[논문]초고층건물 화재시 외기바람이 배연성능에 미치는 영향

김범규; 임채현; 박용환

doi:10.7731/kifse.2016.30.1.063

[국내논문] 초고층건물 화재시 외기바람이 배연성능에 미치는 영향
The Influence of Wind Conditions on the Performance of Smoke Ventilation in High-rise Building Fires 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.1, 2016년, pp.63 - 73

김범규 (호서대학교 소방방재학과) , 임채현 (제주국제대학교 소방방재학과) , 박용환 (호서대학교 소방방재학과)

초록
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본 논문은 초고층건물 화재 시 외기바람의 풍속, 풍향 조건이 기계배연시스템의 배연성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 차원해석을 통한 축소모델 설계와 CFD 수치해석을 이용하여 영향을 정량적으로 평가하였다. 해석 결과, 축소모델의 외기풍속 5 m/s(실 외기풍속은 약 16 m/s), 풍향 ${\theta}=5^{\circ}$의 조건의 경우 배연풍속이 최대 약 17% 감소함을 보였으며, 외기풍향 각도 ${\theta}=25^{\circ}$ 이하의 조건에서는 기계배연시스템의 배출풍량을 크게 감소시켜 화재시 배연성능이 저하될 수 있는 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effects of the wind conditions, such as wind velocity and wind directions, on the performance of the mechanical smoke exhaust systems for high-rise building fires. A scaled model design and CFD simulations were used to verify the effects both quantitatively and qualitatively. The results showed that the smoke exhaust velocity of the mechanical exhaust system can be reduced by up to 17% at a wind velocity of 5 m/s (equivalent to an outdoor wind speed of 16 m/s) and a wind direction of ${\theta}=5^{\circ}$. In addition, the angle of the outdoor wind direction below ${\theta}=25^{\circ}$ had a significantly influence on the smoke exhaust flow rate and reduced exhaust performance of the smoke exhaust system in a fire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 외기 바람조건이 배연설비의 성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 외기 바람의 풍속, 풍향조건이 닥트내 배연성능과 화재실 온도에 미치는 영향을 CFD 해석을 통해 평가하였다.

가설 설정

첫째, 외기온도는 10°C인 조건이고 화재 시로 가정하였다.
단, 초고층건물의 기하학적 구조 및 형상은 매우 다양하므로 본 해석에서는 복잡한 구조를 피해 최대한 간소화된 구조의 모델을 선정하였다^(1,2). 화재실은 Room A로 지정하였으며, Room B는 제연닥트의 폐쇄로 배연이 이루어지지 않는 것으로 가정하였다. 각 설비의 작동시퀀스는 다음과 같다.

제안 방법

각 설비의 작동시퀀스는 다음과 같다. Room A에서 화재가 발생한 직후 부속실 급기가압으로 인해 화재실과의 차압이 40 Pa로 유지되고, 외기와 닥트로 연결된 공기유입구(Air inlets)를 통해 Room A에 1 m/s로 공기가 유입되며, 이와 동시에 배연팬이 작동하여 Room A의 연기는 배연구(Vents)를 통해 루버(Louver)로 배출되게 되는 것으로 설정하였다. 문 틈새 등 을 통한 누설량을 고려하기 위해 Figure 1a)에 보이는 모든 구조는 수치해석에 반영하였다.
난류성과 닥트유출입구, 곡면, 물체 모서리 부근에서의 마찰응력을 고려하기 위해 벽함수(Wall function)를 지정하였으며, 닥트유출입구, 곡면, 모서리 부근의 격자는 1 cm, 닥트내부 및 풍동장은 10 cm 설정하였다⁽⁶⁾. 총 격수는 2,062,322개로 산출되었다.
각 출입문 및 창문은 모두 닫힌 상태이며, 누설틈새를 가정하기 위해 Table 1과 같이 누설 틈새 면적을 산출하여 해석모델에 적용하였다. 닥트, 공기 유입구 등 설비 부속품의 사양은 NFPA, NFPA, IBC에서 제공하는 지침에 만족토록 설계하였다. 또한, 루버치수 산정, 닥트피팅 및 설계제반사항은 ASHRAE의 지침을 근거하여 설계하였다^(1,3,4).
6 m/s로 계산되었다. 단, 초고층건물의 기하학적 구조 및 형상은 매우 다양하므로 본 해석에서는 복잡한 구조를 피해 최대한 간소화된 구조의 모델을 선정하였다^(1,2). 화재실은 Room A로 지정하였으며, Room B는 제연닥트의 폐쇄로 배연이 이루어지지 않는 것으로 가정하였다.
첫째, 외기온도는 10°C인 조건이고 화재 시로 가정하였다. 둘째, 외기풍속은 약 6.3 m/s (2 m/s), 16 m/s (5 m/s)로 하였으며 설계배연풍속은 약 12.32 m/s (3.88 m/s)의 조건으로 하였다. 외기풍향은 관련연구자료 및 기술기준을 참고하여 보편적인 풍향측정간격은 15°~25°의 범위에 포함되도록 하였다^(1,2).
닥트, 공기 유입구 등 설비 부속품의 사양은 NFPA, NFPA, IBC에서 제공하는 지침에 만족토록 설계하였다. 또한, 루버치수 산정, 닥트피팅 및 설계제반사항은 ASHRAE의 지침을 근거하여 설계하였다^(1,3,4).
해석에 사용된 솔버는 Pressure based이며, Unsteady, 2nd-order implicit 방법을 적용하여 해석하였다. 또한, 화열에 의한 열 부력을 모사할 수 있도록 Solver에 Buoyancy effect에 대한 항목을 선택하여 지정하였다.
본 논문에서는 외기바람의 풍속, 풍향 조건이 초고층건물 기계배연설비의 배연성능 저하에 미치는 영향에 대해 CFD 해석을 통해 분석하였으며, 이를 통해 아래의 결론이 도출되었다.
배연팬을 모델링하기 위해 실제로 현장에 설치되는 Figure 2와 같은 성능곡선을 적용하였으며, 식(5)를 통해 Table 5의 팬상수(Pressure polynomial coefficient)를 산출하여 입력하여 성능곡선에 따라 변화될 수 있도록 하였다. 이때, 배출풍속의 초기조건이 흡입측(Inflow)에서 7.16 m/s, 배출측(Outflow)에서 12.32 m/s가 되도록 배연 팬의 초기 배출특성을 설정하였다.
초고층건물을 모사하기 위해 해당 높이에서의 최대외기 풍속과 최소외기풍속을 계산하였다. 이를 위해 지상 10 m 위치에서의 최근 30년간 국내 지역별 평균 최대평균풍속 및 최소평균풍속을 조사하였으며, 식(1)에 따라 약 500 m 높이에서의 최대풍속 및 최소풍속은 약 16 m/s와 약 3.6 m/s로 계산되었다. 단, 초고층건물의 기하학적 구조 및 형상은 매우 다양하므로 본 해석에서는 복잡한 구조를 피해 최대한 간소화된 구조의 모델을 선정하였다^(1,2).
이에 루버면(0°)과 풍상류(Leeward)과의 풍향각을 5°, 25°, 45°, 65°로 설정하였다.
초고층건물을 모사하기 위해 해당 높이에서의 최대외기 풍속과 최소외기풍속을 계산하였다. 이를 위해 지상 10 m 위치에서의 최근 30년간 국내 지역별 평균 최대평균풍속 및 최소평균풍속을 조사하였으며, 식(1)에 따라 약 500 m 높이에서의 최대풍속 및 최소풍속은 약 16 m/s와 약 3.
풍동장의 크기 40 m(가로) × 80 m(세로) × 30 m(높이)로 하였으며, 공기 흐름은 풍상면(Leeward)에서 풍하면(Windward)으로 설정하였다.
풍향조건은 5°, 25°, 45°, 65°로 하였으며 최저풍속 및 최고풍속은 약 6.3 m/s (2 m/s)와 약 16 m/s (5 m/s)의 조건을 반영하였다.

대상 데이터

CFD 해석대상은 축소모델과 동일한 형태의 기하학적 구조로 하고, 크기는 축소모델의 실 규모로 하였다. 공간, 닥트, 루버, 공기유입구의 치수는 축소모델의 10배인 실규모에 해당되도록 식(2)를 이용하여 변환하였다⁽²⁾.
화원은 Figure 1에 보이는 바와 같이 Room A의 중앙부에 위치하는 것으로 설정하였으며, Table 7의 물성을 갖는 메틸알코올로 하였으며 본 수치를 모델링에 입력하였다. 이때, 실 규모에서 화원의 면적은 0.

이론/모형

Table 2는 수치해석에 적용된 재질의 물성 값을 나타낸다. 해석에 사용된 솔버는 Pressure based이며, Unsteady, 2nd-order implicit 방법을 적용하여 해석하였다. 또한, 화열에 의한 열 부력을 모사할 수 있도록 Solver에 Buoyancy effect에 대한 항목을 선택하여 지정하였다.
플룸 방출속도는 식(7)을 통해 계산하였다. 화재를 지정하기 위해 Babaraukas의 실험결과를 검토하여⁽¹⁰⁾, 특정 가연물에 대한 열방출률 데이터를 모델링에 적용하였다.

성능/효과

둘째, 외기풍향이 65° 이하의 조건에서는 외기풍속이 클수록 배연풍속이 감소되는 경향을 나타내 외기풍향 5°, 외기풍속 5 m/s 일 경우 화재실온도가 무풍 시 대비 최대 약 5°C 정도 증가하였다.
셋째, 본 결과를 통해, 외기 영향을 최소화함에 따라 최적의 배연성능을 유지할 수 있도록 하는 별도의 기술적 대안 및 별도의 배연제어장치가 요구됨을 확인하였다.
즉, 배출풍속과 외기풍향간 사이각이 약 65° 이상이 되어야 설계배연성능이 유지되는 것으로 평가되었다.
첫째, 외기풍속 5 m/s(실 외기풍속 약 16 m/s), 외기풍향 θ = 5°의 경우 최대 약 17%의 닥트내 배연풍속 저하가 발생하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Fluent v6.0이란 무엇인가?	본 CFD 해석에 적용한 코드는 Fluent v6.0로서 풍동모사에 널리 적용되는 해석도구이다. 해석 초기조건은 외기바람이 있는 상태이고, 화재와 동시 제 ·배연설비는 바로 작동되는 것으로 설정하였다.
	지능형 초고층건물에 설치된 공기조화설비의 특징은 무엇인가?	지능형 초고층건물에 설치된 공기조화설비의 경우 화재시 공조모드가 중단되고 제연을 위한 급기 팬 및 배연팬작동방식을 채택하고 있다. 대부분의 배연팬은 설계에 따라 정풍량(constant flow)으로 작동하며 연기를 건물옥상 또는 외벽 배연구로 배출시킨다.
	저능형 초고층건물에 설치된 배연팬에서 일어날 수 있는 문제점은 무엇인가?	대부분의 배연팬은 설계에 따라 정풍량(constant flow)으로 작동하며 연기를 건물옥상 또는 외벽 배연구로 배출시킨다. 그러나 외벽 배연구의 경우 외기의 영향을 크게 받을 수 있으며 외기바람의 풍속, 풍향에 따라 성능이 저하될 수 있다. 배연풍속보다 외기풍속이 클 경우 화재실의 연기가 원활히 배출되지 못하여 피난 장애 및 인명피해의 원인이 될 수 있다. 또한, 풍속 및 풍향 조건에 따라 플러그 홀링(plug-holing)(1)으로 인해 배연성능이 저하될 가능성이 있다.

참고문헌 (10)

ASHRAE Fundamentals Handbook, Chap.16 Duct design (2008).
B. G. Kim, "The Effect of Outside Wind Conditions on the Mechanical Ventilation Performance and the Exhaust Smoke Control in High-rise Building Fires", Dissertation of Grad. Hoseo University, pp. 83-102 (2013).
NFPA 92, Standard for Smoke Control Systems (2012).
International Building Code Fire code fire protection system, 910.2.2, pp. 92 (2005).
B. J. McCaffrey, Purely Buoyant Diffusion Flames : Some Experimental Results, NBSIR 79-1910 (1979).
K. S Mudan and P. A Croce, "Fire Hazard Calculations for Large Open Hydrocarbon Fire", Chap. 3-11 in SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd. ed. edited by P. J. Di Nenno (1995).
ASHRAE Fundamentals Handbook, Chapter 16, Airflow Around Buildings, 16.3 (2008).
Ansys-fluent Co., "Fluent Ver.6" (2010).
Y. H. Park and B. G. Kim, "The Influence of Stairway Pressurization Conditions on the Stack Effect in Super-tall Buildings", Fire Science and Engineering, Vol. 24, No. 3, pp. 139-144 (2010).
K. S V. Babaraukas, "Burning Rates", chap. 3-1 in SEPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2nd. ed. edited by P. J DiNenno (1995).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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