Numerical Study on Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System : Damper Locationfor Uniform Air Egress Velocity in the case of Two Fire Doors

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.6.001

부속실 가압 시스템의 방연풍속에 관한 수치해석적 연구:

2개 출입문이 존재할 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 댐퍼 위치 선정방법

서찬원 · 신원규

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충남대학교 기계공학과

Numerical Study on Air Egress Velocity in Vestibule Pressurization System : Damper Locationfor Uniform Air Egress Velocity

in the case of Two Fire Doors

^†

Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University (Received August 6, 2014; Revised September 3, 2014; Accepted September 12, 2014)

요 약

부속실 가압시스템의 가장 중요한 역할은 건축물 내부에 화재가 발생 시 피난을 위하여 방화문이 개방 될 경우 균일 한 방연풍속을 형성하여 연기의 침입을 방지하는 것이다. 이러한 설비의 성능확보를 위하여 균일한 방연풍속이 형성될 수 있도록 공기 공급 유니트를 배치하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 대형건물에 설치되는 2개의 출입문을 갖는 부속 실의 경우, 방연풍속이 균일하게 형성될 수 있는지 수치해석을 수행하였고, 나타난 문제점을 해결하기 위한 주요변수로 댐퍼의 위치 및 루버의 각도를 선정하고, 두 변수를 조정하여 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 해결책을 찾아보았다. 그 결과, 부속실의 댐퍼 위치의 중요성을 확인하였으며, 2개의 방화문이 존재할 경우 출입문 맞은편 중간 벽에 배치할 경우 성능에 있어서 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

ABSTRACT

Vestibule pressurization system should produce uniform air egress velocity to prevent the intrusion of smoke into escape route when fire accidents occur inside a building and fire doors are open for evacuation of people. Air supplying units in the vestibule need to be arranged by taking account of the location of doors and the volume of the vestibule. In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulations were conducted for the vestibule where two doors are installed varying the location of a damper and louver angle. From simulations, we found that when the damper in the ves- tibule is located at the center of the wall opposite to two fire doors, the uniform air egress velocity can be obtained.

Keywords : Pressurization system, Vestibule, CFD, Smoke control, Damper

1. 서 론

도시집중화와 건축설계 및 시공기술의 발달로 인하여 건축물들이 대형 · 고층화가 되었으며 이에 따라 화재에 취약한 건축물이 증가하고 있어 인명안전을 위한 효율적 인 화재예방 및 피해방지 대책의 필요성이 절실히 요구되 고 있다. 특히, 화재 시 발생되는 연기는 피난활동 및 소화 활동에 지장을 초래하기 때문에 재실자 및 소방관 인명안 전에 위협이 되고 있다. 따라서, 연기 제어를 통한 수직 피

난로 확보 및 소방관 활동거점 확보를 위한 부속 실제연설 비⁽¹⁾의 중요성이 증대되고 있다.

급기가압 제연설비의 차압 및 방연풍속에 대한 연구는 Ryu 등은 fire dynamic simulator (FDS)를 이용한 부속실 모델링을 통하여 바닥면적 별 댐퍼의 위치 별 역류가 발생 하지 않는 해석적 결과를 제시하였으며⁽²⁾, Kim 등은 급기 가압 제연시스템의 방연풍속 형성특성에 대한 수치해석적 연구를 통하여 4 종류의 댐퍼 각도에 대한 방화문에서의 방연풍속 형성특성을 제시하였다⁽³⁾. Lee 등은 제연구역 방

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Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

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TEL: +82-42-821-5647, FAX: +82-42-822-0098

화문의 각속도 변화와 폐쇄 조건 분석을 통하여 급기가압 제연설비가 작동상태에서 방화문의 닫히는 속도 별 폐쇄 력 크기를 비교하였다⁽⁴⁾. Huang 등은 화재방지를 위한 건 물 설계시 화재 확산 및 배기의 안정성을 확인하기 위하여 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 이용 하여 최적 및 강건설계 방법을 제시하였다⁽⁵⁾.

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 두개의 출입문이 있는 경우 부속실 내 기류특성과 댐퍼 위치와의 상관관계 에 관한 연구가 필요하다고 판단된다. 선행연구⁽⁶⁾에서 확 인된 바와 같이 거실 방화문이 2개인 부속실 내의 댐퍼의 위치가 한쪽으로 치우쳐 있으면서 유입속도가 빠를 경우 부속실로의 역류현상이 발생함을 확인하였다.

본 연구에서는 이러한 부속실로의 역류현상을 방지할 수 있는 댐퍼의 위치, 루버각도와 방연풍속과의 상관관계 를 수치해석을 통하여 확인하고자 하였다. 이를 통하여, 출입문 두개가 설치된 부속실에 대한 균일한 방연풍속을 얻을 수 있는 최적의 방안에 대하여 검토해 보고자 한다.

2. 수치해석방법

2.1 지배방정식 및 해석방법

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.

해석을 위해 유한체적법(finite volume method, FVM)을 이용하는 ANSYS Ver. 15.0⁽⁸⁾ FLUENT solver를 사용하 였다. 3차원 비압축성 난류 정상유동을 지배하는 방정식은 유체의 연속방정식, X, Y, Z 방향의 운동량 방정식, 난류 방정식으로 구성되어 있으며 이 식들을 동시에 풀어야한 다. 해석을 위하여 semi-implicit method pressure-linked equations (SIMPLE) algorithm을 사용하였다. 특별피난계 단의 부속실 내부의 유동을 모사할 수 있는 난류모델은 대 표적으로 Standard κ-e, ReNomalization Group (RNG) κ- e, Realizable κ-e 모델 등이 있다. 본 연구에서는 수렴성의 장점이 뛰어난 Standard κ-e 모델을 이용하여 난류모델을 해석하였다⁽⁷⁾.

수렴속도와 계산의 정확성을 위하여 거의 모든 격자를 직육면체로 만들었으며, orthogonal quality의 최소값을 0.7 이상으로 모델링하였다. 부속실 내부의 유동해석에 요 구되는 적절한 격자수는 100만 개로 선정하였다.

2.2 모델링 및 경계조건

본 연구에서는 공동주택의 부속실의 실제형상과 치수를 반영하여 해석을 수행하였으며, 상세한 해석공간의 수치는 Figure 1과 같고 부속실 바닥면적은 22.5 m²이다. 성능 개 선을 위하여 댐퍼의 위치를 그림과 같이 POSITION 1, 2, 3의 3가지 경우에 대하여 수행하였으며, Table 1에서 그 위치를 나타내었다.

제연구역에 공급하여야 할 공기의 양(급기량)은 누설량 과 보충량을 더한 값보다 많아야 한다. 본 연구에서는 출 입문 개방상태를 가정하여 보충량에 대하여 해석을 수행 하였다. 여기서 보충량은 다음의 식에서 구할 수 있다⁽¹⁾.

(3) 여기서, Q_D는 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, QO는 거실유입풍량을 의미한다.

∂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 ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

Q_D = AV ---0.6

⎝ ⎠

⎛ ⎞ − Q_O

Figure 1. The geometry of vestibule in an apartment build- ing: (a) XY plane (b) XZ plane.

Table 1. Classification of Positions

POSITION Location of damper 1 Left Side of the Vestibule 2 Center between Two Doors 3 Right Side of the Vestibule

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 거실문 개방 시 공기 유동장 애가 적은 것으로 판단하여 유동 장애에 대한 계수는 70%

정도로 보정하여 계산하였다. 계산하여 나온 값은 7.08 m³/s로 이 값을 기준으로 댐퍼 입력 값으로 정하였고, 본 연구에 적용한 댐퍼의 위치는 Figure 1에 상세히 나타나있 다. 또한, 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 출력부 경계조건으로 면적은 2.64 m², 수력직경 1.55 m, 난류강도 는 5%로 설정하였다.

덕트에서 부속실로 유입되는 공기는 수평방향으로 흐르 다가 부속실 내부로의 유입 시 루버(louver)의 방향에 따 른 루버 각도 영향성을 파악하고자 하였다. 루버 각도가 방화문에서 속도분포에 미치는 영향을 해석하기 위하여 Table 2와 같이 수치해석 케이스를 설정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 방화문에서의 속도분포, 압력 및 부속실 내부의 유선 Figure 2의 경우에는 3가지 댐퍼의 위치에 대하여 3가지 루버 각도에 따른 방화문에서의 V-velocity에 나타내고 있

Figure 2. Velocity contour of the fire door and streamline inside the vestibule: (a)~(b) POSITION 2 + CASE C, (c)~(d) POSI- TION 1 + CASE A, (e)~(f) POSITION 3 + CASE B.

Table 2. Classification of Cases

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

C 45^o Downward on horizontal direction

다. 총 9가지 경우에 대한 해석을 수행하였으며, 이때의 방화문에서 방연풍속이 균일한 경우와 역류발생 등 방화 문에서 방연풍속이 균일하지 않은 2가지 경우에 대한 방 화문에서의 Contour값을 나타내고 있다. 그림에서 초록색 은 0.7 m/s 이상의 방연풍속이 확보됨을 나타내며, 노란색 의 경우 0.7 m/s 이하이지만 부속실에서 거실로 방연풍속 이 형성함을 나타내며, 빨간색의 경우는 거실에서 부속실 로 연기가 들어오는 역류현상을 나타내는 것으로 피난성 능에 악영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 방화문에서 균일 한 방연풍속을 나타내는 것은 댐퍼의 위치가 가운데 위치 하면서 루버의 각도가 하향 45^o로 향하는 POSITION 2 + CASE C (a)의 경우이며, 나쁜 경우는 댐퍼의 위치가 부속 실 왼쪽에 위치하면서 루버의 각도가 상향 45^o로 향하는 POSITION 1 + CASE A (c)와 댐퍼의 위치가 부속실 오른 쪽에 위치하면서 루버의 각도가 수평방향인 POSITION 3 + CASE B (e)인 경우임을 알 수 있다. Figure 2 (a)는 POSITION 2 + CASE C의 경우 양쪽 방화문에서 어느 정 도 균일한 방연풍속을 나타내고 있다. 하지만, Figure 2 (c), (e)에서처럼 댐퍼의 위치가 두 개의 방화문 가운데 위 치하지 않고 한쪽 방화문에 가깝게 위치한 경우에는 가까 운 방화문에서 역류현상을 발생함을 나타내고 있다. 이는 댐퍼에서의 유입유량과 부속실 내부의 유선 흐름에 영향 을 받기 때문이며, Figure 2 (b)에서처럼 방연풍속이 균일 한 경우는 부속실 내부의 유선의 흐름이 거실 출입문까지 균일하게 연결됨을 알 수 있다. 하지만, Figure 2 (d), (f)에 서는 댐퍼의 위치가 방화문과 가까운 곳에 위치한 경우, 댐퍼에서 유입된 풍량이 방화문의 수직방향(X 방향)으로 빠르게 이동함으로 인하여 부압이 형성되어 부속실 내부 로 연기의 유입될 수 있음을 보여주고 있다.

Figure 3의 경우에는 POSITION 3 + CASE B인 경우 DOOR A의 C3 평면(YZ 평면, Figure 4 참조)으로의 압력 및 유선을 나타내는데, 부속실 내부의 압력이 외부의 압력 의 차이에 의하여 그림과 같은 특성의 기류분포가 나타남 을 알 수 있다.

3.2 방화문 상부에서의 방연풍속 분포 및 평균 방연풍 속 결과

방화문 상부에서의 V-velocity를 분석하기 위하여 Figure 1에서의 3가지 댐퍼 위치 및 3가지 루버 각도별 해석을 수 행하였다. 여기서 V-velocity는 정상상태(steady state) 상 태에서의 Y 방향의 속도크기를 나타내며, 양수값은 부속 실에서 거실로 흐르는 유동 방향을 의미한다. 따라서, 음 수값을 나타내면 거실에서 부속실로 연기가 유입됨을 의 미한다.

Figure 4에서 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 5와 6에서는 방화문 상부 R1과 R2에서의(Figure 4 참조) 댐퍼 위치별, 루버 각도별 방연풍속 분포를 나타 내고 있다. 방화문 상부에서의 방연풍속 값을 비교한 이유 는 화재발생시 연기의 상승으로 인하여 상부에서의 방연 풍속 값이 중요하기 때문에 상부의 값으로 선정하였다.

그림에서의 1 2 3의 의미는 POSITION 1, POSITION 2, POSITION 3을 의미하며, A B C는 CASE A, CASE B, CASE C를 의미한다. 부속실로의 역류가 발생하는 경 우는 댐퍼의 위치가 문과 가까운 곳에 배치된 경우의 가까 운 방화문에서 발생하며 댐퍼의 위치가 멀리 배치되더라 도 루버각도가 하향으로 공기가 유입되는 경우라 할 수 있 다. 그 이유는 Figure 2에서 부속실 내부에 형성된 공기흐 름(유선의 형상)과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.

댐퍼의 위치가 방화문의 가운데 위치한 경우에는(Figure 5 (a), (c), Figure 6 (a), (c)) 어떠한 루버각도를 형성하더 라도 DOOR A, DOOR B 상부에서 균일한 방연풍속을

Figure 3. Pressure contour and streamline of C3 plane on the DOOR A at POSITION 3 + CASE B.

Figure 4. Measurement of air velocity distribution by con- stant area method.

나타냄을 알 수 있다. 이는 두개의 출입문이 배치될 경우 에는 댐퍼의 위치가 루버각도보다 더 중요성을 가질 수 있 다는 것을 의미한다 할 것이다.

Table 3에서는 DOOR A, DOOR B에서의 평균 방연풍속

값과 25개의 측정지점 중 기준 방연풍속(0.7 m/s 이상)이 형성되는 지점의 개수를 표시하고 있다. 댐퍼의 위치가 방 화문의 사이의 중앙에 위치한 경우(POSITION 2) 모든 방 화문에서 기준 방연풍속 값을 만족함을 나타낸다. 이 경우 Figure 5. Air Velocity on the upper fire door of R1: (a) (b) DOOR A, (c) (d) DOOR B.

Figure 6. Air velocity on the upper fire door of R2: (a) (b) DOOR A, (c) (d) DOOR B.

에도 루버의 각도가 하향 45^o를 형성할 경우(CASE C)에 25개의 측정지점 중 DOOR A에서 18곳, DOOR B에서 17 곳에서 기준 방연풍속 이상의 값을 형성함을 보여준다.

댐퍼의 위치가 한쪽으로 치우친 경우에는 그 방향의 방 화문에서 기준 방연풍속값을 만족시키지 못하고 있음을 보여준다. 예를 들어 POSITION 1 + CASE B인 경우에는 DOOR B에서는 방연풍속 평균값이 2.78 m/s 값을 나타내 고, 0.7 m/s 이상의 값을 나타내는 측정지점이 23곳으로 좋은 결과를 보여주나, DOOR A에서는 방연풍속 평균값 이 0.53 m/s로서 기준에 만족하지 못할 뿐만 아니라, 0.7 m/s 이상의 값을 나타내는 측정지점 또한 7곳에 지나지 않 아서 균일한 방연풍속을 형성하지 못하고 있음을 보여주 고 있다. 이는 부속실의 구조 등에도 영향을 받을 수 있으 나, 댐퍼의 위치 및 루버의 각도가 중요한 역할을 하고 있 음을 보여준다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존의 연구에서 다루지 않았던 부속실 내 거실 방화문이 2개인 경우 내부 기류특성을 수치적으 로 해석하고, 이에 대한 문제점을 분석하고 해결책을 제시 하였다.

선행연구⁽⁶⁾에서 부속실 내에 출입문이 2개가 설치될 때 댐퍼의 위치를 적절하게 고려하지 않을 경우 오히려 거실 내부의 화재로 인한 연기가 부속실 내부로 유입될 가능성 이 있음을 지적하였다. 이에 대한 해결책을 얻기 위하여 댐퍼의 위치를 방화문과 마주보는 지점의 위치에 배치하 고 마주보는 지점에서도 위치를 옮겨가며 해석을 수행하 였다. 또한, 루버 각도도 상하로 적절히 조절하며 수치해 석을 수행하였다.

수치해석결과에서 알 수 있듯이 2개의 방화문이 부속실

내부에 위치할 때 기준 방연풍속을 얻기 위해서는 댐퍼위 치 선정이 중요하다는 결론을 얻을 수 있었다. 댐퍼의 위 치가 2개 방화문의 중간에 배치되는 경우 균일한 방연풍 속을 얻을 수 있었다. 상부에서 역류가 생성되지 않을 조 건으로는 댐퍼의 위치가 중간에 배치되면서 공기유입이 하부로 유입될 경우 더욱 균일한 방연풍속을 얻을 수 있음 을 알 수 있었다.

초고층 건축물의 경우 부속실의 크기, 형상, 방화문의 크기, 계단실 출입구와의 위치등 방연풍속에 영향을 미칠 수 있는 요소들이 많이 존재한다. 따라서, 본 연구에서 얻 은 결과로 일반적인 규칙을 도출하기에는 고려하여야 하 는 변수가 너무 많은 한계가 있다. 하지만, 현실적인 대안 으로 부속실을 설계할 때 균일한 방연풍속을 얻기 위해서 건축설계 단계에서 초기 부속실 형상이 설계된 경우 필히 방연풍속에 대한 수치해석을 미리 수행할 필요가 있음을 알 수 있다. 특히 방화문의 개수가 여러 개일 경우 균일한 방연풍속을 얻기 위한 초기 해석을 수행하고 완공시점에서 Testing, Adjusting and Balancing (TAB)를 수행한다면⁽¹⁾ 원하는 성능을 만족하는 특별피난계단 부속실을 만들 수 있을 것이라 판단된다.

후 기

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

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Position of Damper

Louver angle

(^o)

Air egress velocity of DOOR A (m/s)

Air egress velocity of DOOR B (m/s)

POSITION 1

CASE A −0.45(4)0

03.62(23)

02.78(23)

01.60(14) 01.87(16)

POSITION 2

CASE A

00.82(13) 01.50(21)

00.71(10) 01.42(25)

01.16(18) 01.69(17)

POSITION 3

CASE A

03.30(23)

01.30(17)

01.51(14)

Average Velocity (the Number More than 0.7 m/s)

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