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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 산불발생시 산림내 연료의 산불동태 예측을 판단하기 위하여 우리나라 산림의 주요 분포수종 가운데 참나무류의 대표수종인 굴참나무를 대상으로 생엽의 생장시기인 6월~10월 사이의 생엽을 월별 채취하여 연소특성 시험을 수행하였다. 연소특성 시험을 수행하기 위하여 함수율을 측정하고, 발화온도시험기(Ignition temperature tester), 콘칼로리미터(Cone calorimeter), 연기밀도시험기(Smoke density chamber tester)를 이용하였으며, 월별 착화특성, 화재특성, 발연특성의 비교를 통하여 산불발생시 산불동태 예측 등에 필요한 기초자료 확보에 주안점을 두었다.
- 본 연구에서는 산불발생 시 산림 내 연료의 시기별 산불위험성을 예측하기 위하여 우리나라 산림의 주요 분포수종 가운데 참나무류의 대표수종인 굴참나무를 대상으로 월별 생엽을 채취하여 착화특성, 화재특성, 발연특성 등을 분석한 결과 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 참나무류 가운데 대표수종인 굴참나무의 생엽을 대상으로 월별(6월~9월) 연소특성을 비교하는 연구를 수행한 결과, 다음과 같은 결과들을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 따라서, 본 연구에서는 산불발생시 산림내 연료의 산불동태 예측을 판단하기 위하여 우리나라 산림의 주요 분포수종 가운데 참나무류의 대표수종인 굴참나무를 대상으로 생엽의 생장시기인 6월~10월 사이의 생엽을 월별 채취하여 연소특성 시험을 수행하였다. 연소특성 시험을 수행하기 위하여 함수율을 측정하고, 발화온도시험기(Ignition temperature tester), 콘칼로리미터(Cone calorimeter), 연기밀도시험기(Smoke density chamber tester)를 이용하였으며, 월별 착화특성, 화재특성, 발연특성의 비교를 통하여 산불발생시 산불동태 예측 등에 필요한 기초자료 확보에 주안점을 두었다.
- 월별 굴참나무 생엽의 발연특성을 분석하기 위하여 총연기 방출량과 연기밀도를 분석하였다. 총연기방출량(TSR, Total Smoke Release) 분석은 콘칼로리미터를 이용하였으며, 연기밀도 분석은 연기밀도시험기(Smoke Density Chamber)로 non-flaming 방식의 수직시험을 적용하여(ASTM E 662, 2003)최대연기밀도를 측정하였다.
- 월별 착화특성 분석을 위하여 무염착화온도와 발염착화시간 및 소염시간을 측정하였다. 무염착화온도 측정은 일본 Kuramochi사의 모델명 KRS-RG-9000의 발화온도시험기를 사용하였다.
- 월별 굴참나무 생엽의 발연특성을 분석하기 위하여 총연기 방출량과 연기밀도를 분석하였다. 총연기방출량(TSR, Total Smoke Release) 분석은 콘칼로리미터를 이용하였으며, 연기밀도 분석은 연기밀도시험기(Smoke Density Chamber)로 non-flaming 방식의 수직시험을 적용하여(ASTM E 662, 2003)최대연기밀도를 측정하였다. 결과값은 3회 실험하여 측정된 값의 평균값을 사용하였으며 실험조건은 Table 3에 제시하였다.
- 함수율 측정방법으로는 재료 200g을 취하여 온도를 103±2℃에서 일정하게 유지하도록 설정된 건조기 내에서 24시간 이상 항량이 될 때까지 건조시킨 후, 중량을 측정하여 함수율을 산출하였다.
대상 데이터
- 산불발생 시 산불의 형태는 지표화, 수관화 등으로 구분을 하며, 지표화 연료로는 지표의 표면과 그 부분에 매장된 연료로서 낙엽이나 잡초 등이 해당되며, 수관화는 관목 또는 교목의 상부에서 상부로 발전되는 산불로서 생엽은 공중연료로서 수관화의 산불동태 예측에 필요한 생엽을 실험 연료로 사용하였다.
- 연료의 선정은 우리나라 온대기후 지역에서 자생하는 참나무류 가운데 대표수종인 굴참나무를 선정하였으며, 참나무류 생엽의 생장시기인 6월에서 10월 사이 월별 생엽을 채취하여 실험연료로 사용하였다.
- 연료채취 대상지는 대형 산불이 많이 발생하는 지역으로 알려진 강원도 영동지역(삼척시 소재 봉화산)을 대상지로 선정하고, 시료의 채취 시기는 한 달 간격으로 매월 맑은 날이 5일 이상 지속된 다음날 채취하였으며, 시료의 형태는 실제 산불발생 시 연료의 형태와 동일한 조건을 적용하기 위하여 원형 상태로 사용하였다.
데이터처리
- 월별 화재특성을 분석하기 위하여 콘칼로리미터를 이용하여 총열방출량(THR, Total Heat Release)과 평균열방출율(Mean HRR, Mean Heat Release Rate)을 분석하였으며, 실험조건은 더 이상 중량감소 변화가 없을 때의 시간에서 실험을 종료하여 계산된 값을 사용하였다(ISO 5660-1, 2002). 결과값은 3회 실험하여 측정된 값의 평균값을 사용하였고, 실험조건은 Table 2에 제시하였다.
- 함수율 측정방법으로는 재료 200g을 취하여 온도를 103±2℃에서 일정하게 유지하도록 설정된 건조기 내에서 24시간 이상 항량이 될 때까지 건조시킨 후, 중량을 측정하여 함수율을 산출하였다. 항량 측정기준은 4시간 간격으로 무게를 측정하여 0.1%의 무게 변화가 없을 때까지로 하였으며, 함수율 측정은 3회 측정한 결과의 평균값을 결과값으로 사용하였다. 여기서, MC(moisture content)는 함수율[%], W는 건조 전 시료의 중량[g], W0은 완전 건조시킨 시료의 중량을 나타낸다.
이론/모형
- 월별 착화특성 분석을 위하여 무염착화온도와 발염착화시간 및 소염시간을 측정하였다. 무염착화온도 측정은 일본 Kuramochi사의 모델명 KRS-RG-9000의 발화온도시험기를 사용하였다. 발화는 연소의 개시와 관련된 거동의 일부로서 속도제어 메커니즘으로 열의 발생속도와 확산속도가 평형을 나타내는 점으로 정의된다(홍윤명 등, 1992).
- 발화는 연소의 개시와 관련된 거동의 일부로서 속도제어 메커니즘으로 열의 발생속도와 확산속도가 평형을 나타내는 점으로 정의된다(홍윤명 등, 1992). 발염착화시간(발염착화가 발생하여 측정된 시간)과 소염시간 측정은 영국 FTT사의 콘칼로리미터(ISO 5660-1, 2002)를 사용하였으며, 소염시간 측정과 동시에 화염지속시간을 분석하였다. 콘칼로리미터에서 기록된 발염착화시간은 화염 유무를 육안으로 판단하여 분석시스템에 기록하였으며 구체적인 실험조건은 Table 1에 제시하였다.
- 함수율 측정은 ASTM D2016(American Society for Testing and Material)에 의한 식 (1)에 따라 산출하였다(김현중 등 : 2004). 함수율 측정방법으로는 재료 200g을 취하여 온도를 103±2℃에서 일정하게 유지하도록 설정된 건조기 내에서 24시간 이상 항량이 될 때까지 건조시킨 후, 중량을 측정하여 함수율을 산출하였다.
성능/효과
- 가장 낮은 함수율을 나타낸 10월 이외의 나머지 생엽들은 큰 차이를 보이지 않았으며, 전체적으로 114%~155%의 수분을 함유하는 것을 확인할 수 있었다.
- 1) 함수율특성 결과, 6월~10월 사이 채취한 굴참나무 생엽은 114%~155% 범위에서 수분을 함유하여 월별 차이를 보였으며, 6월에서 9월 사이 연료는 함수율 변화가 크지 않으나 10월 연료는 급격히 함수율이 감소하여 연료가 건조해짐을 알 수 있었다.
- 2) 착화특성 결과, 굴참나무 생엽은 289℃~377℃ 온도구간에서 무염착화가 일어났으며 7월, 8월, 9월은 무염착화 온도 차이가 크지 않으나 6월 연료는 377℃, 10월 연료는 289℃에서 무염착화가 일어나는 차이를 보였다. 7월의 경우 가장 빠른 시간에 발염착화 되었고, 9월은 7월의 생엽보다 8s 늦게 착화가 시작되었으나 가장 긴 105s 시간동안 화염이 지속되는 것으로 나타났다.
- 3) 발열량특성 결과, 총열방출량은 19 MJ/m2~36 MJ/m2, 평균열방출율은 11 kW/m2~19 kW/m2 범위에서 월별 차이를 보였다.
- 4) 발연량특성 결과, 총연기방출량은 68~316 m2/m2, 최대연기밀도는 176Ds~225Ds 범위에서 월별 차이를 보였다. 총연기방출량은 6월 연료는 68 m2/m2로 가장 낮고, 10월의 연료는 316 m2/m2로 가장 많은 연기를 방출하는 것으로 나타났다.
- 또한, 생엽의 함수율은 기온, 바람, 습도 등과 같은 기상조건의 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다. Fig. 1에는 굴참나무 생엽의 월별 함수율 측정값을 나타내었는데 월별 함수율을 살펴보면, 6월 155.34%, 7월 146.26%, 8월 154.21%, 9월 147.62%, 10월 114.26%의 수분을 함유하는 것으로 나타났으며, 6월에서 9월 사이는 함수율 변화가 크지 않지만 10월에는 함수율이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 가장 낮은 함수율을 나타낸 10월 이외의 나머지 생엽들은 큰 차이를 보이지 않았으며, 전체적으로 114%~155%의 수분을 함유하는 것을 확인할 수 있었다.
- 총연기방출량은 6월 연료는 68 m2/m2로 가장 낮고, 10월의 연료는 316 m2/m2로 가장 많은 연기를 방출하는 것으로 나타났다. 또한, 10월 연료는 최대연기밀도가 224.86 Ds로 가장 높은 것을 알 수 있었으며, 최대연기 밀도에 도달하는 시간은 8월, 9월, 10월의 경우는 큰 시간차이는 없으나 7월의 경우 가장 빠른 시간에 최대값에 도달하는 것으로 나타났다. 최대연기밀도에 도달하는 시간이 짧다는 것은 그 만큼 빠른 시간에 많은 양의 연기를 방출하는 것을 의미한다.
- 86 Ds로 증가하여 최대연기밀도가 가장 높은 것으로 나타났다. 또한, 최대연기밀도에 도달하는 시간을 살펴보면 8월, 9월, 10월은 1,000s~1,100s 정도의 시간 사이에서 최대연기밀도 값에 도달하는 것으로 나타났으나, 7월의 경우 가장 빠른 시간인 794s 에서 최대값에 도달하는 것으로 나타났다. 이에 대하여 Table 6에 제시하였다.
- 범위에서 월별 차이를 보였다. 발열량은 6월 연료가 가장 낮은 값을 보였으며 10월까지 점차 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 9월의 연료에서는 총열방출량과 평균열방출율이 가장 높은 것으로 나타났는데 이는 발염착화 후 가장 긴 시간 동안 화염이 지속되어 발열량이 증가한 것으로 사료된다.
- 6월의 생엽은 발염착화가 측정되지 않았으며, 대체로 수분을 적게 함유한 7월~10월 사이의 생엽에서 발염착화가 측정되는 차이를 보였다. 발염착화시간을 살펴보면, 7월 27s, 8월 47s, 9월 35s, 10월 40s에 착화되어 7월 생엽은 가장 빠른 시간인 27s에 발염착화 되었고, 8월의 생엽은 47s에 발염착화 되어 가장 늦게 발염착화 되는 것으로 나타났다. 또한 9월 생엽은 7월의 생엽보다 8s 늦게 착화가 시작되었으나 가장 긴 시간 105s 동안 화염이 지속되는 것으로 나타났다.
- 총 연기방출량을 살펴보면, Table 5에 제시하듯이 68~316m2/m2 범위에서 월별 큰 차이를 보였다.
- 4에는 열방출율 곡선을 나타내었다. 총열방출량은 19 MJ/m2~36 MJ/m2 범위에서, 평균열방출율은 11 kW/m2~19 kW/m2 범위에서 월별 약간의 차이를 보였다. 총열방출량을 살펴보면, 6월은 19.
- 총열방출량은 19 MJ/m2~36 MJ/m2 범위에서, 평균열방출율은 11 kW/m2~19 kW/m2 범위에서 월별 약간의 차이를 보였다. 총열방출량을 살펴보면, 6월은 19.00 MJ/m2, 7월 25.80 MJ/m2, 8월 24.40 MJ/m2, 9월 36.30 MJ/m2, 10월 26.60 MJ/m2으로 나타나, 6월의 경우 발열량이 가장 낮고 9월에 급격히 증가후 10월에 약간 감소하는 것으로 나타났으나 발열량이 점차 증가하는 경향을 보였다. 9월의 경우는 총열방출량과 평균열방출율이 가장 높은 것으로 나타났는데 이는 발염착화 후 가장 오랜 시간 화염이 지속되기 때문인 것으로 사료된다.
후속연구
- 따라서 수분 함유량 변화에 따라 연료의 조직 및 밀도차이가 달라짐으로써 저밀도의 연료는 고밀도 연료보다 더 낮은 온도에서 착화되는 차이를 보이며, 연소 시 가연성 기체의 농도비에 의해 연소속도 등에 영향을 받아 발열량 특성이 다르게 나타난 것으로 사료된다(현성호 등, 2003). 하지만 본 연구는 목재의 줄기가 아닌 생엽을 대상으로 실험하였기 때문에 생엽은 수분 함량에 따른 구성 성분이나 비중의 변화가 차이가 있을 수 있기 때문에 추가적인 성분분석 등을 통한 확인이 필요한 것으로 사료된다.
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