화원 없이 물질이 자연발화 할 때의 최저온도로 측정되며, 발화는 연소의 개시와 관련된 거동의 일부로서 속도제어 메커니즘으로 열의 발생속도와 확산속도가 평형을 나타내는 점으로 정의된다. 발화 후 자연소화 되기까지의 화염유지시간은 재료가 복사열에 노출되면서 착화가 일어나는 시간과 착화가 종료될 때의 시간 즉 자연소화 될 때까지의 시간(화염종료시간)을 말하며 화염의 유무를 육안으로 판단하여 분석시스템에 기록하여 확인하였다. 구체적인 실험조건은 Table 2에 제시하였다.
산림 내 연료의 착화특성 분석을 위하여 일본 Kuramochi사의 모델명 KRS- RG-9000의 Group식 발화온도 시험기(홍윤명 등, 1992)와 영국 FTT사의 Dual Cone Calorimeter(ISO 5660-1, 2002)를 사용하여 발화온도(IT, Ignition temperature)와 착화시간(ITT, Time to ignition) 및 화염종료시간(FTT, Time to flameout)을 측정하였다. 발화온도 측정 시, 발염의 확인은 육안에 의해 판단하고, 발화대기 시간은 4초로써 착화원 없이 물질이 자연발화 할 때의 최저온도로 측정되며, 발화는 연소의 개시와 관련된 거동의 일부로서 속도제어 메커니즘으로 열의 발생속도와 확산속도가 평형을 나타내는 점으로 정의된다.
산불발생 시 연기특성을 고찰하기 위하여 영국 FTT사의 연기밀도시험기(ASTM E 662, 2003)와 콘칼로리미터(ISO 5660-1, 2002)를 사용하여 가시거리 확보를 위한 발연량 특성으로서 총연기방출량, 최대연기밀도, 연기온도를 측정하고 연소생성물인 CO 및 CO2 방출농도와 잔류량 특성을 분석하였으며, 결과값은 3회 반복실험하여 측정된 값의 평균값을 결과값으로 사용하였다. 실험조건은 Table 4에 제시하였다.
본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료의 착화특성, 확산특성, 연기특성을 고찰하고자 연소특성 시험을 수행하였다. 착화특성으로는 자연발화온도(무염착화), 착화시간(발염착화시간) 및 화염종료시간을 측정하여 분석하였으며, 확산특성으로는 총열방출량(THR, Total heat release) 및 열방출율(HRR, Heat release rate), 총산소소모량(TOC, Total oxygen consumed)을 분석하였고 연기특성으로는 가시거리 예측을 위한 총연기 방출량(TSR, Total smoke release) 및 최대연기밀도(Ds, Smoke density)와 연기온도(Ts, Smoke temperature), 연소생성물인 CO 및 CO2 방출농도와 잔류량 특성을 분석하였다.
총열방출량은 시료 표면적당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출율을 주어진 시간으로 적분하여 누적된 값으로 구하였으며, 열방출율은 시료 표면적당 발생하는 열량의 크기로 나타내었다. 또한 최대열방출율은 재료 표면적당 발생한 순간적인 열량의 크기이다.
강원도 영동지역에서 자생하는 관목류 수종들 가운데 생강나무, 조록싸리나무, 초피나무, 산초나무, 개암나무를 대상으로 생엽을 채취하여 함수율을 측정하였다. 함수율은 3회 측정에 대한 평균값을 사용하였으며, 연료의 채취 시기는 7월~9월 사이 맑은 날이 5일 이상 유지된 다음날 동일 장소에서 채취하여 연료로 사용하였으며 연소특성 시험에 앞서 채취한 연료들의 함수율을 측정하였다. 함수율은 표준측정 방법인 ASTM D 2016(AmericanSociety for Testing and Material)(김현중 등, 2004 : 심종섭 등, 1994)에 근거하여 재료 200g을 103±2℃의 온도로 설정한 건조기(dry oven) 내에서 24시간 이상 건조시킨 후 항량이 될 때까지 중량을 측정하여 함수율을 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 Table 1에 제시한 산림청 임업통계 자료를 이용하여 전국의 산불발생건수 및 피해면적 현황(산림청, 2007)을 파악한 후, 산불피해 면적이 30 ha 이상의 대형산불 피해면적이 가장 큰 강원도지역을 대상지로 선정하였다.
데이터처리
산불발생 시 확산특성을 분석하기 위하여 콘칼로리미터를 사용하여 총열방출량 및 열방출율과 총산소소모량을 분석하였으며, 결과값은 3회 반복실험하여 측정된 값의 평균값을 사용하였다. 구체적인 실험조건은 Table 3에 제시하였다.
이론/모형
함수율은 표준측정 방법인 ASTM D 2016(AmericanSociety for Testing and Material)(김현중 등, 2004 : 심종섭 등, 1994)에 근거하여 재료 200g을 103±2℃의 온도로 설정한 건조기(dry oven) 내에서 24시간 이상 건조시킨 후 항량이 될 때까지 중량을 측정하여 함수율을 측정하였다.
성능/효과
1. 착화특성의 분석결과, 관목류 생엽의 발화온도의 범위는 310°C~410°C로서 수종간 차이가 나타났으며, 발화온도가 310°C로 가장 낮은 조록싸리나무는 복사열에 노출된 다음, 가장 빠른 시간인 12초에 착화가 개시되어 49초 동안 화염이 되었다.
2. 확산특성의 분석결과, 관목류 생엽의 총열방출량은 17~61 MJ/m2로 초피나무는 연소 시 총산소소모량이 34.5 g으로 가장 많은 산소가 소모되어 60.50 MJ/m2 정도의 가장 많은 열량을 방출하여 산초나무와 개암나무, 생강나무에 비하여 2.6배 이상 높은 것으로 나타났다. 또한 평균열방출율은 9~34 kW/m2로 총열방출량이 가장 높은 초피나무가 34 kW/m2로 평균열방출율이 가장 높았다.
3. 연기특성의 분석결과, 총연기방출량은 중량 50 g의 시료에 대하여 26~435 m2/m2의 연기가 방출되어 수종간 차이가 있었다. 총열방출량이 가장 높은 초피나무가 435 m2/m2의 가장 많은 연기를 방출하였다.
관목류 생엽의 발화온도 범위는 310℃~410℃인 것으로 나타났으며, 수종간 약간의 차이를 확인할 수 있었다. 310℃정도의 가장 낮은 발화온도를 나타낸 조록싸리나무는 복사열에 노출된 다음, 가장 빠른 시간인 12초에 착화가 개시되어 49초 동안 화염을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 산초나무와 개암나무의 발화온도는 380℃정도였으며, 초피나무의 발화온도는 410℃인 것으로 나타났는데 착화는 일어나지 않았다.
4. 또한, CO 및 CO2 방출농도특성의 분석결과, 조록싸리나무는 다른 수종과 비교하여 연소초기 부터 실험종료 시까지 CO의 농도가 높아 평균 방출량은 0.07 kg/kg으로 생강나무와 산초나무에 비하여 7배 정도 높았다. 조록싸리나무는 연소초기에 CO2의 농도 또한 급격히 증가하여 평균방출량은 1.
Fig. 2의 평균열방출율은 9~34 kW/m2로 나타났으며, 초피나무는 총열방출량이 가장 높고, 평균열방출율도 34kW/m2로 가장 높은 것으로 나타났다. 이에 대한 결과값들을 Table 7에 제시하였다.
1 kg/kg으로 가장 높은 것으로 나타났다. 따라서 산불발생 시, 조록싸리나무는 연소초기에 착화가 시작되면서 CO와 CO2의 방출농도가 급격히 증가하여 대피시간이 짧아지므로 가스의 노출로부터 피난의 어려움이 클 것으로 사료된다.
26배 정도 높아 수종간 차이가 나타났다. 또한 최대연기밀도에 도달하는 시간은 모든 수종에서 복사열에 노출된 다음 700~800 s정도로서 수종간 큰 차이는 없었지만 최대연기밀도가 가장 높은 조록싸리나무의 경우, 산불발생 시 다른 수종과 비교하여 연소초기에 많은 연기를 방출하기 때문에 연기의 어려움이 클 것으로 사료된다. 또한 방출되는 연기온도는 339~346 K 범위로 분석되었다.
6배 이상 높은 것으로 나타났다. 또한 평균열방출율은 9~34 kW/m2로 총열방출량이 가장 높은 초피나무가 34 kW/m2로 평균열방출율이 가장 높았다.
또한 산초나무와 개암나무의 발화온도는 380℃정도였으며, 초피나무의 발화온도는 410℃인 것으로 나타났는데 착화는 일어나지 않았다. 반면, 생강나무는 발화온도가 410℃로서 초피나무와 동일한 것으로 나타났으나 착화가 일어났으며, 복사열에 노출된 다음 39초에 착화가 개시되어 2초 동안 화염을 유지하는 것으로 나타남으로써 수종간 차이를 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 수종간 구성하고 있는 잎의 조직 즉, 잎을 구성하는 기본 조직계의 대부분은 잎살(mesophyll)인데 이것은 세포사이 공간(intercellular space)이 많고 수종에 따라 잎의 외부표면(external surface)과 세포간극으로 되어 있는 내부표면(internal surface)의 비가 다르고 수종간 구성하고 있는 잎의 조직 및 구성 성분과 및 수분 함유량에 따른 차이(임경빈, 2007)에 기인한 것으로 사료되며, 착화특성은 일관성이 없는 것으로 나타났다.
1의 수종별 총열방출량은 17~61 MJ/m2의 열을 방출하는 것으로 분석되었다. 연소 시 총산소소모량이 34.5 g으로 가장 많은 산소가 소모되어 초피나무의 경우, 60.50 MJ/m2의 가장 많은 열량을 방출하여 산초나무와 개암나무, 생강나무에비하여 2.6배 이상 높았다.
6에는 중량 50 g의 시료에 대한 중량변화 곡선을 나타내었다. 열분해에 의한 감량변화를 살펴보면 초피나무의 총중량감소가 가장 큰 것으로 나타났으며, 중량감소가 가장 작은 생강나무는 12.30 g으로 수종별 잔류량의 차이가 나타났다. 이러한 잔류량의 차이는 수종에 따라 잎의 외부표면과 세포간극으로 되어 있는 내부표면의 비가 달라 수종간 구성하고 있는 잎의 조직과 수분 함유량에 따른 차이(임경빈, 2007)와 고온조건에서 열분해된 다음 남게 되는 무기화합물인 칼슘, 칼륨, 마그네슘, 망간, 규소와 같은 원소를 함유하는 불연성 화합물(김현중 등, 2004)의 차이에 기인하는 것으로 사료된다.
07 kg/kg으로 생강나무와 산초나무에 비하여 7배 정도 높았다. 조록싸리나무는 연소초기에 CO2의 농도 또한 급격히 증가하여 평균방출량은 1.1 kg/kg으로 가장 높은 것으로 나타났다. 따라서 산불발생 시, 조록싸리나무는 연소초기에 착화가 시작되면서 CO와 CO2의 방출농도가 급격히 증가하여 대피시간이 짧아지므로 가스의 노출로부터 피난의 어려움이 클 것으로 사료된다.
조록싸리나무는 연소초기에 착화가 시작되면서 CO와 CO2의 방출농도가 급격히 증가하는 것으로 나타났으며, CO는 108 ppm, CO2는 2,015 ppm으로 다른 수종들과 연소초기에 현저한 차이를 보였다. 이는 연소 시 대피시간이 짧게 되어 많은 가스의 노출로부터 피난능력을 상실하게 됨을 의미한다.
총열방출량이 가장 높은 초피나무가 435 m2/m2의 가장 많은 연기를 방출하였다. 최대연기밀도는 조록싸리나무가 177.65 Ds로 가장 높았으며 개암나무의 78.61 Ds에 비하여 2.26배 정도 높아 수종간 차이가 있었다. 따라서 산불발생 시 초피나무는 다른 수종에 비하여 연기방출량이 많기 때문에 시계를 차단하여 가시거리 확보가 어려울 것으로 판단된다.
7의 수종별 CO의 방출 농도를 살펴보면 조록싸리나무는 다른 수종에 비하여 연소초기 부터 실험종료 때까지 CO의 농도가 현저하게 높았다. 평균 방출농도는 Table 9에서 알 수 있듯이 0.07 kg/kg로서 가장 높은 것으로 나타났는데 생강나무와 산초나무에 비하여 방출농도가 7배 정도 높았다. 또한 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산불 메커니즘은 어떠한가?
산불 메커니즘을 살펴보면, 산불발생 시 대부분의 산림 내 가연물들은 높은 에너지를 갖는 열원에 노출되면 착화되며, 착화 후 발생한 화염이 주위의 연료에 열을 전달하여 연료의 표면온도를 상승시킨다. 연료의 표면온도가 점화온도보다 높아지면 급격한 열분해가 일어남으로써 연료가스가 발생하게 되고 많은 열량을 방출하는 화염의 전파로 화재가 성장하게 된다.
화재의 전파는 어떤 요인에 의해 결정되나?
연료의 표면온도가 점화온도보다 높아지면 급격한 열분해가 일어남으로써 연료가스가 발생하게 되고 많은 열량을 방출하는 화염의 전파로 화재가 성장하게 된다. 화재의 전파는 화염부로 얼마나 많은 공기가 유입되는가에 따라서 결정되며 이들의 방출 특성은 충분한 공기 유입에 따라 연소물질로부터 열을 수반하게 되어 고온의 휘발성·가연성 증기와 가스 성분을 방출하게 된다. 경우에 따라서는 시야확보를 방해하는 요소로서 사람의 가시성과 방향성을 잃게 하여 독성가스에 노출되는 시간을 길어지게 하고 결과적으로 대피능력을 상실하게 되며(Marcelo M.
산불발생의 착화특성으로는 무엇을 측정하여 분석하였나?
본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료의 착화특성, 확산특성, 연기특성을 고찰하고자 연소특성 시험을 수행하였다. 착화특성으로는 자연발화온도(무염착화), 착화시간(발염착화시간) 및 화염종료시간을 측정하여 분석하였으며, 확산특성으로는 총열방출량(THR, Total heat release) 및 열방출율(HRR, Heat release rate), 총산소소모량(TOC, Total oxygen consumed)을 분석하였고 연기특성으로는 가시거리 예측을 위한 총연기 방출량(TSR, Total smoke release) 및 최대연기밀도(Ds, Smoke density)와 연기온도(Ts, Smoke temperature), 연소생성물인 CO 및 CO2 방출농도와 잔류량 특성을 분석하였다.
참고문헌 (14)
김진국 (1996) 공기유입이 화재강도에 미치는 영향에 대한 실험적 연구. 방재기술, 한국화재보험협회
김충익 (1998) 화재의 복사 열전달에 관한 연구. 방재기술, 한국화재보험협회
김현중, 엄영근, 이전제, 정희석, 최인규 (2004) 목재공학개론. 선진문화사
산림청 (2007) 임업통계연보. pp. 183-188
심종섭, 신동소, 이화형, 임기표, 조남석, 조병묵 (1994) 임산화학. 향문사
이규송 (2004) 동해안 산불피해지에서 산불 후 경과 년수에 따른 식생구조의 발달. 한국생태학회논문집, 한국생태학회, 제27권, 제2호, pp. 99-106
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