Numerical Study on Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System : Characteristics of Air Flow in the Vestibule with Multiple Fire Doors in an Apartment Building

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.5.030

부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관한 수치해석적 연구:

공동주택 부속실내에 다수 출입문의 존재시 기류특성

서찬원 · 신원규

^†

충남대학교 기계공학과

Numerical Study on Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System : Characteristics of Air Flow in the Vestibule

with Multiple Fire Doors in an Apartment Building

^†

Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University (Received July 11, 2014; Revised August 23, 2014; Accepted October 17, 2014)

요 약

건축물 내부에 화재가 발생 시 재실자 피난 및 소방관의 소화활동에 직접적인 영향을 미치는 급기가압 제연설비는 방 화문 비개방 시에는 차압에 의하여, 방화문 개방 시에는 방연풍속에 의하여 연기의 침입을 방지하는 것을 핵심 개념으로 하고 있다. 이를 위해서는 특히 재실자 피난 시 방화문이 개방되는 경우 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공 급 유니트를 배치할 필요가 있다. 본 연구에서는 대형건물에 설치되는 다수의 출입문을 갖는 부속실의 경우, 방연풍속이 균일하게 형성될 수 있는지에 대하여 수치해석을 수행하였다. 부속실의 댐퍼위치가 한쪽으로 치우친 경우 방연풍속으로 연기의 침입을 막는 것이 아니라, 역류현상이 발생하여 방연성능에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.

ABSTRACT

The pressurized smoke control system in the vestibule is important for fire safety in buildings because it is concerned with egress time of people and the safety of fire fighters. The vestibule pressurization system can prevent smoke from entering the vestibule using differential pressure when fire doors are closed and using the egress velocity when fire doors are open. Air supplying units in the vestibule need to be arranged by taking account of the location of doors and the vol- ume of the vestibule in order to assure the uniform air egress velocity through a fire door when it is open. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted for the vestibule where multiple doors are installed and it was found that the reverse flow occurs when the damper position in vestibule is not appropriate.

Keywords : Pressurization system, Vestibule, CFD, Smoke control

1. 서 론

도심에서의 산업화, 효율화가 진행되면서 건축물들이 대 형화, 고층화 및 복합건축물이 등장함에 따라 화재에 취약 한 건축물이 증가되고 있어, 인명안전을 위한 효율적인 화 재예방 및 피해방지 대책의 필요성이 절실히 요구되고 있 다. 특히, 건물화재에 있어서 연기의 빠른 확산에 의한 인 명피해 방지를 위해 연기제어의 필요성은 더욱 중요시되 고 있다.

계단실을 이용한 수직피난 및 소화활동을 용이하게 하 기 위한 부속실 제연설비가 급 · 배기 방식에서 1995년도

에 소방법이 개정되면서 급기가압방식이 적용되었으며, 이 에 따라서 국가화재안전기준 NFSC 501A에서 규정하는

“특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재안전 기준”에 의하면 제연구역에 옥외의 신선한 공기를 공급하 여 제연구역의 기압을 제연구역 이외의 옥내(이하 “옥내”

라 한다)보다 높게 하되 일정한 기압의 차이(이하 “차압”

이하 한다)를 유지하게 함으로써 옥내로부터 제연구역내 로 연기가 침투하지 못하도록 할 것을 요구하고 있다. 이 는 문이 닫힌 상태에서 차압에 의한 연기 침입을 방지함을 목적으로 하고 있다. 그리고, 화재층에서 피난을 위하여 제연구역의 출입문이 일시적으로 개방되는 경우 방연풍속

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-42-821-5647, FAX: +82-42-822-5642

을 유지하도록 옥외의 공기를 제연구역내로 보충 공급하 도록 할 것을 요구하고 있는데, 이는 문의 개방 시 차압은 순간적으로 내 · 외부의 압력이 동압(同壓)이 되므로 방연 풍속에 의하여 연기를 제어함을 목적으로 하는 것이다. 기 준에서는 부속실과 면하는 옥내가 거실일 경우 0.7 m/s 이 상의 방연풍속을 요구하고 있다⁽¹⁾.

급기가압 제연설비의 차압 및 방연풍속에 대한 연구는 Ryu 등은 fire dynamic simulator (FDS)를 이용한 부속실 모델링을 통하여 바닥면적 별 댐퍼의 위치 별 역류가 발 생하지 않는 해석적 결과를 제시하였으며⁽²⁾, Kim 등은 급 기 가압 제연시스템의 방연풍속 형성특성에 대한 수치해 석적 연구를 통하여 4 종류의 댐퍼 각도에 대한 방화문에 서의 방연풍속 형성특성을 제시하였다⁽³⁾. Lee 등은 제연 구역 방화문의 각속도 변화와 폐쇄 조건 분석을 통하여 급기가압 제연설비가 작동상태에서 방화문의 닫히는 속도 별 폐쇄력 크기를 비교하였다⁽⁴⁾. You 등은 급기가압 제연 설비의 성능 확보에 영향을 주는 주요매개 변수를 보충량, 누설량, 제연구역의 유량손실계수와 누설면적, 풍도와 부 속실의 차압으로 보고 이를 분석하였으며, 댐퍼 개구부 면 적이 동일한 경우 제연구역 누설면적 크기 증가에 따른 공급유량과 차압형성 관계를 분석하였다⁽⁵⁾. Huang 등은 화재방지를 위한 건물 설계시 화재 확산 및 배기의 안정 성을 확인하기 위하여 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 이용하여 최적 및 강건설계 방법을 제 시하였다⁽⁶⁾.

기존 연구는 위에서 언급된 바와 같이 출입문이 하나인 경우의 부속실을 위주로 부속실 크기와 부속실 내부의 댐 퍼의 위치에 관한 차압 및 방연풍속에 영향을 미치는 요소 들을 연구하였다. 따라서, 부속실 내부에 다수의 출입문이 있는 경우 부속실 내 기류특성과 댐퍼위치와의 상관관계 에 관한 연구가 필요하다고 판단된다.

본 연구에서는 실제 공동주택에서 거실 방화문이 2개인 부속실을 대상으로 부속실 내 기류특성을 수치적으로 해 석하고, 이때 댐퍼의 위치가 방연풍속에 미치는 영향을 살 펴보고자 한다. 또한, 댐퍼의 루버 각도가 각각의 출입문 에서 방연풍속 분포에 미치는 영향에 대해서도 함께 살펴 보고자 한다.

2. 수치해석방법

2.1 지배방정식과 난류모델 2.1.1 지배방정식

비압축성 유동을 기술하기 위하여 요구되는 방정식은 질량과 운동량보존방정식으로 식(1) 및 식(2)와 같다.

질량보존방정식

(1)

운동량보존방정식

(2)

여기서, u는 속도, x는 위치, ρ는 밀도, p는 압력, μ는 점 성계수를 의미한다.

2.1.2 난류모델

특별피난계단의 부속실 내부의 유동과 같은 복잡한 유 동을 모사할 수 있는 대표적인 모델로는 Standard κ-ε, renomalization group (RNG) κ-ε, Realizable κ-ε 모델 등 이 있다. Standard κ-ε 모델은 난류 운동에너지와 소산율 (dissipation rate)에 관한 전달방정식의 해를 필요로 하며, 이 모델은 수렴성이 뛰어난 장점을 가지고 있다. 본 연구 에서는 Standard κ-ε 모델을 이용하여 난류모델을 해석하 였다⁽⁷⁾.

2.2 수치해석 방법

본 연구에서는 수치해석을 위해 유한 체적법(finite volume method, FVM)을 이용하는 ANSYS Ver. 15.0⁽⁸⁾ FLUENT solver를 사용하였다. 3차원 비압축성 난류 정상 유동을 지배하는 방정식은 유체의 연속방정식, X, Y, Z 방 향의 운동량 방정식, 난류방정식으로 구성되어 있으며 이 식들을 동시에 풀어야한다. 해석을 위하여 semi-implicit method pressure-linked equations (SIMPLE) algorithm 을 사용하였으며, 난류모델로서는 Standard κ-ε을 적용하 였다.

수렴속도와 계산의 정확성을 위하여 거의 모든 격자를 직육면체로 만들었으며, orthogonal quality의 최소값을 0.7 이상으로 모델링하였다. 부속실 내부의 유동해석에 요 구되는 적절한 격자수를 정하기 위하여 약 100만 개와 200만 개를 사용하였을 때 방화문에서의 방연풍속 분포를 비교하였고, 그 결과 적절한 격자수를 100만 개로 선정하 였다. 각각의 수치해석 결과는 모든 변수에 대한 residual 값이 10⁻³ 이하로 감소하고, 유동현상을 대표하는 변수들 이 더 이상 변하지 않았을 때 수렴한 것으로 판단하였다.

2.3 모델링 및 경계조건

본 연구에서는 공동주택의 부속실의 실제형상과 치수를 반영하여 해석을 수행하였으며, 제시된 공간의 해석영역은 Figure 1과 같다. 실제도면에서의 댐퍼의 위치는 한쪽 거 실방화문에 가까이 설치된 것이 특징이며, 상세한 해석공 간의 수치는 Figure 2와 같으며, 부속실 바닥면적은 22.5 m²이다. 입 · 출력부의 경계조건으로 댐퍼 입력부의 경우 에는 면적은 0.24 m², 난류조건에 대한 수력직경(hydraulic diameter)은 0.48 m, 난류강도(turbulent intensity)는 5%로 설정하였고, 거실 출입구인 DOOR A, DOOR B의 경계조 건으로 면적은 2.64 m², 수력직경 1.55 m, 난류강도는 5%

∂u_i

∂x_i --- = 0

∂ ρu( _i)

--- + ∂t ∂ ρu( _iu_j)

∂x_j

--- = − ∂p

∂x_i --- + ∂

∂x_j --- μ ∂u_i

∂x_j --- + ∂u_j

∂x_i ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

로 설정하였다.

제연구역에 공급하여야 할 공기의 양(급기량)은 누설 량과 보충량을 더한 값보다 많아야 한다. 누설량은 급기 가압 제연설비에서 부속실과 거실사이에 일정차압을 유 지하기 위하여 부속실에 설치된 출입문의 누설틈새를 통 한 손실되는 공기량을 추가로 부속실로 공급하여야 하는 공기량이며, 여기서 누설량은 다음의 식에서 구할 수 있 다⁽¹⁾.

(3) 여기서, Q_L은 누설량(m³/s), K_f는 계수(0.827), A_e는 유 효누설면적(m²), ΔP는 유동경로사이의 차압(50 Pa), n은 출입문의 경우 2, N은 층수로 계산된다.

한편, 보충량의 경우 방연풍속을 유지하기 위하여 제연 구역에 보충하여야 할 공기량으로 부속실의 출입문이 개 방되는 경우 옥내로부터 부속실로의 연기 유입을 차단하 기 위하여 필요한 것이다. 이는 출입문 개방 시 옥내와 부 속실 사이의 차압은 순간적으로 동압(同壓)이 되어 차압에 의한 방연이 불가능하므로 필요한 것이다. 여기서 보충량 은 다음의 식에서 구할 수 있다⁽¹⁾.

(4)

여기서, QD는 보충량(m³/s), A는 개방 출입문의 총단면 적(7.08 m²), V는 방연풍속(0.7 m/s), 0.6의 경우 출입문 개 방 시 공기 유동의 장애 등에 의한 영향을 고려한 변수로 방연풍량을 60%로 보정한 값이며, Q_O는 거실유입풍량을 의미한다. 부속실에 설치되는 거실 출입문의 개수가 증가 함에 따라 그에 따른 보충량 또한 증가하게 되므로 더 많 은 유량이 유입된다. 따라서, 이 경우 댐퍼에서 나오는 공 기의 유속이 커지게 된다.

거실유입풍량은 부속실의 출입문이 개방되면 계단에서 부속실을 거쳐 거실로 유입되는 풍량을 의미하는 것으로 서 거실유입풍량이 생성되면 그만큼 방연풍속을 유지하기 위해 외부에서 송풍기를 이용하여 공급해야 하는 풍량을 줄일 수 있다⁽⁹⁾. 본 연구에서는 방화문 개방층에 대한 부 속실 내부의 영향을 보는 것이므로 제연구역에 공급되는 공기는 누설량과 거실유입풍량에 대한 영향은 없는 것으 로 가정하였다. Figure 1에서 거실개방 시 공기 유동장애 가 적은 것으로 판단하여 유동 장애에 대한 계수는 70%

정도로 보정하여 계산하였다. 계산하여 나온 값은 7.08 m³/s로 이 값을 기준으로 하여 부속실 내부의 유동을 해석 하였다.

덕트에서 부속실로 유입되는 공기는 수평방향으로 흐르 다가 부속실 내부로의 유입 시 루버(louver)의 방향에 따 른 루버 각도 영향성을 파악하고자 하였다. 루버 각도에 따른 댐퍼의 개략도를 Figure 3에 나타내었으며, 루버 각 도가 방화문에서 속도분포에 미치는 영향을 해석하기 위

Q_L = K_f⋅A_e⋅ΔP^1/n⋅N

Q_D = AV ---0.6

⎝ ⎠

⎛ ⎞ − Q_O

Figure 1. Computational domain.

Figure 2. The geometry of vestibule in an apartment build- ing: (a) XY plane (b) XZ plane.

Table 1. Classification of Cases

CASE Direction of louver A 45^o Upward on horizontal direction B Horizontal direction

C 45^o Downward on horizontal direction Figure 3. CASE A (45^o upward on the horizontal direction).

하여 Table 1과 같이 수치해석 케이스를 설정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 부속실 내부의 유선 및 속도크기 분포

Figure 4에서는 부속실 내부의 유동흐름을 나타내고 있 다. 댐퍼내의 루버 각도에 따른 공기유동으로 (a)의 경우 루버각도가 상향 45^o일 때 부속실 내부의 유선을 나타내며 (b)의 경우는 XZ 평면상의 속도크기 분포를 나타내고 있 다. 루버에 의하여 유입각도가 변경되면서 오히려 속도가 증가됨을 보여준다. 이로 인하여 DOOR A 상부에서 연기 가 더욱 빠르게 유입됨을 알 수 있다. (c)와 (d)의 경우 각 각 루버각도가 수평인 경우의 유선 및 속도크기 분포이다.

댐퍼를 통과한 유동은 입구로부터 4 m까지 입력속도 크기 를 유지하며, 이후에 속도크기가 전체적으로 감소됨을 보 여준다. (e)와 (f)의 경우 각각 루버각도가 하향 45^o 방향으

로 유입될 때의 유선 및 속도크기 분포이다.

3.2 방화문에서의 속도분포 및 압력분포

Figure 1, 2와 같은 댐퍼의 위치에 대하여 루버 각도에 따른 방화문에서의 V-velocity에 미치는 영향을 분석하였 다. 여기서 V-velocity는 정상상태(steady state) 상태에서 의 Y 방향의 속도크기를 나타내며, 양수값은 부속실에서 거실로 흐르는 유동 방향을 의미한다. 따라서, 음수값을 나타내면 거실에서 부속실로 연기가 유입됨을 의미한다.

방화문의 25개 지점에서 방연풍속 값을 계산하였으며, 그 계산 지점은 Figure 5에 표시하였다. 댐퍼와 가까운 지점 의 방화문(DOOR A)을 CASE A, B, C에 대한 방연풍속 의 값은 Figure 6에 나타내었고, 댐퍼의 먼 지점의 방화문 (DOOR B)에 대한 방연풍속의 값은 Figure 7에 나타내었 다. Figure 8의 경우에는 CASE B인 경우 DOOR A의 C3 평면(XY 평면)으로의 압력 및 유선을 나타내고 있다.

Figure 4. Streamline and velocity contour inside the vestibule: CASE A ((a), (b)), CASE B ((c), (d)), CASE C ((e), (f)).

Figure 5에서 위치는 옥내에서 부속실 방향으로 본 그림 이며, 방연풍속 계산시 유입공기의 풍속은 출입문의 개방 에 따른 개구부를 대칭적으로 균등 분할하는 10개 이상의 지점에서 계산하는 풍속의 평균치로 할 것⁽¹⁾이라고 법규에 규정을 두고 있어, 본 논문에서는 계산의 정확성을 위해서 25개의 지점을 정하여 계산하였다.

Figure 6에서 계산된 바와 같이 댐퍼와 가깝게 수직방향 으로 설치된 방화문(DOOR A)의 경우 루버각도와 무관하 게 거실에서 부속실로 연기가 유입될 수 있는 심각한 문제 점을 나타내고 있다. 특히 루버각도가 상향 45^o(a), 수평방 향(b)으로 유입되는 경우에는 방화문 상부에서 더욱 큰 유 입속도를 가지게 되어(R1), 화재 시 연기가 천정면을 따라 흐르게 되므로 부속실의 오염정도가 더욱 증가됨을 알 수 있다. 루버 각도가 하향 45^o으로 유입되는 경우에는 송풍 기에서 유량이 유입되는 방향과 먼 방향인 상부에서의 유 입속도가 다른 각도에 비하여 작은 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 하부로 공기가 빠르게 유입되기 때문에 DOOR A 상부에서는 부속실로의 유입속도가 줄어들어 향상된 결 과를 얻을 수 있으나, 이 경우에도 부속실로의 연기유입을 막을 수 없는 결과를 나타낸다.

댐퍼와 가까운 위치에 수직방향으로 설치된 방화문에서 의 부속실로 연기가 유입 되는 현상은 베르누이 원리에 의 하여 설명될 수 있다. 위치수두가 동일하다고 가정할 때 동압이 증가하면 정압이 감소하여 거실내부가 대기압이라 가정할 때 부속실의 압력이 거실 압력보다 낮아져서 결국 에는 화재실에서 부속실 방향으로 연기가 흐르게 되는 것 으로 이해할 수 있다.

Figure 7에서는 댐퍼의 먼 지점에 있는 방화문(DOOR B)에 대한 루버 각도가 90°인 경우(CASE B)의 방연풍속 의 값을 나타내었다. 이 경우는 방연풍속이 방화문 상부에 서 더욱 균일하게 형성되면서 어느 정도 일정한 값을 나타 내는 것을 알 수 있다.

Figure 8의 경우에는 CASE B인 경우 DOOR A의 C3 평면(YZ 평면)으로의 압력 및 유선을 나타내는데, 부속실 내부의 압력이 외부의 압력보다 작아서 거실에서 내부로 공기가 유입되고 있음을 보여주고 있다.

Figure 5. Measurement of air velocity distribution by con- stant area method.

Figure 6. V-velocity of DOOR A. Figure 7. V-velocity of DOOR B (CASE B).

Figure 9의 경우에는 현장조건의 충실한 반영을 위하여 급기댐퍼를 통한 보충량을 15 m/s으로 하여 해석을 수행 하여 보았다. 방화문(DOOR A, DOOR B)에 대한 루버 각도가 90^o인 경우(CASE B)의 방연풍속의 값을 나타내고 있으며, 초기 해석결과와 비교하여 값들이 전반적으로 작 은 수치를 나타내고 있다. 이는 DOOR A에서의 연기역류 의 위험성이 줄어드는 결과라 할 수 있다.

위 결과에서 알 수 있듯이 부속실 설계 시 출입문 개수 증가에 따른 댐퍼의 크기를 고려하지 않을 경우 댐퍼 토출 측 유속증가로 인하여 균일한 방연풍속을 유지하는데 어

려움이 발생 할 수 있음을 확인하였다. 또한, 부속실 내에 거실 출입문이 2개가 설치되고, 그에 따라 댐퍼의 위치가 한쪽으로 치우쳐 위치하게 되었을 때 댐퍼가 빠른 유속으 로 유입될 경우 댐퍼와 가까운 쪽의 방화문에서는 방연풍 속이 나오는 것이 아니라, 동압증가에 따른 정압이 부압으 로 나타나게 되어 오히려 거실 내부의 화재로 인한 연기가 부속실 내부로 유입될 수 있음을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존의 연구에서 다루지 않았던 부속실 내 거실 방화문이 2개인 경우 내부 기류특성을 수치적으 로 해석하고, 이로부터 댐퍼의 위치, 댐퍼의 루버각도가 방연풍속에 미치는 영향을 살펴보았다.

부속실 내에 출입문이 2개가 설치될 때 댐퍼의 위치를 적절하게 고려하지 않을 경우 오히려 거실 내부의 화재로 인한 연기가 부속실 내부로 유입될 가능성이 있음을 알 수 있었다. 따라서, 부속실 초기 설계 시 댐퍼의 위치 선정이 중요하다고 할 수 있다. 또한, 루버 각도도 부속실 내부의 기류특성에 영향을 미치기 때문에 원하는 방연풍속을 얻 기 위해서는 루버 각도를 적절히 조절할 필요성이 있다.

국내 화재안전기준에는 testing, adjusting and balancing (TAB) 규정을 두어⁽¹⁾ 완공 후 최적의 성능을 얻도록 조정 을 한다. 하지만, 초기단계에서 잘못된 조건으로 설계할 경우 마지막 조정 단계만으로는 성능을 만족할 수 없는 한 계에 부딪힐 수 있다. 초기 설계를 위한 적절한 가이드라 인을 제시하기 위해 향후 거실 방화문이 여러 개인 부속실 의 경우에 대하여 방연풍속을 만족할 수 있는 댐퍼의 크기 및 위치 선정에 관한 연구를 진행할 예정이다.

후 기

본 연구는 충남대학교 2014년도 CNU 학술연구비 사업 의 지원을 받아 수행되었습니다.

References

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Figure 8. Pressure contour and streamline of C3 plane on the DOOR A at CASE B.

Figure 9. V-velocity at CASE C.

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