The Analysis on the Effect of Supply Air Velocities by Location of Supply Air Damper on the Performance Efficiency of the Smoke Exhaust Systems

논 문]

공기유입구 위치에 따른 유입공기의 풍속이 배연시스템 성능효율에 미치는 영향 연구

The Analysis on the Effect of Supply Air Velocities by Location of Supply Air Damper on the Performance Efficiency

of the Smoke Exhaust Systems

여용주·임채현·김학중·김범규·박용환^†

Yong-Ju Yeo · Chae-Hyun Lim · Hak-Jung Kim · Bum-Gyu Kim · Yong-Hwan Park

(2010. 7. 8. 접수/2010. 12. 10. 채택)

요 약

배연설비는 연기를 배출한 만큼 공기가 유입되도록 계획된다. 이때 유입공기의 속도가 배연에 어떠한 영 향을 미치는지를 FDS를 통하여 분석하였다. 그 결과 화재의 위치로부터 급기구가 가까이 설치된 경우 화 재 플럼으로 유입되는 기류속도가 빨라져 상승하는 화재 플럼을 흩트려 버리는 현상이 일어남을 발견하였 다. 그로인해 배연성능이 저하되어 연기층의 강하가 더욱 빠르게 촉진되었으며 흐트러진 화재 플럼은 연 기층을 교란시켜 가시거리를 더욱 나쁘게 하였다. 따라서 공기유입구의 위치는 화재의 위치로부터 충분히 이격된 위치에 설치하여 화재 플럼으로의 유입공기속도를 낮추도록 하여야 배연효율이 좋아진다는 것을 확인하였다.

ABSTRACT

In smoke control systems the amount of air supply is almost the same as that of smoke exhaust.

This study analyzed the effect of supply air velocity on the smoke exhaust behavior using FDS tool.

The results showed that fire plume can be disheveled by the rapid air velocities developed when the air supply inlet is located near the fire plume. Disheveled smoke caused the rapid descent of smoke layer level and the reduced visibility. To increase the efficiency of smoke exhaust systems supply air inlet should be located sufficiently far from the location of the fire plume.

Key words : Smoke exhaust, Supply air velocity, Fire plume, Supply air inlet, Visibility

1. 서 론

연기제어방법 중 하나인 배연시스템은 연기의 유동 이 피난에 직접적인 영향을 미치거나 혹은 원활한 화 재진압 활동을 수행하기위해 활용된다. 대형쇼핑몰, 대 규모 공연장, 멀티플랙스 영화관, 무창층 구조의 판매 시설, 지하가 등은 불특정 다수가 밀집되어있고 유동 인구가 많아 화재 시 즉각적인 피난이 어려우며, 또한 피난 중 하강하는 연기층에 노출될 가능성이 높아 안 전한 피난을 보장받기 어려울 수 있다. 이러한 공간의

제연계획에 있어서는 연기층의 하강을 지연시킴으로서 안전한 피난시간이 확보될 수 있도록 하여야 한다. 또 한 원활한 화재진압활동을 위해서도 발생되는 열과 연 기의 제거는 필수적이다.

화재실의 연기를 제거하는 방법중 적극적으로 연기 를 배출하는 방식을 국내 법규에서는 거실제연설비로 규정하고 있으며 일반적으로 배연설비 또는 배연시스 템으로 부르고 있다.¹⁾ 배연설비는 피난경로, 대피공간 등으로 연기가 유입되지 못하도록 계획하는 방연기법 중의 하나인 차압제연시스템과는 구별되는 방식이다.

연기의 배출방식은 송풍기를 이용한 강제배출방식과 연기의 부력을 이용한 자연배출방식으로 구분할 수 있

†E-mail: [email protected]

다. 강제배출방식은 화재초기와 같이 배연량이 많지 않 는 경우와 다층건물에 적용될 수 있는 방식이며, 자연 배출방식의 경우에는 중기화재 이후에도 지속적으로 대량의 열과 연기의 배출이 요구되는 공간과 면적이 매우 넓은 단층 건물 등에 적용될 수 있다.

강제 및 자연배출방식 두 가지 모두 중요한 전제조 건은 유입공기가 배연과 동시에 원활하게 이루어져야 한다. 만일 화재실내부로 공기의 유입이 없다면 배연 구가 개방되어도 연기의 배출은 원활히 이루어질 수 없다.²⁾즉 배출된 만큼 자연스럽게 화재실내부로 공기 가 유입되도록 함께 계획되어야 한다. 이러한 유입공 기에 대한 계획도 배연구의 설계에 못지않게 매우 중 요한 요소이므로 설계시에는 이러한 공기유입구의 특 성이 배연성능에 미치는 영향을 면밀히 분석하여 반영 하여야 할 것이다.

배연량을 일정하게 유지할 수 있다고 가정한다면 공 기유입구의 면적이 작을수록 유입구를 통과하는 공기 의 속도는 빨라질 것이고 공기유입구의 면적이 클수록 유입구를 통과하는 공기의 속도는 느려질 것이다. 만 일 화재 발생위치가 공기유입구 바로 인근에서 발생하 였다면 화염으로 직접 공기를 불어넣게 되어 오히려 화재를 인근으로 확산시켜버리는 결과를 초래할 수 있 다. 유입구의 위치선정에서는 이러한 요인들도 고려의 대상이 되어야 할 것이다.

또 하나 중요한 것은 화재 플럼으로의 공기유입속도 를 들 수 있다. 화재로부터 발생한 연기는 상부에 층 을 이루면서 천천히 하강하게 되는데, 이때 연기층과 하부 청결층이 뚜렷하게 분리되어야 안전한 피난을 보 장받을 수 있다. 만일 이러한 연기층이 흐트러질 경우 에는 연기층과 청결층의 구분이 깨지면서 청결층 아래 로 연기의 하강이 국부적으로 발생하게 되는데 이럴 경우에는 피난에 위험을 초래하게 된다.

이번 연구는 화재 플럼으로 유입되는 공기의 속도가 배연효율에 미치는 영향을 분석하여, 배연시스템 설계 시 공기유입구의 위치와 크기 선정에 반영하기 위함이 며, 연돌효과와 외기풍속에 의한 영향은 없는 것으로 가정하였다.³⁾

2. 배연 설계

2.1 개요

분석대상건물은 Figure 1과 같은 공연시설을 가정하 였다. 소방법에서는 일정규모를 초과하는 면적을 가진 무대부의 경우에는 배연시설을 설치하도록 규정하고 있다. Figure 1은 지방자치단체가 관리하는 전형적인

규모와 형태의 공연시설이며 무대부를 위한 배연시스 템이 적용되어 있다.

화재의 위치는 무대부 중앙부근으로 가정하였다. 화 재가 발생하게 되면 무대부에 설치된 연기감지기의 작 동으로 무대부 상부 배연구와 건물 하부측에 설치된 공기유입구가 개방된다. 이때 공기유입구의 위치를 무 대부 측면에 위치한 경우와 객석부위에 위치한 경우의 두 가지 경우에 대해서 배연성능을 비교 분석하였다.

공기유입구의 위치에 따라 무대부 중앙에서 발생한 화원으로의 공기유입속도가 달라질 것이기 때문에 이 러한 공기유입속도가 배연성능에 어떠한 영향을 미치 는지를 분석하기 위한 것이다.

2.2 배연방식

자연배출방식을 채택하여 무대부상부에 배연구를 설 치하여 화재 시 자동으로 개방되어 연기 자체의 부력 으로 배출되도록 하였다. 동시에 공간의 하부에 설치 된 공기유입구도 개방되기 때문에 연기의 배출은 원활 하게 이루어질 것이다. 공기유입구의 위치는 무대부 측 면에 설치한 경우와 객석부 측면에 설치한 경우의 두 가지로 나누어 분석하였다.

2.3 화재의 크기

열방출량은 스프링클러가 설치되었을 경우 예상되는 최대 화재크기로 간주할 수 있는 5MW의 크기로 설정 하였다.⁴⁾

2.4 배연량의 계산

화재로부터 발생하는 연소부산물은 실제로 매우 적 은 양이다. 눈으로 보이는 연기는 연소가연물의 부산 물이 아니라 거의 대부분이 화재주위의 공기가 연소부 Figure 1. Example building of concert.

산물과 함께 혼합되어 형성된 것이다. Figure 2와 같이 고온의 화재 플럼은 주위의 공기를 플럼내부로 말아 넣으면서 원추형으로 상승한다. 원추형으로 퍼져 올라 가기 때문에 높이에 따라 플럼내부로 유입되는 공기량 이 달라지며, 화원으로부터 높은 위치일수록 유입공기 량은 많아진다. 즉 연기의 발생량은 화원으로부터 높 이에 따라 달라지는 함수가 되며, 플럼내부로의 유입 공기량을 계산함으로서 구할 수 있다.

이런 이유로 연기층의 높이를 높게 유지하기 위해서 는 보다 많은 배연량이 필요하게 되는 것이다. 연기의 발생량을 계산하기위해 많은 연구와 실험을 통하여 실 험식이 제시 되었으나 매우 제한된 범위 내에서만 예 측이 가능하다.

배연량의 계산은 국내화재안전기준에서 제시하고 있 는 기준값을 적용하지 않고 직접계산에 의한 방식인 NFPA 92B 몰, 아트리움 및 대규모공간의 연기제어시 스템 기준(Standard for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Spaces)에서 제시하고 있는 계 산식(1)을 사용하였다.⁵⁾

m_p= 0.071Q_c^1/3z^5/3+ 0.0018Q_c (1) 여기서,

m_p=연기발생량, kg/s Q_c=대류열방출률, kW z =연기층 높이, m z_o=가상점열원 높이, m

연기층의 높이는 2층 객석에 위치하고 있는 관람자 를 기준으로 4.5m로 하고 대류열방출률은 총열방출률 의 70%를 적용하여 배연량을 식(1)에 의해 계산하였다.

2.5 공기유입구의 계산

식(1)에 의해 계산된 배연량을 무대부 상부 배연구 를 통해 배출시켜야 하고 동시에 동일한 질량유량의 공기가 유입구를 통하여 유입되어야 한다. 공기유입구 를 통하여 유입되어야 하는 체적유량을 계산하기위해 유입공기의 온도를 20^oC로 가정하였다.

국내의 화재안전기준에서는 공기유입구를 통과하는 풍속을 5m/s 이하로 규정하고 있다. 이를 기초로 공기 유입구의 면적을 계산하면, 3.3m²가 되므로, 공기유입 구 면적 산정은 4m²으로 결정하였다.

2.6 배연구의 계산

NFPA204 열 및 연기 배출기준(Standard for Smoke and Heat Venting)에서는 배연구를 통하여 유출되는 질 량유량을 계산하는 식을 다음과 같이 제공하고 있다.⁶⁾

(2)

여기서,

=배출구를 통과하는 질량유량, kg/s C_{d, v}=배출구 방출계수

C_{d, i}=흡입구 방출계수 A_v=배출구 면적, m² A_i=흡입구 면적, m² T_o=주위온도, K T =연기층의 온도, K ρo=주위밀도, kg/m³ g =중력가속도, 9.81m/s² d =연기층의 두께, m

식(2)에서 배출구와 흡입구의 방출계수는 오리피스 흐름 방정식에서의 유량계수를 의미하며 실제유효개구 부 면적과 같은 개념이다. 이러한 방출계수는 제조회

m·_v = C_{d v,} A_v 1 + C_{d v}²_, A_v²

C_{d i}²_,A_i² --- T_o

---T

⎝ ⎠⎛ ⎞ --- 2ρo

2gd

( ) T_o(T - T_o) T² ---

m·_v Figure 2. Smoke generation model for fire.

Table 1. Discharge Coefficient of Vent and Inlet Type⁶⁾

Vent or Inlet Type

Discharge Coefficient C_{d, v}, C_{d, i} Louvered with blades at 90 degrees to airflow

Flap type or door open at least 55 degrees Drop-out vent leaving clear opening

0.55

Flap type or door open at least 30 degrees 0.35 Fixed weather louver with blades at 45

degrees 0.25

사에서 제공된다. 만일 적절한 방출계수를 얻지 못할 경우에는 Table 1의 값을 근거로 한다. 이 연구에서는 90^o 이상 개방되는 댐퍼로 간주하여 방출계수는 0.55 를 적용하였다.

식(2)를 통해 배연구의 크기를 결정하기위해서는 연 기층의 평균온도를 알아야 한다. 계산식은 다음과 같다.⁶⁾

(3)

여기서,

K =연기층의 대류열방출률 c_p=연기층 가스의 비열, kJ/kg·K

=플럼의 질량유량, kg/s

식(3)에서 대류열방출률은 특별히 계산된 경우가 아 니라면 총열방출률의 50%를 적용한다. 연기층의 온도 를 계산하면,

식(2)에 의해 배연구의 면적을 계산하면, 5.04m²가 된다. 적용은 여유율은 감안하여 6m²을 적용하였다.

2.7 C-Fast를 이용한 결과의 예측

대상건물에서 설정한 화재위치 그리고 화재크기를 전제로 수계산으로 구한 배연구의 면적과 공기유입구 가 적절하게 선정되었는지를 C-Fast를 이용하여 분석 해보았다.

C-Fast는 미국의 NIST(National Institute of Standard and Technology)에서 개발한 프로그램으로 화재가 발

생한 구역의 연기, 유해가스, 온도분포, 개구부 유동 등 을 표현할 수 있는 Two - Zone Model이다.⁷⁾

Figure 3은 C-Fast를 수행한 결과를 시각적으로 보여 주고 있다. C-Fast에서는 공기유입구의 위치가 배연성 능의 결과에 미치는 영향을 계산하지 않으며 유입구의 면적만이 계산에 반영된다. Figure 3에서 연기층이 일 정한 높이에서 유지되고 있는 것을 알 수 있다. Figure 4는 C-Fast의 계산결과에 따라 시간에 따른 연기층의 높이 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 연기층이 지속 적으로 하강하다가 약 300여초를 지나면서 일정한 높 이를 유지하고 있다. 이것은 상부 배연구를 통하여 지 속적으로 연기가 배출되면서 배연량과 연기생성량이 균형을 이루게 되었기 때문이다. 연기층의 하강은 약 5.3~5.6m 정도를 유지하고 있다. 이 값은 수계산에서 산정한 연기층의 높이 4.5m보다 약간 높은 결과를 보 여주고 있는 것을 알 수 있다.

3. 분석 결과

3.1 개요

해석은 두 가지 시나리오로 나누었다. Case-1 시나 리오는 Figure 5와 같이 공기유입구가 무대부 측면에 위치한 경우이며 Case-2 시나리오는 Figure 6과 같이 공기유입구의 위치가 객석부위에 있는 경우이다. 이 두 가지의 결과를 FDS를 통하여 분석하였으며, 공간 내 셀의 개수는 약 20여만 개로 나누었다.

분석내용은 무대부 상부 배연구를 통하여 배출되는 연기의 질량유량과 화재 플럼으로 유입되는 공기의 속 도 그리고 객석으로 유입되는 연기의 가시거리와 연기 층의 높이변화를 분석하였다. 가시거리측정 센서는 객 T = T_o + KQ_c

c_pm·_p ---

m·_p

T = 293 + 0.5 5000× 1 19.53× ---°÷4.21K

Figure 3. The graphics of temperature smoke layer by C- fast analysis.

Figure 4. The result of smoke layer by C-fast calculation.

석부위 4.5m, 7.5m, 10.5m 높이에 각각 4개씩 설치하 였다.

3.2 해석결과

3.2.1 배연성능에 대한 시각적 분석

먼저 시간경과에 따른 연기층의 거동변화를 관찰해 보았다. Figure 7은 Case-1 시나리오의 결과를 보여주 며 Figure 8은 Case-2 시나리오의 결과를 보여주고 있다.

시각적으로도 확연하게 결과의 차이를 알 수 있는데, 공기유입구가 객석부위에 설치된 것에 비해 무대부 측 면에 설치된 경우에는 연기층이 일정한 두께를 형성하 지 못하고 아래측으로 상당부분 하강함으로서 객석부위 가 연기층에 빨리 노출되는 것을 알 수 있다. 이는 무 대부 측면에서 유입되는 빠른 속도의 유입공기가 화재 플럼을 흐트러뜨림으로서 와류가 발생하여 연기층을 교 란시키는 것으로 판단된다. 만일 실제 화재상황이라면

객석부위에 있는 관객들이 예상보다 빨리 연기층에 노 Figure 7. Result of smoke view for Case-1 scenario.

Figure 5. Case-1 scenario for FDS modeling.

Figure 6. Case-2 scenario for FDS modeling.

출되어 피난에 장애를 초래할 가능성이 높아질 것이다.

3.2.2 화재 플럼으로 인입되는 유입공기의 속도 분석 Figure 9와 10은 각각의 시나리오에 대해 화재 플럼 으로 유입되는 공기의 속도를 나타낸 것으로서 무대부 측면에 공기유입구가 있는 경우에서는 화재 플럼으로 의 공기유입속도가 매우 빠르게 이루어짐에 따라 상승 하는 화재 플럼의 축이 심하게 휘어지는 것을 알 수 있다. 실험에 의하면 화재 플럼이 흐트러질 경우에는 배연효율이 떨어지는 것으로 알려져 있으며, NFPA 92B 에서도 이러한 이유를 근거로 화재 플럼으로 유입되는 공기의 풍속은 1m/s를 초과하지 않도록 규정하고 있다.

Figure 11에서 보면 공기유입구가 무대부 측면에 있 는 경우 화재 플럼으로 유입되는 공기의 속도는 약 5m/

s를 보여주고 있으며 객석부위에 있는 경우는 약 1m/

s 이하의 분포를 보여주고 있다. 무대부 측면이 공기속

Figure 8. Result of smoke view for Case-2 scenario. Figure 9. Inlet air velocity for Case-1 scenario.

도가 빠른 것은 화원의 위치로부터 공기유입구가 가까 이 인접하여 유입공기의 풍속이 충분히 감소하지 않았 기 때문이다. 결과적으로, 빠르게 유입되는 공기가 화 재 플럼의 안정적인 상승을 방해하여 연기층을 교란하 는 것을 알 수 있다.

3.2.3 배연량 비교 분석

Figure 12와 같이 배출구를 통과하는 배연량 크기에

도 두 가지 시나리오 결과가 차이가 많이 나는 것을 알 수 있는데 공기유입구가 객석부에 위치하였을 경우 가 배연량이 많았고 무대부 측면에 위치한 경우에서는 배연량이 적었다. 이는 빠른 유입공기에 의해 화재 플 럼이 교란될 경우 배연성능에도 좋지 않은 영향을 줄 수 있다는 것을 보여준다.

3.2.4 객석부위의 연기층 강하 높이 분석

Figure 13과 같이 연기층의 하강은 공기유입구가 무 대부에 위치한 경우에서는 거의 객석부 바닥가까이 까 지 하강한 것을 알 수 있다. 객석부에 공기유입구가 위 치한 경우에서는 실제 설계기본조건에서 제시한 값인 4.5m에는 약간 못 미치지만 매우 근접한 것을 알 수 있다.

3.2.5 객석부위 4.5m 높이에서의 가시거리 변화 추 이 분석

설계기준 연기층 높이로 제시한 객석부위 바닥에서 4.5m 높이지점에서 연기로 인한 가시거리를 분석해보 았다. 가시거리 측정센서는 객석부위 4.5m 높이에 4군 Figure 13. Smoke layer for Case-1 & Case-2 scenario.

Figure 10. Inlet air velocity for Case-2 scenario.

Figure 11. Inlet air velocity for Case-1 & Case-2 scenario.

Figure 12. Exhaust flow (kg/s) for Case-1 & Case-2 scenario.

데로 분산하여 배치하였다.

Figure 14는 Case-1인 무대부위에 공기유입구가 위 치한 경우이고, Figure 15는 Case-2로서 객석부 측면에 공기유입구가 위치한 경우이다.

Case-2의 경우를 보면 연기로 인한 가시거리가 4군 데 모두 대략 20m 이상의 값을 보여주고 있으며 일정 한 연기층을 형성하지 않고 시간에 따라 가시거리의 변화가 매우 불규칙한데 이는 연기층의 형성이 일정한 가시거리의 패턴을 보일만큼 형성되지 않았기 때문으 로 유추할 수 있다.

반대로 Case-1의 경우에는 시간에 따른 가시거리의 변화가 뚜렷하게 나타나고 있으며, 가시거리의 값이 약 12m에 근접하고 있다. 이것은 연기층이 매우 뚜렷하게 형성되었다는 것을 의미하며 연기층이 상당부분 아래 로 하강해 있다는 것을 보여준다. 이로 인하여 가시거 리가 Case-2에 비해 매우 나빠진 것을 알 수 있다.

4. 결 론

배연시스템에서 공기유입구의 위치가 배연효율에 영 향을 미치는 것을 확인할 수 있었으며 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.

(1) 공기유입구의 설치위치가 무대부와 객석부의 경 우 화재플럼으로의 평균공기유입속도는 각각 5m/s, 1m/

s이며, 무대부의 경우 화재플럼을 교란시켰다.

(2) 화재 플럼이 교란되지 않은 경우 배연량은 32~

33kg/s이며, 교란된 경우 배연량은 25kg/s으로 교란되 지 않은 경우가 배연량이 더 많았다.

(3) 화재 플럼이 교란되지 않은 경우 교란된 경우에 비하여 객석부위로의 연기의 유입량이 적어 연기층 하 강이 거의 없었으며 그 영향으로 객석부위의 가시거리 의 감소는 매우 작았다.

참고문헌

1. 소방방재청, 국가화재안전기준 NFSC501.

2. 김학중, 박용환, 임채현, 김범규, “배연창 크기와 스 프링클러 작동이 인명안전에 미치는 영향 연구”, 한 국화재소방학회 논문지, Vol.24, No.2, pp.133-138 (2010).

3. 임채현, 김범규, 박용환, “고층건물에서 연돌효과 및 외기풍속에 따른 배연창의 배연성능 평가”, 한국화재 소방학회 논문지, Vol.23, No.6, pp82-90(2009).

4. BRE, “Design Methodologies for Smoke and Heat Exhaust Ventilation”(1999).

5. NFPA, “NFPA92B Standard for Smoke Management Systems in Malls, Atria, and Large Spaces”(2005).

6. NFPA, “NFPA204 Standard for Smoke and Heat Venting”(2007).

7. NIST, “CFAST-Consolidated Model of Fire Growth and Smoke Transport (Version 6) User’s Guide”, pp.1-2(2008).

Figure 14. Visibility for Case-1 scenario.

Figure 15. Visibility for Case-2 scenario.