2.1 수치해석방법

본 연구에서는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 CFAST 7.5.2 solver를 사용하였다. CFAST는 두 구역의 화재 존을 모델로 사용하여 수치계산을 수행한다. 즉, 건물을 두 개의 구역으로 나누고 각 구역의 연기, 화재 가스 및 온도를 계산한다. CFAST는 이러한 매개변수의 시간에 따른 분포를 계산하여 화재가 건물 내에서 어떻게 확산되고 발전하는지 시뮬레이션한다. 질량과 에너지 보존법칙을 적용한 “존모델” 수치계산은 빠른 화재분석이 가능하도록 한다. CFAST에서는 식(1)에서 식(6)을 통해 압력, 경계층 체적, 경계층 온도, 열유동, 열확산을 계산한다(10,11).

여기서 P는 압력, t는 시간(초), γ는 일정 압력에서의 공기 열용량비율, V는 구획의 총 부피, h˙L는 구획 하부층의 엔탈피 증가비율, h˙V는 구획 상부층의 엔탈피 증가비율, V_U는 구획 내 상부층의 총 부피, T_U는 구획 내 상부층의 기체온도, c_p는 일정 압력에서 공기의 열용량, ρ_U는 구획 내 상부층의 밀도, m˙U는 구획 내 상부층의 유량, T_L는 구획 내 하부층의 기체온도, ρ_L는 구획 내 하부층의 밀도, V_L는 구획 내 하부층의 총 부피, m˙L는 구획 내 하부층의 유량, q는 열유속, k는 열전도계수, T는 온도, t는 시간, α는 열확산률을 의미한다.

2.2 모델링

본 연구에서는 실제 화재 상황을 가정하여 시뮬레이션을 설계하였다, 해석된 공간은 Figure 1과 같다. Figure 2에는 해석 공간의 실제 수치를 나타내며, 바이러스실(virus room), 세균실(germ room), 냉동고실(freezer room) 및 조직전처리실(tissue preparation room)의 크기는 4.8 m × 3 m × 2.7 m이고 내부복도(interior corridor)의 크기는 2 m × 12 m × 2.7 m이다. 4개의 방에 1 m × 1.2 m의 문이 있으며, 문 개방은 시뮬레이션 조건에 따라 순차적으로 수행되었다. 천장에 총 6개의 급기창과 6개의 배기창이 설치되었고, 급기량, 배기량 및 위치는 Table 1과 같다.

Figure 1

Floor plan.

Figure 2

The geometry of the model.

Table 1

Mechanical Ventilation Parameter

화재 시나리오는 연구시설 내에서 화재가 발생한 경우 대응에 따라 어떠한 변화가 발생하는지, 그리고 이로 인해 압력의 변화를 예측하는 데 사용되었다. 화재의 발생 위치는 화재의 발생에 따른 연구시설 내의 공기 흐름 등의 파악하기 위하여 실험구역인 조직전처리실 1개, 내부복도 1개를 비교 대상으로 선정하여 실의 중앙에 적용하였다. 시나리오는 다음과 같다. 시나리오 1: 시뮬레이션이 시작되면 화재가 발생하여 인접문이 폐쇄된 상태로 500 s까지 화재가 진행된다. 시나리오 2: 500 s에서 1,000 s까지 조직전처리실과 내부복도의 인접문이 서서히 개방되며 화재가 진행된다. 시나리오 3: 1,000 s에서 2,000 s까지 냉동고실과 내부복도의 인접문이 서서히 개방된다. 이후 3,600 s까지 변화를 측정한다. 화재의 종류, 크기와 진행 속도 등은 시험(12)을 참고했고, 메탄올(methanol)을 적용하였다. 해석에 적용된 soot yield는 0.00109 kg/kg, CO는 0.0022 kg/kg이다. 시뮬레이션 시간은 3,600 s 기본값을 사용하고, 연구시설 내부온도는 22 °C, 상대습도 55%, 외부온도 24 °C, 외부기압은 대기압인 101,325 Pa, 내부복도는 0 pa, 기타실은 –11 pa로 설정하였다.

3.1 내부복도 화재 시 온도 변화

시나리오 1: 초기 화재발생 시점부터 500 s까지 실험구역과 내부복도의 인접문이 폐쇄된 상태에서 시뮬레이션을 수행하였다. Figure 3(a)은 375 s에서의 온도 분포이며, 인접문이 개방되지 않은 상태에서는 실험구역의 내부온도 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 내부복도의 온도는 500 s에 234 °C까지 상승하였다.

Figure 3

Temperature distribution under different fire scenarios in the interior corridor: (a) scenarios 1, (b) scenarios 2, (c) scenarios 3.

시나리오 2: 500 s부터 조직전처리실과 내부복도 사이의 문을 1,000 s까지 서서히 개방하는 시뮬레이션을 진행하여 각 실의 변화를 확인하였다. Figure 3(b)를 통해 내부복도와 연결되는 조직전처리실의 인접문이 개방되어 실온이 상승하는 열변화를 확인할 수 있다. 500 s에서 1,000 s까지의 온도변화를 보면 내부복도의 온도는 234 °C에서192 °C까지 내려간 반면에 조직전처리실의 온도는 24 °C에서 192 °C까지 상승하였다.

시나리오 3: 1,000 s부터 냉동고실과 내부복도 사이의 문을 2,000 s까지 서서히 개방한 후 3,600 s까지 내부 설정값의 변화없이 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 3(c)는 2,010 s경 내부 열변화의 모습으로, 냉동고실의 온도변화를 확인할 수 있다. 내부복도의 온도는 194 °C에서 152 °C로, 조직전처리실의 온도는 192 °C에서 121 °C로 낮아진 후 안정되었으며, 냉동고실의 온도는 초기 열기유입으로 119 °C까지 증가한 후 1,020 s에 52 °C까지 낮아졌다가 이후 2,000 s까지 121 °C로 상승 후 시뮬레이션이 끝날 때까지 안정됨을 확인할 수 있었다.

Figure 4는 내부복도 화재 시나리오의 온도변화를 나타낸 것으로, 내부복도에 발생한 화재는 인접한 실험구역의 문을 개방한 경우 해당 실험구역의 내부온도에만 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.

Figure 4

Temperature profile for interior corridor fire scenario.

3.2 조직전처리실 화재 시 온도 변화

시나리오 1: 초기 화재발생 시점부터 500 s까지 조직전처리실과 내부복도, 내부복도와 인접한 실험구역의 인접문이 폐쇄된 상태에서 시뮬레이션을 수행하였다. Figure 5(a)는 105 s에서의 온도 분포이며, 인접문이 개방되지 않은 상태에서는 기타 실험구역과 내부온도 변화가 없음을 확인할 수 있다.

Figure 5

Temperature distribution under different fire scenarios in the interior tissue preparation room: (a) scenarios 1, (b) scenarios 2, (c) scenarios 3.

Figure 6은 조직전처리실 화재시 내부 온도변화 양상을 보여준다. 조직전처리실은 225 s까지 220 °C로 온도가 상승한 후, 500 s까지 203 °C로 하락하였다. 시나리오 2: 500 s부터 조직전처리실과 내부복도 사이의 문을 1,000 s까지 서서히 개방하는 시뮬레이션을 수행하여 각 실의 변화를 확인하였다. Figure 5(b)에서 조직전처리실과 내부복도의 인접문이 개방되어 내부복도의 실온이 상승하한 것을 확인할 수 있다. 500 s에서 1,000 s까지의 온도변화를 보면 조직전처리실의 온도는 600 s까지 246 °C로 다시 온도가 상승한 후 1,000 s에 234 °C까지 내려간 반면에 내부복도의 온도는 24 °C에서 152 °C까지 상승하였다.

Figure 6

Temperature profile for tissue preparation room fire scenario.

시나리오 3: 1,000 s부터 냉동고실과 내부복도 사이의 문을 2,000 s까지 서서히 개방한 후 3,600 s까지 내부 설정값의 변화없이 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 5(c)는 2,010 s의 내부 열변화 상태를 보여주며 냉동고실이 인접문의 개방으로 온도가 상승하는 모습을 확인할 수 있다. 조직전처리실의 온도는 234 °C에서 199 °C로, 내부복도의 온도는 153 °C에서 126 °C로 낮아진 후 안정되었으며, 냉동고실의 온도는 104 °C까지 증가한 후 시뮬레이션이 끝날 때까지 안정되었다.

Figure 6에서 화재발생구역의 인접문을 개방하면 연결된 구역으로 열이 전달되는 것을 확인할 수 있다, BL-3 연구시설의 공조 조건을 유지한 상태에서 화재발생 실험실의 인접문이 개방되면 내부 복도에는 열전달이 일어난다. 하지만, 다른 실험구역에는 영향을 주지 않는 것을 볼 수 있으며, 온도에 따른 문제가 발생되지 않는 것을 판단할 수 있었다.

3.3 BL-3 차압 변화

Figure 7과 Figure 8은 각각 내부복도 화재발생 시 차압변화, 조직전처리실 화재발생 시 압력 변화를 나타낸다. 인접문이 밀폐된 상태에서는 차압의 변화가 거의 없으나 인접문이 개방되는 시점인 500 s, 1,000 s에서 차압의 변화가 일어났다.

Figure 7

Pressure profile for interior corridor fire scenario.

Figure 8

Pressure profile for tissue preparation room fire scenario.

화재가 발생한 위치에 따라 차압 변화의 양상이 다르게 나타났다. 내부복도 화재의 경우 105 s 에서 12.5 Pa의 압력이 발생하였다. 조직전처리실 화재 발생 시 195 s에 압력이 452 Pa까지 증가하였다. 이는 화재 초기 단계에서 실내에 화재로 인한 열이 확산됨에 따라 실험실 내부 압력이 급격히 증가하는 것으로 판단할 수 있다.

화재 초기 단계에서 압력의 변화율이 가장 높게 측정되었다. 특히 실험실 내부 화재는 내부복도 화재보다 차압압력 변화가 좀 더 불안정한 형태로 나타난다. Figure 8에서 실험실 화재 초기부터 15 s까지 안정상태를 유지하다가 165 s까지 완만한 압력상승 후 급격히 압력이 상승하여 195 s에 최대 압력 452 Pa까지 내부 압력이 폭발적으로 상승한다. 실험실 내부의 초기 화재발생 구간이 BL-3 연구시설내부의 안전을 확보하는 데 가장 중요한 시점임을 나타낸다. 이후에 화재가 계속됨에 따라 내부 압력은 지속적으로 감소한다. 특히 인접문의 개방 시 압력해소의 영향을 일부 받은 후 일정시간이 지나면 다시 감소한다. 본 연구 결과는 BL-3 연구시설의 내부에 화재가 발생하였을 때 압력 변화를 정확하게 이해하는 데 도움이 된다. 이 결과는 차후 BL-3 연구시설의 화재 대응 전략 개발과 시설 설계에 중요한 기여를 할 것이다.