The Performance of the Combined Operation of Sprinkler and Smoke Curtain for Smoke Control in the Sloped Stairway Corridor

경사통로로 전파되는 연기에 대한 스프링클러와 제연커텐의 통합제연성능 The Performance of the Combined Operation of Sprinkler and Smoke

Curtain for Smoke Control in the Sloped Stairway Corridor

전흥균^†·최영상·추홍록

Heung-Kyun Jeon

· Young-Sang Choi · Hong-Lok Choo

(2006. 5. 3. 접수/2006. 11. 27. 채택)

요 약

경사계단통로의 천장 아래로 확산되는 연기의 냉각 및 일시 차단을 위해 설치된 2개의 스프링클러헤드 와 깊이가 0.54 m인 제연커텐의 통합작동시 그 제연성능을 조사하기 위해 제연구역의 크기가 17.92 m×

4.00 m×6.12 m인 단일계단통로의 화재모형에 대해 FDS로 화재모의실험을 수행하였다. 스프링클러헤드 반응시간은 화재크기가 증가할수록 감소하며, 제연커텐이 있는 경우가 없는 경우보다 1.1초 증가하고, 화 원에서 경사통로출구까지 연기전파시간은 화재크기가 증가할수록 상당히 감소하며, 연기전파지연효과는 스프링클러의 작동여부와는 관계가 없음을 확인할 수 있었다. 스프링클러와 제연커텐의 통합작동은 연기 냉각측면에서는 효과가 큰 반면 연기전파지연측면에서는 작지만 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 살 수냉각효과에 의해 경사통로에는 고온연기층의 복사열유속의 화상위험은 감소되나, 헤드살수의 하향끌림 과 연기와 공기의 혼합 난류 현상에 의해 경사통로 입구부 주변에는 짙은 연기층이 형성되어 시계약화 및 연기질식 위험은 증가하여 피난에 어려움이 가중될 것으로 사료된다.

ABSTRACT

In this study, CFD computer simulations by FDS are carried out in order to confirm the performance of the combined operation of both sprinkler system and smoke curtain of 0.54 m depth installed for cooling and blocking the smoke which propagates beneath the sloped ceiling of a stairway corridor of which dimensions are 17.92 m long, 4.00 m wide, and 6.12 m high. It is shown that the response time of sprinklers decreases with fire size and it increases more about 1.1 second in case without smoke curtain than in case with smoke curtain, that the time of smoke transport from the fire source to the stairway outlet decreases considerably with fire size, and that the delay effect of smoke trans- port is not related to the sprinkler system, whether it is operated or not. This study shows that the combined operation of both sprinkler system and smoke curtain is very effective in smoke cooling, but it is a little for effect on smoke blockage. Although the hazard of skin burn due to radiative heat flux from hot smoke layer is decreased by spray cooling effect, the hazard of smoke suffocation and the weakening of visibility is increased by smoke downdrag and the turbulence of smoke-air mixing due to water spray. These conditions may result in preventing occupants from going out of the stair- way during evacuation.

Keywords : CFD, Combined operation of both sprinkler system and smoke curtain, Sloped ceiling, Response time, Delay effect of smoke transport, Smoke downdrag

1. 서 론

2003년 대구 지하철 화재사고는 화재시 발생된 다량

의 연기가 제연설비의 오동작으로 외부로 배출되지 않 아 피난통로인 대형 개구부가 있는 계단통로 입구 및 중간 장소에서 피난자들이 피난 중 연기의 질식으로 많은 인명피해를 초래하였다.¹⁾

지하공간화재시 수평통로 및 경사통로의 연기 확산

†E-mail: [email protected]

은 피난자의 피난방향과 같은 경우가 많아 피난시 시 야확보의 약화와 독성가스의 위험에 노출될 가능성이 높아짐으로써 화염접촉에 의한 피해보다 더 많은 인명 피해를 초래한다.

상기 사고와 같은 지하공간화재시 연기에 의한 인명 피해를 줄이기 위해 지하공간화재의 연기전파 특성에 적합한 연기제어기술 개발에 많은 관심과 연구가 이루 어지고 있다.

NFPA 204 연기 및 열의 배기 기준에 의하면 스프 링클러가 설치된 건물내 연기 및 열 제거는 성능분석 (performance analysis)에 기초하도록 권장하고 있다.

또 위험제어(재산보호, 인명안전)를 위해 스프링클러 설비와 배연설비 및 제연커텐(smoke curtain)의 통합사 용에 대한 설계기초는 현재에는 이용하지 않고 있으나, 향후 사용목적을 위해 통합기능의 이점과 화재제어에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구가 이루어지고 있다.

과거에는 스프링클러설비가 설치된 방호구역에서 자 동천장배연설비, 제연커텐의 단독 또는 통합작동시 스 프링클러의 성능에 미치는 효과에 대해 많은 논란이 있었다.²⁾

그러나 최근에는 스프링클러설비, 배연설비 및 제연 커텐의 통합기능에 대한 실험을 통해 스프링클러설비 성능에 미치는 배연구와 제연커텐의 영향에 대해 연구 가 수행되고 있다.

McGrattan(1998)은 plastic 적재물과 heptane spray 화 재시 스프링클러설비와 천장 배연설비 및 제연커텐의 상호작용에 관한 연구를 수행하여 화재가 배연구 바로 아래에 있지 않은 경우 배연작용은 스프링클러헤드작 동에 영향을 미치지 않으며, 제연커텐이 설치된 경우 스프링클러 작동헤드수가 증가한다고 보고하였다.³⁾

박은 ‘대구 지하철역 제연의 문제점과 대책 I(제연방 식)과 II(배기방식 제연설비의 풍량)’에서 대구지하철역 승강장 계단 주위 10 m×3 m×5.4 m의 공간에 대해 200 kW와 2 MW 폴리우레탄 화재시 제연성능을 FDS 로 모사하여 급기방식 제연의 문제점과 더불어 기계제 연방식 중 배기방식의 제연성능이 급기방식 보다 더 좋다는 것과 대피로의 온도를 60^oC 이하로 유지하기 위해서는 2.4 m³/s 이상의 배기풍량이 필요하다는 것을 밝혔다.^4,5)

박의 연구에서는 화재시 제연설비만을 작동시켜 배 연의 효과를 고려하였다. 그러나 외국의 경우처럼 연 기 및 열의 배출은 단지 배연만을 목적으로 하지 않고, 방호구역내에 설치된 스프링클러설비의 성능에 미치는 배연 효과까지 고려하여 연구가 진행되고 있다.

전 외 3인은 ‘스프링클러와 배연설비의 통합작동이

수평통로의 연기제어에 미치는 영향’에서 20 m×4 m×

3 m의 수평통로 공간에 대해 화재크기(1 MW, 2 MW, 3 MW), 스프링클러헤드의 개수(0, 1, 2, 3, 4개) 및 배 연량(0, 0.5, 1.27, 2, 3 m³/s)의 조건을 변화시켜 스프링 클러와 배연설비의 통합작동의 제연성능을 FDS로 모 사하여 2개의 헤드와 3 m³/s의 배연량인 경우 연기의 냉각 및 차단효과가 좋다는 것과 화재크기의 증가로 연기발생량이 배연량보다 큰 경우 연기하향끌림 현상 이 훨씬 더 크게 나타남을 밝혔다.⁶⁾

대구지하철 화재사고 후 승강장 출입구의 계단통로 에는 제연용 수막설비와 제연커텐을 설치하여 피난시 피난자의 안전을 도모하고 있다.⁷⁾ 따라서 계단통로의 수막설비와 제연커텐의 연기 냉각 및 차단 효과에 대 한 사전 확인 조사를 통해 설비의 실효성을 검증하여 사고예방에 만전을 기할 필요가 있다.

본 연구에서는 이전 연구인 ‘스프링클러와 배연설비 의 통합작동이 수평통로의 연기제어에 미치는 영향’의 후속 연구로서, 경사통로 천장 아래로 확산되는 연기 전파에 대한 계단통로의 수막설비 및 제연커텐의 연기 냉각, 차단 및 제연효과를 알아보기 위하여 열방출율, 스프링클러헤드와 제연커텐의 설치 유무로 구분하여 전체 12가지 경우에 대하여 미국 NIST에서 개발한 FDS (ver. 4.07)로 컴퓨터 화재모의실험을 수행하였다.

본 연구의 목적은 경사통로의 연기 냉각, 차단 및 제 연을 위해 설치된 스프링클러설비와 제연커텐의 통합 작동이 유동장의 온도 및 연기밀도 분포에 미치는 영 향을 조사하고, 경사통로내의 연기전파시간계산을 통 한 설비의 연기전파지연효과를 확인하여 유효성을 확 인·검증하는 것이다. 또 화재크기별 경사통로의 연기 유동상태의 정성적인 내용도 조사하고자 한다.

2. 컴퓨터 화재모의실험

2.1 화재모형

본 연구의 화재모형은 지하공간화재시 유동장의 온 도 및 연기밀도 분포와 연기의 전파 현상을 알아보기 위하여 상하부층 수평통로를 경사계단통로에 연결한 단일계단통로로 구성하였다.

Fig. 1. Fire model.

컴퓨터화재모형의 크기는 Fig. 1에 나타낸 것과 같 이 길이×폭×높이가 17.92 m×4.00 m×6.12 m이며, 계 단통로의 높이는 3.06 m이다.

화원은 경사통로로부터 적당한 이격거리를 유지시킴 으로써 화재열기류의 상승 부력이 경사통로의 연기전 파 및 거동에 직접적으로 영향을 미치지 않도록 하여 순수한 천장제트의 유동에 의한 연기전파 및 거동에 대한 해석을 할 수 있도록 X = 0.51 m, Y = 2.00 m, Z = 0.54 m에 위치시켰다.

화재는 폴리스틸렌(polystyrene) 연료의 연소로서 화 재성장기(fire growth period)는 없으며, 기체와 고체 연 기입자(soot) 연소생성물의 혼합물을 생성한다.

열방출율(heat release rate)은 화재초기부터 모의실험 이 끝나는 시점(t = 60초)까지 일정하게 방출하는 것으 로 하였다. 또 화재크기가 제연에 미치는 영향을 알아 보기 위하여 열방출율을 변화시켜 화재모의실험을 수 행하였다.

본 연구에서는 화재모형을 X, Y, Z 방향으로 각각 64, 20, 36개의 격자로 나누어 전체 46,080개의 균일 격자계(uniform grid systems)를 형성하여 화재모의실험

을 수행하였다. 전체 격자계를 Fig. 2에 나타내었다.

2.2 스프링클러헤드와 제연커텐

본 연구의 화재모의실험에 사용된 스프링클러헤드는 이전 연구⁶⁾에서와 같은 표준형 헤드로서 작동압력(p) 1.3 bar, 유량계수(K) 363lpm/bar^1/2, 반응시간지수(RTI) 50 m^1/2·s^1/2, 작동온도(Ta) 74^oC이다.

스프링클러헤드는 이전 연구의 결과에서 얻은 최적 스프링클러헤드수인 2개를 사용하였으며, (X, Y) 좌표 로 (8.12 m, 1.00 m)와 (8.12 m, 3.00 m)에 각각 설치하 였다.

화재모형에 사용된 제연커텐은 제연커텐 최소깊이 (zceil − zcurt) 계산식 (1)의 기준⁸⁾(본 연구의 경우 깊이

≥0.504 m)에 만족하도록 깊이를 0.54 m로 하였으며, 전체크기는 폭×깊이×두께가 4.00 m×0.54 m×0.01 m 로서 대구지하철 역사에 설치된 것과 비슷하게(깊이 0.6 m)하였고, X = 8.96 m 위치의 천장아래에 천장과 수 직방향이 되도록 설치하였다.

(zceil − zcurt)≥0.2(zceil − zfire) (1) 여기서 zceil은 바닥면에서 천장까지 거리, zcurt은 바닥 면에서 제연커텐 하단부까지 거리, zfire은 바닥면에서 화원의 상부면까지 높이를 각각 나타낸다.

2.3 화재 시나리오

본 연구에서는 단일경사통로의 화재모형에 대하여 스프링클러헤드와 제연커텐의 설치 유무와 화재열방출 Fig. 2. Grid systems.

Table 1. Conditions of fire scenarios

No. Model ID. Fire scenarios

H.R.R.[MW] Sprinklers Curtain Note

1 H01S0C0 0.1 × × fire size(0.1 MW)

2 H05S0C0 0.5 × × fire size(0.5 MW)

3 H1S0C0 1 × × fire size(1.0 MW)

4 H2S0C0 2 × × fire size(2.0 MW)

5 H01S0C1 0.1 × ○ only curtain

6 H05S0C1 0.5 × ○ only curtain

7 H1S0C1 1 × ○ only curtain

8 H2S0C1 2 × ○ only curtain

9 H01S2C1 0.1 ○ ○ combined

10 H05S2C1 0.5 ○ ○ combined

11 H1S2C1 1 ○ ○ combined

12 H2S2C1 2 ○ ○ combined

*Model ID. : H-Heat Release Rate / S-Sprinkler Head / C-Curtain.

율을 변화시키면서 화재모의실험을 수행하였다.

본 연구에 사용한 화재시나리오는 화재열방출율 0.1 MW, 0.5 MW, 1.0 MW, 2.0 MW에 대하여 헤드와 제연커텐을 설치 않은 경우, 제연커텐만 설치한 경우, 헤드와 제연커텐 모두 설치한 경우 등 전체 12가지 경 우에 대하여 FDS(ver. 4.07)의 기본경계조건을 적용하 여 화재모의실험을 수행하였다.^9-11)

본 연구의 화재 시나리오 조건을 Table 1에 나타내 었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 화재열기류와 연기전파(수평천장제트, 커텐제트, 경사천장제트와 수력도약)

Fig. 3은 제연커텐이 설치된 화재모형에 대해 열방 출률 0.1 MW 화재크기에 대한 FDS 화재모의실험 결 과로서 천장제트선단이 경사통로를 통과한 상태의 유 동장내 연기전파(Fig. 3(a))와 온도분포(Fig. 3(b)) 상태 를 보여준다.

Fig. 4는 동일한 화재조건에 대한 화재모의실험결과 로서 연기전파과정에 대한 이해를 돕기 위하여 연기유 동의 변화가 있는 시점에서 연기전파 상태를 보여준다.

화재초기 화재열기류와 천장제트의 형성 및 연기전 파 과정을 살펴보면 다음과 같다. 화재시 발생한 고온 의 연소생성물은 부력에 의해 주변의 흡입된 공기와 함께 상승하는 화재열기류(fire plume)가 되고, 상승 열 기류는 천장에 부딪혀 천장 아래로 확산되는 천장제트 (ceiling jet)를 형성하게 된다. 또 방사형으로 확산되는 연기는 수평통로의 폭방향 모서리에 부딪히면서 벽제 트(wall jet)가 형성하게 된다.

초기단계에서는 천장 아래로 확산하는 연기층은 천 장 및 주위 공기로의 열손실로 인해 확산속도가 점차 감소하고, 상류로부터 전파되어오는 연기가 누적됨에 따라 천장제트 선단부의 연기층 두께는 화원 직상부보 다 더 두껍게 형성되어 수평통로 길이방향으로 확산되 어진다(Fig. 4(a), (b) 참조).

이후 천장제트의 선단(jet head)은 수평통로의 천장 면 아래를 통해 전파해 나가다가 계단통로의 입구부근 에서 천장제트의 선단은 제연커텐의 장애로 제연커텐 아래로 하강하고 이때 천장제트의 하강추진력과 제트 자체의 부력에 의해 제연커텐 밑부분에서 상하부로 확 산하면서 제연커텐을 통과하게 된다.(Fig. 4(c) 참조)

제연커텐을 통과하면서 순간 속도가 증가하는 커텐 제트(curtain jet)가 생성되고, 수평추진력에 의해 경사

Fig. 4. Fire growth and smoke transport (0.1 MW, with only curtain).

Fig. 3. Fire pl ume, jet and hydraul ic jump (0.1 MW, with onl y curtain).

천장면과 일정시간 이격되어 진행되다가 주위공기의 저항에 의해 수평속도가 줄어들고 다시 수직상승력인 부력에 의해 계단통로의 천장 방향으로 상승하게 된 다. 상승 연기의 경사천장면 접촉시 상승 연기의 수 직추진력은 경사천장면에 대한 수직력과 접선력 성분 에 의해 경사통로 천장아래에 밀착되면서 경사천장제 트(sloped ceiling jet)를 형성한 후 경사면을 따라 전 파된다.

이때 경사통로 입구를 통과한 연기는 상승하는 부력 의 작용방향과 일치하면서 속도가 증가하여 연기층의 두께는 감소되고, 이후 경사천장제트의 선단은 경사천 장 우측 상부로 전파되면서 천장과 주위공기로의 열손 실 및 마찰저항에 의해 속도는 점차 감소된다. 그리고 하류의 경사천장제트의 지속적인 연기유입과 동시에 주위의 공기흡입(air entrainment)에 의해 천장제트 선 단부의 두께가 증가되어 수력도약(hydraulic jump) 현 상이 발생한다.⁹⁾(Fig. 4(d) 참조).

경사천장제트가 상부층 천장에 도달되면 경사천장제 트의 추진력이 다시 상부층 수평면에 대한 수직력과 접선력 성분에 의해 상부층 수평통로 천장 아래에 밀 착되면서 다시 수평천장제트를 형성한 후 천장아래면 을 따라 전파된다(Fig. 4(e) 참조).

일정시간 이후 연기는 전체 천장 아래에 안정된 연 기층을 유지하면서 하류로 전파된다(Fig. 4(f) 참조).

일반적으로 경사천장면의 상부로 유동하는 천장제트 의 속도는 천장경사면의 기울기가 증가할수록 증가한다.¹⁰⁾

3.2 화재크기별 유동장의 온도 및 연기밀도 분포

Fig. 5는 기준 화재시나리오에 대한 화재모의실험 결 과로서 Y = 2.0 m 위치에서 XZ 단면 유동장의 온도 및 연기밀도 분포를 나타낸다.

온도분포에서 볼 수 있듯이 화재 후 시간이 경과됨 에 따라 하부층 수평통로의 천장부의 고온연기층이 경 사통로와 상부층 수평통로의 천장으로 확산되어 천장 아래 온도가 상승함을 볼 수 있다. 이때 온도는 약 30 초까지 전체 천장부 아래 연기층의 온도가 상승하다가 이후 온도분포의 변화가 거의 없는 정상상태에 도달하 게 된다. 최고온도는 약 320^oC 정도로 화원 직상부 근 처에 한정되고, 하부층과 경사통로 중간거리까지는 약 200^oC 미만이며, 이후 상부층은 100^oC 미만의 온도분 포로 이루어짐을 알 수 있다. 이것은 화원에서 멀어질 수록 연기전파 과정 중 천장과 주위로의 열손실이 발 생하기 때문이다.

연기층의 밀도분포도 위의 내용과 유사하며, 최고밀 도는 화원 부근에서 약 3000 mg/m³이며, 통로길이(X) 방향 거리에 따라 감소됨을 알 수 있다.

하부층의 천장아래 연기밀도는 평균 약 1000 mg/m³ 이상, 상부층의 천장아래 연기밀도는 약 500 mg/m³ 정 도로 하부층의 연기밀도의 1/2정도로 감소함을 알 수 있다. 이것은 연기가 경사통로를 통과하면서 수력도약 현상에 의해 주위의 많은 공기가 혼합되어 연기밀도가

Fig. 5. The smoke temperature and density (1 MW, without sprinklers and curtain).

낮아진 것으로 판단된다.

3.3 살수냉각과 연기제어

본 연구에서는 스프링클러와 제연커텐이 있는 경우 에 유동장의 연기 냉각 및 제연효과에 대해 기준 화재 시나리오와의 비교를 통해 알아보기 위하여 화재 후 시간경과에 따라 화재크기별 유동장의 온도 및 연기밀 도 분포를 Fig. 6~11에 각각 나타내었다.

또 화재시 피난자의 위험정도를 알아보기 위하여 연 기층의 경계면이 바닥면으로부터 1.5 m 보다 높을 경 우에 화재인명위험기준인 상부고온연기층의 하부바닥 면으로의 복사열유속 2.5 kW/m²(또는 고온연기층의 온 도 183^oC) 값¹⁴⁾을 적용하여 화재크기별 유동장의 온도

분포 중 일정온도범위를 40^oC~183^oC(183^oC 이상은 적 색표시)로 정하여 나타내었다.

Fig. 6과 Fig. 7은 스프링클러와 제연커텐이 설치되 지 않은 경우에 대한 온도와 연기밀도 분포이다.

t = 10초 경과 후 화재크기가 증가할수록 온도 및 밀 도가 증가하고 그 연기층의 선단부는 각각 경사통로 이전, 경사통로 입구부근, 경사통로 중간, 상부층 천장 중간 정도 위치로 화원으로부터 더 먼 거리까지 확산 됨을 확인할 수 있다.

t = 30초 경과 후 경사천장 아래의 연기층은 화원으 로부터 생성된 고온의 연소생성물이 지속적으로 유입 됨에 따라 연기층의 두께가 점차 두꺼워지고, 온도도 상승함을 볼 수 있다.

Fig. 6. The smoke temperature (without sprinklers and curtain).

Fig. 7. The smoke density (without sprinklers and curtain).

이후 일정시간 경과후 연기층의 두께 및 온도는 최 대값에 도달되어 정상상태로 유지된다.

Fig. 6의 온도분포에서 화재크기가 0.1 MW, 0.5 MW 인 경우 상부연기층의 온도는 위험기준인 183^oC에 도 달되지 않으며, 1 MW인 경우 183^oC 이상인 연기층은 경사통로 입구 부근까지 확산되고 두께는 얇게 형성된 다. 또 2 MW인 경우 183^oC 이상인 연기층은 상부층 천장까지 전파되고 두께는 하부층에서는 두껍고 경사 통로와 상부층으로 갈수록 얇게 된다.

Fig. 7의 연기밀도분포에서 연기밀도가 1000 mg/m³ 이상인 연기층의 분포도 온도분포의 경우와 유사하게 나타난다.

따라서 화재크기가 큰 경우 경사통로를 통한 피난시

고온연기층으로부터 높은 복사열유속에 의한 피부화상 위험 가능성이 클 것으로 판단된다.

Fig. 8과 Fig. 9는 제연커텐만 설치된 경우의 화재모 의실험결과로서 유동장의 온도 및 연기밀도분포를 나 타낸다.

온도분포에서 화재크기가 0.1, 0.5, 1.0 MW 경우 스 프링클러와 제연커텐이 없는 경우와 유사한 온도분포 를 보이고 있으나, 제연커텐의 영향으로 하부층 천장 아래 연기층 두께는 제연커텐깊이 만큼 두꺼워진다. 또 2.0 MW 경우 제연커텐의 영향으로 하부층 고온연기층 이 두꺼워졌고, 고온연기층의 분포길이가 제연커텐 전 후정도까지 확산된다. 이러한 현상은 제연커텐의 존재 로 인해 전진하는 천장제트의 유동을 구속하고 방해함 Fig. 8. The smoke temperature (with only curtain).

Fig. 9. The smoke density (with only curtain).

으로써 앞의 경우와 달리 유동장의 상태를 변화시켰기 때문이다.

이러한 경우 경사통로를 통해 피난시 고온연기층으 로부터 복사열유속에 의한 화상위험은 감소될 것으로 판단된다.

화재가 큰 경우 제연커텐만으로도 제연커텐의 깊이 를 적당히 할 경우 제연커텐을 통과한 상류 공간에서 는 고온연기층의 복사열유속에 의한 화상위험은 어느 정도 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 제연 커텐의 깊이가 클 경우 고온연기층의 경계면이 바닥 가까이 하강함에 따라 피난자의 머리 아래에 위치하여 호흡에 의한 기관지 화상과 질식위험이 있으며, 제연 커텐의 깊이가 작을 경우 고온 연기층의 차단효과가

감소하여 피난시 복사열유속의 화상위험이 있게 된다.

연기밀도분포에서 화재크기가 0.1, 0.5, 1.0 MW 경 우 온도분포와 유사하다. 그러나 2 MW 경우 경사통로 내의 연기밀도가 더 불규칙적으로 분포됨을 볼 수 있 다. 이것은 연기가 제연커텐을 통과한 후 커텐제트가 되어 경사천장부와 충돌하면서 난류유동상태가 더 가 중되었기 때문이다.

Fig. 10과 Fig. 11은 스프링클러와 제연커텐이 모두 설치된 경우에 대한 화재모의실험결과로서 유동장의 온도 및 연기밀도 분포를 나타낸다.

온도분포에서 화재크기가 0.1, 0.5 MW 경우 헤드의 미작동으로 제연커텐만 설치된 경우와 동일한 분포를 나타낸다. 1.0, 2.0 MW 경우는 앞의 두 경우보다 고온 Fig. 10. The smoke temperature (with sprinklers and curtain).

Fig. 11. The smoke density (with sprinklers and curtain).

연기층의 두께는 감소되고, 그 길이도 제연커텐 앞까 지만 전파된다. 이것은 스프링클러헤드작동으로 인한 연기냉각효과에 따른 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 11 의 연기밀도분포를 보면 헤드살수로 연기층의 하향끌 림(smoke downdrag)과 연기와 주위공기의 혼합(mixing) 현상이 발생하여 경사통로 입구부 주변에 1000 mg/m³ 이상인 연기층이 길이방향으로 두껍게 형성된다.

따라서 화재크기가 큰 경우 스프링클러와 제연커텐 의 통합작동시 헤드의 살수냉각효과로 복사열유속에 의한 화상위험은 감소되나, 경사통로입구부 주변에 짙 은 연기층이 형성됨에 따라 피난자의 시계 약화로 피 난시 혼란이 야기될 것으로 판단된다.

3.4 헤드작동과 연기전파 시간(연기전파의 지연효과)

스프링클러헤드 작동여부와 반응시간을 Table 2에 나타내었다.

이 경우 헤드반응시간은 커텐이 설치되지 않은 경우 화재크기가 1.0, 2.0 MW에 대해 각각 24.8초와 13.4초 이고, 커텐이 설치된 경우 25.9초와 14.5초이다.

설치되지 않은 경우가 설치된 경우보다 약 1초 정도 빨리 반응하였는데 이것은 커텐이 없는 경우 하류로 전진하는 고온의 천장제트에서 헤드 용융부로 지속적 인 열전달이 이루어지지만, 커텐이 있는 경우 천장제 트가 커텐과 충돌 후 커텐 하단부까지 누적되어 계단 통로로 흘러 나갈 때까지 상류방향으로 역류됨과 동시 에 천장 아래 연기층을 형성하게 되고, 이때 이러한 역 방향천장제트의 진행과 형성된 연기층은 하류로 전진 하는 고온의 천장제트의 유동을 방해함으로써 헤드 용 융부로의 열전달이 늦어지기 때문이다.

제연커텐을 설치하여 발생 연기가 천장아래 일정시 간 정체되도록 하여 스프링클러헤드반응시간을 단축시 킬 수 있을 것이라는 예상과는 달리 오히려 늦게 반응

하는 결과를 얻었다.

따라서 제연커텐의 설치가 헤드반응시간을 단축시키 는 효과는 없는 것으로 판단된다.

Fig. 12는 화원에서 일정 지점까지의 연기의 전파시 간을 나타낸다.

그림에서 ╋의 경우는 화원으로부터 경사통로입구면 까지 연기전파시간으로서 스프링클러와 제연커텐이 없 는 경우(case 1), 제연커텐만 있는 경우(case 2), 스프링 클러와 제연커텐이 모두 있는 경우(case 3) 모두 동일 하며, 화재크기가 증가할수록 전파시간은 감소된다.

○의 경우는 스프링클러와 제연커텐이 없는 경우(case 1)에 대해 화원에서 경사통로출구면까지의 연기전파시 간를 나타내고, ●의 경우는 제연커텐만 있는 경우(case 2), 스프링클러와 제연커텐이 모두 있는 경우(case 3)에 대해 화원에서 경사통로출구면까지의 연기전파시간을 나타낸다.

경사통로 입구면에서 출구면까지 연기가 전파하는 시간은 스프링클러와 제연커텐이 없는 경우(case 1) 화 재크기가 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 MW에 대해 각각 8.6, 5.0, 3.6, 3.0초이다. 또 제연커텐만 있는 경우(case 2)와 스 프링클러와 제연커텐이 모두 있는 경우(case 3) 두 경 우 똑같이 화재크기가 0.1, 0.5, 1.0, 2.0MW에 대해 각 각 13.4, 7.6, 5.8, 4.7초이다.

화재크기가 증가할수록 연기전파시간은 급격히 감소 하며, 화재초기 스프링클러는 연기전파에는 영향을 미 치지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 13은 case 1의 연기전파시간에 대한 case 2(case Fig. 12. The time of smoke transport.

Table 2. The response time of sprinklers Fire size

(MW)

Response time of sprinklers (sec) without curtain with curtain Note 0.1 No Response No Response 0.5 No Response No Response

1.0 24.8 25.9 1.1

2.0 13.4 14.5 1.1

3 동일)의 연기전파시간의 차로 case 2(case 3 동일)의 연기전파지연시간을 나타낸다.

화재크기가 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 MW에 대해 연기전파 지연시간은 4.8, 2.6, 2.2, 1.7초로 화재크기가 증가할수 록 연기전파지연시간은 크게 감소하여 지연효과가 감 소됨을 알 수 있다.

화재크기별 화원으로부터 각 지점까지의 연기전파시 간을 Table 3에 나타내었다.

3.5 화재크기별 연기유동

Fig. 14와 Fig. 15는 스프링클러헤드와 제연커텐이 없 는 경우(case 1)와 스프링클러헤드와 제연커텐이 모두 있는 경우(case 3)에 대해 화재크기 변화시 연기유동상 태를 각각 나타낸다.

두 경우 모두 화재크기가 증가할수록 상부층으로의 연기전파시간은 짧아지고, 연기밀도는 증가한다.

Fig. 13. The effect of smoke control.

Table 3. The time of smoke transport(The delay effect of smoke transport)

Fire size (MW)

Time of smoke transport(sec)

Without sprinklers and curtain With only curtain With sprinklers and curtain Stairway

inlet(1) Stairway

outlet(2) Time

(2)-(1) Stairway

inlet(1) Stairway

outlet(2) Time

(2)-(1) Stairway

inlet(1) Stairway

outlet(2) Time (2)-(1)

0.1 12.2 20.8 8.6 12.2 25.6 13.4 12.2 25.6 13.4

0.5 7.6 12.6 5.0 7.6 15.2 7.6 7.6 15.2 7.6

1.0 6.0 9.6 3.6 6.0 11.8 5.8 6.0 11.8 5.8

2.0 4.8 7.8 3.0 4.8 9.5 4.7 4.8 9.5 4.7

Fig. 14. The patterns of smoke transport (without sprinklers and curtain).

t = 10초 경과 후 스프링클러와 제연커텐이 있는 경 우 연기전파거리는 스프링클러와 제연커텐이 없는 경 우의 연기전파거리 보다 짧고, 유동장의 연기분포는 제 연커텐의 작용에 의해 연기가 경사통로 입구에서 바닥 면 아래로 더 하강한다.

t = 30초 경과 후 헤드살수에 의해 경사통로입구부 주변의 연기층은 하향끌림(downdrag)과 주위공기와의 혼합(mixing)에 의해 난류상태가 가중되어 연기층이 두 터워지고, 이후 시간 경과와 더불어 경사계단통로 입 구부 주변은 연기층이 두껍게 형성됨을 재차 확인할 수 있다.

4. 결 론

지하공간화재시 경사계단통로 천장 아래로 전파되는 연기에 대한 스프링클러와 제연커텐의 통합작동의 제 연 성능을 조사하기 위해 단일계단통로의 화재모형에 대해 화재크기(fire size), 스프링클러헤드(sprinkler system) 와 제연커텐(smoke curtain)의 설치 유무를 각각 변화 시켜 전체 12가지 경우의 화재시나리오를 구성하고, FDS로 컴퓨터 화재모의실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 스프링클러는 일정 열방출율(1 MW) 이상에서 작 동하였고, 스프링클러헤드 반응시간은 화재크기가 증 가할수록 감소하였으며, 제연커텐이 있는 경우가 없는 경우보다 1.1초 증가하였다.

(2) 연기전파시간은 화재크기가 증가할수록 상당히 감소하였고, 화재초기에는 제연커텐의 영향만 있을 뿐

스프링클러의 유무에는 관계가 없다. 또 화재크기가 큰 경우 연기전파지연시간은 매우 감소하고, 화재크기가 작은 경우에 비해 연기전파지연효과가 매우 작게 나타 난다.

(3) 스프링클러와 제연커텐이 설치된 경우 헤드작동 의 살수냉각효과는 있는 반면, 연기층의 하향끌림(smoke downdrag)과 연기와 주위공기의 혼합(mixing)으로 인 해 경사통로 입구부 주변에 짙은 연기층이 형성된다.

스프링클러와 제연커텐의 통합작용에 의해 경사통로 에서는 고온연기층의 복사열유속의 화상위험은 감소되 나, 경사통로 입구부 주변에서는 짙은 연기층이 형성 되어 시계약화 및 연기질식 위험은 증가하여 피난에 어려움이 예상됨에 따라 이에 대한 대책도 강구되어야 할 것으로 사료된다.

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