[논문]화재모델링을 위한 광전식 연기감지기의 장치물성 측정

조재호; 문선여; 황철홍; 남동군

doi:10.7731/kifse.2014.28.6.062

화재모델링을 위한 광전식 연기감지기의 장치물성 측정
Measurement of the Device Properties of Photoelectric Smoke Detector for the Fire Modeling 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.28 no.6, 2014년, pp.62 - 68

조재호 (대전대학교 소방방재학과) , 문선여 (대전대학교 소방방재학과) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과) , 남동군 (한국소방산업기술원)

초록
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화재모델링 결과를 이용한 신뢰성이 확보된 피난안전설계를 위해서는 화재감지기 모델들의 높은 예측성능이 필수적으로 요구된다. 본 연구의 목적은 대표적인 화재모델인 FDS에 적용된 광전식 연기감지기의 정확한 작동 개시시간을 예측하기 위한 입력정보를 측정하는 것이다. 이를 위해 화재감지기의 장치특성을 측정할 수 있는 fire detector evaluator(FDE)가 사용되었으며, 스포트형 광전식 연기감지기에 대한 Heskestad 및 Cleary 모델의 입력정보가 얻어졌다. 또한 일반적으로 사용되는 FDS의 기본 값과 측정된 값이 적용된 연기감지기의 작동 개시시간을 정량적으로 비교하였다. 주요 결과로써, Heskestad 모델은 Cleary 모델에 비해 광전식 연기감지기의 작동 개시시간 예측에 부정확한 결과를 초래할 수 있다. 또한 본 연구에서 검토된 광전식 연기감지기의 장치물성은 FDS에 적용된 기본 값과 매우 명확한 차이를 가지며, 장치물성의 변화에 따라 연기감지기 작동 개시시간 또한 매우 큰 차이가 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high predictive performance of fire detector models is essentially required for the reliable design of evacuation safety using the fire modeling. The main objective of the present study is to measure input information in order to predict the accurate activation time of photoelectric smoke detector adopted in fire dynamics simulator (FDS) recognized a representative fire model. To end this, the fire detector evaluator (FDE) which could be measured the device properties of detector was used, and the input information of Heskestad and Cleary's models was obtained for a spot-type photoelectric smoke detector. In addition, the activation times of smoke detector predicted using default values into FDS and measured values in the present study were quantitatively compared. As a result, the Heskestad model could result in an inaccurate the activation time of photoelectric smoke detector compared to the Cleary model. In addition, there was a distinct difference between the default values used into FDS and the measured values in terms of device properties of smoke detector, and thus the activation time also showed a significant difference.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

선행된 연구들와 동일한 실험방법을 이용하여, 본 연구에서는 화재경보를 알려주기 위해 일반적으로 사용되고 있는 국내 광전식 연기감지기의 장치물성이 측정되었다. 구체적으로 FDS에 적용되고 있는 Heskestad 및 Cleary 연기감지기 모델의 입력정보를 측정하였다.
또한 측정값과 기존 FDS의 초기 설정값과의 정량적 차이가 검토되었다. 이를 통해 국내에 적용되는 다양한 화재감지기의 장치물성 측정 및 DB를 구축하고, 현재 국내에서 진행되고 있는 성능위주 소방설계의 신뢰도 개선이 본 연구의 궁극적인 목표라 하겠다.
따라서 본 연구를 통해 측정된 값이 입력되었을 때 연기감지기의 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 비교가 검토되었다.

가설 설정

반면에 U ≥ 0.3 m/s의 조건에서 FDS의 작동 개시시간은 실제보다 상당히 느릴 것이다.

제안 방법

감지기가 작동되는 단위 길이당 광소멸율(OPM)을 확인하기 위하여, 연기 농도를 점차적으로 증가시켜 감지기가 작동되는 순간의 광학신호(I)를 측정하였다. 이후 광학신호의 시간 지연값을 고려하여 감지기가 작동되는 순간의 광학밀도를 산출하였다.
선행된 연구들와 동일한 실험방법을 이용하여, 본 연구에서는 화재경보를 알려주기 위해 일반적으로 사용되고 있는 국내 광전식 연기감지기의 장치물성이 측정되었다. 구체적으로 FDS에 적용되고 있는 Heskestad 및 Cleary 연기감지기 모델의 입력정보를 측정하였다. 또한 측정값과 기존 FDS의 초기 설정값과의 정량적 차이가 검토되었다.
최근 본 연구진은 NIST(미국표준기술연구원)에서 개발된 fire dynamics simulator (FDS)의 활용을 위해 요구되는 각종 감지기의 장치물성을 측정한 바 있다. 구체적으로 다양한 정온식 열감지기(써미스터 및 바이메탄 방식)와 이온화식 연기감지기에 대한 장치물성을 측정하여, 열 및 연기감지기의 모델링을 위해 요구되는 입력정보를 제시하였다. 측정된 입력정보가 적용된 결과와 FDS의 초기 설정값(default value)이 적용된 결과의 비교를 통해 동일 화재조건에서 적용된 화재감지기의 작동시간에 매우 큰 차이가 발생될 수 있음을 정량적으로 확인하였다^(7,8).
본 연구에서는 검토된 광전식 연기감지기는 T사에서 생산되는 2종/보통형/비방수형/재용형/비축척형(모델번호 P105-06000)이다. 독립적인 전원 공급장치를 이용하여 전원을 공급하고 내부의 회로에서 연기 농도에 따른 외부출력이 가능한 접점으로부터 실시간 전압을 측정하였다. 모든 실험은 동일한 단면 평균유속의 조건에서 3회의 반복실험을 통한 평균 광학밀도와 감지기 출력신호를 통해 분석되었다.
독립적인 전원 공급장치를 이용하여 전원을 공급하고 내부의 회로에서 연기 농도에 따른 외부출력이 가능한 접점으로부터 실시간 전압을 측정하였다. 모든 실험은 동일한 단면 평균유속의 조건에서 3회의 반복실험을 통한 평균 광학밀도와 감지기 출력신호를 통해 분석되었다.
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)를 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.
선행연구를 통해 개발된 Fire Detector Evaluator(FDE)를 이용하여 FDS에 적용되고 있는 Heskestad 및 Cleary 연기감지기 모델들의 물리적 입력변수 측정이 이루어졌다. 평균유속 및 평균 특성길이에 의해 시간지연이 반영되는 Heskestad 모델은 감지기 내에 혼합시간을 추가적으로 고려한 Cleary 모델에 비해 광전식 연기감지기 작동 개시시간 예측에 상당한 큰 오차를 가져올 수 있다.
감지기가 작동되는 단위 길이당 광소멸율(OPM)을 확인하기 위하여, 연기 농도를 점차적으로 증가시켜 감지기가 작동되는 순간의 광학신호(I)를 측정하였다. 이후 광학신호의 시간 지연값을 고려하여 감지기가 작동되는 순간의 광학밀도를 산출하였다. 이때의 광학밀도를 식 (3)의 단위 길이당 광소멸율로 변환하면, Figure 5에서와 같이 평균적으로 16.

대상 데이터

연기 밀도의 측정을 위하여 광소멸법(light extinction method)⁽¹⁶⁾이 적용되었다. 광원으로는 10 mW He-Ne 레이저가 사용되었으며, 광학장치 내로의 연기 유입을 방지하기 위하여 1 L/min의 N₂가 공급되었다. 광소멸법의 광학배열 및 상세한 원리는 참고문헌⁽¹⁷⁾을 통해 확인할 수 있다.
본 연구에서는 검토된 광전식 연기감지기는 T사에서 생산되는 2종/보통형/비방수형/재용형/비축척형(모델번호 P105-06000)이다. 독립적인 전원 공급장치를 이용하여 전원을 공급하고 내부의 회로에서 연기 농도에 따른 외부출력이 가능한 접점으로부터 실시간 전압을 측정하였다.
공기 공급장치는 내부의 공기 공급을 위한 블로워(blower)와 유속 조절을 위한 댐퍼(damper) 및 인버너로 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)를 통해 넓은 유량범위에 대한 유속이 측정되었다.
연기의 총 이동거리는 45 m이며, 단면은 1m × 1m인 구조물이 고려되었다.
연기의 총 이동거리는 45 m이며, 단면은 1m × 1m인 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)⁽¹⁶⁾이 적용되었다. 광원으로는 10 mW He-Ne 레이저가 사용되었으며, 광학장치 내로의 연기 유입을 방지하기 위하여 1 L/min의 N₂가 공급되었다.
화재모델링을 위한 광전식 연기감지기의 입력정보를 측정하기 위하여 Figure 2에서와 같이 선행연구에서 개발된 Fire Detector Evaluator (FDE)가 사용되었다^(7,8). FDE는 크게 공기 공급장치, 연기 발생장치, 유량 분배장치, 온도, 유속 및 soot 농도측정을 위한 장치로 구성되어 있다.

성능/효과

3 m/s의 조건에서 FDS의 작동 개시시간은 실제보다 상당히 느릴 것이다. 결과적으로 광전식 연기감지기의 경우에 전 평균속도 범위에 대하여 일정한 평균 특성길이를 고려하는 Heskestad 모델의 적용은 본질적인 한계가 있다는 결론을 얻을 수 있다. 더욱이 측정된 평균 특성길이는 Table 1에서 제시된 FDS 내의 기본 값 1.
사각 덕트 단면의 유속 균일성을 확인하기 위하여 풍속 프로브와 차압센서(TESTO 480)를 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)⁽¹⁶⁾이 적용되었다.
그러나 감지기별 OPM의 차이를 의미하는 표준편차가 ± 4.25 %/m 로서, 동일모델의 경우에도 감지기에 따른 작동 연기농도는 상당히 넓게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
실제 화재에서 가연물의 종류, 환기조건 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 증가됨을 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.
먼저 δt의 측정결과를 살펴보면, 평균유속 증가에 따라 δt는 급격히 감소되며, 낮은 평균유속의 조건에서는 상대적으로 δt의 표준편차가 매우 큼을 볼 수 있다.
참고로 Cleary model에 대해서는 Table 1의 Cleary model (P2)의 값이 적용되었다. 먼저 FDS의 기본 값이 적용된 결과를 살펴보면, 연기의 유속이 감소함에 따라 감지기 작동시간이 급격하게 증가됨을 볼 수 있다. 또한 두 연기감지기 모델의 차이는 크게 발생되지 않으며, 이러한 결과는 측정된 값이 적용된 경우에도 유사함을 확인할 수 있다.
71U⁻¹의 관계를 얻게 된다. 이 결과를 바탕으로 산출된 특성길이를 살펴보면, 고려된 평균유속의 범위에서 평균값 3.71 m를 기준으로 낮은 유속에서는 약 2배의 과대예측 결과를 보이며, 높은 유속조건에서는 과소예측 결과를 보이고 있다. 이러한 결과는 동일한 평균유속의 범위에서 비교적 균일한 특성길이는 갖는 이온화식 연기감지기의 결과⁽⁸⁾와는 매우 다른 경향을 보이고 있다.
결과적으로 본 연구에서 검토된 광전식 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.
지수함수 형태로 표현된 회귀선은 전 평균 속도 범위에서의 측정값을 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 평균 특성길이에 대한 큰 오차를 갖는 Heskestad 모델에 비해 Cleary 모델은 광전식 연기감지기의 적절한 작개시시간 예측이 충분히 가능할 것으로 판단된다. 또한 Cleary 모델의 4가지 입력정보는 α_e = 0.
60으로 표현된다. 지수함수 형태로 표현된 회귀선은 전 평균 속도 범위에서의 측정값을 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 평균 특성길이에 대한 큰 오차를 갖는 Heskestad 모델에 비해 Cleary 모델은 광전식 연기감지기의 적절한 작개시시간 예측이 충분히 가능할 것으로 판단된다.
평균유속 및 평균 특성길이에 의해 시간지연이 반영되는 Heskestad 모델은 감지기 내에 혼합시간을 추가적으로 고려한 Cleary 모델에 비해 광전식 연기감지기 작동 개시시간 예측에 상당한 큰 오차를 가져올 수 있다. 측정된 광전식 연기감지기의 장치물성은 FDS에서 제시된 기본 값과는 매우 큰 차이를 보이고 있으며, 특정 조건에서 감지기 작동개시시간은 10 min 이상의 큰 차이가 발생될 수 있음을 확인하였다. 향후 추가적인 연구를 통해 국내에 적용되고 있는 다양한 화재감지기의 장치물성에 관한 데이터베이스(DB) 구축과 연기감지기 모델의 예측성능 개선이 수행될 예정이다.
구체적으로 다양한 정온식 열감지기(써미스터 및 바이메탄 방식)와 이온화식 연기감지기에 대한 장치물성을 측정하여, 열 및 연기감지기의 모델링을 위해 요구되는 입력정보를 제시하였다. 측정된 입력정보가 적용된 결과와 FDS의 초기 설정값(default value)이 적용된 결과의 비교를 통해 동일 화재조건에서 적용된 화재감지기의 작동시간에 매우 큰 차이가 발생될 수 있음을 정량적으로 확인하였다^(7,8).

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.
측정된 광전식 연기감지기의 장치물성은 FDS에서 제시된 기본 값과는 매우 큰 차이를 보이고 있으며, 특정 조건에서 감지기 작동개시시간은 10 min 이상의 큰 차이가 발생될 수 있음을 확인하였다. 향후 추가적인 연구를 통해 국내에 적용되고 있는 다양한 화재감지기의 장치물성에 관한 데이터베이스(DB) 구축과 연기감지기 모델의 예측성능 개선이 수행될 예정이다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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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 :

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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].

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