1. 서 론
현대 건축물의 경우 복합⋅고층⋅밀집화로 변화됨에 따라 화재발생 시 대규모 화재로 성장할 수 있다. 소방청 국가화재정보시스템 화재통계에 따르면 2019년부터 2022년까지의 사상자와 재산피해를 확인결과 사상자의 경우 매년 2,000명 가까이 발생하는 반면에 재산피해는 19년 5천4백억원, 20년 6천억원, 21년 1조원, 22년 1조2천억원의 재산피해가 발생되면서 매해 증가하고 있는 추세이다(1). 이는 건축물의 밀집화, 복합화에 따른 대규모 화재가 원인으로 파악되며, 대규모 화재를 초기에 감지하여 진압하기 위해서는 건축물 내부에 설치되어 있는 소방설비의 성능 향상 및 유지관리의 적절한 사용이 중요하다. 현재 우리나라의 화재 설비 기술기준 및 소방제품의 형식승인 기준은 소방청에서 제시한 기술기준의 근거로 관리하고 있으나, 아직까지 80년대의 기준에서 크게 변화되지 않고 지속적으로 사용되고 있어 다양화되고 있는 건축물 및 가연물에 대한 화재감지 적응성이 저하되고 있다.
화재 조기감지를 위해 사용되는 광전식 연기감지기의 경우 2015년 NFTC 203(2) 개정을 통해 취침, 숙박, 입원 등과 유사한 용도로 사용되는 거실(공동주택, 오피스텔, 숙박시설)에 설치가 의무화되면서 연기감지기의 사용 장소가 더욱 광범위하게 바뀌었다. 설치장소가 다분화되면서 공간 상에 발생되는 에어로졸 또한 다양화되어 광전식 연기감지기의 작동성능에 대한 기능이 중요할 때이다. 하지만 국내 연기감지기 형식승인 기준은 단순 동양호지 종이화원을 통한 광학농도계에서 측정되는 작동⋅부작동농도 일 때 연기감지기를 투입하여 기능적 수행을 원활히 진행하는지에 대한 단순 성능만을 확인하고 합격⋅불합격 판정을 하고 있다. 이러한 기준은 연기감지기에 대한 단순 성능만을 확인하기 때문에 다양한 화원 및 연기에 대한 적응성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라 현재 국내에서는 연기색상에 따른 연기감지기의 응답특성에 관한 연구(3), UL 268 폴리우레탄폼 실화재실험을 통한 화재감지인자 도출에 관한 연구(4)와 같이 국외 기준을 활용한 다양한 화원에서 연기감지기의 작동성능을 비교하는 실험이 진행되고 있다.
이처럼 UL 268 기준과 성격이 비슷한 ISO 7240-7의 경우에서도 목재화재, 섬유화재, 헵탄화재와 같이 다양한 화원과 연기 특성이 다르게 나타나는 에어로졸을 통해 연기감지기의 응답특성을 확인하고 있다. 국내의 경우에도 연기감지기가 공동주택과 숙박시설에 필수적으로 설치되는 만큼 실 내부에는 옷, 이불, 커튼 등과 같은 섬유물질이 많이 존재하고 있어 면섬유 훈소화재에 대한 연기감지기의 응답특성 실험이 진행되어야 할 것으로 사료된다. 기존 ISO 7240과 관련된 논문에서는 Hong(5)의 논문과 같이 시험의 적합성을 판단하는 광학농도계를 활용하지 않고 물류창고 내에서 열감지기, 연기감지기에 대한 적응성 확인을 위한 가연물로써만 활용되어 실험이 진행되었다.
따라서 본 논문에는 ISO 7240-7에서 제시되는 시험기준을 활용하여 면섬유 훈소화재에 대한 광학농도계(optical density meter, ODM)와 빛 산란을 통한 연기를 감지하는 방식인 아날로그 연기감지기(analog smoke detector, ASD)의 연기농도를 비교 분석하고자 하며, 추가적으로 아날로그 연기감지기의 연기농도에 따른 연소생성물의 농도비교 분석과 유염화재와 훈소화재의 연기감지기 응답특성 차이를 확인하고자 한다.
2. ISO 7240-7 시험기준 및 광학농도 비교분석
2.1 ISO 7240-7 시험기준(6)
ISO 7240-7는 산란광, 투과광 또는 이온화를 이용하는 스포트형 연기감지기에 대한 성능을 테스트하는 화재시험 기준이다. 시험화재의 경우 TF2부터 TF5까지 있으며, 가연물의 종류로는 목재, 면섬유 훈소화재, 폴리우레탄폼, 헵탄 화재가 있다. 이중 스포트형 연기감지기 훈소시험 항목인 섬유화재의 경우 화염이 없는 상태로 실험이 진행되고, 열부력 또한 약하게 발생되면서 감지기에 에어로졸이 노출되는 시간이 화염이 존재하는 시험보다 더욱 길게 진행되는 특징이 있다. 이에 따라 공동주택 내에는 의류, 이불 등 섬유물질이 다수 존재하기 때문에 공동주택에서 발생될 수 있는 화재 중 면섬유 훈소화재 상황을 적용해 연기감지기의 응답특성을 확인하고자 TF3의 시험을 진행하였다.
Figure 1은 ISO 7240-7에서 제시하고 있는 시험기준으로 실험장은 가로 9∼11 m, 세로 6∼8 m, 높이 3.8∼4.2 m이다. Figure 1(a)에서 제시하는 a의 경우 시료 및 측정 위치로 감지기가 설치되도록 제시되어 있으며, 감지기는 실험장 중앙에서 존재하는 화원부에서부터 3 m 떨어져 있다. 또한 Figure 1(a)의 b는 가연물의 위치로 면섬유가 위치하고, Figure 1(b)는 시험조건인 거치대를 나타낸 것으로 직경 10 cm의 링을 통해 면섬유를 거치시키고 면섬유의 윗단이 바닥에서부터 1 m 떨어진 위치에 거치하여야 한다. 가연물은 90개의 땋여있는 면섬유로 각 길이는 80 cm에 1개당 무게가 3 g로 나타나야 하며, 심지에 코팅이 되어 있는 경우 심지를 세척하고 건조하여 실험시작 전 면섬유를 습도가 50 %RH 이하인 환경에 보관하도록 제시되어 있다.
2.2 UL 268 광학농도 기준을 통한 ISO 7240-7 광학농도 제시
광학농도계의 경우 발광부에서 발생된 빛이 수광부 photocell에 인가되면 기전력 μA가 발생되고, 이를 데이터 수집장치를 통해 측정된 전류값에 대한 기준 수식을 적용하여 단위를 해석하고 있다. 단위 해석은 기관마다 다르게 나타나는데 국내와 UL 268의 경우 감광율Ou (%/m)을 적용하여 사용하고 있으며, ISO 7240-7의 경우 시험의 적합성을 판단하는 기준 단위를 흡광도 지수 m (dB/m)으로 표기하여 사용하고 있다. 따라서 본 실험의 데이터 분석은 국내와 단위 해석이 동일한 UL 268 감광율을 적용하여 분석하고자 한다.
ISO 7240-7의 흡광도지수 m은 식(1)과 같다. 여기서, P 는 시험 에어로졸 또는 연기와 함께 수신된 복사 전력(μA), P0 는 청정상태에서의 수신되는 복사 전력(μA)을 뜻한다. d는 광학농도계의 발광부에서 수광부까지 거리 및 시험용 에어로졸 또는 연기 속에서 빛의 이동거리를 미터로 나타낸 것이다.
Table 1은 광학농도계의 발광부와 수광부의 거리에 따른 흡광도 지수별 전송률(transmission rate)과 흐림률(obscuration rate)을 나타낸 것이다. 제시된 기준 내에서는 광학농도계의 발광부와 수광부의 거리 d = 0.38 m, d = 0.5 m, d = 1.0 m, d = 2.0 m에 따른 전송율과 흐림율이 환산 및 제시되어 있다. 이처럼 ISO 7240-7의 경우 광학농도계의 발광부와 수광부의 거리를 조절할 수 있고, 거리에 따라 나타나는 흡광도 지수가 기준에 제시한 프로파일과 일치하면 해당 시험을 적합한 시험으로 판단하고 있다(7). 여기서 에어로졸에 의해 광학농도계에서 빛이 99% (연기와 함께 수신된 복사 전력 0.1 μA) 차단되었을 경우 흡광도지수 m값은 20 dB/m로 표기되며 이 경우 거리별 연기농도의 정도를 수치화하여 인식하기엔 가독성이 떨어진다. UL 268의 경우에는 광학농도계 상 빛이 100% 차단되었을 때 100 %/m로 미터 당 퍼센트 감광으로 표기하기 때문에 거리별 연기농도를 확인하기에 가독성이 좋다. UL 268 기준에서는 광학농도계의 거리를 1.5 m로 제시하고 있기 때문에 본 실험의 경우에도 적합성을 판단하는 광학농도계의 거리를 1.5 m로 적용하여 ISO 7240-7의 시험을 진행하고자 한다. 이에 따라 Table 1은 기준 내에 적시되어 있지 않은 1.5 m의 d값을 적용하여 전송률과 흐림률을 제시하였다.
Table 1
m Value for Different Light Beam Lengths
UL 268의 연기에 포함된 연기/에어로졸을 감지하는 방법인 광학농도계를 이용한 미터 당 퍼센트 감광(percent obscuration per meter) Ou (%/m)는 식(2)를 사용하여 구한다(8).
여기서, Ou 는 감광율(%/m), Ts 는 연기에 포함된 연기/에어로졸 광학농도계 측정값(μA), Tc 는 청정공기에 포함된 연기/에어로졸 광학농도계 측정값(μA), d는 광학농도계의 발광부와 수광부 사이의 거리(m)를 나타낸다.
Table 2의 경우 연기/에어로졸에 의한 광학농도계 측정값(μA)에 따른 미터 당 퍼센트 감광 Ou (%/m)와 흡광도 지수 m (dB/m)에 대한 비교표를 나타낸 것이다. 청정상태의 경우 0 %/m, 0 dB/m로 동일하며 50 μA의 경우 37 %/m, 2.01 dB/m, 연기/에어로졸에 의해 빛이 극소량만 투과상태인 0.1 μA의 경우 99 %/m와 20 dB/m로 측정되는 것을 확인할 수 있다.
Table 2
%/m and dB/m according to Rate of Change
Figure 2는 ISO 7240-7에서 제시한 흡광도 지수 m에 대한 dB/m의 단위인 프로파일을 UL 268상 감광율 %/m로 환산하였을 경우 나타난 프로파일 비교 그래프이다. 시험에 대한 적합성의 판단은 프로파일 내에 m값이 형성되어야 하며, 이 때 연기감지기가 작동한 경우 유효한 시험으로 판단하고 시험은 종료된다. 따라서 본 실험은 ISO 7240-7에 대한 국내 연기감지기 감도 특성을 확인하고자 시험의 적합성은 흡광도지수(dB/m)로 판단하고 연기농도값 비교는 가독성을 위해 감광율(%/m)로 표기되는 아날로그 연기감지기와 광학농도계로 비교분석 하고자 한다.
3. 실험방법 및 결과
모든 실험은 ISO 7240-7의 기준을 준용하였으며, 실험 시 환경조건은 온도 23 ± 2 ℃, 습도 50 ± 5%로 조정 후 실험을 진행하였다. 이 후 ISO 7240-7에서 시험의 적합 유무를 판단하는 연기 프로파일을 도출하기 위해 약 100회 이상 반복 시험하여 정량화된 실험방법과 자연 기류에 따른 적합한 프로파일을 도출하였으며, 실험결과의 분석은 연기 프로파일에 적합한 10개의 데이터를 바탕으로 이중 평균값 데이터와 유사한 데이터를 선정하여 분석하였다.
3.1 ISO 7240-7 면섬유 훈소화재 실험방법
Figure 3은 ISO 7240-7 섬유훈소화재 실험 시 아날로그 연기감지기 연기농도와 연소생성물 측정을 위한 실험장비를 나타낸 것이다. Figure 3(a)의 경우 소방제품의 형식승인을 취득한 T사의 아날로그 연기감지기를 나타낸 것이며, 연기농도는 19 %/m까지 측정된다. 실시간 연기 농도 측정은 모니터링 시스템을 활용하였다. Figure 3(b)는 연소가스분석기(combustion gas analyzer, CGA) Wohler A550 (Wohler A550, WOHLER Co., Germany)를 나타낸 것으로 섬유훈소화재 시 발생되는 연소생성물을 측정하고자 하였으며, 연소생성물은 CO, SO2, NO, NO2를 측정할 수 있다.
Figure 4(a)는 면섬유 훈소화재실험의 구성도를 나타낸 것이다. ISO 7240-7에서 규정한 실화재 실험장과 유사환경으로 구축하여 11.0 m × 6.7 m × 3.0 m의 화재실험장에서 실험을 진행하였으며, 면섬유 화원의 위치는 실험실 중앙에 거치하였다. Figure 4(b)는 계측부를 나타낸 것으로 화원의 위치에서 3 m 떨어진 천장부에 아날로그 연기감지기와 연소가스분석기를 설치하였으며, 바로 뒤 0.3 m 떨어진 위치에 광학농도계 ODM (d = 1.5 m)을 설치하였다. 광학농도계는 광원 중심이 천장 아래 102 mm에 위치하도록 설치하여 실험을 진행하였다. ISO 7240-7에서 제시하고 있는 실험장 높이의 경우 3.8∼4.2 m로 제시되어 있고, 기존 선행연구(5)에서는 4 m의 층고에서 실험을 진행한 바 있다. 본 실험장 높이의 경우 3 m의 층고를 갖고 있기 때문에 상기 층고에 따른 비례식을 이용하여 실험장 높이가 낮아짐에 따라 화원 높이와 시료의 섬유 길이 및 무게를 줄여 실험을 진행하였다. 비례식에 의해 도출된 본 실험 화원의 높이는 바닥에서부터 0.75 m 높이에 위치하였고, 면섬유(면심지 60호)의 길이는 0.6 m, 심지 개수는 90개로 면섬유의 총 질량은 202.5 g으로 진행하였다. 기준상에서 프로파일 도출을 위해 프로파일 한계 내에서 유지될 수 있도록 시료의 개수와 무게는 조절 가능하다는 기준을 참고하여 무게는 줄이고 섬유 개수는 90개로 실험을 진행하였다. 여기서 섬유 개수는 작열하는 면섬유 훈소의 개수가 90개를 유지하여야 해당 연기/에어로졸 프로파일이 도출되었다.
Figure 4(c)의 경우 면섬유와 면섬유 점화 사진으로, 점화는 모든 심지의 끝부분이 빛나도록 하단에 점화하고, 화염이 발생될 경우 즉시 불을 제거한 후 모든 심지가 작열하는 훈소를 발할 때 테스트를 시작하였다. 여기서 면섬유의 화염 노출은 심지 끝부분에서 5 cm 가량 노출 시켰고, 심지가 서로 뭉쳐 있도록 하여 실험을 진행하였다. 면섬유의 경우 서로 뭉쳐있지 않고 퍼져있거나 심지 사이에 공기유동이 원활할 정도의 공간이 발생될 경우, 산소 유입에 따른 연기의 발생량은 극히 감소하여 기준에 제시된 프로파일을 일치할 수 없는 문제점이 발생되었다. Figure 4(d)는 모든 조건을 충족시킨 후 실험을 시작하여 나타나는 연기/에어로졸의 사진이다. 여기서 실험장의 온도는 하부와 상부 사이의 온도차가 5 ℃ 이상 발생하였을 경우 일정한 프로파일을 도출할 수 없는 문제점이 발생되기 때문에 실내 환경조성 과정이 진행되어야 한다.
3.2 ISO 7240-7 면섬유 훈소화재 실험결과
Figure 5(a)는 ISO 7240-7 면섬유 훈소화재 실험 시 나타나는 프로파일이다. 실험결과 지속적인 연기 상승을 보이는 80 s에 첫 감광 피크가 발생되어 실험시간 750 s동안 한계곡선에 m 값이 형성되면서 프로파일이 일치하는 것을 확인하였다. 실험의 분석은 화원부로부터 3 m 떨어진 위치의 아날로그 연기감지기 4개 중 점진적 상승 수치값이 최고값과 최저값을 제외한 2개의 데이터를 추출하여 분석하였다. Figure 5(b)는 dB/m를 %/m로 환산하여 제시한 프로파일로 연기감지기와 비교분석 및 가독성을 위해 미터당 퍼센트 감광율로 제시하였다. 실험경과 90 s 후 ODM의 5 %/m의 감광이 발생되었고, 10 %/m는 147 s, 15 %/m는 311 s, 19 %/m는 341 s에 도달되어 지속적으로 감광율이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 6과 Table 3은 기준상 적합여부를 판단하는 관측부 ODM과 ASD의 비교표이다. 실험데이터 비교분석은 ODM에서 측정되는 2종 연기감지기의 부작동농도 5 %/m와 공칭작동농도 10 %/m, 작동농도 15 %/m기준으로 분석하였고 추가적으로 현재 사용되고 있는 ASD 최대 측정농도 19 %/m를 적용하여 분석하였다.
Table 3
ASD Concentration Value according to ODM
ODM 부작동농도에서 측정되는 ASD1과 ASD2의 연기농도는 0.1 %/m, 0.1 %/m로 측정되었으며, 공칭작동농도의 경우에서도 ASD1, ASD2가 0.1 %/m, 0.1 %/m로 측정되면서 공기 중에 부유하고 있는 연기/에어로졸을 감지하지 못하였다. ODM 작동농도에서 ASD1은 3.4 %/m, ASD2는 1.9 %/m로 측정되면서 연기농도 상승 및 연기 감지를 원활하게 진행하지 못하였다. ASD 최대 측정농도인 ODM 19 %/m에서조차도 ASD1은 3.6 %/m, ASD2는 2.5 %/m로 반응이 저조하였다.
아날로그 연기감지기에서 측정되는 5, 10, 15, 19 %/m 농도기준 ODM을 비교한 결과 ASD1 5 %/m에서, ODM 22.3 %/m, ASD1 10 %/m는 ODM 23.6 %/m, ASD1 15 %/m는 ODM 24.0 %/m, ASD1 19 %/m는 ODM 36 %/m로 나타났다. ASD2 5 %/m의 기준에서도 ODM 23.1 %/m, ASD2 10 %/m는 ODM 31.2 %/m, ASD2 15 %/m는 ODM 34.0 %/m, ASD2 19 %/m는 OMD 34.1 %/m로 나타났다. 또한 ASD1의 2종 연기감지기 작동농도 기준으로 연기농도 상승속도가 ODM과 약 117 s 차이가 발생되었고, ASD2의 경우에서도 ODM과 약 266 s의 차이가 나타났다.
실험결과 면섬유 훈소화재의 경우 광학농도계에서 측정되는 연기농도가 최소 24 %/m 이상 발생하여야 아날로그 연기감지기 챔버내부에 연기가 유입되어 연기를 감지할 수 있는 것으로 나타났다. 이 경우 화재 발생 이후 약 2 min에서 4 min 정도의 감지 지연시간이 발생된 것으로도 판단할 수 있다. 또한 훈소화재의 경우 유염화재가 아닌 무염화재이기 때문에 연기기류 자체의 부력에 관한 힘이 유염화재보다 현저히 떨어진다. 이 경우 연기의 유동속도가 빠르지 않기 때문에 연기감지기 챔버입구 저항성으로 인하여 연기챔버 내부에 연기 및 에어로졸이 유입되지 않는 문제점이 발생된다. 연소에 의해 발생하는 연기는 열을 받아 부력에 의해 상승기류가 발생되고 이후 천장벽에 도달되어 천장을 따라 수평으로 확산해 나아간다. 이 경우 연기의 온도가 높고 부력의 세기가 강해 연기에 대한 온도 강하가 현저하게 발생되지 않는다면, 연기는 고온인 상태를 유지한 채로 상승기류에 의해 천장에 분포되어 공기와 나뉜 층류로써 빠르게 전파해 나가는 특징이 있다. 하지만, 화염과 같은 고온의 플룸이 발생되지 않고 무염연소로 진행되는 연기의 경우 확산속도가 빠르지 않으며, 연기의 온도가 유염화재보다 현저히 낮게 나타나기 때문에 공기와 희석되어
상기 발생 원인을 파악해 보고자 Figure 7의 선행연구(8,9)에서 나타난 UL 268 종이화재 및 목재화재 실험의 연기감지기 응답특성 실험을 분석하였다. Figure 7(a)는 종이화재의 ODM과 ASD의 연기농도 상승 그래프로 첫 상승 곡선은 ODM이 빠르지만 작동농도 기준인 15 %/m의 경우 ODM과 ASD가 동일한 시간에 도달된 것을 확인할 수 있었다. 국내 연기감지기의 경우 연기감지기 형식승인 기술기준 상 종이화원 동양호지(NO. 2)에 대한 응답특성 위주의 시험을 진행하기 때문에 종이화원에 대한 응답특성만 우수한 것으로 확인되며, 종이화재 자체의 유염화재 열부력이 크게 발생되어 유속이 빨라짐에 따라 연기감지기 챔버내부에 연기가 원활히 침투돼 응답특성이 우수하게 나타난 것으로 확인된다. UL 268 목재 유염화재의 경우도 15 %/m의 기준으로 ODM은 120 s, ASD는 159 s로 39 s의 차이를 보였지만, 유염화재로 전환된 후 급격한 농도상승이 나타나고 훈소화재인 면섬유 훈소화재 실험보다 비교적 빠른 농도상승이 발생되었다.
국내에서는 연기감지기 시험챔버 내 광학농도계를 통한 작동농도에서 연기감지기를 투입해 30 s 이내에 작동된다면 작동시험은 합격하게 된다. 이에 따라 제조업체들은 연기감지기의 감도를 맞추기 위해 감도시험기 ODM의 농도를 기준으로 하여 해당 연기농도가 되었을 때, 연기감지기의 수광부에서 측정되는 전압값을 기준으로 감도를 설정하고 있다. 즉, 연기챔버 내에서의 광산란 특성을 이해하고 알고리즘을 설계하기 보다는 단순 ODM과 매칭된 값으로 설계농도를 설정하고 있다(2). 이 경우 화원의 시료가 변경 되었을 때, 시료에서 나타나는 연기 특성 또한 다르게 나타나며, 훈소화재의 경우 더욱 유속이 늦고, 연기 층이 중성대를 이루어 낮고 넓게 분포되기 때문에 연기감지기의 응답특성이 원활하게 발생되지 않는다. 이처럼 동양호지 화원에 의한 작동시험만으로 형식승인 시험을 진행하지 않고, 훈소화재 다양한 화원화재를 진행하여야 공동주택에 존재하는 가연물 및 다양화되는 현대 주거지 건축물에 화재감지 특성이 우수해질 것으로 판단된다.
Table 4는 ISO 7240-7 섬유화재 실험 시 나타나는 연소생성물을 CGA로 측정한 것이다. 생성물의 분석 기준은 연기감지기 감지 농도에 따른 연소생성물을 비교하였으며, 실험결과 NO2, SO2, NO의 경우 연소생성물이 발생하지 않거나 미미하게 생성되어 분석에서 제외하였다. CO의 경우 훈소화재 특성에 의한 불완전 연소가 진행됨에 따라 실험시간이 지속될 경우 고농도의 CO가스가 발생되었는데, 연기감지기 부작동 농도인 ASD1,2 5 %/m일 때 20 ppm, 23 ppm이 발생되면서 time weighted average (TWA) 권장 기준인 30 ppm 가까이 상승하였다. ASD1,2 10 %/m에서는 31 ppm, 55 ppm이 발생되어 심장 또는 혈액계에 영향을 일으키는 노출 정도인(10) 50 ppm 이상 발생되었고, 연기감지기 화재감지 농도인 ASD1,2 15 %/m에서는 37 ppm과 62 ppm, ASD1,2 19 %/m에서는 61 ppm과 72 ppm이 발생되면서 불완전 연소에 의한 고농도의 CO가스가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 더불어 Figure 8은 실험시간 동안 촬영된 실험장 사진으로 클린 한 상태에서 실험을 시작하였고 Figure 8(b)와 같이 실험시작 120 s 후 연기/에어로졸이 천장을 따라 넓게 분포되지 않고 화원부 공간에 연기가 체류되는 것을 확인할 수 있었다. Figure 8(c)는 실험시작 300 s 후 사진으로 중성대를 이룬 공간에서부터 천장까지의 공간을 연기가 가득 채웠으며, Figure 8(d)와 같이 실험시작 420 s에서는 육안으로 실험실 내부의 공간이 보이지 않을 정도로 연기가 가득 찬 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 훈소화재의 경우 불완전연소에 의한 연기/에어로졸 및 가스가 대량 발생함에도 불구하고 연기 자체의 부력의 세기가 부족하여 천장에 분포되지 않아 연기감지기의 화재감지가 지연되고, 그 과정에서 연기는 재실자의 키 높이만큼 가라앉게 되어 이에 따른 질식사 및 호흡곤란과 같은 문제점이 발생될 것으로 판단된다.
Table 4
Combustion Product Data Table (ASD1,2 5 %/m, 10 %/m, 15 %/m, 19 %/m)
이처럼 국내 연기감지기의 경우 작동성능을 확인하는 연기감지기 시험챔버 내부의 작동시험 방법에 따라 시험을 진행하기 때문에 종이화재 또는 유염화재에 대한 연기감지 특성이 우수한 것으로 보인다. 하지만 훈소화재의 경우 실내 천장에 체류되는 연기의 양이 유염화재보다 적고 공간상으로 퍼져 나가는 연기의 유동이 더욱 많기 때문에 재실자의 질식사 위험요소가 더욱 커질 것으로 판단된다. 이에 따라 ISO 7240-7에 대한 연기감지기 응답특성을 비교한 결과 시험기준에는 적합하지만 ODM과의 농도차이가 발생되지 않도록 연기감지기의 챔버구조 또는 감지방식에 대한 연구 방향이 진취적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.
또한 국내의 연기감지기의 시험기준이 형식승인 시험챔버 내에서만 작동기능을 수행하는 것이 아닌, 실화재 시험과 같은 유사 상황에 대한 작동 성능 테스트를 진행하여야 연기감지기의 기능적, 성능적 향상에 더욱 기여할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 ISO 7240-7의 면섬유 훈소화재 실험을 통한 국내 연기감지기 응답특성에 관한 연구로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
아날로그 연기감지기에서 측정되는 2종 연기감지기 화재감지 농도인 15 %/m 농도기준 ODM을 비교해본 결과 ASD1 연기농도 상승속도가 ODM과 약 117 s 차이가 발생되었고, ASD2의 경우에서도 ODM과 약 266 s의 차이가 나타났다. 선행연구 분석결과 국내 형식승인 시험챔버의 가연물과 동일 재료인 UL 268 종이화재의 경우 ODM과 ASD의 작동농도가 동일하게 나타났지만 ISO 7240-7 섬유화재와 같이 훈소화재의 경우 화재감지 시간이 약 2 min에서 4 min 정도 지연된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 훈소화재의 경우 무염화재이기 때문에 열량 및 부력의 세기가 유염화재보다 현저히 떨어져 이와 같이 나타난 것으로 판단된다.
섬유화재에 따른 연소생성물 측정결과 ASD1,2 15 %/m에서는 37 ppm과 62 ppm, ASD1,2 19 %/m에서는 61 ppm과 72 ppm이 발생되면서 불완전 연소에 의한 고농도의 CO가스가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 훈소화재의 경우 연기/에어로졸이 천장을 따라 넓게 분포되지 않고 화원부 공간에 연기가 체류되면서 확산하는 것을 확인할 수 있었으며, 실험시작 300 s에서는 연기감지기 화재감지 농도인 15 %/m에 도달하지 않았지만 연기/에어로졸은 이미 실험실 전체에 분포되어 가득 채운 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 훈소화재의 경우 불완전연소에 의한 연기/에어로졸 및 가스가 대량 발생함에도 불구하고 연기 자체의 부력세기가 부족하여 연기감지기 챔버내부로 유입되지 않고, 천장에 분포되지 않아 화재감지까지 오랜 시간이 필요한 문제점이 나타났다.
이에 따라 국내 연기감지기 형식승인 기술기준의 경우 시험챔버 내 종이화원에 의한 작동 테스트와 더불어 다양한 연기/에어로졸에 따른 연기감지기 작동시험 테스트를 진행하여야 국제적 수준의 소방 기술에 부합할 수 있을 것으로 판단되며, 더욱 국내에서는 연기감지기의 챔버구조 또는 감지 방식에 대한 연구 방향이 지속적으로 이루어져야 다양한 화원에 적응성이 나타나는 연기감지기를 개발할 수 있을 것으로 판단된다. 추가적으로 ISO의 경우에는 ISO 자체에서 다양한 실험을 통해 독자적으로 개발한 기준으로 실험장비에 대한 명확한 규격과 자세한 실험방법이 보안 및 영리의 목적으로 인해 국내 형식승인 기준과 같이 세부적인 세칙 등이 자세히 나와 있지 않지만, 본 논문의 실험방법과 기준을 통해 향후 추진되는 연구에서는 더욱 원활히 진행될 수 있을 것으로 판단된다.
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