[논문]공동주택 화재 시 부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관한 수치해석적 연구

김병준; 양영; 신원규

doi:10.7731/kifse.d7bcc7bb

문제 정의

본 연구에서는 부속실 가압 시스템의 방연풍속 기준을 충족하는 최소유량을 수치 해석적으로 계산하고 화재 발생 시 댐퍼의 급기 방향, 유량 변화, 설치 높이가 방화문에서의 방연풍속에 미치는 영향에 대해 수치해석을 통하여 연구하고자 한다. 또한, 국부적으로 역류가 발생하지 않고 효율적으로 제연할 수 있는 방안에 대하여 검토해보고자 한다.
예측된 결과에서는 급기 방향이 상향인 경우에 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 확보 할 수 있다. 또한, 댐퍼의 설치 높이가 높을수록 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 확보하고 있기 때문에 더 효과적으로 제연할 것으로 예측되고 3.6절에서 부속실로 누출되는 연기농도에 대해 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 공동주택 화재 시 부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관하여 수치해석적으로 연구를 수행하였다. 누설틈새를 고려한 시뮬레이션에서 방화문이 열렸을 때 댐퍼의 급기량에 따른 방연풍속은 부속실 댐퍼의 유량과 선형적인 관계를 나타내었고 국가화재안전기준인 0.
본 연구에서는 부속실 가압 시스템의 방연풍속 기준을 충족하는 최소유량을 수치 해석적으로 계산하고 화재 발생 시 댐퍼의 급기 방향, 유량 변화, 설치 높이가 방화문에서의 방연풍속에 미치는 영향에 대해 수치해석을 통하여 연구하고자 한다. 또한, 국부적으로 역류가 발생하지 않고 효율적으로 제연할 수 있는 방안에 대하여 검토해보고자 한다.

가설 설정

3 m)이다. 창문은 열려있는 것으로 가정하여 화재발생공간이 밀폐되지 않도록 하였다. 벽의 두께는 0.
8 m)이고 최대 화재 크기는 1045 kW이며 Fire dynamics tools (FDT)를 이용 하여 계산되었다⁽¹¹⁾. 화재는 t²에 따라 5 s 동안 성장하여 최대 화재 크기에 도달하도록 가정하였다. 해석에 적용된 Soot yield는 0.
1 m)으로 계단실 문, 옆집 문, 엘리베이터 문, 방화문에 설정하였다⁽⁶⁾. 화재는 거실 중앙에서 발생하는 것으로 가정하였고 화원은 n-heptane을 적용하였으며 Pool fire를 가정하여 해석을 수행하였다. n-heptane의 경우 수많은 실험을 통해 검증된 연료로써 정확한 Soot yield를 적용하기 위해 사용되었다.

제안 방법

Figure 2는 격자 수렴성을 확인하기 위해 0.075, 0.1, 0.15m의 격자 크기를 적용하였고 부속실의 댐퍼와 거실의 화재를 고려하여 해석을 수행하였다. 화재모델링에서 일반적으로 격자 크기는 특성 화재직경(Characteristics fire diameter, D^*)⁽¹²⁾ 내부에 4∼16개의 격자가 설정되었을 때 결과의 타당성을 확보할 수 있다고 알려져 있다⁽¹⁴⁾.
대피를 가정하고 있기 때문에 열린 직후의 속도가 중요하다고 판단되어 10초 동안의 평균값을 계산하였다. 각 높이에서의 속도는 방화문을 수직한 방향으로 통과하는 속도(v-velocity)를 예측하였고 방화문 각 높이에서의 수평방향 0.2 m 간격으로 6개를 설치하여 평균값으로 계산하였다. 속도의 (+) 부호는 부속실에서 거실로의 방향을 의미한다.
15 m인 경우에서는 다른 격자 크기의 결과보다 속도가 상대적으로 크게 예측되었다. 격자 크기가 0.1 m 이하에서는 비슷한 속도를 예측하기 때문에 계산의 효율성을 고려하여 0.1 m 격자 크기로 해석을 수행하였다. 이는 D^* 내에 약 9.
화재 발생 후 제연설비가 작동되어 부속실과 화재실 사이에 50 Pa의 차압이 형성되어야 한다. 그렇기 때문에 방화문이 열리는 30 s 전까지 차압이 50 Pa을 유지하도록 댐퍼의 유량을 조절하여 해석을 수행하였다.
누설면적의 경우 실제 누설 위치를 정확히 파악하는 것이 어렵기 때문에 Ko 등의 논문을 참고하여 누설면적을 0.021 m2 (0.01 m × 2.1 m)으로 계단실 문, 옆집 문, 엘리베이터 문, 방화문에 설정하였다(6).
Figure 6은 댐퍼가 없는 경우 화재 발생 후 30 s 후에 대피를 가정하여 방화문이 열렸을 때 방화문의 높이에 따라 10 s 동안의 평균풍속을 나타낸 것이다. 대피를 가정하고 있기 때문에 열린 직후의 속도가 중요하다고 판단되어 10초 동안의 평균값을 계산하였다. 각 높이에서의 속도는 방화문을 수직한 방향으로 통과하는 속도(v-velocity)를 예측하였고 방화문 각 높이에서의 수평방향 0.
또한, 상향 45°, 60°의 경우 관계식을 통해 계산된 최소유량보다 작은 2.6 m3/s의 유량을 추가로 적용하여 방연풍속 및 연기농도를 비교하였다.
7 m/s 이상의 방연풍속을 확보하도록 명시되어 있다. 방화문에서 0.7 m/s 이상의 방연풍속을 확보할 수 있는 댐퍼의 최소유량을 계산하기 위해 댐퍼에서의 유량을 달리 적용하여 해석을 수행하였다. 해석으로 계산된 댐퍼의 최소유량을 적용하고 댐퍼의 급기 방향을 수평 방향 및 수평 방향을 기준으로 상향 30°, 45°, 60° 하향 30°, 45°, 60°로 선정하여 방화문 높이에 따른 평균 방연풍속을 나타내었다.
본 연구에서는 기존 논문을 참조하여⁽¹⁰⁾ 공동주택의 실제 형상과 치수를 반영하여 해석을 수행하였으며, 해석영역은 Figure 1과 같다. Figure 1에서 방화문의 폭은 1.
일정한 누설 틈새를 가지는 부속실에서 방화문이 열렸을 때 방연풍속 0.7 m/s이상을 확보할 수 있는 최소유량을 계산하기 위해 댐퍼에서의 유량을 변화시켜 해석을 수행하였다. Figure 3은 댐퍼에서의 유량을 2.
해석으로 계산된 댐퍼의 최소유량을 적용하고 댐퍼의 급기 방향을 수평 방향 및 수평 방향을 기준으로 상향 30°, 45°, 60° 하향 30°, 45°, 60°로 선정하여 방화문 높이에 따른 평균 방연풍속을 나타내었다.
8 m로 선정하였을 때 설치 높이에 따른 평균 방연풍속을 비교하였다. 화재 발생 시 댐퍼의 급기 방향, 유량 변화, 설치 위치에 따른 방화문에서의 풍속을 비교하였고 부속실로 누출된 연기농도를 계산하여 제연 성능을 비교하였다.

이론/모형

3 solver를 사용하였고, 전처리를 위하여 PyroSim 2016을 이용하였다. FDS는 화원에서 발생하는 저속(Low mach number)의 열과 연기의 해석이 가능하고 열유동은 NavierStokes 방정식을 기반으로 계산한다. 본 연구에서는 모델 격자 및 해석 시간 등을 고려하여 LES모델을 선택하고 연소 모델은 혼합분율 연소 모델(Mixture fraction combustion model)을 사용하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 모델 격자 및 해석 시간 등을 고려하여 LES모델을 선택하고 연소 모델은 혼합분율 연소 모델(Mixture fraction combustion model)을 사용하여 해석을 수행하였다. Newtonian 유체에 대한 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식과 이상 기체 상태 방정식이 FDS 모델에 사용되었다.
FDS는 화원에서 발생하는 저속(Low mach number)의 열과 연기의 해석이 가능하고 열유동은 NavierStokes 방정식을 기반으로 계산한다. 본 연구에서는 모델 격자 및 해석 시간 등을 고려하여 LES모델을 선택하고 연소 모델은 혼합분율 연소 모델(Mixture fraction combustion model)을 사용하여 해석을 수행하였다. Newtonian 유체에 대한 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식과 이상 기체 상태 방정식이 FDS 모델에 사용되었다.
본 연구에서는 수치해석을 위해 미국의 National Institute of Standards and Technology (NIST)에서 개발한 FDS Ver. 6.7.3 solver를 사용하였고, 전처리를 위하여 PyroSim 2016을 이용하였다. FDS는 화원에서 발생하는 저속(Low mach number)의 열과 연기의 해석이 가능하고 열유동은 NavierStokes 방정식을 기반으로 계산한다.

성능/효과

2.6 m3/s의 급기 유량을 적용한 상향 45°와 60°의 경우 기존보다 유량을 감소시켰기 때문에 방화문의 모든 높이에서 속도가 감소되었다.
Seo와 Shin⁽⁹⁾의 논문에서는 2개의 출입문이 존재할 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 댐퍼 위치와 급기 방향의 중요성을 나타내고 있다. 2개의 방화문의 중간에 댐퍼가 위치하는 경우 균일한 방연풍속을 얻을 수 있었고 상부에서 역류가 생성되지 않는 조건으로 댐퍼에서 하부로 공기가 유입 될 경우 2개의 출입문에서 균일한 방연풍속을 얻는 것을 보여주었다. 또한, Seo와 Shin⁽¹⁰⁾은 공동주택 화재 시 화재 크기 및 실내 개구부 크기가 화재풍속에 미치는 영향을 확인하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다.
0 m 높이에서 10 s 동안의 평균 속도로 격자 수렴성을 확인하였다. 3가지 격자 크기는 D^*/dx를 계산했을 때 기준에 적합하지만, 격자 크기가 0.15 m인 경우에서는 다른 격자 크기의 결과보다 속도가 상대적으로 크게 예측되었다. 격자 크기가 0.
댐퍼가 없는 경우 연기는 거실 천장을 흘러 방화문 상부로 흐르게 되고 그 결과 예측한 높이 중 가장 높은 곳에서 가장 큰 농도인 약 16 × 10^-5 kg/kg가 예측되었다. 같은 2.4 m 높이에서 댐퍼가 적용된 시나리오의 농도와 비교했을 때 최소 약 13배에서 최대 약 330배 이상 차이가 발생하는 것으로 보아 댐퍼에 의한 제연 효과를 확인할 수 있다. 댐퍼의 급기 방향에 따라 평균적으로 연기농도가 가장 작은 경우는 댐퍼의 각도가 상향 45°일 때가 0.
는 소방산업기술원의 누기율 시험 설비를 대상으로 급기가압 제연설비가 설치되었을 때 건물 내부 공기유동에 대한 수치해석을 수행하고 거실, 부속실 및 계단실 사이의 차압분포와 유동 특성을 분석하였다. 거실과 부속실 사이의 문에서 방연풍속은 국가화재안전기준을 만족하였으나 국부적으로 부속실로의 역류 현상을 확인하였고 제연설비의 성능 향상을 위해 국부적인 유동특성을 고려해야 하는 필요성을 나타내었다. 또한, Ko⁽⁷⁾는 동일 공간에 대한 화재 해석을 수행하여 가압 및 환기 조건에 따른 화재 연기의 유동특성을 분석하였다.
댐퍼의 급기 방향 및 높이에 따른 부속실에서의 연기농도 비교를 통해 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 나타낸 조건에서 더 효율적으로 제연되는 것을 확인하였다. 그리고 급기 방향이 상향이고 댐퍼의 급기량이 작아진 경우는 급기 방향이 하향인 경우보다 연기농도가 낮게 예측되었다. 따라서 효율적인 제연을 위해 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 확보하는 것을 중요하게 고려될 필요가 있다.
본 연구에서는 공동주택 화재 시 부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관하여 수치해석적으로 연구를 수행하였다. 누설틈새를 고려한 시뮬레이션에서 방화문이 열렸을 때 댐퍼의 급기량에 따른 방연풍속은 부속실 댐퍼의 유량과 선형적인 관계를 나타내었고 국가화재안전기준인 0.7 m/s 이상의 방연풍속을 만족할 수 있는 최소유량을 계산할 수 있었다. 댐퍼의 급기 방향이 상향인 경우 부속실에서는 시계방향으로 재순환되는 유동을 보이며 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 나타내었다.
또한, 댐퍼의 설치 높이가 높아질수록 방화문 상부에서 더 큰 방연풍속을 얻을 수 있었다. 댐퍼의 급기 방향 및 높이에 따른 부속실에서의 연기농도 비교를 통해 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 나타낸 조건에서 더 효율적으로 제연되는 것을 확인하였다. 그리고 급기 방향이 상향이고 댐퍼의 급기량이 작아진 경우는 급기 방향이 하향인 경우보다 연기농도가 낮게 예측되었다.
또한, Table 1에서 급기방향이 하향인 경우와 급기량을 감소시킨 상향 45°, 60°의 경우의 평균 방연풍속이 유사하거나 상향 60°에서 더 작게 예측되었지만, 평균 연기농도는 급기량이 작은 경우에 약 7 배 더 작게 예측된 것을 볼 수 있다. 댐퍼의 급기량이 작아졌지만 방화문 상부에서 더 큰 방연풍속을 확보하였기 때문에 연기 누출량이 작아진 것으로 보이고 방화문 전체의 방연풍속보다는 방화문 상부에서의 방연풍속 크기가 중요하다는 결론에 도달할 수 있다.
댐퍼의 급기 방향이 상향인 경우 부속실에서는 시계방향으로 재순환되는 유동을 보이며 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 나타내었다. 또한, 댐퍼의 설치 높이가 높아질수록 방화문 상부에서 더 큰 방연풍속을 얻을 수 있었다. 댐퍼의 급기 방향 및 높이에 따른 부속실에서의 연기농도 비교를 통해 방화문 상부에서 큰 방연풍속을 나타낸 조건에서 더 효율적으로 제연되는 것을 확인하였다.
976 m으로 계산된다. 본 연구에서는 방화문에서 예측되는 속도가 중요하기 때문에 방화문의 0.8, 1.0, 1.8, 2.0 m 높이에서 10 s 동안의 평균 속도로 격자 수렴성을 확인하였다. 3가지 격자 크기는 D^*/dx를 계산했을 때 기준에 적합하지만, 격자 크기가 0.
You 등⁽⁸⁾은 부속실이 단독으로 제연될 때 급기가압 제연설비의 성능확보에 영향을 주는 보충량 및 누설량, 누설면적과 같은 주요 변수들을 확인하고 부속실로의 공급유량과 누설면적 변화에 따른 풍도와 부속실 차압 형성 관계를 실험적으로 나타내었다. 부속실 누설면 적과 차압관계를 분석한 결과 부속실의 차압은 저압 영역과 과압 영역 상관없이 부속실의 누설면적이 증가할수록 반비례하여 감소하는 것을 보여주었다. Seo와 Shin⁽⁹⁾의 논문에서는 2개의 출입문이 존재할 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 댐퍼 위치와 급기 방향의 중요성을 나타내고 있다.
또한, Ko⁽⁷⁾는 동일 공간에 대한 화재 해석을 수행하여 가압 및 환기 조건에 따른 화재 연기의 유동특성을 분석하였다. 해석 결과 급기가압의 조건에서도 화재 연기가 문의 상층부를 통해 부속실로 유출되는 것을 보여주었다. 방연풍속을 만족하는 송풍량도 연기의 유출을 막기에 충분하지 않기 때문에 적절한 제연설비가 필요할 것으로 판단되었다.
Figure 4는 Figure 3의 방화문에서의 유량을 방연풍속으로 계산하여 댐퍼의 급기량(Q)과 방연풍속(V)의 관계식을 나타낸 것이다. 해석에서 적용한 각각의 유량과 방화문에서의 평균 방연풍속은 선형적으로 표현되고 평균 방연풍속 0.7 m/s 이상을 확보할 수 있는 댐퍼에서의 유량을 계산할 수 있다. 이론적으로 방화문의 면적이 2.
또한, Seo와 Shin⁽¹⁰⁾은 공동주택 화재 시 화재 크기 및 실내 개구부 크기가 화재풍속에 미치는 영향을 확인하기 위해 수치해석 연구를 수행하였다. 화재 크기가 커질수록, 개구부 크기가 작을수록 방화문 상부에서의 화재풍속이 커지는 것을 나타내었다.

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