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문제 정의
- 추가적으로 일정한 온도에 도달해야만 화재를 감지하여 화재초기 감지의 어려움을 갖는 정온식의 단점과 온도가 느리게 상승하는 자연화재의 감지 어려움을 갖는 차동식의 단점을 보완하기 위하여 두가지 방식을 동시에 적용한 보상식(Compensation type) 감지기가 있다. 그러나 현재 전세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 화재 모델인 Fire Dynamics Simulator (FDS)에서는 정온식 열감지기의 모델만이 제시되어 있기 때문에 본 연구에서는 정온식 감지기의 장치물성 측정 및 검증에 초점을 두었다.
- 이러한 배경 하에 본 연구팀은 국내에 적용되는 화재감지기의 장치물성 측정 및 DB 구축이라는 궁극적 연구목표 하에, 본 연구에서는 국내에서 사용되는 3종의 열감지기를 대상으로 화재모델링의 입력변수로 요구되는 작동 개시온도 및 RTI 값이 측정되었다. 측정된 값을 이용한 화재모델링의 작동 개시시간을 검증하기 위하여 실규모 구획화재 실험결과와 직접 비교되었다.
제안 방법
- 모든 감지기의 공칭 작동온도는 70 ℃로 동일하다. FDE 내부의 일정한 평균유속(1.5 m/s) 및 온도(110 ℃)의 조건에서 감지기를 순간적으로 투입 한 후에 감지기 작동시간을 측정하였다. 각 감지기에 대하여 제품성능의 재현성을 확인하기 위하여 3개의 동일 샘플을 준비하였으며, 각각 5회 반복 실험 한 후에 평균 작동시간 및 표준편차를 산출하였다.
- Figure 2에서 확인 되듯이 써미스터 방식은 센서 외부에 보호막이 씌워져 있으며, 바이메탈은 내부 고정 지지대와 외부 케이스 내부에 설치되어 있다. 그 결과 보다 정확한 감지기 센서의 작동 개시온도를 측정하기 위하여 노출된 센서의 작동 개시온도를 측정하였다. 즉, 써미스터 방식은 보호막을 제거 한 상태에서 기류의 매우 느린 단계별 온도 상승을 통해 작동 개시온도를 측정하였다.
- 또한 바이메탈 방식은 전도 열전달에 의한 작동원리를 동일하게 적용하기 위하여, 얇은 철판 위에 센서와 열전대를 용접하고 방화솜(Ceramic blanket)으로 단열 처리하였다. 그 이후 철판의 반대 면에서 단계별 느린 온도 상승을 통해 정확한 작동 개시온도를 측정하였다. 이러한 실험방법은 감지기 센서 이외의 열손실에 의한 측정 오차를 최소화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 즉, 써미스터 방식은 보호막을 제거 한 상태에서 기류의 매우 느린 단계별 온도 상승을 통해 작동 개시온도를 측정하였다. 또한 바이메탈 방식은 전도 열전달에 의한 작동원리를 동일하게 적용하기 위하여, 얇은 철판 위에 센서와 열전대를 용접하고 방화솜(Ceramic blanket)으로 단열 처리하였다. 그 이후 철판의 반대 면에서 단계별 느린 온도 상승을 통해 정확한 작동 개시온도를 측정하였다.
- Figure 3(b)는 650 kW 조건의 초기 화재실험 사진을 나타낸 것이다. 정확한 감지기의 작동시간의 측정은 감지기와 연결된 P형 수신기의 각 채널 신호를 감폭장치를 통해 데이터 획득처리장치(DAQ)로 연결한 후에 시간에 따른 전압신호의 변화를 통해 이루어졌다.
- 그 결과 보다 정확한 감지기 센서의 작동 개시온도를 측정하기 위하여 노출된 센서의 작동 개시온도를 측정하였다. 즉, 써미스터 방식은 보호막을 제거 한 상태에서 기류의 매우 느린 단계별 온도 상승을 통해 작동 개시온도를 측정하였다. 또한 바이메탈 방식은 전도 열전달에 의한 작동원리를 동일하게 적용하기 위하여, 얇은 철판 위에 센서와 열전대를 용접하고 방화솜(Ceramic blanket)으로 단열 처리하였다.
- 측정된 정온식 열감지기의 장치물성을 입력한 화재모델링 결과가 실제 작동시간을 정확히 예측할 수 있는가에 대한 평가를 위하여 실규모 구획화재 실험을 수행하였다. Figure 3에 제시된 바와 같이 실험을 위하여 3.
대상 데이터
- 본 연구에는 Figure 2에서와 같이 국내에서 주로 적용되는 3가지의 정온식 열감지기가 선정되었으며, 샘플 T(특종 보통형)와 K(1종 보통형)는 써미스터 방식이며, 샘플 H(1종 보통형)는 바이메탈 방식이다. 모든 감지기의 공칭 작동온도는 70 ℃로 동일하다.
- 15 m의 사각 덕트 랜지로 체결되었다. 사각 덕트 내의 균일한 유속분포를 위하여 메쉬와 하니컴이 설치되었으며, 공기 공급장치는 내부의 공기 공급을 위한 블로워(Blower)와 유속 조절을 위한 인버터 및 댐퍼(Damper)로 구성되었다. 히터는 사각 덕트 내부에 설치된 핀형 열교환기 및 제어기로 구성되었다.
- 사각 덕트 단면의 유속 및 온도의 균일성을 확인하기 위하여 K-type 열전대, 양방향 차압 유속계와 풍속 프로브(TESTO 480)가 동시에 적용되었다. 그 결과 벽면 근처를 제외한 단면의 평균유속 및 온도는 매우 균일한 분포를 보이며, 이때 속도 변동치(rms)는 평균속도의 약 3%, 온도 변동치는 평균온도의 약 2%로 충분히 균일한 정상상태 유동장이 형성되었음을 확인하였다.
- 05 m (z)의 내부 수치를 갖는 단일 구획이 제작되었으며, 출구면은 개방되었다. 사각격자만을 허용하는 FDS를 위하여 0.4 m의 정사각형 버너(높이 0.1 m)가 내부 벽면에서 1 m 거리를 두고 설치되었으며, 발열량 변화를 위하여 버너 1개가 적용된 경우와 버너 2개가 동시에 적용된 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 액체 헵탄이 연료로 사용되었으며, 산소소모열량계를 통해 측정된 발열량은 버너 1개(헵탄 2 L)의 경우 약 250 kW이며, 버너 2개(4 L)가 적용된 경우 약 650 kW에 해당된다.
- 1 m)가 내부 벽면에서 1 m 거리를 두고 설치되었으며, 발열량 변화를 위하여 버너 1개가 적용된 경우와 버너 2개가 동시에 적용된 경우에 대하여 실험을 수행하였다. 액체 헵탄이 연료로 사용되었으며, 산소소모열량계를 통해 측정된 발열량은 버너 1개(헵탄 2 L)의 경우 약 250 kW이며, 버너 2개(4 L)가 적용된 경우 약 650 kW에 해당된다. 다양한 감지기가 설치된 패널은 내부 벽면을 기준으로 y = 6.
데이터처리
- 3333px;"> ℃)의 조건에서 감지기를 순간적으로 투입 한 후에 감지기 작동시간을 측정하였다. 각 감지기에 대하여 제품성능의 재현성을 확인하기 위하여 3개의 동일 샘플을 준비하였으며, 각각 5회 반복 실험 한 후에 평균 작동시간 및 표준편차를 산출하였다. 그 결과 RTI는 다음 식(1)에 의해 산출되었다(10,11).
- 이러한 배경 하에 본 연구팀은 국내에 적용되는 화재감지기의 장치물성 측정 및 DB 구축이라는 궁극적 연구목표 하에, 본 연구에서는 국내에서 사용되는 3종의 열감지기를 대상으로 화재모델링의 입력변수로 요구되는 작동 개시온도 및 RTI 값이 측정되었다. 측정된 값을 이용한 화재모델링의 작동 개시시간을 검증하기 위하여 실규모 구획화재 실험결과와 직접 비교되었다.
- 측정된 정온식 열감지기의 장치물성을 적용한 FDS의 감지기 작동시간에 대한 검증을 위하여, 실규모 구획화재 실험결과와 FDS 결과의 비교 · 검증이 수행되었다.
이론/모형
- FDS에 포함된 열감지기 모델의 입력정보를 측정하기 위하여 선행연구(6)에서 개발된Fire Detector Evaluator (FDE)가 사용되었다. Figure 1은 FDE의 개략도 및 사진을 제시한 것이다.
- 국내에서 주로 사용되고 있는 정온식 열감지기 3종류에 대한 장치물성 측정을 위하여 Fire Detector Evaluator(FDE)가 사용되었으며, 화재모델링의 입력변수인 작동 개시온도와 반응시간지수(RTI)가 측정되었다. 동일한 공칭작동온도를 갖는 감지기들의 실제 작동 개시온도는 센서의 종류에 따라 큰 차이를 갖는다.
- 측정된 장치물성이 적용된 실규모 구획화재에 대한 화재모델링은 Large Eddy Simulation (LES) 기법이 적용된FDS (ver. 5.5.3, SVN 7031)(13)가 사용되었다. 계산영역의 크기는 단일구획 및 배출되는 연기유동을 포함하도록 3.
성능/효과
- 동일한 공칭작동온도를 갖는 감지기들의 실제 작동 개시온도는 센서의 종류에 따라 큰 차이를 갖는다. 감지기의 설치위치와 화원과의 거리에 따라 천장 제트유동(Celing jet flow)과 수직 제트유동(Vertical jet flow)로 구분되어 RTI 값이 측정되었으며, RTI 값은 감지기 센서의 종류 및 외부 형상에 따라 큰 영향을 받게 됨을 확인하였다. 특히 바이메탈 방식은 써미스터 방식에 비해 상당히 작은 열적 민감도를 갖고 있으며, 고온의 연소생성물의 유입 방향에 따라 RTI 값은 매우 큰 차이를 보이고 있다.
- 감지기의 설치위치와 화재의 발생위치에 따라 감지기 내부로 유입되는 고온의 연소생성물 유입방향은 큰 변화를 갖게 된다. 그 결과 Figure 2의 감지기 형상에서 확인할 수 있듯이, 감열부로 유입되는 유동방향의 변화로 대류 및 전도 열전달율의 변화가 발생될 수 있으며, 그 결과 최종 감지기의 열적 민감도 및 작동 시간의 상당한 변화가 예상된다.
- 사각 덕트 단면의 유속 및 온도의 균일성을 확인하기 위하여 K-type 열전대, 양방향 차압 유속계와 풍속 프로브(TESTO 480)가 동시에 적용되었다. 그 결과 벽면 근처를 제외한 단면의 평균유속 및 온도는 매우 균일한 분포를 보이며, 이때 속도 변동치(rms)는 평균속도의 약 3%, 온도 변동치는 평균온도의 약 2%로 충분히 균일한 정상상태 유동장이 형성되었음을 확인하였다.
- 즉 써미스터 방식은 천장 제트기류(수평기류)에 대하여 측면으로 유입된 고온의 연소생성물이 직접 감열부에 대류에 의한 열전달을 발생시키는 반면에, 바이메탈 방식은 수평기류에 의한 대류 열전달 그리고 전도 열전달에 의해 외부 및 내부의 2중 보호 금속판을 가열시키고 최종 바이메탈의 온도를 상승시키기 때문으로 판단된다. 따라서 바이메탈 방식의 작동 개시온도는 써미스터 방식에 비해 낮지만(Figure 4 참조), 열전달 방법의 차이 및 감지rl 형상에 의해 열적 민감도는 크게 감소되었음을 확인할 수 있다.
- 샘플 K의 결과를 살펴보면, 실험에서의 작동시간은 59 s이며, FDS의 결과는 44 s로서 비록 25%의 상당한 예측결과를 보이고 있지만, 그 차이는 발열량이 증가된 650 kW의 조건에서는 더욱 감소(18%)되고 있음을 확인할 수 있다. 마지막으로 FDS에 제시된 감지기 장치물성의 기본값이 적용된 경우에는 250 kW와 650 kW의 조건에서 각각 160 s와 80 s로 검토된 써미스터 방식의 감지기들에 비해 약 50%~75%의 큰 차이를 보이고 있다. 위 결과로부터 측정된 장치물성을 입력변수로 적용된 FDS의 예측결과는 정온식 열감지기의 작동온도를 비교적 적절하게 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
- 마지막으로 바이메탈 방식인 샘플 H의 RTI 값은 약 508 (m · s)1/2로서 써미스터 방식에 비해 매우 느린 열적 민감도를 갖고 있다.
- 마지막으로 샘플 H의 RTI 값은 72 (m · s)1/2로서 수평기류에 비해 1/6만큼 크게 감소되어 열적 민감도가 크게 증가되었음을 알 수 있다.
- 측정된 장치물성이 입력된 FDS의 결과는 감지기 작동 시간의 관점에서 실규모 구획화재의 실험결과를 5%~25%의 범위 내에서 적절히 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 반면에 FDS에서 제시된 기본 물성을 적용한 경우 실제 감지기의 작동시간을 50%~75%의 범위 내에서 과대예측함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 화재모델링을 이용한 정확한 허용피난시간(ASET) 및 요구피난시간(RSET)을 평가하기 위해서는 국내에서 적용되고 있는 다양한 화재감지기의 장치물성 측정이 절대적으로 요구됨을 알 수 있었다.
- 반면에 FDS에서 제시된 기본 물성을 적용한 경우 실제 감지기의 작동시간을 50%~75%의 범위 내에서 과대예측함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 화재모델링을 이용한 정확한 허용피난시간(ASET) 및 요구피난시간(RSET)을 평가하기 위해서는 국내에서 적용되고 있는 다양한 화재감지기의 장치물성 측정이 절대적으로 요구됨을 알 수 있었다. 향후 보다 다양한 열감지기의 장치물성 측정 및 DB를 구축하고 FDS 내에 차동식 및 보상식 열감지기에 대한 수치모델을 추가할 예정이다.
- 이들의 정량적 차이는 약 4%로서 FDS를 이용한 열감지기의 작동시간의 예측은 매우 정확하게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 샘플 K의 결과를 살펴보면, 실험에서의 작동시간은 59 s이며, FDS의 결과는 44 s로서 비록 25%의 상당한 예측결과를 보이고 있지만, 그 차이는 발열량이 증가된 650 kW의 조건에서는 더욱 감소(18%)되고 있음을 확인할 수 있다. 마지막으로 FDS에 제시된 감지기 장치물성의 기본값이 적용된 경우에는 250 kW와 650 kW의 조건에서 각각 160 s와 80 s로 검토된 써미스터 방식의 감지기들에 비해 약 50%~75%의 큰 차이를 보이고 있다.
- Figure 2를 통해 재확인되듯이 수직기류에서 샘플 H는 넓은 면적에 대하여 충돌 제트유동(Impinging jet flow)로 인하여 대류 열전달율이 크게 증가될 수 있으며, 그 결과 내부로의 전도 열전달의 증가로 감지기의 빠른 작동이 발생되었음을 예측할 수 있다. 위 결과로부터 감지기 센서의 종류에 따라 RTI 값에 대한 기류 방향의 의존성이 크게 변화되고 있으며, 이는 감지기 외부 및 감열부의 설계조건에 따라서도 큰 영향을 받게 됨을 확인할 수 있다.
- 마지막으로 FDS에 제시된 감지기 장치물성의 기본값이 적용된 경우에는 250 kW와 650 kW의 조건에서 각각 160 s와 80 s로 검토된 써미스터 방식의 감지기들에 비해 약 50%~75%의 큰 차이를 보이고 있다. 위 결과로부터 측정된 장치물성을 입력변수로 적용된 FDS의 예측결과는 정온식 열감지기의 작동온도를 비교적 적절하게 예측하고 있음을 확인할 수 있다. 서론에서 언급되었듯이 정확한 감지기의 작동시간 예측은 화재모델링을 이용한 성능위주소방설계의 신뢰도를 크게 개선시킬 수 있으며, 향후 보다 다양한 감지기의 장치물성 측정 및 DB 구축은 국내 소방안전설계의 선진화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 측정된 장치물성이 입력된 FDS의 결과는 감지기 작동 시간의 관점에서 실규모 구획화재의 실험결과를 5%~25%의 범위 내에서 적절히 잘 예측하고 있음을 확인하였다. 반면에 FDS에서 제시된 기본 물성을 적용한 경우 실제 감지기의 작동시간을 50%~75%의 범위 내에서 과대예측함을 알 수 있었다.
후속연구
- 향후 보다 다양한 열감지기의 장치물성 측정 및 DB를 구축하고 FDS 내에 차동식 및 보상식 열감지기에 대한 수치모델을 추가할 예정이다. 본 연구결과는 현재 국내에서 진행 중인 초고층 건물의 성능위주 소방설계에 대한 신뢰도를 개선시킬 수 있는 매우 중요한 기회를 제공할 것으로 기대된다.
- 위 결과로부터 측정된 장치물성을 입력변수로 적용된 FDS의 예측결과는 정온식 열감지기의 작동온도를 비교적 적절하게 예측하고 있음을 확인할 수 있다. 서론에서 언급되었듯이 정확한 감지기의 작동시간 예측은 화재모델링을 이용한 성능위주소방설계의 신뢰도를 크게 개선시킬 수 있으며, 향후 보다 다양한 감지기의 장치물성 측정 및 DB 구축은 국내 소방안전설계의 선진화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 그 이후 철판의 반대 면에서 단계별 느린 온도 상승을 통해 정확한 작동 개시온도를 측정하였다. 이러한 실험방법은 감지기 센서 이외의 열손실에 의한 측정 오차를 최소화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구를 통해 화재모델링을 이용한 정확한 허용피난시간(ASET) 및 요구피난시간(RSET)을 평가하기 위해서는 국내에서 적용되고 있는 다양한 화재감지기의 장치물성 측정이 절대적으로 요구됨을 알 수 있었다. 향후 보다 다양한 열감지기의 장치물성 측정 및 DB를 구축하고 FDS 내에 차동식 및 보상식 열감지기에 대한 수치모델을 추가할 예정이다. 본 연구결과는 현재 국내에서 진행 중인 초고층 건물의 성능위주 소방설계에 대한 신뢰도를 개선시킬 수 있는 매우 중요한 기회를 제공할 것으로 기대된다.
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