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문제 정의
- 본 실험의 구성은 외벽에 근접하여 설치된 에어컨실 외기 내부에서(과부하, 전선의 꼬임, 전선의 노후, 제어판의 먼지 쌓임에 의한 과열 및 열 축적 등) 다양한 원인으로 발화하여 화재로 성장할 경우, 에어컨실외기함의 주변 가연물, 건축물 외장재 및 인접 건축물로의 화재 전이 및 확산 등의 위험성을 파악하고 확인하기 위해 실시한 실물화재 연소실험 시나리오이며, 본 연소 실험을 위해 열화상카메라, 열전대와 캠코더를 보조기 기로 사용하여 온도측정과 동시에 영상으로 촬영하고매초 단위로 에어컨실외기의 연소성상과 실외기의 소훼 형태를 육안으로 확인한다. 그리고 최종적으로 Large scale calorimeter에 의한 열방출율과 유해가스 발생량을 수집하고 분석한다.
- 본 연구에서는 Large scale calorimeter에 의한 멀티 시스템형(multi system type) 에어컨실외기(outdoor unit)의 화재 위험성을 고찰하였으며, 이러한 화재위험성을 인식하여 실외기 설치 시 위치선정에 있어서 반드시 고려가 되어야 하며 폭발이나 급격한 화염분출에 의한 주변 가연물로의 화재전이를 방지할 수 있는 적절한 방호시설의 설치도 고려되어야 한다고 판단된다.
- 본 연구에서는 현재 상업용으로 가장 널리 사용되고 있는 분리형 에어컨 형식 중 멀티형(multi type) 에어 컨실외기의 화재성상을 파악하고 건축물의 외벽설치시 2차 화재발화원의 원인으로서의 가능성 여부를 확인하고 화재 위험성을 평가하기 위해 Large scale calorimeter test에 의한 연소실험을 실시하였다.
제안 방법
- 본 실험의 구성은 외벽에 근접하여 설치된 에어컨실 외기 내부에서(과부하, 전선의 꼬임, 전선의 노후, 제어판의 먼지 쌓임에 의한 과열 및 열 축적 등) 다양한 원인으로 발화하여 화재로 성장할 경우, 에어컨실외기함의 주변 가연물, 건축물 외장재 및 인접 건축물로의 화재 전이 및 확산 등의 위험성을 파악하고 확인하기 위해 실시한 실물화재 연소실험 시나리오이며, 본 연소 실험을 위해 열화상카메라, 열전대와 캠코더를 보조기 기로 사용하여 온도측정과 동시에 영상으로 촬영하고매초 단위로 에어컨실외기의 연소성상과 실외기의 소훼 형태를 육안으로 확인한다. 그리고 최종적으로 Large scale calorimeter에 의한 열방출율과 유해가스 발생량을 수집하고 분석한다.
- 본 실험에서는 측정요소인 열방출율, 열전대에 의한 각 부분의 온도분포, CO농도, CO2 농도를 측정하였다. 즉, 실물실험에 의해서 화재성상을 파악함으로서 열방출율 및 각 부분에 설치한 열전대의 온도분포 등을 시간변화에 따라 산출된 결과 값을 수집하고 기록함으로서 무분별하게 설치되어지고 관리되는 에어컨실외기의 화재위험성과 화재확산 결과를 예측할 수 있는 근거자료로 활용하기 위해 각 측정요소들의 결과 값을 도출하였으며, 그 결과 에어컨실외기의 화재위험성을 확인할 수가 있었다.
- 본 실험의 시나리오는 에어컨실외기함 내부에서 화재가 발생할 때 실외기함 내부에서의 연소 확대경로 및 내부에서 외부로의 화재확산 형태와 거동을 해석하기 위함이며, 외부공기가 내부로 원활하게 유입될 수 있도록 실외기함의 전면 하단부분을 일부 절단해 발화 원인 거즈(gauze)뭉치가 계속해서 연소할 수 있도록 하였다.
- 이후 약 280초 때에 실외기의 좌측 측면인 열교환기 방열판에서 검은 연기가 분출되고, 곧바로 285초에서 약 5초간 알루미늄 방열판으로 푸른 불꽃의 화염을 폭발적으로 분출하였으며, 이후 측면으로 붉은 화염을 계속적으로 분출하였다. 이 푸른 불꽃은 방열판인 알루미늄의 용융온도 660 ℃보다 내부의 화염온도가 높아 알루미늄 방열판을 녹이면서 화염이 분출되어 나타난 현상이라 판단되어진다.
- 정확한 온도측정을 위해 에어컨실외기 배면에서 약 85 mm를 이격하여 내화석고 보드(폭 2.4 m(1.2 m × 2개), 높이 2.4 m, 두께 5 mm)를 설치하고, 또한 에어컨실외 기의 화재 시 복사열유속에 대한 영향을 측정하기 위해 실외기 전면에서 약 1 m 떨어져 사각 Steel bar(높이 2.4 m)를 배치하여 열전대를 설치하였다.
대상 데이터
- Figure 7는 원형후드 및 덕트 시스템을 나타낸 것이며, 본 실험은 한국건설기술연구원의 실험장치를 이용하였다.
- 그 화재사례를 보면 2009년 2월에 발생한 서울명동역 인근의 21층 ○○○빌딩의 옥상 냉각탑에서 화재가 발생하였고, 2008년의 서울 ○○빌딩에서는 Figure 5에 나타낸 바와 같이 1층의 에어컨실외기 부근에서 화재가 발생해 외벽재료인 알루미늄복합패널에 내장된 폴리에틸렌에 착화되어 폭 4~5 m 간격으로 최상층 18층까지 순식간에 타 올라가면서 점차 V형태로 넓게 소훼되었다.6)
- 7 m 간격으로 2개씩을 그 중심을 기준으로 좌·우 1 m 간격으로 각각 1개씩 배치하였다. 그리고 실외기 외부 전면부에 설치한 열전대의 높이도 이와 동일하며 세로방향으로 3개소만 배치하였다.
- 본 실험체는 현재 상업용 에어컨으로 가장 많이 쓰이고 있는 분리형 에어컨(SRAC, split type room air conditioner)형식 중 멀티시스템형(multi system type)의실외기(outdoor unit)를 사용하였으며, 실제 사용여건과 동일하게 설치되도록 실험체 뒷면에 설치한 내화석고보드에서 약 85 mm 이하로 떨어지고, 내부배관 및 압축기에 냉매가스(플루오르화탄소계열인 HFC 410A)를 주입하여 밀봉한 상태로 설치하였다.
- 본 실험체를 Figure 8에서는 외형과 내부 일부를 3D로 보여주고 있으며, 그 크기는 폭 1.295 m, 높이 1.695 m, 깊이 0.765 m의 크기를 가지고 있다. 또한 Figure 9에서는 본 실험을 위해 준비된 실험체의 설치상태를 보여주고 있다.
- 열전대는 Figure 10에 나타낸 바와 같이 실험장치의 최대 설치수량인 총 16개소를 설치하였다. 에어컨실외 기함의 외측 배면에 9개소(T1~T9), 전면에 3개소(T10~T12)를 설치하였으며, 또한 실외기함 내부의 열전대 위치는 상부 임펠러의 전동기 모터 하단부에 2개소(T13~T14), 정속 압축기 상부에 1개소(T15), 화원 부근인 압축기에 1개소(T16)를 설치하였다.
- 화원은 헵탄(Heptane, n-C7H16) 100 ml를 사용하였다. 그러나 실외기 내부는 많은 부분이 철재로만 구성되어 있어 계속적인 연소상태를 유지시키기 위한 화원위치로 압축기의 소음을 방지하기 위해 설치된 난연성 커버부근으로 선정하였다.
성능/효과
- (1) 본 실험에서 에어컨실외기의 최고 열방출율은 약 5,830 kW이며, 실외기 내부의 폭발과 상부의 열교환용 배출그릴을 통한 급격한 화염분출 및 확산을 보였다.
- (2) 실외기의 내부 최고온도는 약 1,201 ℃이고 외부 열교환용 배출그릴의 상부지역의 최고온도는 약 881 ℃에 달하였으며, 또한 실외기 전면부의 복사열에 의한 최고온도는 약 103 ℃에 달하였다. 이 정도의 온도는 주변 가연물을 발화시켜 2차 화재의 착화 에너지로서 충분히 작용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- (3) CO농도는 565초에서 131.1 ppm을 나타냈으며, CO2의 농도는 555초에서 0.9014 %로 나타났다.
- 농도의 분석결과, Figure 19 및 20과 같은 결과가 도출되었다. CO와 CO2 의 농도 그래프의 곡선은 상기의 열방출율 그래프의 곡선과 비슷한 양상의 결과를 보였으며, 최고의 CO농도는 565초에서 131.1 ppm를 CO2의 최고 농도는 555초에서 0.9014 %로 나타났다.
- 그 결과, 외부의 에어컨실외기 화재이므로 방출된 CO와 CO2는 대기 중으로 확산됨으로 그 농도가 인체에 미치는 영향은 구획화재와 비교해 경미하나, 실외기의 화재가 건축물 외장재로 확대되어, 수직 벽을 타고 화재가 상승해 외벽의 창문 및 개구부를 통해 건물 내로 화재가 확대되었을 때 내부화재연소와 더불어 재실자의 피난과 인명에 큰 영향을 미칠 수 있는 요소라 판단된다.
- 점화원인 헵탄거즈(gauze) 뭉치에 착화되면서 초기 열방출율은 41 kW에서 내부가연물을 서서히 연소시키며 509초까지 약 363 kW까지 증가하였다. 그 후 내부 가연물이 급격히 연소되어 실외기의 외부로 화염이 격심하게 방출되면서 509초 경과 후 곧바로 급격히 수직상승하여 560초까지 최고 약 5,830 kW의 열방출율을 나타냈으며, 곧바로 수직 하강하여 638초까지 약 1,500 kW로 급격히 감소하였다. 이후 열방출율은 833초까지 약 500 kW까지 포물선을 그리며 하향 감소하였고 실험종료 전까지 소폭의 등락을 유지하였으며, 실험종료시간인 1,500초에서는 열방출율이 약 602 kW로 나타났다.
- 그리고 얼마 후 약 279초 때에 “펑”하는 두 번째 폭발소리와 동시에 실외기 상부 배출그릴의 개방공간으로 화염분출이 첫 번째 화염분출에 가중되어 더욱 폭발적으로 분출되기 시작하였으며, 화염길이 또한 더욱 높게 상승하였다.
- 본 실험인 에어컨실외기 연소실험의 화재 위험성 평가에서는 실외기에 착화하여 내부의 급격한 연소반응과 냉매배관의 파열로 인한 냉매 가스분출과 가스의 급격한 연소반응에 의해 내부의 폭발과 동시에 외부로의 급격한 화염분출이 발생하고, 최성기에 이르는 560초에서 최고 5,830 kW의 열방출율을 보였으며, 실외기의 내부 열전대의 최고온도는 1,201 ℃, 외부 열전대의 최고온도는 881 ℃를 나타내었고, 또한 외부로 분출한 화염길이는 5 m 이상으로 나타났다. 또한, 실외기의 연소실험의 결과에서 열전대의 온도와 열방출율, CO, CO2의 최고도달시간은 약 160초 이상의 많은 시간차 이가 발생했는데, 이는 실험체와 분석을 위한 측정 장치의 설치 위치에 따른 거리간의 차이로 인해 발생한 것으로 보인다.
- 또한, 실험 중 실외기의 좌측 측면으로 검은 연기와 푸른 불꽃의 화염을 폭발적으로 분출하였던 열교환용 알루미늄 방열판의 소훼상태와 2차례의 화재폭발과 급격한 화염분출의 원인으로 판단되었던 냉매가스의 순환용 대구경 동관의 연결부분이 분리되고 화염에 의해 파괴된 소훼상태를 확인할 수 있었다.
- 본 실험의 연소진행과정과 실험종료 후 자료를 비교·분석한 결과, 건축물의 주변에 설치한 멀티시스템형 에어컨실외기에 화재가 발생할 경우 자체화재만이 아니라 건축외장재 및 인접한 주변가연물로의 직접적인 화염전파는 물론, 복사열유속의 간접적인 화재전이에 의해 2차 화재의 원인으로 충분히 작용할 수 있음을 확인하였고, 화재확산 또한 매우 빠르게 발생함으 로서 화재위험성이 매우 높아 별도의 구획 등의 대처가 절실히 요구됨을 확인할 수 있었다.
- 본 실험인 에어컨실외기 연소실험의 화재 위험성 평가에서는 실외기에 착화하여 내부의 급격한 연소반응과 냉매배관의 파열로 인한 냉매 가스분출과 가스의 급격한 연소반응에 의해 내부의 폭발과 동시에 외부로의 급격한 화염분출이 발생하고, 최성기에 이르는 560초에서 최고 5,830 kW의 열방출율을 보였으며, 실외기의 내부 열전대의 최고온도는 1,201 ℃, 외부 열전대의 최고온도는 881 ℃를 나타내었고, 또한 외부로 분출한 화염길이는 5 m 이상으로 나타났다. 또한, 실외기의 연소실험의 결과에서 열전대의 온도와 열방출율, CO, CO2의 최고도달시간은 약 160초 이상의 많은 시간차 이가 발생했는데, 이는 실험체와 분석을 위한 측정 장치의 설치 위치에 따른 거리간의 차이로 인해 발생한 것으로 보인다.
- 실외기 내·외부 열전대에서의 급격한 온도변화는 내부 가연물의 급격한 연소반응에 의해 계속 상승하였으며, 특히 큰 폭의 온도변화는 실외기 내부의 압축기와 순환용 동관 내의 냉매가스가 급속히 팽창함으로서 동관의 연결부분이 파괴되고 냉매가스가 외부로 분출 되어 분출된 가스가 급격히 연소하면서, 그 순간 내 · 외부 열전대의 온도가 폭발적으로 상승한 것이며, 또한 두 번째 냉매용 동관의 파괴에 의해 더욱더 온도가 급속히 증가한 것으로 보여 진다.
- (2) 실외기의 내부 최고온도는 약 1,201 ℃이고 외부 열교환용 배출그릴의 상부지역의 최고온도는 약 881 ℃에 달하였으며, 또한 실외기 전면부의 복사열에 의한 최고온도는 약 103 ℃에 달하였다. 이 정도의 온도는 주변 가연물을 발화시켜 2차 화재의 착화 에너지로서 충분히 작용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 이후 실외기의 상부로 화염분출은 계속적으로 진행되고 조금씩 화염분출이 자자지면서 약 470초까지 진행되었으며, 이후 내부연소가 계속 진행되고 내·외부 온도가 약 100 ℃ 이하로 낮아지면서, 이후 실험진행의 의미가 없는 것으로 판단하여 약 1,500초에서 실험을 종료하기위해 대형 이산화탄소 소화기로 진화 후 실험을 종료하였다.
- 이후 연소가 약 238초까지 유지되며 진행되다가 239 초 때에 “펑”하는 첫 번째 폭발소리와 동시에 에어컨실외기의 우측하단 화원부분에서 화염이 외부로 폭발적으로 분출되었다. 이후 에어컨실외기의 상부 배출그릴이 설치된 개방공간으로 화염분출이 폭발적으로 진행되었으며, 화염의 길이는 최고 높이에 설치한 열전대 높이인 2.4 m를 훨씬 넘어 약 5 m 이상으로 상승하였다.
- 그 후 내부 가연물이 급격히 연소되어 실외기의 외부로 화염이 격심하게 방출되면서 509초 경과 후 곧바로 급격히 수직상승하여 560초까지 최고 약 5,830 kW의 열방출율을 나타냈으며, 곧바로 수직 하강하여 638초까지 약 1,500 kW로 급격히 감소하였다. 이후 열방출율은 833초까지 약 500 kW까지 포물선을 그리며 하향 감소하였고 실험종료 전까지 소폭의 등락을 유지하였으며, 실험종료시간인 1,500초에서는 열방출율이 약 602 kW로 나타났다.
- 일반적으로 에어컨실외기(outdoor unit)의 설치 위치에 관한 법적규제가 없어 건축물 주변, 외벽, 옥상, 발코니 내부 및 창문 등에 무분별하게 설치하므로 화재의 위험성이 없는 것으로 인식하기 쉬우나 화재사례에서 알 수 있듯이 건축외장재의 재료나 에어컨실외기의 설치위치 및 환경에 따라 화재의 위험성은 매우 높은 것을 알 수 있었다.
- 농도를 측정하였다. 즉, 실물실험에 의해서 화재성상을 파악함으로서 열방출율 및 각 부분에 설치한 열전대의 온도분포 등을 시간변화에 따라 산출된 결과 값을 수집하고 기록함으로서 무분별하게 설치되어지고 관리되는 에어컨실외기의 화재위험성과 화재확산 결과를 예측할 수 있는 근거자료로 활용하기 위해 각 측정요소들의 결과 값을 도출하였으며, 그 결과 에어컨실외기의 화재위험성을 확인할 수가 있었다.
- 특히, 최근 건축물의 외장재로 많이 사용되는 알루미늄복합패널의 알루미늄 용융점이 660 ℃인 점을 감안할 때, 본 실험체인 실외기에 연소하여 생성된 외부 온도 881 ℃는 0.5 mm의 알루미늄으로 구성된 복합패 널의 외부를 충분히 용융시켜 내부 심재에 연소됨으로서 계속적인 상부 화재확산을 발생시킬 수 있음을 확인 할 수 있었다.5)
후속연구
- 그럼으로, 실외기 설치 시 위치선정에 있어서 반드시 주변 환경여건을 충분히 고려하여야 하며, 폭발이나 급격한 화염분출에 의한 주변가연물로의 화재전이를 방지할 수 있는 적절한 방호시설과 철저한 유지관리를 수행하고, 실험을 통해 확인된 폭발 및 급격한 연소반응 등에 대하여 적합하고 안전성이 확보된 제품의 개발과 보완이 시급히 요구된다.
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