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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 CO센서의 화재감지센서로서의 적용성을 분석하기 위해 Underwriters Laboratories (UL) 268 (Smoke Detectors for Fire Alarm Signaling Systems)에서 규정하고 있는 화재시험실과 유사한 규모의 화재실험장을 설계·제작하고, UL 268에서 제시된 화재시험기준에 준한 실화재실험을 실시하여 화원의 종류에 따른 CO 센서와 광전식연기감지기의 응답특성을 측정하고 비교ㆍ분석하였다.
- 이상과 같은 결과 무염연소 특히 훈소화재와 같이 발열량이 작고 연소가 느리게 진행되는 화재의 경우 기존 광전식연기감지기보다 CO센서의 화재감지적응성이 우수하기 때문에, 일산화탄소를 선택적으로 감지할 수 있는 CO센서를 적용한 일산화탄소감지기의 도입이 필요할 것으로 생각된다. 따라서 본 논문의 연구결과는 향후 CO센서를 화재감지센서로 적용한 일산화탄소감지기의 국내 도입 및 기술기준 제정을 위한 기초자료로 활용되고자 한다.
- 본 논문은 CO센서의 화재감지센서로서의 적용성을 판단하기 위해, UL 268에서 제시된 화재시험기준에 준한 실화재실험을 실시하여 화원의 종류에 따른 CO센서와 광전 식연기감지기의 화재감지특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 현재 국내에는 CO센서의 화재경보농도에 대한 기준이 없기 때문에 UL 268 시험화원에 의한 화재감지특성 분석에 앞서 우선적으로 CO센서의 화재경보농도 설정을 위한 실험을 실시하였다. CO센서의 화재경보농도설정은 Figure 2의 광전식연기감지기 감도시험기(한국소방산업기술원)를 이용하여, 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준 제 19조에(2) 의거한 감도시험을 실시하였고, 광전식연기감지기의 작동연기농도인 15%/m 일 때의 일산화탄소농도를 측정하였다.
제안 방법
- 8 m 간격으로 배치하여 설치하였다(5). 또한, 광전식연기감지기 작동시간의 정확성을 기하기 위하여 Figure 6의 (a)와 같이 CO센서 양쪽에 병행 설치하였고, CO센서와 광전식연기감지기의 배치는 화재감지특성에 영향을 미치지 않게 지그재그형태로 설치하였다. 그리고 실험의 신뢰도를 높이기 위해 Figure 6의 (b)와 같이 화원으로부터 5.
- Table 1 은 CO센서의 사양을 나타낸 것으로써 가스농도 검지범위 는 0~1,000 ppm이고, 센서의 출력값이 일산화탄소농도에 따른 선형적인 변화와 저전력 구동이 가능한 특징을 가지고 있다. Figure 1의 (b)는 광전식연기감지기로 국내에서 주로 사용되는 광전식연기감지기(감도 2종)을 CO센서의 비교 실험대상으로 선정하고, 실험 전 광전식연기감지기 감도시험기를 이용하여 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(2) 제19조 감도시험에 만족하는 광전식연기감지기를 선정하여 실험을 실시하였다.
- 또한, 광전식연기감지기 작동시간의 정확성을 기하기 위하여 Figure 6의 (a)와 같이 CO센서 양쪽에 병행 설치하였고, CO센서와 광전식연기감지기의 배치는 화재감지특성에 영향을 미치지 않게 지그재그형태로 설치하였다. 그리고 실험의 신뢰도를 높이기 위해 Figure 6의 (b)와 같이 화원으로부터 5.4 m 이격시킨 위치 근처에는 화재 시 광전식연기감지기를 통과하는 연기농도를 측정할 수 있는 광학농도계(발광부: 색온도 2,800 K 전구, 수광부: 세렌광전지), 일산화탄소농도를 측정할 수 있는 연소가스 측정기(Testo 340, 독일), 실험실 내부의 청정도를 측정하여 실험초기값(Zero point)을 일정하게 할 수 있는 이온화 식챔버(AST-2230 TS, 한국)를 추가적으로 설치하였다.
- 현재 국내에는 CO센서의 화재경보농도에 대한 기준이 없기 때문에 UL 268 시험화원에 의한 화재감지특성 분석에 앞서 우선적으로 CO센서의 화재경보농도 설정을 위한 실험을 실시하였다. CO센서의 화재경보농도설정은 Figure 2의 광전식연기감지기 감도시험기(한국소방산업기술원)를 이용하여, 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준 제 19조에(2) 의거한 감도시험을 실시하였고, 광전식연기감지기의 작동연기농도인 15%/m 일 때의 일산화탄소농도를 측정하였다. 또한, “T사”에서 기 실험한 담뱃불에 의한 매트리스화재 실험을 참조(3)하여 두 실험결과를 바탕으로 경보농도를 설정하였다.
- 다양한 화원의 종류에 따른 응답특성 측정을 통해 CO센서의 화재경보센서로의 적용성을 분석하기 위해 UL 268에서 규정하고 있는 화재실험을 실시하였다. 이와 같이 UL 268 기준을 이용한 이유는 국내의 경우 감도시험기에 단일화원(동양호지 No.
- 또한, “T사”에서 기 실험한 담뱃불에 의한 매트리스화재 실험을 참조(3)하여 두 실험결과를 바탕으로 경보농도를 설정하였다.
- UL 268 화재시험기준에 의거하여, Figure 5와 같이 실험을 구성하였다. 시험화원은 한 쪽 벽면으로부터 2.13 m 위치에 이격시키고, 비교실험대상인 CO센서와 광전식연 기감지기를 시험화원으로부터 5.4 m 위치에 이격시켜 시험화원에 따른 화재감지성능을 측정하고자 하였다. 이때, 시험화원(가연물)의 베이스에서 직상부 천장까지의 거리는 종이, 목재, 인화성액체 화재시험시 2.
- 1 mm 크기의 나무스트립(육송)을 Figure 8의 (b)와 같이 각 층에 6 개씩 3층 구조로 조립하여 지지대에 위치시키고, 에탄올 4 를 점화촉진제로 사용하며, 실험시작 30초 전에 리셉터클에 주입하여 점화시키고, 일정 시간경과 후 목재표면 위로 화염이 누출되어야 한다. 실험시간은 UL 268 규정에 의해 4분 동안 실시하여 화염누출이 발생하게 되어있지만, 우리나라 소나무인 육송이 유럽소나무인 폰데로사파인보다 목 재밀도가 높아 불이 붙기가 힘든 특성이 있어 실험시간은 예비실험을 통해 화염이 누출 되는 8분간 실험을 실시하여 화재감지특성을 비교ㆍ분석하였다.
- 그 후 점화기를 리셉터클의 바닥중앙부분에 놓고 최대 5초까지 아크를 유지시켜 점화한 후, 1~3분 사이에 화염이 누출되어야 한다. 실험시간은 UL 268에서 정한 4분간 실시하여 화재감지특성을 비교ㆍ분석하였다.
- 1 mm 크기의 육송 10개를 열판위에 36o씩 이격시킨 스포크 (Spoke)형태로 배치하고, Figure 10의 (b)의 온도조절기를 이용하여 UL 268 열판온도프로필과 동일한 온도조건을 가하여 실험을 실시하였다. 실험시간은 실험장내 모든 위치의 광전식연기감지기가 작동하면 종료하거나, 실험환경 등을 고려하여 최대 80분간 실험을 진행하였다. Figure 11은 실험에 사용한 열판의 온도프로필을 나타낸 것이다.
- 실험의 신뢰성 및 재현성을 위하여 UL 268에서 규정하고 있는 화재시험실(11.0 m × 6.7 m × 3.0 m)과 유사한 규모의 화재실험장을 설계ㆍ제작하였으며, UL 268에서 제시 된 화재시험기준에 준한 실화재실험을 실시하여 CO센서 와 광전식연기감지기의 화재감지특성을 비교ㆍ분석하였다.
- 또한, Figure 3의 (b)는 ‘T사’에서 실시되어진 담뱃불에 의한 매트리스화재 실험결과로 연기증가량에 따른 일산화탄소농도 변화는 광전식연기감지기의 작동농도인 15%/m 일 때, 일산화탄소농도는 40 ppm으로 측정된 것을 볼 수 있다(3). 이에 본 연구에서는 CO센서의 화재경보농도를 두 실험값의 보정 값인 30 ppm으로 설정하여 실험을 진행하였다.
- 추가적으로 화원으로부터 거리에 따른 감지특성을 비교·분석하기 위해 UL 268 화재시험위치인 5.4 m 지점을 포함한 CO센서 5개와 광전식연기감지기 10개를 화원이 설치된 위치의 직상부로 시작하여 거리 0 m, 1.8 m, 3.6 m, 5.4 m, 7.2 m의 위치에 약 1.8 m 간격으로 배치하여 설치하였다(5).
이론/모형
- 본 연구의 모든 실험은 UL 268 화재시험기준을 준용하여 실시하였고, 각 화원당 10회 실시 후 최적화된 값을 데이터로 선정하였다. 실험 시 주의온도는 22 ± 2℃, 상대습도 50 ± 10%에서 수행되었다(4).
- 다양한 화원의 종류에 따른 응답특성 측정을 통해 CO센서의 화재경보센서로의 적용성을 분석하기 위해 UL 268에서 규정하고 있는 화재실험을 실시하였다. 이와 같이 UL 268 기준을 이용한 이유는 국내의 경우 감도시험기에 단일화원(동양호지 No.2)을 이용한 시험기준만 있을 뿐, 실제화재가 발생되는 유사한 공간 및 다양한 화원에 대한 적응성 시험기준이 제시되고 있지 않아 정확한 응답특성 분석을 위해 UL 268 기준을 이용하였다.
성능/효과
- 1. UL 268 화재시험 위치인 화원으로부터 5.4 m 지점에서 CO센서와 광전식연기감지기의 화재감지특성 분석결과 연소형태가 서서히 진행되는 무염연소에 가까울수록 CO센서의 응답특성이 광전식연기감지기보다 매우 우수한 것으로 나타났다. 종이화재실험에서는 CO센서가 광전식연기감지기보다 27초 빠른 응답특성을 보였고, 목재화재실험에서는 CO센서가 광전식연기감지기보다 271초 빠른 응답특성을 보였다.
- 2. 화원으로부터 거리에 따른 CO센서와 광전식연기감지기의 화재감지특성 분석결과 무염연소 형태로 불완전연소를 진행하면서 회백색연기를 발생하는 종이화재, 목재화재에 대해서는 CO센서의 화재감지특성이 광전식연기감지기 보다 2~3배 이상 빠른 것으로 나타났다. 특히, 목재훈소화재의 경우 모든 위치의 CO센서가 화재감지농도에 도달하였지만, 광전식연기감지기는 화원직상부에 설치된 광전식 연기감지기를 제외한 모든 위치감지기들이 실험시간 동안 작동되지 않았다.
- 3. 반면, 인화성액체화재와 같이 점화와 동시에 화염이 발생되는 완전연소형태의 화재에서는 일산화탄소 발생량 이 다른 화재에 비해 상대적으로 적게 생성되어 CO센서의 화재감지특성이 다른 화재보다 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 광전식연기감지기의 경우도 인화성액체 화재에 대해 화재감지특성이 다른 화재에 비해 떨어지는데, 그 이유는 연기입자의 크기 및 연기흡입망의 입구저항성 그리고 연기의 색 등에 기인한 것으로 생각된다.
- Table 2는 종이화재실험 시 화원으로부터 거리에 따른 CO센서와 광전식연기감지기의 응답특성을 나타낸 것이다. CO센서의 30 ppm 감지시간과 광전식연기감지기의 작동 시간을 비교ㆍ분석하면 CO센서는 화염누출이전 0 m지점에서 11초, 1.8 m 지점에서 59초, 3.6 m 지점에서 123초, 화염누출이후 5.4 m 지점에서 192초, 7.2 m 지점에서는 210초에 화재감지농도에 도달하였다. 광전식연기감지기는 화염누출이전 0 m 지점에서 31초, 1.
- 2 m에 설치된 CO센서를 마지막으로 모든 위치의 CO센서가 화재감지농도에 도달되는 것으로 나타났다. 또한, 종이화재와 마찬가지로 화염누출 후 일산화탄소량이 현저히 감소하고, 기존에 공기중에 부유해 있던 일산화탄소는 화염에 의해 생성된 열기류에 의해 급속도로 유동하여, 화원부를 중심으로 일산화탄소량이 현저히 감소되는 것을 볼 수 있었다.
- 종이화재실험에서는 CO센서가 광전식연기감지기보다 27초 빠른 응답특성을 보였고, 목재화재실험에서는 CO센서가 광전식연기감지기보다 271초 빠른 응답특성을 보였다. 목재훈소화재실험에서는 CO센서가 3315초에 화재감지설정농도인 30 ppm에 도달하였지만, 광전식연기감지기는 실험시간인 4800초 동안 작동되지 않아 목재훈소화재의 경우 CO센서가 광전식연기감지기보다 화재적응성이 매우 높은 것으로 나타났다. 그러나 유염연소형태의 인화성액체화재실험에서는 CO센서 및 광전식 연기감지기 모두 작동되지 않아 화재적응성이 다른 화재에 비해 떨어지는 것을 볼 수 있었다.
- 2 m 위치까지 확산되는 것을 볼 수 있었다. 반면, 화원주변에 상당량 존재했던 일산화탄소는 열기류에 의한 이동으로 급격히 감소하고, 완전연소에 의해 전체적인 일산화탄소 발생량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험결과 CO센서 및 광전식연기감지기의 전체적인 화재감지특성은 다른 화재에 비해 상당히 저하되는 것으로 나타났으며, 인화성액체와 같은 유염연소 화재에서는 적응성이 떨어지는 것을 볼 수 있었다.
- 실험결과 목재훈소화재에서 CO센서의 화재감지특성은 다른 화재에 비해 광전식연기감지기보다 매우 우수한 것으로 나타났다.
- 실험결과 전체적인 화재감지특성은 CO센서가 광전연기감지기보다 우수한 것으로 나타났으며, 화염누출이 발생하기 이전 불완전연소 단계에서는 CO센서의 감지속도가 약 2배 이상 빠른 것으로 측정되었다.
- 실험결과 전체적인 화재감지특성은 화재실험실내 모든 위치에서 CO센서가 광전식연기감지기보다 응답시간이 약 3배 이상 빠른 것으로 나타났으며, 종이화재보다 목재화재에서 응답특성이 더욱 우수한 것을 볼 수 있었다.
- 6 m 위치까지 확산되는 것을 볼 수 있었다. 실험시작 166초 후에 종이화원에서 화염누출 발생하고, 화염에 의해 생성된 열기류에 의해 화원 주변 3.6 m 위치까지만 존재했던 일산화탄소가 화원으로부터 7.2 m 위치까지 확산되는 것을 볼 수 있었다. 반면, 화원주변에 상당량 존재했던 일산화탄소는 열기류에 의한 이동으로 급격히 감소하고, 완전연소에 의해 전체적인 일산화탄소 발생량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- Figure 14의 (b)는 화원으로부터 거리에 따른 일산화탄소 발생량을 측정한 그래프이다. 인화성액체화재 의 경우 점화와 동시에 화염이 발생되는 완전연소형태의 화재로 생성되는 일산화탄소량이 다른 화재에 비해 상대적으로 적게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 화원직상부에 설치된 0 m 지점을 제외한 다른 부분에서는 일산화탄소발생량이 매우 낮게 나타났다.
- 4 m 지점에서 CO센서와 광전식연기감지기의 화재감지특성 분석결과 연소형태가 서서히 진행되는 무염연소에 가까울수록 CO센서의 응답특성이 광전식연기감지기보다 매우 우수한 것으로 나타났다. 종이화재실험에서는 CO센서가 광전식연기감지기보다 27초 빠른 응답특성을 보였고, 목재화재실험에서는 CO센서가 광전식연기감지기보다 271초 빠른 응답특성을 보였다. 목재훈소화재실험에서는 CO센서가 3315초에 화재감지설정농도인 30 ppm에 도달하였지만, 광전식연기감지기는 실험시간인 4800초 동안 작동되지 않아 목재훈소화재의 경우 CO센서가 광전식연기감지기보다 화재적응성이 매우 높은 것으로 나타났다.
- Figure 13의 (b)는 화원으로부터 거리에 따른 일산화탄소 발생량을 측정한 그래프이다. 화염누출 전 불완전연소에 의해 생성된 일산화탄소가 실 전체로 확산되어 160 초에 7.2 m에 설치된 CO센서를 마지막으로 모든 위치의 CO센서가 화재감지농도에 도달되는 것으로 나타났다. 또한, 종이화재와 마찬가지로 화염누출 후 일산화탄소량이 현저히 감소하고, 기존에 공기중에 부유해 있던 일산화탄소는 화염에 의해 생성된 열기류에 의해 급속도로 유동하여, 화원부를 중심으로 일산화탄소량이 현저히 감소되는 것을 볼 수 있었다.
후속연구
- 이상과 같은 결과 무염연소 특히 훈소화재와 같이 발열량이 작고 연소가 느리게 진행되는 화재의 경우 기존 광전식연기감지기보다 CO센서의 화재감지적응성이 우수하기 때문에, 일산화탄소를 선택적으로 감지할 수 있는 CO센서를 적용한 일산화탄소감지기의 도입이 필요할 것으로 생각된다. 따라서 본 논문의 연구결과는 향후 CO센서를 화재감지센서로 적용한 일산화탄소감지기의 국내 도입 및 기술기준 제정을 위한 기초자료로 활용되고자 한다.
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