3.1 연기감지기 및 방연댐퍼 법규

본 논문의 시뮬레이션 주요 목적은 연기감지기와 방화댐퍼에 관련된 내용이므로, 이에 대한 규정을 조사하였으며, 주요 내용은 아래와 같이 정리하였다.

∙소방시설설치유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령(2004년 5월 시행) 제15조(특정 소방대상물의 규모 등에 따라 갖추어야 하는 소방시설 등) 별표 4(경보시설) 4호 나목은 자동화재탐지설비를 설치하는 특정소방대상물로서 공동주택은 연면적 1천 제곱미터 이상에는 설치하여야 한다.

∙NFSC 203(2015년 3월 시행) 제7조(감지기) 제2항은 연기감지기 설치에 규정하고 있으며, 5호에서는 공동주택 거실에 설치하여야 한다고 규정하고 있다. 단 NFSC 203(2004년 6월 시행) 제7조(감지기) 제5항 7호에서는 먼지․가루 또는 수증기가 다량으로 체류하는 장소 또는 주방 등 평시에 연기가 발생하는 장소(연기감지기에 한한다)에는 설치하지 않는다고 규정하고 있다.

방화댐퍼와 관련된 감지기에 대한 주요 내용은 아래와 같이 정리하였다.

∙방화댐퍼는 건축물의 피난 방화구조 등의 기준에 관한 규칙(1999년 5월 시행) 제14조(방화구획 설치기준) 제2항 3호의 3에서는 환기ㆍ난방 또는 냉방시설의 풍도가 방화구획을 관통하는 경우에는 그 관통부분 또는 이에 근접한 부분에 기준에 적합한 댐퍼를 설치할 것으로 규정하고 있다.

연기 감지기에 대한 부착 높이와 바닥면적과의 관계는 NFSC 203 제7조 제3항 10호에 규정되어 있고, Table 1과 같으며, 연기 감지기의 작동 시간은 Table 2에 표기된 작동 시간 이하여야 한다. 공동주택의 세대는 연기감지기(1종 및 2종)에 해당되며, 감지기의 작동 시간과 설치 높이는 Table 1, Table 2와 같다.

3.2 성능위주설계

성능위주 설계기준의 인명 안전 기준에 영향을 미치는 다양한 요소에 대한 한계값은 Table 3과 같다. 또한 기숙사, 중/고층 주택에 대한 피난 가능 시간 기준에 “W2”의 조건에서 4 min(240 s)으로 규정하고 있다.

3.3 화재 인지 및 대피 시간

화재 발생부터 대피까지 시간은 ASET과 REST에 있어서 중요한 요소이다. 그 가운데 화재를 인지하고 이동하기까지의 시간 측정에 대한 연구가 이루어지고 있으나, 이에 대한 시간 예측은 어렵다고 할 수 있다.

Proulx⁽⁷⁾가 4개의 건물에서 수행한 피난 실험에서 각 건물별 거주자의 40% 이상은 귀중품 소지, 의복 착용, 주변 상황 파악 등의 행동으로 경고 방송을 듣고 난 후 실질적인 움직임이 시작되기까지는 2.5 min∼9.7 min이 소요된다고 발표하였다. 그리고 Brennan⁽¹¹⁾은 공동주택 3층에서 화재 발생 후, 대피를 결정하고 실질적으로 이동하는데 걸리는 시간은 8 min이 소요된다고 대피자들의 인터뷰를 통한 데이터를 발표하였다.

CFPA-E Guideline⁽¹²⁾에 따르면 99%의 재실자들이 피난을 위한 실질적인 행동을 하기 전의 시간(pre-movement times)은 1.5 min∼10 min이 소요된다고 하며, Hopkin et al.⁽¹³⁾ 외 다수는 3개 침실을 가진 공동주택에서 현관문 개방에 걸리는 평균 시간은 8.5 s∼11.1 s가 소요되며, 20 s를 넘기지 않는 계획이 필요하다고 제시하였다. 이는 Table 1과 같이 감지기 작동시간이 최대 30 s이므로, 이를 달성하는데 다소 무리가 있다고 판단된다.

4.1 평면형태와 입력조건

세대 내에서 피난시간 연장을 위한 방안으로 수직 샤프트를 이용한 자연환기 시스템과 팬 또는 블로워를 부착한 기계 환기시스템으로 나누어 시뮬레이션을 수행하고자 한다. 대상 세대의 평면, 화원과 센서 위치 및 주변 가구 배치는 Fig. 1과 같고, 시뮬레이션 입력 조건과 각각의 Case는 Table 4, Table 5에 나타나 있으며, 기 제출된 특허(등록번호 제10-2580522)를 근거로 한 화장실 문을 제작하고자 하며, 본 연구에서는 이를 구현하기가 힘든 상황으로 각 실의 문은 개방된 상태로 하였다. 냉장고가 화재 발생원이며, 화염은 싱크대, 소파, 탁자의 순서로 확산되도록 하였다. 각종 센서 위치는 배연경로에 설치하였고, 높이는 1.8 m이다. 격자 크기는 0.2 m, 연돌의 격자수는 920, 총 격자수는 42,900(43,820)이다. 또한 설치된 팬은 1.0 m³/s를 가지는 것으로 하였다.

Fig. 1 Reference plan for FDS simulation.

4.2 결과분석

인명 안전 기준의 항목에 대한 FDS 결과를 토대로 배연 효과를 알아보고자 한다. 본 논문에서는 기 발표된 논문 가운데 변동이 폭이 작은 Proulx⁽⁷⁾가 제안한 “Eva 2.5” 기준과 “W2” 기준을 근거로 하고자 한다.

인명 안전 기준 온도인 60℃는 화재 발생 후 모든 Case에서 70 s 전후에 도달하는 것으로 나타났으며, 이에 대한 FDS 수행 결과는 Table 6과 같다. 화재 발생 후 최고 온도와 이에 도달하는 시간은 Case(a)가 352.3℃, 155 s고, Case(b)가 309.2℃, 145 s이며, Case(c)는 303.2℃, 135 s로 나타났다. “Eva 2.5” 기준에서는 Case(a)는 330.0℃이고, Case(b)와 Case(c)는 각각 296.1℃와 295.0℃로 약 30℃ 이상의 차이를 보이므로 배연으로 인한 실내 온도 하강 효과는 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 “W2”의 기준에서는 Case(a), Case(b), Case(c)의 각각의 온도는 133.3℃, 125.8℃, 119.8℃로 인면 기준 기준인 60℃를 상회하는 것으로 나타났다. “Eva 2.5” 기준에서 보면, 전반적으로 온도 분포가 기존 방식인 Case(a)와 비교하여 배연시스템이 갖추어진 Case(b)와 Case(c)에서 낮게 나타났다. 그러나 “W2”의 기준에서는 모든 Case에서 비슷한 양상을 볼 수 있다.

CO₂의 경우 인명 안전 기준 농도는 5%(50,000 ppm)를 기준하고 있으며, FDS 결과에 따르며 “Eva 2.5” 기준과 “W2”의 기준에서는 모두 하회하고 있는 것으로 나타났으며, Table 7과 같다. 그러나 기존 배연 시스템이 없는 Case(a)의 경우, 화재 발생 후 163 s에서 기준값에 가까운 49,600 ppm에 도달하였으며, 이후 시간이 경과됨에 따라 서서히 감소하는 형태를 취하고 있다. 자연배연과 기계배연 시스템을 갖춘 Case(b)와 Case(c)에서는 각각 44,200 ppm과 45,000 ppm로 나타난 것을 알 수 있다. 그리고 “Eva 2.5” 기준에서 CO₂ 농도는 Case(a)가 47,100 ppm, Case(b)가 47,500 ppm, Case(c)가 46,700 ppm으로 배연시스템이 갖추어진 Case(b)와 Case(c)에서 다소 높게 나타났으며, 이는 배연구가 설치되어 있는 방향으로 연기가 이동하는 것이 원인이라고 판단된다. 그러나 “W2”의 기준에서 Case(a)가 31,010 ppm, Case(b)가 24,270 ppm, Case(c)가 22,060 ppm으로 화재 발생 후 시간이 경과됨에 따라 배연 시스템이 설치된 Case(b)와 Case(c)에서 농도는 급격히 감소하는 것으로 나타났다.

“Eva 2.5” 기준에서 보면, CO₂ 농도분포는 피난 경로 부근에서는 큰 차이가 없으나, 각 실에서는 배연시스템이 갖추어진 Case(b)와 Case(c)가 기존 방식인 Case(a)와 비교하여 다소 높게 나타났다. 이는 연기 흐름이 넓은 거실에서 좁은 통로로의 이동과 동시에 설치된 배기시스템으로 연기가 흐르는 현상으로 볼 수 있다.

CO의 경우 인명 안전 기준 농도는 1,400 ppm이며, “Eva 2.5”기준에서는 모두 상회하는 것으로 나타난 반면, “W2”의 기준에서는 모두 하회하고 있는 것으로 나타났으며, FDS 결과는 Table 8과 같다. 기존 배연 시스템이 갖추어지지 않는 Case(a)에서는 화재 발생 후 163 s에서 2,240 ppm으로 최고값에 도달하였으나, 자연배연과 기계배연 시스템을 갖춘 Case(b)와 Case(c)에서는 각각 1,982 ppm과 2,020 ppm으로 다소 낮게 나타났다. 그리고 “Eva 2.5” 기준에서 Case(a)가 2,120 ppm, Case(b)가 2,140 ppm, Case(c)가 2,130 ppm으로 거의 유사한 값을 가지는 것으로 나타났으나, CO₂의 경우와 같이 연기의 이동이 배연시스템 방향으로 이동함에 따라 Case(a)보다는 Case(b)와 Case(c)에서 다소 높게 나타났다. 그러나 “W2”의 기준에서 Case(a)는 1,390 ppm, Case(b)는 1,090 ppm, Case(c)는 990 ppm으로 화재 발생 후 시간이 경과됨에 따라 CO₂의 농도 하강 효과와 유사한 패턴을 나타내고 있다. “Eva 2.5” 기준에서 보면, CO 농도 분포는 배연시스템이 갖추어진 Case(b)와 Case(c)가 기존 방식인 Case(a)와 비교하여 다소 낮은 분포를 보이고 있다.

Table 6 Temperature distribution of reference plan by FDS results

Table 7 CO2concentration distribution of reference plan by FDS results

Table 8 CO concentration distribution of reference plan by FDS results

Table 9 Visibility of reference plan by FDS results

가시성의 경우 인명 안전 기준에서는 5 m이나, “Eva 2.5”와 “W2” 기준으로는 모든 case에서 기준값을 벗어나는 것으로 확인되었으며, 이에 대한 결과는 Table 9와 같다. Table 9의 확대도와 같이 화재 발생 후 35초 전후로 가시거리는 5 m의 확보가 가능하나, 그 이후로는 확보되지 않는 것으로 볼 수 있다. 이는 연기 확산 속도와 비교하여 세대 면적과 공간이 작은 것을 원인으로 볼 수 있다. 그러나 기존 시스템인 case(a)와 비교하여 자연 또는 기계 배연시스템을 가진 case(b)와 case(c)의 경우에서는 가시성 거리가 시간이 경과함에 따라 급속하게 떨어지는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 화재발생으로 인한 연기가 세대 내에 설치된 배연시스템으로 이동됨에 따른 현상으로 볼 수 있으므로, 세대 내에 설치된 배연시스템은 연기를 빠른 시간 내에 외부로 배출시킬 수 있는 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 피난의 효율성을 높이기 위해서는 배연통로와 피난통로의 구분이 있어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 2 The FDS results summary.

대상 평면에서 배연시스템 유무에 대하여 “Eva 2.5”와 “W2”기준을 적용하여 정리한 FDS 결과는 Fig. 2와 같다. “Eva 2.5” 기준에서 배연시스템 유무에 따른 온도 변화는 확실하게 하강하나, CO₂, CO 농도 변화는 미미한 것으로 나타났다. 그리고 “W2” 기준에서는 배연시스템이 설치된 경우에서 하강폭이 크다는 것을 알 수 있다. 또한 가시성의 경우에도 빠른 시간 내에 연기를 외부로 배출시킬 수 있으므로 배연통로와 피난통로의 구분을 통하여 세대 내의 배연으로 인한 ASET 시간은 연장될 수 있는 가능성이 있다고 판단된다.

그러나 본 논문에서 채택한 대상 평면의 경우, 피난경로와 배연경로가 중첩되는 관계로 자연 또는 기계배연으로 인하여 농도가 높은 구역(배연구로 연기가 흐름이 발생)으로 피난로가 확보됨에 따라 공동주택 세대 내에서의 피난 효과에는 한계가 있는 것으로 파악되었다. 그러므로 향후 평면 계획에 있어서는 자연 또는 기계배연으로 인한 피난시간 연장 확보의 장점을 가질 수 있도록 피난경로와 배연경로가 중첩되는 않는 평면계획이 필요할 것으로 판단된다.