The Influence of Wind Conditions on the Performance of Smoke Ventilation in High-rise Building Fires

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.1.063

초고층건물 화재시 외기바람이 배연성능에 미치는 영향

김범규 · 임채현* · 박용환

^†

호서대학교 소방방재학과, *제주국제대학교 소방방재학과

The Influence of Wind Conditions on the Performance of Smoke Ventilation in High-rise Building Fires

Beom-Gyu Kim · Chae-Hyun Yim* · Yong-Hwan Park

^†

Dept. of Fire Protection and Disaster Prevention, Hoseo Univ.

*Dept. of Fire Protection and Disaster Prevention, Jeju international Univ.

(Received January 13, 2016; Revised February 19, 2016; Accepted February 22, 2016)

요 약

본 논문은 초고층건물 화재 시 외기바람의 풍속, 풍향 조건이 기계배연시스템의 배연성능에 미치는 영향을 분석하였으 며, 차원해석을 통한 축소모델 설계와 CFD 수치해석을 이용하여 영향을 정량적으로 평가하였다. 해석 결과, 축소모델의 외기풍속 5 m/s(실 외기풍속은 약 16 m/s), 풍향 θ = 5

의 조건의 경우 배연풍속이 최대 약 17% 감소함을 보였으며, 외 기풍향 각도 θ = 25

이하의 조건에서는 기계배연시스템의 배출풍량을 크게 감소시켜 화재시 배연성능이 저하될 수 있는 것으로 평가되었다.

ABSTRACT

This study examined the effects of the wind conditions, such as wind velocity and wind directions, on the performance of the mechanical smoke exhaust systems for high-rise building fires. A scaled model design and CFD simulations were used to verify the effects both quantitatively and qualitatively. The results showed that the smoke exhaust velocity of the mechanical exhaust system can be reduced by up to 17% at a wind velocity of 5 m/s (equivalent to an outdoor wind speed of 16 m/s) and a wind direction of θ = 5

. In addition, the angle of the outdoor wind direction below θ = 25

had a signifi- cantly influence on the smoke exhaust flow rate and reduced exhaust performance of the smoke exhaust system in a fire.

Keywords : Smoke exhaust system, Exhaust performance, Scaled model, CFD simulations, Wind direction, Wind speed

1. 서 론

지능형 초고층건물에 설치된 공기조화설비의 경우 화재 시 공조모드가 중단되고 제연을 위한 급기 팬 및 배연팬 작동방식을 채택하고 있다. 대부분의 배연팬은 설계에 따 라 정풍량(constant flow)으로 작동하며 연기를 건물옥상 또는 외벽 배연구로 배출시킨다. 그러나 외벽 배연구의 경 우 외기의 영향을 크게 받을 수 있으며 외기바람의 풍속, 풍향에 따라 성능이 저하될 수 있다. 배연풍속보다 외기풍 속이 클 경우 화재실의 연기가 원활히 배출되지 못하여 피 난 장애 및 인명피해의 원인이 될 수 있다. 또한, 풍속 및 풍향 조건에 따라 플러그 홀링(plug-holing)⁽¹⁾으로 인해 배 연성능이 저하될 가능성이 있다.

현재 국내외적으로 초고층건물의 기계식 배연설비의 경

우, 외기바람의 영향을 반영한 구체적인 설계 기준은 전무 한 실정이다.

이에 본 연구에서는 외기 바람조건이 배연설비의 성능 에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 외기 바람의 풍속, 풍 향조건이 닥트내 배연성능과 화재실 온도에 미치는 영향 을 CFD 해석을 통해 평가하였다.

2. 본 론

2.1 CFD 해석대상

초고층건물을 모사하기 위해 해당 높이에서의 최대외기 풍속과 최소외기풍속을 계산하였다. 이를 위해 지상 10 m 위치에서의 최근 30년간 국내 지역별 평균 최대평균풍속 및 최소평균풍속을 조사하였으며, 식(1)에 따라 약 500 m

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-41-540-5733, FAX: +82-41-540-5730

*본 논문은 제1저자 김범규의 박사학위논문을 기반으로 작성하였음.

높이에서의 최대풍속 및 최소풍속은 약 16 m/s와 약 3.6 m/s로 계산되었다. 단, 초고층건물의 기하학적 구조 및 형 상은 매우 다양하므로 본 해석에서는 복잡한 구조를 피해 최대한 간소화된 구조의 모델을 선정하였다^(1,2). 화재실은 Room A로 지정하였으며, Room B는 제연닥트의 폐쇄로 배연이 이루어지지 않는 것으로 가정하였다. 각 설비의 작 동시퀀스는 다음과 같다. Room A에서 화재가 발생한 직 후 부속실 급기가압으로 인해 화재실과의 차압이 40 Pa로 유지되고, 외기와 닥트로 연결된 공기유입구(Air inlets)를 통해 Room A에 1 m/s로 공기가 유입되며, 이와 동시에 배연팬이 작동하여 Room A의 연기는 배연구(Vents)를 통 해 루버(Louver)로 배출되게 되는 것으로 설정하였다. 문 틈새 등 을 통한 누설량을 고려하기 위해 Figure 1a)에 보 이는 모든 구조는 수치해석에 반영하였다. Figure 1의 a) 는 모델에 설치된 닥트설치구조를 b)는 수치해석에 적용 된 풍향, 풍속 조건을 c)는 수치해석의 선처리(Preprocess) 와 후처리(Postprocess)과정을 통해 나타난 격자를 각각 나타낸 것이다.

풍동장의 크기 40 m(가로) × 80 m(세로) × 30 m(높이)로 하 였으며, 공기 흐름은 풍상면(Leeward)에서 풍하면(Windward) 으로 설정하였다. 단, 풍상면과 풍하면의 유동면적은 40 m (가로) × 30 m(높이)이다. 각 출입문 및 창문은 모두 닫힌 상태이며, 누설틈새를 가정하기 위해 Table 1과 같이 누설

틈새 면적을 산출하여 해석모델에 적용하였다. 닥트, 공기 유입구 등 설비 부속품의 사양은 NFPA, NFPA, IBC에서 제공하는 지침에 만족토록 설계하였다. 또한, 루버치수 산 정, 닥트피팅 및 설계제반사항은 ASHRAE의 지침을 근거 하여 설계하였다^(1,3,4).

(1)

단, U는 문제의 풍속(m/s), U0는 특정 높이에서의 풍속 (m/s), z는 문제의 높이(m), z0는 특정 높이(m), a: 바람지

U = U₀ z z₀

⎝ ⎠----

⎛ ⎞^a Figure 1. Schematic diagram and sketch for CFD simulation reflected to scaled model.

Table 1. An Effective Leak Areas in Each of the Doors and Windows

Leak length (m) A_i (m²)

A_total (m²)

Vestibule

Stair door: 6.2 EV door: 10.3 Vestibule door: 6.2

0.0110

0.012 Corridor Window (2ea): 3.6 0.0002

Room A Door (3ea): 6.2

Window (10ea): 0.00036 0.0029 Room B Door (2ea): 6.2

Window (5ea): 3.6 0.0017

수(0.22)이다.

2.2 입력변수

2.2.1 해석 모델 구조 및 격자

CFD 해석대상은 축소모델과 동일한 형태의 기하학적 구조로 하고, 크기는 축소모델의 실 규모로 하였다. 공간, 닥트, 루버, 공기유입구의 치수는 축소모델의 10배인 실 규모에 해당되도록 식(2)를 이용하여 변환하였다⁽²⁾.

(2) 단, xm=축소 모델 위치(m), xf=실 규모 모델의 위치 (m), l_m=축소모델 길이(m), l_f=실 규모 모델 길이(m)이다.

난류성과 닥트유출입구, 곡면, 물체 모서리 부근에서의 마찰응력을 고려하기 위해 벽함수(Wall function)를 지정하 였으며, 닥트유출입구, 곡면, 모서리 부근의 격자는 1 cm, 닥트내부 및 풍동장은 10 cm 설정하였다⁽⁶⁾. 총 격수는 2,062,322개로 산출되었다.

2.2.2 해석연산자 및 재질

본 CFD 해석에 적용한 코드는 Fluent v6.0로서 풍동모 사에 널리 적용되는 해석도구이다. 해석 초기조건은 외기 바람이 있는 상태이고, 화재와 동시 제 · 배연설비는 바로 작동되는 것으로 설정하였다. 닥트 및 루버는 축소모델에 적용된 재질인 강으로 하였고, 외벽은 콘크리트로 출입문, 창문 등은 Gypsum 보드로 설정하였다. Table 2는 수치해 석에 적용된 재질의 물성 값을 나타낸다. 해석에 사용된 솔버는 Pressure based이며, Unsteady, 2nd-order implicit 방법을 적용하여 해석하였다. 또한, 화열에 의한 열 부력

x_m = x_f l_m l_f ---

⎝ ⎠⎛ ⎞

Table 2. The Properties of Input Materials

Locations Material

Properties of input parameters ρ

(kg/m³)

C_p (J/kg · K)

k (W/m · K)

ν (m²/s)

Molecular Weight ((kg/kg) Fire source Methyl-alcohol 0.8 1820 0.15 1.35E-05 32.04 Duct (interior material), Room (A, B) Air 1.21 1006.43 0.024 1.86E-06

Walls, Windows, Doors Gypsum 2,320 1138 0.5 - -

Duct (exterior material), Louver Steel 8,030 502.48 16.27 - - Table 3. A Dimensions on the Duct Fittings

Fittings Dimensions (mm*mm*EA)

Straight Ø750 × 3,000 × 6 EA, Ø1,000 × 9,800 × 1 EA Elbow Ø750 × 2 EA, Ø1,000 × 1 EA

Tee Ø750 × 750 × 1,000 × 1 EA, Ø750 × 750 × 750 × 8 EA

Reducer Ø750 × Ø1,000 2 EA

Louver 2,000 × 3,000 × 1 EA (45^o) Diffuser Ø750 × 1 EA (Round type)

을 모사할 수 있도록 Solver에 Buoyancy effect에 대한 항 목을 선택하여 지정하였다.

2.2.3 초기조건 및 경계조건

외기바람과 배출풍속은 축소모델 설계 시 산정된 값을 식(3)을 적용하여 변환 후 입력하였다. 수치해석에 적용된 닥트직경은 식(3)을 통해 산출하였다. 이때, 배출풍속은 배 출팬을 기준으로 유입측(Inflow) 7.16 m/s, 배출측(Outflow) 12.32 m/s이며, 각각 고정된 조건이다⁽²⁾. 본 과정을 통해 산출된 각 부속품의 치수 및 개수는 Table 3과 같다. Table 4는 출입문 및 창문, 외기 풍속, 공기 유입속도 등 경계조 건 입력 값을 나타낸다. 여기서, 부속실과 화재실과의 차 압은 부속실 급기가압 시 40 Pa 이하로 유지시켜야 하며, 이를 유지하기 위한 풍속은 0.087 m/s로 계산되었다. 공기 유입속도는 연기를 난동시키지 않는 범위인 2 m/s 이하의 규정풍속에 만족하기위해 1/2 수준인 1 m/s로 입력하였으 며 이 때, 댐퍼 블레이드 각도는 하향 60^o인 것으로 설정

하였다^(2,3). 다만, 화재실의 연기온도가 최고 약 65^oC로 나

타나므로 닥트 내 연기유동 시 닥트 내부 벽체와의 전도열 전달에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단되어 전도열 전달 특성은 본 해석에 반영하지 않았다.

(3)

단, Vm=축소모델에서의 속도(m/s), Vf=실 규모 모 델에서의 속도(m/s)이다.

(4) V_m = V_f l_m

l_f ---

Q = πd²V

---4 ⇒ = 4Qd πV---

단, Q = 설계 배연량(약 2.5 m³/min), V =닥트 풍속 (Inflow: 7.16 m/s, Outflow: 12.32 m/s), d =닥트 직경(m) 이다.

2.2.4 배연팬 설정

배연팬을 모델링하기 위해 실제로 현장에 설치되는 Figure 2와 같은 성능곡선을 적용하였으며, 식(5)를 통해 Table 5의 팬상수(Pressure polynomial coefficient)를 산출 하여 입력하여 성능곡선에 따라 변화될 수 있도록 하였다.

이때, 배출풍속의 초기조건이 흡입측(Inflow)에서 7.16 m/

s, 배출측(Outflow)에서 12.32 m/s가 되도록 배연 팬의 초

기 배출특성을 설정하였다.

(5)

여기서, 단, ΔP = 팬의 차압(Pa), fn=팬 상수, v = 팬의 평균속도(m/s)이다.

2.2.5 화원설정

화원의 온도 산출을 위해 식(5)를 적용하여 화염길이(Lf) 를 계산하고, 이를 Figure 3과 Table 6을 이용하여 약 200^oC의 값을 얻었다. 플룸 방출속도는 식(7)을 통해 계산

ΔP = f_nvⁿ⁻¹

n=1

∑N

Table 4. An Input Values on the Boundary Conditions and Intial Conditions

Names Settings Boundary condition and initial conditions

Windows Pressure-outlet 0 Pa, 294 K

Leeward Velocity-inlet

· Components for velocity vector:

1) 6.3 m/s

5^o (u = 6.28, v = 0.55, w = 0) 25^o (u = 5.71, v = 2.66, w = 0) 45^o (u = 4.45, v = 4.45, w = 0) 65^o (u = 2.26, v = 5.71, w = 0) 2) 16 m/s

5^o (u = 15.94, v = 1.39, w = 0) 25^o (u = 14.5, v = 6.76, w = 0) 45^o (u = 11.31, v = 11.31, w = 0) 65^o (u = 6.76, v = 14.50, w = 0)

· Temp.: 284 K Windward Pressure-outlet 0 Pa, 294 K Louver Pressure-outlet 0 Pa, 294 K

Vestibule/Door Velocity-inlet 0.087 m/s: (Sustainable pressure difference between fire room and vestibule) Air inlets Velocity-inlet 1 m/s, 284 K

Velocity components (u = 0.5, v = 0, w = 0.866) Fire source Velocity-inlet 5.14 m/s (u = 0, v = 0, w = 5.14), 474 K Wall Wall/gypsum Thickness = 200 mm, 294 K

Duct Wall/steel Thickness = 5 mm, 294 K, Relative roughness = 0.03

Table 5. Calculated Polynomial Constants for Exhaust Fan Static

pressure (Pa)

Flow rate (m³/s)

Velocity (m/s)

Pressure polynomial coefficient (f_n)

1100 0.00 0.0 1100

0900

02.61

0750

05.29

0700

0600

0520

0350

0100

0000

하였다. 화재를 지정하기 위해 Babaraukas의 실험결과를 검토하여⁽¹⁰⁾, 특정 가연물에 대한 열방출률 데이터를 모델 링에 적용하였다.

Table 6에 보이는 바와 같이 가방 및 종이 3.51 kg의 열 방출량은 약 75초 시점에 최대 약 230 kW로 조사되었으 며 이를 모델링 경계조건에 입력하였다.

화원은 Figure 1에 보이는 바와 같이 Room A의 중앙부 에 위치하는 것으로 설정하였으며, Table 7의 물성을 갖는 메틸알코올로 하였으며 본 수치를 모델링에 입력하였다.

이때, 실 규모에서 화원의 면적은 0.9 m²로 하였다. Table Figure 3. A temperature rise of the fire plume on the center- line⁽⁵⁾.

Table 6. The Heat Release Rates for Each Weights of Com- bustible⁽¹⁰⁾

Weight of combustibles HRR (kW)

04.1 kg

3.51 kg 230 (at 75 s)0 2.34 kg 290 (at 178 s) 1.17 kg 140 (at 89 s)0

Table 7. The Properties of Methyl Alcohol used by Fire Source

Mass burning rate (g/m²· s)

Effective heat of combustion (kJ/g)

Vaporization of area (m²)

HRR (kW)

17 19.8 0.9 230

Table 8. The Characteristic Values Calculated for the Fire Plume

Characteristic values

T_a (K) T_f (K) ρa (kg/m³) ρf (kg/m³) D (m) Q^* (m) (kW) z/ ^0.4 (m/kW^0.4) L_f (z) (m) V (m/s) T_f− Ta (K)

284 474 1.21 0.722 0.3 0.43 230 0.2 1.71 5.14 464

Q· Q·

8은 모델에 적용된 화재 플룸 특성을 보주고 있다.

(6) 단, = 화재의 열방출률(kW), Lf=화염의 높이(m), D = 연료의 직경(m)이다.

(7)

단, V = 풀룸의 속도(m/s), Ta=공기의 온도(K), Tf= 화염의 온도(K), ρ = 공기의 밀도(kg/m³), ρf=화염의 온 도(kg/m³)이다.

2.3 해석 시나리오

풍향조건은 5^o, 25^o, 45^o, 65^o로 하였으며 최저풍속 및 최 고풍속은 약 6.3 m/s (2 m/s)와 약 16 m/s (5 m/s)의 조건을 반영하였다. 단, 해석결과에 표현된 풍속은 축소모델 설계 시 상사법칙을 통해 변환된 값인 2 m/s와 5 m/s로 표시하 여 결과에 반영하였다.

초기외기조건은 바람이 형성된 조건으로 하였으며, 화재 발생 직후 배연설비가 작동되는 것으로 하였다. 해석시간 은 비정상상태로서 약 100초로 하였다. 해석조건 및 시나 리오를 요약하면 아래와 같다.

첫째, 외기온도는 10^oC인 조건이고 화재 시로 가정하였 다. 둘째, 외기풍속은 약 6.3 m/s (2 m/s), 16 m/s (5 m/s)로 하였으며 설계배연풍속은 약 12.32 m/s (3.88 m/s)의 조건 으로 하였다. 외기풍향은 관련연구자료 및 기술기준을 참 고하여 보편적인 풍향측정간격은 15^o~25^o의 범위에 포함되 도록 하였다^(1,2). 이에 루버면(0^o)과 풍상류(Leeward)과의 풍향각을 5^o, 25^o, 45^o, 65^o로 설정하였다. 배출풍속 및 정 압 측정위치는 Figure 1a)에 보이는 바와 같이 팬(Exhaust fan)을 기준으로 1차측인 흡입측(Inflow), 2차측인 배출측 (Outflow) 및 화재실 천장부에 설치된 연기배출구(Vents) 이며, 각 위치에서의 닥트내부에 대한 절단면(Plane)에 대 한 평균값을 결과로 나타내었다. 최고온도는 Figure 1a)에 서 보이는 Room A의 중앙부(Point 1)이며, 바닥으로부터 약 1.8 m(호흡선)지점에서 측정하였다.

2.4 결과분석

2.4.1 외기 풍향 및 풍속별 닥트내 배연특성

Figure 4는 무풍 시 루버 룸내 배출풍속과 정압분포를 나타내며, Figure 4(a)에 보이는 바와 같이 무풍 시 배출풍 속은 최대 약 3.88 m/s로 나타났다. Figure 5는 무풍 시 배

L_f = 0.23Q·^0.4 − 1.02D Q·

V = 2 T( _f − T_a)gz T_a ---

출풍속 및 압력 변화를 나타낸 그래프로써 연기배출측 약 3.88 m/s, 연기 흡입측 약 2.02 m/s, 배연구 약 1.02 m/s로 나타난 것을 알 수 있다. Figure 6은 외기풍속 2 m/s와 5 m/s 조건에서의 외기풍향 5^o일 경우, 각 측정위치에서의 배출풍속을 나타낸 것으로써 외기풍속 2 m/s의 경우 연기 배출측 약 3.7 m/s, 연기 흡입측 약 1.9 m/s, 배연구 약

0.9 m/s까지 감소함을 알 수 있다. 특히, 외기풍속 5 m/s 의 경우 연기배출측 약 3.2 m/s, 연기 흡입측 약 1.7 m/s, 배연구 약 0.7 m/s로 나타나 배연성능이 최대 약 17%까 지 감소되는 것으로 분석되었다. 정압의 경우 Figure 7과 같이 외기 바람의 영향이 클수록 증가함을 보였다. 이는 바람의 풍압으로 인해 루버 룸에서의 정압 증가가 루버 Figure 5. A variations of exhaust velocity and static pressure at 230 kW fire depending on the no wind.

Figure 6. A variations of exhaust velocity depending on W/D θ = 5^o at 230 kW fire.

Figure 4. A characteristics of static pressure contour and velocity vector at the location of outflow.

룸 내에서의 풍속을 감소시킴에 따라 닥트 전체의 정압을 증가되어 닥트의 배출풍속을 감소시켜 나타나는 결과로 분석된다.

Figure 8 및 Figure 9는 외기풍향 25^o의 경우를 나타낸

것으로, 외기풍속 2 m/s 조건을 제외한 나머지 조건에서 배출풍속이 감소되고 정압은 증가함을 보였다. 풍향이 45^o 에 이르게 되면 Figure 10에서 Figure 11에 보이는 바와 같이 외기풍속이 2 m/s인 경우는 바람의 영향은 감소하여 Figure 7. A variations of static pressure depending on W/D θ = 5^o at 230 kW fire.

Figure 8. A variations of exhaust velocity depending on W/D θ = 25^o at 230 kW fire.

Figure 9. A variations of static pressure depending on W/D θ = 25^o at 230 kW fire.

배출속도에 저하에 미치는 영향이 미미하여 배연성능에는 큰 지장을 주지 않는 것으로 나타났다. 그러나 5 m/s의 경 우는 배연구에서 약 0.96 m/s로 나타나 약 6% 정도 배출 풍속이 감소하였다. Figure 12에서 Figure 15에서와 같이

외기풍향이 65^o가 되면 외기풍속에 관계없이 외기바람의 배연성능에 미치는 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 즉, 배출풍속과 외기풍향간 사이각이 약 65^o이상이 되어야 설 계배연성능이 유지되는 것으로 평가되었다.

Figure 10. A variations of exhaust velocity depending on W/D θ = 45^o at 230 kW fire.

Figure 12. A variations of exhaust velocity depending on W/D θ = 65^o at 230 kW fire.

Figure 11. A variations of static pressure depending on W/D θ = 45^o at 230 kW fire.

2.4.2 화재실 온도특성

Figure 14에 보이는 바와 같이 외풍이 없는 경우는 약 30초 시점에 약 40^oC의 온도를 나타내었다. 그러나 외기 풍향이 5^o인 경우 외기풍속이 5 m/s 일 때 Figure 15에 나

타난 바와 같이 무풍 시 대비 최대 약 5^oC, 외기풍향이 25^o인 경우에는 Figure 16과 같이 외기풍속 5 m/s에서 최 대 약 3^oC 정도 증가하는 것으로 나타나 풍향이 낮고 풍 속이 높을수록 배연성능이 감소하여 화재실 온도가 더욱 Figure 15. A variations of room temperature in conditions for 230 kW fire depending on W/D θ = 5^o.

Figure 14. A variations of room temperature in conditions for 230 kW fire with no wind.

Figure 13. A variations of static pressure depending on W/D θ = 65^o at 230 kW fire.

커지는 것을 알 수 있다. 풍향이 65^o의 경우, Figure 17과 같이 화재실 온도변화가 거의 없는 것으로 나타나 외기의 영향이 거의 없는 것으로 평가되었다.

3. 결 론

본 논문에서는 외기바람의 풍속, 풍향 조건이 초고층건 Figure 17. A variations of room temperature in conditions for 230 kW fire depending on W/D θ = 45^o.

Figure 18. A variations of room temperature in conditions for 230 kW fire depending on W/D θ = 65^o. Figure 16. A variations of room temperature in conditions for 230 kW fire depending on W/D θ = 25^o.

물 기계배연설비의 배연성능 저하에 미치는 영향에 대해 CFD 해석을 통해 분석하였으며, 이를 통해 아래의 결론이 도출되었다.

첫째, 외기풍속 5 m/s(실 외기풍속 약 16 m/s), 외기풍향 θ = 5^o의 경우 최대 약 17%의 닥트내 배연풍속 저하가 발 생하였다.

둘째, 외기풍향이 65^o이하의 조건에서는 외기풍속이 클 수록 배연풍속이 감소되는 경향을 나타내 외기풍향 5^o, 외 기풍속 5 m/s 일 경우 화재실온도가 무풍 시 대비 최대 약 5^oC 정도 증가하였다.

셋째, 본 결과를 통해, 외기 영향을 최소화함에 따라 최 적의 배연성능을 유지할 수 있도록 하는 별도의 기술적 대 안 및 별도의 배연제어장치가 요구됨을 확인하였다.

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