개구분출열기류를 고려한 파사드면의 열유속 예측에 관한 연구
Prediction of Incident Heat Flux of Facade Considering Opening Jet Plume
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Abstract
본 연구에서는 실규모 수준의 구획 모형을 이용하여 다양한 개구형상에 대해 개구분출열기류 및 분출화염이 발생하도록 화원조건을 설정하여 연소실험을 수행하였다. 그 결과, 화원조건이 증가함에 따라 개구부온도와 입사열유속의 값이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 무차원수QD*-2/3z* 와 입사열유속q’’. 의 관계를 통해 회귀분석 값을 도출하였으며, 도출된 계산식의 값q’’cal와 실험값q’’exp을 비교한 결과 계산 값의 유효성을 확인하였다.
Trans Abstract
In this study, a combustion experiment was performed by setting fire source conditions to generate an opening fire plume and flame for various opening shapes using a large-scale compartment model. It was confirmed that the opening temperature and incident heat flux increased with increasing fire source condition. Regression analysis was performed using the relationship between the dimensionless numbe QD*-2/3z* and the incident heat flux q’’. Comparison of the derived formula with the experimental value confirmed the validity of the results.
1. 서 론
건축물에 요구되는 성능은 다양하며, 단열성을 높이기 위해 외벽에 플라스틱계 재료를 건축자재로 사용하는 경우가 많다. 한편, 건축물의 공간 내 온열환경 등을 개선하거나 디자인, 시공성 등의 면에서 플라스틱계 재료를 주로 금속제 패널로 끼워 넣는 샌드위치 패널을 외장재로 사용하는 사례 등을 주변에서 자주 접할 수 있다. 그러나, 이러한 재료를 사용할 때는 화재안전에 대한 고려가 결여된 경우가 있으며, 화재 시 연소 확대를 유발하는 직접적, 간접적 원인이 되는 사례가 발생하고 있다(1,2). 또한, 최근 환경문제와 관련하여 건축물의 목조화, 목질화를 추진하기 위해 해외에서는 법 개정 등이 추진되고 있으나 외장재에 목질계 재료를 이용할 때 화재안전에 대한 고려가 결여될 경우, 플라스틱계 재료와 마찬가지로 건축자재 자체가 연소 매체가 될 가능성 등이 지적되고 있다(3). 실제로 출화실에서 성기화재 이후, 개구부에서 분출되는 화염∙열기류(이후, 개구분출열기류)가 발생하여 지속적으로 개구부 상부의 외벽이나 개구부 등을 가열하는 경우, 외장재가 연소 매체가 되어 상부층으로 연소될 가능성이 우려된다.
지금까지 개구분출열기류에 대한 연소확대의 위험성 평가는 개구분출열기류의 온도 분포를 지표로써 예측하는 방법이 대부분 이용되어 왔다(4,5). 한편, 건축자재의 착화성에 대해서는 화염 등에서 대상물에 입사하는 열유속으로부터 평가하는 방법이 구축되어 있으며, 입사열유속과 가열되고 있는 시간으로부터 착화 시간을 예측하는 방법 등이 제안되고 있다(6). 더불어, 최근 실험 계측 장비 기술의 발전에 따라 열유속에 관한 정량적인 데이터수집도 축적되어 개구분출열기류로부터의 열유속에 근거한 화재 안전성에 관한 평가 방법의 검토도 이루어지고 있다(7).
본 연구에서는 실규모 수준의 구획 모형을 이용하여 다양한 개구형상에 대해 개구분출열기류 및 화염이 발생하도록 화원조건을 설정하여 연소실험을 수행하였다. 또한, 개구분출열기류가 출화실에서 상부층으로 연소확대하는 성상에 대해서, 개구 상부의 파사드면에 입사되는 열유속에 대한 데이터 수집과 더불어 입사열유속 예측모델을 검토하는 것을 목적으로 하였다.
2. 실험개요
실험장치 및 실험조건 및 방법은 기존연구를 참고하였다(8).
2.1 실험장치
실험장치는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 화재구획실과 파사드를 구성시켰다. 화재구획실의 내부 치수는 폭 2 m × 길이 2 m × 높이 2 m로 설정하였으며, 파사드의 치수는 폭 3 m × 높이 5.5 m로 설정하였다. 사용재료로써, 화재구획실의 주벽은 ALC판넬(두께: 50 mm)을 이용하고, 주벽면 화재구획실 내측에 세라믹화이버(두께: 25 mm)를 부착시켰으며, 파사드는 규산칼슘판(두께: 25 mm)을 구성하는 파사드 가열면측에 세라믹화이버(두께: 50 mm)를 부착시켰다.
Schematic diagram of experimental apparatus [Unit: mm].
화재실에 개구부 1개소를 설치하였으며, 개구상단에서 화재실 천정면의 높이가 0.5 m 위치에 설정하였다.
화원설정에 대하여, 가연물은 기체연료인 도시가스를 사용하였으며, 라인버너(폭 0.3 m × 길이 1.8 m × 높이 0.3 m)를 이용하여 화재실 바닥면의 중앙에 설치하였다. 또한 가스유량계를 이용하여 가스를 공급하였다.
2.2 측정항목
2.2.1 화원의 열방출율
데이터로거(MX100)로 계측된 가스공급량에 대하여 화재구획실 내부에서 가스가 완전 연소하는 것을 가정하여 화원의 열방출율을 산출하였다.
2.2.2 개구부온도
Figure 1(a)에 나타낸 바와 같이, 개구상단에서 하부방향으로 200 mm 간격으로 K-type 시스열전대(φ 3.2 mm)를 설치하여 개구부 온도를 측정하였다.
2.2.3 입사열유속
Figure 1(a)에 나타낸 바와 같이, 개구상단에서 0.6 m, 1.6 m, 2 m에 전열열유속계를 설치하여, 파사드면으로 입사되는 열유속을 측정하였다.
2.3 실험조건 및 방법
Table 1에 나타낸 바와 같이, 개구조건은 개구형상을 고려하여 장방형 종장형, 횡장형, 정방형의 개구아스펙트비(n=2W/H)가 1~6의 범위로 6조건을 설정하였다. 또한, 화원조건은 화원 열방출율 HRR을 HC1~HC6의 6조건으로 설정하였다. 여기서 HC1의Qvcrit은 식(1)(9)에 나타낸 바와 같이 분출화염의 발생한계 열량이다. 여기서, AT는 화재실 주벽면적 m2, A는 개구면적 m2, H는 개구높이 m이다.
Experimental Condition
한편, 연소실험은 개구상부를 고정하여 개구부을 변화시켜 Table 1에 기술한 화원 열방출율을 설정하여 HC1에서 HC6까지 5 min 간격으로 단계적으로 가스공급량을 증가시켰다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 개구부 온도
Figure 2에 가로축에 화원조건을 두고, 세로축에 중성대부터 개구부상단까지의 평균 상승온도∆To =To- T∞ (K) 의 관계를 나타내었다. 여기서, To는 중성대부터 개구부상단까지의 평균온도 K, T∞는 초기온도 K, ∆To은 HRR을 증가시키기 전 20 s 간의 평균값이다. 또한, 범례 옆에는 육안으로 확인된 분출화염의 발생시간을 나타내었다.
Relationship between ∆To and fire source conditions.
Figure 2의 결과에 의해, HC1~HC3의 실험조건에서는 화원조건이 증가함에 따라 개구부 온도∆To도 급격히 상승하는 것을 알 수 있었다. 한편, 본 실험의 화원조건 HC4~HC6의 범위에서는 전체의 실험조건에서 육안으로 개구분출화염이 확인되었으며, 분출화염이 발생한 이후에 현저한 온도차이가 없는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유는 화재실내에서 환기지배형화재로 변화된 이후 준정상상태를 유지하며 화재실 외부에서 연소반응이 진행됨에 따라 가스공급량을 증가시켜도 화재실 내부에서 연소반응이 진행하지 않았다고 사료된다.
3.2 입사열유속
Figures 3(a)~3(f)는 파사드에 설치한 열유속계에서 측정된 입사열유속 값q’’와 개구부 중성대부터 상부로의 높이z+(H-Zn)의 값을 나타내었다. 여기서,z는 개구상단에서부터 수직방향으로의 높이 m, H는 개구높이 m, Zn는 중성대높이 m이다.
Relationship between q’’ and z + (H － Zn).
Figures 3(a)~3(f)의 결과에 의해, 전체의 실험조건에서 화원조건이 증가함에 따라 입사열유속q’’값도 증가하는 것을 알 수 있었으며, 개구상단에 가까울수록 입사열유속q’’값이 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한, 분출화염이 발생한 이후에 입사열유속 값이 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다.
한편, 입사열유속의 최대값은 case1의 경우 약 42 kW/m2, Case2의 경우 약 118 kW/m2, Case3의 경우 약 112 kW/m2, Case4의 경우 약 73 kW/m2, Case5의 경우 약 37 kW/m2, Case6의 경우 약 34 kW/m2,으로 나타났다. 여기서, 정방형 및 장방형의 종장형 개구조건인 Case1~Case3에 대해서 입사열유속의 최대값을 비교하면, Case2, Case3, Case1의 순서대로 높은 값이 나타났다. 또한, 장방형의 횡장형 개구조건인 Case4~Case6에 대해서 입사열유속의 최대값을 비교하면, Case4, Case5, Case6의 순서대로 높은 값이 나타났다. 이러한 결과에 대해서 고찰하면, 개구인자 AH1/2가 높은 순서대로 입사열유속의 값이 높게 나타나는 경향이 보여졌다.
4. 파사드면의 입사열유속 예측 모델
4.1 미연소가스를 고려한 파사드면의 입사 열유속 예측모델 정립
본 연구에서는 자유공간에서의 화염성상을 적용하여 파사드면의 입사열유속 예측 모델을 제안하고자 한다. 개구부에서 분출되는 열기류의 화원형상은 크게 점화원(또는 원형)과 선화원으로 분류(10)하여, 개구아스펙트비n<4의 경우 점화원으로 설정하고, 4≤n의 경우 선화원으로 설정하였다(11). 이러한 화원형상을 기반으로 점화원과 선화원을 고려한 개구분출열기류의 열방출율은 식(2)으로 나타낼 수 있으며, 구획내부에서 발생한 미연소가스를 고려한 개구분출열기류의 열방출율은 식(3)로 나타낼 수 있다. 또한, 상기 식(3)의 개구분출열기류의 열방출율을 froude 수(12)에 적용하면 식(4)와 같이 도출된다. 여기서, Qef는 미연소가스를 고려한 개구분출열기류의 열방출율 kW, Qc는 화원 열방출율 kW, cp는 비열 kJ/kgK, ρ∞는 초기밀도 kg/m3, g는 중력가속도 m/s2, AT는 화재실의 주벽면적 m2이다.
또한, 화원의 폭과 중성대부터 상부로의 높이에 대한 관계의 무차원수zb*를 다음 식(5)로 나타낼 수 있다.
4.2 무차원수QD*-2/3Z* 와 입사열유속q’’의 관계
Figure 4에 무차원수QD*-2/3Z*와 입사열유속q’’의 관계를 나타내었다. 여기서, 세로축의 입사열유속q’’의 값은 Figure 3에 나타낸 값을 이용하였으며, 가로축의 무차원수QD*-2/3 z*는 식(4)와 식(5)를 이용하였다.
Relation of q’’ and QD*-2/3Z*.
Figure 4의 결과에 의해, 개구 아스펙트비n을 4로 기준하여 플롯된 값이 나뉘어지는 경향이 나타났다. 이러한 결과에 대해서 입사열유속의 값이 급격히 증가하는 구간과 완만해지는 2개의 영역으로 나누어 회귀분석을 수행하면, 개구조건 n < 4 (Case1~Case3)의 경우, x를 1 (빨간점선)로 기준하여x < 1의 영역은 y = 8.36x-2.55와, 1 ≤ x 의 영역은 y = 9.38x-1.39가 도출되고, 개구조건4 ≤ n (Case4~Case6)의 경우, x를 4(파란점선)로 기준하여x < 4의 영역은 y = 101.51x-1.61와, 4 ≤ x의 영역은 y = 31.88x-0.79으로 회귀분석 값이 도출되었다.
한편, 입사열유속의 값이 일정구간부터 나뉘어지는 현상은 개구부로부터 분출되는 화염이 도달하는 구간의 경우 대류열과 복사열에 의존하며, 분출되는 화염이 도달하지 않는 구간은 대류열의 열기류에 의존하기 때문에 이러한 경향이 나타났다고 사료된다.
4.3 파사드면 입사열유속 예측모델의 검증
Figure 5에 파사드면 입사열유속의 실험값qexp’’와 4.2절에서 도출한 파사드면 입사열유속 예측모델의 계산값qcal’’의 관계를 나타내었다.
Relation of qcal’’ and qexp’’.
Figure 5에 나타난 바와 같이, 0 kW/m2~10 kW/m2의 구간에서는 실험값qexp’’ 과 계산값qcal’’ 이 거의 일치하는 결과가 나타났다. 반면, 10 kW/m2 이후의 구간에서는 실험값보다 계산값이 대부분 다소 높게 플롯되는 경향이 보여졌다. 이에 따라, 전체 실험조건의 실험값qexp’’ 과 계산값qcal’’ 을 비교한 결과, 전반적으로 안전측에 플롯되는 것을 확인할 수 있으며, 계산 값의 유효성을 확인 할 수 있었다.
5. 결 론
본 연구에서는 실규모 수준의 구획 모형을 이용하여 다양한 개구형상에 대해 개구분출열기류 및 화염이 발생하도록 화원조건을 설정하여 연소실험을 수행하였다. 또한, 개구분출열기류가 출화실에서 상부층으로 연소확대하는 성상에 대해서, 개구 상부의 파사드면에 입사되는 열유속에 대한 데이터 수집과 더불어 입사열유속 예측모델을 검토하는 것을 목적으로 하였으며, 본 실험조건의 범위에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
1) 개구부 온도
화원조건 HC1~HC3에서는 화원조건이 증가함에 따라 개구부 온도∆To 도 급격히 상승하는 것을 알 수 있었다. 한편, 화원조건 HC4~HC6의 범위에서는 전체의 실험조건에서 육안으로 개구분출화염이 확인되었으며, 분출화염이 발생한 이후에 현저한 온도차이가 없는 것을 알 수 있었다.
2) 입사열유속
전체의 실험조건에서 화원조건이 증가함에 따라 입사열유속 q’’ 값도 증가하는 것을 알 수 있었으며, 개구상단에 가까울수록 입사열유속q’’값이 높아지는 것을 알 수 있었다. 또한, 정방형 및 장방형의 종장형 개구조건 Case1~Case3과 장방형의 횡장형 개구조건 Case4~Case6를 분류하여 입사열유속을 고찰하면 개구인자 AH1/2가 높은 순서대로 입사열유속의 값이 높게 나타나는 경향이 보여졌다.
3) 파사드면의 입사열유속 예측 모델
무차원수QD*-2/3 z*와 입사열유속q’’ 의 관계를 통하여, 개구조건n < 4 (Case1~Case3)의 경우, x를 1 (빨간점선)로 기준하여x < 1 의 영역은 y = 8.36x-2.55와, 1 ≤ x 의 영역은 y = 9.38x-1.39가 도출되고, 개구조건4 ≤ n (Case4~Case6)의 경우, x를 4 (파란점선)로 기준하여x < 4 의 영역은 y = 101.51x-1.61와, 4 ≤ x 의 영역은 y = 31.88x-0.79으로 회귀분석 값을 도출하였으며, 실험값qexp’’ 과 계산값qcall’’ 을 검증한 결과 계산 값의 유효성을 확인하였다.