제연댐퍼 송풍량에 따른 피난 안전 구역 차압 및 연기 거동 특성 연구 Study of Smoke Behavior and Differential Pressure in the Refuge
Safety Area According to Damper Capacity of Smoke Control
이재빈·문주현·이성혁·유홍선†
Jae Bin Lee · Joo Hyun Moon · Seong Hyuk Lee · Hong Sun Ryou† 중앙대학교 기계공학부
(2011. 7. 12. 접수/2011. 8. 12. 채택)
요 약
본 연구에서는 초고층 건축물 화재 시 피난 안전 구역이 있는 피난 층에서 화재실로부터 발생하는 연 기의 거동을 파악하기 위하여 상용코드를 사용하여 수치해석을 하였다. 화재를 모사하기 위하여 10 MW 의 발열량에 해당하는 온도와 속도를 이용하여 부력 plume을 적용하였으며 종 보존 방정식을 이용하여 화재 연기 거동을 예측하였다. 피난 안전 구역에 제연 댐퍼를 설치하여 급기 가압 제연 시스템을 적용하 였으며 화재실 문이 열린 경우 25 m3/s, 화재실과 부속실 문이 동시에 열린 경우 50 m3/s의 제연 댐퍼 송풍량은 화재 안전 기준 NFSC 501-A를 만족하며 충분히 제연이 가능하다는 것을 확인하였다. 부속실 문이 열린 경우, 화재실의 문이 닫혀 있더라도 문과 벽 사이의 틈새 면적으로 연기가 피난 안전 구역으 로 유입될 가능성이 있다. 또한, 50 m3/s 높은 송풍량으로 제연 중 화재실 문이 닫힐 경우 피난자가 화재 실에 고립될 가능성을 확인하였다. 그러므로 피난자의 안전을 위해 제연 송풍량의 조절이 필요하며 본 연 구에서는 피난 시나리오에 따른 적절한 송풍량을 제안한다.
ABSTRACT
In this study, we calculated the smoke movement at the fire area of the refuge floor which has the refuge safety area in case of fire in the high rise building by using a computational fluid dynamics (CFD) code of FLUENT (ver. 13.0). The buoyancy plume was applied using the temperature and flow velocity which represent 10 MW heat release rate in order to describe the fire, and the smoke move- ment was predicted using a species conservation equation. The pressurization system of smoke control was adopted with smoke control damper in refuge safety area, at the result, it is confirmed that the damper capacity was enough to smoke control in which the flow rate of supply was applied 25 m3/s in the case of the door at fire area opened only, and 50 m3/s in the doors at the fire area and lobby both opened case. They were satisfied in NFSC 501-A. Even though the door of fire area closed, there were smoke leakages at the gap between the door and wall. In addition, the refugee could be isolated in the fire area when the door of fire area closed during smoke control in the case of using the high damper flow rate of supply, 50 m3/s. Therefore the proper damper flow rate of supply are needed in order to prevent the damage of refugee and this study proposes the suitable condition of damper capacity according to refuge scenario.
Key words : High rise building, Refuse safety area, Smoke control system, Differential pressure, Smoke movement
1. 서 론
최근 도시의 집적화 및 고도화로 인하여 건축물 또 한 대형화, 고층화 및 복합화가 급격히 진행되고 있다.
이와 같이 한정된 공간을 가장 효과적으로 사용할 수 있는 50층 이상의 초고층 건물이 가지는 특수성으로 인해 화재 발생 시 소방 안전 측면에 많은 문제점을 초래하여 심각한 재난을 가져올 수 있다.1-3) 특히, 화 재 시 발생하는 연기 및 유독가스는 인명 안전에 가장 위협이 되는 요소이며 이를 제어하기 위한 제연시스템
†E-mail: [email protected]
의 중요성이 강조되고 있다. 선진국의 경우 과거 대형 화재 사고인 MGM Grand 호텔 및 Johnson City Retirement Center 화재를 분석하여 인명 사망의 주요 인을 연기에 의한 질식사로 판단하고 제연시스템 설계 기술을 개발해 왔다.1) 국내의 경우, 화재안전기준 NFSC
501-A에 준하여 특별피난계단의 계단실 또는 부속실
급기가압 제연시스템을 적용하도록 권고하고 있다.4,5) 또한, 2009년 개정된 건축법 시행령에서는 초고층 건 축물의 피난 안전을 위한 대피공간으로 지상 층으로부 터 최대 30개 층마다 ‘피난안전구역’을 설치하도록 권 고 정의하였고, 2010년 개정령에서는 피난안전구역을 건축물의 ‘피난 층’으로 인정하였다.6)이러한 제연 시 스템 설계 기술 및 안전 기준의 신뢰성을 높이기 위하 여 많은 연구가 진행되고 있다. Hadjisophocleous(2009) 등은 초고층 건축물의 층간 연기 거동을 실험과 FDS 를 기반으로 한 수치해석을 비교 분석하였고, Cheng (2009)은 홍콩의 초고층 빌딩을 대상으로 화재 시 연 기 거동을 Ansys CFX로 해석하여 피난층의 개선 방 안에 대하여 연구하였다.7,8) 또한 류성호(2010) 등은 FDS를 이용하여 부속실 면적의 크기와 댐퍼의 토출 각 도에 의하여 방연풍속이 역류하는 현상을 예측하였으 며, 최승혁(2009) 등은 COMTAMW을 사용하여 피난 층 구역과 피난층에 따른 계단실 구역 개선방안을 제 안하여 수치해석 수행하였다.9,10)
따라서 본 연구의 목적은 초고층 건축물 화재 발생 시 인명 피해와 직접 연관이 될 수 있는 피난안전구역 에 대하여 상용 열·유동 해석 프로그램을 이용하여 급기 가압 제연 시스템을 적용하였을 때, 제연 댐퍼 송 풍량에 따른 화재실의 연기 거동과 화재실과 피난안전 구역과의 압력 분포차이를 분석하여 보다 안전한 피난 안전구역 설계에 반영하도록 하는데 있다.
2. 수치해석
2.1 해석 모델
본 연구에 적용된 초고층 건축물은 인천 송도 신도 시 동북아 무역센터로 Figure 1에서와 같이피난 안전 구역의 면적은 877.2 m2, 화재실의 면적은 182.8 m2이 다. 피난 안전 구역과 화재실 사이에는 1.9 m × 2.0 m 크기의 쌍여닫이문이 있으며 틈새 면적은 0.03 m2이다.11) 화재실 내에는 2 m × 2 m 크기의 창문이 있으며 피난 안전 구역에는 화재 발생 시 제연을 위한 총 6개의 급 기 댐퍼와 엘리베이터 실과 피난 계단실로 연결되는 부속실 문이 설치되어 있다. 형상은 Pro-engineer Wildfire 5.0을 이용하여 3차원으로 실제와 가깝게 구현하였다.
격자는 Figure 2와 같이 ICEM-CFD Ver. 13.0을 이용 하여 3차원 삼각격자(tetrahedral)로 구성하였고 격자는 약 18만개의 셀로 구성되었다.
2.2 지배 방정식 및 해석 조건
본 수치해석에는 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너 지 방정식, 종 보존방정식을 사용하였다. 연속방정식은 제어체적에서의 질량 보존의 법칙에 기초하고 있으며, 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
(1)
운동량방정식은 식(2)와 같이 나타낼 수 있으며, 각 항 들은 제어체적의 각 방향에 수직으로 유출되는 운동량, 제어체적에 작용하는 압력, 밀도 차이로 인한 중력 및 점성력을 각각 나타낸다.
∂ ρu( i)
∂xi
--- = 0
Figure 1. The schematic of the refuge safety area and fire area.
Figure 2. Computational mesh of the refuge safety area and fire area.
(2)
식(3)의 에너지방정식은 열전달 현상과 온도 분포를 예측하기 위해 사용되며, 식(4)는 종 보존방정식으로 연소 반응물과 생성물 사이의 종이 보존됨을 의미한다.
(3)
(4)
난류 유동장 해석에는 표준 k-ε 모델을 사용하였으며, 속도와 압력의 연결은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였 고, 온도 변화에 따른 가스 밀도 계산은 비압축성 이 상기체의 상태방정식을 적용하였다. 표준 k-ε 모델은 2 방정식 모델(two-equation model)의 일종으로 난류유동 을 지배하는 속도 스케일과 길이 스케일을 수송방정식 형태로 나타낸 것이다. 이 모델에서 이용되는 k 및 ε 수송방정식의 최종 형태는 식(5)의 난류 운동 에너지 방정식과 식(6)의 난류 운동 에너지 방정식의 소멸률 과 같다.
(5)
(6)
여기에서 난류 생성항 P는 식(7)과 같다.
(7)
한편, 난류점성계수 µt는 다음과 같은 난류운동에너지 k와 에너지 소멸률 ε의 관계식으로 주어진다.
(8)
하지만 위 난류모델은 완전 난류영역에서만 사용할 수 있으며, 본 난류 모델에 사용한 모델 상수는 넓은 범 위의 난류 유동에 대한 실험 데이터와 비교하여 도출 된 값으로 난류 유동 해석 시 포괄적으로 사용하는 상 수는 다음과 같다.
C1= 1.44, C2= 1.92, Cµ= 0.09, σk= 1.3 (9) 화재는 급기 가압 제연 설비가 갖추어져 있는 피난 층에서 기계실 화재가 발생한 것으로 하였으며 화원의
크기는 3.5 m × 3.5 m로 가정하였다. 최대 열 발생률이 10 MW인 화재의 발생과 동시에 피난 안전 구역의 제 연 댐퍼는 가동되며 피난자들의 피난에 따른 화재실 및 부속실의 개폐 여부에 따라서 Table 1과 같이 세 가 지 조건에 대하여 해석을 수행하였다. 화원 모델은 10 MW의 기계실 화재와 동일한 발열량을 파악하여 적용 하였다.12) 또한 계산된 발열량을 화원 조건에 적용하 기 위하여 화재에 의해 발생되는 부력 플룸(plume)을 적용해야 하며, 화재에 의해 발생되는 높은 발열량은 밀도의 변화로 인한 부력을 만들고 이로 인하여 주위 공기를 유입하면서 상승하게 된다. 따라서 발열량에 해 당하는 온도는 1073 K에 해당하는 속도는 0.87 m/s로 적용하여 플룸의 상승을 묘사하였다.12,13)
본 연구에서는 초고층 건축물 화재 시 화재실과 피 난안전구역에서의 압력 분포 및 연기 거동을 모사하기 위하여 범용 열·유체 해석 프로그램인 FLUENT Ver.
13.0을 이용하였으며, 2.0 GHz, 16 GB 사양의 컴퓨터 (Intel Xeon CPU Quad Core Processor)를 사용하며 8 노드(node)를 병렬 연결하여 약 2시간의 해석 시간이 소요되었다.
3. 해석 결과 및 고찰
본 연구에서는 초고층 건축물의 피난안전구역이 설 치된 피난 층에서 화재 시 화재실 및 부속실 문의 개 폐 여부에 따른 연기 거동 특성에 대해 분석을 하였으 며, 제연 댐퍼 송풍량에 따른 해석 및 화재실과 피난 안전 구역의 차압 분석을 바탕으로 피난 시나리오에 따른 적절한 제연 댐퍼 송풍량에 대해 논의하였다. 제 연 댐퍼 송풍량은 0.6~50 m3/s로 다양하게 적용하여 결 과를 상호 비교하였다.
3.1 화재실 연기 거동 특성
Figure 3은 화재가 발생하여 피난자가 화재실 문을 열고 화재실로부터 피난안전구역으로 피난할 때, 화재 실문은 열려있으나 부속실 문은 닫혀 있는(Case 1) 경 우에 제연 댐퍼 송풍량에 따른 연기 거동을 나타내는 그림이다. 화재가 발생한 후 120초일 때 화재실 문과
∂t∂
----( ) + ∇ ρuuρu ⋅( ) = − ∇p + ρg + F
∂t∂
----( ) + ∇ u ρE + pρE ( ( )) = − ∇ hjJj
∑j
⎝ ⎠
⎛ ⎞ + Sh
⋅ ⋅
∂t∂
----(ρYi) + ∇ ρuY⋅( i) = − ∇ J⋅ i + Ri + Si
∂x∂k
---(ρukk) = ∂∂xk
--- µ + µt
σk
---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂k
∂xk
--- + P − ρε
∂x∂k
---(ρukε) = ∂∂xk
--- µ + µt
σk
---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂ε
∂xk
--- + C1ε
k---P − C2ρε2 ---k
P = − ρui'uk'∂ui
∂xk
--- = µt
∂ui
∂xk
--- + ∂uk
∂xi
---
⎝ ⎠
⎛ ⎞ ∂ui
∂xk
---
µt = Cµρk---ε2
Table 1. Conditions of Smoke Control System
Case 1 Case 2 Case 3
화재실문 Open Open Close
부속실문 Close Open Open
댐퍼유량 0.6~50 m3/s 0.6~50 m3/s 0.6~50 m3/s
부속실 문 부분의 사람 호흡 높이인 약 1.5 m 높이에 서 연기 거동을 보여주는 그림이다. 댐퍼 송풍량 0.6, 3.5, 25 m3/s에서 부속실 문이 닫혀있기 때문에 모든 경 우에 대해 댐퍼의 유량이 화재실로 유입되는 것을 확 인할 수 있다. 이 때, 0.6, 3.5 m3/s의 경우 화재 위치에 서 발생한 고온의 연기가 열 부력으로 인하여 사람의 호흡 높이까지 상승하는 것을 확인 할 수 있으며 낮은 댐퍼의 유량으로 완벽하게 제연하지 못하고 화재실의 연기가 화재실 문을 통하여 피난 안전 구역으로 빠져 나갈 가능성을 확인할 수 있다. 반면, 25 m3/s의 경우 0.8 m/s의 빠른 속도의 제연 댐퍼 유량이 화재실로 유 입됨으로써 화재실에서 발생한 연기와 함께 화재실의 창문으로 빠져나감으로써 완벽하게 제연 하는 것을 확 인할 수 있다.
Figure 4는 피난자가 화재실로부터 피난 후 피난 계
단 및 피난 엘리베이터를 이용하기 위하여 부속실 문 을 열고 피난 할 때 화재실 문과 부속실 문이 동시에 개방 되어있는 경우(Case 2) 연기 거동을 나타낸 그림 이다. 0.6 m3/s의 낮은 제연 댐퍼 송풍량을 적용한 경 우 제연 댐퍼 유량이 부속실 문을 통해 빠져나가면서 제연이 전혀 이루어지지 않으며, 화재실에서 발생한 연 기 역시 피난 안전 구역으로 유입되는 것을 확인할 수 있다. 부속실 문이 닫혀 있는 경우(Case 1)에서 완벽하 게 제연할 수 있었던 25 m3/s의 제연 댐퍼 송풍량 역 시 부속실 문을 통하여 일부 빠져나가기 때문에 화재 실로부터 제연하기에 송풍량이 부족하다는 것을 확인 할 수 있다. 반면, 50 m3/s의 높은 송풍량으로 제연 시 완벽하게 제연이 됨을 확인하였다.
Figure 5는 부속실 문은 열려 있으나 화재실문은 닫 혀 있을 때(Case 3)의 화재 연기 거동을 나타낸 것이 Figure 3. The smoke propagation with respect to flow rate
of supply (Case 1).
Figure 4. The smoke propagation with respect to flow rate of supply (Case 2).
다. 0.6 m3/s의 낮은 제연 댐퍼 송풍량을 적용했을 때 댐퍼 송풍량이 부속실 문을 통해 빠져나가기 때문에 피난 안전 구역의 압력이 화재실의 압력보다 상대적으 로 낮아지므로 화재실의 연기가 화재실 문의 틈새 면 적으로 빠져나가는 것을 확인할 수 있다. 화재실 문만 열려 있는 Case 1의 경우에서 완벽히 제연했던 25 m3/ s의 제연 댐퍼 유량 적용 시 화재실 문이 닫혀 있기 때 문에 Case 1과 달리 화재실의 절대압력이 대기보다 상 당히 높아짐에 따라서 연기가 창문을 통하여 빠져나가 게 되며 피난안전구역의 제연 댐퍼 유량이 화재실 문 틈새 면적으로 화재실로 유입되면서 제연이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 화재실 문과 부속실 문이 동시 에 열려 있는 Case 2에 완벽한 제연을 했던 50 m3/s의 제연 댐퍼 송풍량 적용 시 화재실 문의 틈새 면적으로 공기가 유입되면서 연기와 함께 화재실의 창문을 통해
빠져나가면서 제연이 되는 것을 보여준다.
3.2 화재실과 피난 안전 구역의 차압 분석
Figure 6은 각각의 경우에 대하여 제연 댐퍼 송풍량
에 따른 화재실과 피난안전구역의 차압을 비교한 그래 프이다. 화재실 문이 열려 있고, 부속실 문이 닫혀 있 을 때(Case 1) 제연 댐퍼 유량이0.6, 3.5 m3/s로 매우 작 을 경우 화재실과 피난 안전 구역의 차압이 거의 나타 나지 않기 때문에 Figure 3에서와 같이 화재실로부터 완전한 제연이 되지 않는 것을 확인할 수 있는 반면, 25 m3/s의 댐퍼 유량을 적용하였을 때 45 Pa로 차압이 발생하여 화재 안전 기준(NFSC 501-A)의 최소 차압을 만족하며 제연이 가능한 것을 확인할 수 있다. Figure 6(b)와 같이 화재실과 부속실이 모두 열려 있을 경우 (Case 2), Case 1과 비교하여 부속실 문 개폐에 따른 제연 댐퍼 유량의 큰 차이를 확인할 수 있다. 송풍량 이 0.6 m3/s인 경우 피난 안전 구역보다 화재실의 압력 이 높기 때문에 Figure 4(a)와 같이 연기가 피난안전구 역으로 빠져나간다. 부속실 문이 닫혀 있을 때 완전하 게 제연할 수 있었던 25 m3/s의 제연 댐퍼 송풍량 적 용 시 화재실과 피난안전구역의 차압이 약 7 Pa 정도 로 화재 안전 기준(NFSC 501-A)의 최소 차압에 준하 지 못하며 연기가 피난 안전 구역으로 빠져나갈 가능 성을 확인할 수 있다. 따라서 부속실 문과 화재실 문 이 동시에 열려 있는 경우 즉, 피난자가 화재실을 빠 져나와 피난 엘리베이터 또는 계단을 이용하기 위해 부속실로 빠져나가는 경우 35 Pa의 최소 차압이 나타 나는 50 m3/s 이상의 제연 댐퍼 송풍량이 필요함을 알 수 있다.
Figure 6(c)는 화재실 문이 닫혀 있고, 부속실 문이 열려 있는 경우(Case 3) 제연 댐퍼 송풍량에 관계없 이 화재실의 절대 압력은 일정하게 나타나며, 이는 화 재실 문 틈새 면적을 통하여 화재실로 유입되는 공기 의 양이 매우 작기 때문이다. 0.6 m3/s의 제연 댐퍼 송 풍량은 부속실 문을 통하여 모두 빠져나가기 때문에 피난 안전 구역의 압력이 화재실 보다 50 Pa 가량 낮 게 예측되며 그에 따라 화재실 문의 틈새 면적으로 화재 연기가 빠져 나가는 것을 확인할 수 있다. 25 m3/ s의 제연 댐퍼 송풍량의 경우 화재실과 피난안전구역 의 차압이 크지 않지만 50 m3/s 송풍량의 경우 차압 이 150 Pa까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 화재실 문과 부속실 문을 동시에 열린 상태에서 50 m3/ s의 높은 제연 송풍량 적용 시 순간적으로 문이 닫힐 경우 피난자가 화재실에 고립될 가능성이 있음을 시 사한다.
Figure 5. The smoke propagation with respect to flow rate of supply (Case 3).
4. 결 론
본 연구는 송도 신도시 동북아 무역센터를 대상으로 화재 발생 시 급기 가압 제연 시스템을 고려한 화재 연기 거동 특성에 대해 수치해석을 수행하였으며 다음 과 같은 결론을 도출하였다.
1) 화재실 문이 열려 있는 상황에서 부속실 문이 닫 혀 있는 경우 제연 가능한 25 m3/s의 제연 댐퍼 송풍 량은 부속실 문이 열릴 경우 제연이 불가능하고 인가 송풍량보다 많은 송풍량이 필요함을 확인하였다.
2) 부속실 문이 열려 있는 상황에서 화재실 문이 닫 혀 있는 경우 25 m3/s 이상의 제연 댐퍼 송풍량은 화 재실 문의 틈새 면적을 통하여 화재실로 유입되면서 제연이 가능하다는 것을 확인하였다.
3) 화재실과 부속실 문이 모두 열려있는 경우 제연 가능한 50 m3/s의 송풍량으로 가압 중 화재실 문이 닫 힐 경우 화재실과 피난안전구역의 차압이 150 Pa에 도 달하면서 피난자가 화재실에 고립될 수 있으므로 이에 대한 효과적인 급기 가압 제연 시스템의 설계 방안이 필요하다.
후 기
본 논문은 철도안전기술 개발사업(T305C1000005-
05C010000512)에 의해 수행되었으며 관계제위께 감사
드립니다.
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