성능위주 화재안전설계에서 요구 피난시간(Required safe egress time, RSET)의 정확한 평가를 위해서는 화재감지기 작동시간에 대한 정확한 예측이 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 실험 및 수치해석을 통해 화재감지기의 작동시험에 널리 적용되고 있는 Plunge test의 문제점이 검토되었다. 또한 이를 개선시킬 수 있는 새로운 Shield-cup test가 제안되었다. 측정의 정확성 및 재현성 확보를 위하여 개발된 Fire detector evaluator (FDE)가 적용되었다. 주요 결과로서, Plunge test에서는 감지기가 투입되는 순간에 급격한 유동변화로 인하여 연기감지기의 작동시간에 큰 측정오차가 발생되었으며, Shield-cup test에서는 감지기 노출 과정에서 장치 내부의 유동 변화가 거의 확인되지 않았다. 결론적으로 Shield-cup test는 모사된 화재환경에서 화재감지기의 응답특성을 보다 정확히 평가하는데 상당히 유용할 것으로 기대된다.
성능위주 화재안전설계에서 요구 피난시간(Required safe egress time, RSET)의 정확한 평가를 위해서는 화재감지기 작동시간에 대한 정확한 예측이 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 실험 및 수치해석을 통해 화재감지기의 작동시험에 널리 적용되고 있는 Plunge test의 문제점이 검토되었다. 또한 이를 개선시킬 수 있는 새로운 Shield-cup test가 제안되었다. 측정의 정확성 및 재현성 확보를 위하여 개발된 Fire detector evaluator (FDE)가 적용되었다. 주요 결과로서, Plunge test에서는 감지기가 투입되는 순간에 급격한 유동변화로 인하여 연기감지기의 작동시간에 큰 측정오차가 발생되었으며, Shield-cup test에서는 감지기 노출 과정에서 장치 내부의 유동 변화가 거의 확인되지 않았다. 결론적으로 Shield-cup test는 모사된 화재환경에서 화재감지기의 응답특성을 보다 정확히 평가하는데 상당히 유용할 것으로 기대된다.
It is necessary to predict the activation time of fire detectors accurately to improve the reliability for evaluating the required safe egress time (RSET) in performance-based fire safety design. In this study, problems of the plunge test, which is widely applied in assessing fire detectors, were ex...
It is necessary to predict the activation time of fire detectors accurately to improve the reliability for evaluating the required safe egress time (RSET) in performance-based fire safety design. In this study, problems of the plunge test, which is widely applied in assessing fire detectors, were examined through experiments and numerical simulations. In addition, a new shield-cup test method was proposed to address these problems. A fire detector evaluator (FDE) developed in a previous study was applied to ensure measurement accuracy and reproducibility. During the plunge tests, a significant measurement error was observed in the activation time of the smoke detector because of the rapid flow change when the detector was input. However, during the shield-cup tests, slight changes occurred in the flow inside the FDE when the detector as exposed to smoke. In conclusion, the proposed shield-cup test method is expected to be useful for evaluating the response characteristics of fire detectors more accurately in simulated fire environments.
It is necessary to predict the activation time of fire detectors accurately to improve the reliability for evaluating the required safe egress time (RSET) in performance-based fire safety design. In this study, problems of the plunge test, which is widely applied in assessing fire detectors, were examined through experiments and numerical simulations. In addition, a new shield-cup test method was proposed to address these problems. A fire detector evaluator (FDE) developed in a previous study was applied to ensure measurement accuracy and reproducibility. During the plunge tests, a significant measurement error was observed in the activation time of the smoke detector because of the rapid flow change when the detector was input. However, during the shield-cup tests, slight changes occurred in the flow inside the FDE when the detector as exposed to smoke. In conclusion, the proposed shield-cup test method is expected to be useful for evaluating the response characteristics of fire detectors more accurately in simulated fire environments.
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문제 정의
. 따라서 본 연구에서는 Plunge test의 시험방법에 의해 야기되는 장치 내부의 순간적인 유동 불균일성이 광전식 연기감지기의 작동시간 및 OPM에 미치는 영향을 규명하기 위하여 실험 및 수치해석 연구를 수행하였다. 또한 기존 Plunge test의 문제점을 개선하기 위한 새로운 개념의 Shield-cup test를 제안하였다.
본 연구에서는 스프링클러, 열 및 연기감지기의 연기농도 및 RTI 등 순간적인 물성치의 측정을 위하여 적용되는 Plunge test의 문제점 개선을 위하여 Shield-cup test가 개발되었다. 시험장치로는 유속 및 연기농도의 제어가 가능한 화재감지기시험장치(FDE)가 적용되었다.
제안 방법
1) FDE를 이용하여 Plunge test의 구현을 위해, 두 개의 문이 교체됨에 따라 순간적으로 연기감지기가 FDE 내부로 투입되었다. 문이 교체되는 과정에서 연기농도 및 유속의 급격한 변화가 측정되었으며, Shield-cup에 의해 감지기가 노출되는 경우 내부 유동의 변화가 없음을 확인하였다.
광전식 연기감지기의 시험방법에 대한 고찰을 위하여, 본 연구에 적용된 Fire detector evaluator (FDE)는 크게 연기 발생을 위한 버너, 공기 공급 장치, 유동 균일화를 위한 유량 분배장치, 그리고 온도, 유속 및 연기 농도 측정장치로 구성되었다(15). Figure 1(a)는 FDE의 개략도를 도시한 것으로서, 덕트의 단면은 0.
따라서 본 연구에서는 Plunge test의 시험방법에 의해 야기되는 장치 내부의 순간적인 유동 불균일성이 광전식 연기감지기의 작동시간 및 OPM에 미치는 영향을 규명하기 위하여 실험 및 수치해석 연구를 수행하였다. 또한 기존 Plunge test의 문제점을 개선하기 위한 새로운 개념의 Shield-cup test를 제안하였다. 본 연구결과는 향후 보다 정확한 화재감지기 및 스프링클러의 응답특성을 평가하기 위한 시험장치 개발에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
그림에 제시된 바와 같이, 연기의 발생은 연료가 포함된 밀폐된 용기 상단에 램프 심지를 설치하고, 심지의 노출길이 그리고 개수를 통해 열발생률 및 연기 생성량이 조절(17)되었으며, 심지의 개수는 4개 노출길이는 10 mm로 고정되었다. 또한 환기구의 면적 변화가 가능한 버너 내부에 연기 발생장치를 위치함으로써, 낮은 발열량의 조건에서 연기 발생량의 조절이 가능하도록 하였다. 이와 같은 램프 심지 및 환기량 조절 방법은 장치 내부의 온도를 낮게 유지시킬 수 있기 때문에, 결과적으로 열적 성층화에 의한 감지기의 응답특성 오차를 최소화 시킬 수 있다(15).
연기의 연기농도 측정은 레이저 모듈과 포토셀(Photocell)이 적용된 광소멸법(19)에 의해 실시간 측정되었다. 연기발생을 위한 연료로서 등유(C15H32)가 사용되었으며, 연료의 질량 감소율과 Soot yield가 측정되어 Fire dynamics simulator (FDS)을 이용한 시뮬레이션의 입력정보로 활용되었다. 마지막으로 연기감지기가 설치된 수직높이는 유속 및 OPM의 측정위치와 동일한 0.
Figure 6은 Plunge 및 Shield-cup의 시험방법에 따라 연기 감지기의 응답 특성에 대해 측정 및 예측결과를 도시한 것이다. 이때 시험방법에 따라 15회의 반복실험을 통하여 각 측정값에 대한 재현성이 고려되었다. 먼저 Plunge test의 실험결과를 살펴보면, 연기감지기 작동순간의 OPM이 매우 넓은 범위를 갖는 것을 확인할 수 있다.
0097 g/s가 고려되었다. 이후 문헌에 제시되어 있는 유효연소열(Heat of combustion, kJ/kg)을 통해 단위면적당 열 발생률(Heat release rate per area, HRRPUA, kW/m2)이 환산되어 적용되었다. 램프 심지를 통해 연소되는 등유의 단위 질량당 발생되는 soot의 질량을 의미하는 Soot yield (ys)는 0.
대상 데이터
본 연구에 적용된 광전식 연기감지기는 T사에서 생산되는 2종/보통형/비방수형/비축적형/재용형이다. 국내의 ‘감지기 형식승인 및 제품검사의 기술기준’에 따라 이 감지기는 0.
본 연구에서는 스프링클러, 열 및 연기감지기의 연기농도 및 RTI 등 순간적인 물성치의 측정을 위하여 적용되는 Plunge test의 문제점 개선을 위하여 Shield-cup test가 개발되었다. 시험장치로는 유속 및 연기농도의 제어가 가능한 화재감지기시험장치(FDE)가 적용되었다. Plunge test의 문제점을 정량적으로 제시하기 위하여, 시험 방법에 따른 수치해석 연구가 병행되었다.
. 연기감지기 수치모델로서 Heskestad 모델(26)이 적용되었으며, 이때 요구되는 특성길이(2.52 m) 및 작동이 개시되는 OPM (37.12 %/m)은 본 연구에 적용된 감지기 및 연료(등유)를 대상으로 측정되었다. 이때 실제화원의 구현을 위하여 로드셀을 활용하여 연료의 질량감소율(Mass loss rate, MLR, g/s)이 측정되었으며, 0.
이 각각 변경되어 설정되었다. 화재특성직경(Fire characteristics diameter)의 적절한 해상도(25) 및 격자 민감도 분석을 통해 적용된 격자의 크기는 최종 0.01 m가 선정되었다.
데이터처리
이때 장치 내부의 유속 및 연기농도가 정상 상태에 도달한 후에 Shield-cup을 하부로 제거함으로써, 모사된 화재조건에 순간적으로 감지기가 노출되도록 고안되었다. Shield-cup test로 인한 감지기 응답특성 평가의 타당성은 기존 Plunge test의 결과와 직접 비교·검토되었다.
이론/모형
Plunge test의 문제점과 제안된 Shield-cup test의 타당성을 수치적으로 검토하기 위하여, NIST에서 개발된 Fire Dynamics Simulator (FDS, version 6.3.0)(24)가 활용되었다. Figure 3은 FDE가 모사된 계산영역을 도시한 것이다.
Figure 5은 Shield-cup test에서 시간에 따라 측정된 단면의 수직방향 유속 및 OPM을 도시한 것이다. Shield-cup test를 제거하는 시간은 Plunge test의 감지기 투입시간과 동일하게 적용하였다. Plunge test의 감지기 투입 이후의 유속 및 OPM의 비교를 위하여, 그림에 감지기가 노출된 후의 구간을 표기하였다.
Figure 1(b)에 제시된 바와 같이 단면의 수직방향 유속을 측정하기 위하여 열선유속계(TESTO 480)가 사용되었으며, 비교적 높은 유속 및 연기농도의 조건에서는 차압센서를 통해 보정된 양방향 유속계(Bi-directional velocity probe)가 동시에 사용되었다. 연기의 연기농도 측정은 레이저 모듈과 포토셀(Photocell)이 적용된 광소멸법(19)에 의해 실시간 측정되었다. 연기발생을 위한 연료로서 등유(C15H32)가 사용되었으며, 연료의 질량 감소율과 Soot yield가 측정되어 Fire dynamics simulator (FDS)을 이용한 시뮬레이션의 입력정보로 활용되었다.
성능/효과
이러한 현상은 고려된 모든 단면 평균유속의 조건에서 동일하게 확인된다. 이와 동시에 Figure 4(b)의 OPM 결과를 살펴보면, 문의 개방 초기에 일부 증가하다가 감지기의 투입 이후 다시 급격하게 증가됨을 볼 수 있다. 초기 OPM의 증가는 단면평균 유속에 따라 정량적 차이를 보이지만, 감지기 투입 이후의 연기농도의 증가는 유사하게 확인된다.
2) Plunge test에 따라 연기감지기는 10 s 이내에 작동되며, 작동 순간의 OPM은 감지기 자체의 공칭작동농도에 비해 높은 값을 갖는 경우가 발생된다. 또한 Shield-cup test는 시험과정에서 발생되는 장치 내부의 유동 교란 방지를 통해 감지기 작동 순간의 OPM은 연기발생장치에서 공급되는 연기 농도의 범위를 갖는다.
3) 감지기 작동시험을 위해 균일한 유동을 형성시키는 전처리 과정을 거친 후, Plunge test의 문을 교체하는 과정에서 시험장치 내부는 음압 또는 양압의 지배적인 영향을 받는 수치해석 결과가 제시되었다. 따라서 본 논문을 통해 얻어진 실험 및 수치해석 결과는 Plunge test의 정량적인 문제점이 제공될 것이며, 새롭게 제안된 Shield-cup test를 통해 국내 소방장치의 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
이때 공식적으로 수행되는 Plunge test의 다양한 시험에 대하여 감지기의 투입 시간에 따른 기준은 명확하지 않다. 따라서 감기지 투입을 위한 문 개폐의 총 소요 시간은 장치 내부의 유속 및 연기농도의 변화에 직접적인 영향을 줄 수 있기 때문에, 시험 방법에 대한 일관성을 위해 최종 5 s로 결정되었다. Figure 2(b)는 기존 Plunge test의 단점을 보완할 수 있도록 고안된 Shield-cup test의 개략도와 실제 사진이 도시되었다.
그 결과 산란광에 의해 작동되는 광전식 연기감지기에 검정색 연기를 발생시키는 등유가 화원으로 적용될 때 보다 높은 OPM에서 감지기가 작동됨을 예상할 수 있다(23). 따라서 본 연구에서는 연기감지기가 작동될 수 있도록 연기의 농도가 조절되었으며, 평균 38.54 ± 3.9 %/m에 해당되는 일정한 OPM 값의 연기가 공급되었다. 또한 시험구간의 평균 유속은 0.
0 m 이상의 영역은 Open boundary이다. 또한 두 조건 모두 시험부가 정상상태에 도달한 후, 투입과정, 투입직후, 투입 30 s 후에 대하여 시간에 따른 과정이 5 s 동안 평균되었다. 그 결과 Figure 7의 결과를 살펴보면, 감지기 작동시험을 위한 전처리 과정을 통해 장치 내부는 균일한 연기 농도가 설정되었다(Figure 7(a)).
향후 작동 OPM보다 높은 연기유동을 적용한다면, 순수하게 개별 감지기의 작동 OPM 차이에 의한 작동시간의 차이만을 갖게 될 것으로 기대된다. 또한 시험 방법에 따른 수치해석 결과를 보면, 실험결과와 동일한 경향으로서, Plunge test는 6.7 s, Shield-cup test는 17.5 s 로써 감지기 작동시간의 차이가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 미루어 보았을 때, 연기감지기의 작동시험에 적용되는 Plunge test는 비정상상태의 유동 및 연기농도가 감지기 내부로 유입됨에 따라 조기 작동이 될 가능성이 있다.
9 %/m에 해당되는 일정한 OPM 값의 연기가 공급되었다. 또한 시험구간의 평균 유속은 0.1∼0.5 m/s의 범위에서 조절되었으며, 최종 감지기의 작동시간 및 OPM의 측정은 0.3 m/s의 조건에서 수행되었다.
이때 시험방법에 따라 15회의 반복실험을 통하여 각 측정값에 대한 재현성이 고려되었다. 먼저 Plunge test의 실험결과를 살펴보면, 연기감지기 작동순간의 OPM이 매우 넓은 범위를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Figure 4(b)에서 언급되었던 결과에서 알 수 있듯이, 감지기가 투입되는 과정에서 급격하게 상승하는 유속 및 연기 농도가 연기감지기의 챔버 내부로 유입되는 것으로 판단된다.
1) FDE를 이용하여 Plunge test의 구현을 위해, 두 개의 문이 교체됨에 따라 순간적으로 연기감지기가 FDE 내부로 투입되었다. 문이 교체되는 과정에서 연기농도 및 유속의 급격한 변화가 측정되었으며, Shield-cup에 의해 감지기가 노출되는 경우 내부 유동의 변화가 없음을 확인하였다.
후속연구
3) 감지기 작동시험을 위해 균일한 유동을 형성시키는 전처리 과정을 거친 후, Plunge test의 문을 교체하는 과정에서 시험장치 내부는 음압 또는 양압의 지배적인 영향을 받는 수치해석 결과가 제시되었다. 따라서 본 논문을 통해 얻어진 실험 및 수치해석 결과는 Plunge test의 정량적인 문제점이 제공될 것이며, 새롭게 제안된 Shield-cup test를 통해 국내 소방장치의 신뢰성 향상에 기여할 것으로 기대된다.
이러한 결과를 미루어 보았을 때, 연기감지기의 작동시험에 적용되는 Plunge test는 비정상상태의 유동 및 연기농도가 감지기 내부로 유입됨에 따라 조기 작동이 될 가능성이 있다. 따라서 본 연구진에 의해 개발된 Shield-cup test가 적용된다면 부정확한 시험 결과가 초래되는 Plunge test의 한계를 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 결과는 연기감지기의 작동 시험 전처리 과정에서 요구되는 정상상태의 조건에 비해 감지기의 챔버 내부로 부정확한 값이 유입될 것이라 예상할 수 있다. 또한 연기감지기의 챔버 내부에 높은 농도의 연기가 유입됨에 따라, 부정확한 작동시험을 초래하여 재현성이 확보된 시험이 요구될 것으로 판단된다.
또한 기존 Plunge test의 문제점을 개선하기 위한 새로운 개념의 Shield-cup test를 제안하였다. 본 연구결과는 향후 보다 정확한 화재감지기 및 스프링클러의 응답특성을 평가하기 위한 시험장치 개발에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
그 결과 상대적으로 높은 OPM에서 작동되는 감지기의 경우 낮은 OPM을 갖는 연기가 유입되면, 감지기의 작동시간은 크게 지연될 수 있다. 향후 작동 OPM보다 높은 연기유동을 적용한다면, 순수하게 개별 감지기의 작동 OPM 차이에 의한 작동시간의 차이만을 갖게 될 것으로 기대된다. 또한 시험 방법에 따른 수치해석 결과를 보면, 실험결과와 동일한 경향으로서, Plunge test는 6.
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