Case Study of a Field Test for a Smoke Control System Using Sandwich Pressurization

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2016.30.5.087

샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템의 현장실험 사례 연구

김정엽

^†

한국건설기술연구원 화재안전연구소

Case Study of a Field Test for a Smoke Control System Using Sandwich Pressurization

Jung-Yup Kim

^†

Fire Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (Received August 9, 2016; Revised September 30, 2016; Accepted October 11, 2016)

요 약

국내에서는 고층 및 복합 건축물이 다수 시공되고 있는 상황에서 화재시 실효성 있는 연기대응 기술의 확립이 요구되 고 있으며, 고층 건축물에서 제연설비에 대한 대안으로서 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템의 적용이 확대되고 있다. 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템은 연기확산 방지와 원할한 피난환경 제공을 위해서 적정 층간차압과 이를 위한 급배기 풍량의 설계에 관한 자료가 확보되어야 한다. 본 논문에서는 이러한 연구의 일환으로서 샌드위치 가압 을 이용하는 연기제어 시스템이 설치된 실제 건축물에서 수행한 현장실험의 과정과 결과를 제시하였다. 실험에서 화재층 의 배기풍량과 상하부층의 급기풍량으로 시간당 6회의 환기횟수를 적용하였으며, 시스템 가동으로 화재층인 12층과 그 상부층인 13층 사이에 약 260 Pa의 압력차가 형성되었다. 이러한 압력차 형성은 피난 및 방화구획에 상당한 영향을 미 치므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

ABSTRACT

Amid the growing number of high-rise complex buildings in Korea, efficient smoke prevention technology in a fire is required and as an alternative of a mechanical smoke control system in high-rise buildings, the use of a smoke control system using sandwich pressurization has been on the rise. In such a system, the appropriate pressure difference and the data for designing the air supply and exhaust flow rate are necessary to prevent the spread of smoke and offer a tenable evacuation environment. As part of such effort, this paper presents a field test process and result after testing a building where such a smoke control system using sandwich pressurization has been installed. A ventilation rate of 6 cycles per hour were applied to simulate the air exhaust flow rate on a fire floor and the air supply flow rate on the floors above and below the fire floor. As a result of the system operation, pressure difference of approximately 260 Pa between the 12th floor of a fire and the 13th floor was generated. The over pressure of the experiment has a serious effect on the evacua- tion or fire compartment so that it is necessary to examine the improvement.

Keywords : Smoke control system, Sandwich pressurization, Pressure difference between floors, Field test

1. 서 론

국내에서는 건축물의 고층화와 대형화가 급격히 진행됨 에 따라 화재에 취약한 건축물이 증가되고 있어, 인명안 전을 위한 효과적인 화재대책의 필요성이 절실히 요구되 고 있다. 특히 화재시 피난 및 소화활동에 큰 지장을 초래 하고, 인명안전에 가장 큰 위협이 되고 있는 연기의 제어 를 위한 연기제어 시스템의 시장이 증가될 것으로 예측된 다. 즉 화재사고시 인명손실의 70% 이상이 연기에 의한

것으로 조사되고 있고⁽¹⁾, 고층 및 복합건축물이 다수 건 축되고 있어서 실효성 있는 연기대응 기술의 확립이 요구 된다.

국내 건축물에 대한 연기제어 시스템 설계는 “제연설비 의 화재안전기준(NFSC501)”⁽²⁾과 “건축물의 설비기준 등 에 관한 규칙”⁽³⁾ 등의 사양적 기준에 의해 진행되고 있으 나, 고층 건축물에서는 고층의 강한 풍압에 의한 신뢰성 확보의 곤란이나 층고증가 등의 문제로 인해 기존 설계기 준에 따른 연기제어 설비가 설치되기 힘들거나 적용되어

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-31-369-0506, FAX: +82-31-3693-0540

도 연기안전을 확보하기 어려울 수 있다^(4,5).

한편 90년대에 북미를 중심으로 가압과 감압에 의한 구 획간 압력차 생성을 기반으로 연기의 확산을 방지하는 존 별 연기제어 기법(Zoned Smoke Control Method)이 개발 되었으며, 연기제어에 대한 성능평가를 위해서 실제 건물 에서의 실규모 실험이 수행되기도 하였다^(6,7). 존별 연기제 어 기법의 기본원리는 건축물에서 화재발생시 발화지역의 제연구역에서는 연기를 배연하고 그 주변구역에는 가압을 수행함으로서 연기의 확산을 방지하는 기법으로서 특히 고층 건축물에서 효과적인 연기제어 기법으로 평가되고 있다.

국내에서는 근래에 들어 고층 건축물의 거실 제연설비 에 대한 대안으로서 존별 연기제어 기법을 활용한 샌드위 치 가압시스템이 설계되어 실제 적용되고 있다. 샌드위치 가압시스템은 존별 연기제어 기법의 일종으로서 각층의 한 개층 전체를 연기구역(Smoke Zone)으로 설정한 후 화 재가 발생한 층에서는 배기를 수행하고 화재발생 층의 상 부층과 하부층에서는 외부공기의 급기를 수행한다. 즉 샌 드위치 가압시스템은 배기와 급기를 통해 화재가 발생한 층에서는 부압을 형성하고 상부층과 하부층은 가압시킴으 로서 화재가 발생한 층에서 연기가 다른 층으로 확산되는 것을 방지하는 것으로서 층간 압력차를 이용하는 연기제 어 시스템이다.

Figure 1은 샌드위치 가압시스템의 동작 개념도와 시스 템 모델을 보여주고 있다. 그림에서 화재층과 상하부층의 송풍기 공급풍량(Qfan), 화재층의 압력(Pd), 상하부층의 압 력(Pp), 각 층의 외부 누기틈새 면적(Aw), 화재층에서 외벽 누기틈새로 유입되는 유량(Qwd), 상하부층에서 외벽 누기 틈새로 유출되는 유량(Qwp), 화재층-상부층 및 화재층-하 부층간 누기틈새로 흐르는 유량(Qfr)을 주요 변수로 설정 하였다. 그림에서와 같이 층간 압력차 형성에 영향을 미치 는 요소는 송풍기의 풍량과 함께 건축물의 누기특성이 매 우 중요한 인자로 고려되어야 한다.

샌드위치 가압시스템에서는 기존의 기계배연 시스템에 비해 배기와 급기 송풍량이 감소하므로 송풍용 덕트의 높 이를 낮추어서 건축물의 층고를 줄일 수 있으며 평상시 이 용하는 공조시스템을 연기제어에 사용할 수 있다. 이러한 특징으로 인해서 샌드위치 가압시스템은 국내의 기존의 배연창이나 거실 제연설비를 대체할 수 있으며 신뢰성을 확보할 수 있다. 이외에 샌드위치 가압시스템은 하나의 층 이 하나의 제연구역이 되므로 제어가 간단하고, 칸막이 변 경 시에도 연기제어 설비의 변경이 불필요한 장점이 있다.

반면 배연창에 비해 공사비가 증가하고 공조 덕트 계열에 내열성을 확보해야 하는 하는 단점이 존재한다.

위에서 언급한 바와 같이 샌드위치 가압을 이용하는 연 기제어 시스템은 화재층과 상하부층간 압력차를 발생시킴 으로서 연기의 확산을 막도록 하고 있다. 따라서 상기 연 기제어 시스템에서는 층간 적정한 압력차가 형성되도록 급배기 풍량을 선정하는 것이 매우 중요하다. 그러나 현재 국내에서는 층간 압력차에 대한 설계기준이 제시되지 않 고 있다. 즉 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템에 서 만족해야 하는 층간차압과 이를 위한 급배기 풍량의 설 계에 관한 자료가 확보되지 않고 있다. 따라서 현재 국내 에서 고층 건축물의 샌드위치 가압시스템에 대해 수행하 고 있는 설계방안은 공조시스템의 송풍량을 그대로 준용 하는 방법으로서, 화재층과 상하부층의 급배기풍량을 약 4~6회/h로 하고 있다. 이러한 설계방법은 층간 압력차를 이용하는 방식에 의한 효과적인 연기제어 측면에서 타당 한 근거를 가지고 있지 않은 것으로 판단되며, 오히려 기 밀도가 높은 현대 건축물에서는 과압 형성 등의 문제점이 발생할 수 있다.

따라서 관련 연구에서는 샌드위치 가압을 이용하는 연 기제어 시스템의 효과적인 운용을 위하여 필요한 층간 차 압 및 급배기 풍량의 설계자료를 제시하고자 하며 본 논문 에서는 이러한 연구의 일환으로서 샌드위치 가압을 이용 하는 연기제어 시스템이 설치된 실제 건축물에서 수행한 현장실험의 과정과 결과를 제시하였다. 실험결과는 현재의 설계방안에 대한 개선방향 제시와 주요 설계인자의 도출 에 활용될 것이다.

2. 현장실험 개요 및 수행과정

본 연구에서는 서울에 소재하는 지상 29층의 I 빌딩을 대상으로 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템의 현장 실험을 수행하였다. I 빌딩은 거실 연기제어 시스템 으로 샌드위치 가압을 이용하는 샌드위치 가압시스템을 채택하고 있다. I 빌딩의 샌드위치 가압시스템에 대해서 적용된 설계기준은 화재층의 배기풍량과 상하부층의 급기 풍량으로 시간당 6회(6회/h)의 환기횟수를 적용하였으며, 약 40,000 CMH의 송풍량이 급배기 된다.

현장 실험에서는 12층을 화재층으로, 13층과 11층을 화 Figure 1. Schematic diagram of operation and model of sys-

tem.

재층의 상하부층으로 설정하였다. 즉 12층에서 화재신호 가 발생하면 12층에서 40,000 CMH의 풍량이 배기되고 11층과 13층으로 각 40,000 CMH의 외부공기가 급기되도 록 설계되어 있다. 이러한 샌드위치 가압을 이용하는 연기 제어 시스템에 의해 발생하는 건물내 압력장을 파악하기 위하여 Table 1과 같이 압력센서를 설치하였다. 11층과 12

Table 1. Install Location of Each Measuring Sensor for Field Experiment

Location of absolute pressure manometer

No 1 Stair at 11 floor No 2 Vestibule at 11 floor No 3 Accommodation at 11 floor No 4 Stair at 12 floor No 5 Vestibule at 12 floor No 6 Accommodation at 12 floor No 7 Stair at 13 floor No 8 Vestibule at 13 floor No 9 Accommodation at 13 floor

Location of differential pressure manometer

No 1 Accommodation at 12 floor Measuring pressure difference between 11 and 12 floor No 2 Accommodation at 12 floor Measuring pressure difference between 12 and 13 floor

Measuring air velocity in duct

Exhaust duct at 12 floor Estimating flow rate in exhaust duct at 12 floor

Figure 2. Location plan of each measuring sensors at 12 floor.

층 및 13층의 거실, 부속실, 계단에 절대압력계(측정범위 800~1100 hPa, 오차율 ± 0.008%)를 설치하였으며 11층 거 실과 12층 거실간의 압력차 및 12층 거실과 13층 거실간 의 압력차를 각각 측정하기 위해서 차압센서(측정범위 0~

10 hPa, 오차율 ± 0.3%) 2식을 12층 거실에 설치하였다.

한편 12층의 배기덕트에서의 배기풍량을 측정하기 위해서

덕트의 단면을 8 × 4 구간으로 나누고 풍속계(측정범위 0~

20 m/s, 오차율 ± 5%)를 각 구간에서의 풍속을 측정하였다.

Figure 2에 12층에서의 각 센서에 대한 설치도를 나타내었 으며, Figure 3에 실험에서 사용한 압력센서와 풍속측정 과정을 도시하였다.

현장실험의 수행과정은 Table 2에 나타내었다. 표에서와 같이 오후 6부터 각 센서의 측정값을 저장하기 시작하엿 고 오후 6시 5분에 12층에서 화재가 발생한 것으로 화재 신호를 발동하였다. 화재신호가 발생하여 샌드위치 가압시 스템이 가동하면서 12층에서는 배기가 일어나고 11층과 13층에서 급기가 일어난다. 이때 11층에서는 공기가 급기 되면서 압력이 상승하고 이로 인해 거실과 비상용 승강기 의 승강장 사이에 설치된 문이 열렸다. 그리고 거실에서 승강장으로 강한 기류가 발생하였다. 한편 오후 6시 14분 정도에 13층에서 거실과 피난계단의 부속실 사이에 설치 된 문이 생성압력에 의해 열려진 것을 확인하고 문을 닫았 다. 그리고 오후 6시 20분 정도에 11층의 거실과 비상용 승강기 사이 문을 닫았는데, 이 때 11층 승강용 승강기의 문이 열리고 안 닫혀 있는 것을 확인하였다. 11층에 가해 진 압력으로 인해서 승강용 승강기의 문에 오작동이 발생 한 것으로 판단된다. 오후 6시 20분 이후에는 11층 승강용 승강기의 문이 열린 상태이지만 다른 문은 모두 닫힌 상태 에서 실험을 계속 수행하였다.

3. 현장실험 결과

3.1 층간 압력차

Figure 4는 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템 가동에 의해 생성되는 11층~12층 및 13층~12층의 거실간 Figure 3. Photographes of measuring sensors in field experi-

ment.

Figure 3. Photographes of Measuring Sensors in Field Exper- iment

Time Reference

time Occurring event 6 hr

0 min 0 s ○Start of data logging 6 hr

5 min 300 s ○Start of fire signal

6 hr

5 min 300 s

○At 11 floor

· Door between accommodation and lobby of emergency elevator is opened

· Strong airflow directing through accom- modation→ lobby of emergency elevator

→ mechanical room is generated.

6 hr

14 min 840 s

○At 13 floor

· Checking that door between accommo- dation and vestibule of stair is opened.

· Closing the door.

6 hr

17 min 1020 s

○At 13 floor

· Opening a door of stair and then closing the door

6 hr

20 min 1200 s

○At 11 floor

· Closing the door between accommoda- tion and lobby of emergency elevator

· Checking that door of passenger’s eleva- tor is opend and not closed.

Since 6 hr 20 min

Since 1200 s

○At 11 floor

· Continuing the measurement while door of passenger’s elevator at 11 floor open

○At 12 and 13 floor

· Continuing the measurement at all door closed

압력차를 보여주고 있다. 그림에서와 같이 압력이 일정하 게 유지되는 구간에서 12층과 13층 사이의 압력차는 약 260 Pa 정도 형성되고 있으며, 11층과 12층 사이의 압력차 는 약 140 Pa 정도 형성되고 있다. 11층과 12층 사이의 압 력차가 12층과 13층 사이의 압력차에 비해 낮은 것은 실험 과정에서 밝힌 바와 같이 11층의 승강용 승강기의 도어가 열린 상태로 측정이 이루어졌기 때문인 것으로 판단된다.

3.2 각 층의 구획실간 압력차

Figure 5는 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템 가동시 각 층의 구획실간 압력차를 보여주고 있다. 즉, 각 층의 피난계단 부속실과 계단실 사이의 압력차, 거실과 피 난계단 부속실 사이의 압력차를 도시한다. Figure 5(a)는 화재층인 12층의 하부층인 11층에서의 결과로서 부속실- 계단실 차압과 거실-부속실 차압이 약 35 Pa 정도 형성되 고 있다. 11층은 거실에 급기를 하므로 공기가 거실 → 부 속실 → 계단 방향으로 흐르고 거실>부속실>계단실의 순 으로 압력이 높게 형성된다. Figure 5(b)는 화재층인 12층 의 결과로서 부속실-계단실 차압은 약 −50 Pa 정도가 형성 되고, 거실-부속실 차압이 약 −40 Pa 정도 형성되고 있다.

12층은 거실에 배기를 하므로 공기가 계단 → 부속실 → 거실 방향으로 흐르고 거실 < 부속실 < 계단실의 순으로 압력이 높게 형성된다. Figure 5(c)는 화재층인 12층의 상 부층인 13층에서의 결과로서 부속실-계단실 차압은 약 70 Pa 정도가 형성되고, 거실-부속실 차압이 약 100 Pa 정도 형성되고 있다. 13층은 거실에 급기를 하므로 11층과 동일 하게 공기가 거실 → 부속실 → 계단 방향으로 흐르고 거 실 > 부속실 > 계단실의 순으로 압력이 높게 형성된다.

3.3 12층 배기덕트 풍속 및 풍량

Figure 6은 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템 Figure 4. Pressure difference between floors.

Figure 5. Pressure difference between compartments at each floor.

가동시 12층의 배기덕트에서 형성되는 기류의 풍속을 측 정한 결과이다. 앞에서 설명한 바와 같이 배기덕트의 단면 을 8 × 4의 구역으로 분할하고 피토관과 차압계를 이용한 풍속측정 방법으로 각 구역에서의 풍속을 측정하였다. 측 정된 풍속의 평균값과 배기덕트의 면적을 이용하여 구한 배기풍량은 약 21,000 CMH로 계산되었다.

3.4 실험결과 검토

실험대상인 I빌딩의 경우 샌드위치 가압을 이용하는 연 기제어 시스템의 설계시, 공조시스템의 풍량을 참조하여 급배기 풍량을 6회/h인 40,000 CMH로 설계를 하였다. 이 러한 상황에서 현장 실험을 수행하였으며, 층간 차압이 260 Pa 정도 형성되는 것으로 나타났다. 또한 13층의 결과 에서와 같이 거실과 부속실간 차압이 100 Pa 이상 형성된 다. 이러한 차압이 형성되면서 시험과정에서 피난계단과 비상용 승강기의 방화문이 열리거나 승강용 승강기의 문 이 안 닫히는 현상이 발생하였다. 즉 층간 압력차를 이용 하는 연기제어 시스템이 연기유동을 제어하는 것 이외에 방화문이난 승강기 문 등의 구조물의 작동에 영향을 미치 고 있다. 한편 화재층인 12층의 경우 거실-부속실, 부속실- 계단실의 차압이 −50 Pa 정도 형성되고 있으며, 이는 대피 자가 피난을 위해 피난문을 열 때 저항력으로 작용할 수 있으므로 향후 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

이상과 같이 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스 템의 가동은 연기유동 뿐만 아니라 건축물내 구조물과 피 난조건에 영향을 미칠 수 있으므로, 샌드위치 가압을 이용 하는 연기제어 시스템의 설계시는 연기확산을 방지하면서 구조물과 피난조건에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 방안 이 필요하다.

5. 결 론

본 연구에서는 국내 고층 건축물에서 기존 제연설비에 대한 대안으로서 적용이 확대되고 있는 샌드위치 가압을

이용하는 연기제어 시스템을 검토하고 실규모 현장실험을 수행하였으며, 실험결과를 분석하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템에 대한 현장실험의 수행결과로서, 시스템 가동으로 화재층인 12 층과 그 상부층인 13층 사이에 약 260 Pa의 압력차가 형 성되었다.

(2) 현장실험 결과로서 화재층인 12층에서는 부속실과 계단실 사이에 약 −50 Pa의 압력차가 생기고, 거실과 부속 실 사이에 약 −40 Pa의 압력차가 생성된다.

(3) 현장실험 결과로서 화재층의 상부인 13층에서는 부 속실과 계단실 사이에 약 7 Pa의 압력차가 생기고, 거실과 부속실 사이에 약 100 Pa의 압력차가 생성된다.

(4) 현장실험 결과로서 12층의 배기덕트에서는 설계풍량 인 40,000 CMH의 53% 정도인 약 21,000 CMH의 배기풍 량이 계측되었다.

(5) 샌드위치 가압을 이용하는 연기제어 시스템의 설계 시는 연기확산을 방지하면서 구조물과 피난조건에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 방안이 필요하다.

후 기

본 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업인 “(16주요) 대공간 건축물 화재시 3시간 이상 견딜 수 있는 구조부재 및 연기, 피난 기술 개발” 과제의 지원으로 수행되었고, 이 에 감사드립니다.

References

1. J. R. Hall, “Fatal Effects of Fire”, NFPA (2009).

2. Ministry of Public Safety and Security, “NFSC 501 Fire Safety Standard of Smoke Control Facilities” (2016).

3. Ministry of Land, Infrastructure and Transport, “Enforce- ment Regulation of The Building Facilities” (2016).

4. H. H. Soo, “Fire Safety Feature for Super High Rise Building by Performance Based Design”, Review of Architecture and Building Science, Vol. 53, No. 8, pp.

687-698 (2011).

5. C. H. Lim, B. G. Kim and Y. H. Park, “Mass Flow Rates and Performance of Natural Smoke Ventilators in High- rise Buildings”, Fire Science and Engineering, Vol. 23, No. 6, pp. 91-97 (2009).

6. J. H. Klote and J. A. Milke, “Principles of Smoke Man- agement”, ASHRAE (2002).

7. J. H, Klote, “Fire Experiments of Zoned Smoke Control at the Plaza Hotel in Washington DC”, NIST (1990).

Figure 6. Air velocity in exhaust duct at 12 floor (Unit: m/s).