[논문]구획 화재에서 스프링클러 열 손실계수 변화에 따른 작동 시간 분석

유우준

doi:10.7731/kifse.2018.32.5.034

초록
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본 연구에서는 구획 공간 화재 시 발열량이 급격히 변하는 조건에서 스프링클러헤드의 손실인자 변화에 따른 작동시간을 분석하였다. 이를 위해서 내화보드로 구성된 구획 공간의 크기가 폭 0.3 m, 세로 0.5 m, 길이 3.0 m인 구조물을 제작하고 헵탄(n-Heptane) 풀 화재 실험을 수행하여 구획 공간 내부의 온도 분포, 헵탄의 질량감소율 그리고 발열량을 산출하였다. 또한, Fire Dynamics Simulator (FDS) Version 6.5를 사용하여 실험 조건과 동일한 발열량을 가정하고 스프링클러헤드의 설치위치 및 손실인자(C-factor) 변화에 따른 작동 시간을 분석하였다. 그 결과 반응시간지수(Response Time Index, RTI)가 $100(m{\cdot}s)^{0.5}$이고 작동온도가 $72^{\circ}C$인 스프링클러는 화원 상층부의 기류 온도가 $100^{\circ}C$에서 $300^{\circ}C$로 상승하고, 기류의 속도가 약 0.7 m/s인 경우 C-factor = 0과 1일 때 스프링클러의 작동시간은 최소 30 s~60 s, C-factor = 3일 때 62 s에서 최대 92 s, C-factor = 5일 때 120 s 이상으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the experiment conditions for the variation of heat release rate in compartment space were constructed to analyze the effects of fire spread and the operation time of sprinkler in accordance with the heat loss of the sprinkler's heat element. The compartment composed of fire board (wi...

In this study, the experiment conditions for the variation of heat release rate in compartment space were constructed to analyze the effects of fire spread and the operation time of sprinkler in accordance with the heat loss of the sprinkler's heat element. The compartment composed of fire board (width = 0.3 m, height = 0.5 m, length = 3.0 m), are manufactured to measure the temperature distributions in the inner space, the mass loss rate and heat release rate during the experiment of N-heptane pool fire test. Also, the operation time of sprinkler is analyzed with the installation of sprinkler and C-factor using Fire Dynamics Simulator Ver.6 under the experiment conditions. The results show that the operation time of sprinkler, which has RTI $100(m{\cdot}s)^{0.5}$ operating temperature $70^{\circ}C$, is 30 s~60 s for C-factor = 0 and 1, 62 s~92 s for C-factor = 3, and 120 s over for C-factor = 5, respectively.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Schematic diagram of the heat transfer of the sprinkler.
그림 Figure 2. A picture of heptane pool fire experiment conditions in a compartment space.
그림 Figure 3. Fuel mass loss in a compartment space.
그림 Figure 4. Heat release rate in a compartment space.
표 Table 1. The Obtained Conditions for Experiment of the Sprinkler's C-factor
그림 Figure 5. Modeling of the n-heptane (center) pool fire test with sprinkler in compartment.
그림 Figure 6. The results of gas temperature, velocity, C = 0, 1, 3, and 5.
표 Table 2. Input Values of C-factor and HRR
그림 Figure 7. The results of operation time of sprinkler for C-factor = 0 and 1.
그림 Figure 8. The results of operation time of sprinkler for C-factor = 0 and 3.
그림 Figure 9. The results of operation time of sprinkler for C-factor = 0 and 5.

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 발열량이 급격히 증가하는 구획 화재에서 손실 계수가 매우 큰 스프링클러의 경우 작동 시간이 지연되어 화재가 확산되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 구획 공간에서헵탄 가연물을 사용하여 발열량이 급격히 증가하는 실험조건을 구성하였으며, 국내외 시험기준에서 범용화된 기존모델식(RTI, RTIv)과 Fire Dynamics Simulator (FDS) Version 6.5 해석 프로그램을 사용하여 손실계수 변화에 따른 스프링클러의 작동시간에 관한 기초 연구를 수행하고자 한다.
본 연구에서는 구획 공간 화재 시 발열량이 급격히 변하는 조건에 대해서 스프링클러의 열 손실 계수인 C-factor 변화에 따른 작동시간을 분석하였다. 그 결과 내화보드로 구성된 구획 공간의 길이 3 m, 폭 0.

대상 데이터

Figure 2는 폭 0.3 m, 세로 0.5 m 그리고 길이 3.0 m의 축소형 구획 공간에서의 화재 실험 과정을 나타낸 것으로 외벽의 열전도 계수는 0.1 W/m·K인 내화보드를 사용하였으며, 가연물은 팬의 크기가 15 cm이고 순도 99%인 헵탄(n-Heptane)을 사용하였다.
. 최대 발열량(#)은 Table 1의 실험조건으로부터 #를 적용하여 식 (6)의 무차원 격자 크기의 값에 대한 타당성(10∼20)과 격자 의존성 평가를 수행한 결과 최종 격자의 크기는 2 cm로 하여 총 630,000개의 격자에 대한 해석을 수행하였다. 해석 장치의 사양은 Intel(R) Core i7-8770K @ 3.

데이터처리

스프링클러의 C-factor 변화에 따른 작동시간을 분석하기 위해서 FDS 해석 프로그램을 사용하여 실험 조건과 동일한 상태를 모사하였다. 해석 공간의 격자 크기를 선정하기 위한 특성 화재직경의 관계식 및 선정 조건은 식 (6)과 같다⁽¹⁴⁾.

성능/효과

둘째, FDS 해석결과로부터 구한 기류 온도 및 속도 조건에서 구획 공간의 길이 및 높이 방향을 고려하여 스프링클러의 C-factor 변화에 따른 작동시간을 분석한 결과 C-factor = 0과 1의 경우 화염 중심부에서 스프링클러의 작동시간은 최소 30 s에서 최대 60 s 정도로 유사한 결과를 나타낸 반면 C-factor = 3일 때 화염 중심부에서 스프링클러의 작동시간은 최소 62 s에서 최대 92 s, C-factor = 5인 경우 120 s 이상 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 C-factor의 크기 변화에 따라서 스프링클러가 작동되는 시간을 정량화 한 결과로 향후 스프링클러의 분사 특성을 고려하여 화재 확산 가능성을 판단하기 위한 기초 연구 자료의 활용이 가능할 것으로 사료된다.
첫째, 발열량 산출값을 적용하여 FDS 화재해석을 수행한 결과 RTI 100 (m·s)0.5이고 작동온도 72 ℃인 스프링클러는 기류의 온도가 100 ℃에서 300 ℃까지 증가하고 기류의 속도는 약 0.7 m/s 정도인 경우 화원 중심부에서 높이 0.46 m인 천장 지점에 대해서 C-factor의 값이 0, 1, 3, 그리고 5일 때 작동시간은 52 s, 60 s, 80 s 그리고 120 s 정도로 나타났다.

후속연구

둘째, FDS 해석결과로부터 구한 기류 온도 및 속도 조건에서 구획 공간의 길이 및 높이 방향을 고려하여 스프링클러의 C-factor 변화에 따른 작동시간을 분석한 결과 C-factor = 0과 1의 경우 화염 중심부에서 스프링클러의 작동시간은 최소 30 s에서 최대 60 s 정도로 유사한 결과를 나타낸 반면 C-factor = 3일 때 화염 중심부에서 스프링클러의 작동시간은 최소 62 s에서 최대 92 s, C-factor = 5인 경우 120 s 이상 소요되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 C-factor의 크기 변화에 따라서 스프링클러가 작동되는 시간을 정량화 한 결과로 향후 스프링클러의 분사 특성을 고려하여 화재 확산 가능성을 판단하기 위한 기초 연구 자료의 활용이 가능할 것으로 사료된다.
Figure 9의 경우 화염 근방에서도 스프링클러의 작동 시간이 120 s 이상 소요되었으며, 이러한 결과는 스프링클러의 접합부에서 열 손실이 증가할수록 C-factor의 크기가 증가하게 되고 그 결과 스프링클러가 작동되는 시간이 지연됨에 따라서 주변으로 화재가 확산될 수 있는 가능성이 높아지는 것을 의미한다. 하지만, 본 연구는 스프링클러가 작동되기 이전의 분석 결과로 화재 확산 유무를 보다 정확히 판단하기 위해서는 향후 스프링클러의 분사 특성을 고려한 연구가 필요한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스프링클러 설비란?	스프링클러 설비는 화재를 조기에 진압할 수 있는 가장전형화된 소화설비 중 하나이다[1-3]. 하지만 화재가 발생하였을 때 스프링클러의 작동이 지연되는 경우 발화 지점에서 지속적으로 생성되는 열 및 연기에 의해서 주위 온도가 상승하게 되어 주변의 가연물로 화재 확산이 급격히 이루어 질 수 있다[1-5].
	스프링클러의 작동은 어떻게 이루어 지는가?	따라서 스프링클러의 작동 시간은 화재진압 유무를 결정지을 수 있는 매우 중요한 인자 중 하나이다. 특히, 스프링클러의 작동은 화원에서 발생된 열원에 의해서 감열부가 이탈 또는 용융되어 유수로가 개방되고작동 유체인 물이 방사되는 구조로 구성되어 있다[6,7]. 이러한 이유로 국내를 포함한 유럽 및 아시아 등 세계 여러 국가에서는 감열부의 열전달 현상을 고려한 반응시간지수(Response Time Index, RTI)에 의해서 스프링클러의 감도시험을 적용하고 있다[6-10].
	스프링클러의 작동 시간이 화재진압 여부를 결정지을 수 있는 매우 중요한 인자 중 하나인 이유는?	스프링클러 설비는 화재를 조기에 진압할 수 있는 가장전형화된 소화설비 중 하나이다[1-3]. 하지만 화재가 발생하였을 때 스프링클러의 작동이 지연되는 경우 발화 지점에서 지속적으로 생성되는 열 및 연기에 의해서 주위 온도가 상승하게 되어 주변의 가연물로 화재 확산이 급격히 이루어 질 수 있다[1-5]. 따라서 스프링클러의 작동 시간은 화재진압 유무를 결정지을 수 있는 매우 중요한 인자 중 하나이다.

참고문헌 (16)

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W. J. You, H. J. Moon, M. C. Youm and H. S. Ryou, "An Investigation on the Thermal Characteristics of Heat-Responsive Element of Sprinkler Head", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 26, No. 3, pp. 79-84 (2012).
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V. Motevalli and S. Riahi, "Transient Ceiling Jet Temperature and Velocity Profiles in the Presence of an Upper Layer: Comparison with Predictions by LAVENT and JET Computer Fire Models", Journal of Fire Sciences, Vol. 26, No. 2, pp. 109-131 (2008).

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C. R. Theobald, "Thermal Response of Sprinklers Part 1. FRS Heated Wind Tunnel", Fire Safety Journal, Vol. 12, No. 1, pp. 51-63 (1987).

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James G. Quintiere, "Principle of Fire Behavior", Delmar Publishers, pp. 2-3 (1998).
K. McGrattan, S. Hostikka, R. Mcdermott, J. Floyd, C. Winschenk and K. Overholt, "Fire Dynamics Simulator User's Guide", NIST Special Publication 1019, p. 20 (2013).
T. L. Bergman, F. P. Incropera, D. P. DeWitt and A. S. Lavine, "Fundamentals of heat and mass transfer", John Wiley & Sons (2011).

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