[논문]대규모 클린룸 화재의 시뮬레이션

박외철

doi:10.7731/kifse.2014.28.3.029

문제 정의

본 연구에서는 3개의 대규모 클린룸에서 화재가 발생했을 때, 성능위주설계의 인명안전기준⁽⁴⁾에 따른 안전을 확인하고자 한다. 이를 위해 클린룸 내 화원으로부터 가장 먼 출입구에서의 온도와 가시거리, 일산화탄소농도의 세가지 기준치 중 어느 하나라도 초과하기 시작하는데 걸리는 시간, 즉 유효피난시간을 조사하였다.

가설 설정

각 클린룸의 좌표계는 Figure 1에 나타나있는 바와 같고, 화원의 위치를 바닥의 중앙으로, 화원의 크기를 1 × 1 m2로 가정하였다.
일반적으로, 유효피 난시간이 요구피난시간(required safe egress time)보다 커야 안전하다. 그러나 본 연구에서는 유효피난시간이 화재 시뮬레이션 시간인 300초보다 길게 나타나 요구피난시간을 산정하기 위한 피난 시뮬레이션이 불필요하므로, 피난 시뮬레이션에 대한 내용은 제시하지 않았다.
클린룸 1~3의 화재 시뮬레이션에는 격자크기의 비교로부터 선정된 격자를 사용하였다. 또한 악조건에서의 안전을 확인하기 위해 스프링클러가 개방되지 않는 것으로 설정하였다. 스프링클러가 개방되면 온도와 일산화농도가 낮아지고 가시거리도 정상상태로 복귀하기 때문이다.

제안 방법

대규모 클린룸에 화재가 발생할 때, 성능위주설계 인명안전기준에 따른 안전을 확인하기 위하여 3가지 클린룸 화재에 대하여 FDS를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 격자크기 0.
5 m의 2가지 격자로 각각 클린룸 2의 화재 시뮬레이션을 수행하였다. 두가지 격자크기에 대한 결과를 비교하기 위해 열방출률과 천장중심 부근의 점(z = 9.5 m)에서의 온도변화를 출력하였다. 이때 화재규모와 성장곡선은 Chiu 등⁽³⁾이 화재 시뮬레이션을 수행한 클린룸과 비슷한 규모이므로, 이와 동일하게 이소프로필 알콜이 연소하여 최성기 열방출률 3 MW까지 ultra fast⁽⁵⁾로 성장하다가 화재발생 90초 이후부터 1.
클린룸에 있는 출입문 중 화원으로부터 가장 먼 곳에 위치한 2개의 출입문 앞, 즉 Figure 2에 표시되어있는 P₁과 P₂을 측정점으로 하였다. 바닥으로부터 1.8 m 위에 위치한 이 두 점에서의 온도와 일산화탄소 농도, 가시거리의 변화를 출력하였다. 그러나 3개의 클린룸에서 모두 화재가 발생하여도 일산화탄소 농도가 매우 낮고 가시거리 감소도 작은 것으로 나타나 본 논문에는 간단히 언급하고그 결과를 제시하지 않았다.
1 m/s로 유지되는 하향배연시스템(downward desmoke system)이 작동하게 된다. 본 화재 시뮬레이션은 화재발생 이후부터 화재 및 연기의 확산과정을 조사하므로, 내부공기의 하강속도를 0.1 m/s로 하였다. FDS에서는 공기의 유입구와 유출구를 정의할 필요 없이 간단히 천장과 바닥면에서의 속도를 입력하면 된다.
5 m)에서의 온도변화를 출력하였다. 이때 화재규모와 성장곡선은 Chiu 등⁽³⁾이 화재 시뮬레이션을 수행한 클린룸과 비슷한 규모이므로, 이와 동일하게 이소프로필 알콜이 연소하여 최성기 열방출률 3 MW까지 ultra fast⁽⁵⁾로 성장하다가 화재발생 90초 이후부터 1.54 MW를 유지하도록 하였다. 이 때의 열방출률 변화는 결과 및 토론의 Figure 3에 제시하였다.
에 따른 안전을 확인하고자 한다. 이를 위해 클린룸 내 화원으로부터 가장 먼 출입구에서의 온도와 가시거리, 일산화탄소농도의 세가지 기준치 중 어느 하나라도 초과하기 시작하는데 걸리는 시간, 즉 유효피난시간을 조사하였다. 일반적으로, 유효피 난시간이 요구피난시간(required safe egress time)보다 커야 안전하다.
이어 화염플럼(fire plume) 부근에서의 온도구배가 큼을 고려하여 화원 중심으로부터 4 × 4 m2 내에는 작은 격자크기 0.25 × 0.25 × 0.2 m3, 나머지 영역에는 격자크기 0.5 × 0.5 × 0.2 m3로 하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다.
즉, (1) z방향 격자크기를 0.2 m, 화염플룸 부근인 20 ≤ x ≤ 24, 22 ≤ y ≤ 26(단위 m)에는 x, y방향 격자크기를 0.25 m, 나머지 영역에는 0.5 m, (2) 클린룸 전체의 격자크기를 z방향 0.2 m, x, y방향 0.5 m의 2가지 격자로 각각 클린룸 2의 화재 시뮬레이션을 수행하였다.
클린룸 3은 바닥면적 44 × 34 m, 높이 8 m로 클린룸 2보다 작다. 클린룸 3에서의 작업내용과 가연성물질의 종류가 클린룸 2와 비슷하므로, 클린룸 2와 같이 이소프로필 알콜 화재, 열방출률 3 MW, ultra fast 성장으로 설정하였다. Figure 9은 클린룸 3에서의 열방출률곡선이다.

대상 데이터

바닥면적 44 × 48 m2, 높이 10 m인 클린룸 2에는 이소프로필 알콜과 다른 여러 가지 가연성액체가 혼합되어 있어 이소프로필 알콜 화재로 설정하였다.
클린룸 1~3의 화재 시뮬레이션에는 격자크기의 비교로부터 선정된 격자를 사용하였다. 또한 악조건에서의 안전을 확인하기 위해 스프링클러가 개방되지 않는 것으로 설정하였다.
클린룸 2 (Figure 2b)를 대상으로 먼저 격자크기 0.5 × 0.5 × 0.2 m3를 사용하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다.
화재 시뮬레이션 대상의 클린룸은 반도체 제조용으로, 사용되는 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol) 등의 가연성 물질에 화재가 발생했을 때 연기입자가 경계 밖으로 이동하지 않도록 격벽(contamination wall)으로 둘러싸여 있다. 평상시에는 천장에서 공기가 유입되어 바닥을 통해 밖으로 배출되는 유속이 0.

이론/모형

본 연구에서는 FDS V5.5.3을 사용하였고, 시뮬레이션 시간은 300초로 하였다. 화재 시뮬레이션 결과로부터 각 클린룸의 화원으로부터 가장 먼 출입구에서 높이 1.

성능/효과

P₂에서의 온도가 가까운 P₁보다 낮은 것은 점 P₂가 화원으로부터 더 먼 곳에 위치하기 때문이다. 가시거리는 두점에서 모두 FDS의 기본값인 30 m이었고, 일산화탄소농도는 0으로, 화재로 인해 가시거리와 일산화탄소농도에 영향을 미치지 않았다. 결과적으로 클린룸 1에서 화재가 발생하더라도 화원으로부터 가장 먼 출입구에서 높이 1.
결과적으로 클린룸 1에서 화재가 발생하더라도 화원으로부터 가장 먼 출입구에서 높이 1.8 m 지점의 온도 80℃ 이하, 가시거리 5 m 이상, 일산화탄소 농도 1400 ppm 이하의 3가지의 인명안전기준을 만족함을 알 수 있다.
8 m 높이에서의 온도가 3 클린룸에서 모두 40℃를 넘지 않아 안전함을 확인하였다. 또 가시거리의 감소와 일산화탄소농도도 무시할수 있을 정도로 작아 인명안전기준을 만족하므로 안전함을 알 수 있었다. 3가지 대규모 클린룸에서 모두 안전한 것으로 나타난 것은 공간의 크기에 비해 가연성물질의 양이 적고 연기의 발생량도 많지 않기 때문으로 판단된다.
2 m³의 격자를 사용하였다. 스프링클러가 작동하지 않는 경우에도 바닥에서부터 1.8 m 높이에서의 온도가 3 클린룸에서 모두 40℃를 넘지 않아 안전함을 확인하였다. 또 가시거리의 감소와 일산화탄소농도도 무시할수 있을 정도로 작아 인명안전기준을 만족하므로 안전함을 알 수 있었다.
점 P₂에서의 가시거리는 감소하지 않아 기본값인 30 m로 나타났고, 일산화탄소 농도도 매우 낮았다. 점 P₂에서의 결과로부터 유효피난시간은 시뮬레이션 시간인 300초보다 훨씬 더 길 것으로 판단할수 있고, 따라서 클린룸 2에서 화재가 발생하더라도 가장 먼 출입구에서의 인명안전기준을 초과하지 않으므로 안전 함을 확인할 수 있다.
이상과 같이 3개의 대규모 클린룸에서 화재가 발생하더라도 안전한 것은 공간의 크기에 비해 상대적으로 가연성 물질의 양이 적고, 가연성물질에서 발생하는 연기의 양이많지 않기 때문으로 판단된다. 참고로, 위의 화재 시뮬레이션에서 나타난 유효피난시간은 바닥면적 9 m² 당 1명의 인원을 기준으로 Simulex⁽⁶⁾를 사용하여 산정한 클린룸 1~ 3의 요구피난시간 111초, 182초, 118초보다 훨씬 길므로 안전함을 재확인할 수 있다. 한편, 비록 인명의 안전에는 문제가 없지만, 연기입자로 인해 반도체제조공정에 큰 피해가 발생할 수 있으므로, 인근 공간으로 연기입자의 확산을 방지하는 격벽이 요구되고, 스프링클러도 입자발생을 줄이기 위해 필요하다.
화재 시뮬레이션 결과로부터 각 클린룸의 화원으로부터 가장 먼 출입구에서 높이 1.8 m 지점의 온도 80℃ 이하, 가시거리 5 m 이상, 일산화탄소 농도 1400 ppm 이하의 3가지 조건이 각각 유지되는데 걸리는 시간 중 가장 짧은 시간, 즉 유효피난시간을 조사하 였다.

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