[논문]화재모델링 예측성능 개선을 위한 이온화식 연기감지기의 장치물성 측정

김경화; 황철홍

doi:10.7731/kifse.2013.27.4.27

화재모델링 예측성능 개선을 위한 이온화식 연기감지기의 장치물성 측정
Measurement of the Device Properties of a Ionization Smoke Detector to Improve Predictive Performance of the Fire Modeling 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.27 no.4, 2013년, pp.27 - 34

초록
AI-Helper

성능위주 소방설계(PBD)의 과정에서 화재 및 피난모델링의 신뢰성을 확보하기 위해서는 화재감지기 모델의 높은 예측성능이 필수적으로 요구된다. 본 연구의 목적은 FDS와 같은 대와동모사(Large Eddy Simulation) 화재모델에 적용될 수 있는 연기감지기의 정확한 작동 개시시간을 예측하기 위한 수치적 입력정보를 측정하는 것이다. 이를 위해 화재감지기의 장치특성을 측정할 수 있는 FDE (Fire Detector Evaluator)를 제작하였으며, 이온화식 연기감지기에 대한 Heskestad 및 Cleary 모델의 입력변수가 측정되었다. 또한 일반적으로 사용되는 FDS의 기본 값과 측정된 값이 적용된 연기감지기의 작동 개시시간을 정량적으로 비교하였다. 주요 결과로써, 본 연구에서 검토된 이온화식 연기감지기의 장치 물성은 FDS에 적용된 기본 값과 매우 큰 차이를 보이고 있으며, 연기감지기 작동 개시시간이 최대 15분 이상 차이가 발생되었다. PBD의 신뢰성을 향상시키기 위하여 향후 연구에서는 보다 다양한 연기 및 열감지기의 장치물성에 대한 데이터베이스(DB)가 구축될 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high prediction performance of fire detector models is essentially needed to assure the reliability of fire and evacuation modeling in the process of PBD (Performance Based fire safety Design). The main objective of the present study is to measure input information in order to predict the accurate activation time of smoke detector into a Large Eddy Simulation (LES) fire model such as FDS (Fire Dynamics Simulator). To end this, FDE (Fire Detector Evaluator) which can measure the device properties of detector was developed, and the input information of Heskestad and Cleary's models was measured for a ionization smoke detector. In addition, the activation times of smoke detectors predicted using default values into FDS and measured values in the present study were systematically compared. As a result, the device properties of smoke detector examined in the present study showed a significant difference compared to the default values used into FDS, which resulted in the considerable difference of up to 15 minutes or more in terms of the activation time of smoke detector. The database (DB) on device properties of various smoke and heat detectors will be built to improve the reliability of PBD in future studies.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 배경 하에 본 연구에서는 화재모델링의 수행 과정에서 요구되는 감지기의 장치물성을 측정 및 분석할 수 있는 시험 장치를 제작하고, 이를 이용하여 국내에서 사용되는 이온화식 연기감지기의 장치물성을 직접 측정하고자 한다. 현재 성능위주 소방설계에 널리 적용되고 있는 화재 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator)에 적용되고 있는 Heskestad 및 Cleary 연기감지기 모델의 입력정보를 획득하고, 기존 FDS 내의 기본 값(default value)과의 정량적 차이를 검토하고자 한다.
일반 사용자들이 주로 사용하는 FDS에 제시된 기본 값과 본 연구를 통해 측정된 값이 각각 입력되었을 때 연기 감지기의 작동 개시시간의 차이에 대한 확인은 성능위주 소방설계의 신뢰도 측면에서 매우 중요하다. 이에 동일한 화재시나리오 및 발열량의 조건에서 연기감지기의 입력정보에 따라 작동 개시시간의 차이에 대한 정량적 비교연구가 수행되었다.
이러한 배경 하에 본 연구에서는 화재모델링의 수행 과정에서 요구되는 감지기의 장치물성을 측정 및 분석할 수 있는 시험 장치를 제작하고, 이를 이용하여 국내에서 사용되는 이온화식 연기감지기의 장치물성을 직접 측정하고자 한다. 현재 성능위주 소방설계에 널리 적용되고 있는 화재 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator)에 적용되고 있는 Heskestad 및 Cleary 연기감지기 모델의 입력정보를 획득하고, 기존 FDS 내의 기본 값(default value)과의 정량적 차이를 검토하고자 한다. 추가로, FDS를 이용한 화재모델링을 통해 기본 값 및 측정된 입력정보의 활용 시 연기 감지기의 작동 개시시간의 차이를 확인하고자 한다.

제안 방법

일반적으로 FDS에서 감지기의 작동 연기농도는 제조회사에서 제시된 값을 사용한다고 언급되고 있으나, 국내에서 판매되는 감지기의 설명서에는 충분한 정보가 제공되지 않고 있다. 그림에서 감지기는 약 240 s에 작동되며, 광학신호의 시간 지연값을 고려하여 감지기가 작동되는 순간의 연기밀도를 측정하였다. 이때의 연기밀도를 식(3)의 단위 길이당의 광소멸값(OPM; Obscuration Per Meter)으로 변환하면, Figure 7에서와 같이 평균적으로 12.
15 m의 사각 덕트 플랜지로 체결되었다. 사각 덕트 내의 균일한 유속분포를 위하여 메쉬와 하니컴이 설치되었으며, 공기 공급장치는 내부의 공기 공급을 위한 블로워(blower)와 유속 조절을 위한 댐퍼(damper) 및 인버터로 구성되었다. 연기의 생성은 공기 유입구, 다공판 및 변형된 알콜 램프 용기로 구성된 버너를 통해 이루어졌으며, 연료로는 헵탄이 사용되었다.
사각 덕트 단면의 유속 균일성을 확인하기 위하여 풍속 프로브와 차압센서(TESTO 480)을 통해 넓은 유량범위에 대한 유속이 측정되었다. 그 결과 벽면 근처를 제외한 단면의 평균유속은 매우 균일한 분포를 보이며, 이때 속도 변동치(rms)는 평균속도의 약 3%로서 충분한 정상상태의 유동장이 형성되었음을 확인하였다.
연기감지기의 정확한 장치물성 측정을 위하여 FDE (Fire Detector Evaluator)가 제작되었으며, 시간지연법이 적용된 대표적인 Heskestad 및 Cleary 모델의 물리적 입력변수들의 측정이 이루어졌다. 측정된 이온화식 연기감지기의 장치물성은 FDS에 적용된 기본 값과 매우 큰 차이를 보이고 있으며, 특정 조건에서 연기감지기 작동 개시시간은 최대 15분 이상 차이가 발생될 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 검토된 이온화식 연기감지기는 D사에서 생산되는 2종/보통형/비축척형 모델이다. 전원 공급장치를 이용하여 전원을 공급하고 내부의 회로에서 연기 농도에 따른 외부 출력이 가능한 접점으로부터 실시간 전압을 측정하였다.
화재모델링을 위한 화재감지기의 모델 입력정보를 측정하기 위하여 FDE (Fire Detector Evaluator)가 설계·제작되었다.

대상 데이터

연기 밀도의 측정을 위하여 광소멸법(light extinction method)⁽¹²⁾이 적용되었다. 광원으로는 10 mW He-Ne 레이저가 사용되었으며, 광학 장치 내로의 연기 유입을 방지하기 위하여 1 L/min의 N₂가 공급되었다. 광소멸법의 광학배열 및 상세한 원리는 참고문헌⁽¹³⁾을 통해 확인할 수 있다.
본 연구에서는 검토된 이온화식 연기감지기는 D사에서 생산되는 2종/보통형/비축척형 모델이다. 전원 공급장치를 이용하여 전원을 공급하고 내부의 회로에서 연기 농도에 따른 외부 출력이 가능한 접점으로부터 실시간 전압을 측정하였다.
사각 덕트 내의 균일한 유속분포를 위하여 메쉬와 하니컴이 설치되었으며, 공기 공급장치는 내부의 공기 공급을 위한 블로워(blower)와 유속 조절을 위한 댐퍼(damper) 및 인버터로 구성되었다. 연기의 생성은 공기 유입구, 다공판 및 변형된 알콜 램프 용기로 구성된 버너를 통해 이루어졌으며, 연료로는 헵탄이 사용되었다. 연기 및 열 감지지의 설치 위치 근처에 온도, 유속 및 연기 밀도 측정 장치가 설치되었다.
연기의 총 이동거리는 45 m이며, 단면은 1 m×1 m인 구조물이 고려되었다.
연기의 총 이동거리는 45 m이며, 단면은 1 m×1 m인 구조물이 고려되었다. 연료로는 C₃H₈이 사용되었으며, 구조물의 왼쪽 벽면 근처에 설치된 화원을 통해 10 kW/m²의 단위면적당 발열량이 공급되었다. 연료의 단위 질량당 발생되는 soot yield는 0.

이론/모형

그 결과 벽면 근처를 제외한 단면의 평균유속은 매우 균일한 분포를 보이며, 이때 속도 변동치(rms)는 평균속도의 약 3%로서 충분한 정상상태의 유동장이 형성되었음을 확인하였다. 연기 밀도의 측정을 위하여 광소멸법(light extinction method)⁽¹²⁾이 적용되었다. 광원으로는 10 mW He-Ne 레이저가 사용되었으며, 광학 장치 내로의 연기 유입을 방지하기 위하여 1 L/min의 N₂가 공급되었다.

성능/효과

52 %/m이다. 결과적으로 본 연구에 적용된 이온화식 감지기는 2종 보통 15 % 기준)로 제품이 출시되었으나, 실제보다 정확한 감지기 작동 OPM을 적용함으로써 보다 감지기 작동시간을 보다 정확히 예측할 수 있다.
사각 덕트 단면의 유속 균일성을 확인하기 위하여 풍속 프로브와 차압센서(TESTO 480)을 통해 넓은 유량범위에 대한 유속이 측정되었다. 그 결과 벽면 근처를 제외한 단면의 평균유속은 매우 균일한 분포를 보이며, 이때 속도 변동치(rms)는 평균속도의 약 3%로서 충분한 정상상태의 유동장이 형성되었음을 확인하였다. 연기 밀도의 측정을 위하여 광소멸법(light extinction method)⁽¹²⁾이 적용되었다.
실제 화재에서 가연물의 종류, 환기 조건 및 구획형상에 따라 연기의 농도 및 유속에 큰 차이가 존재하기 때문이다. 그럼에도 불구하고 실제 적용된 연기감지기의 입력정보가 아닌 FDS의 기본 값을 적용할 경우, 성능위주 소방설계의 피난 안전대책을 수립하는데 매우 큰 문제점이 노출될 수 있음을 본 연구를 통해 명확히 확인할 수 있다.
먼저 FDS의 기본 값이 적용된 결과를 살펴보면, 연기의 유속이 감소함에 따라 감지기 작동시간이 급격하게 증가 됨을 볼 수 있다. 또한 두 연기감지기 모델의 차이는 크게 발생되지 않으며, 이러한 결과는 측정된 값이 적용된 경우에도 유사함을 확인할 수 있다. FDS 기본 값과 측정된 값의 입력정보 차이로 인한 작동시간의 차이는 매우 낮은 유속(<0.
참고로 Cleary model에 대해서는 Table 1의 Cleary model(II)의 값이 적용되었다. 먼저 FDS의 기본 값이 적용된 결과를 살펴보면, 연기의 유속이 감소함에 따라 감지기 작동시간이 급격하게 증가 됨을 볼 수 있다. 또한 두 연기감지기 모델의 차이는 크게 발생되지 않으며, 이러한 결과는 측정된 값이 적용된 경우에도 유사함을 확인할 수 있다.
42U^-1의 관계를 얻게 된다. 이 결과를 바탕으로 재계산된 특성길이를 살펴보면 낮은 유속조건에서 상당한 편차를 보이지만⁽⁹⁾, 평균적으로 1.42 m의 특성길이가 발생되고 있음을 알 수 있다. Table 1에서 제시된 FDS 내에 기본 값이 1.
결과적으로 본 연구에서 검토된 이온화식 연기감지기의 장치 물성은 Table 2에 제시되었다. 즉, 연기감지기의 대표적인 모델인 Heskestad 및 Cleary 모델의 입력변수로서, Table 1에 제시된 값과 비교할 때 정량적으로 상당한 차이가 있음을 확인할 수 있다. 그러나 이들의 차이가 FDS 화재모델링에서 연기감지기의 작동시간 측면에서 어느 정도의 차이를 발생시키는지는 추가적인 검토가 요구된다.
연기감지기의 정확한 장치물성 측정을 위하여 FDE (Fire Detector Evaluator)가 제작되었으며, 시간지연법이 적용된 대표적인 Heskestad 및 Cleary 모델의 물리적 입력변수들의 측정이 이루어졌다. 측정된 이온화식 연기감지기의 장치물성은 FDS에 적용된 기본 값과 매우 큰 차이를 보이고 있으며, 특정 조건에서 연기감지기 작동 개시시간은 최대 15분 이상 차이가 발생될 수 있음을 확인하였다. 향후 추가적인 연구를 통해 보다 다양한 연기 및 열감지기의 장치물성에 관한 데이터베이스(DB)구축과 연기감지기 모델의 주요 입력변수들의 상세한 민감도 분석이 수행될 예정이다.

후속연구

즉, 연기감지기의 대표적인 모델인 Heskestad 및 Cleary 모델의 입력변수로서, Table 1에 제시된 값과 비교할 때 정량적으로 상당한 차이가 있음을 확인할 수 있다. 그러나 이들의 차이가 FDS 화재모델링에서 연기감지기의 작동시간 측면에서 어느 정도의 차이를 발생시키는지는 추가적인 검토가 요구된다.
추가로, FDS를 이용한 화재모델링을 통해 기본 값 및 측정된 입력정보의 활용 시 연기 감지기의 작동 개시시간의 차이를 확인하고자 한다. 본 연구 결과는 현재 국내에서 진행 중인 초고층 건물의 성능위주 소방설계에 대한 신뢰도를 개선시킬 수 있는 매우 중요한 기회를 제공할 것으로 기대된다.
현재 성능위주 소방설계에 널리 적용되고 있는 화재 모델인 FDS (Fire Dynamics Simulator)에 적용되고 있는 Heskestad 및 Cleary 연기감지기 모델의 입력정보를 획득하고, 기존 FDS 내의 기본 값(default value)과의 정량적 차이를 검토하고자 한다. 추가로, FDS를 이용한 화재모델링을 통해 기본 값 및 측정된 입력정보의 활용 시 연기 감지기의 작동 개시시간의 차이를 확인하고자 한다. 본 연구 결과는 현재 국내에서 진행 중인 초고층 건물의 성능위주 소방설계에 대한 신뢰도를 개선시킬 수 있는 매우 중요한 기회를 제공할 것으로 기대된다.
측정된 이온화식 연기감지기의 장치물성은 FDS에 적용된 기본 값과 매우 큰 차이를 보이고 있으며, 특정 조건에서 연기감지기 작동 개시시간은 최대 15분 이상 차이가 발생될 수 있음을 확인하였다. 향후 추가적인 연구를 통해 보다 다양한 연기 및 열감지기의 장치물성에 관한 데이터베이스(DB)구축과 연기감지기 모델의 주요 입력변수들의 상세한 민감도 분석이 수행될 예정이다.

참고문헌 (14)

J. H. McGuire and G. T. Tamura, "Simple Analysis of Smoke Flow Problems in High Rise Buildings", Fire Technology, Vol. 11, pp. 15-22 (1975).

상세보기
R. Custer, "Selection and Specification of the 'Design Fire' for Performance-Based Fire Protection Design", in Proceedings, SFPE Engineering Seminar, Phoenix, AZ, Society of Fire Protection Engineers, Boston (1993).
K. McGrattan, R. McDermott, S. Hostikka and J. Floyd, "Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide", NIST Special Publication 1018-5, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD (2010).
M. Ahrens, "U.S. Experience with Smoke Alarms and Other Fire Detector/Alarm Equipment", NFPA (2004).
V. T. D'souza, J. A. Sutula, S. M. Olenick, W. Zhang and R. J. Roby, "Predicting Smoke Detector Activation using the Fire Dynamics Simulator", Proceedings of the 7th International Symposium of Fire Safety Science (2002).
F. W. Mowrer, "Lag Times Associated with Fire Detection and Suppression," Fire Technology, Vol. 26, No. 3, pp. 244-265 (1990).

상세보기
C. E. Marrion, "Lag Time Modeling and Effects of Ceil-ing Jet Velocity on the Placement of Optical Smoke Detectors", Master's Thesis, Worcester Polytechnic Institute, Center for Fire safety Studies, Worcester, MA (1989).
G. Heskestad, "Generalized Characterization of Smoke Entry and Response for Products of Combustion Detectors", Proceedings of the Fire Detection for Life Safety Symposium (1975).
T. Cleary and A. Chernovsky, "Particulate Entry Lag in Spot-Type Smoke Detectors", Proceedings of 6th International Symposium, International Association for Fire Safety Science (IAFSS) (1999).
T. Cleary, W. Grosshandler and A. Chernovsky, "Smoke Detector Response to Nuisance Aerosols", International Conference on Automatic Fire Design "AUBE '99', 11th, pp. 32-41 (1999).
K. McGrattan, R McDermott, S. Hostikka and J. Floyd, "Fire Dynamic Simulator (Version 5): User's Guide", NIST SP 1019-5, NIST, Gaithersburg, MD (2010).
G. W. Mulholland, E. L. Johnsson and M. G. Fernandez, "Design and Testing of New Smoke Concentration Meter", Reprinted from the Fire and Materials, Vol. 24, No. 5, pp. 231-243 (2000).
S. C. Kim, "Uncertainty Analysis of the Optical Smoke Density Measurement through the Doorway in a Compartment Fire", J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 27, No. 2, pp. 75-79 (2013).

원문보기 상세보기
A. Tewarson, "Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires", SFPE Handbook of Fire Protecting Engineering, Social Fire Protection Engineers (1995).

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증