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문제 정의
- 셋째, 먼지, 습기, 고온 등에 의해 열악한 덕트 내부환경에서도 구조 및 기능상에 문제가 발생되지 않도록 서스(sus)재질의 시스(sheath) 내부에 감열부와 내구성을 지닌 본체로 구성하고자 한다. 넷째, 덕트 내부의 폐쇄적인 특성으로 인해 화염이 분출되기 전까지 정확한 화재 위치 파악이 어려운 문제점을 고려하여, 정확한 화재위치에 대한 정보제공이 가능하도록 주소(address) 기능을 부여하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 덕트설비가 많이 사용되고 있는 대구 서구 비산염색공단(이하; 대구섬유공단)을 중심으로 화재위험성을 분석하고, 덕트내부의 화재를 효율적으로 감지 및 덕트내부의 환경에서도 적응성이 있는 전용 감지시스템을 설계 · 제작한 후 성능시험을 실시하여 적용성을 확인하고 덕트 화재피해 저감을 위한 전용 감지시스템을 제안하고자 한다.
- 이로 인해 덕트내부 화재를 효율적으로 감지하기 위해서는 평상시 설치구간별 내부온도를 측정하고, 화재 시 급격한 온도상승에 따른 설치구간별 역온도차를 이용하여 화재로 판단하는 것이다. 또한, 작업자가 가공온도를 고려하여 화재감지온도를 설정하고, 설정온도에서 화재를 감지할 수 있는 정온식(fixed temperature type) 기능을 추가적으로 부여함으로써 화재감지의 신뢰성을 높이고자한다. 둘째, 섬유분진, 습기, 슬러지 등 열악한 덕트 환경으로 인해 감지기의 감지센서가 일정이상 오염되었을 때, 프로그램으로 온도를 보상할 수 있도록 자체 감도보상기능을 부여하고자 한다.
- 본 논문은 화재위험성이 높고 화재에 무방비로 노출되어 있는 산업용 덕트를 중심으로 덕트 화재피해 저감을 위한 전용 화재감지시스템 개발에 관한 연구로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 2. 도출된 문제점을 바탕으로 덕트내부 화재감지에 적응성을 지닌 덕트전용 지능형 화재감지시스템을 설계 · 제작한 후 그 성능을 확인하였다.
- 2단계 설정온도에 도달하였을 때 지구경종을 이용하여 주의경보(actionalarm)와 함께 작동중인 배기팬을 정지함과 동시에 방화 댐퍼를 기동시킨다. 3단계 설정온도에 도달하였을 때 사이렌을 이용하여 화재경보(fire-alarm)와 함께 소화약제를 방출시켜 화재가 완전 진압할 수 있도록 설계하였다.
- Figure 7은 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 프로토콜및 신호파형을 나타낸 것으로 Figure 7(a)에서와 같이 프로토콜 데이터의 크기는 20 bit로써 전체 20개의 펄스를 사용하며, 그 중 start data 1 bit, temperature data 12 bit, address data 6 bit, end data 1bit를 사용한다. Start data의 펄스의 길이는 시작점을 나타내기 위해 low가 0.6 ms, high가 0.1 ms 전체 0.7 ms로 다른 펄스의 길이보다 길게 설정하였고, end data의 펄스의 길이는 끝점을 나타내기 위해 0.1 ms의 low만 가지도록 설정하였다. 또한, 온도 및 주소 분석을 위한 temperature data 및 address data의 경우 1과 0의 설정을 구별하여 데이터를 취득하도록 하였다.
- 개발된 덕트전용 지능형 화재감지스템의 온도정확도 측정을 위하여 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에 의거한 아날로그식 정온식감지기의 감도시험을 실시하였다. 차동식 감도시험의 경우 온도정확도를 측정하기 보다는 온도상승률에 의한 작동성능을 보는 것이기 때문에 실험에서 배제하였다.
- 그리스의 양은 UL 300 시험기준에 의거하여 단위면적당(2 πrl) 1.5 kg의 그리스를 도포하도록 규정(6)하고 있어, 덕트감지기 DT4가 위치한 지점부터 DT5 쪽으로 덕트내부 1.1 m 구간에 약 1.56 kg(2 π × 0.15 m × 1.1 m × 1.5 kg)의 그리스를 도포한 후, 덕트감지기 DT4의 하단부로부터 0.2 m 떨어진 위치에 소량의 휘발유와 점화기를 이용하여 발화가 시작되도록 하였다.
- 덕트감지기의 경우 덕트내부 환경에서도 내구성이 있는 온도감지센서를 지니고 있으며, 500 ℃ 이하에서 온도정확도 및 응답속도가 우수한 저항 센서인 PT Ω100 (4.5 φ, 10 cm)을 감열부로 사용하였고, 한 채널당 최대 20개의 덕트감지기가 병렬로 접속하여 덕트내부의 온도를 아날로그방식으로 실시간 측정가능 하도록 개발하였다.
- Figure 11은 덕트화재실험모형의 구성도를 나타낸 것으로 1,000 mm × 1,000 mm × 550 mm × 300 φ 크기의 함석후드, 후드부와 직관덕트부 사이에는 300 φ L자덕트, 흡입측 공기차단을 위한 300 φ 원형댐퍼를 설치하였고, 직관덕트는 10 m × 300 φ 크기의 함석덕트, 직관덕트와 배기 팬 사이에는 배기측 공기차단을 위한 300 φ 원형댐퍼, 덕트내부의 연기배출을 위한 배기 팬은 2마력의 시리코팬, 열원기기로는 실험의 효율성 및 재현성을 위하여 LPG 가스버너를 사용하였다. 덕트전용 지능형 감지기의 설치위치는 화원의 온도를 측정하기 위해서 후드직상부에 DT1 감지기를 설치하였고, 직관덕트 10 m의 크기를 고려하여 덕트양단에 각각 0.2 m 여유를 두고, DT2, DT3, DT4, DT5, DT6의 덕트감지기 총 5개를 2.4 m 간격으로 각각 설치하여 화재 시 덕트내부의 온도측정을 하였다.
- 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 설비연동을 통한 작동성능을 확인하기 위하여 한국소방산업기술원의 실화재 실험장에서 덕트화재실험모형을 구축하여 성능실험을 진행하였다. Figure 11은 덕트화재실험모형의 구성도를 나타낸 것으로 1,000 mm × 1,000 mm × 550 mm × 300 φ 크기의 함석후드, 후드부와 직관덕트부 사이에는 300 φ L자덕트, 흡입측 공기차단을 위한 300 φ 원형댐퍼를 설치하였고, 직관덕트는 10 m × 300 φ 크기의 함석덕트, 직관덕트와 배기 팬 사이에는 배기측 공기차단을 위한 300 φ 원형댐퍼, 덕트내부의 연기배출을 위한 배기 팬은 2마력의 시리코팬, 열원기기로는 실험의 효율성 및 재현성을 위하여 LPG 가스버너를 사용하였다.
- 또한, 작업자가 가공온도를 고려하여 화재감지온도를 설정하고, 설정온도에서 화재를 감지할 수 있는 정온식(fixed temperature type) 기능을 추가적으로 부여함으로써 화재감지의 신뢰성을 높이고자한다. 둘째, 섬유분진, 습기, 슬러지 등 열악한 덕트 환경으로 인해 감지기의 감지센서가 일정이상 오염되었을 때, 프로그램으로 온도를 보상할 수 있도록 자체 감도보상기능을 부여하고자 한다. 셋째, 먼지, 습기, 고온 등에 의해 열악한 덕트 내부환경에서도 구조 및 기능상에 문제가 발생되지 않도록 서스(sus)재질의 시스(sheath) 내부에 감열부와 내구성을 지닌 본체로 구성하고자 한다.
- 5 φ, 10 cm)을 감열부로 사용하였고, 한 채널당 최대 20개의 덕트감지기가 병렬로 접속하여 덕트내부의 온도를 아날로그방식으로 실시간 측정가능 하도록 개발하였다. 또한, 덕트수신기의 경우 덕트내부의 실시간 온도확인이 가능하고 임베디드모듈을 채용하여 시인성을 향상시켰으며, 최대 8채널까지 확장할 수 있도록 구성되어 총 160개의 덕트감지기의 실시간 모니터링이 가능하도록 개발하였다.
- 이때, 예비경보 설정온도는 기존과 동일하게 230 ℃로 설정하였고, 주의경보 설정온도는 300 ℃, 화재경보 설정온도는 식용유 등의 자연발화온도를 고려하여 370 ℃로 설정하였다. 또한, 소화설비는 압축공기포 (compressed air foam)인 CAF시스템을 사용하였고, 화재시 지능형 수신기의 릴레이 신호에 의해 소화약제가 방출되도록 구성하였다.
- 1 ms의 low만 가지도록 설정하였다. 또한, 온도 및 주소 분석을 위한 temperature data 및 address data의 경우 1과 0의 설정을 구별하여 데이터를 취득하도록 하였다. 1의 경우 low의 길이를 길게 하여 low를 0.
- 실험시간은 1200 s 동안 진행하였고, 실험 시 덕트내부의 풍속은 배기 팬 차단전까지 2 m/s로 일정하게 유지시켜 실시하였다. 또한, 추가적으로 열화상 카메라(Testo 885, TESTO사, 독일)를 이용하여 덕트내부의 열적특성을 관찰하였다.
- 둘째, 섬유분진, 습기, 슬러지 등 열악한 덕트 환경으로 인해 감지기의 감지센서가 일정이상 오염되었을 때, 프로그램으로 온도를 보상할 수 있도록 자체 감도보상기능을 부여하고자 한다. 셋째, 먼지, 습기, 고온 등에 의해 열악한 덕트 내부환경에서도 구조 및 기능상에 문제가 발생되지 않도록 서스(sus)재질의 시스(sheath) 내부에 감열부와 내구성을 지닌 본체로 구성하고자 한다. 넷째, 덕트 내부의 폐쇄적인 특성으로 인해 화염이 분출되기 전까지 정확한 화재 위치 파악이 어려운 문제점을 고려하여, 정확한 화재위치에 대한 정보제공이 가능하도록 주소(address) 기능을 부여하고자 한다.
- 시나리오 A는 열원기기가 위치한 후드부에서 발생되는 화재가 많은 점을 고려하여 가스버너를 점화하여 후드부를 통해 열기가 전파되고 덕트내부의 온도를 측정하는 DT1에서 DT6 감지기 중 수신기에서 작업자가 설정한 예비경보 온도가 도달되면 자동으로 가스버너를 차단하도록 설정하였다. 이때, 설정된 예비경보의 온도는 230 ℃로 설정하였고, 이와 같이 설정한 이유는 대구 서구 섬유공장 방문조사 시 텐터기 설비의 작동온도가 최소 140 ℃에서최대 200 ℃로 운영하고 있는 점을 감안하여 차동식감지기의 형식승인시험 시 기준에 의거하여 주위온도보다 +30 ℃높은 온도에서 화재를 감지하도록 정하고 있어, 최대온도를 기준으로 +30 ℃ 높은 온도인 230 ℃를 예비경보로 설정하였다.
- 실험방법은 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 작동시퀀스에 의한 연동성능을 확인하기 위하여 크게 시나리오 A와 시나리오 B로 진행하였다.
- 실험방법은 아날로그식 정온식감지기의 감도시험기준에 의해 풍속 1 m/s의 기류에 감지기에 가하는 기류 온도는 공칭감지온도의 하한값에 대응하는 기류온도로 10분간 지속 후 계속하여 매분 2 ± 0.5 ℃씩 일정하게 분할한 기류온도로 공칭감지온도의 상한값까지 직선적으로 상승 시키고 이후 상한값에 대응하는 기류온도를 10분간 유지하고, 이 기류 온도에 감지기를 투입하였을 때 허용오차는 하한값의 경우 ± 2.5 ℃, 직선상승중의 값과 상한값의 경우는 ± [기류온도값 × 0.15(이 값이 10 ℃를 초과하는 경우 10 ℃로 함)]으로 하도록 규정(5)하고 있어 동일한 조건으로 성능실험을 실시하여 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 온도정확도를 확인하였다.
- 시나리오 B는 대구 서구 섬유공장 방문조사시 덕트에서 발생되는 화재원인을 분석해 본 결과 후드를 통해 유입된 불티 또는 전도열이 덕트내부를 통해 이동하다 덕트내부의 섬유분진 및 슬러지가 등이 퇴적되어 있는 곳에 착화되어 발화된 사례가 빈번히 발생하는 것으로 나타나 시나리오 B로 설정하였다. 실험방법은 열원기기인 가스버너를 사용 중 후드부를 통해 유입된 불티가 덕트내부에 도포된 그리스(grease)에 착화되어 발화되는 것으로 하였다. 그리스의 양은 UL 300 시험기준에 의거하여 단위면적당(2 πrl) 1.
- 작동시퀀스는 덕트감지기 DT1에서 DT6중 예비경보 설정온도에 도달되면 수신기 제어 신호에 의해 가스차단기가 작동하여 가스를 차단시키고, 주의경보 설정온도에 도달되면 수신기 제어신호에 의해 댐퍼차단기가 작동되어 댐퍼 차단 및 배기 팬을 정지시키게 되어 1차 질식소화가 시작되고, 그 후에도 온도가 상승하여 화재경보 설정온도에 도달되면 수신기 제어신호에 의해 소화약제가 방출되어 2차 소화가 이루어져 화재를 완전히 소멸시키는 작동 시퀀스로 진행하였다. 실험시간은 1200 s 동안 진행하였고, 실험 시 덕트내부의 풍속은 배기 팬 차단전까지 2 m/s로 일정하게 유지시켜 실시하였다. 또한, 추가적으로 열화상 카메라(Testo 885, TESTO사, 독일)를 이용하여 덕트내부의 열적특성을 관찰하였다.
- 시나리오 A는 열원기기가 위치한 후드부에서 발생되는 화재가 많은 점을 고려하여 가스버너를 점화하여 후드부를 통해 열기가 전파되고 덕트내부의 온도를 측정하는 DT1에서 DT6 감지기 중 수신기에서 작업자가 설정한 예비경보 온도가 도달되면 자동으로 가스버너를 차단하도록 설정하였다. 이때, 설정된 예비경보의 온도는 230 ℃로 설정하였고, 이와 같이 설정한 이유는 대구 서구 섬유공장 방문조사 시 텐터기 설비의 작동온도가 최소 140 ℃에서최대 200 ℃로 운영하고 있는 점을 감안하여 차동식감지기의 형식승인시험 시 기준에 의거하여 주위온도보다 +30 ℃높은 온도에서 화재를 감지하도록 정하고 있어, 최대온도를 기준으로 +30 ℃ 높은 온도인 230 ℃를 예비경보로 설정하였다. 실험 시 덕트내부의 풍속은 배기 팬 차단전까지1 m/s로 일정하게 유지시켜 실시하였다.
- 작동시퀀스는 덕트감지기 DT1에서 DT6중 예비경보 설정온도에 도달되면 수신기 제어 신호에 의해 가스차단기가 작동하여 가스를 차단시키고, 주의경보 설정온도에 도달되면 수신기 제어신호에 의해 댐퍼차단기가 작동되어 댐퍼 차단 및 배기 팬을 정지시키게 되어 1차 질식소화가 시작되고, 그 후에도 온도가 상승하여 화재경보 설정온도에 도달되면 수신기 제어신호에 의해 소화약제가 방출되어 2차 소화가 이루어져 화재를 완전히 소멸시키는 작동 시퀀스로 진행하였다. 실험시간은 1200 s 동안 진행하였고, 실험 시 덕트내부의 풍속은 배기 팬 차단전까지 2 m/s로 일정하게 유지시켜 실시하였다.
- Figure 6은 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 메인화면을 디자인한 것으로써 사용자의 편의성을 극대화할 수 있는 GUI (graphical user interface)를 설계하였다. 한 채널당 최대 20개의 덕트전용 지능형 화재감지기를 모니터링할 수 있도록 구현하였으며, 최대 8채널까지 확장 가능하도록 설계하였다. 각 감지기는 Figure 6(a)와 같이 예비경보, 주의경보, 화재경보의 단계별 온도설정이 가능하고, Figure 6(b)에서와 같이 온도모니터링과 함께 설정온도이상이 되면 각 경보단계에 해당되는 색(예비-노랑, 주의-주황, 화재-빨강)으로 표시하고, 화재 시 Figure 6(c)에서와 같이 화재발생을 알리게 된다.
대상 데이터
- Figure 5는 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 시스템 블록도 및 작동시퀀스를 나타낸 것이다. Figure 5(a)는 덕트전용 지능형 화재수신기의 시스템 블록도를 나타낸 것으로 메인모듈, 임베디드모듈, 창구모듈, 출력모돌, 전원모듈로 총 5개의 모듈로 구성되어 있다. Figure 5(b)는 덕트 전용 지능형 화재감지기의 시스템 블록도를 나타낸 것으로 제어부, 주소설정부, 온도측정부, 데이터통신부로 총 4개의 파트로 구성되어 있다.
- 덕트화재의 실태 및 위험성을 파악하기 위하여 국내 최대 섬유공장 밀집지역인 대구섬유공단을 중심으로 분석하였다. 국민안전처 국가화재정보센터의 E-화재통계에 의하면, 2014년 대구 서구지역에서 발생된 공장시설의 화재건 수는 52건으로 이중 섬유공장에서 발생된 화재가 15건으로 28.
성능/효과
- 1. 덕트 화재위험성을 파악하기 위하여 대구섬유공단을 중심으로 분석해본 결과 공정기기인 텐터기의 고온 작업 환경과 덕트내부에 장시간 퇴적된 분진 및 슬러지 등에 의해 화재위험성이 높게 나타는 것으로 확인되었다. 이로 인해 덕트내부 화재를 효율적으로 감지하기 위해서는 작업 온도를 고려한 고온감지, 공장전체에 길게 설치된 덕트내부의 전 구간 온도모니터링, 덕트내부의 열악한 환경적인 요인에도 영향을 받지 않는 전용 화재감지시스템이 필요한 실정이다.
- 5 ℃ 이내를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 덕트화재실험모형 구축을 통한 성능실험의 결과 본 연구에서 제시한 시나리오 A와 B의 경우 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 작동시퀀스에 의한 연동성능을 만족하는 것으로 나타났다. 특히, 시나리오 B의 경우 열원기기정지 및 배기 팬정지 그리고 댐퍼작동만으로도 소화약제방출 설정온도에 도달하지 않고 화염이 자체적으로 소멸되는 질식소화효과가 나타나는 것으로 확인되었다.
- 본 실험 조건에서는 가스버너차단 및 배기 팬정지 및 댐퍼작동만으로도 소화약제방출을 위한 화재경보온도인 370 ℃에 도달되지 않고, 자체적으로 화염이 소멸되는 질식소화효과가 나타나는 것으로 확인되었다.
- 이로 인해 가스버너와 근접한 덕트감지기 DT1, DT2, DT3, DT4의 온도가 하강하게 된다. 약 500 s에 DT5의 온도가 300 ℃에 이르게 됨과 동시에 댐퍼차단기 작동 및 배기 팬이 정지되어 순간 적으로 직관덕트내부는 밀폐된 상태가 되고 이로 인해 내부의 잔존산소에 의해 소폭상승하다 온도가 지속적으로 하강하여 화재가 소멸되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 댐퍼가 차단되면서 배기 팬쪽으로 전파되던 화염이 댐퍼에 부딪혀 다시 역류하여 그리스가 남아 있던 DT4에 전이 되어 DT4의 온도가 댐퍼 작동과 함께 급격히 상승하다 소멸되는 것으로 생각된다.
- 정온식감도시험기를 이용한 온도측정 성능실험의 결과 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 요구하는 온도오차조건인 ± 2.5 ℃ 이내를 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- 덕트화재실험모형 구축을 통한 성능실험의 결과 본 연구에서 제시한 시나리오 A와 B의 경우 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 작동시퀀스에 의한 연동성능을 만족하는 것으로 나타났다. 특히, 시나리오 B의 경우 열원기기정지 및 배기 팬정지 그리고 댐퍼작동만으로도 소화약제방출 설정온도에 도달하지 않고 화염이 자체적으로 소멸되는 질식소화효과가 나타나는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 따라서 본 연구를 통해 개발된 덕트전용 지능형 화재감지시스템의 경우 덕트내부의 효율적 감지기 및 적응성 있는 시스템으로써, 향후 산업용덕트 뿐만 아니라, 음식점주방의 업소용덕트에도 적용할 경우 조기 감지를 통한 적극적인 초동대처로 덕트로 인한 화재피해를 최소화 할 수 있는 시스템으로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
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