화장실 이용 피난공간의 방연시스템 제안 및 실규모 실험
김정엽
†
·신현준한국건설기술연구원 화재안전연구센터
Study on Suggestion of Smoke-proof System Using a Restroom for a Refuge Space
Jung-Yup Kim
†
· Hyun-Joon ShinFire Research Center, Korea Institute of Construction Technology
(Received August 21, 2012; Revised October 12, 2012; Accepted October 12, 2012)
요 약
고층 건축물의 화장실은 평상시 악취 등의 배출을 위하여 송풍기와 풍도로 구성된 배기시스템이 설치되어 있으며 용 수의 공급이 이루어지고 있어서 화염과 연기에 대한 방호기능만 추가되면 화재발생시 긴급한 피난공간으로 활용될 수 있 다. 평상시 화장실의 배기용으로 사용하는 송풍시스템을 화재시 급기시스템으로 전환함으로써 기존 화장실의 연기에 대 한 방호성능을 확보하는 화장실 방연시스템을 제안하였다. 또한 지상 5층 규모의 연기제어 실험동에 기존 화장실을 이용 한 피난공간의 방연시스템에 대한 실규모 실험 시설을 설치하고, 화재발생 조건에 따른 작동성능 평가 실험을 수행하였 으며 그 결과를 제시하였다.
ABSTRACT
In restroom on high-rise building, exhaust system comprising the blower and duct is installed to discharge the odor and the water is suppled. Thus the restroom with fire and flame protection system may be used as refuge area in a fire situa- tion. The study presents the smoke-proof system which operates such that the exhaust system to discharge the odor is con- verted to air supply system and appropriate pressure difference between the restroom and the accommodation is maintained. Also real-scale test facilities of smoke-proof system for refuge space using a restroom are installed on 5-story smoke control test building and experiments for evaluating the operational performance of smoke-proof system are car- ried out.
Keywords : Smoke-proof system, Refuge space, Restroom, High-rise building, Real-scale test
1. 서 론
도시가 고도화·집적화되면서 Table 1과 같이 건축물의 대형화·고층화 및 복합화가 급격히 진행됨에 따라 화재에
취약한 건축물이 증가되고 있어, 인명안전을 위한 효과적 인 화재대책의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
특히 초고층 빌딩과 같이 고층 건축물은 화재발생시 일 반 건축물보다 피난거리에 따른 피난시간의 지연 등으로 인해 인명피해의 위험성이 더 높다고 판단된다. 따라서 이 러한 인명피해를 줄일 수 있는 방안이 필요하다.
고층 건축물의 화재안전을 확보하기 위한 효과적인 방 안 중 하나가 피난안전구역을 제공하는 것으로서 최근 건 축물의 방재와 관련된 국가법규에서는 고층 건축물에서의 피난안전구역 설치를 의무화하고 있으며, 그 설치대상을 확대하고 있다.
또한 효과적인 피난안전구역의 설치와 운영을 위해서 고층 건축물의 피난안전구역에 대한 설치기준과 안전성 확
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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]
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TEL: +82-31-369-0506, FAX: +82-31-369-0540
ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2012.26.5.061 Table 1. Domestic Construction Statistics of High-rise Build-
ing, Unit:number of Building
(1)Year
Floor 2006 2007 2008 2009 2010 2011
21~30
floor 428 1,235 816 689 876 669
More than
30 floor 51 115 173 80 170 134
보 등에 대한 연구가 국내외에서 수행되고 있다. 신호준(2) 등과 최재필(3)등은 초고층 건축물의 피난안전공간에 대한 개념과 도입시의 검토사항을 분석하였으며 한명신(4)등은 대피공간의 실효성을 높이기 위한 피난안전구역의 내부시 설 적정화 방안을 제안하였다. 국외에서는 화재시 발생한 연기가 피난안전구역에 미치는 영향을 수치해석적으로 분 석한 연구(5)와 마주보는 두 면의 벽면을 없앤 피난안전구 역에서 외풍을 활용한 연기제어 시스템의 효과를 검토한 연구(6)등이 수행되었다.
한편 부산 우신골드 주상복합 건축물 등의 고층 건축물 에서 화재가 발생하면서 피난안전구역의 설치확대가 요구 되고 있고 이동약자에 대한 긴급 대피공간의 필요성이 강 조되고 있다. 따라서 고층 건축물에서 화재가 발생할 경우 평상시 사용되는 유효공간을 대상으로 연기와 화염에 대 한 방호기능을 확보한다면 긴급 피난공간으로 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구에서는 이를 위한 기술의 개발이 수행되었다.
고층 건축물의 화장실은 평상시 악취 등의 배출을 위하 여 송풍기와 풍도로 구성된 배기시스템이 설치되어 있으 며 용수의 공급이 이루어지고 있어서 화염과 연기에 대한 방호기능만 추가되면 화재발생시 긴급 피난공간으로 활용 될 수 있다. 즉 다음과 같이 기존 화장실을 이용한 피난공 간의 기본 개념과 이를 위한 상세 설계방안이 검토되었다.
상기와 같이 기존 화장실 공간을 피난공간으로 활용하 기 위해서는 연기 및 화염에 대한 방호기능을 제공해야 한 다. 본 연구에서는 기존 화장실의 연기에 대한 방호를 위 하여 Figure 1의 개념도에 나타난 것과 같이 평상시 화장 실의 배기용으로 사용하는 송풍시스템을 화재시 급기시스 템으로 전환하여 긴급 피난공간으로 활용하고자 하는 화 장실에 외부공기를 공급하는 방안이 효과적일 것으로 제 안하였다. 이 때 화장실과 옥내간 적정한 압력차가 유지될 수 있도록 송풍량의 설정과 압력유지를 위한 기술을 개발 하였다.
본 논문에서는 기존 화장실을 화재시 긴급 피난공간으
로 활용하기 위하여 필요한 방연시스템으로 기존의 배기 용 송풍시스템을 이용하는 방안을 검토하였으며, 시스템의 성능과 작동에 대한 실효적인 분석을 위하여 실규모의 실 험시설을 대상으로 수행한 방연시스템의 실험결과를 제시 하였다.
화장실 이용 피난공간의 기본 개념
·
기존 화장실 공간을 층별 긴급 피난 공간으로 활용·
화장실에 대한 급기가압/수막방호 기능 포함·
평상시 사용하는 송풍기 및 풍도 활용 화장실 이용 피난공간의 설계기술설계기준
급기가압 전환 배기⇒급기 전환기술 개발 송풍량 및
압력유지 송풍량 설정 및 압력유지 기술 개발
방화성능 수막이용 방화기능 확보기술 개발
Test Bed
적용 실규모 건축물에 대한 Test Bed 적용 및 성능평가 수행Figure 1. Operation mode of smoke-proof system.
Figure 2. Outline of test bed.
2. 실규모 실험 시설 설치
한국건설기술연구원 화재안전연구센터에서는 건축물에 서의 연기제어 시스템에 대한 현장규모의 성능평가와 적 용성 검증 등의 목적을 위해서 Figure 2와 같이 지상 5층 규모의 연기제어 실험동을 운영하고 있다. 본 연구에서는 연기제어 실험동을 대상으로 기존 화장실을 이용한 층별 피난공간 설비의 실규모 실험 시설을 설치하고 운전조건 에 따른 실험을 수행하였다. 실규모 실험 시설에는 층별 송풍시스템 구축, 급기·배기 전환 및 풍량조절 기능, 각층 의 화장실 및 디퓨저 설치, 송풍량·압력 측정 등의 기능이 포함되도록 하였다.
Figure 3
은 화장실을 이용한 층별 피난공간 설비의 실규모 실험 시설에 대한 설치 개요도를 보여주고 있다. 그림 에서와 같이 연기제어 실험동의 3, 4, 5층을 실험층으로 하며, 각 층에 화장실 공간을 설치하였다. 기계실에는 축 류 송풍기를 설치하고 평상시에는 급배기 풍도로 화장실 에 배기를 수행하며, 화재발생의 비상시에는 축류 송풍기 를 역회전시켜 화장실에 급기를 수행하도록 하였다. 평상
Figure 4. Photographs of test facilities.
Figure 3. Schematic diagram of test facilities.
Table 2. Specifications of axial blower and motor
Item Content
Axial blower
Flow rate 15,000 CMH
Static pressure 20 mmAq
Size 650×485 mm
Type Direct connection
Motor
Change gear ratio 6/8 Pole (2 step) Speed of revolution 1200/900 RPM
Power suppy AC380V, 3-phase
Power output 2.2 kW
시 화장실의 적정 배기풍량과 화재시의 설계 급기풍량이 상이할 수 있기 때문에 본 연구에서는 축류 송풍기의 모터 로 극수변환형 모터를 적용하였다. 이로부터 평상시에는 화장실의 설계 배기풍량에 적합하게 송풍기 풍량을 확보 하다가 화재발생 신호가 감지되면 송풍기의 극수를 변환 하여 역회전함으로써 화재시 설계 급기풍량에 맞도록 송 풍기의 풍량을 제어할 수 있다. 실험에서 적용한 송풍기와 모터의 사양은 Table 2와 같다.
한편 그림에서와 같이 실규모 실험 시설에는 급배기용 수직풍도에서 각 층의 수평풍도로 분기하는 지점에 자동 댐퍼를 설치하였다. 평상시에는 모든 층의 자동댐퍼를 열 고 화장실에 대한 배기를 수행하다가 화재신호가 감지되 면 화재가 발생한 층 이외의 층에 설치된 자동댐퍼는 닫히 고 화재가 발생한 층의 자동댐퍼만 열리도록 함으로써, 역 회전하는 축류식 송풍기에 의해 외부에서 급기된 공기가
화재가 발생한 층의 화장실로만 공급되도록 하였다. 이 때 압력센서에 의해 화장실과 옥내 사이의 압력차를 측정하 도록 하고, 압력차가 설계치로 유지되도록 수평풍도에 설 치된 자동댐퍼의 개도를 조절하도록 하였다.
Figure 4
는 화장실 이용 층별 피난공간의 실규모 실험 시설에 대한 사진을 보여주고 있다. Figure 4(a)는 기계실 에 설치된 축류 송풍기를 나타내며, Figure 4(b)와 Figure4(c)
는 수직 급배기 풍도와 화장실 공간을 각각 도시하고 있다.3. 실규모 성능평가 수행
앞에서와 같이 연기제어 실험동에 설치된 화장실 이용 층별 피난공간의 실험 시설에 대해서 실규모 실험을 수행 하였다. 실험은 평상시 각층의 화장실에 대한 배기시스템 을 가동하다가 Table 3의 실험조건과 같이 Case별로 각 층에서 화재가 발생한 것으로 상정한 후, 화장실의 배기시 스템을 급기가압 시스템으로 전환하여 긴급 피난공간으로 사용되는 화장실에 외부 공기를 공급하도록 하였다. 이 때 외부 공기가 공급되는 화장실은 화재층의 화장실로 제한 하였으며, 화장실과 옥내간 설계차압인 40 Pa을 유지하도 록 풍도에 설치된 자동댐퍼의 개도를 제어하도록 하였다.
실험을 진행하면서 각 층의 화장실에 배기 및 급기되는 송풍량, 화장실과 옥내간 압력차 및 수평풍도에 설치된 자 동댐퍼의 개도 등의 주요 변수를 측정·저장하였으며, 이 를 바탕으로 실험결과를 정리하고 검토를 수행하였다.
Figure 5
와 6은 각 층의 화장실에 대한 방연성능의 실험결과를 보여주고 있다. Figure 5는 Case 1인 5층에서 화재 가 발생한 것으로 가정한 실험결과로서, Figure 5(a)는 배 기와 급기모드에서 각층 화장실과 연결된 수평풍도에서의 풍량을 측정한 결과이고, Figure 5(b)는 배기와 급기모드 에서 각층 화장실과 옥내간 압력차를 측정한 결과이며,
Figure 5(c)
는 배기와 급기모드에서 각층 화장실과 연결된풍도의 자동댐퍼 개도변화를 측정한 결과이다. 그림에서와 같이 평상시 각층 화장실의 배기모드에서는 약 500 CMH 의 풍량이 배기가 되다가 화재가 발생하면 급기모드로 전 환하면서 화재층인 5층의 화장실로 약 700 CMH의 풍량 이 급기된다. 이에 따라서 평상시 각 화장실에는 옥내에 비해 부압이 형성되나, 화재에 따른 급기모드에서는 5층 화장실이 옥내보다 약 40 Pa의 양압이 형성되면서 연기의 침투가 방지된다. 화장실과 옥내간 차압의 설계값을 40 Pa
로 설정하였고, 차압측정과 자동댐퍼의 개도조절에 의해 실제로 40 Pa이 형성됨을 알 수 있다. 이는 Figure 5(c)에 서와 같이 자동댐퍼의 개도변화 추이에서 확인할 수 있다.
화장실과 옥내간 차압의 제어과정을 자세히 설명하면
Table 3. Experimental Conditions
Case Condition
Case 1 Fire occurs in 5th floor.
Case 2 Fire occurs in 4th floor.
Case 3 Fire occurs in 3rd floor.
Figure 5. Experimental results for case 1.
다음과 같다. 즉 화재신호가 발생하면 화재층인 5층의 화 장실로 연결된 수평풍도의 자동댐퍼가 100 % 개방되면서 급기모드로 전환된 송풍시스템에서 공급된 외부 공기 중 상당량이 5층 화장실로 공급된다. 이에 따라 5층 화장실과
5
층 옥내간 차압이 40 Pa 이상으로 상승하게 되고, 이를감지한 자동댐퍼 제어시스템이 PID 제어로직에 의해 댐퍼 개도를 조절하면서 설계 차압인 40 Pa을 유지할 수 있도 록 송풍량을 제어하는 것이다.
Figure 6
은 Case 2에 대한 실험결과로서 5층의 화장실 에 대한 실험내용과 유사하게 4층에서 화재발생시 4층의 화장실에 대한 연기방호 기능이 설계한 바에 따라 효과적 으로 작동하고 있음을 보여주고 있다. 또한 Case 3의 실험 결과에서도 Case 1과 Case 2처럼 3층 화장실의 효과적인 방연기능을 확인하였다.이러한 연구결과가 신뢰성을 가지고 실제 현장에 적용 되기 위해서는 실제 화재발생 환경에서의 성능평가 실험 이 필요하며, 향후 이를 계획하고 추진할 것이다.
3. 결 론
본 논문에서는 고층 건축물에서 기존 화장실을 이용한 피난공간 설치의 기본 개념을 제시하고 이러한 피난공간 의 방연시스템으로 배기용 송풍시스템을 활용하는 방안을 검토하였다. 또한 기존 화장실을 이용한 피난공간의 방연 시스템에 대한 작동성능을 분석하기 위하여 실규모 실험 시설을 설치하고 화재발생 조건에 따른 실험을 수행하였 으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1)
고층 건축물에서 화재가 발생할 경우 평상시 사용되 는 화장실에 대해 연기와 화염에 대한 방호기능을 확보한 다면 화장실을 긴급 피난공간으로 활용할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 위해서 효과적인 연기 및 화염 방호대책이 필요하다.(2)
기존 화장실의 연기에 대한 방호를 위하여 평상시 화장실의 배기용으로 사용하는 송풍시스템을 화재시 급기 시스템으로 전환하여 긴급 피난공간으로 활용하고자 하는 화장실에 외부공기를 공급하는 방연시스템을 제안하였다.(3)
평상시에는 화장실의 설계 배기풍량에 적합하게 송 풍기 풍량을 확보하다가 화재발생 신호가 감지되면 송풍 기의 극수를 변환하여 역회전함으로써 화재시 설계 급기 풍량에 맞도록 송풍기의 풍량을 제어하는 방안을 제시하 였다.(4)
지상 5층 규모의 연기제어 실험동에 기존 화장실을 이용한 피난공간의 방연시스템에 대한 실규모 실험 시설 을 설치하고, 화재발생 조건에 따른 작동성능 평가 실험을 수행하였다.(5) 5
층 화장실에 대한 실험결과, 평상시 각 화장실에는옥내에 비해 부압이 형성되나, 화재에 따른 급기모드에서 는 5층 화장실이 옥내보다 약 40 Pa의 양압이 형성되면서 연기의 침투가 방지된다.
(6)
기존 화장실을 이용한 긴급 피난공간의 방연시스템 에 대한 실규모 실험 결과, 각 층의 화장실에 대한 연기방 호 기능이 설계한 바에 따라 효과적으로 작동하고 있으며, 실제 건축물에서 화재발생시 화장실의 방연기능이 적절하Figure 6. Experimental results for case 2.
게 확보될 것으로 기대된다.
후 기
본 연구는 국토해양부 첨단도시개발사업의 일환으로 한 국건설교통기술평가원이 관리하고 있는 초고층빌딩 시공 기술연구단의 지원으로 이루어진 것으로서 이에 감사를 드립니다.
참고문헌
