室內火災에서 開口部의 影響에 대한 數値的 硏究

Abstract

건축물이 복합적인 유용공간으로 대형화되면서 대형화재의 발생위험이 증대되고 있다. 특히 건축물의 실내 공간에서 화재는 열과 연기의 발생으로 인하여 많은 인명 손실을 초래할 수 있다. 따라서 열 및 연기를 초기에 감지하여 소화함으로써 연기와 유독가스의 발생을 줄일 수 있고 화재의 확산을 방지할 수 있기 때문에 화재의 감지와 소화에 대한 연구는 관심의 대상이 되어 왔다. 실내화재는 화재의 발생위치에 따라 중심형 화재(화원이 벽에 접하지 않고 바닥의 중심부근에서 발생), 벽체형 화재(화원에 벽이 한 개 접함), 모서리형 화재(화원에 벽이 두 개 접함)로 나눌 수 있다. 화재규모가 같더라도 화재의 발생 위치에 따라 높이와 개구부에서 형성되는 연기층의 두께가 다르게 나타나는데, 이것은 화재가 벽과 인접하여 발생하였을 때 화염에 유입되는 공기의 양과 열 유속이 변하기 때문이다.3) 박외철4)은 대형 개구부가 있는 공간에서의 화재와 제연을 조사하기 위해 지하철역과 유사한 구조의 4m×1m×1.5m 크기의 축소 공간 내 50kw의 폴리우레탄 화재에 대한 수치모사를 수행하였다. 화재 발생 후 5초부터 세가지 기계 제연방식(급배기방식, 배기방식, 급기방식)을 비교하였다. 정진용 등5)은 1.8m×1.8m×1.38m크기의 실내 공간에서 메탄올 화재에 대한 실험을 수행하여 화염구조와 연기거동을 화염의 위치에 따라 조사하였다. 화재가 커질수록 중심형 화재는 평균온도가 증가하였고, 개구부의 중립면 높이와 정상상태 도달시간은 감소하는 것으로 나타났다. 또 중심형 화재보다 벽면형과 모서리형 화재의 경우, 화원의 위치가 수직벽에 인접하므로 중립면의 높이와 평균온도가 높고, 정상상태 도달시간도 빠르게 나타났다. 김서영과 강병하6)는 건물 화재시 화염의 성장과 독성 연소가스의 확산을 예측하기 위하여 화재에 의한 연소가스의 개구부유동에 관한 내용을 조사하였다. 건물화재는 초기발화 후 가스의 팽창에 의한 압력상승으로 유동이 발생하고 화염의 성장과 함께 고온의 연소가스가 여러 가지 형태의 개구부를 통해 건물 상부로 이동하는 부력 유동을 확인하였다. 정진용 등7)은 열 분포 및 연기거동을 조사하기 위하여 계단으로 연결되어 있는 밀폐 지하공간에 화재가 발생했을 때 상부층으로 확산되는 실험을 수행하였다. 그 결과, 스프링클러 시스템이나 화재 감지기를 계단 상부에 설치할 때 계단의 기울기를 고려해야 한다는 것을 확인했다. 박외철8)은 제연방식과 풍량에 따른 실내에 유입된 연기의 제연성능을 조사하기 위하여 급기구와 배기구, 개구부가 있는 크기 2m×2m×2.4m의 실내에 기계 제연방식을 가동하였을 때 실내에 분포한 입자의 감소율을 조사하여 대형 개구부가 많은 지하철 역 등에는 급기방식 대신 급배기방식 또는 배기방식의 제연설비를 사용해야한다는 것을 밝혔다. O. Vauquelin과 O. Megret9)은 환기시스템에 따른 터널화재 축소실험을 통해 연기의 배출 효율을 측정한 결과, 덕트의 위치가 벽보다 천정에 설치할 때 효율이 더 높은 것으로 나타났다. 덕트의 배출효율과 위치와의 관계는 큰 영향이 없는 것으로 밝혀졌다. 박외철과 이경아10)는 개구부유동이 대류에 미치는 영향에 관한 수치연구에서 개구부에서 유입되는 공기는 천장의 온도를 형성하는데 영향을 주었고 공기의 유입이 빠를수록 온도는 감소하고 최고온도의 형성 위치가 유출개구부 쪽으로 이동하는 것을 밝혔다. 문종윤 등11)은 실험과 수치시뮬레이션의 결과 비교연구에서 연소시간과 내부 온도 변화 양상은 유사하게 나타났으나 실제의 가연물과 FDS 데이터 베이스의 연소시간에 차이가 남을 확인하였다. 추병길과 조성곤12)은 시스템 내에 열원이 존재하고 부분 개방된 2차원 밀폐공간내의 화재에 대한 수치적 연구를 수행하였다. 자연대류와 복사를 고려한 복합열전달은 유동장 및 온도장에 모두 영향을 미치는 것을 확인하였다. 노재성 등13)은 한 변의 길이가 25.2m인 정육면체의 아트리움 공간을 중심으로 연기거동에 대한 수치연구에서 연기층의 높이에 따른 피난시간을 확인하였다. 정진용 등14)은 연기거동에 미치는 복사의 영향을 알아보기 위해서 3차원 실내공간내의 화재에 대한 수치해석을 수행하여 화재 해석에 있어서 복사가 반드시 고려되어야 함을 확인하였다. 박외철 등15)은 화재에 대한 화재시뮬레이션을 수행하여 제연설비와 스프링클러설비의 필요성과 연기의 확산가능성을 확인하였다. 또 제연설비로 연기를 안전하게 배출할 수 있는 것으로 나타났고, 제연설비가 작동하면 연기가 청정실 내의 다른 구역으로 확산되지 않음을 알 수 있었으며 스프링클러는 연기의 발생을 억제하고 화재확산을 방지하는 역할을 함을 확인하였다. 또 고경찬과 박외철16, 17)은 FDS를 이용한 실내화재 시뮬레이션의 문제점을 파악하기위해 메탄올 화재를 모사하여 중심형 화재, 벽면형 및 모서리형 화재를 측정치와 비교하였다. 개구부 수직중심선과 모서리 부근에서의 정상상태의 온도와 고온공기층 두께, 개구부의 중립면 높이는 측정치와 비교적 잘 일치하였으나 실험에 비해 화재성장을 지나치게 빨리 예측하는 것으로 나타나 화재의 성장과정을 규명해야하는 실내화재 모사에 대한 수치법의 결점을 지적하였다. 이상과 같이 화재시뮬레이션을 이용한 연구가 활발하게 이어지고 있고, 많은 연구가 FDS를 사용하여 수행되고 있다. 본 연구의 목적은 FDS를 이용하여 미분무소화설비용 소규모 화재실험실에서 개구부의 개폐가 화재특성에 미치는 영향을 조사함으로써 개구부의 크기와 화재규모의 적합여부를 확인하는 것이다.

For a propane fire in a 2.5m×2.0m×2.5m room, the distributions of temperature and carbon monoxide were investigated with and without a vent to examine its effects for two fire sizes, 59.5kW and 119kW, using a CFD program. The following conclusions could be drawn from this study. 1) For the two fire sizes of 59.5kW and 119kW, the difference in temperature with and without the vent was very small. 2) The distributions of carbon monoxide concentration showed results similar to those of temperature. 3) The temperature in the fire source, when the vent was open, was slightly higher than that when the vent was closed, with increasing oxygen supply to the room. 4) It was confirmed that the selected sizes of the vent and fire were suitable since the vent influences little on the distributions of temperature and carbon monoxide.