[논문]도로터널 화재시 열부력이 제연용 제트팬 댓수에 미치는 영향에 대한 해석적 연구

유지오; 신현준

doi:10.9711/ktaj.2013.15.3.301

도로터널 화재시 열부력이 제연용 제트팬 댓수에 미치는 영향에 대한 해석적 연구
A numerical study on effects of thermal buoyance force on number of jet fans for smoke control 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.15 no.3, 2013년, pp.301 - 310

유지오 (신흥대학교 건축설비 설계과) , 신현준 (한국건설기술 연구원)

초록
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현재 도로터널에는 화재시 임계풍속을 유지할 수 있도록 제트팬을 설치하고 있으며, 제트팬 댓수는 임계풍속을 유지하기 위한 유동저항, 자연풍에 의한 환기저항, 열부력에 의한 환기저항을 고려하여 산정한다. 그러나, 국내의 경우, 제트팬 댓수 산정시 열부력은 고려하지 않고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 열부력이 제트팬 댓수에 미치는 영향을 검토하기 위해서 터널연장(500, 750, 1000, 1500, 2000, 3500 m) 및 경사도(-1.0, -1.5, -2.0%)를 변수로 하여 화재성장곡선에 따른 비정상상태의 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 열기류의 평균온도 및 열부력에 의한 압력손실을 검토하여 열부력이 제트팬 댓수에 미치는 영향을 검토하였다. 이에 본 연구에서는 화재로 인한 열부력을 고려하는 경우에 제트팬 댓수의 증가가 필요하며, 특히, 설계화재강도를 100 MW로 하는 경우에는 본 해석조건의 모든 범위에서 열부력에 의한 압력손실이 차량저항에 의한 압력손실의 최대치보다 증가하며, 현행설계기준을 적용하는 경우보다. 최소 2~11대의 제트팬 대수의 증가가 필요한 것으로 분석되었다. 따라서 제연용 제트팬 용량 산정시 열부력에 대한 고려가 반드시 필요한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Jet fans are installed in road tunnels in order to maintain critical velocity when fire occurs. Generally the number of jet fans against fire are calculated by considering critical velocity and flow resistance by wall friction, vehicle drag force, thermal buoyance force and natural wind. In domestic case, thermal buoyance force is not considered in estimating the number of jet fans. So, in this study, we investigated the pressure loss due to the thermal buoyance force induced by tunnel air temperature rise and the impact of thermal buoyance force on the number of jet fans by the numerical fire simulation for the tunnel length(500, 750, 1000, 1500, 2000, 3500m) and grade (-1.0, -1.5, -2.0%). Considering the thermal buoyance force, number of jet fans have to be increased. Especially in the case of 100MW of heat release rate, the pressure loss due to thermal buoyance force exceed the maximum pressure loss due to vehicle drag resistance, so it is analyzed that number of 2~11 jet fans are needed additionally than current design criteria. Thus, in case of estimating the number of jet fans, it must be considered of thermal buoyance force induced tunnel air temperature rise by fire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제연용 제트팬 산정시 차량저항에 의한 압력손실은 화재지점이 터널 출구측에 근접할수록 증가하며, 열 부력에 의한 압력손실은 연기의 이동거리가 증가할수록 증가하기 때문에 화재지점이 입구측일수록 증가한다. 이에 본 분석에서는 화재로 인한 압력손실과 차량저항에 의한 압력손실의 상대적인 크기를 비교하기 위해서 화재재점을 터널입구로 하여 압력손실을 분석하였다.
이에 본 연구에서는 터널 화재시 열부력에 의한 저항력이 제연용 제트팬 용량에 미치는 영향을 검토 하기 위하여 터널연장 및 경사도를 변수로 하여 화재 성장곡선에 따른 비정상상태의 수치시뮬레이션을 수행하여 열부력에 대한 고찰을 수행하고 열부력에 의한 저항이 제연용 제트팬 댓수에 미치는 영향을 검토하였다.

제안 방법

◦ 터널벽면 경계조건 : 대류열전달을 모사하기 위해서 두께 0.5m의 라이닝을 모사하고 표면 대류열전달이 발생하는 것으로 하였다.
본 연구에서는 도로터널 화재시 터널입구풍속을 2.5 m/s로 유지하는 조건에서 열부력에 의한 저항력이 제연용 제트팬 용량에 미치는 영향을 검토하기 위하여 터널연장(500, 750, 1000, 1500, 2000, 3500 m) 및 경사도(-1.0, -1.5, -2.0%)를 변수로 하여 화재성장 곡선을 반영하여 비정상상태의 수치시뮬레이션을 수행하여 열기류의 평균온도 및 열부력에 의한 압력손실을 검토하고 열부력의 증가에 따른 제트팬 댓수의 증감을 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
5 m/s로 하는 경우에 화재강도 및 경사도에 따른 제트팬 댓수를 나타낸 것이다. 주행속도에 따른 제연용 제트팬 댓수는 주행속도가 감소하면 증가하는 경향을 보이기 때문에 현행 한국도로공사의 환기 및 제연용 설계속도기준에 따라 제연용 제트팬 댓수가 최대가 되는 10 km/h와 최소가 되는 40 km/h에 대해서 비교․검토하였다.
5 m/s로 하였다. 터널벽체를 통한 열손실을 고려하기 위해서 터널라이닝을 모사하였으며, 지중온도는 15℃로 등온조건으로 하고 터널공기와 벽체사이에는 대류열전달이 발생하는 조건에서 수치해석을 수행하였다. 해석모델을 요약하면 다음과 같으며, 해석은 상용 열유체 해석프로그램인 Fluent (Version 6.

대상 데이터

본 검토에서는 화재강도는 20 MW와 100 MW로 하였으며, 터널내 풍속은 2.5 m/s로 하였다. 터널벽체를 통한 열손실을 고려하기 위해서 터널라이닝을 모사하였으며, 지중온도는 15℃로 등온조건으로 하고 터널공기와 벽체사이에는 대류열전달이 발생하는 조건에서 수치해석을 수행하였다.

이론/모형

터널벽체를 통한 열손실을 고려하기 위해서 터널라이닝을 모사하였으며, 지중온도는 15℃로 등온조건으로 하고 터널공기와 벽체사이에는 대류열전달이 발생하는 조건에서 수치해석을 수행하였다. 해석모델을 요약하면 다음과 같으며, 해석은 상용 열유체 해석프로그램인 Fluent (Version 6.3)를 사용하였다.

성능/효과

1. 터널내 풍속을 2.5 m/s로 하는 경우, 연기의 이동속도는 CO 농도(호흡선 높이에서 100 ppm)를 기준으로 하는 경우에 터널 경사도에 영향을 받지 않으며, 화재강도가 20 MW인 경우에 2.5～3.1 m/s정도로 평균 2.4 m/s로 나타났다.
2. 터널입구 풍속을 2.5 m/s로 일정하게 유지하는 조건에서 화재가 전파되지 않은 구간을 포함하는 터널전체의 평균온도는 터널 경사도에는 영향을 받지 않으며, 연장이 동일하면 화재성장에 따라 거의 동일한 값을 나타낸다.
3. 터널에서 화재가 발생하는 경우, 열부력에 의한 압력손실과 화원에서 상승기류에 의한 유동저항에 따른 압력손실이 발생하며, 열부력에 의한 압력 손실은 터널연장이 길수록 경사도가 증가할수록 증가하는 경향을 갖는다.
4. 본 해석조건에서는 화재로 인한 압력손실은 20 MW의 경우, 경사도가 –2.0%이고 연기의 전파거리가 3300 m일 때 61.8 Pa분석되었으며, 화재강도가 100 MW인 경우에는 231.2 Pa로 분석되었다.
6. 본 해석결과, 설계화재강도가 20 MW인 경우에는 경사도가 증가하고 터널연장이 짧은 경우에 열부력이 차량저항에 따른 압력손실보다 증가하며, 이에 따른 제트팬 증가댓수는 1～2대 정도로 예측되었다. 또한, 화재강도가 100 MW인 경우에는 본 해석조건의 모든 범위에서 열부력에 의한 압력손실이 차량저항에 따른 압력손실보다 증가하는 것으로 나타나고 있으며, 본 해석범위에서는 최소 2～11대의 제트팬 대수의 증가가 요구되는 것으로 나타나고 있다.
또한, 화재강도가 100 MW인 경우에는 본 해석조건의 모든 범위에서 열부력에 의한 압력손실이 차량저항에 따른 압력손실보다 증가하는 것으로 나타나고 있으며, 본 해석범위에서는 최소 2～11대의 제트팬 대수의 증가가 요구되는 것으로 나타나고 있다. 따라서 제연용 제트팬 댓수를 산정하는 경우에 열부력을 반드시 고려하여야 할 것으로 분석되었다.
따라서, 연기의 이동속도 또한 터널내 풍속이 일정하게 유지되는 경우에는 터널연장이나 경사도에 영향을 받지 않으며, 본 평가에서는 CO농도를 기준으로 하는 경우에는 연기의 이동속도가 2.5～3.1 m/s, 온도를 기준으로 하는 경우에는이동속도(1.5～2.7 m/s) 보다 빠르게 나타나고 있다. 온도를 기준으로 하는 경우에는 시간이 경과하면 이동속도가 점차 감소하는 경향을 보이는데, 이는 벽면냉각효과에 의해서 평균 온도가 감소하기 때문이다.
또한, 화재강도가 100 MW인 경우에 화재지점에서 압력상승을 분석한 결과, 경사도별로 17.24 (-1.0%), 17.73 (-1.5%), 18.35 (-2.0%)로 분석되었다. 따라서 화재지점에서 상승기류에 의한 압력손실은 20 MW의 경우와 마찬가지로 경사도와 무관한 것으로 평가되며, 화재강도에 따라서 5.
이상의 검토에서 본 결과는 100 MW에서 임계풍속을 2.5 m/s로 가정하였기 때문에 화재강도 증가로 인한 임계풍속의 증가에 따른 제트팬 대수의 증가 및 풍속증가로 인한 온도강하에 의한 열부력의 감소 효과는 반영되지 못하고 있는나, 제연용 제트팬 설계시 100 MW의 화재규모를 고려하는 경우에 단순히 임계풍속 증가에 따른 팬 증가보다는 상당히 많은 수의 제트팬 증가가 필요한 것으로 판단된다.
화재강도가 20 MW인 경우에 열부력에 의한 제트팬 댓수의 증가는 본 연구범위에서는 1～2대정도로 나타나고 있으며, 화재강도를 100 MW로 하는 경우에는 열부력에 의한 압력손실의 증가로 인한 제연용 제트팬 댓수 증가는 연장이 증가할수록 경사도가 증가할수록 증가하는 것으로 나타나고 있으며, 본 연구범위에서는 2～11대의 증가가 요구되는 것으로 나타나고 있다.

후속연구

5. 터널화재시 차량저항에 따른 압력손실은 화재지점이 터널 출구측에 근접할수록 증대하고, 열부력에 의한 압력손실은 화재지점이 터널 입구측에 근접할수록 증가하는 상반된 경향을 갖기 때문에 임계풍속을 충족하기 위한 제연용 제트팬 용량산정시 열부력에 의한 압력손실과 차량저항의 크기를 비교ㆍ검토하여야 추가적인 제트팬 승압력의 필요 여부를 검토하여야 할 것으로 판단된다.
8배정도 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 설계화재강도를 20 MW보다 증대하는 경우에는 열부력에 의한 압력손실을 반드시 검토하여야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제트팬을 설치하는 이유는 무엇인가?	현재 도로터널에는 화재시 임계풍속을 유지할 수 있도록 제트팬을 설치하고 있으며, 제트팬 댓수는 임계풍속을 유지하기 위한 유동저항, 자연풍에 의한 환기저항, 열부력에 의한 환기저항을 고려하여 산정한다. 그러나, 국내의 경우, 제트팬 댓수 산정시 열부력은 고려하지 않고 있는 실정이다.
	제트팬의 댓수는 무엇을 고려하여 산정하는가?	현재 도로터널에는 화재시 임계풍속을 유지할 수 있도록 제트팬을 설치하고 있으며, 제트팬 댓수는 임계풍속을 유지하기 위한 유동저항, 자연풍에 의한 환기저항, 열부력에 의한 환기저항을 고려하여 산정한다. 그러나, 국내의 경우, 제트팬 댓수 산정시 열부력은 고려하지 않고 있는 실정이다.
	제연용 제트팬 용량 산정시 열부력에 대한 고려가 필요한 이유는 무엇인가?	0%)를 변수로 하여 화재성장곡선에 따른 비정상상태의 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 열기류의 평균온도 및 열부력에 의한 압력손실을 검토하여 열부력이 제트팬 댓수에 미치는 영향을 검토하였다. 이에 본 연구에서는 화재로 인한 열부력을 고려하는 경우에 제트팬 댓수의 증가가 필요하며, 특히, 설계화재강도를 100 MW로 하는 경우에는 본 해석조건의 모든 범위에서 열부력에 의한 압력손실이 차량저항에 의한 압력손실의 최대치보다 증가하며, 현행설계기준을 적용하는 경우보다. 최소 2~11대의 제트팬 대수의 증가가 필요한 것으로 분석되었다. 따라서 제연용 제트팬 용량 산정시 열부력에 대한 고려가 반드시 필요한 것으로 나타났다.

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

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