[논문]주방 화재시뮬레이션을 위한 목재 가연물의 CO 및 Soot Yields

문선여; 황철홍; 김성찬

doi:10.7731/kifse.2019.33.1.076

주방 화재시뮬레이션을 위한 목재 가연물의 CO 및 Soot Yields
CO and Soot Yields of Wood Combustibles for a Kitchen Fire Simulation 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.1, 2019년, pp.76 - 84

문선여 (대전대학교 대학원 방재학과) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과) , 김성찬 (경일대학교 소방방재학과)

초록
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성능위주설계(PBD)의 주방 화재시뮬레이션을 위해 요구되는 목재 가연물의 CO 및 Soot yields 정보를 제공하기 위하여, 개방 콘 칼로리미터를 활용한 실험이 수행되었다. 싱크장 제작에 널리 사용되는 MDF와 PB를 대상으로 함수율, 표면 가공처리 방식 및 색상에 따라 총 8가지의 시편이 검토되었다. 주요 결과는 다음과 같다. 동일 두께의 시편이라도 표면 가공처리 방법에 따라 깊이 방향으로의 화재확산과 관련된 열적 관통시간에 상당한 변화가 발생됨이 확인되었다. MDF와 PB series의 CO yield는 유염 연소 구간에서 연소 모드별 그리고 표면 가공처리 방식에 따라 큰 변화가 없다. 그러나 유염 연소모드에 비해 훈소 모드에서는 약 10배의 높은 $y_{CO}$가 측정되었다. 반면에 Soot yield는 연소 모드와 표면 가공처리 방식에 따라 상당한 차이를 보였다. 특히 유염 연소모드와 표면이 가공 처리된 시편에서 보다 높은 $y_{soot}$가 확인되었다. 마지막으로 PBD의 주방 화재시뮬레이션을 위하여 측정된 MDF와 PB의 $y_{CO}$ 및 $y_{soot}$ 적용 방안이 논의되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Experimental studies using an open cone calorimeter were conducted to provide information on the CO and soot yields of wood combustibles required for a kitchen fire simulation of PBD. A total of eight specimens were examined for medium density fiberboard (MDF) and particle board (PB), which are used widely in kitchen furniture production, depending on the water content, surface processing method, and surface color. The thermal penetration time related to the fire spread rate in the depth direction differed significantly according to the surface processing treatment method, even for a specimen of identical thickness. The CO yield ($y_{CO}$) of the MDF and PB series did not change significantly according to the combustion mode and surface treatment process in flaming mode. On the other hand, $y_{CO}$ was approximately 10 times higher in smoldering mode than in flaming mode. The soot yield ($y_{soot}$), however, varied considerably depending on the combustion mode and surface treatment process. In particular, a higher $y_{soot}$ was found in flaming mode and in the surface-treated specimens. Finally, the $y_{CO}$ and $y_{soot}$ of MDF and PB measured for the kitchen fire simulation of PBD were applied.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. CO and Soot Yields of Polyurethane and Wood Combustibles Presented in the SFPE Handbook⁽⁵⁾
그림 Figure 1. Schematic and photos of open cone calorimeter based on ISO 5660-1 standard.
그림 Figure 2. Photographs of the specimen before and after experiment for the MDF and PB series.
그림 Figure 3. Time history of heat release rate and change in combustion phenomena for the original PB.
그림 Figure 4. Comparisons of mass loss rate for the MDF and PB series.
그림 Figure 5. Comparisons of heat release rate for the MDF and PB series.
그림 Figure 6. Comparisons of CO₂ yield for the MDF and PB series.
그림 Figure 7. Comparisons of CO yield for the MDF and PB series.
그림 Figure 8. Comparisons of soot yield for the MDF and PB series.
표 Table 2. CO and Soot Yields for the MDF and PB Series Proposed in the Present Study

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 주방 화재시뮬레이션을 위해 요구되는 MDF와 PB를 대상으로 CO 및 Soot yields의 DB 제공을 목표로 하고 있으며, 이를 위해 ISO 5660-1 기준에 근거한 실험이 수행되었다. 실제 주방 가구에 적용되고 있는 표면 가공처리 된 다양한 MDF와 PB Series가 검토되었다.

가설 설정

특히 하이그로시의 표면 색상이 다른 HGW와 HGB 결과가 매우 동일하다는 것은, 본 실험에서 적용된 높은 열유속 조건(50 kW/m²)에서 표면 방사율이 미치는 효과가 크지 않음을 의미한다. PB Series (Figure 4(b))를 살펴보면, Dried PB, PB 그리고 LPM의 경향은 MDF Series의 질량 감소율과 유사하다. 그러나 시트지가 부착된 FW와 FB는 표면처리가 되지 않은 PB와 큰 차이를 보이지 않는다.

제안 방법

또한 초기 점화에서 훈소에 이르기까지 4단계의 현상에 따른 연소 모드를 구분하고, 이들에 대한 CO 및 Soot yields가 각각 측정·분석되었다.
에 근거한 개방 콘 칼로리미터(Open cone calorimeter) 시험장치가 제작되었다. 본 장치는 산소 농도에 따른 고체 가연물의 점화특성을 검토할 수 있는 밀폐형 콘 칼로리미터(Controlled atmosphere cone calorimeter, CACC)⁽¹¹⁾로도 활용될 수 있도록 설계되었으며, 정면과 측후방면의 개방을 통해 개방 콘 칼로리미터의 기능이 동시에 가능하다. 본 장치의 신뢰성은 표준 시편 (PMMA)을 대상으로 측정된 HRR, 점화시간 및 Yields와 기존 연구결과와의 비교를 통해 충분히 검토되었다.
성능위주설계(PBD)의 주방 화재시뮬레이션을 위해 요구되는 목재 가연물의 CO 및 Soot yields 정보를 제공하기 위하여, 개방 콘 칼로리미터를 활용한 실험이 수행되었다. 싱크장 제작에 널리 사용되는 MDF와 PB를 대상으로 함수율, 표면 가공처리 방식 및 색상에 따라 총 8가지의 시편이 검토되었다.
MDF로는 표면 가공 처리가 되지 않은 것(이하, MDF로 명명)과 UV(Ultraviolet) 특수 도료의 표면 코팅을 통해 광택을 갖도록 하는 하이그로시(High glossy)가 선정되었다. 이때 가공 표면의 색상에 따른 방사율(Emissivity)의 차이가 점화 및 연소특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 흰색(High glossy white, HGW)과 갈색(High glossy brown, HGB)이 각각 고려 되었다. 마지막으로 접착제 없이 멜라민 수지(Melamine resin)를 고온 압착한 Low pressure melamine (LPM)이 선정되었다.
이때 화염은 표면 근처에만 존재하거나, 간헐적으로 표면에서 확인되지 않는다. 즉, 균열된 표면 사이의 깊이 방향으로 열 또는 화염이 통과되는 시점이라 할 수 있으며, 본 논문에서는 열적관통 (Thermal penetration, TP) 모드라 명명하였다. 약 900 s가 지난 시점에서 다시 HRR이 증가되는 현상은 수직 표면을 따라열 및 화염이 바닥면까지 관통됨에 따라 2차 유염연소 (Flaming 2, F2)가 발생된다.
화재 및 피난시뮬레이션을 이용한 안전성 평가는 허용피난시간(Available safe egress time, ASET)과 요구피난시간(Required safe egress time, RSET)의 비교를 통해 수행된다.최근 5년간의 국내 PBD 보고서에서 화재 안전성을 결정짓는 가장 중요한 인자는 가시도 》 온도 ≥ CO의 순서를 보인다^(3,4).

대상 데이터

Figure 2는 본 연구에서 검토된 MDF와 PB series의 실험 전후 사진이 제시된 것으로, 주방 가구에 가장 많이 사용되는 표면 가공 처리된 시편이 선택되었다. MDF로는 표면 가공 처리가 되지 않은 것(이하, MDF로 명명)과 UV(Ultraviolet) 특수 도료의 표면 코팅을 통해 광택을 갖도록 하는 하이그로시(High glossy)가 선정되었다.
Figure 2는 본 연구에서 검토된 MDF와 PB series의 실험 전후 사진이 제시된 것으로, 주방 가구에 가장 많이 사용되는 표면 가공 처리된 시편이 선택되었다. MDF로는 표면 가공 처리가 되지 않은 것(이하, MDF로 명명)과 UV(Ultraviolet) 특수 도료의 표면 코팅을 통해 광택을 갖도록 하는 하이그로시(High glossy)가 선정되었다. 이때 가공 표면의 색상에 따른 방사율(Emissivity)의 차이가 점화 및 연소특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 흰색(High glossy white, HGW)과 갈색(High glossy brown, HGB)이 각각 고려 되었다.
마지막으로 접착제 없이 멜라민 수지(Melamine resin)를 고온 압착한 Low pressure melamine (LPM)이 선정되었다. PB series 역시, 가공되지 않은 PB(이하, PB), 접착제를 사용하여 흰색과 갈색의 시트지를 부착한 Film-faced white (FW)와 Film-faced brown (FB) 그리고 멜라민수지를 고온 압착한 LPM이 선정되었다. 또한 함수율의 영향을 확인하기 위하여, 표면 가공처리가 되지 않은 MDF와 PB를대상으로 103 ℃ 이상의 고온 환경에서 24 h 이상의 건조를 통해 함수율이 0%가 된 시편⁽¹⁴⁾에 대한 실험이 추가되었다.
이때 가공 표면의 색상에 따른 방사율(Emissivity)의 차이가 점화 및 연소특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 흰색(High glossy white, HGW)과 갈색(High glossy brown, HGB)이 각각 고려 되었다. 마지막으로 접착제 없이 멜라민 수지(Melamine resin)를 고온 압착한 Low pressure melamine (LPM)이 선정되었다. PB series 역시, 가공되지 않은 PB(이하, PB), 접착제를 사용하여 흰색과 갈색의 시트지를 부착한 Film-faced white (FW)와 Film-faced brown (FB) 그리고 멜라민수지를 고온 압착한 LPM이 선정되었다.
성능위주설계(PBD)의 주방 화재시뮬레이션을 위해 요구되는 목재 가연물의 CO 및 Soot yields 정보를 제공하기 위하여, 개방 콘 칼로리미터를 활용한 실험이 수행되었다. 싱크장 제작에 널리 사용되는 MDF와 PB를 대상으로 함수율, 표면 가공처리 방식 및 색상에 따라 총 8가지의 시편이 검토되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
주방 가구를 구성하는 MDF와 PB의 CO 및 Soot yields를 측정하기 위하여, ISO 5660-1의 국제 기준⁽⁹⁾에 근거한 개방 콘 칼로리미터(Open cone calorimeter) 시험장치가 제작되었다. 본 장치는 산소 농도에 따른 고체 가연물의 점화특성을 검토할 수 있는 밀폐형 콘 칼로리미터(Controlled atmosphere cone calorimeter, CACC)⁽¹¹⁾로도 활용될 수 있도록 설계되었으며, 정면과 측후방면의 개방을 통해 개방 콘 칼로리미터의 기능이 동시에 가능하다.

이론/모형

또한 실험 및 수치해석 연구를 통해 부분적인 개방으로 인한 외부 공기유입의 제한은 위의 측정값에 전혀 영향을 미치지 않음을 확인하였다^(12,13). HRR은 산소소모법(Oxygen consumption method)에 의해 측정되었으며, 프로판 연료를 사용하여 8 kW 범위까지 보정되었다. 가연물의 질량 감소율은 로드셀 (Load cell)을 통해 측정되었다.
HRR은 산소소모법(Oxygen consumption method)에 의해 측정되었으며, 프로판 연료를 사용하여 8 kW 범위까지 보정되었다. 가연물의 질량 감소율은 로드셀 (Load cell)을 통해 측정되었다. 이때 열에 의한 로드셀의 오차를 최소화시키기 위하여, 로드셀 설치 공간 외부 용기에 냉각수가 공급되었다.
콘 히터에서 시편에 가해지는 복사 열유속은 KS 연소 성능 시험 기준(KS F ISO 5660-1)에 의하여 50 kW/m² 적용하였으며, 덕트의 흡입 유량은 24 L/s 로 일정하게 유지되었다. 본 연구는 점화 이후의 CO 및 Soot yields에 관심을 갖기 때문에 스파크 점화(Spark ignition) 방식이 적용되었다. 모든 시편의 표면 크기는 10cm × 10 cm이며, 시편 홀더로 인하여 복사열을 받는 실제 표면적은 88.
후드 및 콘 히터 하단에서 시편 표면까지의 거리는 각각 250 mm와 25 mm이다. 콘 히터에서 시편에 가해지는 복사 열유속은 KS 연소 성능 시험 기준(KS F ISO 5660-1)에 의하여 50 kW/m² 적용하였으며, 덕트의 흡입 유량은 24 L/s 로 일정하게 유지되었다. 본 연구는 점화 이후의 CO 및 Soot yields에 관심을 갖기 때문에 스파크 점화(Spark ignition) 방식이 적용되었다.

성능/효과

Figure 4는 MDF 및 PB series에 대한 시간에 따른 질량 감소율을 비교·도시한 것이다. 먼저 MDF series (Figure 4(a))를 살펴보면, F1 구간에서는 큰 차이를 확인할 수 없으며 TP 구간을 거쳐 F2가 발생되는 시점은 Dried MDF이 MDF 보다 약 150초 이상 빠르게 나타난다. 이는 MDF가 갖는 함수율에 의한 효과라 할 수 있다.
이는 TP가 비록 유염연소 모드에 포함되었지만, 시편 표면에서의 화염 발생이 간헐적이기 때문에 부분적인 훈소 모드가 영향을 미친 것으로 예측된다. 가장 주목할 점으로, MDF와 PB series 모두 유염 연소구간의 최대 y_co를 기준으로, 훈소 모드에서는 각각 8.3배와 10.5배의 높은 y_co를 보이고 있다.
PB series의 훈소 모드를 제외하고, CO₂와 유사하게 표면 처리에 따른 y_co의 큰 변화가 발생되지 않는다. 각 유염 모드별 평균 y_co를 살펴보면, TP 구간에서 비교적 높은 CO가 측정되었다. 이는 TP가 비록 유염연소 모드에 포함되었지만, 시편 표면에서의 화염 발생이 간헐적이기 때문에 부분적인 훈소 모드가 영향을 미친 것으로 예측된다.
Figure 8(b)의 PB series 역시 MDF와 정성적 및 정량적으로 매우 유사한 결과를 보이고 있다. 결론적으로 주방 가구에 주로 적용되고 있는 MDF와 PB series의 CO yield는 표면 처리 여부보다는 유염 및 훈소 모드에 의해 더 큰 영향을 받는다. 정량적으로, 훈소 모드가 유염 모드에 비해 약 10 배 정도의 높은 y_co를 갖는다.
1-2차 HRR의 최대값, 열 및 화염이 깊이 방향으로 관통되는 시간 그리고 CO yield는 시편의 두께에 의해 큰 영향을 받는다⁽¹⁰⁾. 따라서 모든 시편의 두께는 실제 싱크장에서 가장 많이 사용되고 있는 1.8 cm로 고정되었다. 각 시편에 대한 실험은 3회 이상 반복되었다.
Figures 7-8에서 확인되었듯이, 유염과 훈소 모드에서 y_co 및 y_soot는 정량적 으로 서로 상반된 경향을 보이고 있으며, 유염과 훈소 모드에서의 각각의 Yield 값 차이는 매우 크게 발생된다. 따라서 주방 화재시뮬레이션을 위해 요구되는 MDF 및 PB의 y_co 및 y_soot는 특정 연소 모드의 값을 선택하기 보다는, 유염과 훈소 모드에 상관없이 최대값(수치에 밑줄 표기)을 적용하는 것이 화재 위험성을 평가하기 위한 보수적 관점에서 타당할 것으로 판단된다.
최근 5년간의 국내 PBD 보고서에서 화재 안전성을 결정짓는 가장 중요한 인자는 가시도 》 온도 ≥ CO의 순서를 보인다^(3,4). 따라서 화재성장곡선과 더불어 CO 및 Soot yields의 입력인자 정확성은 PBD 결과의 신뢰성을 결정하는 가장 핵심적인 인자라 할 수 있다. 그럼에도 불구하고 주방 가구를 구성하는 MDF와 PB의 CO 및 Soot yields 정보는 충분하지 않은 실정이다.
본 장치는 산소 농도에 따른 고체 가연물의 점화특성을 검토할 수 있는 밀폐형 콘 칼로리미터(Controlled atmosphere cone calorimeter, CACC)⁽¹¹⁾로도 활용될 수 있도록 설계되었으며, 정면과 측후방면의 개방을 통해 개방 콘 칼로리미터의 기능이 동시에 가능하다. 본 장치의 신뢰성은 표준 시편 (PMMA)을 대상으로 측정된 HRR, 점화시간 및 Yields와 기존 연구결과와의 비교를 통해 충분히 검토되었다. 또한 실험 및 수치해석 연구를 통해 부분적인 개방으로 인한 외부 공기유입의 제한은 위의 측정값에 전혀 영향을 미치지 않음을 확인하였다^(12,13).
PB의 경우에 시트지가 부착된 FW와 FB는 표면 가공처리 되지 않은 PB와 유사한 화재확산 현상을 보였으며, LPM은 다소 늦은 HRR의 2차 최고점이 관찰되었다. 위 결과로부터, 동일 두께의 시편이라도 표면 가공처리 방법에 따라 깊이 방향으로의 열 및 화염의 관통시간에 상당한 변화가 발생됨이 확인되었다.
반면에 Soot yield는 연소 모드와 표면 가공처리 방식에 따라 상당한 차이를 보인다. 특히 F1과 F2와 같은 유염연소 모드 그리고 표면이 가공 처리된 시편에서 보다 높은 y_soot가 확인되었다.
반면에 하이그로시 및 멜라민 수지로 표면 처리된 HGW, HGB 및 LPM은 F2의 발생 시기가 MDF보다 느리며, 정량적 질량 감소율은 매우 유사하다. 특히 하이그로시의 표면 색상이 다른 HGW와 HGB 결과가 매우 동일하다는 것은, 본 실험에서 적용된 높은 열유속 조건(50 kW/m²)에서 표면 방사율이 미치는 효과가 크지 않음을 의미한다. PB Series (Figure 4(b))를 살펴보면, Dried PB, PB 그리고 LPM의 경향은 MDF Series의 질량 감소율과 유사하다.
최근 Kim 등⁽¹⁰⁾은 MDF, PB 그리고 합판(Chip board)을 대상으로 시편의 두께에 따른 HRR, CO 및 CO₂ yields를 보고하였다. 표면 점화 및 화재성장으로 1차 HRR의 최고점이 발생되고, 깊이 방향으로 열적 관통(Thermal penetration) 또는 화재확산이 이루어지지면서 최종 바닥면의 점화로 2차 HRR의 최고점이 관찰되었다. 이와 같은 유염(Flaming) 연소에 비해 추가적 으로 발생되는 훈소(Smoldering) 연소에서는 연료의 질량 감소율은 낮아지고, CO의 생성율은 크게 증가된다.

후속연구

주방 가구의 화재 시, 유염과 훈소 영역은 화재확산 속도에 따른 화염면의 위치에 의해 결정될 수 있으며, 본 연구에서와 같이 명확하게 구분되기 보다는 동일한 시간대에 공존하게 된다. 따라서 실재 싱크장의 화재에서 정확한 CO 및 Soot yields를 산출하기 위해서는, 수평 및 수직 화재확산 속도에 따라 실시간으로 변화되는 연소 모드(유염과 훈소) 면적이 가중 평균에 고려되어야 할 것이다. 그러나 이러한 접근은 현실적으로 거의 불가능에 가깝다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성능위주설계란?	성능위주설계(Performance-based design, PBD)는 기존의 획일적인 법규위주설계(Prescriptive-based design) 문제점을 보완하기 위하여, 특정 소방대상물의 다양한 화재 환경을 고려한 공학기반의 화재안전 성능평가 기법이다. 최근 5년간(2011년 8월~2016년 3월) 국내 PBD 시행 현황을 살펴보면(1), PBD가 시행된 건축물 중에 복합용도 건축물이 85%를 차지하고 있다.
	최근 5년간의 국내 PBD 보고서에서 화재 안전성을 결정짓는 가장 중요한 인자의 순서는?	화재 및 피난시뮬레이션을 이용한 안전성 평가는 허용피난시간(Available safe egress time, ASET)과 요구피난시간(Required safe egress time, RSET)의 비교를 통해 수행된다. 최근 5년간의 국내 PBD 보고서에서 화재 안전성을 결정짓는 가장 중요한 인자는 가시도 》온도 ≥ CO의 순서를 보인다(3,4). 따라서 화재성장곡선과 더불어 CO 및 Soot yields의 입력인자 정확성은 PBD 결과의 신뢰성을 결정하는 가장 핵심적인 인자라 할 수 있다.
	중밀도 섬유판(Medium density fiberboard, MDF)과 파티클 보드(Particle board, PB)의 특징과 사용되는 위치는?	대부분의 주방 가구에는 원목 가공과정에서 발생되는 파쇄편이나 절삭편 등의 폐 조각(또는 톱밥 등)을 합성수지 접착제와 함께 고온-고압으로 압착 가공된 중밀도 섬유판(Medium density fiberboard, MDF)과 파티클 보드(Particle board, PB)가 널리 사용된다. 참고로 입자가 작아 단단하게 결합되어 강도가 높은 MDF는 싱크장의 문에 활용되고, 비교적 입자가 커서 강도가 약한 PB는 내부 몸체에 주로 활용되고 있다. 또한 습기에 대한 저항력, 내구성, 광택 및 외관(Appearance)을 개선시키기 위하여, 도료 및 시트지를 활용하여 표면이 가공 처리된 MDF와 PB가 널리 사용되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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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