제연댐퍼 누설량 시험에 관한 연구
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제연시스템의 성능위주설계를 위하여-
A Study on Leaking amount Test of Control Damper
- For a Performance Based Designed of Smoke Control System -
최규출†·송윤석*·차종호**
Kyu-Chool Choi† · Yun-Suk Song* · Jong-Ho Cha**
동원대학소방안전관리과, *경민대학소방행정과, **호원대학교소방행정학과 (2009. 6. 12. 접수/2009. 6. 19. 채택)
요 약
본연구에서는 AMCA Standard 500-D-98과관련하여여러시험의조건중제연댐퍼의누설량을측정 하고자한다. 이에본연구의결과로서설계, 도면검토, 성능검사에공학적시험자료를이용한제연댐퍼의 누설량성능곡선도등을적용하여제연시스템의올바른설계법과검사법을정립하여기술에대한이해와 성능이확보되도록한다. 또한성능곡선도의성능판단에의한댐퍼의선정으로댐퍼의품질개선을유도
하여제연시스템의성능을향상시켜신뢰성있는성능위주설계의제연시스템을구축하고자한다. 제연댐 퍼누설량시험을한결과시험장치의크기는시험하는제품의규격, 성능에따라결정되므로먼저제품 의성능등급을설정하여크기를결정하여야하며, 모든시스템의성능은계측에의하여판단되므로측정 값의신뢰도확보는최우선되어야하며, 제연댐퍼의시험방법에따라신뢰도를부여할수있는시험횟수
와시험해야할수량에대하여충분한검토결과에따른설정이필요하다.
ABSTRACT
This study measured smoke control damper leaking amount of condition of various kinds examina- tion regarding AMCA Standard 500-D-98. As result of study establish because smoke control damper leaking amount performance curve that use tester data of engineering applies right design method of smoke control system and test method design, drawing examination, performance test and do so that right comprehension and performance about skill may be defined. Also user wishes to prove perfor- mance of smoke control system and construct smoke control system of reliable performance-based design derive smoke control damper quality improvement continuously selection of smoke control damper by performance judgment of performance curve.
Keywords :Smoke control damper, Leaking amount, Performance curve, Smoke control system, Perfor- mance-based design
1. 서 론
기술과문명의발전은인구증가와주거및활동영역 의 고밀도화로 건물의 대형화, 고층화 및 심층화되어
거대한 도시화를유도하고 있다. 또한 건축물은 특수 기능을 갖춘복합용도등시대적 요구와더불어 복잡 화, 다양화되고 있어 화재가 발생하면피난하는 피난 통로의수평부분과수직부분이길어지고있다. 고층건
물일수록 수직방향의 피난은연기의 진행방향에 대항 하여 피난하는어려움이 가중되고있다. 건축물의 화
재취약조건은 증가하고 있으며, 이에 수반하여 인명 안전인식도높아져대응책으로안전한피난에대한연 구가활성화되고지속적으로진행되고있다.
제연시스템의 설치목적은화재시초기단계에서 화 재가진행되는동안연기의위험으로부터거주자가거 실내에서출발하여피난통로를경유하여안전하게피 난층에 도착할 수있도록 하는 것이다. 국내의 현행 제연시스템은부속실, 계단실 또는부속실과 계단실을
†E-mail: [email protected]
법이다. 그런데우리나라의경우제연시스템중에서차 압을이용하는제연시스템은 기술적, 현상학적으로변
수가 많고, 도입되어야 할 성능시험기술과 기술축적 의 기간이 짧아 제연시스템이 신뢰성 있게 적용되기 위하여 아직도 많은연구가 필요한 실정이다. 덕트설 계의기준설정에대한연구는 주로 HVAC SYSTEMS
DUCT DESIGN2)에집대성되어있으며, 미국의 NFPA
92A나영국의 BS 5588에서도 덕트설계및시공에관
한사항의설비표준도이를따르도록하고있다. 본연 구에서는소방관계법규나방화관련국제코드보다는주 로 건축설비 관련코드인 HVAC SYSTEMS DUCT
DESIGN이나 ASHRAE HANDBOOK을 기초로 연구
에접근하였다.
댐퍼는공기의흐름을제어하는장치로서유로의단 면을부분적으로축소시켜저항을제어하여공기의흐 름을 축소하거나 차단하는 것이주된 기능이며, 특히 미세한부속실의압력을제어하는제연댐퍼는그기능 및구조가 매우정밀하게 작동될 수있도록제작되어 야한다. 급기가압제연시스템에서제연구역의연기침입 방지를위해설정한차압의유지와방연풍속분포를위 하여덕트시스템의구성및덕트설계, 부속실의과압배 출장치, 원활한피난문의개폐를위한시스템또는주 변장치등많은새로운기술이개발되어야할분야이다.
급기가압제연시스템의주된기술은덕트설계라고할 수있다. 덕트내의압력으로인한제연댐퍼의누설량 은 부속실에 대한 과압발생의 요소이다. 본연구에서
는 AMCA Standard 500-D-983)과관련하여여러가지
시험조건중제연댐퍼의누설량을측정하고자한다. 이 에본연구의결과로서설계, 도면검토, 성능검사에공 학적 시험자료를이용한 제연댐퍼의누설량 성능곡선 도등을적용하여제연시스템의올바른설계법과검사 법을정립, 기술에대한올바른이해와성능이 확보되 도록한다. 또한사용자가성능곡선도의성능판단에의 한댐퍼의 선정으로댐퍼의품질 개선을유도하여제 연시스템의성능을향상시킴으로써신뢰성있는성능위 주설계의제연시스템을 구축하고자한다.
2. 제연댐퍼 누설량 시험
2.1시험방법
1차시험은제연댐퍼에 24V 직류변환기의전원을연
결하여스위치를 On시킨후, Off상태에서블로워회전
수를 1,000RPM에서 100RPM씩증가시켜가면서최대
전수를 1,000~3,400RPM 범위에서 100RPM씩변화시
켜가면서 피토관과오리피스의챔버압력을 측정하였 다. 블로워의회전수를 기준으로피토관과오리피스를 이용하여시험한결과오리피스의측정치가정밀한것 을확인되어오리피스로시험하기로결정하였다. 인버
터로 블로워 회전수를 조정하여 100RPM씩 1,000~
2,400RPM까지운전하여피토관동압을동일면적분할
법으로 수직 6점, 수평 6점으로측정하고, 오리피스는
P1, P2, ∆P로 측정하였으며, 시험장치 챔버정압을 측
정하였다. 시험 제연댐퍼는 D, J, K모델 순서로각 2
개씩수행하였다.
2차시험은 챔버압력(50~1,000Pa) 범위 내에서 50Pa
단위로가압하여오리피스측정장치에서 P1, P2, ∆P를 측정하였고 시험장치의 챔버정압을 측정하였다. 시험 제연댐퍼는 D, J, K, H, S형모델순서로 각각 2개씩 수행하였다.
3차시험은 챔버와 오리피스 측정장치에 피에조미터 링을설치하여평균압력으로시험하였다. 측정자의 계 측불확실성을점검하였고, 계측기의 검교정성적서를 참고하여해당표준측정값의보정치보정으로계산한 공기량을시험값으로하였다. 챔버와오리피스측정장
치에 AMCA 규격의피에조미터링을설치하여평균압
력을측정하였다. 챔버압력및누설량의영향으로날개 흔들림의 발생과기타제반현상을확인하였으며, 챔버 압력에 댐퍼누설량이 시스템 허용누설량과의 비교와 전면적 유속으로 환산하여 단위면적당 누설효율 비교 하여제연댐퍼의구조등누설요인에대하여검토하였 다. 3차시험후제연댐퍼는제조사또는크기에따라 누설량의 차이가 크므로 오리피스 측정값의 신뢰도를 위하여오리피스의β단위를 0.5씩하여 0.2~0.75 범위 로제작하여신속교환이가능한구조로개선을하였다.
시험결과 누설량 성능곡선, 전면적누설유속 검토, 날 개및루버의구조에따른누설량변화를비교하였다.
마지막 4차시험으로제연댐퍼표시반스위치를다시 켜면자동으로 0점조정이되도록기능을개선하였고,
덕트내압력에따라제연댐퍼의크기를선정할수있 도록날개 2매, 4매, 6매를고정한후누설면적을밀폐
한누설량성능곡선도에대하여 시험하였다.
2.2시험측정장치의제작
KS A 0612, KS B 6311, AMCA 500-D 표준 규격
과 TAB 기술기준을참조하여피토관, 열선유속계, D·
D/2형오리피스 측정장치를 설치하고, 동일한 시험상
태에서측정하여각측정장치별정밀도를비교하기위 하여동시설치를계획하였으며, KS F 3109 문세트의 차연량을적용한부속실최소누설량과덕트내의압력 에따른댐퍼 누설량을비교할목적으로설계하여제
작하였다. Figure 1, 2는누설시험기 개략도와 측정장
치이다.
2.3시험측정장치및주요부품구성
대기를 이용한 누설량 시험으로 제연댐퍼를 완전 폐쇄하였고, 가압압력(~3,000Pa 범위)하에서 제연댐퍼 의누설량등의 성능곡선도작성, 단위시간당발생하 는 거품의크기로 판정하는 거품 시험장치를 부착하
였다. 1kW 풍동 시험장치, TSI 8386, TSI 8702, 댐
퍼작동용 24V 직류변환기등으로구성하였다. 공기공
급원으로 1kW 300mmAq Blower, 측정장치의구성요
소는 접속 캔버스, 정류기(Straightener), 피토관또는
열선유속계, Table 1의 β= 0.25~0.75인오리피스, D·
D/2 압력탭, 시험장치용으로 챔버, 댐퍼작동용 24V
정류기, 공기량의제어용으로인버터 1kW 등으로구 성되었다.
3. 시험결과
3.1 1차시험결과
3.1.1 개요
블로워모터의회전수를기준으로 D, J, K 제연댐퍼
를시험한 결과제연댐퍼의성능을비교할 수없었고,
피토관과 오리피스의 측정결과 공기량에대한신뢰성 이터보형블로워에는오리피스가높은것으로판단되 었다. 측정방법은 압력의 변화가 작은 압력탭을 우선 순서로피토관의전압, 정압과오리피스상류및하류 압력측정후챔버내부압력을측정하며, 회전수 변경 때마다 0점조정을실시하였고, 피토관측정은측정개
소마다속도계산을 하여평균값으로 검토하였다.
Figure 1. Summary of leaking amount measurement equipment.
Figure 2. Leaking amount measurement equipment.
Table 1. The Minimum Air Volume by Orifice β Pipe Diameter 131
β Mean Hole
Diameter (d) Minimum
(Re) Discharge (m3/s)
0.75 98.25 92,878 0.144
0.70 91.70 80,922 0.126
0.65 85.15 69,745 0.108
0.60 78.60 59,435 0.092
0.55 72.05 49,991 0.078
0.50 65.50 41,327 0.064
0.45 58.95 33,443 0.052
0.40 52.40 26,425 0.041
0.35 45.85 20,274 0.032
0.30 39.30 14,902 0.023
0.25 32.75 10,397 0.016
0.20 26.20 06,671 0.010
3.1.2 D1, D2 제연댐퍼의시험결과
D형제연댐퍼는하향 레지스터를부착하였고, 다익 제연댐퍼의 날개모양은표준형이며, 오리피스, 피토관
측정결과의 양식 및 성능곡선도는 D, J, K 제연댐퍼 중 D형만사례로나타내었다.
오리피스의 β에 따라레이놀즈수가 주어지며, 측정 된공기량이 설정된레이놀즈수 이상이어야신뢰성이 있다.
3.2 2차시험결과
제연댐퍼시험의 순서는 D, J, K, H, S형으로 하였
다. D형 제연댐퍼는 하향레지스터를 부착하고 다익,
평행익에표준형제연댐퍼의날개모양을갖추고있고, J형제연댐퍼는레지스터가 없고, 개방되었을때하향
으로기류가형성되며, 다익, 평행익에날개단면은반
유선형이며, K형제연댐퍼는레지스터가 없고개방되 었을때하향으로기류가형성된다. 다익, 평행익에날
개단면은반유선형이다. 또한 H형제연댐퍼는레지스 터가없고개방되었을때기류분포가평행이되며, 다
익, 평행익에날개단면은유선형이고, S형제연댐퍼는 레지스터로타공판을사용하였고다익, 대향익표준형
제연댐퍼의날개모양이다.
제조사별누설량비교가 Figure 4와같다. 제조사별
제연댐퍼의누설량및전면적누설유속의비교는제연 댐퍼를 챔버에 설치한 후전원 24V를작동시켜 제연 댐퍼를전폐한후챔버내의압력에따라누설량을측 정한결과이다. 시험결과제조사에따라제연댐퍼의누
설량과 날개의 움직임이 차이가 크며, 제품의 품질이 Figure 3. D1 Comparison of orifice and pitot tube leaking amount.
Figure 4. Comparison of leaking amount by manufacturing company.
불균일함을알수있다. 표준제연댐퍼의구동구조인 경우날개의움직임이적으나동력전달의구조가표준 형이아닌경우움직임이많았다. 누설량원인은 셋트 스크류를이용하여날개축을고정한날개가이드와가 이드 핀의공간이넓어 회전되거나움직이는 등의경 우이고, 또한다른누설량의원인은날개의상하부위 에공간이있거나기타불필요한개구부가있었다. 일 부제품은 동력전달연결부위가 고정되지않아서떨 림현상이발생하는경우도있었다.
3.3 3차시험결과
3.3.1 시험장치
AMCA 누설량시험장치를압력강하챔버와 호환성
이 있는 크기로 설계하여 제작하였으며, 정압은 IBC
코드에 제연댐퍼의 누설량 시험압력 이 정격압력의
150%에 2,000Pa이적정한 블로워로교체하였다. 챔버
의 압력탭은 AMCA 규격으로 피에조미터 링을 구성
하였다. 측정장치는표준오리피스에 D·D/2형식의도 압관에상류측은압력탭을 4개하류측은 6개의압력탭
으로피에조미터링을구성하여평균압력을측정하였다.
3.3.2 시험결과
MK형 제연댐퍼는 개방되었을 때 상향으로 기류가 형성되며, 다익, 평행익에날개단면은반유선형이다.
MK-S4060 모델의시험편 2개를상온에서시험하였으
며, 검교정 성적서를 참고하여 보정값을 적용하였다.
150Pa 부근에서 미세한 제연댐퍼날개 움직임상태를
보이고있다.
두개의제품누설량편차는 1,000Pa에서 S1은 0.7m3/
s와 S2는 0.55m3/s이며, 제연댐퍼의 날개 구동구조가
개선되어야 한다. 시스템이작동되면 다음과 같은 가 정으로 먼저부속실의설정압력에서방화문 및기타 장소에서누설량을최소및최대범위로각각환산하여 거실방화문의 개방이있는경우와 없는경우를 구분 하여 각각 최악의 조건을 설정하고, 최소공기량과 최 대공기량을 설정하여 송풍기의 성능선도에 대입하면 덕트 내압력의 변화를 가정할 수있다. 여기서 최대 압력이 해당부속실 제연댐퍼의누설량으로 산정하여 부속실의과압여부를판정하여점진적으로제품이개
Figure 6. Face area leaking velocity performance curve of MK-S4060.
Figure 5. Leaking amount performance curve of MK-S4060.
3.4 4차시험결과
제연댐퍼(MAT1-4060) 모델별 2개씩을각 2회검사
하였는데제품의편차가있어평균값을기록하였다. 모 든날개를닫은시험결과가 Figure 7과같다. 제연댐퍼
는기존 제품보다덕트 압력에따른 누설량이약 1/2
수준으로개선되었고, 누설량을현재의 1/2 이하로줄
이는데 큰문제가 없을것으로판단된다. 4. 개선방안
4.1피토관과오리피스의측정에서정밀도판단 제연댐퍼누설시험장치의오리피스와피토관의측정
결과공기량의 편차는약 10% 정도피토관이많았다.
피토관의성능시험결과를보면블로워의후곡형임펠 러가 시계방향으로 회전하므로 토출기류가 하부에서 상부로솟아오르며, 측정장치로흐르게되어측정단면 의위치가블로워에서충분한거리임에도속도의분포 의중심이 측정단면의중심에 형성되지않고상단좌 측편으로편중되었다. 이상에서원심형 중터보형블 로워를 이용한 시험장치에서 피토관으로측정한 공기 량보다는오리피스로 측정한 공기량이 신뢰성이높은 것으로 판단한이유이다.
4.2누설량기준에따른시험결과의적용
AMCA에서는제연댐퍼누설량을 CL3, CL6, CL12, CL24, CL48로등급을구분하여나누며, 시험장치의압력에따 라누설량을 측정한누설량 성능곡선도의 누설량계수
를이용하여계산할수있도록되어있다. AMCA 제연
댐퍼의 누설량 선도는 AMCA 규격의 댐퍼에만 해당
된다는 사실이다. 현재국내제연관련댐퍼의날개또 는레지스터의 형상, 가로·세로비등규격에관한규
정이 없어 제조사별로모든 규격이 다르다. 제연댐퍼 의누설량등급을도입하여제품규격을설계에적용하 기위하여누설량성능곡선도를보고비교하여결정하 여야한다.
4.3누설량시험결과댐퍼의개선
다익제연댐퍼구조에서날개의구동장치, 본체와상 부, 하부날개와의 틈새, 본체와날개측면의틈새, 날
개의진직도와날개사이의 밀착또는 제연댐퍼자체 의필요성에 의한덕트와 관통되는개구부의크기등 이누설량에 직접적인영향을 미친다. 따라서 제조사 에서꾸준히 성능시험결과를비교하여복합적으로 개 선되어야 한다. 제연시스템설계자는 덕트 내압력과 제연댐퍼의누설량 선도에서댐퍼의 누설량을검토하 여, 부속실의차압에서 부속실의누설량보다 큰 경우 부속실에 과압배출장치를설치하거나 타제조사의제 품성능곡선도를비교검토하여결정하여야한다.
5. 결 론
제연댐퍼누설량시험을한결과제연댐퍼시험장치 의제작및성능에 대한결론이다음과같다.
(1) 시험장치의크기는 시험하는제품의 규격, 성능 에따라결정되므로먼저 제품의성능 등급을설정하 여크기를결정하여야한다.
(2) 모든 시스템의 성능은 계측에 의하여 판단되므
로측정값의 신뢰도확보는최우선되어야 한다. 측정 값및측정환경에따른 계측기의측정범위, 최소눈금,
정밀도에 대한설정을 확립하여야 하며, 검교정에 대 한 올바른 인식으로 검교정 시 측정값을 요구하여야 하며, 검교정 성적서를 이용하여보정된 결과가 측정 Figure 7. Leaking amount performance curve of MAT1-4060 by pressure.
값으로 기록되고보고되어야 한다.
(3) 제연댐퍼의시험방법에따라신뢰도를부여할수
있는 시험횟수와 시험해야 할 수량에 대하여 충분한 검토결과에 따른설정이필요하다.
(4) 제연댐퍼는 규격이 표준화되어 있지는 않으나,
제연댐퍼의 누설량은 시스템에 따라 덕트 내의 압력 분포별로단위면적당압력에대한누설량의등급을정 하여설계에서누설량의검토를위하여적용하는것이 바람직하다.
(5) 제연댐퍼의 구조및날개또는레지스터의형상
등이누설량의조건을만족하기위하여제연댐퍼의방 연풍속의분포와저항의크기와직접상관관계가있음 으로효율이높은형상및각도로개선되어야한다. 앞 으로도 제연댐퍼의 품질개선을 지속적으로유도하여 그성능을개선시킬것이다. 이에제조사간상호제품 성능 및품질향상을 바탕으로 하는선의의 경쟁이가 속화될것으로예상된다.
참고문헌
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