기호설명

1. 서 론

전 세계적으로 전기자동차가 급속도로 보급되면서 국내에서도 2023년 3월 누적 422,383대의 전기자동차가 전국에서 운행하고 있으며, 2022년 대비 약 16%의 증가된 숫자이다.⁽¹⁾ 우리나라는 제3차 에너지기본계획에 따라 2025년 113만 대, 2030년 300만 대를 보급할 계획을 가지고 있어 전기자동차의 수는 급격히 늘어날 전망이다. 또한 2022년 1월부터는 100세대 이상의 아파트에도 전기자동차 전용주차 구역과 충전시설의 설치 의무기준이 확대되었다.

이러한 전기자동차 충전시설의 확대는 기후위기 대응을 위한 탄소중립·녹색성장 기본법에 따라 바람직한 방향이라고 판단할 수 있으나 최근 지하주차장에서의 전기차의 차량 화재가 증가함에 따라 전기차 화재에 대한 안전이 대두되며, 이에 대한 우려의 목소리가 나오고 있어 체계적인 검토가 필요한 실정이다.

전기자동차의 증가에 따라 관련 화재도 2020년 11건, 2021년 24건, 2022년 44건, 2023년 상반기 42건의 관련 화재가 발생하여 매년 두 배에 가까운 증가율을 보이고 있으며, 인명 피해도 증가하고 있다. 이러한 전기자동차 화재의 발생요인은 미상인 경우가 가장 많고 전기적 문제와 부주의 순으로 나타났으며, 화재 발생장소의 빈도수는 일반도로 주차장 순으로 나타났다.⁽²⁾

주차장에서 일어난 화재의 경우 실외보다 실내, 특히 지하주차장에서의 전기자동차 화재는 무창층이라는 구조적인 불리함에 더하여 리튬전지가 타면서 발생하는 유독가스로 인하여 위험도가 한층 높다고 할 것이다. 그러나 국내의 경우 지하주차장법 시행규칙 개정령 제6조 7항에서 차량이 가장 빈번한 시각의 전후 8시간 동안 일산화탄소 농도를 50PPM 이하로 유지하는 환기조건만 유지하도록 하고 있어, 기존 건물의 지하주차장에서 전기자동차 화재시 발생하는 유독가스의 제연성능에 관한 연구가 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 현재 설계 및 시공이 완료된 지하주차장을 대상으로 실물 전기자동차 화재 실험에 대한 문헌조사를 바탕으로 전기자동차 화재 시뮬레이션 모델을 구축하고 제연성능과 위험도를 분석하고자 한다.

2. 연구방법

중대규모의 지하주차장을 모사하기 위하여 기존 사용하고 있는 건축물을 대상으로 선정하고, 설계도를 기반으로 시뮬레이션 모델을 구축하도록 하였다. 화재시뮬레이션 프로그램은 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 개발된 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 기반으로 이루어졌으며, 건축구조의 경우 시뮬레이션을 위하여 단순화하고 벽, 기둥, 보와 같은 주요구조부 등이 설계와 동일하게 적용될 수 있도록 하였다. 환기를 위하여 설치된 급기, 배기, 유인팬을 포함한 공조 부분은 제연설비로 운영되기 때문에 최대한 설계와 동일하게 모델을 구축하고 운전될 수 있도록 하여 충분히 화재 상황을 모사할 수 있도록 하였다. 가장 중요한 전기자동차의 화재 성상과 생성물질의 경우는 국내외에서 수행한 실물화재 실험을 바탕으로 실물 화재를 재현할 수 있도록 하였다. 또한 스프링클러의 동작에 의해 전기자동차의 화재의 성상이 변하는 두 가지 시나리오를 구성하여 각 시나리오 별로 제연성능과 위험도를 분석하도록 하였다.

3. 시뮬레이션의 구성

3.1 전기자동차 화재

3.1.1 열방출률

전기자동차와 가솔린 자동차 화재 시 가장 큰 차이점은 연료이고 각각의 연료가 화재에 어떻게 반응하는가에 따라 화재의 양상이 다르게 나타난다. 일반적인 자동차의 화재는 각종 원인에 따라 내외부 도장이나 장치된 플라스틱 계열의 인화물질이 타기 시작하여 가솔린이 타는 시점에 절정기에 도달했다가 서서히 쇠퇴한다. 전기자동차의 경우는 열적, 물리적, 전기적인 원인에 의해 발생되어 배터리의 열폭주 발생으로 배터리 폭발과 함께 절정기에 도달했다가 서서히 쇠퇴한다. Fig. 1은 Willstrand et al.⁽³⁾의 실물화재 실험연구 결과로 ICEV A는 A사의 벤 크기의 가솔린 자동차, BEV A는 벤 크기의 전기자동차, BEV B는 B사의 소형자동차에 대한 실물화재 시 발생되는 열방출률(HRR; Heat Release Rate)을 측정하여 나타낸 것이다. 결과와 같이 가솔린 자동차의 경우는 화재가 확산됨에 따라 연료가 발화해서 타는 시점에서 빠르게 성장하여 약 5.5 MW 정도에서 정점에 도달하였다가 약 70분에 걸쳐 줄어들게 되고, 전기자동차의 경우는 상대적으로 완만하게 진행되어 리튬전지가 열폭주를 일으키는 시점인 25분에 정점에 이르렀다가 약 60분에 걸쳐 줄어들게 된다.

위의 실험결과와 같은 열방출률을 나타내는 모델을 구축하기 위하여 국내서 Kang et al.⁽⁴⁾이 2014년 수행한 차량 종류별 연소특성 연구로부터 일반승용차 크기인 Mid-size car (W×D×H) 4,700×1,770×1,405 [mm]의 외형을 가진 차량의 화재시 열방출률이 Fig. 1의 벤(BEV A, B)과 소형차(ICEV A)의 중간값과 유사한 약 6.25 MW의 화재가 25분에 정점에 다다르고 55분까지 서서히 감소하여 완전히 연소하도록 모델링 하여 이에 대한 결과를 Fig. 3에서 확인하였다. Willstrand et al.⁽³⁾의 실험은 열적인 원인에 의해 화재를 발생시킨 것으로 물리적 또는 전기적 원인에 의한 화재에 대하여서는 우선 실물 실험을 수행하여야 할 것이라 판단되며, 본 논문의 범위 또한 초과하는 면이 있어 본 논문에서는 열적인 원인에 의한 화재에 한하여 시뮬레이션을 수행하였다.

Fig. 1 Heat release rate (oxygen consumption calorimetry) for the three vehicles.

3.1.2 전기차 화재의 소화

지하 주차장에 설치되는 소화설비는 스프링클러로 기존의 설계도를 참조하여 설치된 동일한 상황을 모사하도록 하였다. 물을 사용한 화재 소화 시 열방출률은 다음의 식(1)로 나타낼 수 있다.⁽⁵⁾

(1)

$q(t)=q_{0}(t)e^{-\int k(t)dt}$

여기서, $q_{0}(t)$는 주수가 없는 상황의 열방출률 (kW/㎡)이고, $k(t)$는 주수하는 경우의 선형함수로 수량을 $m_{w}(t)$ (kg/㎡)이라 하면 다음의 식(2)로 나타낼 수 있다.⁽⁵⁾

(2)

$k(t)=\alpha m_{w}(t)$

여기서, $\alpha$는 소화계수(kg/㎡s)로 열방출률 곡선의 감소를 결정하는 주요 변수로서 반드시 실험을 통해서 얻어야 한다. 본 논문에서는 Partanen and Heinisuo⁽⁶⁾의 연구에서 사용한 일반자동차의 계수인 0.61을 적용하여 자동차의 외부가 타는 동안 스프링클러에 의하여 소화될 수 있도록 하고, 배터리의 경우는 스프링클러로는 소화되지 않는 것으로 하였으며, 다음 Table 1에 시뮬레이션에 사용된 스프링클러의 파라미터를 나타내었다.

전기자동차를 화재를 소화하기 위하여 다양한 방법이 시도되고 있지만 이는 소방관이 현장에 도착하거나 미리 준비되어야 하는 경우이며, 실제 건물에 설치되어있는 소화 장치인 스프링클러만 사용하는 환경에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 전기차 화재의 다양한 방법의 소화 또한 우선 소화계수의 도출을 위한 실물 실험을 수행하여야 할 것으로 판단되며, 현재 국내의 실제 상황에서 상대적으로 악조건 상황을 시나리오로 구성하여 상호 비교할 수 있도록 추가적인 소화나 설비 등은 없다고 가정하였다.

Table 1 Sprinkler parameters

Sprinkler Parameter	Value
Flow rate	80 LPM
Velocity	5 m/s
Angles	75°
Activation temperature	72℃

3.1.3 화재 발생 가스

전기자동차의 경우는 LIB의 연소에 따라 200℃~230℃에서 다음 식(3)~(5)의 과정의 화학반응을 하게 되며 이때 발생하는 HF(Hydrogen Fluoride)가 유독성 가스이다.

(3)

LiPF₆ → LiF + PF₅

(4)

PF₅ + H₂O → POF₃ + 2HF

(5)

LiPF₆ + H₂O → LiF + PF₅ + 2HF

플루오린화 수소(HF)는 각막을 빠르게 파괴하고 호흡하게 되면 불규칙한 심장 박동이나 폐에 액체가 축적되어 질식으로 사망할 수 있다.⁽⁷⁾ 생명이나 건강에 즉각적으로 위험한 농도 IDLH(Immediately Dangerus to Life or Health Concentrations)는 30 ppm이며, 비상노출한계 EELs(Emergency Exposure Limits)는 20 ppm에서 10분, 10 ppm에서 30분, 8 ppm에서 60분이다.⁽⁸⁾ 독성가스 이외에도 자동차의 구성품들이 타면서 발생하는 가스의 성분은 Willstrand et al.⁽³⁾의 실물화재 실험연구 결과 얻어진 결과와 본 연구에 적용한 발생량을 Table 2에 나타내었다. 본 연구에서는 자동차의 크기가 실증실험 결과의 두 종류 자동차의 중간크기로 발생량을 평균하여 적용하도록 하였다.

Table 2 Gas compounds measured from experiment⁽³⁾ and simulation input

GAS	Measured [mg/lost g]			Simulation Input [mg/lost g]
	ICEV	BEV A	BEV B	E_car
CO	25.5	31.5	23.8	27.65
THC	9.4	12.7	6.9	9.8
HF	0.04	2.3	2.1	2.2
HCl	4.4	6.4	4.5	5.45
HBr	0.1	0.5	0.2	0.35
HCN	-	-	0.4	0.2
SO2	1.9	2.3	1.6	1.95
NO	1.8	1.5	1.5	1.5
NO2	0.2	0.1	0.2	0.15
PAH	0.4	0.1	0.8	0.45

3.2 주차장 구조

지하주차장은 건축면적이 2,982 m²인 현재 사용하는 중대규모라고 판단되는 건물을 대상으로 하였다. 대상 건물의 개요를 Table 3에 나타내었으며, 구성된 평면을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 Parking area diagram for simulation.

Table 3 Architectural Parameters

Sprinkler Parameter	Value
Building Area	2,982 ㎡
Floor Height	3.6 m
Beams Height	0.55 m
Building Scale	B4, 16F
Target Parking Area	B3
Building Structure	RC

3.2.1 환기설비

지하주차장의 경우 제연에 관한 법적인 규정은 따로 없다. 다만, 건축물설비기준규칙에 의하면 연면적 2천제곱미터 이상인 주차장법 제2조 제1호에 따른 주차장의 경우 27 ㎥/인․h의 환기량을 만족하는 자연환기설비 또는 기계환기설비를 설치해야 한다. 또 주차장법 시행규칙 제6조에 의하면 노외주차장 내부 공간의 일산화탄소 농도는 주차장을 이용하는 차량이 가장 빈번한 시각의 앞뒤 8시간의 평균치가 50 ppm 이하 (다중이용시설 등의 실내공기질관리법에 따른 실내주차장은 25 ppm 이하)로 유지하도록 하고 있으며, 공조설비를 제연설비로 사용할 수 있도록 하고 있다. 대상 지하주차장 또한 CO 센서를 통해 일산화탄소 50 ppm 기준으로 공조시스템을 가동하도록 자동제어하고 있다. 두 개의 급기팬과 두 개의 배기팬을 각각의 팬룸에 배치하고 그릴을 통하여 급배기를 하는 동시에 설치된 유인팬을 통하여 주차장 내부의 기류를 형성하여 환기하는 구조로 되어있다. 따라서, 공조시스템을 이용한 제연을 위하여 층간 이동이 가능한 출입구 부근에 설치된 각종 센서 위치에서 높이 3.0 m에 설치된 연감지기가 작동하면 공기조화 시스템을 작동할 수 있는 형태로 시뮬레이션을 구성하였다. 이러한 공조시스템의 개요를 Table 4에 나타내었다.

Table 4 HVAC Parameters

HVAC Parameter	Value
Air Supply	80,000 ㎥/h
Supply Installation Height	B.O.E 0.5 m (2 m × 2.5 m)
Air Exhaust	80,000 ㎥/h
Exhaust Installation Height	B.O.E 1.1 m (2 m × 2.5 m)
Induction Fan	3,900 ㎥/h (20 EA)
Fan Installation Height	2.85 m
Fan Activation	Smoke Detector
Sensor Installation Height	1 m, 1.5 m, 2.0 m, 3.0 m

4. 시뮬레이션 결과

앞서 언급하였던 것과 같이 시뮬레이션의 구성이 정상적으로 구축되어 있는지를 확인하기 위하여 우선 전기차 화재 시 열방출률을 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3 Result of heat release rate.

결과에서 보이는 바와 같이 시나리오 A와 C의 결과는 약 1,500초에 배터리의 열폭주가 일어나 약 1,700초에 정점에 다다랐다가 점점 감소하는 것으로 나타났으며, 스프링클러가 동작하는 시나리오 B와 D는 약 350초경에 스프링클러의 동작에 의해 화재가 급격하게 제어되기 시작하여 배터리가 열폭주를 일으키는 1,500초까지 약 5.5 MW 정도의 열방출량이 감소하는 것으로 나타났으며, 약 1,500초 이후에도 배터리 화재로 인하여 화재가 진화되지 않고 유지되다가 약 2,600초 이후에는 오히려 배터리화재가 자동차의 잔여물을 태우면서 열방출량이 서서히 올라 4,800초까지도 진화되지 않는 것으로 나타났다. 시나리오 A의 결과는 Fig. 1의 실물실험 결과를 적절히 모사하는 것으로 판단되며, 시나리오 B와 D의 결과 또한 유사한 화재성상을 모사하는 것으로 판단된다.

구축된 지하주차장의 공조설비의 정상작동을 확인하기 위하여 시나리오 D의 시간별 풍속 결과를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4 Result of Air Velocity in Scenario D.

Fig. 4 (a)의 결과는 SD(Smoke Detector)의 동작에 의해 공조장치가 동작을 시작하는 시점으로 급기와 배기, 유인팬이 정상적으로 동작을 시작하는 것을 알 수 있다. (b)의 결과는 충분히 기류가 형성되었다고 판단되는 300초의 결과이다. 각각의 공조장치가 동작하여 전체적으로 기류가 적절히 발달하는 것으로 나타났다. 특히 유인팬의 경우 설계 조건인 30 m 도달거리에서 풍속 0.5 m/s를 만족하는 것으로 나타나 환기설계가 적절히 이루어졌다는 것을 알 수 있다.

다음 Fig. 5에는 공조장치의 동작 및 스프링클러의 동작 따른 평면적인 연기의 확산을 확인하기 위하여 시간별 각 시나리오의 연기분포를 나타내었다.

Fig. 5 Result of Smoke distribution.

결과는 시나리오 A와 B, C와 D가 동일한 연기분포를 보이는 것으로 나타났다. 이는 스프링클러의 가동과 상관없이 공조장치가 연기유동의 주요 원인으로 공조장치가 가동되면 상대적으로 넓은 면적으로 빠르게 유동하는 것을 알 수 있다. Fig. 5의 평면적인 연기의 유동을 확인하였다면 수직면의 연기유동을 확인하기 위하여 다음 Fig. 6에 각 센서포인트의 높이 1.5 m에서 가시도 결과를 나타내었다. 결과는 Fig. 5와 동일하게 시나리오 A와 B, C와 D가 동일한 가시도를 보이는 것으로 나타났다. 이는 연기확산이 공조설비의 가동이 주요변수라는 것을 나타내는 결과이다. 그러나 앞서 언급한 것과 같이 환기를 위하여 설계된 장치가 제연에는 제대로된 역할을 못할 뿐만 아니라 오히려 연기확산을 촉진하는 결과를 보였다. 결과들에서 900초 정도면 이미 가시도가 0에 가깝게 떨어지며, 가장 가까운 point 6의 경우 약 100초, 중앙부인 point 1의 경우는 200초에서 300초 사이, 가장 먼 곳인 point 4의 경우도 약 500초에서 약 600초 사이에서 가시도가 0에 가깝게 떨어지게 된다. 따라서 가장 먼 대피로도 화재 발생 후 10분이 초과되면서 대피할 수 있는 출입구가 연기로 차단된다는 것을 알 수 있다. 결과들은 환기를 위하여 설계 및 설치된 공조환기 설비가 오히려 연기를 확산하고 피난시간의 확보를 방해하는 것을 알 수 있으며, 이는 대상 지하 주차장의 경우 차량화재에 따른 제연을 간과한 결과라 할 수 있다.

Fig. 6 Result of visibility.

Fig. 7 Result of HF gas concentration.

Fig. 7에 각 센서포인트의 높이 1.5 m에서 독성가스인 HF가스의 분포를 ppm으로 나타내었다. 결과에서 보는 것과 같이 모든 경우 생명이나 건강에 즉각적으로 위험한 농도(IDLH)인 30 ppm을 초과하여 나타나는 장소가 발생하는 것을 알 수 있다. 측정 포인트 2번부터 6번까지가 모두 출입구 주변인 것을 감안하였을 때 매우 우려스러운 결과를 얻을 수 있었다. 이로써 미루어 볼 때 앞선 결과에서 열폭주가 일어나는 1,500초 이전에 이미 모든 출입구가 연기에 뒤덮이기 때문에 화재발생 후 10분 이내에 피난을 하여야 함을 알 수 있었다. 재실자는 10분 이내에 대피하였다는 가정하에 소화활동을 위하여 화재현장에 진입해야하는 소방관의 경우는 필수적으로 호흡보조장비를 착용하여야 할 것으로 판단된다. 또한 전기자동차의 화재의 경우 열폭주를 인지하기 어렵다는 점과 화염을 인지하는 순간까지 화재발생 시점에서 얼마나 시간이 경과되었는지 모른다는 점에서 일반인의 적극적인 화재 진압은 자제하여야 할 것으로 판단된다. 시나리오 A의 경우는 화재발생 장소인 point 5에서 2,731초에 84.3 ppm으로 최고치를 나타내었다. point 3에서는 매우 불안정한 농도변화를 보이는데 이는 건축구조가 움푹 들어간 장소에 출입구가 있는 형태를 가지고 있기 때문으로 판단된다. point 2에서도 2,731초에 80.6 ppm으로 주차장 중앙부인 point 1부터 3까지 상대적으로 높은 농도를 나타내고 있다. 배터리가 열폭주를 일으키는 1,500초 이후 약 2,000초 정도에 모든 위치에서 30 ppm을 초과하기 시작함을 알 수 있으며, 따라서 배터리가 열폭주를 일으키는 시점으로부터 7분에서 8분 사이에 화재현장에서 연기에 노출될 경우 치명적인 신체 손상을 입을 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다.

스프링클러만 동작하는 시나리오 B의 경우는 최대 78.7 ppm로 스프링클러만 동작하여도 HF의 최대농도 5.6 ppm의 피크 컷을 얻을 수 있게 됨을 알 수 있었다. 또한 화재 제어에 따라 HF의 발생을 늦추게 되어 피크시간이 약 1,000초 정도 지연시켜 그래프 전체가 완만하게 발달하는 것을 알 수 있다. 그러나 화재가 완전히 진압되지 않기 때문에 피크는 줄어들지만 발생 시간은 증가하는 형태로 4,800초 이후에나 시나리오 A의 약 3,500초 정도에서 나타나는 감소 동특성이 일어날 수 있을 것으로 판단된다.

시나리오 C의 경우에도 공조환기 설비만 동작하는 경우로 2,740초에 피크값인 75 ppm을 보이고 상대적으로 빠르게 배기된다. 이는 공조환기가 환기장치로서는 역할을 할 수 있으나 제연설비로서는 부족하다는 것을 나타내는 결과라 할 수 있다.

시나리오 D의 경우는 공기조화와 스프링클러가 동시에 동작하여 시나리오 B의 경우와 동일하게 피크는 줄이지만 발생 시간은 증가하는 형태로 3,500초 정도까지 완만하게 증가하고 4,000초 이후에 농도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 또한 point 4의 경우는 30 ppm 정도가 피크이고, point 5의 경우는 전 구간 30 ppm 이하로 유지되어 스프링클러는 전기자동차 화재제어에 효과가 있으며 환기장치 또한 독성가스 제거에 효과가 있는 것으로 나타났다.

5. 결 론

본 연구에서는 중대형 지하주차장에서 전기자동차 화재가 발생하였을 경우 기존의 설계 및 시공된 설비들의 동작에 따른 시나리오를 설정하고 그에 따른 화재의 성상과 연기의 분포, 독성가스의 발생과 분포를 시뮬레이션을 통하여 결과를 도출하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 스프링클러와 환기장치가 동시에 동작하는 시나리오 D의 경우 독성가스의 피크는 줄이지만 발생 시간은 증가하는 형태로 point 5의 경우는 전구간 30 ppm 이하로 유지되어 스프링클러는 전기자동차 화재제어에 효과가 있으며 환기장치 또한 독성가스 제거에 효과가 있는 것으로 나타났다.

(2) 시나리오 A와 B, C와 D가 동일한 가시도를 보여 연기확산은 공조설비의 가동이 주요 변수로 나타났다.

(3) 결과들에서 화재발생 시에 1.5 m의 높이에서 전체적으로 900초 정도면 이미 가시도가 0에 가깝게 떨어지며, 가장 가까운 point 6의 경우 약 100초, 중앙부인 point 1의 경우는 200초에서 300초, 가장 먼 곳인 point 4의 경우도 약 500초에서 약 600초 사이에서 가시도가 0에 가깝게 떨어지게 되어 본 연구의 대상인 주차장은 효과적으로 연기를 제거할 수 없는 것으로 나타났다.

본 연구의 결과로부터 환기설비를 제연설비로 동시에 운영하게 되면 주차장 내부에 독성가스의 농도가 치명적인 수준보다 2배 이상 나타난다. 이는 환기설비가 일산화탄소를 50 ppm 이하로 유지하면 되기 때문에 환기 장치로서는 역할을 할 수 있지만 전기자동차의 화재 시 제연이나 독성가스의 배출에는 부족하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 우선적으로 주차장의 환기 혹은 제연설비에 관하여 환기량, 유인유닛의 배치를 통한 기류형성, 유인유닛의 설치 각도, 급배기구의 위치 등으로 전기자동차의 화재 시 발생하는 독성가스와 연기를 제어할 수 있는 수치를 해석하여 개선방안을 마련하는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 독성가스에 의한 인명 손실이 가능하다는 결과는 기존 제연설비의 제외 대상이 아닌 적극적인 제연 및 독성가스 제거 대상이라는 인식이 필요하며 이에 관련된 법규 등을 조속히 만들어 관리가 필요한 현실이다.