기호설명

하첨자

1. 연구배경 및 목적

도심지에 건설된 고층 근린생활시설과 아파트 등의 주차장은 일반적으로 지하에 배치하고 있다. 이러한 지하주차장은 복층화 그리고 대형화 되고 있으며 내연기관 또는 전기 자동차의 출입 빈도가 높아지고 있다. 지하주차장은 밀폐도가 높아서 실내 청정도를 향상시키기 위해 환기설비를 설치하였다.^(1-4) 국외에서는 밀폐된 지하주차장에서 발생하는 화재 발생물질을 제거하여 소방관의 소화활동 공간을 확보하기 위해 제연시스템을 필수적으로 설치하지만 국내 지하주차장의 경우 제연에 대한 규정이 없어 일부 건물의 경우를 제외하고 제연시스템을 설치하지 않고 있다. 이로 인해, 화재 발생 시 발화지점에서 생성되는 연기는 고체와 액체입자들과 연기 입자인 유독가스는 화재로 인한 사망의 주원인이 되고 있다. 연기 입자의 주된 위험은 가시도를 떨어뜨리고 유독가스를 흡입한 사람을 무력하게 한다. 연기 입자로 인해 가시도가 떨어지면 거주자가 탈출하기 힘들어 지고 유독가스의 영향을 보다 오랫동안 받게 된다. 오랜 시간 동안 높은 농도의 유독가스에 노출되면 무력증으로 사망할 수도 있다.⁽⁵⁾ 본 연구는 지하주차장의 화재발생 시 운전되는 제연용 급기, 배기 메인팬 및 유인팬의 운전에 따라 차이 나는 기류분포에 따라 연기의 유동과 가시도 등을 비교 분석하여 제연을 위한 송풍기의 최적 운전방식을 제안하기 위해 수행하였다.

2. 연구방법

본 연구 대상인 지하주차장은 Fig. 1과 같이 L×W×H는 75.7 m × 93.6 m × 3.6 m로 구성되어 25,507 m³의 체적을 갖고 있다. 지하주차장의 중앙 영역의 상부와 하부에는 차량이 이동하는 램프와 지하주차장의 사용자의 수직이동 통로인 계단실이 위치한 코어가 있다. 이 코어에는 사용자가 대피할 수 있는 5개(E1-E5)의 출입문이 있다. 지하주차장의 환기를 위해 Fig. 1의 하부 좌측과 우측에 SA1과 SA2에서 신선외기를 공급하는 급기용 메인팬이 운전되면 상부의 좌측과 우측에 EA1과 EA2에서 실내공기를 배출하는 배기용 메인팬이 운전된다. 또한 EA1에 인접한 코어에 2개(E6-E7)의 출입문이 있다. 급기용 메인팬에서 공급되는 공기를 효과적으로 배기구로 이송시키기 위해 천정면 부근에 Fig. 1과 같이 27개(S1-S27)의 유인팬을 설치하였다. 본 연구의 목적인 제연설비의 성능을 평가하기 위한 발화지점은 지하주차장의 중앙 영역에 위치한 코어에 인접하게 위치하였다. 화재강도(HRR)는 8.5 MW로 가정하였다.

지하주차장에서 발생된 화재로 인해 형성되는 연소가스를 효과적으로 배출하기 위해 설치된 급기, 배기 메인팬 및 유인팬의 운전조건은 Table 1과 같이 3가지로 구분하였다.

유인팬의 형상은 Table 1과 같으며 길이(LF)는 1,200 mm이고 직경은 450 mm이다. 유인팬의 중앙부에 적용한 210 Pa의 팬 승압력으로 인해 위치에 따라 차이나지만 평균유속이 22 m/s 범위를 유지되고 있다. 본 연구의 대상인 지하주차장에 설치된 제연설비에 의한 제연성능은 발화지점의 상부에서 발생되는 고온의 온도장, 속도장, 농도장 및 화학방정식을 비정상 상태로 해석하여 평가하였다.^(6-7) 여기서는 전산유동해석을 위해 널리 알려진 지배방정식에 대한 설명은 생략한다. 발화지점의 화재강도는 발화 후, 비정상 상태로 연소되므로 Fig. 2와 같이 546 s 후에 8.5 MW의 최대 화재강도를 유지하는 것으로 가정하였다.

연기 입자의 주된 위험은 가시거리다. 이 가시거리는 10 ~ 15 m인 경우, 투과율이 50 ~ 60% 범위를 유지하면 대피자가 출입문을 찾아서 이동하기 쉬운 조건이다. 식(1)의 가시거리는 식(2)의 화재 발생 물질 이동거리당 광학밀도를 이용하여 구하였다.^(8-9)

여기서,

S : 가시거리(m),

C : 조명시스템에 의해 결정되는 상수(3.8)

K : 흡광계수(1/m),

Do : 화재 발생 물질 이동거리당 광학밀도(m²/kg)

여기서, $D_{mass}$ : 질량 광학밀도(휘발류 연소 경우, 381 m³/kg)

$\rho$ : 밀도 (kg/m³),

$Y_{CO}$ : CO의 질량분율, $r_{0}$ : 공연비(3.05)

3. 결과 및 고찰

본 연구는 지하주차장에 설치된 제연시스템은 급기, 배기 메인팬과 유인팬을 조합하여 구성하게 된다. 이러한 메인팬과 유인팬의 운전 여부에 따라 차이나는 제연성능을 평가한 결과는 검토한 결과는 다음과 같다.

Fig. 3은 급기, 배기 메인팬과 유인팬이 모두 운전될 때, 지하주차장에서 형성되는 온도분포를 나타내고 있다.

연소유지시간이 160 s 경과되면 발화지점에서 상승한 고온의 연소생성 물질은 지하주차장으로 신선외기를 공급하는 조건(Case 1, Case 2 및 Case 3)변화에 관계없이 코어 상부에 위치한 배기구(EA2) 방향으로 이동하면서 우측 하부에 위치한 급기구(SA2)방향으로 이동하는 것을 Fig. 3(a) ~ Fig. 5(a)에서 확인할 수 있다. 이는 하부 좌, 우측에 위한 급기구(SA1, SA2)를 통해 유입된 공기가 유동저항이 크게 작용하는 2개의 코어를 통과하여 유동하지 않고 좌측 상부 배기구(EA1)방향으로 주 기류가 유동하되기 때문이다. 지하주차장 전창면 부근의 27개소에서 유인팬이 운전되는 Case 1은 유인팬이 정지된 Case 2, Case 3와 다르게 급기구가 위치한 하부영역의 온도가 현저히 낮게 유지됨을 확인할 수 있다. 이는 유인팬이 급기구(SA1, SA2)로 유입된 외기가 배기구(EA1, EA2) 방향으로 지속적으로 이동할 있는 승압력을 제공하고 있음을 의미한다.

연소유지시간이 160 s 경과되면 발화지점에서 상승한 고온의 연소생성 물질에 의해 유지되는 가시도는 Fig. 6(a) ~ Fig. 8(a)과 같이 지하주차장으로 신선외기를 공급하는 조건(Case 1, Case 2 및 Case 3)변화에 관계없이 코어 상부에 위치한 배기구(EA2) 방향으로 이동하는 과정에서 우측 하부에 위치한 급기구(SA2) 방향으로 이동함으로써 낮아지고 있음을 확인하였다. 또한 연소유지시간이 600 s까지 증가하면 Case 1의 가시거리가 Case 2와 Case 3보다 높게 유지됨을 확인하였다.

이는 천정면 부근 27개소에서 유인팬이 운전됨으로 인해, 하부 좌, 우측에 위한 급기구(SA1, SA2)를 통해 유입된 공기가 상부에 위치한 배기구(EA1, EA2)로 잘 유인되기 때문이다.

Fig. 9는 좌, 우측에 설치된 두 개의 급기구(SA1, SA2)에 인접한 Y= 10 m 지점의 단면에서 제연을 위한 송풍기 운전방식에 따른 평균온도, 평균 가시거리를 나타내고 있다. 유인팬이 급기 및 배기 메인팬과 동시에 운전되는 Case 1은 연소 유지시간이 600 s까지 증가하여도 평균온도가 40℃까지 증가하지만 유인팬이 운전되지 않고 급기 및 배기 메인팬이 선택적으로 운전되는 Case 2와 Case 3에서 100℃까지 증가한다. 이로 인해, 연소 유지시간이 600 s가 되면 Case 1의 가시거리는 50 m를 유지 하지만 Case 2와 Case 3의 가시거리가 12 m까지 현저히 감소하였다.

이는 연소 유지시간이 증가함에 따라 발화지점에서 상승한 고온의 연소생성물질은 유인팬이 운전됨에 따라 대부분이 주 이동방향인 배기구로 이동되기 때문이다.

그러나 연소유지시간이 320 s이고 Case 2와 Case 3인 경우, 평균온도가 유사하지만 평균 가시거리는 큰 차이를 나타내고 있다. 이는 급기 메인팬에 의해 외기를 도입하여 지하주차장 내부를 가압하는 조건이 발화지점에서 상승한 연소생성물질을 넓게 확산시키기 때문이다. 이러한 현상은 Fig. 10의 Case 2와 Case 3과 같이 발화지점에서 천장면으로 상승한 연소 생성물질이 급기구 방향으로 이동되기 때문이다.

본 연구대상이 지하주차장의 중앙코어에 위치한 5개(E1-E5)의 출입문과 좌측 상단의 배기구(EA1) 부근에 위치한 2개(E6, E7)의 출입문 호흡선(Z = 1.8 m)위치에서 화재유지시간이 600 s까지 변화될 때, 평균온도와 평균가시도를 Fig. 11과 Fig. 12에 나타내고 있다. 대피가능한 호흡선의 평균온도는 50℃이다. Case 1은 화재유지시간이 600 s를 경과하여도 E5의 출입구를 제외하고 50℃ 이하를 유지하고 있으며 가시거리를 모든 출입문에서 15 m 이상을 유지하여 600 s까지는 모든 출입구가 대피가능한 것으로 판단된다. Case 2는 화재유지시간이 510 s 경과하면 대부분의 출입구에서 50℃ 이상을 유지하고 Case 3은 화재유지시간이 420 s가 경과하면 대부분의 출입구에서 50℃ 이상 유지되며 출입구의 최대 평균온도는 Case 3에서 100℃까지 상승하는 것을 확인하였다. 이로 인해 Case 2와 Case 3의 가시거리는 출입구의 평균온도가 50℃ 이상 유지되는 영역에서 15 m 이하로 유지되고 있다. 이는 발화지점에서 천정면으로 상승한 연소생성물질이 배기구로 이동하도록 유인팬이 운전되는 Case 1의 조건이 출입구의 호흡선의 평균온도를 낮게 유지하고 가시거리를 높게 유지함을 입증한 것이다.

4. 결 론

본 연구는 지하주차장에서 발생되는 화재로 인해 발생하는 오염물질을 효과적으로 배출하기 위해 설치되는 급기, 배기 메인팬과 유인팬의 운전조건에 따른 제연성능을 평가하기 위해 수행되었으며 그 결과는 다음과 같다.

(1) 급기, 배기 메인팬의 운전과 더불어 유인팬을 운전하는 Case 1은 유인팬을 운전하지 않고 급기 및 배기 메인팬을 운전하는 Case 2와 Case 3보다 발화지점으로 소방관이 이동할 수 있는 공간을 확보하고 지하주차장 사용자가 이용한 7개의 출입문 모두 600 s까지 대피시간을 제공할 수 있음을 확인하였다.

(2) 급기 또는 배기 메인팬만 운전하는 Case 2와 Case 3은 유인팬을 같이 운전하는 Case 1보다 상대적으로 짧은 대피시간을 제공하지만 배기 메인팬만 운전하는 Case 3은 화제유지시간이 320 s 이하인 조건에서 급기 메인팬만 운전하는 Case 2보다 연소 생성물질이 광범위하게 확산되지 않는 것을 확인하였다.

(3) 제연설비에 유인팬을 추가하여 메인 급기 및 배기팬과 동시에 운전하면 출입구 및 외기도입 영역의 평균온도를 현저히 낮게, 가시거리를 현저히 증가하므로 효과적인 제연운전을 위해 유인팬의 설치가 필수적이다.

(4) 복층 지하주차장에 설치되는 제연설비를 구성하는 메인팬의 위치와 유인팬의 설치방식에 따라 차이나는 제연성능은 화재강도 및 발화지점에 따라 큰 차이를 나타내므로 이에 대한 추가적인 연구를 수행할 계획이다.