[논문]제연 TAB를 통한 철도 지하환승통로의 거실제연설비 성능평가

설석균; 김준환; 박민석; 오승민; 안용철; 최준호

doi:10.7731/kifse.2017.31.1.001

제연 TAB를 통한 철도 지하환승통로의 거실제연설비 성능평가
A Performance Evaluation of Zone Smoke Control Systems for Railway Underground Transit Passage by Smoke Control TAB 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.1, 2017년, pp.1 - 9

설석균 (부경대학교 산업대학원) , 김준환 (GE엔지니어링) , 박민석 (벽산엔지니어링) , 오승민 (대림산업(주)) , 안용철 (현대건설(주)) , 최준호 (부경대학교 소방공학과)

초록
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본 연구에서는 거실제연설비가 설치된 철도 지하환승통로에 현장성능평가시험인 제연 TAB(Test, Adjusting, Balancing)를 실시하여, 제연설비 성능 확보에 미치는 영향을 분석하고 개선방안을 도출하였다. 제연 TAB는 지하환승통로의 제연설비 설계자료 분석, 제연덕트 누기테스트, 제연송풍기와 덕트의 풍량 및 풍속 측정, Smoke test로 나누어 진행되었다. 제연덕트 누기시험을 통해 누기율을 측정하여 덕트의 기밀성을 확인하였고, 흡입측 덕트 정압손실로 인한 제연풍량 부족의 문제점을 개선하여 송풍기의 성능을 확보하였다. 또한, Smoke test을 통해 예상제연구역별 제연댐퍼 동작 시 자연풍, 열차풍 영향으로 인한 문제점을 분석하고 개선하여 예상 제연구역 내 제연이 원활하게 이루어짐을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study conducted Testing, Adjusting, and Balancing (TAB), which is a type of field performance evaluation experiment of a zone smoke-control system, at a railway underground transit passage installed with a zone smoke- control system to find problems and improvements for ensuring performance. TAB for the smoke control system was classified into several procedures, such as design data review, duct leakage test, field measurement of the airflow rate, velocity of the fan and duct, and a smoke test. Through the duct leakage test, the system leakage ratio was examined to prove the duct sealing. The iImprovement of the smoke control airflow problems due to the lack of fan static pressure loss was the secured performance. The performance of the smoke control fan was secured by improvements of the smoke control airflow rate problems caused by the loss of static pressure in the intake duct. The smoke test in the smoke control zone confirmed that the damper operating schedule subject was influenced by natural wind or train wind.

주제어

표/그림 (26)

그림 Figure 1. Ununiform flow in fan inlet (top) and system effect in fan inlet (bottom).
그림 Figure 2. Zone smoke control zone of the underground transit passage.
그림 Figure 3. Flow chart of zone smoke control system TAB.
그림 Figure 4. Leakage test section of zone smoke control system in underground transit passage.
그림 Figure 5. Flow chart of duct leakage test.
표 Table 1. Design Specification of Smoke Control Fan
표 Table 2. System Leakage Ratio Criteria
표 Table 3. Criteria of Design Airflow Rate
그림 Figure 6. The selection of smoke control zone.
그림 Figure 7. Smoke bombs (1 minute/each) and anemometer.
그림 Figure 8. Duct leakage rate ratio.
표 Table 4. Criteria of the Intake and Exhaust Duct Velocity
표 Table 5. Plate Thickness of Exhaust Duct and Intake Duct
그림 Figure 9. Measurements of smoke control fan's airflow rate.
그림 Figure 10. Improvements of duct and louver and installing the turning vane in intake duct.
표 Table 6. System Leakage Rate and Ratio Measurement Results
표 Table 7. Measurement Results of Smoke Control Fan's Intake Static Pressure Variation
그림 Figure 11. Measurement results of smoke control fan's intake static pressure loss ratio.
그림 Figure 12. The measurement results of smoke control fan's intake static duct velocity.
그림 Figure 13. The measurement results of smoke control fan's exhaust duct velocity.
그림 Figure 14. measurement of the duct size, intake and exhaust duct velocity.
그림 Figure 15. C zone fire causes smoke to spread from C zone to B zone (1st test).
그림 Figure 16. The measurement of natural wind and train wind in underground transit passage.
그림 Figure 17. C zone fire causes smoke completely exhaust within C zone (2nd Test).
그림 Figure 18. Improvement of smoke control zone's Motor Fire Damper(M.F.D) operation schedule.
표 Table 8. The Measurement of Natural Wind and Train Wind in Underground Transit Passage

AI 본문요약
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문제 정의

Smoke test(연막시험)는 지하 환승통로 내에 화재로 인한 연기발생시 화재구역 내에서 연기를 완전히 배출시켜 이용객의 피난시간을 확보하기 위한 목적으로 실시하였다. 실제 화재상황과 같은 조건은 아니나, 예상제연구역 내에 연기가 발생할 경우 자동화재탐지설비가 연기를 감지하고 제연댐퍼가 동작 스케쥴대로 정상 동작되는지를 확인하는 데에 목적이 있었다.
본 연구는 이들 선행연구에 이어, 특히 철도 지하환승통 로의 거실제연설비에 대한 TAB수행을 통한 문제점과 개선 방안을 제시하였다.
Smoke test(연막시험)는 지하 환승통로 내에 화재로 인한 연기발생시 화재구역 내에서 연기를 완전히 배출시켜 이용객의 피난시간을 확보하기 위한 목적으로 실시하였다. 실제 화재상황과 같은 조건은 아니나, 예상제연구역 내에 연기가 발생할 경우 자동화재탐지설비가 연기를 감지하고 제연댐퍼가 동작 스케쥴대로 정상 동작되는지를 확인하는 데에 목적이 있었다.
이 논문은 제1저자의 2016년 대한설비공학회 부산·울산·경남지회 추계학술발표대회 학술발표논문(12) 및 부경대학교 산업대학원 공학석사학위논문(13)을 수정, 보완하여 작성 되었음.

가설 설정

한편, Test 시간은 환승통로 양쪽에 피난 가능한 계단이 있으므로 중간지역에서 화재가 났을 경우를 가정하였고, 도시철도 정거장 및 환승 · 편의시설 설계지침(10)의 대피시 간의 기준에 따라 피난시간(ASET)을 약 6분 이내로 가정하였다.

제안 방법

1차 테스트에는 C, D zone에 제연구역별 연소시간 1분용 1개씩을 사용하여 연기의 정상흐름을 확인하였고, 2차 테스트에서는 C zone에 연소시간 1분용 3개를 연속으로 태워 총 5분여 동안 본 Smoke test을 시행하였다. 이 때 연기감지기가 감지하여 제연송풍기가 가동되었다.
3차 실험에서는 위 원인들을 토대로 Figure 10와 같이 송풍기 흡입측 덕트에 터닝베인 설치, 흡입덕트 사이즈 확대, 환기구의 루버 개구율을 40%에서 70%까지 확장, 모터풀리 재조정 및 Y-△기동시 과전류 발생하여 모터를 22 kW에서 30 kW로 교체하고 전선과 MCC 판넬의 차단기, 컨덴서, 마그네트 컨덱터 시공 · 보완하여 송풍기흡입측 정압손실을 줄이는 등 개선한 결과 Figure 8과 같이 제연송풍기의 배출량을 50,000 m3/hr 이상으로 확보하였다.
본 현장 사업과정에서는 TAB 계약이 늦어져 기계실 구조물 및 제연설비는 일부가 시공이 되어 있는 상태에서 TAB 검토는 시행되었다. 그러나 일부 덕트의 규격보완을 시행할 여유가 없었으며, 시공 후 시운전시 TAB를 시행하면서 부족한 부분을 보완하는 것으로 계획하였으며, 제연 송풍기 설계내용은 Table 1과 같다.
배출기에 연결된 배출풍도와 급기송풍기에 연결된 유입(급기송풍기의 흡입측과 배출측) 풍도 내의 성능평가 기준은 NFSC 501의 제9조(배출기 및 배출풍도)제2항 제2호와 제10조(유입풍도 등)제1항⁽³⁾에 의거 Table 4와 같이 배출기의 흡입측 풍도안의 풍속은 15 m/s 이하로 하고 배출측 풍속은 20 m/s 이하로 하였으며, 유입풍도안의 풍속은 20 m/s 이하를 기준으로 적용하였으며, 배출 및 유입풍도의 규격 별 풍도두께는 Table 5와 같이 적용하였다.
연막탄은 Figure 7과 같이 1차 테스트에는 C, D zone에 제연구역별 연소시간 1분용 1개씩을 사용하여 연기의 정상 흐름을 확인하고, 2차 테스트에서는 C zone에 연소시간 1분용 3개를 연속으로 태워 총 5분 동안 본 Smoke test을 시행하였다.
유입(급기송풍기의 흡입측과 배출측)풍도와 배출기의 흡입 및 배출측 풍도안에 대한 속도측정시험은 총 3차례 시행했으며, 시험결과는 Figure 12∼14와 같다.
제연구역을 기준으로 시험덕트범위는 Figure 4와 같이 A～B구역 급기(Supply Air, SA), A～B구역 배기(Exhaust Air, EA), C～D구역 급기(Supply Air, SA), C～D구역 배기(Exhaust Air, EA)로 총 4개 구역으로 구분하고 Main duct 와 sub duct, 유입구와 배출구의 Flexible duct 연결구까지로 정하였다. 제연덕트의 시스템 누기율은 공기조화용 덕트누기 시험방법⁽⁹⁾에 의거 식(1)을 이용하여 산출하였고, Table 2와 같이 5% 이하의 기준을 선정하였다.
제연구역의 smoke test를 위해 NFSC 501의 제4조(제연설 비)제1항 제3호⁽³⁾에 따라 보행중심선의 길이가 60 m를 초과하지 않는 통로상의 제연경계로 구획된 예상제연구역을 A, B, C, D, E의 5개 zone으로 구획했으며, 인접구역 상호 제연방식을 적용하여 예상 제연구역 1개 zone에서 화재발생 시 화재실은 연기를 배출시키고 인접실은 연기의 침투를 방지하기 위하여 배출과 동시에 공기유입을 실시하도록 하였다.
제연송풍기의 배출량 기준은 NFSC 501의 제6조(배출량 및 배출방식) 제2항 제2호 및 제3항」⁽³⁾에 따라 철도 지하 환승통로의 예상제연구역은 바닥면적이 400 m² 이상의 통로로 제연경계로 구획되어있고 그 제연경계의 바닥으로부터 그 수직하단까지의 수직거리가 2 m 초과～2.5 m 이하인 점을 감안하여 50,000 m³/hr 이상을 배출량 기준으로 적용하였다(Table 3 참조).

대상 데이터

Figure 6와 같이 환승통로의 길이는 약 264 m였으며, 수평구간 보행속도는 도시철도 정거장 및 환승 · 편의시설 설 계지침(10)에 따라 대피요소별 승객 이동속도를 1 m/s로 간 주하여 피난에 가장 취약한 통로의 중간지역인 C와 D zone을 테스트 구역으로 선정하였다.
본 연구는 Figure 2와 같이 2016년 실험 당시 개통예정이었던 지하철역사와 지상철도역사간에 설치된 지하 환승통로를 대상으로 환기기계실 2개소와 예상제연구역을 A∼E 등의 5개 Zone을 대상으로 하였으며 제연방식은 인접구역 상호제연방식으로 자진하여 제연시스템을 설치하였다.

이론/모형

본 연구는 Figure 2와 같이 2016년 실험 당시 개통예정이었던 지하철역사와 지상철도역사간에 설치된 지하 환승통로를 대상으로 환기기계실 2개소와 예상제연구역을 A∼E 등의 5개 Zone을 대상으로 하였으며 제연방식은 인접구역 상호제연방식으로 자진하여 제연시스템을 설치하였다. 거실제연설비에 대한 TAB는 덕트 기밀시험, 풍량, 풍속측정을 포함하여 대한설비공학회의 제연설비 TAB절차⁽⁸⁾에 준하여 실시하였으며, 덕트 기밀시험은 한국설비기술협회의 공기조화용 덕트누기 시험방법⁽⁹⁾을 분석하여 실시하였다. 철도 지하 환승통로의 거실제연설비 TAB는 Figure 3과 같은 절차로 실험하였다.
제연구역을 기준으로 시험덕트범위는 Figure 4와 같이 A～B구역 급기(Supply Air, SA), A～B구역 배기(Exhaust Air, EA), C～D구역 급기(Supply Air, SA), C～D구역 배기(Exhaust Air, EA)로 총 4개 구역으로 구분하고 Main duct 와 sub duct, 유입구와 배출구의 Flexible duct 연결구까지로 정하였다. 제연덕트의 시스템 누기율은 공기조화용 덕트누기 시험방법⁽⁹⁾에 의거 식(1)을 이용하여 산출하였고, Table 2와 같이 5% 이하의 기준을 선정하였다. 제연덕트 기밀시험은 Figure 5와 같은 절차를 따랐다.

성능/효과

(1) 제연덕트 기밀시험 : 제연덕트 시험범위에 대하여 시스템 누기율을 측정한 결과 4개 구역 모두 최소 0.9～최대 1.4% 이하로 측정됨(기준치인 5% 이하로 문제없음).
(3) 정압손실 보정방안 : 흡입측 덕트에 터닝베인 설치, 규격미달 흡입덕트 사이즈 확대, 환기구루버 개구율 확장, 모터풀리 재조정, 모터 및 MCC 판넬내 차단기 등 교체를 통하여 당초 설계안애 따른 시공결과보다 커진 정압 확인.
1차 측정시 FEF-02 흡입측 풍도안의 속도는 설계 시 18.62 m/s, 측정 시 13.66 m/s로 확인되었으나 정압손실로 인해 제연풍량이 기준에 부족한 36,885 m3/hr로 측정되어 설계를 기준으로 시공한 덕트 사이즈(1500×500 mm2)가 협소한 것으로 판단 하였다.
(4) Smoke test : 철도 지하환승통로의 전체 거실제연시스템으로서의 성능에 대한 검증을 확인코자 실시한 결과, 1차 테스트 시 주변 환경을 감안치 않아 실패하였음. 2차 테스트에는 자연풍 등에 대한 주변환경을 고려, 제연댐퍼(MFD)의 동작스케쥴 조정을 통하여 화재구역내에서 제연 성능이 검증됨을 확인.
Figure 16과 Table 8과 같이 지하도시철도역 승강장 및 터널로부터 인입되는 자연풍, 열차풍 등의 풍속과 방향을 확인하고 2차 테스트를 실시한 결과 Figure 18과 같이 자연풍 등의 반대 방향에서 급기를 공급하는 방식으로 제연댐퍼(Motor Fire Damper : MFD) 동작 스케줄을 수정하고 시험한 결과 Figure 17과 같이 연기가 인접구역으로 넘어가지 않고 화재실내 C구역에서 모두 배출완료된 것을 확인할 수 있었으며 거실제연설비의 성능을 검증할 수 있었다.
거실제연설비의 취약점은 크게 4가지로 분류할 수 있는데, 첫째, 공조제연겸용 덕트를 사용함에 따라 공조덕트 설계자가 제연덕트의 특성을 제대로 설계하지 못하는 것이다. 둘째, 좁은 환기기계실 공간으로 인한 송풍기와 덕트 연결시 흡입덕트 사이즈 규격 미달, 터닝베인 미설치, 루버 개구율 부족 등의 덕트사이즈 규격미달 시공으로 인한 송 풍기 정압손실이 과다 발생하고 있다는 점이다. 셋째로는, 예상 제연구역에서 구조물의 자연풍 또는 열차풍 등의 환경특성을 감안하지 않은 채 제연구역 댐퍼 동작 스케쥴의 선정으로 인한 제연설비 신뢰성 미확보이며, 끝으로, 거실 제연설비에 대한 법적 TAB 시행기준과 덕트기밀시험 등에 대한 절차가 없어 (사)대한설비공학회(SAREK) 등의 기준을 차용해 사용해야하는 번거로움이 있다는 것이 취약점으로 손꼽힌다.
둘째, 좁은 환기기계실 공간으로 인한 송풍기와 덕트 연결시 흡입덕트 사이즈 규격 미달, 터닝베인 미설치, 루버 개구율 부족 등의 덕트사이즈 규격미달 시공으로 인한 송 풍기 정압손실이 과다 발생하고 있다는 점이다. 셋째로는, 예상 제연구역에서 구조물의 자연풍 또는 열차풍 등의 환경특성을 감안하지 않은 채 제연구역 댐퍼 동작 스케쥴의 선정으로 인한 제연설비 신뢰성 미확보이며, 끝으로, 거실 제연설비에 대한 법적 TAB 시행기준과 덕트기밀시험 등에 대한 절차가 없어 (사)대한설비공학회(SAREK) 등의 기준을 차용해 사용해야하는 번거로움이 있다는 것이 취약점으로 손꼽힌다.
시험결과는 Figure 8과 Table 6과 같이 각 시험덕트 구역 별 제연덕트의 시스템 누기율이 0.9∼1.4%로 모두 5% 이하라 기준치 이하로 측정되어 모두 기준에 만족하여 성능이 확보되었다.
제연송풍기의 배출풍량에 대한 실험은 총 3차례 시행하였는데, 1, 2차 시험을 시행한 결과 흡입측 정압손실이 과다하게 발생하여 제연송풍기의 배출풍량이 Figure 9와 같이 제연풍량의 역할을 하기에 부족한 것을 확인하였다. 실패의 원인에 대하여 분석한 결과, ① 환기기계실이 좁은 관계로 송풍기 흡입측에 덕트를 바로 연결하여 불균등한 공 기흐름이 발생하였고, ② 정압손실량이 고려되지 않아 흡입덕트가 필요한 크기보다 작게 설치되었고, ③ 흡입 측 덕트에 터닝베인이 설치되지 않아 불균등한 공기흐름에 의한 정압손실이 발생하였고, ④ 환기구 루버 개구율의 부족 등이 그 원인이었다.
제연송풍기 제연풍량 확보에 따른 송풍기 정압의 변화 율은 Table 7과 Figure 10과 같이 당초 설계보다 FSF-01은 212%, FEF-01은 140%, FSF-02는 125%, FEF-02는 187%의 정압상승이 발생하여 송풍기 흡입측의 정압 손실량이 상당히 증가한 측정결과를 확인할 수 있었다.
제연송풍기의 배출풍량에 대한 실험은 총 3차례 시행하였는데, 1, 2차 시험을 시행한 결과 흡입측 정압손실이 과다하게 발생하여 제연송풍기의 배출풍량이 Figure 9와 같이 제연풍량의 역할을 하기에 부족한 것을 확인하였다. 실패의 원인에 대하여 분석한 결과, ① 환기기계실이 좁은 관계로 송풍기 흡입측에 덕트를 바로 연결하여 불균등한 공 기흐름이 발생하였고, ② 정압손실량이 고려되지 않아 흡입덕트가 필요한 크기보다 작게 설치되었고, ③ 흡입 측 덕트에 터닝베인이 설치되지 않아 불균등한 공기흐름에 의한 정압손실이 발생하였고, ④ 환기구 루버 개구율의 부족 등이 그 원인이었다.

후속연구

철도 지하 환승통로 거실제연설비에 대한 TAB 실험으로 제연설비의 성능확보에 영향을 미치는 실패요인들을 설계단계에서부터 인지하여 시공단계에서 반영된다면 설계 변경 없이 성능을 확보할 수 있을 것이다. 이를 위해 본 연구에서 수행한 성능평가 결과를 요약하면 다음과 같다.
하지만 본 연구는 철도 지하환승통로의 거실제연설비에 국한하여 얻어진 결과로 향후 거실제연설비를 설치하는 대공간이나 초고층 건축물 등에 대하여도 반드시 법제화를 통한 거실제연설비 TAB가 실시되어야 할 필요가 있다고 판단된다. 또한 본 연구에서 고려하지 못한 연기의 가시거리와 이용객의 피난시간(RSET)도 고려할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차압 제연설비보다 거실제연설비의 신뢰성 확보에 취약성이 있다고 할 수 있는 이유는?	그러나 지하 환승통로는 소방시설법시행령 제15조 별표5(1)에 따라 제연설비의 설치대상에서 제외되어 있어 자진설비로 설치되고 있는 실정이다. 제연설비는 NFSC 501A의 제25조(2)에 따른 차압제연설비와 NFSC 501(3)에 따른 거실제연설비로 구분할 수 있는데, 제연전용풍도와 시험, 측정 및 조정 등의 법적 TAB 시행기준을 보유하고 있는 차압 제연설비보다는 공조겸용풍도와 법적 TAB 시행기준이 없는 거실제연설비의 신뢰성 확보에 취약성이 있다고 할 수 있다.
	제연 TAB이란 무엇인가?	본 연구에서는 거실제연설비가 설치된 철도 지하환승통로에 현장성능평가시험인 제연 TAB(Test, Adjusting, Balancing)를 실시하여, 제연설비 성능 확보에 미치는 영향을 분석하고 개선방안을 도출하였다. 제연 TAB는 지하환승통로의 제연설비 설계자료 분석, 제연덕트 누기테스트, 제연송풍기와 덕트의 풍량 및 풍속 측정, Smoke test로 나누어 진행되었다.
	실험 시, 제연송풍기의 배출풍량이 제연풍량의 역할을 하기에 부족하다고 결과로 나온 원인은?	제연송풍기의 배출풍량에 대한 실험은 총 3차례 시행하였는데, 1, 2차 시험을 시행한 결과 흡입측 정압손실이 과다하게 발생하여 제연송풍기의 배출풍량이 Figure 9와 같이 제연풍량의 역할을 하기에 부족한 것을 확인하였다. 실패의 원인에 대하여 분석한 결과, ① 환기기계실이 좁은 관계로 송풍기 흡입측에 덕트를 바로 연결하여 불균등한 공기흐름이 발생하였고, ② 정압손실량이 고려되지 않아 흡입덕트가 필요한 크기보다 작게 설치되었고, ③ 흡입 측 덕트에 터닝베인이 설치되지 않아 불균등한 공기흐름에 의한 정압손실이 발생하였고, ④ 환기구 루버 개구율의 부족 등이 그 원인이었다.

참고문헌 (13)

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The Society of Air-conditioning and Refrigerating Engineering of Korea(SAREK), "Test code for leakage of HVAC (Heating, Ventilating and Air conditioning) Air Duct (SPS-KARSE B 0016-0178)", Korean Association of Air Conditioning Refrigerating and Sanitary Engineers (2015).
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S. K. Seol, "A study on the field performance evaluation & improvement of zone smoke control systems for between conventional railway and metro", Master's Thesis, The Graduate School of Industry, Pukyong National University (2017).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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