[논문]제연구역의 압력변화에 따른 풍량제어 배출댐퍼 개발

이동명

doi:10.7731/kifse.2018.32.4.069

초록
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본 연구에서는 기존 제연설비의 문제점 개선 및 제연설비의 성능극대화를 위해 제연구역의 압력변화에 따라 풍량제어가 가능한 배출댐퍼를 개발하였으며, 개발 댐퍼의 효용성 검증과 상용화를 위해 성능시험을 실시하였다. 시험결과로부터 개발 배출댐퍼에 의해 급기량이 약 1 ~ 5% 정도 더 증가되는 것으로 나타났고, 제연구역에는 송풍기의 설계풍량 이상의 안정적인 풍량이 공급됨으로 풍량제어 배출댐퍼의 효용성이 입증되었다. 풍량제어 배출댐퍼의 원천기술을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study developed a ventilation damper that can control flow rate according to pressure differential variation of the smoke control room in order to improve problems related to existing smoke management systems and maximizing performance of smoke management systems. The development damper was tes...

This study developed a ventilation damper that can control flow rate according to pressure differential variation of the smoke control room in order to improve problems related to existing smoke management systems and maximizing performance of smoke management systems. The development damper was tested for verification of utility and performance. The supply flow of the developed ventilation damper was increased by about 1 to 5%. The results prove the effectiveness of the flow control ventilation damper by providing stable flow over the designed flow of the fan in the smoke control room. In addition, the study acquired the original technology for a flow control ventilation damper.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. The process and algorism of flow control ventilation damper.
그림 Figure 2. Action mechanism of flow control ventilation damper.
그림 Figure 3. Modeling of flow control ventilation damper.
그림 Figure 4. Angular velocity of motor gear.
표 Table 1. Conditions of Motion Analysis
그림 Figure 5. Angular velocity of sector gear.
그림 Figure 6. Angular momentum of motor gear.
그림 Figure 7. Angular momentum of sector gear.
표 Table 2. Motion Analysis Results of Ventilation Damper
표 Table 3. Conditions of Performance Test
그림 Figure 8. Performance test of ventilation damper.
그림 Figure 9. Pressure variation for open angle of damper.
그림 Figure 10. Flow variation for open angle of damper.
그림 Figure 11. Fan applied flow for open angle of damper.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 제연설비의 성능을 확보․유지하기 위해 안정적인 풍량공급과 송풍기의 풍량를 효율적으로 사용(설계풍량 100%)할 수 있는 풍량제어 배출댐퍼(Flow control ventilation damper)를 제연구역의 압력변화에 따라 풍량을 조절할 수 있도록 개발하였고, 개발 댐퍼의 효용성 검증과 상용화를 위해 성능시험을 실시하였다.

가설 설정

굴뚝효과의 계산은 높이 185 m의 고층 건축물에서 겨울철에 화재가 발생하였다고 가정하였다. 외부 온도 T_O = -18℃, 건물 계단실의 온도 T_S = 2℃, 중성면(Neutral plane)을 건물의 중간 높이라고 가정하면, 최상층에 작용하는 굴뚝 효과를 식(2)에 의해 계산하였고, 결과는 Table 1과 같다.

제안 방법

1) 풍량제어 배출댐퍼의 프로세스 및 알고리즘, 동작 메커니즘, 모델링 및 운동해석, 성능시험방법 등을 정립함으로써 댐퍼개발의 원천기술을 확보하였다.
댐퍼날개에 Table 1의 압력 ΔP가 작용하고 배출댐퍼의 날개가 개폐될 때, 유성기어(Planetary gear)의 각속도(ω)와 각운동량(Mω)을 계산하였고, 이들 결과로부터 DC 모터의 회전력을 결정하였다.
외부 온도 T_O = -18℃, 건물 계단실의 온도 T_S = 2℃, 중성면(Neutral plane)을 건물의 중간 높이라고 가정하면, 최상층에 작용하는 굴뚝 효과를 식(2)에 의해 계산하였고, 결과는 Table 1과 같다. 댐퍼날개의 개폐시간은 KS B 6266⁽⁹⁾에서 요구하는 동작시간을 고려하여 25 s로 제한하였으며, 이 시간을 운동해석시간으로 설정하였다.
배출댐퍼의 동적 시뮬레이션을 통해 각 요소의 기구적인 간섭을 해소하였고, 구동장치에서 선정된 유성기어의 적정성을 검토하였다. 댐퍼날개에 Table 1의 압력 ΔP가 작용하고 배출댐퍼의 날개가 개폐될 때, 유성기어(Planetary gear)의 각속도(ω)와 각운동량(M_ω)을 계산하였고, 이들 결과로부터 DC 모터의 회전력을 결정하였다.
프로세스 및 알고리즘, 동작 메커니즘과 운동해석에서 도출된 Table 2의 엔지니어링 데이터를 근거로 Figure 3의 모델링과 동일하게 풍량제어 배출댐퍼의 모형을 제작하였고, 제작된 배출댐퍼의 효용성 검증과 상용화를 위해 성능시험을 하였다. 제연구역의 압력변화에 대한 풍량은 배출댐퍼의 개방각도에 대해 측정하였다. 배출댐퍼의 개방각도에 따른 제연구역의 압력 및 유량변화, 배출댐퍼의 동작시간과 회전력 등을 시험하였고, 시험조건 및 방법 등은 KSB 6266-2010⁽⁹⁾과 자동차압과압조절형댐퍼의 성능시험 기술기준⁽¹⁰⁾에 따라 실시하였으며, 시험조건은 Table 3과 같다.
제연설비의 성능을 확보․유지하기 위해 안정적인 풍량공급과 송풍기의 풍량를 효율적으로 사용(설계풍량 100%)할 수 있는 풍량제어 배출댐퍼를 제연구역의 압력변화에 따라 풍량을 조절할 수 있도록 개발하였으며, 개발 댐퍼의 효용성 검증과 상용화를 위해 성능시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
프로세스 및 알고리즘, 동작 메커니즘과 운동해석에서 도출된 Table 2의 엔지니어링 데이터를 근거로 Figure 3의 모델링과 동일하게 풍량제어 배출댐퍼의 모형을 제작하였고, 제작된 배출댐퍼의 효용성 검증과 상용화를 위해 성능시험을 하였다. 제연구역의 압력변화에 대한 풍량은 배출댐퍼의 개방각도에 대해 측정하였다.

이론/모형

댐퍼날개의 각운동량을 결정하기 위해 운동해석을 하였고, 운동해석은 Figure 3의 모델링을 이용하여 Solidwork⁽⁸⁾를 사용하였고, 해석조건은 Table 1과 같다. Figure 3의 댐퍼날개에 작용하는 댐퍼날개를 개폐할 때 작용하는 압력(ΔP)은 굴뚝효과에 의한 압력(ΔP_SO)과 송풍기의 압력(ΔP_F)을 합한 크기로 작용하게 된다.
제연구역의 압력변화에 대한 풍량은 배출댐퍼의 개방각도에 대해 측정하였다. 배출댐퍼의 개방각도에 따른 제연구역의 압력 및 유량변화, 배출댐퍼의 동작시간과 회전력 등을 시험하였고, 시험조건 및 방법 등은 KSB 6266-2010⁽⁹⁾과 자동차압과압조절형댐퍼의 성능시험 기술기준⁽¹⁰⁾에 따라 실시하였으며, 시험조건은 Table 3과 같다.

성능/효과

2) 배출댐퍼의 개방각도가 커짐에 따라 압력변화는 댐퍼가 90° 완전 개방되면 초기 설정압력보다 약 61% 줄어드는 것으로 나타났다.
3) 송풍기의 풍량은 약 2～5% 정도 줄어들지만, 배출댐퍼에 의한 전체 급기량은 약 1～5% 정도 더 증가되는 것으로 나타났다.
4) 제연구역에 송풍기 설계풍량 100% 이상의 안정적인 풍량공급으로 풍량제어 배출댐퍼의 효용성을 입증하였다.
01 s, 0～10 hr)를 이용하여 측정하였으며, Figure 12와 같이 결과를 얻었다. 측정결과 동작시간은 평균 23.42 s로 성능시험조건과 비교해보면 1.58 s 짧게 측정되었다. 시험결과가 성능시험조건보다 짧기 때문에 화재 시 댐퍼의 동작시간을 앞당겨 줌으로 댐퍼의 기능측면에서는 오히려 더 좋은 결과라고 할 수 있다.
의 토크 메터(0 ～1,000 N-m)를 이용하여 측정하였으며, Figure 13과 같이 결과를 얻었다. 측정결과 토크는 평균 49.97 N-m이고 성능시험조건과 비교해보면 0.06% (0.03 N-m)의 오차로 거의 무시할 정도이며 시험조건에 만족한다. 이 결과로부터 Table 2에서 선정된 모터의 토크는 굴뚝효과 송풍기의 압력을 받는 댐퍼를 개폐하는 데 문제가 없을 것으로 본다.
해석결과에서 알 수 있듯이 유성기어로 감속시키면 모터의 작은 운동량으로 약 9배 정도의 큰 운동량을 낼 수 있음을 알 수 있다. 즉, 압력 ΔP = 791.

후속연구

5) 배출댐퍼가 상용화된다면 제연설비의 성능 극대화가 가능할 것으로 보며, 연기의 침입 ․ 확산을 방지하여 피난안전성을 확보하고 인명과 재산피해를 최소화할 수 있을 것으로 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제연설비란 무엇인가?	건축물의 화재안전 성능확보를 위해 화재 시 사람이 보다 안전하게 피난할 수 있는 공간적 대응과 화재감지 및 소화활동 등을 위한 설비적 대응으로 구성된다. 소방설비중 제연설비는 재실자나 거주자의 피난안전성을 확보하는데 중요한 설비이다.
	건축물의 화재안전 성능확보의 구성 요소는 무엇인가?	건축물의 화재안전 성능확보를 위해 화재 시 사람이 보다 안전하게 피난할 수 있는 공간적 대응과 화재감지 및 소화활동 등을 위한 설비적 대응으로 구성된다. 소방설비중 제연설비는 재실자나 거주자의 피난안전성을 확보하는데 중요한 설비이다.
	모터볼륨댐퍼의 개구율을 조절하여 풍량을 제어하는 연구가 가지는 한계점은 무엇인가?	효율적인 풍량제어를 위한 유사 연구 중 소방분야에서는 재실자의 피난상황에 따라 화재모드와 피난모드로 구분하고 이들 모드에 따라 모터볼륨댐퍼의 개구율을 조절하는 방식(2)과 건축설비분야에서는 실내 CO2의 농도에 따라 적정 환기량을 얻기 위해 모터볼륨댐퍼의 개구율을 조절하여 풍량을 제어하는 연구(3)가 수행되었다. 이들 연구는 댐퍼의 개구율에 따라 제어되는 풍량이 비례적이지 않기 때문에 제연설비의 성능이나 공조설비의 최적 풍량을 확보하고 실용화하는데 한계가 있다.

참고문헌 (10)

NFSC 501A, "National Fire Safety Code of Stair Cases of Specific fire Escape Stairs and Smoke Control Systems of Ancillary Rooms", MPSS (2016).
D. M. Lee, "A Study on the Development of Dual Mode Damper for Flow Control of Smoke Control Room", Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 17, No. 4, pp. 181-187 (2017).

상세보기
D. W. Yoon and B. W. Ahn, "The Evaluation on the Control Characteristics of Air Volume According to the Stroke Ratio of Damper Blade in Demand Controlled Ventilation (DCV) System", Journal of the Architectural Institute of Korea Planning & Design, Vol. 20, No. 9, pp. 281-288 (2004).
D. M. Lee and B. G. Yoo, "A Basic Study on the Pressure Controlled Ventilation Damper for Performance Improvements of Smoke Control Systems", Proceedings of 2017 Autumn Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 203-204 (2017).
M. S. Kang and M. H. Son, "Mechanism Engineering", pp. 15-94 (1981).
G. T. Tamura, "Smoke Movement and Control in High-Rise Buildings", National Fire Protection Association, pp. 41-96 (1994).
D. M. Lee, "Smoke Management Engineering", Donhaw Pub., pp. 137-166 (2017).
Matt Lombard, "Solidworks 2010 Bible", Wiley Publishing Inc. (2010).
KATS, "KS B 6266 : Test Methods of Smoke and Heat Control Systems-Part 3: Smoke Dampers" (2010).
KFI, "Performance Test Technical Standard of Auto Pressure Differential and Over Pressure Control Type Damper" (2015).

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