1. 서 론
1.1 연구배경
연기감지기란 화재로 인한 연소생성물 중 연기를 감지하여 화재 사실을 중계기 또는 수신기로 전달하는 소방용품이다. Table 1은 2017년부터 2021년까지 5년간 국가화재통계시스템에서 집계하고 있는 화재로 인한 인명사상전 상태의 물적 통계를 나타내었다. 이는 화재로 인해 인명의 사망 또는 부상이 발생하기 직전에 영향을 준 물적 요인에 대한 통계를 의미한다.
Table 1
Status of Physical Causes before Death or Injury due to Fire by Year (2017-2021)
통계 현황을 보면 미상을 제외하고 연기(화염)로 인한 피난 불가의 경우가 가장 높은 비율을 차지하고 있음을 확인할 수 있다(1). 이처럼 조기에 연기를 감지하는 것은 화재 초기단계에서 피난시간 확보에 중요한 역할을 수행하고 훈소 등 화염이 없는 화재에 대응 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 사실을 근거로 2015년에 화재안전기준(national fire safety code, 이하 NFSC)의 일부 제⋅개정(2)을 통해 노유자시설, 의료시설, 공동주택 등의 특정소방대상물의 거실 등의 유사한 장소에 연기감지기를 설치하도록 규정하여 인명 피난을 위한 대응 방안이 마련되었다. Table 2에 2012년부터 2019년까지 전체 감지기 대비 형식승인, 생산제품검사 그리고 품질제품검사의 해당 기간별 연평균 건수를 나타냈다(3,4). 감지기의 형식승인에서 연기감지기는 규정의 개정 전에는 전체적으로 연평균 14건으로 확인되었고 개정 후에는 연평균 22.5건으로 확인되었다. 생산 및 품질제품검사도 개정 전에 비해 개정 후에 검사 건수가 더 높은 것으로 나타났다. 이는 NFSC의 개정을 통해 연기감지기의 사용처가 증가함에 따라 나타난 것으로 판단된다.
Table 2
Unit of Smoke Detectors that Received Type Approval, Production Product Inspection, and Quality Product Inspection by Year (2012-2019)
| Contents | Smoke Detector | ||
|---|---|---|---|
| 2012～15 | 2016～19 | Note | |
| Production Product Inspection | 1,321,221 | 3,302,243 | Unit per Year (Average) |
| Quality Product Inspection | 265,973 | 995,755 | |
| Type Approval | 14 | 22.5 | |
연기감지기 중 국내에서 주로 사용되는 것은 광전식 스포트형 연기감지기이다. 광전식 스포트형 연기감지기의 성능평가방법으로는 작동시험과 부작동시험으로 이루어진 감도시험을 활용한다. 작동시험은 해당 시험환경 및 조건에서 감지기가 신호를 발하여야 하는 시험이고 부작동시험은 해당 시험환경 및 조건에서 감지기가 신호를 발하지 않아야 하는 시험이다. 현행 감도시험은 단일시료를 사용하고 있고 연기챔버를 활용한 소규모시험이기 때문에 재료적인 측면에서 실제 환경에 따른 종이 이외의 다른 화원에 대한 작동 여부 파악, 화재 시 발생하는 연기와 유사한 물질(요리⋅작업 등으로 생성) 등으로 인한 부작동 여부 파악이 어렵다. 규모적인 측면에서도 실규모시험과 같이 높이와 위치를 고려한 설치환경에서 적절하게 성능을 발휘하는지 파악하는 데 한계가 있다. 여기서 소규모시험이란 시험챔버와 같이 실규모 환경이 아닌 작은 규모로써 시험을 진행하는 방식을 의미하고, 실규모시험이란 높이, 위치 등을 고려하여 설치환경을 구현한 시험장에서 시험을 진행하는 방법을 의미한다.
1.2 선행연구
국내에서는 이러한 감도시험을 개선하기 위한 선행연구로 Yoon 등(5)은 Lambert-Beer 법칙을 통한 감도시험기 내 발광부와 수광부에서 적용하고 있는 측정 감도와 작동 원리를 고찰하였다. Hong 등(6)은 광전식 연기감지기(산란광식, 감광식)의 작동 원리를 고찰하여 ISO 7240-9의 실규모 작동시험인 목재 및 면심지 화재시험을 기반으로 한 실험을 진행하여 광전식 연기감지기의 성능 및 신뢰성 검증 방법에 대해 고찰하였다. Choi 등(7)은 소규모 작동시험인 연기감지기 감도시험기를 통한 실험과 UL 268의 실규모 작동시험 중 종이화원을 이용한 시험기준 및 방법을 기반으로 한 실험을 진행하였고 결과로써 실내공기질 측정인자들의 화재 감지 경향성을 파악하여 화재 감지영역 값을 제안하였다. Choi 등(8)은 UL 268의 실규모 작동시험인 폴리우레탄 폼 화재시험기준을 기반으로 한 실험 및 연소생성물에 대해 실내공기질 측정센서로써 화재 판단영역을 제안하였다. Choi 등(9)은 UL 268의 실규모 부작동시험인 cooking nuisance smoke alarm test를 기반으로 한 실험을 실시하였고 시료인 햄버거패티에서 발생한 요리부산물에 대해 실내공기질 측정센서로써 비화재보 판단영역을 제안하였다. Choi(10)는 공동주택의 비화재보 저감을 위해 공동주택의 환경을 구축하여 목재를 이용한 초기화재 실험과 대패삼겹살을 이용해 요리로 인한 비화재상황을 구현한 실험을 실시하여 화재 및 비화재보 판단을 위한 연기 감지인자의 변화율과 값을 제안하였다. 국외의 선행연구로 Gottuk 등(11)은 일산화탄소(carbon monoxide, 이하 CO)를 활용한 복합형화재감지기의 개발을 목적으로 화재상황과 비화재상황에 대한 감도에 대해 실험적 수치와 알고리즘을 제안하였다. Milke와 Zevotek(12)은 요리로 인한 비화재상황을 구현한 실험을 실시하여 CO 및 광학밀도, 이온화 전류신호 등을 측정하여 감도에 대해 실험적 수치와 알고리즘을 제안하였다.
1.3 연구목적과 방법
선행연구 검토 결과 작동시험과 부작동시험에 대해 다양한 시료를 바탕으로 실험을 수행하고 있는 추세이다. 이에 본 연구 목적을 작동시험과 부작동시험을 종합적으로 분석하고 연기감지기 감도시험기준의 개선안 제안과 성능신뢰성을 향상시키는 방법의 모색으로 설정하였다. Figure 1에 전체적인 연구순서도를 나타내었다. 연구범위 및 방법은 연구순서도에 따라 진행되었다. 연구의 필요성과 선행연구를 검토하여 연구목적 및 방법을 나열하고 이론적 고찰로써 연기 및 연기감지 관련 이론, 실내공기질 관련 기준 및 광전식 연기감지기 감도시험기준을 분석하였다. 분석내용을 토대로 실험에서는 작동시험과 부작동시험의 차이를 비교하되 소규모와 실규모 방식으로 모두 진행하였다. 결과 및 고찰을 통해 연기감지기 감도시험의 조건에 활용될 수 있는 실내공기질 측정센서를 선정하여 감도시험 기준과 시험조건의 개선방안을 제시하였다.
2. 이론적 고찰
2.1 연기감지 이론
일반적으로 건축물 화재는 구획된 공간에서 발생한 화재(이하, 구획실 화재)로 정의할 수 있다. 구획실 화재는 화재성장곡선을 근거로 하여 단계를 초기, 성장기, 플래시오버, 최성기, 감쇠기로 구분할 수 있다(13). 화재감지와 경보는 초기단계와 성장기단계에서 진행되며, 그중 연기는 다른 연소생성물에 비해 빠르게 생성되기 때문에 가장 조기에 감지된다. Figure 2에 화재성장 및 연기감지 시간의 관계를 나타내었다(10).
연기감지 방식으로는 광전식과 이온화식이 존재한다. 국내에서 일반적으로 사용하는 것은 광전식이고 이는 산란광식과 감광식으로 구분한다. 산란광식을 사용하는 광전식 스포트형 연기감지기(general smoke detector 이하, GSD)는 발광부로부터 방사된 빛이 연기로 인해 산란하여 수광부로 전달되는 신호를 감지한다. 감광식을 사용하는 광전식 분리형 연기감지기의 경우는 발광부에서 직선상으로 방사된 빛이 수광부에 전달될 때 연기가 발광부와 수광부 사이를 통과하여 변화하는 광량을 이용하여 감지한다.
이는 광학농도계(optical density meter 이하, ODM)의 작동원리와 같고 Lambert-Beer의 법칙에 따라 측정값인 감광(obscuration, 이하 OBS)을 Equation (1)로 정리할 수 있다(14).
여기서 Ou는 감광율(obscuration per meter, 이하 OPM) (%/m), Ts는 연기 발생 시 광학농도계 측정값(μA), Tc는 청정 상태 광학농도계 측정값(μA), d는 광학농도계의 광축 거리(m)이다. OBS를 이용하여 광학밀도(optical density, 이하 OD)를 구할 수 있다. OD는 Equation (2)로 정리할 수 있다(14).
여기서 OD는 광학밀도, Ts는 연기 발생 시 광학농도계 측정값(μA), Tc는 청정 상태 광학농도계 측정값(μA), d는 광학농도계의 광축 거리(m)이다.
2.2 연소생성물과 실내공기질 관리 기준
연기감지가 일어나는 시점인 화재 초기단계에는 불완전연소나 열분해에 의해 생성된 먼지 모양의 검은 가루(이하, soot), CO, 이산화탄소(carbon dioxide, 이하 CO2)가 대표적으로 발생할 수 있다. soot의 경우는 0.3 μm에서 10.0 μm의 직경범위일 때 광전식 스포트형 연기감지기가 산란을 일으킬 수 있고(15) 초기단계에서는 산소가 화염으로 유입되는 면적이 상대적으로 작아 CO의 발생이 더 수월한 것이 특징이다(13). 이러한 연소생성물들을 실내공기질 센서를 활용하여 측정하기 위해 실내공기질 관리 기준을 확인하였다. 국내는 실내공기질 관리법 시행규칙 제3조의 실내공기질 유지기준을 확인하였고 국외 중 미국(16)과 일본(17)기준에 대해 확인하였다.
Table 3에 국내, 미국, 일본의 대표적인 실내공기질 유지기준에 대해 나타내었다. Table 3 내 각 항목의 수치는 각국의 법 또는 기준에서 권장하고 있는 연간 실내공기질 유지를 위한 최소값을 의미한다. 여기서 미세먼지(particulate matter, 이하 PM)센서는 측정입자 직경범위에 따라 세분화하는데 0.3 μm～1.0 μm의 극초미세먼지(이하, PM1.0), 1.0 μm～2.5 μm의 초미세먼지(이하, PM2.5), 2.5 μm～10.0 μm의 미세먼지(이하, PM10.0)로 구분한다. 연소생성물 중 soot은 실내공기질에는 해당하지 않지만 실내공기질 센서 중 PM센서의 측정범위와 광산란이 일어나는 soot 입자의 직경범위가 동일하기 때문에 측정값의 변화에 영향을 줄 수 있을 것으로 판단하여 soot은 PM센서로 확인하였다.
2.3 감도시험 관련 기준
Figure 3에 나타낸 것과 같이 감도시험은 규모에 따라 소규모시험과 실규모시험으로 구분하고 작동여부에 따라 작동시험과 부작동시험으로 구분할 수 있다.
감도시험 관련 기준으로는 ｢화재예방, 소방시설 설치⋅유지 및 안전관리에 관한 법률｣제36조에 따른 ｢감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣ (이하, 형식승인기준)과 ｢화재예방, 소방시설 설치⋅유지 및 안전관리에 관한 법률｣제40조 및 ｢소방용품의 품질관리 등에 관한 규칙｣ 제25조⋅제27조1항에 따른 ｢감지기의 우수품질인증 기술기준｣ (이하, 우수품질기준)으로 구성되어 있고 각 기준에 대한 시험세칙으로 시험 항목의 세부적인 지침을 서술하고 있다. 형식승인기준의 감도시험은 일본의 감도시험을 국내화하여 도입한 것으로 알려져 있다(18).
Table 4에 국내와 일본의 형식승인기준 감도시험의 일반사항에 대해서 나타내었다. 광전식 연기감지기의 감도시험은 시험환경을 조성한 후 감지기의 성능을 평가하는 방식이다. 감도시험기의 발연로의 온도는 400 ± 10 °C의 범위로 맞춰야 하며 발연재인 동양호지 no.2를 투입하면 회백색의 훈연으로 각 시험에 해당하는 OPM이 유지될 때 감지기를 투입하는 방식이다. OPM을 조정하기 위해서는 ODM을 이용한다. 부작동시험의 경우 설계값(2종의 경우는 10 %/m)에 0.5를 곱한 수치의 OPM 환경에서 5 min 동안 작동하지 않아야 하고 작동시험의 경우 설계값에 1.5를 곱한 수치의 OPM 환경에서 0.5 min 내에 작동해야 한다. 추가적으로 감도시험에는 OD값을 별도로 규정하지 않고 있으나 국외의 기준에는 시험방법에서 OD값을 규정하고 있기에 적절한 수치가 나타나는지 확인하기 위해 감도시험에 적용하여 검토하였다. 감도시험기 내부의 OPM에 상응하는 각각의 OD값은 5 %/m일 때 0.022 OD/m이고 15 %/m일 때 0.073 OD/m이다. 감도시험기의 내부 기류는 20 cm/s에서 40 cm/s를 유지해야 한다. 감도시험기의 환경은 온도 조건이 5 °C에서 35 °C 범위이고, 습도 조건은 45%에서 85% 범위이다. 이러한 환경에서 30 min간 환기 후 시험을 시행하여야 한다.
Table 4
General of Sensitivity Test for Type Approval Standards in Korea and Japan
우수품질기준에서도 감도시험에 대해 규정되어 있는데 2022년 1월에 소방산업기술원의 관련 기준 개정안으로써 발표한 내용에 따르면 일부가 형식승인기준으로 편입되어 제⋅개정 될 예정이다(19). 주요 내용은 우수품질기준의 제7조 제①항으로 감도시험의 풍속 조건에서 분당(1 ± 0.5) %/m의 일정한 감광율로 직선상승하는 연기기류를 투입하는 경우 감지기는 제조사 작동 감광율 설계값(이하, 작동감광율)과 연기 기류농도값과의 허용오차가 ± (연기 기류농도값 × 25%)인 범위 내에서 화재신호를 발신해야 한다는 내용이 형식승인기준 제19조 제①항 나목으로 제정될 예정이다.
우수품질기준에는 실규모 작동시험으로 화재시험과 훈소시험 항목이 존재하는데 이는 미국의 underwriter laboratory (이하, UL) 기준인 UL 268(14) 및 217(20)의 실규모 화재시험 및 훈소시험 항목을 국내화하여 도입한 규정이다. 이외의 실규모 작동시험에 international organization for standardization (이하, ISO)의 기준인 ISO 7240-7(21)을 국내화한 KS B ISO 7240-7(22)가 존재하나 법적 강제성이 없는 기준이다. 물론 우수품질기준 또한 제품을 생산하는데 요구되는 필수적인 기준은 아니지만, 소방청의 고시로써 실규모 작동시험으로는 최초 규정이다. Table 5에 UL 268/217 기준과 우수품질기준의 실규모 감도시험 항목을 비교하여 나타내었다.
Table 5
Comparison of Real Scale Sensitivity Test between KFI Approval and UL 268/217
실규모 감도시험의 항목에서 차이가 나는 이유는 2015년에 national institute of standards and technology (이하, NIST)(23,24), national fire protection association (이하, NFPA)의 부속연구소인 fire protection research foundation (이하, FPRF)(25) 그리고 UL(26)이 공동으로 연구하여 2016년판 UL 268과 2020년판 UL 217에 인화성액체 화재시험의 보완책인 폴리우레탄 폼 화재시험(이하, PU foam test)과 비화재보 저감을 위해 cooking nuisance smoke alarm test (이하, Hamburger test)가 반영되었기 때문이다.
Go-Nogo test는 UL268/217의 Hamburger test와 PU foam test의 연결실험이다. Table 6에 UL268/217 Go-Nogo test의 일반사항에 대해 정리하여 나타내었다. 감지기의 비화재보 및 화재경보에 대한 시험방법으로 변화하는 환경에서 감지기의 성능을 평가하는 방법이다. 시험방법은 Nogo에 대해 먼저 진행하는데 Hamburger test의 기준을 준용하여 OPM이 1.5 %/ft (≒ 5 %/m)에 도달할 때까지 감지기가 작동하지 않은 것을 확인한다. 이때, 상응하는 CO의 측정값은 4.72 ppm 이내로 해야 한다. 5 %/m의 OPM에 도달하면 Go에 대해 진행하는데 도달 직후 10 s 이내로 PU foam test의 시험방식으로 시료에 착화하고 OPM이 5 %/ft (≒ 15 %/m)에 도달하기 전에 시험 기준에서 명시된 위치에 설치된 감지기가 모두 작동해야 한다.
Table 6
General of Go-Nogo Test for UL 268/217
2.4 국내 감도시험의 한계
국내 감도시험을 분석한 결과 4가지의 한계점이 있음을 확인하였다. 첫 번째로 현재 하나의 시료인 종이로부터 발생하는 회백색 연기에 대해서만 성능 파악이 이루어진다는 한계가 있다. 이는 유류나 플라스틱류 등으로부터 발생하는 흑색 연기에서는 감지기의 미작동 원인이 될 수 있기 때문에 적응성이 있도록 규정을 강화할 필요가 있다(27). 두 번째로 설치장소나 화원에 대한 영향 등 공간 특성이 반영되지 않아 주방과 거실이 하나의 공간으로 이루어져 있는 소형주택 등의 용도에서 비화재보가 발생할 수 있는 원인이 될 수 있다(10). 따라서 비화재보 발생환경에 따른 부작동 특성을 파악할 필요가 있다. 세 번째로 부작동시험과 작동시험이 별도로 진행됨에 따라 시험별로 사용되는 감지기마다 성능에서 차이가 발생할 수 있기 때문에 부작동시험과 작동시험을 연계할 수 있는 시험방식을 도입할 필요가 있다. 연계하여 시험을 시행하면 하나의 감지기로써 성능을 파악할 수 있다. 네 번째로 감도시험에서 연기의 OPM만 가지고 시험이 진행되고 있기 때문에 감도시험 기준의 추가적인 시험조건에 대해 검토할 필요가 있다.
이러한 한계점을 개선하기 위해 소규모와 실규모의 실험을 진행하였다. 첫 번째 한계점을 보완하기 위해 소규모 감도시험에서 사용하는 발연재는 회백색연기를 발생시키는 것에 비해 실규모 감도시험에서는 폴리우레탄 폼이 흑색연기를 발생시키므로 이를 비교하였다. 두 번째 한계점을 보완하기 위해 실규모 공간 내 요리 상황에서의 비화재보를 햄버거패티를 사용한 실험을 통해 분석하였다. 세 번째 한계점을 보완하기 위해 Go-Nogo test를 진행함으로써 하나의 시험으로 감지기의 작동 및 부작동시험을 연계하여 진행하였을 때 특성을 확인하였다. 네 번째 한계점을 보완하기 위해 국내 감도시험의 조건에서 사용할 수 있는 연소생성물에 대해 실내공기질 센서를 활용하여 검토하였다.
3. 실 험
3.1 개요
시험은 공인된 기준에 의한 성능을 평가하는 방법을 의미하고, 실험은 해당 시험을 기반으로 하되 구성의 일부를 변경한 조건에서 실시한 것을 의미한다. 본 연구에서는 감도시험을 진행할 때 센서의 구성을 변경하였기에 실험이라는 용어를 사용하였다. 소규모 감도실험은 국내 광전식 연기감지기의 감도시험인 작동시험과 부작동시험을 기반으로 진행하였고 실규모 감도실험은 미국의 UL 268/217 Go-Nogo test를 기반으로 진행하였다.
3.2 소규모 감도실험
Figure 4에 광전식 연기감지기 감도시험의 개요를 나타내었다. 실험은 감도시험 기준과 동일한 감도시험기와 시료를 사용하여 성능을 확인하였다. Figure 4(a)는 감도시험기의 도면을 나타낸 것으로 폭이 500 mm로 ODM의 발광부와 수광부의 거리를 의미한다. 전체 길이는 1,800 mm로 하부에 발연로가 설치되어 있다. 연기감도측정기는 도면에 하부에 설치된 것으로 표현되어 있으나 꼭 해당 위치에 설치하지 않아도 된다. 감도시험기 내부에 환기팬이 존재하고 상부에 감지기를 부착할 수 있는 문이 존재한다. Figure 4(b)는 감도시험기의 사진을 나타낸 것이고 Figure 4(c)는 감도시험 시 사용되는 발연재인 동양호지 no.2를 나타내었다. Figure 4(d)는 발연로의 형태를 나타낸 사진이다.
3.3. 실규모 감도실험
Figure 5에 Go-Nogo test의 개요를 나타내었다. Figure 5(a)는 시험장의 도면으로 해당 위치에 맞춰서 각각의 감지기와 센서를 설치하였다. Figure 5(b)는 시험장 내 전기오븐과 PU foam의 위치를 사진으로 나타낸 것이고 Figures 5(c)와 5(d)는 각각 Hamburger test의 시료와 전기오븐의 연기 발생이 수월하도록 문을 11.5 cm만큼 열었을 때의 모습을 나타내었다. Figures 5(e)와 5(f)는 PU foam test의 시료와 시료에 착화한 모습을 나타내었다.
Go-Nogo test는 시간에 따른 OPM을 기준으로 연기감지기의 성능을 파악하는 시험이기 때문에 Figure 6에 나타낸 것과 같이 Hamburger test와 PU foam test의 각각의 권장 상한 OPM 농도 및 시간과 하한 OPM 농도 및 시간(이하, 프로파일)을 참고하도록 규정되어 있다. 하지만 시험시간에 대한 기준이 명확하게 규정되어 있지 않다. 이에 실험의 시작시간은 Figure 6(a)에 표시한 OPM의 농도가 변화하는 시점(이하, 빌드업)의 평균 시간으로 설정하였다. Hamburger test의 프로파일에서 빌드업 시간은 상한시간 4 min, 하한시간 10 min을 참고하여 최초 5 %/m (0.022 OD/m)에 도달한 시점에서 평균값인 7 min을 시작시간으로 설정하였다. 실험의 종료시간은 Figure 6(b)에 나타낸 PU foam test의 프로파일에서 OPM 상승의 변곡점을 상한시간 3.7 min, 하한시간 5.0 min을 참고하여 종료시간을변곡점의 평균값인 4.3 min을 기준으로 설정하였고 전체 실험시간을 11.3 min으로 설정하였다. 실험은 기준과 동일한 시험장 및 시료를 사용하여 성능을 확인하였다.
3.4 센서성능 및 초기값 설정
Figure 7에 각각의 측정센서에 대한 성능을 나타내었다. 실험의 일관성과 환경 파악을 위하여 OPM과 OD를 측정하기 위한 ODM을 설치하였고, 온도 및 습도센서를 설치하였다. 그리고 감도시험 조건을 개선할 수 있는 실내공기질 센서를 선정하기 위해 PM, CO, CO2 센서를 각각 설치하였다. 추가적으로 실규모 감도실험을 진행할 때 국내 감도시험을 통해 형식승인을 받은 4사의 GSD를 설치하여 감지성능을 확인하였다.
측정센서의 초기값은 시험기준 및 실내공기질 기준을 참고하여 설정하였다. ODM의 경우 100 μA를 기준으로 하여 OPM을 확인하였고, 온도와 습도는 시험조건 범위로 설정하였다. CO는 Hamburger test의 성능기준이 존재하여 5 %/m의 OPM에서의 최대값(4.72 ppm)과 최소값(1.50 ppm)의 평균값인 3.11 ppm 미만을 초기값으로 설정하였다. 이는 각국의 실내공기질 유지기준인 9-10 ppm보다 낮은 수치이다. CO2는 각국의 실내공기질 유지기준인 1,000 ppm을 참고하여 1,000 ppm 미만으로 초기값을 설정하였다. PM센서는 PM1.0, PM2.5, PM10.0을 동시에 측정할 수 있는 센서이므로 대표적으로 PM10.0은 3개국의 최소값(50 μg/m3)과 최대값(150 μg/m3)의 평균값인 100 μg/m3 미만으로 초기값을 설정하였다.
4. 결과 및 고찰
4.1 실험의 일관성 및 환경파악
실험의 일관성 및 환경파악을 위한 측정센서로 ODM과 온⋅습도센서를 확인하였다. Figure 8에 소규모 감도실험에 대한 ODM으로 측정한 OPM과 OD값을 나타내었고, Figure 9에 실규모 감도실험에 대한 ODM으로 측정한 OPM과 OD값을 나타내었다. 해당 그림에서 청색으로 표기된 부분이 부작동실험, 적색으로 표기된 부분은 작동실험에서의 OPM과 OD값을 의미한다. 추가적으로 Figure 9의 녹색부분은 GSD 작동시점에서의 OPM과 OD값을 의미한다. 각 실험의 전체시험시간이 상이하여 측정값의 비교가 용이하도록 전체시간당 단위시간(min/min)을 기준으로 측정값과 범위를 확인하였다.
ODM 분석의 결과로 소규모 부작동실험은 시험기준인 5 %/m의 오차범위 내인 4.9 ± 0.3 %/m의 OPM과 0.024 ± 0.003 OD/m의 OD값 범위에서 진행된 것을 확인하였고, 소규모 작동실험도 시험기준인 15 %/m의 오차범위 내인 14.9 ± 0.3 %/m의 OPM과 0.072 ± 0.001 OD/m의 OD값 범위에서 진행된 것을 확인하였다. 실규모 감도실험 결과는 Hamburger test와 PU foam test의 프로파일 기준 내에 도달하였고, Nogo 판단기준으로부터 평균 0.166 min/min 이후에 Go 판단기준인 15 %/m와 0.073 OD/m에 도달한 것으로 나타났다.
Table 7에 GSD의 작동시간을 나타내었다. 최초로 작동한 GSD를 기준으로 작동시간을 분석한 결과 34.10 ± 2.40 %/m의 OPM과 0.181 ± 0.016 OD/m의 OD값에 작동하는 것으로 나타났다. 이는 소규모 작동실험과는 다른 양상을 보이는 데 시료로 인해 발생하는 연기의 색상에 따라 작동특성이 다르게 나타난 것으로 판단된다(28).
Table 7
Activated Time of GSD in Real Scale Sensitivity Experiments
| Contents | Manufacturer | |||
|---|---|---|---|---|
| A | B | C | D | |
| Case 1 | 17.0 | N/A | 16.3 | 16.8 |
| Case 2 | N/A | 18.9 | 18.0 | 18.6 |
| Case 3 | 15.6 | N/A | 14.7 | 15.1 |
Figure 10에 소규모 및 실규모 감도실험에 대해 온⋅습도센서로 측정한 온도와 습도를 나타내었다. 결과로 소규모 감도실험은 작동 28.9 ± 0.04 °C와 부작동 29.4 ± 0.70 °C의 온도 범위로, 작동 31.8 ± 0.35%와 부작동 31.9 ± 0.90%의 습도 범위로 확인되었다. 실험장의 온⋅습도 범위와 차이가 발생하는 이유는 발연로의 높은 온도로 인해 감도시험기 내부의 온도는 상승하고 습도는 하강한 것으로 판단된다. 실규모 감도실험은 전체 실험시간에서 온도가 21.6 ± 1.37 °C 범위이고 습도는 46.8 ± 0.73% 범위로 실험시간동안 큰 변화 없이 유지되는 것으로 나타났다. 다만, PU foam에 착화한 시점 이후로 약소하게 온도가 상승하는 경향이 있으나 실험조건에서 벗어난 수치는 아닌 것으로 확인되었다.
4.2 감도시험에서의 활용인자 선정
소규모 감도실험과 실규모 감도실험에서 연소생성물의 측정결과를 CO, CO2, PM1.0, PM2.5, PM10.0 순으로 확인하였다. 첫 번째로 Figure 11에 감도실험의 CO 측정값 결과를 나타내었다. CO 측정값은 실규모 감도실험의 Nogo 판단기준과 소규모 감도실험 중 부작동실험에서 각각 5.07 ± 1.33 ppm과 5.43 ± 1.15 ppm의 범위로 확인되었고 Nogo 시 CO의 성능기준인 4.72 ppm의 오차범위 내로 측정되었다. 실규모 감도실험의 Go 판단기준과 소규모 감도실험 중 작동실험에서 각각 9.53 ± 1.47 ppm과 6.40 ± 1.41 ppm의 범위로 확인되었다. CO 측정값에서 차이가 나는 이유는 시료의 종류 및 연소방식에 의한 것으로 판단된다. 소규모 감도실험과 실규모 감도실험의 Nogo 판단까지는 각각 동양호지 no.2와 햄버거패티를 가열하여 발연하는 방식이기 때문에 착화하여 연소하는 PU foam에 비해 CO의 발생 정도가 적은 것으로 판단된다. 다만, 본격적으로 화염이 PU foam 전반적으로 확산되기 전의 수치이기 때문에 CO 발생량이 10 ppm 정도로 나타난 것으로 판단된다. GSD 작동시점에서의 CO 측정값은 19.27 ± 0.59 ppm으로 확인되었다. 이는 선행연구로써 PU foam test에서 아날로그형 광전식 연기감지기의 OPM이 최대 10 %/m에 도달하였을 때 ODM의 OPM이 최대 37 %/m에 도달하였고, 이 때 CO의 농도범위가 14.3 ± 0.9 ppm이며 Nogo 판단기준인 4.72 ppm에서 상승을 시작한 것을 바탕으로 적용하면 GSD 작동시점과 유사한 CO 측정값 범위를 가지는 것을 확인할 수 있다(8). 이를 바탕으로 CO의 값은 감도시험에서 시험조건을 구성할 때 활용 가능할 것으로 판단된다.
두 번째로 Figure 12에 감도실험의 CO2 측정값 결과를 나타내었다. CO2 측정값은 실규모 감도실험의 Nogo 판단기준과 소규모 감도실험의 부작동실험에서 각각 1,030 ± 153 ppm과 998 ± 154 ppm의 범위로 확인되었고 초기값 설정기준인 1,000 ppm의 오차범위 내로 측정된 것으로 확인되었다. 실규모 감도실험의 Go 판단기준과 소규모 감도실험 중 작동실험에서는 각각 1,588 ± 185 ppm과 1,161 ± 115 ppm의 범위로 확인되었다. CO2 측정값도 CO 측정값과 유사한 이유로 실규모 감도실험의 Nogo 판단기준과 소규모 감도실험까지는 변화가 거의 없는 것으로 판단된다. 실규모 감도실험의 경우도 본격적으로 화염이 PU foam 전반적으로 확산되기 전의 수치일 때이므로 500 ppm 정도 상승한 것으로 판단된다. GSD 작동시점에서의 CO2 측정값은 2,459 ± 43 ppm으로 확인되었다. 측정값이 유의미해 보이나 인원이 밀집된 학교의 교실이나 강의실 등에서 CO2 값이 최대 3,000 ppm까지 도달할 수 있기 때문에 2,500 ppm의 CO2 값을 감도시험 조건을 개선하기 위한 실내공기질 센서로 활용하면 비화재보의 발생 우려가 있다는 것을 확인하였다(29).
세 번째로 Figure 13에 감도실험의 PM1.0 측정값 결과를 나타내었다. PM1.0 측정값은 실규모 감도실험의 Nogo 판단기준과 소규모 감도실험 중 부작동실험에서 각각 383 ± 17 μg/m3과 230 ± 30 μg/m3의 범위로 확인되었다. 실규모 감도실험의 Go 판단기준과 소규모 감도실험 중 작동실험에서는 각각 183 ± 10 μg/m3과 187 ± 51 μg/m3의 범위로 확인되었다. PM1.0은 부작동실험보다 작동실험에서 더 낮은 수치를 나타내는데 이는 PM1.0 범위의 연기 속 soot의 입자는 기화로 사라지거나 분해되어 빛의 산란이 잘 일어나지 않을 수 있기 때문에 입자가 큰 PM2.5나 PM10.0이 상승하였을 때 측정값이 상대적으로 낮아지는 것으로 판단된다(30). 동일한 원리로 GSD 작동시점에서의 PM1.0 측정값은 105 ± 8 μg/m3으로 가장 낮은 수치인 것으로 판단된다.
네 번째로 Figure 14에 감도실험의 PM2.5 측정값 결과를 나타내었다. PM2.5 측정값은 실규모 감도실험의 Nogo 판단기준과 소규모 감도실험 중 부작동실험에서 각각 2,258 ± 125 μg/m3과 2,524 ± 116 μg/m3의 범위로 확인되었고 실규모 감도실험의 Go 판단기준과 소규모 감도실험 중 작동실험에서는 각각 2,607 ± 61 μg/m3과 2,594 ± 18 μg/m3의 범위로 확인되었다. PM2.5는 부작동실험과 작동실험이 유사한 수치를 나타내는데 PM10.0이 급격하게 상승하는 구간 전에 최대값에 도달한 것을 기인하여 PM1.0과 동일한 원리로 나타나는 양상으로 판단된다. 따라서 GSD 작동시점에서도 PM2.5 측정값이 2,077 ± 125 μg/m3으로 가장 낮은 수치인 것으로 판단된다.
마지막으로 Figure 15에 감도실험의 PM10.0 측정값 결과를 나타내었다. PM10.0 측정값은 실규모 감도실험의 Nogo 판단기준과 소규모 감도실험의 부작동실험에서 각각 3,147 ± 276 μg/m3과 4,959 ± 219 μg/m3의 범위로 확인되었고 실규모 감도실험의 Go 판단기준과 소규모 감도실험 중 작동실험에서는 각각 4,696 ± 154 μg/m3과 7,837 ± 169 μg/m3의 범위로 확인되었다. PM10.0은 소규모와 실규모에서 측정범위의 차이가 나타나는데 이는 선행연구에서 진행하였던 소규모 작동실험에서 PM10.0의 평균값이 9,708 μg/m3인 것(7), 실규모 부작동실험에서 5 %/m의 OPM 도달 시 PM10.0의 값이 약 3,500 μg/m3인 것(9), 실규모 작동실험에서 15 %/m의 OPM이 약 4,500 μg/m3인 것(8) 등을 확인하였을 때 시료의 특성으로 인해 나타나는 양상으로 판단된다. 이와 동일하게 GSD 작동시점에서의 PM10.0 측정값은 8,143 ± 52 μg/m3으로 실규모 작동실험 선행연구의 결과인 7,668.9 μg/m3와 유사한 것으로 나타났다(8). 이를 바탕으로 PM10.0의 값은 감도시험에서 조건을 구성할 때 활용가능 할 것으로 판단된다. CO, CO2, PM에 대한 실험결과를 고찰하여 시험조건을 구성할 때 활용할 수 있는 인자로써 CO와 PM10.0이 적합하다고 선정하였다.
4.3 선정된 활용인자와 OPM의 비교
선정된 시험조건의 구성에 활용할 수 있는 인자인 CO와 PM10.0에 대한 기준을 제안하기 위해 OPM에 따른 변화를 비교하였다.
Figure 16은 CO와 OPM의 관계를 나타내었다. 그래프를 보면 CO는 OPM과 일차함수로써 선형관계를 가지는 것으로 확인되었다. 관계식은 Equation (3)에 나타내었다. 여기서, CO의 단위는 ppm이고, OPM의 단위는 %/m이다.
해당 식으로 5 %/m의 OPM에서 CO값은 4.56 ppm, 15 %/m의 OPM에서 CO값은 10.26 ppm, GSD 작동 OPM 중 최소값인 31.7 %/m에서 CO값은 19.78 ppm으로 도출할 수 있다.
Figure 17은 PM10.0과 OPM의 관계를 나타내었다. 그래프를 보면 PM10.0은 OPM와 일차함수로써 선형관계를 가지지 않고 자연로그함수로써 비선형관계를 가지는 것으로 확인되었다. 관계식은 Equation (4)에 나타내었다. 여기서, PM10.0의 단위는 μg/m3이고 OPM의 단위는 %/m 이다.
해당 식으로 5 %/m의 OPM에서 PM10.0값은 3,308 μg/m3, 15 %/m의 OPM에서 PM10.0값은 5,696 μg/m3, GSD 작동 OPM 중 최소값인 31.7 %/m에서 PM10.0값은 7,323 μg/m3으로 도출할 수 있다.
비교를 통해 CO와 PM10.0이 각각 OPM과 어떤 관계가 있는지 정리하여 Table 8에 나타내었다. CO는 기울기의 오차가 소수점 셋째 자리 미만인 0.57 ± 0.00으로 도출되었고 초기값의 오차는 1.71 ± 0.04, 결정계수는 0.99로 도출되었다. PM10.0은 기울기의 오차가 2,173.94 ± 16.77로 도출되었고 초기값의 오차는 -190.83 ± 32.45, 결정계수는 0.96으로 도출되었다. PM10.0의 경우 초기값이 음수의 범위이기 때문에 1.13 %/m의 OPM 이상에서만 신뢰성을 가지는 것으로 확인되었다.
4.4 국내 감도시험 개선방안과 시험조건 제안
현행 국내 감도시험 개선안은 기준검토를 통한 한계개선과 성능기준 제안으로 나눌 수 있다. 먼저, 기준검토를 통한 한계개선으로 시료의 획일성 문제와 공간 특성의 미반영 문제를 개선하기 위해 실험을 실시한 결과 PU foam test에서 발생한 흑색연기로 인한 OPM과 소규모 감도실험을 통해 발생한 회백색연기로 인한 OPM이 상이한 것으로 나타났다. 해당 시험에 대한 보완책으로 현행 형식승인기준에 우수품질기준 중 화재시험과 훈소시험을 추가하되 설치장소에 따라 실규모 작동시험 항목을 선택적으로 수행할 수 있도록 해야 하고 인화성액체보다 실내에서 많이 사용되는 가구류에 포함되어있는 UL 268/217 기준의 PU foam test에 대한 기준을 도입하되 국내 실정에 맞게 성능기준을 보완하여야 한다. 또한 실규모 부작동시험인 UL 268/217 기준의 Hamburger test를 국내 실정에 맞는 시료를 선정 후 신설하여 비화재보를 방지하도록 해야 한다. 추가로 별도로 이루어지는 실험방식의 문제를 해결하기 위해서는 UL 268/217 기준의 Go-Nogo test를 참고하여 국내 실정에 맞는 실규모 감도시험을 제정할 필요가 있다.
다음으로 성능기준은 실규모 감도시험의 결과로 CO와 OPM의 관계식과 PM10.0과 OPM의 관계식을 이용하여 부작동기준과 작동기준에 CO와 OPM의 성능기준을 적용할 필요가 있다. 해당 식을 통해 감도시험의 시험조건에 대해서 제안하였다. 먼저, CO의 경우 현행 소규모 감도시험에서의 CO값은 초기값이 1.75 ppm 이하의 범위에서 시험이 시작되어야 하고, 감지기가 작동하면 안되는 부작동시험에서 CO값은 4.6 ppm 미만의 환경으로 진행해야 한다. 감지기가 작동해야 하는 작동시험의 경우는 부작동시험에서 제안한 CO값 이상이되 10.3 ppm을 초과하지 않은 환경에서 진행해야 한다. 또한 실규모 감도시험을 도입할 경우 국내 실정에 맞게 Nogo의 판단기준은 OPM을 15 %/m로 설정하고 이에 상응하는 CO값은 10.3 ppm 미만으로 하여야 한다. Go의 판단기준은 OPM을 31.7 %/m로 설정하고 이에 상응하는 CO값은 19.78 ppm을 초과하지 않아야 한다. PM10.0의 경우 현행 소규모 감도시험과 실규모 감도시험에서 값의 차이를 최소화하기 위해 소규모 감도시험에서는 OPM이 1.13 %/m 이상의 조건에서 74.86 μg/m3의 초기값을 가질 때 시험을 시작하고 부작동시험에서는 5,696 μg/m3 미만으로 환경을 유지해야 하고, 작동시험에서는 부작동시험의 농도 이상이되 7,323 μg/m3를 초과하지 않은 환경에서 시험을 진행해야 한다. 또한 실규모 감도시험을 도입할 경우 참고사항으로 국내 실정에 맞게 Nogo의 판단기준으로 OPM은 CO와 동일하게 15 %/m로 설정하고 이에 상응하는 PM10.0값은 5,696 μg/m3 미만으로 하여야 하고, Go 판단기준은 OPM을 31.7 %/m로 설정하고 이에 상응하는 PM10.0값은 7,323 μg/m3을 초과하지 않아야 한다. 제안한 성능기준은 시험방법의 적합성에 대해 평가할 때 사용하거나 복합형 감지기에 적용하여 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
광전식 스포트형 연기감지기의 감도시험을 개선하기 위해 관련 기준을 분석하여 한계점을 확인하고 이를 보완하기 위한 실험을 실시하였으며 결과를 고찰하여 내린 결론은 아래와 같다.
첫째, 국내 작동시험의 한계로 시료의 획일성 문제, 공간 특성의 미반영 문제를 개선하기 위해 현행 감지기 우수품질기준에 존재하는 화재 및 훈소시험을 형식승인기준에 도입하되 실규모 작동시험으로써 변경하고 인화성액체를 대체하는 PU foam test를 신설하여 흑색 연기에 대한 성능평가 방법을 도입해야 한다.
둘째, 국내 부작동시험의 한계로 시료의 획일성 문제, 공간 특성의 미반영 문제를 개선하기 위해서는 형식승인기준에 실규모 부작동시험인 Hamburger test를 도입하되 국내 실정에 맞도록 시료를 선정 및 반영하여 비화재보를 방지할 수 있도록 해야 한다.
셋째, 현행 별도로 이루어지는 감도시험 방식의 한계에 대한 개선방안으로 실규모 작동시험 및 부작동시험을 연계하여 진행하는 UL 268/217의 Go-Nogo test와 같은 국내 실정에 맞는 실규모 감도시험을 형식승인기준에 도입해야 한다.
넷째, 현행 감도시험의 시험조건 개선을 위해서는 실내공기질 센서인 CO와 PM10.0을 활용할 수 있고 CO와 OPM의 관계식과 PM10.0과 OPM의 관계식을 제안하였다.
다섯째, 관계식을 통해 현행 감도시험에서 시험 시 초기값으로 CO는 1.75 ppm, PM10.0은 OPM이 1.13 %/m 이상의 조건에서 74.86 μg/m3로 구성하고, 부작동시험은 CO는 4.6 ppm 미만, PM10.0은 5,696 μg/m3 미만의 환경에서 시험을 시행하고 작동시험은 부작동시험의 CO와 PM10.0 이상에서 CO는 10.3 ppm 미만, PM10.0은 7,323 μg/m3 미만의 환경에서 시험을 시행하는 것을 제안하였다.
여섯째, 실규모 감도시험 도입 시 참고사항으로 Nogo 판단기준 OPM은 15 %/m, Go 판단기준 OPM은 31.7 %/m로 하고 상응하는 CO값은 각각 10.3 ppm과 19.78 ppm이고 PM10.0값은 각각 5,696 μg/m3과 7,323 μg/m3로 제안하였다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
