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문제 정의
- 특히, 국내의 건축 구조물은 좁은 공간의 활용도를 높이기 위해서 제연구역을 부속실로 정하는 급기가압 방식을 많이 사용하고 있지만 개방력과 폐쇄력을 동시에 고려해야 하기 때문에 설계를 위한 기초 실험 자료의 구축이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 부속실 단독 가압 구조인 제연구역의 급기가압 조건을 위한 안정성을 확보하기 위해서 주요 매개 변수를 구분하고 개방 및 폐쇄력을 결정해 주는 부속실의 차압형성과 누설량의 상관관계를 분석해 보고자 한다.
제안 방법
- Figure 1은 본 연구를 위해서 제작한 구조물의 형태를 보여주고 있다. 제연설비가 가동되는 동안 물리량을 측정하기 위해서 유량계 총 4개를 계단실과 각 층의 풍도실에 연결하였으며, 압력센서 총 10개를 각각의 구획공간에 설치하였다. 유량계는 직경/길이 비가 유동의 간섭을 받지 않도록 풍도(A)의 직경 0.
- 0 m를 확보하여 설치하였다. 제연구역에 유량을 공급하기 위한 송풍기는 실로코 휀(Sirocco fan type)으로 5.45 kW에 회전비를 높여서 송풍량을 증가하였으며, 메인 제어부인 임베디드 컨트롤러(Model: NI PXI-8110)에서 모든 제어와 계측에 관한 지령을 담당하도록 구성하였다. 또한, 절연전류 신호 수집장치(Model: NI PXI-6224)에서 유량, 압력, 댐퍼와 자동폐쇄장치 등에 대한 통신을 전달하고 전류출력기(Model: NI PXI 6704)로부터 송풍기와 밸브의 제어가 가능하도록 설계하였다.
- 45 kW에 회전비를 높여서 송풍량을 증가하였으며, 메인 제어부인 임베디드 컨트롤러(Model: NI PXI-8110)에서 모든 제어와 계측에 관한 지령을 담당하도록 구성하였다. 또한, 절연전류 신호 수집장치(Model: NI PXI-6224)에서 유량, 압력, 댐퍼와 자동폐쇄장치 등에 대한 통신을 전달하고 전류출력기(Model: NI PXI 6704)로부터 송풍기와 밸브의 제어가 가능하도록 설계하였다.
- /s)는 각각 부손실의 압력, 단면적 비로 결정되는 손실계수, 단면적이 작은 지점에서의 유속 그리고 공기의 밀도를 의미한다. 특히, 본 연구를 위해서 제작한 구조물은 풍도(A)와 풍도(B) 그리고 부속실을 지나면서 급격한 수축에 의해서 유효 면적이 발생하는 것을 알 수 있으며(7), 유동의 흐름에 따라서 압력 관계를 분석하였다.
- 7 Pa 정도가 된다. 그 이후 풍도(B)와 개구부 사이에 수축과 확산이 반복되고 개구부와 부속실의 면적비와 체적공간의 기하학적 형상으로 약 35.9 Pa 정도의 손실이 발생하는 것을 실험적으로 구할 수 있다. 그 결과 풍도에서의 정압은 3.
- )은 각각 폐쇄력, 차압, 면적을 그리고 식(3)의 하첨자는 왼쪽에서부터 방화문 손잡이의 위치, 부속실과 외기 그리고 방화문의 면적을 각각 의미한다. 본 연구에서는 보충량과 누설량 그리고 제연구역의 유량손실계수와 누설면적, 풍도(B)와 부속실의 차압을 제연구역의 개방 및 폐쇄조건을 위한 주요 인자로 구분하였다.
- 이를 위해서 3층 규모의 총 10개로 구성된 구획 공간과 방화문의 개폐력 측정 장치를 제작하였으며, 계단실과 각 층의 풍도실 공급유량, 각각의 구획 공간 압력 그리고 방연풍속을 실시간 측정하기 위한 제어·계측 장비를 구성하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 셋째, 저압·차압조절·과압 영역 각각에 대해서 누설면적과 누설량 증가에 따라서 부속실과 풍도(B)의 차압 형성 관계를 분석하였다.
- 본 연구에서는 풍도(A, B), 부속실, 거실 그리고 계단실로 구성된 구조물에서 댐퍼의 개구부 면적이 동일한 경우 제연구역의 누설면적 크기를 증가함에 따라서 공급유량과 차압형성 관계를 분석하였다. 이를 위해서 3층 규모의 총 10개로 구성된 구획 공간과 방화문의 개폐력 측정 장치를 제작하였으며, 계단실과 각 층의 풍도실 공급유량, 각각의 구획 공간 압력 그리고 방연풍속을 실시간 측정하기 위한 제어·계측 장비를 구성하였고 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 그림에서 누설량과 부속실의 차압이 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 본 연구에서는 사용한 댐퍼의 차압 조절 범위(45 Pa~55 Pa)를 기준으로 하여 부속실의 차압 크기에 따라서 저압(45 Pa 이하)·차압조절(45 Pa~55 Pa)·과압 영역(55 Pa 이상)으로 구분하였다.
대상 데이터
- Figure 2는 방연풍속을 측정하기 위한 장치와 본 연구에서 사용한 댐퍼의 개략도를 보여주고 있다. Figure 2에서 나타냈듯이 방연풍속은 총 10개의 센서로 구성되어 위치의 이동이 가능하고 유속의 측정값은 절연전류 수집장치(Model: NI PXI-1042)에서 메인제어부로 실시간 통신에 의해서 저장 되도록 설계하였으며, 댐퍼의 차압조절범위는 45 Pa~55 Pa 그리고 댐퍼의 전체 날개 면적 0.24 m2인 시험용 댐퍼를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 센서의 사양을 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 56의 값을 갖는다. 댐퍼와 부속실의 유효 누설면적은 베르누이 방정식(Bernoulli Equation)을 사용하여 식(5)와 같이 구할 수 있다.
성능/효과
- 9 Pa 정도의 손실이 발생하는 것을 실험적으로 구할 수 있다. 그 결과 풍도에서의 정압은 3.8 Pa 그리고 유속에 의한 동압은 약 0.3 Pa 정도 감소하고 개구부에서 부속실을 지나면서 다시 면적이 확산되어 유동에 의한 정압은 사라지고 평균 유속 약 0.14 m/s 정도에 해당하는 동압이 존재하게 된다.
- 그림에서 누설량과 부속실의 차압이 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 본 연구에서는 사용한 댐퍼의 차압 조절 범위(45 Pa~55 Pa)를 기준으로 하여 부속실의 차압 크기에 따라서 저압(45 Pa 이하)·차압조절(45 Pa~55 Pa)·과압 영역(55 Pa 이상)으로 구분하였다. 그 결과 부속실의 차압은 영역의 구분과 상관없이 부속실의 누설면적이 증가할수록 반비례하여 감소하는 것을 확인하였다. 특히, 동일 누설량 조건에서 누설면적이 작을수록 과압 영역에 빠르게 도달하기 때문에 폐쇄력이 증가하게 되고 차압조절영역을 유지하기 위한 공급유량이 작아져서 방연풍속에 해당하는 보충량을 형성하기가 어려울 것으로 판단된다.
- Figure 8은 부속실의 누설면적과 누설량 증가에 따라서 풍도(B)의 차압을 측정한 결과이다. 부속실의 차압 크기에 따라서 저압영역과 과압 영역의 경계를 점선으로 나타내었으며, 누설면적이 증가할수록 부속실에서 외기로 나가는 양이 많아지므로 동일 누설량 조건에서 풍도(B)의 차압도 반비례하여 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각각의 누설면적에 대해서 과압 조건이 형성된 이후 기울기가 일정해지는 것을 확인할 수 있는데 그 이유는 부속실의 차압이 댐퍼의 작동 범위를 초과하면서 댐퍼의 날개가 완전히닫힌 상태가 되기 때문이다.
- 둘째, 부속실 누설면적이 0.03 m2으로 일정한 경우 부속실이 개방된 상태에서의 공급유량과 부속실이 밀폐된 상태에서 댐퍼의 누설면적으로 공급되는 누설량을 비교하였으며, 댐퍼의 차압 조절 범위(45 Pa~55 Pa)를 기준으로 하여 댐퍼와 부속실의 누설면적에 따라서 저압·차압조절· 과압 영역이 존재하는 것을 확인하였다.
- 첫째, 풍도(A)에서 풍도(B) 그리고 부속실로 공급되는 유량과 압력 손실 관계를 분석한 결과 전압이 69.8 Pa인 경우 풍도(B)에서 단면적이 급격히 확산되어 부손실 약 29.7 Pa 정도가 발생하였고 풍도와 개구부 사이에서 급격한 수축 이후 개구부와 부속실에서 다시 확산되어 약 35.9 Pa 정도의 손실이 추가적으로 발생하였다. 이러한 결과는 풍도(A)와 풍도(B)를 연결하는 부분에서 부손실을 줄이기 위한 설계의 중요성을 의미하는 것으로 효율적인 송풍기의 풍량을 확보하기 위한 설계의 검증 방안으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 셋째, 저압·차압조절·과압 영역 각각에 대해서 누설면적과 누설량 증가에 따라서 부속실과 풍도(B)의 차압 형성 관계를 분석하였다. 그 결과 부속실의 차압은 누설면적의 크기가 증가할수록 감소하였으며, 과압영역에서 풍도(B)의 차압은 부속실의 누설면적 크기와 상관없이 댐퍼의 누설면적에 따라서 기울기가 동일하게 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 동일 누설량이 부속실에 공급되는 경우 저압영역에서는 부속실의 누설면적을 그리고 과압영역에서는 댐퍼의 누설면적을 최소화하여야 하며, 차압조절영역에서는 댐퍼의 누설면적과 부속실의 누설면적을 동시에 고려하여야 적정 방연풍속을 유지하면서 부속실의 차압이 폐쇄력을 증가시키지 않을 것으로 판단된다.
후속연구
- 9 Pa 정도의 손실이 추가적으로 발생하였다. 이러한 결과는 풍도(A)와 풍도(B)를 연결하는 부분에서 부손실을 줄이기 위한 설계의 중요성을 의미하는 것으로 효율적인 송풍기의 풍량을 확보하기 위한 설계의 검증 방안으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 특히, 동일 누설량이 부속실에 공급되는 경우 저압영역에서는 부속실의 누설면적을 그리고 과압영역에서는 댐퍼의 누설면적을 최소화하여야 하며, 차압조절영역에서는 댐퍼의 누설면적과 부속실의 누설면적을 동시에 고려하여야 적정 방연풍속을 유지하면서 부속실의 차압이 폐쇄력을 증가시키지 않을 것으로 판단된다. 이러한 결과는 급기가압 공간에서 주요 매개 변수의 상관관계가 영역에 따라서 각각 다른 함수 형태로 표현이 가능함을 보여주고 있으며, 제연구역의 안전성을 구현하기 위한 실험 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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