[논문]부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관한 수치해석적 연구: 2개 출입문이 존재할 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 댐퍼 위치 선정방법

서찬원; 신원규

doi:10.7731/kifse.2014.28.6.001

초록
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부속실 가압시스템의 가장 중요한 역할은 건축물 내부에 화재가 발생 시 피난을 위하여 방화문이 개방 될 경우 균일한 방연풍속을 형성하여 연기의 침입을 방지하는 것이다. 이러한 설비의 성능확보를 위하여 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공급 유니트를 배치하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 대형건물에 설치되는 2개의 출입문을 갖는 부속실의 경우, 방연풍속이 균일하게 형성될 수 있는지 수치해석을 수행하였고, 나타난 문제점을 해결하기 위한 주요변수로 댐퍼의 위치 및 루버의 각도를 선정하고, 두 변수를 조정하여 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 해결책을 찾아보았다. 그 결과, 부속실의 댐퍼 위치의 중요성을 확인하였으며, 2개의 방화문이 존재할 경우 출입문 맞은편 중간 벽에 배치할 경우 성능에 있어서 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vestibule pressurization system should produce uniform air egress velocity to prevent the intrusion of smoke into escape route when fire accidents occur inside a building and fire doors are open for evacuation of people. Air supplying units in the vestibule need to be arranged by taking account of t...

Vestibule pressurization system should produce uniform air egress velocity to prevent the intrusion of smoke into escape route when fire accidents occur inside a building and fire doors are open for evacuation of people. Air supplying units in the vestibule need to be arranged by taking account of the location of doors and the volume of the vestibule. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted for the vestibule where two doors are installed varying the location of a damper and louver angle. From simulations, we found that when the damper in the vestibule is located at the center of the wall opposite to two fire doors, the uniform air egress velocity can be obtained.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 부속실로의 역류현상을 방지할 수 있는 댐퍼의 위치, 루버각도와 방연풍속과의 상관관계를 수치해석을 통하여 확인하고자 하였다. 이를 통하여, 출입문 두개가 설치된 부속실에 대한 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 최적의 방안에 대하여 검토해 보고자 한다.
본 연구에서는 이러한 부속실로의 역류현상을 방지할 수 있는 댐퍼의 위치, 루버각도와 방연풍속과의 상관관계를 수치해석을 통하여 확인하고자 하였다. 이를 통하여, 출입문 두개가 설치된 부속실에 대한 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 최적의 방안에 대하여 검토해 보고자 한다.

가설 설정

. 본 연구에서는 방화문 개방층에 대한 부속실 내부의 영향을 보는 것이므로 제연구역에 공급되는 공기는 누설량과 거실유입풍량에 대한 영향은 없는 것으로 가정하였다. Figure 1에서 거실문 개방 시 공기 유동장애가 적은 것으로 판단하여 유동 장애에 대한 계수는 70%정도로 보정하여 계산하였다.
제연구역에 공급하여야 할 공기의 양(급기량)은 누설량과 보충량을 더한 값보다 많아야 한다. 본 연구에서는 출입문 개방상태를 가정하여 보충량에 대하여 해석을 수행하였다. 여기서 보충량은 다음의 식에서 구할 수 있다⁽¹⁾.

제안 방법

본 연구에서는 기존의 연구에서 다루지 않았던 부속실내 거실 방화문이 2개인 경우 내부 기류특성을 수치적으로 해석하고, 이에 대한 문제점을 분석하고 해결책을 제시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 공동주택의 부속실의 실제형상과 치수를 반영하여 해석을 수행하였으며, 상세한 해석공간의 수치는 Figure 1과 같고 부속실 바닥면적은 22.5 m²이다. 성능 개선을 위하여 댐퍼의 위치를 그림과 같이 POSITION 1, 2, 3의 3가지 경우에 대하여 수행하였으며, Table 1에서 그 위치를 나타내었다.
7 이상으로 모델링하였다. 부속실 내부의 유동해석에 요구되는 적절한 격자수는 100만 개로 선정하였다.

이론/모형

특별피난계단의 부속실 내부의 유동을 모사할 수 있는 난류모델은 대표적으로 Standard κ-e, ReNomalization Group (RNG) κe, Realizable κ-e 모델 등이 있다. 본 연구에서는 수렴성의 장점이 뛰어난 Standard κ-e 모델을 이용하여 난류모델을 해석하였다⁽⁷⁾.
3차원 비압축성 난류 정상유동을 지배하는 방정식은 유체의 연속방정식, X, Y, Z 방향의 운동량 방정식, 난류방정식으로 구성되어 있으며 이 식들을 동시에 풀어야한다. 해석을 위하여 semi-implicit method pressure-linked equations (SIMPLE) algorithm을 사용하였다. 특별피난계단의 부속실 내부의 유동을 모사할 수 있는 난류모델은 대표적으로 Standard κ-e, ReNomalization Group (RNG) κe, Realizable κ-e 모델 등이 있다.
해석을 위해 유한체적법(finite volume method, FVM)을 이용하는 ANSYS Ver. 15.

성능/효과

수치해석결과에서 알 수 있듯이 2개의 방화문이 부속실 내부에 위치할 때 기준 방연풍속을 얻기 위해서는 댐퍼위치 선정이 중요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 댐퍼의 위치가 2개 방화문의 중간에 배치되는 경우 균일한 방연풍속을 얻을 수 있었다. 상부에서 역류가 생성되지 않을 조건으로는 댐퍼의 위치가 중간에 배치되면서 공기유입이 하부로 유입될 경우 더욱 균일한 방연풍속을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
댐퍼의 위치가 2개 방화문의 중간에 배치되는 경우 균일한 방연풍속을 얻을 수 있었다. 상부에서 역류가 생성되지 않을 조건으로는 댐퍼의 위치가 중간에 배치되면서 공기유입이 하부로 유입될 경우 더욱 균일한 방연풍속을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
수치해석결과에서 알 수 있듯이 2개의 방화문이 부속실 내부에 위치할 때 기준 방연풍속을 얻기 위해서는 댐퍼위치 선정이 중요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 댐퍼의 위치가 2개 방화문의 중간에 배치되는 경우 균일한 방연풍속을 얻을 수 있었다.

후속연구

초고층 건축물의 경우 부속실의 크기, 형상, 방화문의 크기, 계단실 출입구와의 위치 등 방연풍속에 영향을 미칠 수 있는 요소들이 많이 존재한다. 따라서, 본 연구에서 얻은 결과로 일반적인 규칙을 도출하기에는 고려하여야 하는 변수가 너무 많은 한계가 있다. 하지만, 현실적인 대안으로 부속실을 설계할 때 균일한 방연풍속을 얻기 위해서 건축설계 단계에서 초기 부속실 형상이 설계된 경우 필히 방연풍속에 대한 수치해석을 미리 수행할 필요가 있음을 알 수 있다.
하지만, 현실적인 대안으로 부속실을 설계할 때 균일한 방연풍속을 얻기 위해서 건축설계 단계에서 초기 부속실 형상이 설계된 경우 필히 방연풍속에 대한 수치해석을 미리 수행할 필요가 있음을 알 수 있다. 특히 방화문의 개수가 여러 개일 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 초기 해석을 수행하고 완공시점에서 Testing, Adjusting and Balancing (TAB)를 수행한다면⁽¹⁾ 원하는 성능을 만족하는 특별피난계단 부속실을 만들 수 있을 것이라 판단된다.
따라서, 본 연구에서 얻은 결과로 일반적인 규칙을 도출하기에는 고려하여야 하는 변수가 너무 많은 한계가 있다. 하지만, 현실적인 대안으로 부속실을 설계할 때 균일한 방연풍속을 얻기 위해서 건축설계 단계에서 초기 부속실 형상이 설계된 경우 필히 방연풍속에 대한 수치해석을 미리 수행할 필요가 있음을 알 수 있다. 특히 방화문의 개수가 여러 개일 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 초기 해석을 수행하고 완공시점에서 Testing, Adjusting and Balancing (TAB)를 수행한다면⁽¹⁾ 원하는 성능을 만족하는 특별피난계단 부속실을 만들 수 있을 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부속실 가압시스템의 가장 중요한 역할은?	부속실 가압시스템의 가장 중요한 역할은 건축물 내부에 화재가 발생 시 피난을 위하여 방화문이 개방 될 경우 균일한 방연풍속을 형성하여 연기의 침입을 방지하는 것이다. 이러한 설비의 성능확보를 위하여 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공급 유니트를 배치하는 것이 중요하다.
	공기 공급 유니트를 배치하는 이유는?	부속실 가압시스템의 가장 중요한 역할은 건축물 내부에 화재가 발생 시 피난을 위하여 방화문이 개방 될 경우 균일한 방연풍속을 형성하여 연기의 침입을 방지하는 것이다. 이러한 설비의 성능확보를 위하여 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공급 유니트를 배치하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 대형건물에 설치되는 2개의 출입문을 갖는 부속실의 경우, 방연풍속이 균일하게 형성될 수 있는지 수치해석을 수행하였고, 나타난 문제점을 해결하기 위한 주요변수로 댐퍼의 위치 및 루버의 각도를 선정하고, 두 변수를 조정하여 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 해결책을 찾아보았다.

참고문헌 (9)

National Fire Safety Code 501A, National Emergency Management Agency (2013).
S. H. Ryu, S. K. Lee, D. H. Hong and K. R. Choi, "Characteristics of Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System Using the Fire Dynamics Simulator", Fire Science and Engineering, Vol. 24, No. 6, pp. 153-159 (2010).
J. Y. Kim, D. H. Lee and H. Y. Kim, "Numerical Analysis on Features of Airflow through Open Door in Pressure Differential System", Proceedings of 2008 Winter Annual Conference, The Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, pp. 463-468 (2008).
C. W. Lee, H. J. Kim, Y. K. Choi, M. C. Youm and H. S. Ryou, "A Study on the Conditions of Injection Pressurization in the Smoke-Control Zone II. Analysis of the Conditions for Closing Force of Fire Door with Variation of Angular Velocity", Fire Science and Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 6-10 (2013).

원문보기 상세보기
H. Huang, R. Ooka, H. Chen and S. Kato, "Optimum Design for Smoke-Control System in Buildings Considering Robustness Using CFD and Genetic Algorithms", Building and Environment, Vol. 44, No. 11, pp. 2218-2227 (2009).

상세보기
C. Seo and W. G. Shin, "Numerical Study on Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System : Characteristics of Air Flow in the Vestibule with Multiple Fire Doors in an Apartment Building", Fire Science and Engineering, Vol. 28, No. 5, pp. 30-36 (2014).

원문보기 상세보기
M. Son, H. Park, M. Park, J. Wang and W. G. Shin, "Silver Nanowire Penetration through Screen Filter", Aerosol Science and Technology, Vol. 48, No. 5, pp. 480-488 (2014).

상세보기
ANSYS Co., "ANSYS Ver.15.0" (2013).
J. Y. Kim and H. J. Shin, "Numerical Analysis on Pressurization System of Smoke Control in Consideration of Flow Rate of Supply and Leakage", Fire Science and Engineering, Vol. 24, No. 5, pp. 87-93 (2010).

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