[논문]화재시뮬레이션 분석을 통한 냉장·냉동 창고 화재의 저산소 시스템 적응성에 관한 연구

김민석; 이상범; 민세홍

doi:10.15683/kosdi.2023.3.31.117

화재시뮬레이션 분석을 통한 냉장·냉동 창고 화재의 저산소 시스템 적응성에 관한 연구
A Study on the Adaptability of Oxygen Reduction System to Fire in Cold Storage through Fire Simulation Analysis 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.19 no.1 = no.59, 2023년, pp.117 - 127

김민석 (Department of HVAC & Firefighting Engineering, Gachon University) , 이상범 (Department of HVAC & Firefighting Engineering, Gachon University) , 민세홍 (Department of HVAC & Firefighting Engineering, Gachon University)

초록
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연구목적: 국내외 냉장·냉동 창고 수는 증가 추세에 있으며 최근 잇따라 대형 냉장·냉동 창고의 화재가 발생하고 있다. 화재는 꾸준히 발생하고 재산피해액은 매년 증가 추세를 보여 대형 냉장·냉동 창고에서 발생하는 화재 예방에 대한 부분의 중요성이 커지고 있다. 연구방법: 실제 냉장·냉동 창고를 현장 조사하고 화재 사례 등을 분석하여 화재 위험성을 도출 및 그 특성을 분석하였으며 국외의 냉장·냉동 창고의 적응성 있는 소방기술로 대두되고 있는 저산소 화재예방시스템(ORS)에 대해 조사해 화재시뮬레이션(FDS) 를 통해 냉동 창고 모델링을 진행하여 산소농도에 따른 화재성상을 분석하였다. 연구결과:화재시뮬레이션을 통해 산소 농도 21%, 저산소 화재예방시스템 작동 상태인 15.7%와 추가로 17.7, 16.7%를 분석한 결과 21, 17.7, 16.7%상태에서 3~4분 이내에 플래시오버에 도달하였으나 산소농도를 15.7%로 낮춘 경우 13분간 화원을 가해도 착화되지 않았다. 결론: 본 연구에서는 저산소 화재예방시스템의 개념 및 전반적인 부분을 이해하고 화재시뮬레이션을 통해 냉동 창고 모델링하고 산소농도에 따른 분석을 진행해 저산소 화재예방시스템(ORS)의 화재방호 적응성에 대해 분석하였다. 앞으로 실대형 실증실험과 관련 규정이 마련되어 화재의 사각지대에 놓인 냉장·냉동 창고의 화재 예방에 대한 솔루션이 제공되길 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The number of Cold Storages at home and abroad is on the rise, fires in large Cold Storages have recently occurred. As fires continue to occur and property damage is on the rise every year, the importance of preventing fires in large Cold Storage is growing. Method: Real Cold Storages were investigated on-site and fire cases were analyzed to derive and analyze fire risk, and the ORS, which is emerging as an adaptive fire prevention technology of Cold Storage, was investigated through FDS. Result: oxygen concentration 21, 15.7% and 17.7, 16.7% were analyzed through FDS, and flashover was reached within 3~4 minutes from 21, 17.7, 16.7%, but if oxygen concentration was lowered to 15.7%, it didn't ignite for 13 minutes. Conclusion: This study understood the concept and general part of the ORS, modeled the freezer through FDS, and analyzed the oxygen concentration to analyze the fire protection adaptability of the ORS. In the future, it is expected that large-scale empirical experiments and related regulations will be prepared to provide solutions for fire prevention in Cold Storages in blind spots of fire.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Fire case of cold storage
그림 Fig. 2. The number of cold storage fires
그림 Fig. 3. Amount of cold storage damage
그림 Fig. 4. Fire triangle
그림 Fig. 6. Operating principles of oxygen reduction system
그림 Fig. 7. The graph of fire intensity and hemoglobin saturation percentage
그림 Fig. 5. Comparison of the normal conditions and the operation of oxygen reduction system conditions
그림 Fig. 8. Cold storage FDS modeling
표 Table 1. Polyurethane foam Input value
그림 Fig. 9. Composition ratio of atmospheric components
표 Table 2. Ambient Oxygen Concentration
그림 Fig. 10. Oxygen concentration 21% fire HRR graph
그림 Fig. 11. Oxygen concentration 15.7% fire HRR graph
그림 Fig. 12. Plot 3D HRRPUV with oxygen concentration 21%
그림 Fig. 13. Plot 3D HRRPUV with oxygen concentration 15.7%
그림 Fig. 14. Oxygen concentration 17.7%, 16.7% fire HRR graph
그림 Fig. 15. Oxygen concentration 21%, 17.7%, 16.7%, 15.7%fire HRR graph
그림 Fig. 16. Plot 3D HRRPUV with oxygen concentration 17.7% Fig. 17. Plot 3D HRRPUV with oxygen concentration 16.7%

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 냉장·냉동 창고에 적응성 있는 화재방호시스템으로 대두되고 있는 저산소 화재예방시스템(ORS)에 대해 연구하였다.

가설 설정

이처럼 화재 시나리오는 총 case 3가지이며 위에서 언급하였듯이 화재발생 상황은 하부에서 화원을 주어 화재가 벽을 타고 천장부로 확산하는 상황을 가정한다.

제안 방법

(2) 냉장·냉동 창고의 위험성을 폴리우레탄 폼, 샌드위치 패널, 소방시설이 화재안전기술, 성능기준에서 제외 됨, 폐쇄적인 실내와 복잡한 구조로 인한 구조 및 대피의 어려움 등 총 4가지로 분류하여 조사 및 분석하였다.
(3) 냉장·냉동 창고의 위험성과 특성을 분석하여 적응성 있는 화재방호기술인 저산소 화재예방시스템(ORS)의 개념 및 원리 등을 조사하였다.
(4) 이천의 A 냉동 창고를 참고하여 화재시뮬레이션(FDS)을 통해 모델링을 진행하였으며 21%, 17.7%, 16.7%, 15.7% 총 4가지 산소농도에 따라 화재성상을 HRR그래프와 Plot 3D의 HRRPUV를 통해 수치적, 시각적으로 분석하였다. 평상시 대기상태인 21%에서 냉동 창고 화재 발생 후HRR값이 약 166초만에 28MW에 도달해 급속도로 화재가 성장해 폴리우레탄 폼 칠을 한 냉동 창고의 화재 위험성에 대해 확인을 하였으며 저산소 화재예방시스템(ORS)에서 요구하는 기준 산소농도인 15.
7%의 경우와 달리 화재가 성장하지 않으며 13분간 화염을 가해도 폴리우레탄 폼에 착화되지 않음을 알 수 있었다. 따라서 화재시뮬레이션(FDS) 실험을 통해 저산소의 효용성을 분석하게 되었다.
본 연구를 통해 냉장·냉동 창고의 특성 및 위험성을 정립하고, 냉장·냉동 창고의 화재안전성 확보를 저산소 화재예방시스템(ORS)이라는 새로운 화재 예방 기술을 통해 제시하였다.
이러한 상황을 인지하고 냉장·냉동 창고의 위험성을 총 4가지로 조사 및 분석하였다.
폴리우레탄 폼과 콘크리트의 물성치는 Lee et al.(2013)의 시뮬레이션 과정을 참고하여 Table 1과 같이 화재시뮬레이션상 폴리우레탄 폼의 물성치를 입력하여 Materials를 만들었으며, 콘크리트는 화재시뮬레이션 프로그램인 PyroSim에서 제공하는 기본 물성치 값을 입력하여 각각의 Materials를 Surfaces에 적용해 폴리우레탄 폼 칠을 한 벽, 천장과 콘크리트 외벽, 바닥을 제작하였다.
화재시뮬레이션(FDS) 모델을 이용하여 대기 중의 산소농도를 평상시 대기 상태인 21%일 경우 얼마나 위험한지 분석하였고, 저산소 화재예방시스템(ORS) 작동 상태인 산소농도 15.7%에서 얼마나 화재를 예방할 수 있는지를 분석하였다. 추가로 산소농도 15.

대상 데이터

Fig. 8과 같이 이천의 A 대형 냉동 창고 도면을 기준으로 20m x 10m x 6m (가로x세로x높이)로 설정하였다. 벽체에 대형 냉동 창고 기준 폴리우레탄 폼 칠 200mm를 실제 대형 냉동 창고 시공사례를 참고하여 0.

데이터처리

7%와 비교해 앞서 언급한 Fig. 7의 연소 강도와 헤모글로빈 포화도 비교 그래프를 산소농도 18% 미만에서 급격한 하강곡선을 보여주는 결과를 분석하기 위해 산소농도 16.7%와 17.7%의 환경조건을 설정한 뒤 화재시뮬레이션을 진행하였으며 그 결과를 HRR(열방출률)값과 Plot 3D HRRPUV를 통해 수치적, 시각적 분석하였다.

이론/모형

또한 Cell수 201,824개를 시뮬레이션 해석을 효율적으로 연산하기 위해 병렬 연산 방식을 적용하였다. 총 Mesh를 4분할로 나눠 화재시뮬레이션 연산을 진행하였다.
화재발생 개요는 Choi(2008)에서 분석한 이천 코리아 2000 냉동 창고 화재 사례를 근거하여 냉동실의 바닥좌측 구석 모서리에 화원을 주어 벽체를 타고 천장 우레탄 폼에서 화재가 발생한 상황을 만들었으며 당시 가연물이 적재되어있지 않았음에도 플래시오버가 발생해 3분 이내에 급속히 화재가 확산하는 상황을 구현하였다. 또한, Hwang et al.
화재시뮬레이션 프로그램으로는 Choi et al.(2020)에서 언급한 바와 같이 FDS(Fire Dynamics Simulation)을 적용하였으며 미국 국립표준기술 연구소 National Institute of Standards and Technology(NIST)의 부설 건축화재연구소인 Building and Fire Research Laboratory(BFRL)에서 제공하는 화재시뮬레이션 프로그램으로, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 Navier-Stokes 방정식(저속 열 유동장)을 기본 이론으로 한다.

성능/효과

7% 총 4가지 산소농도에 따라 화재성상을 HRR그래프와 Plot 3D의 HRRPUV를 통해 수치적, 시각적으로 분석하였다. 평상시 대기상태인 21%에서 냉동 창고 화재 발생 후HRR값이 약 166초만에 28MW에 도달해 급속도로 화재가 성장해 폴리우레탄 폼 칠을 한 냉동 창고의 화재 위험성에 대해 확인을 하였으며 저산소 화재예방시스템(ORS)에서 요구하는 기준 산소농도인 15.7%에서는 13분간 화원을 주어도 주어진 화원의 크기를 유지할 뿐 착화가 되지 않은 것으로 보아 15.7% 이하의 저산소 환경에서는 화재에 대한 안전성이 확보되었음을 확인하였다. 또한, 17.

후속연구

이에 대해 우리는 이러한 선진 기술을 범정부적인 차원에서 우선적으로 동결의 우려로 법적으로 소화설비 설치가 의무가 아니며 평균 88건 가까이 꾸준히 화재가 발생하고 재산피해도 평균 155억 원 이상으로 해마다 늘고 있는 냉장·냉동 창고를 대상으로 더욱 체계적이고 세밀한 연구가 이루어져 실대형 실증실험을 통해 설치기준을 포함한 화재안전기술, 성능기준 법제화 및 유지관리 기준마련을 해야 하며 또한 국외에서 현재 준용되는 기준 등을 조사하여 법제화에 참고해 국내에 도입이 된다면 저산소 화재예방시스템(ORS)의 사용성이 증대될 것이며 화재의 사각지대에 놓인 소방대상물에 안전성을 극대화하여 국가의 화재 예방 및 안전 수준을 획기적으로 개선하는 계기가 될 것이라고 확신하는 바이다.

참고문헌 (17)

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https://www.youtube.com/watch?v2P7a6m3wwSE

저자의 다른 논문 :

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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