제연시스템의 설계방법에 대한 고찰

집 중 기획

피난경로제연의 대표적 방법인 급기가압 제연시스템에서 제연구역 내부에 적절한 차압을 조성하기 위해 공급하는 급기량은 출입문의 누설 량과 평형을 이루어야 한다. 적정 차압범위에서 급기량이 출입문의 누 설량보다 많으면 제연구역의 압력이 올라가게 되는데, 적정 차압 도달 시 급기댐퍼 날개를 적정수준으로 닫아 급기량을 줄이거나 과압배출댐 퍼를 설치하여 고압을 배출시켜줌으로써 적정 차압을 유지할 수 있다.

급기가압 제연시스템 설계 시 유념할 사항

설계 원칙

장비용량을 계산할 때에는 가장 열악한 조건을 가정하고 경제성이 허용하는 여유를 주어야 한다. 따라서, 부속실 누설량에는 출입문의 최 대허용누설량(차연성능)을 적용하고, 부속실에서 계단실로의 유입량 에 대해서는 최소량인 0을 적용하여야 한다.

허용오차의 적용

산업제품의 모든 규격에는 허용오차 또는 공차가 있고, 그 범위는 최 박재현

ENPI(주) 대표이사 comfortnsafe@hanmail.net

고층건축물의 급기가압 제연시스템에서 크게 문제 가 되는 과압을 해소하기 위한 자동식 차압댐퍼가 오히려 과압의 발생원이 되는 것으로 밝혀지고 있 으나 아직 구체적인 대책에 대한 논의는 진행되지 못하고 있다. 방화문이나 댐퍼의 기밀이 완벽할 수 없어 필연적으로 발생하는 누설을 분석하고 과압 해소책을 제시하여 급기가압 제연시스템 설계에 도 움이 되고자 한다.

제연시스템의

설계방법에 대한 고찰

집중기획 _{기획 집중}

대값, 최소값으로 표현하며 최대값과 최소값을 더 하여 2로 나눈 값을 평균값으로 한다. 이러한 개념 에 따라 방화문의 차연성능을 고려할 때 어느 곳을 기준으로 하느냐에 따라 허용오차의 적용은 달라 진다.

그림 1은 부속실과 계단실 사이의 누설량은 KS 방화문 최대허용누설량(누설틈새저항, 차연성능) 과 최소허용누설량 범위 내로 표시될 수 있다. 누설 량은 국가공인 시험기에서 사용자가 요청한 방화 문을 측정한 결과값이며 누설틈새면적은 누설량으 로부터 역으로 환산한 값이 된다. 누설틈새면적의 환산은 누설경로의 저항에 따라 달라지므로 매우 불확실하다. KS F 3109 방화문 허용차연량의 범위 는 부속실과 계단실 사이 차압 25 Pa에서 방화문의 면적을 1 ㎡로 가정하면

최대허용누설량[

^ 

 _

그림 2에서 부속실 기준 방화문 면적 1 ㎡를 통 하여 부속실에서 계단실로의 설계 누설량은 최대 허용누설량(최대허용차연량)을 적용하여야 한다.

KS F 3109의 최대허용누설량(최대허용차연량) 은 차압 25 Pa에서 0.9 ㎥/min이다.

그림 3에서 계단실 기준 방화문 면적 1 ㎡를 통 하여 부속실에서 계단실로의 설계 유입량은 최소유 입량(최소허용차연량)을 적용하여야 한다.

KS F 3109의 최소허용누설량(최소허용차연량) 은 차압 25 Pa에서 0 ㎥/min이다.

이러한 관점에서 볼 때 비화재층 부속실에서 계 단실로 유입되어 화재층의 열린 문으로 유입되는 이른바 ‘역류누설량’은 설계조건에서 ‘0’으로 보는 것이 합리적이다.

부속실의 최대누설량은 하나의 전용 수직덕 트에 연결된 모든 부속실의 출입문 면적 합계에 KS3109의 최대허용누설량을 곱한 값이다. 최대 누 설량이 적용되므로 방화문이 불량이 아닌 경우에 는 누설량 부족이 발생하지 않는다. 이에 대한 증 명은 방연풍량 측정 시의 송풍기 성능검사(송풍량 측정)로 간단히 증명할 수 있다. 따라서 송풍량 결 정은 방화문 합계면적에 KS3109의 최대 허용누설 량을 곱하여 방연풍량을 더하고, 여기에 여유율을 곱하는 방법이 합리적이다.

저항계산의 개념은 다음과 같다.

● 제연시스템(급기가압제연 및 거실제연) 설 계는 동력원에서 가장 먼 부위의 기구에서 토출 또는 유입 풍량과 그에 필요한 정압을 계산하는 것이다.

[그림 1] 부속실과 계단실간의 방화문의 누설량 범위 급기

덕트

급기댐퍼 부속실

최대누설량

계단실 max 방화문





[그림 3] 계단실 기준 계단실로 유입량 조건 급기

덕트

급기댐퍼 부속실 방화문

최소유입량



덕트

급기댐퍼 부속실

방화문 계단실





● 유체시스템의 저항 설계에는 제품(댐퍼류 덕 트 및 부속류)의 손실값과 성능(압력강하량 과 누설량 등)을 고려하여야 한다.

저항 계산의 개념

1. 모든 유체시스템의 토출 유량은 저항에 따라 달 라진다.

2. 설계에 적용되는 댐퍼는 실제 성능시험기에서 압력강하 및 유량 성능을 시험하여 성능선도를 작성하여야 하며, 이 성능선도를 보고 저항계산 을 하여야 한다.

3. 기타 부속품도 종류에 따라 공인된 저항값을 적 용하여 설계에 계산되어야 한다.

제연덕트 저항설계를 도시하면 그림 4와 같이 덕트설계법에 의한다.

저항설계를 하게 되면 자동차압댐퍼의 크기, 부 속실 방화문의 수와 부속실의 수에 따라 덕트의 크 기 및 송풍기의 풍량이 모두 표준화될 것이며, 사전

에 성능 예측이 가능하게 된다. 뿐만 아니라 공동주 택의 경우 비상용승강기승강장과 특별피난계단 부 속실을 겸용하는 경우에도 계단실 창문에 창문용 자동폐쇄장치를 설치할 필요가 없게 된다.

부속실 과압의 제어

개요

2015년 전반기에 소방산업기술원에서는 자동 차압댐퍼의 누설량성능과 플랩댐퍼가 성능인증제 품으로 고시될 예정이다. 누설량성능인증이란 자동 차압댐퍼가 자동으로 닫힌 상태에서 덕트 내 압력 별로 누설량을 측정한 결과에 대해 성능선도를 작 성하여 모델별로 제출하면 소방산업기술원이 이를 검사하여 합격된 제품이 판매되는 제도이다.

미압플랩댐퍼도 국가화재안전기준(NFSC 501A 9조 개정-2013년 9월 3일)에 따른 부속실과압배출 용으로 제조사가 제시한 모델별 성능에 따라 소방 산업기술원이 성능검사를 하는 제도이다. 국가공 인기관의 검사로써 합격과 불합격 여부를 판정하

Q1 P1 : 압력강하량

Q1 : 방연풍량

Q2

QL QL : 댐퍼누설량

P1

P2 L

L

Δp=L×ξV1

/2: 마찰손실

Δp=L×ξV2

/2: 마찰손실

Δp=L×ξV3

/2: 마찰손실 Q2 : 방연풍량

수직덕트 저항계산법

[그림 4] 수직덕트 저항 계산 순서

Qc(방연풍량) X pa(압력강하량) R1

저 Qc QT=2Qc

항

계 R2

산 QL1 QT=2Qc+QL1

순

서 R3

QL2 QT=2Qc+QLt QLt=(QL1+QL2) Rn-1

QLn-1

Rn

QLn QT=2Qc+QLt QLt=(QL1+--QLn) Rn+1

RT=X+R1+R2+ ---=Rn+1

* X=방연풍량배출댐퍼압력강하량 '+덕트저항(마찰손실+부속손실 등)

급기덕트시스템

Rn+1

QLn QT=Qc+QLt QLt=(QL1+--QLn) Rn

QLn-1 Rn-1

Rn QL3

저

항 R3

계 QL2 QT=Qc+QLt

산 QLt=QL1+QL2

순 R2

서 QL1 QT=Qc+QL1

R1

Qc(방연풍량)

RT=X+R1+R2+----=Rn+1

* X=방연풍량흡입댐퍼압력강하량 '+덕트저항(마찰손실+부속손실 등)

배기덕트시스템

수직덕트 저항계산법 급기덕트시스템 배기덕트시스템

집중기획 _{기획 집중}

게 되므로 새로운 제도는 제조사 간의 제품별 성능 의 무한 경쟁시대가 도래함을 의미한다.

자동차압·과압조절형댐퍼라는 명칭에 따라 설 계를 하던 관행에서 이제 설계자는 설계 시에 자동 차압댐퍼의 제품모델을 선정하여 누설량 성능과 설 계된 덕트 내 압력과 부속실에 설치된 방화문 누설 량을 추정한 상관관계에서 부속실 과압발생 여부를 판단하고 이에 따라 적정한 과압배출 시스템을 적 용하거나 아니면 적정한 변풍량방식을 선정하는 합 리적인 절차에 따라 설계를 하여야 할 것이다.

급기가압제연 부속실 과압 발생의 원인(그림 5)

● 부속실 출입문의 누설량과 자동차압·과압조절 형댐퍼 누설급기량이 평형을 이루는 압력에 따라 과압발생이 결정된다.

예) 제연구역의 기준압력에서 [{출입문(A)누설량

×2+출입문(B)누설량}<자동차압댐퍼의 누설급 기량] 이면 과압 발생

● 해당 부속실 수직덕트 내 압력에 따른 자동차압 댐퍼의 누설정도와 부속실의 방화문의 누설정도 의 차에 따라 부속실 과압의 크기가 결정된다.

● 자동차압댐퍼의 누설 틈새가 크고 덕트 내 압력 이 높을수록, 방화문의 누설틈새가 기밀할수록 부속실 과압의 크기가 증가한다.

● 수직덕트의 상하간 정압손실이 클수록 건물의 층 별 과압 편차가 심화된다.

부속실의 과압배출과 변풍량 방식의 장단점 시스템(복합) 댐퍼에 의한 제어

시스템댐퍼는 시중에서 통칭 복합댐퍼로 불리 고 있으며 기능적으로 부속실 1개에 센서를 둔다.

시스템댐퍼는 부속실의 방화문이 개방되거나 닫히 면 부속실 차압에 따라 송풍기 흡입 또는 토출측에 모터로 구동되는 댐퍼의 일부분이 닫히거나 열리 는 기능을 가진 단순 ON/OFF 제어 방법을 가진 풍 량조절장치를 말하며, 그림 6과 같은 문제점이 있 다. 특히 방화문이 2개 이상 개방되는 급기가압 제 연시스템에서는 방연풍속 및 비개방층 차압 성능 에 신중한 검증이 필요하다. 그러나 정밀한 풍량 제 어의 필요에도 불구하고 간편성 때문에 대다수 현 장에서 채택되고 있다.

플랩댐퍼에 의한 제어(그림 7~그림 9)

● 개요 : 부속실 과압 배출용으로 설치하며 부속실 의 적용 차압범위는 개략적으로 50~60 Pa의 범 위를 기준으로 한다. 미압에 작동범위가 좁아 그 성능은 제품별로 차이가 많을 것이지만, 부속실 마다 설치하면 효과는 확실하다. 제연설비 시스 템 외에 가스계 소화설비 과압배출, 클린룸 등 양 압유지가 필요한 장소에 설치가 가능하다. 아직

[그림 5] 부속실 과압의 원인

□제어의 한계

● 입상덕트 면적 협소시 성능 부족

● 전층 부속실을 종합적으로 감시하지 못하는 블라인드 랜덤 제어

□내구성

● 제조사별 내구성 확인 선정에 신중

● 습기에 취약

□송풍기 정압 한계

● 댐퍼에 작용하는 힘이 큰 경우(송풍기 정압이 높은 경우) 작동 불능 자동차압댐퍼

시스템댐퍼

[그림 6] 복합댐퍼 제어방식의 도해

75

50

25

100

풍량(L/S)

압력(△P(Pa))

300 0 200

[그림 8] 500 W ENPI 플랩댐퍼 성능선도 [그림 7] 과압배출용 플랩댐퍼

(a) 플랩댐퍼(500 L W500 x H110 x D200)

[그림 9] 플랩댐퍼의 도해 (b) 플랩댐퍼(300 L W300 x H110 x D200)

(c) 측면도

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은 아래와 같이 제한적 현장에서만 채택하고 있 으나 점차 보급범위가 넓어지고 있다.

- 63B/D, 판교 SK케미컬 연구소, 여의도 IFC, 부 천 금호 리첸시아, 롯데 청라 주상복합, 성수 동 콜센터, 일산 두산위브더제니스, 삼성전자 DSR, SK 네트워크 본사사옥 신축, 부산국제금 융세터, 경기섬유·봉제 지식산업증축공사, 삼 성전자 우면동 R&D센터 신축, 해안건축구사 옥신축현장, KDN 사옥신축현장, LH본사 신축 현장, 이천 SK하이닉스현장 등

● 미압플랩댐퍼 설치방법(그림 10) - 부속실마다 설치

- 골조 단계에서 슬리브 설치

- 마감단계에서 미압플랩댐퍼를 슬리브에 삽입 - 부속실 및 거실에 플랩댐퍼 배출용 그릴 설치 - 미압플랩댐퍼 설치 시 자동차압댐퍼는 40 Pa

작동 권장

- 수평으로만 시공 가능

● 특징

- 배출량의 심한 변화에도 실내 차압을 균등하게 유지한다.

- 연돌효과 감쇄 기능이 있음 가변풍량 제연시스템(인버터) 제어

● 특징

그릴 그릴 그릴

+50 Pa

Vestibule Room

O Pa

플랩댐퍼(열림)

그릴 플랩댐퍼(닫힘)

차압댐퍼(닫힘) 차압댐퍼

(열림) Vestibule Room

[그림 10] 플랩댐퍼의 작동

통신선(차폐) 2Pr 전원선(24V) 2Pr

▶ 회전수 제어에 의한 풍량 제어 및 과압 제어

▶ 1개의 메인 제어부는 최대 32개층 감시 가능

▶ MCCB 기능 내장

▶ 차압전송부는 최소 5개층 설치 PC 연결 및 감시 기능 추가 가능

송 풍 기 기변풍량제어부 차압 전송부

[그림 11] 가변풍량 제연시스템(인버터) 제어 계통도 사례

- 화재위치 판단 및 상황대응 : 방화문의 모든 개 방조건 하에서 차압, 개방력, 방연풍속 최적 성 능을 구현한다.

- 계절적 요인에 의한 연돌효과 대응성이 우수하 고, 건물 기밀도 변화에 따른 최대 성능을 구현 한다.

- 신뢰성 : 타 시스템보다 제어성, 내구성이 높고 동작이 원활하며, 자기진단 기능이 있다.

- T.A.B 간소화 : 시스템 조정시간이 단축되며, 시 스템 조정 후 건물의 경년변화에 자동 대응한다.

- 유지관리 용이 : 자동차압댐퍼에 차압트랜스미 터를 설치하여 방재실에서 관제할 수 있으며, 평소 차압시험이 단시간에 가능하고, 비상용승 강장 및 부속실의 방화문을 방재실에서 통제할 수 있다.

● 가변풍량 제연시스템(인버터) 제어 시스템의 구성 (그림 11~그림 12)

맺음말

급기가압 제연시스템은 건물의 구조 및 구획상 태, 마감상태, 방화문의 종류 및 설치조건, 건물의 높이, 건물외피의 기밀도 및 관련 설비 외부와의 개 방상태 등에 따라 송풍기 풍량과 정압의 변화가 극 심하므로 건물의 조건과 급기제연방식 및 과압 해 소방식의 선정에 있어서 성능, 내구성 및 장단점 (표 1)을 충분히 고려하여 선정해야 한다. 부속실 의 과압 또는 송풍기 정압의 변화를 적절히 순간적 으로 제어하는 기술은 매우 중요하다. 과압제어방 법에 대한 이상의 간략한 소개로써 안전한 제연시 스템 설계에 다소나마 도움이 되기 바란다.

자동차압댐퍼

MFD 설치

To.VVVF VVVF

차압 전송부

통신선 2Pr+전원선 2Pr 도압관 설치 방법은 차압댐퍼와 동일한 방법으로 설치

[그림 12] 가변풍량 제연시스템(인버터) 설치도 사례

<표 1> 부속실 과압제어 시스템별 장단점 비교

복합댐퍼 플랩댐퍼 가변풍량 제연시스템

- 입상덕트면적 협소시 과압제어불가로 성능 부족

- 센서 연결층 개방시 과압 발생 여부 확인 - 방연풍속 및 차압유지상태에서 송풍기

맥동 발생 - 내구성 취약 - 습기에 취약

- 덕트 내 정압이 높은 경우 댐퍼날개 강 도 부족으로 휨에 의해 댐퍼 프레임에 접촉되어 작동 불능 사례 많음

- 부속실마다 설치

- 입상덕트 크기가 상대적으로 적다 - 제연시 타 제어시스템에 비해 연돌효과

에 유리

- 복도가 없는 직통계단형 공동주택에는 적용 불가

- 현재 제연 제어 시스템에서 가장 우수한 성능 발휘

- 방화문의 모든 개방조건 하에서 차압, 개방력, 방연풍속에 최적 성능 구현 - 건물 기밀도 변화에 따른 최대 성능 구현 - 초고층 건물의 계절변화에 따른 연돌효

과에 자동 적응

- 타 시스템보다 제어, 내구성 및 동작의 원활성

- 전동기 회전수 방식에 의한 내구성 확보 - T·A·B 간소화