1. 서 론
현재 우리나라의 화재감지 시스템은 화재시 발생되는 열, 연기, 불꽃과 같은 초기 연소생성물들을 감지하여 화재신호를 수신기에 발신한다. 화재초기 조기감지를 위해 열, 불꽃감지기 외 연기감지기가 대체로 사용되어 건축물에 널리 사용되고 있다. 또한 연기감지기는 조기감지를 위한 목적으로 2015년 NFSC 203 개정을 통해 특정소방대상물 중 취침, 숙박 등의 유사한 용도로 사용되는 거실에 연기감지기를 설치하도록 규정되면서 연기감지기가 현재 건축물에 가장 많이 설치되고 있다(1-3). 건축물 거실에 다수의 연기감지기를 설치함에 따라 주택에서 요리 및 음식물 조리에 의해 발생하는 연기로 비화재보와 같은 문제점이 발생되고 있다. 소방재난본부 행정사무 감사 자료에 따르면 2019년부터 2022년 9월까지 전체화재 출동 건수는 55,755건이며, 화재오인으로 인한 출동은 13,985건(24.1%)으로 나타나 비화재보로 인한 소방력 손실은 중대한 문제점으로 강조되고 있다(4). 연기감지기의 비화재보는 세계적인 문제점으로 국외 기관인 underwriters laboratories (UL)의 경우 연기감지기의 비화재보로 인한 문제점을 해결하고자 UL 268 (smoke detectors for fire alarm systems) 기준(5) 개정을 통해 실제 비화재보시험인 cooking nuisance test (이하; 요리방해인자시험) 기준을 새롭게 도입하여 2020년부터 생산된 연기감지기는 본 기준에 대한 성능시험을 적용해 비화재보로 인한 연기감지기의 신뢰성 저하를 최소화하고 있다(6). 하지만 국내에서는 연기감지기는 형식승인 기준(7)에 의거한 감도시험기에서 실시하는 부작동시험과 비화재보방지 시험인 상대습도를 급격하게 변경하여 투입하는 경우, 백열램프, 크세논램프 노출시험과 같은 기준으로만 비화재보에 대한 적응성을 판단하고 있기 때문에 실제 비화재보를 방지하기에는 역부족인 실정이다.
국내에서는 이러한 문제점을 인식하여 연기감지기 성능향상을 위해 자체 시험장을 구성하여 UL 268 화재시험 기준을 적용해 다양한 실험연구를 진행하고 있다. 하지만 UL 268의 경우 미국에서 제시된 안전기준이다 보니 요리방해인자시험과 같은 비화재보 시험은 대형 오븐을 사용해 시험을 실시하고 있다. 이 경우 국내에서는 오븐을 사용하는 공동주택은 극히 드물며 일반 식당에만 적용되어 있어 국내에서 발생되는 요리방해인자시험의 신뢰성은 저하되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 UL 268에서 제시되는 비화재보 실험인 오븐을 제외하고, 공동주택에 설치된 싱크대와 가스버너를 설치하여 가정에서 가장 많이 조리를 하는 삼겹살과 고등어를 가열해 나타난 연기 및 부산물로 연기감지기 작동특성과 연소생성물을 비교 분석하고자 한다. 즉, UL 268 시험기준을 참고하여 국내 형식에 맞춘 싱크대 및 가스버너를 적용한 UL 268 요리방해인자 실험과 실제 비화재보 실증 테스트베드를 구축하여 실험을 실시해 연기감지기 연기농도에 따른 연소생성물을 분석해보고자 한다.
따라서 본 연구에서는 기존 UL 268 화재시험 및 비화재보 시험연구를 분석하여 각각 시험별 나타난 연기농도와 CO농도를 분석해 CO의 화재농도와 비화재보 농도를 분석하고, 본 실험은 실제 국내 형식에 맞춘 UL 268 비화재보시험과 실규모 비화재보실증 실험을 통해 연기감지기 연기농도에 따른 연소생성물을 분석하여 연기 이외의 화재감지 인자 중 CO센서의 적용성을 분석하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 기존 선행논문 분석 및 CO센서 화재감지 농도 제시
Table 1과 Figure 1의 경우 “화재 시 가연물에 따른 연기성상 및 감지방법에 관한 연구”(8)에서 제시된 UL 268 화재시험 및 비화재시험을 통한 최종 CO의 화재감지 농도와 비화재농도를 제시한 것이다.
Table 1
CO Fire Detection Concentration Through Previous Research Analysis (ppm)(8)
해당 논문은 UL 268에서 제시되는 화재시험 종이, 목재, 인화성액체, 폴리우레탄폼 화재시험을 진행하여 나타나는 농도값을 분석하였고 최종 비화재시험을 통해 나타난 연소생성물의 농도를 비교⋅분석하여 CO의 화재범위 값을 제시하였다.
Figure 1의 제시된 데이터는 2종 연기감지기의 부작동 농도 5 %/m가 측정되었을 때 나타나는 CO의 농도값을 막대그래프로 나타내었으며, 마름모 그래프는 아날로그 연기감지기의 최대 연기농도가 측정될 시점의 CO의 농도값을 나타낸 것이다. 선행연구에서 비화재보 시험시 최대 CO값은 7 ppm이 나타났고 이후 화재시험시 나타난 최저 CO의 경우 폴리우레탄폼 화재시험 에서 17 ppm로 나타났으며, 다른 가연물 화재시험에서 17 ppm 이상의 농도가 측정된 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 화재시 발생되는 CO의 경우 비화재 시험보다 더욱 CO농도가 발생된 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 선행연구에서는 CO의 화재감지 영역대는 17 ppm 이상 발생 시 화재로 판단하여야 한다고 하였으며, 비화재 영역대는 7 ppm 이하의 영역대에서 비화재로 판단하도록 분석하였다. 추가적인 CO센서 화재감지 효과성 분석 논문과 UL 268 관련 선행연구를 추가 분석(9-12)한 결과 CO 센서를 통해 화재로 판단할 수 있는 최소 농도의 경우 16.7 ppm으로 제시된 것을 확인할 수 있었고 이후 폴리우레탄폼을 제외한 UL에서 제시되는 다른 가연물의 경우 CO농도가 약 25 ppm보다 높게 나타나면서 화재감지를 위한 CO센서 적용의 신뢰성이 나타났다. 다만 폴리우레탄폼에서 나타나는 CO농도가 낮게 나타나 화재감지 농도를 17 ppm으로 편성하였는데 이는 폴리우레탄폼의 경우 고분자 결합에 의한 완전연소 및 용융 현상이 발생되고, 이로 인해 HCl 및 NO가스의 발생량이 높게 나타났으며, 불완전연소에 의해 발생되는 일산화탄소 농도는 비교적 불완전연소(종이, 목재, 목재훈소 등)를 발하는 가연물보다 발생량이 적게 나타나 위와 같은 화재농도로 제시되었다.
2.2 UL 268 cooking nuisance test 실험방법
Figure 2(a)는 UL 268에서 제시하고 있는 요리방해인자시험 기준을 적용한 실험체와 실험 사진을 나타낸 것이다. Figure 2(b)는 실험장 크기로 길이 9.35 m, 폭 6.7 m, 높이 3 m이며, 시험 화원이 되는 오븐은 그림의 A 위치에 후면 벽으로부터 5 ± 1.27 cm의 위치에 설치되어 있다. 감지기는 천장부에서 직선상 오븐과 3.05 m 떨어진 위치에 아날로그 연기감지기(analog smoke detector, ASD)를 설치하여야 하며, 시험의 연기량(감광율)의 적합성을 판단하는 광학농도계(optical density meter, ODM)를 설치해 연기로 인한 감광율을 측정하여 Figure 2(c)기준에 통과하는 프로파일을 도출하여야 한다. Figure 2(d)는 실험 후 오븐 내부의 햄버거 패티가 탄화하여 조리연기가 발생한 사진이며, 오븐은 천장에서부터 바닥으로 1.54 m 위치에 오븐 상단표면이 위치하여야 하고 오븐 내부에 그릴과 석쇠를 내부에 넣어 100∼120 g의 햄버거 패티를 그릴 중심부에 1개 놓고 좌우 양옆으로 1 cm 이격하여 총 3개의 패티를 배치해 실험을 진행하여야 한다. 이후 오븐에 패티를 넣은 후 오븐의 문을 닫고 일정시간 경과 후 Figure 2(e)와 같이 오븐의 문을 11.5 cm 개방 후 고정하여 햄버거 패티의 연기가 배출될 수 있도록 하며 최종 1500 s 동안 실험을 지속하여야 한다. 이처럼 UL 268 요리방해인자시험 기준은 미국 공동주택 상황에 맞춰 오븐을 활용하여 연기감지기를 시험하고 있다. 하지만 국내 공동주택에서는 오븐보다 가스버너의 설치환경이 더욱 조성되어있어 이에 따라 국내형식에 맞는 비화재보 실험을 실시하고자 실험장의 크기와 연기감지기 위치는 동일하게 진행하고, 화원부와 가연물을 싱크대에 설치된 가스버너와 고등어 및 삼겹살로 교체하여 실험을 진행하고자 한다. 추가적으로 공동주택 시설과 유사한 비화재보 실험장을 구축하여 삼겹살 및 고등어 비화재보 실험을 진행해 요리부산물에 의한 연소생성물을 분석하고자 한다.
3. 실 험
모든 실험을 진행하기에 앞서 실험시료의 경우 국내 주택에서 쉽게 조리해 섭취하는 대표적인 요리 인자로 냉동상태의 대패삼겹살과 냉동 고등어를 사용하였다. 해당 실험시료의 선정 기준의 경우 한국농촌경제연구원의 식품소비형태조사 통계보고서(2013-2018)(13)에 따르면 육류 소비형태 조사결과 소비자들이 가장 선호하는 육류 1순위는 돼지고기로 조사되었고, 돼지고기 중 부위별 구이 비중은 삼겹살(80%)이 가장 높게 나타난 것으로 조사되었다. 또한 해양수산부 2020년 수산물 생산 및 유통산업 실태조사 보고서(14)에 따르면 2016∼2020년까지 일반해면어업의 품종별 생산현황 중 1순위 멸치 다음으로 고등어의 생산량이 가장 많은 것으로 조사됐고, 코로나 19로 인하여 연안고등어의 생산 감소로 냉동 고등어의 수요가 늘어난 것으로 조사됐다. 이처럼 국내에서 유통이 많이 되고 수요가 잦은 식품인 삼겹살과 냉동고등어를 실험시료로 선정하였다.
실험시료인 대패삼겹살 1조각은 평균적으로 두께 2 ± 0.5 mm, 가로 120 ± 0.5 mm, 세로 40 ± 0.5 mm의 크기로 썰어 냉동된 상태로 지방 40 ± 5%, 살코기 60 ± 5%로 함유된 총중량 300 ± 10 g을 사용하였다. 또한, 냉동 고등어는 냉동상태의 손질된 고등어살을 사용하였으며, 고등어살 2개 조각을 사용하여, 총중량은 300 ± 10 g을 사용하였다. 시험 전 실험시료는 UL 268 실험시료 전처리 기준과 같은 -20∼-25 °C의 저온에서 72 h 이상 냉동보관 후 시료로 사용하였다.
3.1 UL 268 국내형 비화재보 실험방법
Figure 3은 실험에 사용한 실험장비와 UL 268 실험공간에 국내형 실험체를 적용한 실험 규격 및 실험사진이다. 요리로 인한 연기 발생 시 연기감지기와 연소생성물을 파악하고자 실험을 진행하였으며 기존 UL 268 시험기준을 참고하여 실험을 진행하였다. 계측부는 UL 268 시험과 동일한 화원부에서부터 3.05 m 떨어진 위치에 있으며 계측부에서는 실시간 연기농도를 확인할 수 있는 아날로그 연기감지기(analog smoke detector; ASD)와 연소생성물을 측정하는 연소가스분석기(combustion gas analyzer, CGA) Wohler A550를 설치하였고 SO2, NO, NO2의 농도를 측정하는데 사용하였다. 추가적으로 가스분석기(gas analyzer, GA) Tiger 2000를 설치하여 CO, HCHO, TVOC를 측정하는데 사용하였다. 실험에 사용되는 모든 측정 장치는 실시간으로 sampling 되며 모든 분석은 시간대별 나타나는 농도값을 제시하여 분석하였다. Figure 3(d)는 실험의 구성도를 나타낸 것으로 실험은 UL 268 규정한 요리방해인자시험 비화재 실험장과 동일한 규모로 구축하여 가로 9.35 m × 세로 6.7 m × 높이 3.0 m의 화재실험장에서 실험을 진행하였다.
기존 오븐이 설치되어야 하는 공간에 공동주택에 사용되는 싱크대와 가스버너를 설치하였고 Figure 3(e)의 측면도와 같이 싱크대에서부터 직상부로 0.9 m 떨어진 위치에 hood를 설치하여 건축물의 주방과 유사한 환경으로 조성해 비화재보 실험을 진행하였다. Figure 3(f)는 실험 진행시 요리부산물에 의한 수증기 및 연기가 실험공간에 채워지고 있는 상태를 나타낸 것으로 모든 실험은 실내온도 25 ± 3 °C, 상대습도 50 ± 5%에서 진행하였으며, 실험 반복 5회를 통해 평균값을 적용하여 분석하였다. 실험시간은 동물성 기름에 화염이 붙지 않는 시간을 고려해 1000 s 동안 실험을 진행하였다.
3.2 실규모 비화재실험장을 이용한 비화재보 실험방법
Figure 4는 실규모 비화재보 실험장의 규격을 나타낸 것으로 공동주택의 공간을 재현하여 실험장을 구성하였다. 실험공간은 삼겹살과 고등어조리 비화재보 실험이 진행되는 room 1과 요리부산물의 연기가 자연 유동이 진행될 수 있도록 구성한 living room으로 되어있다. room 1은 가로 2.5 m × 세로 4 m × 높이 2.5 m 크기이며, living room은 가로 7 m × 세로 1.5 m × 높이 2.5 m의 크기이다. 여기서 room 1의 벽면에는 일반 주방에 설치되는 싱크대를 설치하였고 싱크대의 높이는 바닥에서부터 0.9 m이며 가스버너에 의한 삼겹살 및 고등어 조리를 해당 높이에서 가열하여 실험을 진행하였다.
연기 또는 에어로졸에 의한 감광율을 확인하는 장치인 광학농도계(optical density meter, ODM)는 벽면과 3 m 떨어진 천청부에 설치하였으며 아날로그 연기감지기 또한 UL 268 기준과 동일하게 ODM기준 0.3 m 떨어진 위치에 설치하였다. 연기감지기 기준으로 CGA와 GA를 설치하여 실험이 진행됨에 따른 연소생성물을 분석하고자 한다. 추가적으로 연기감지기의 경우 천장 또는 반자가 낮은 실내 또는 좁은 실내에 있어서는 출입구의 가까운 부분에 설치하여야 하는 기준을 토대로 출입구로부터 1 m 떨어진 위치에 설치하였다. 실험은 실내온도 25 ± 3 °C기준으로 상대습도 50 ± 10%에서 실험을 진행하였으며, 실험 반복 5회를 통해 평균값을 적용하여 분석하였다. 실험시간은 연기감지기의 화재감지 작동시간과 실험의 안정성을 고려해 1000 s 동안 실험을 진행하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 UL 268 국내형 비화재보 실험결과
모든 실험은 실험시작 즉시 가스버너의 화력을 최대로 하여 실험종료시까지 지속적으로 열원을 인가하였다. Table 2 및 Figure 5는 UL 268 국내형 비화재보 고등어조리 실험결과이다. Figure 5(a)의 ODM 그래프를 분석해보면 첫 상승 피크는 300 s에 발생되면서 점차 고등어에서 발생되는 수증기와 요리부산물로 인해 광학농도계(ODM)의 빛가림이 지속돼 최대 24.1 %/m의 감광이 발생되었다. UL 268에서 제시되는 ODM의 연기농도는 발광부에서 발신하는 빛이 직선상에 있는 수광부에 도달되어 측정되는 원리로 발광부와 수광부 사이에 연기 또는 에어로졸에 의한 빛가림이 발생된다면 빛가림을 통해 감광율을 계산하는 원리이다.
Table 2
UL 268 Mackerel Unwanted Alarm Test Results
아날로그 연기감지기의 경우 연기감지기 챔버 내부에 연기 또는 에어로졸이 유입되고, 이후 내부 IR LED에서 발신되는 광에 에어로졸에 의한 광산란이 발생될 경우 수광부(photocell)에 빛이 입사되어 화재를 감지하는 방식이다.
기존 UL 268 화재실험의 경우 고온의 화원에 의한 가연물에서 불완전연소가 발생되고 이때, 생성된 연기는 화원 직상부에 천천히 쌓이며 체류되다가 화염누출이 발생하게 되면서 화원 직상부에 체류하고 있던 연기가 화염에 의한 열 부력으로 천장을 타고 ODM이 설치된 곳으로 급격히 이동하면서(9) 화재시험 시 첫 연기 상승은 감광방식을 사용하는 ODM에서 빠른 연기농도 상승이 발생된다. 이후 ASD의 챔버내부에 연기가 침투되어 빛 산란이 발생돼 감지기의 연기농도가 상승하는 절차를 가지고 있다.
하지만 UL 268 국내형 비화재보 고등어 실험결과 ODM 보다 ASD의 연기농도 상승 속도가 더욱 빠르게 나타났는데 이는 고등어에 직접적인 화원이 인가되지 않고 프라이팬에 열전도 방식으로 고등어에 열원이 인가되는 순서이다. 이러한 간접적인 열원에 따라 고등어에서 발생되는 연기 및 유증기 등의 요리부산물은 열부력이 부족해 실험체 상층부에 쌓이지 않고 액적상태의 유증기가 많이 분포되면서 상층부가 아닌 실험체 중간층에 점차 쌓이는 특성이 나타났다. 또한 실험체 공간이 넓음에 따라 비교적 찬 공기가 존재하는 벽면부터 에어로졸이 채워지면서 열부력에 따른 천정면을 따라 직선적인 연기분포가 아닌 분산형 연기분포의 특성이 나타났고 이에 따라 ASD의 연기농도가 ODM보다 빠르게 상승된 것으로 보여진다.
또한, 국내형 비화재보 실험의 경우 화재와 달리 화염의 출화가 없기 때문에 온도 및 밀도차가 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었고(15) 실험시료가 열원에 의해 점차 녹으면서 방출하는 수분 입자와 수증기가 실험 초반기에 나타나 ASD의 감지원리 방식인 빛 산란을 발생시켜 ASD의 연기농도가 먼저 상승한 것으로 보여지며, ODM의 경우 감광 방식이기 때문에 수증기의 경우 빛량을 감쇄시키진 못하여 첫 상승속도는 늦게 나타나는 것으로 보여진다.
ASD 5 %/m 연기농도 도달시간인 322 s 기준으로 CGA, GA의 측정값을 분석해보면 CGA의 경우 SO2 0 ppm, NO 0 ppm, NO2 0 ppm이 측정되었고 GA의 경우 CO 0.6 ppm, HCHO 0 ppm, TVOC 0 ppm 측정되었다. 이후 시간경과에 따라 미약하게 CO의 농도만 상승하면서 실험시간동안 최대값을 분석한 결과 CGA의 경우 SO2 1 ppm, NO 1 ppm, NO2 0 ppm이 측정되었고 GA의 경우 CO 4.4 ppm, HCHO 0.05 ppm, TVOC 0 ppm이 측정되었다.
전체적인 실험결과 요리부산물에 의한 SO2, NO, NO2는 발생되지 않는 특성을 보였으며, HCHO와 TVOC 또한 상승되지 않는 특성을 보였다. 하지만 CO의 경우 실험이 지속됨에 따라 점진적인 농도상승이 나타났지만, 아날로그 연기감지기가 작동(연기감지기 2종 화재감지농도 15 %/m)되어도 CO의 농도는 1.2 ppm측정되면서 기존 선행 논문에서 분석한 CO의 화재감지 농도인 17 ppm보다 낮게 발생되었고, 비화재보 감지 영역대인 7 ppm 이하 발생되면서 해당 실험에 의해 화재감지 요소로 CO센서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
Table 3 및 Figure 6은 UL 268 국내형 비화재보 삼겹살조리 실험결과이다. Figure 6(a)의 ODM 그래프를 분석해보면 첫 상승 피크는 약 500 s에 발생되면서 점차 삼겹살에서 발생되는 수증기와 요리부산물로 인해 지속적으로 광학농도계(ODM)의 빛가림이 인가돼 최대 29.5 %/m의 감광이 발생되었다.
Table 3
UL 268 Pork Belly Unwanted Alarm Test Results
삼겹살 실험의 경우 고등어 조리 실험보다 첫 상승 피크는 늦게 발생되었지만, 감광율의 경우 높게 발생된 것을 확인할 수 있었다. 이는 고등어보다 삼겹살의 경우 프라이팬에 닿는 표면적이 넓게 나타나고, 이에 따라 더욱 많은 가연물이 열원에 노출된다. 이후 냉동 가연물이 용융되면서 비교적 많은 동물성 기름이 분해되고 순간적인 유증기가 발생돼 연기감광의 상승속도가 빠르게 나타난 것으로 보여진다.
해당 국내형 실험의 경우에도 ASD가 ODM보다 더욱 빠른 속도로 상승한 것을 확인할 수 있었고 비교적 장시간에 걸쳐 요리 부산물을 방출하고 지속적인 에어로졸 노출에 따른 ASD의 입구저항성의 영향을 받지 않고 상승된 것으로 보여진다.
ASD 5 %/m 연기농도 도달시간인 579 s 기준으로 CGA, GA의 측정값을 분석해보면 CGA의 경우 SO2 0 ppm, NO 0 ppm, NO2 0 ppm이 측정되었고 GA의 경우 CO 0.9 ppm, HCHO 0 ppm, TVOC 0 ppm 측정되었다. 이후 실험시간 경과에 따라 CO의 농도에서만 미약한 상승이 나타났고 실험시간동안 최대값을 분석한 결과 CGA의 경우 SO2 2 ppm, NO 0 ppm, NO2 0 ppm이 측정되었고 GA의 경우 CO 3.5 ppm, HCHO 0.23 ppm, TVOC 0 ppm이 측정되었다.
실험결과 삼겹살 조리실험 또한 SO2, NO, NO2는 발생되지 않는 특성을 보였으며, HCHO와 TVOC 또한 상승되지 않는 특성을 보였다. CO의 경우 실험이 지속됨에 따라 점진적인 농도상승이 나타났으나 비화재보 감지 영역대인 7 ppm 이하 발생되면서 해당 실험에 의해 화재감지 요소로 CO센서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
4.2 실규모 비화재실험장을 이용한 비화재보 실험결과
Table 4 및 Figure 7은 실규모 비화재실험장을 이용한 고등어 조리실험 결과이다. 실험은 공동주택 규격을 감안하여 실내에서 음식물을 조리할 시 발생하는 연기 및 수증기 등 요리부산물로 인한 비화재보가 발생하는 상황을 고려한 시나리오이다. 실험의 경우 room 1을 개방하여 room 1에서 시작된 연기 및 부산물이 싱크대에서부터 3 m 떨어진 계측기에 측정되는 조건으로 실험을 진행하였다. 실험 재료인 고등어의 경우 4.1 실험과 동일하게 300 g을 사용하였으며 실험은 연기감지기 측정농도를 기준으로 다양한 연소생성물을 분석하고 최종 UL 268에서 진행한 화재감지 활용 인자 CO의 농도를 비교 분석하고자 한다.
Table 4
Real-scale Unwanted Alarm Mackerel Test Results
실험결과 ODM의 경우 ASD보다 연기 감광율이 빠르게 나타났는데 이는 실험체 공간이 직사각형으로 옆면의 공간이 좁고 비교적 긴 통로형 공간으로 실험체가 조성되어있다. 해당 실험체는 UL 268 실험과 같은 밀폐된 공간이 아닌 통로형으로 조성되어 있어 연기부산물이 자연 기류에 따라 living room으로 유동되는 특성을 확인하였다. 이러한 특성으로 인해 ODM에 측정되는 연기 감광율이 먼저 나타난 것으로 보여진다. 또한 ODM과 ASD의 경우 실험이 지속됨에 따라 최종 감광율(ODM)과 연기농도(ASD)가 유사한 농도로 상승되었는데, 이는 화재보 시험과 같이 짧은 시간 안에 화염에 의한 열부력으로 연기농도를 측정하는 것이 아닌 비교적 장시간 동안 자연유동을 조성시키고 이에 따른 연기감지기의 입구저항성의 영향을 적게 받음으로써 공기중에 노출되어 있는 에어로졸의 오차 차이를 줄여 동일하게 조성된 것으로 판단된다.
실험결과 ASD의 경우 실험시간 동안 연기감지기의 연기농도는 최대농도인 21.0 %/m까지 상승하였지만, CGA의 NO, NO2, SO2의 농도는 특별한 차이점이 나타나지 않았다. GA의 경우 CO의 최대 농도는 4.7 ppm이 측정되었다. TVOC, HCHO의 경우 특별한 차이점이 나타나지 않으면서 연기감지기의 경우 2종 감지기 화재감지 작동농도 15 %/m 이상 측정되었지만 비교적 구획 공간이 작은 실험체 내부에서도 CO농도는 크게 나타나지 않으면서 국내 주방에서 많이 조리하는 고등어 요리부산물의 경우에도 화재감지 활용인자로 CO를 활용한다면 비화재보를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. Figure 8은 실험시료의 실험 전 후 사진을 나타낸 것으로 실험시작 후 지속적인 열노출에 따른 탄화된 시료의 사진이다.
Table 5 및 Figure 9는 실규모 비화재실험장을 이용한 삼겹살 조리실험 결과이다. 실험결과 ASD의 경우 실험시간 동안 연기감지기의 연기농도는 최대농도인 21.0 %/m까지 상승하였다. 하지만 CGA의 경우 NO, NO2, SO2의 농도는 특별한 차이점이 나타나지 않았다. GA의 경우 CO의 최대농도는 2.7 ppm이 측정되었으며, TVOC, HCHO 또한 특별한 차이점이 나타나지 않으면서 연기감지기의 경우 2종 감지기 화재감지 작동농도 15 %/m 이상 측정되었지만, CO 농도는 크게 나타나지 않아 국내 주방에서 많이 조리하는 삼겹살의 경우에도 화재감지 활용인자로 CO를 활용한다면 비화재보를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 5
Real-scale Unwanted Alarm Pork Belly Test Results
실규모 비화재보 실험장을 적용하여 요리 시나리오의 실험을 진행한 결과 국내형 UL 268 요리방해인자실험과 마찬가지로 CO에 대한 적응성이 나타났고, 선행연구에서 제시한 CO 17 ppm 이상 시 화재로 판단하는 화재감지 영역대에 도달되지 않으면서 선행연구에서 제시한 비화재보 영역대와 일치하였다.
Figure 10은 실험시료의 실험 전ㆍ후 사진을 나타낸 것으로 실험시작 후 지속적인 열노출에 따라 탄화된 실험시료이며 요리부산물의 경우 돼지고기가 지속적인 열노출에 의해 용융되면서 동물성 기름이 생성되었다. 이러한 동물성 기름이 지속으로 생성 및 쌓이면서 열을 축적하게 되고 실험시간이 경과됨에 따라 열축적에 따른 기름 발연점에 도달되어 육안으로 확인 가능한 연기가 발생되기 시작하였다.
Figure 11은 아날로그 연기감지기에서 측정되는 연기농도별 실험공간 사진으로 연기농도가 상승함에 따라 실험체 전체의 공간에서 연기가 분포되는 것을 확인할 수 있었고 요리에 의한 비화재보의 경우 화재시 발생되는 가벼운 연기입자와 다르게 액적 형태의 유분 형태의 입자가 많이 포함됨에 따라 실험체 전체적으로 연기가 분포되면서 쌓이는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 본 논문에 데이터로 제시되어 있지 않지만 식물성 기름과 동물성 기름에 지속적인 열원을 인가하였을 때 발연점에 도달되어 연기가 조성되고, 해당 발연점에 의한 CO의 농도는 화재 감지 농도 영역대인 17 ppm보다 낮은 이하의 영역대에 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 발연점을 넘어 발화점에 가까워지는 순간 식물성 기름과 동물성 기름에 회색의 연기가 다량으로 분출되면서 CO의 농도가 급격하게 상승하였고, 이후 기름에 불이 붙어 화재로 전환되었을 경우 CO의 농도는 25 ppm 이상 측정되는 것을 확인하였다. 이처럼 CO의 경우 화재와 비화재를 구분할 수 있는 최적의 화재감지인자로 판단되고 이에 따라 추후 연기감지기+CO 센서 적용에 따른 cross checking을 진행한다면 더욱 신뢰성이 높은 화재감지기로 활용 가능할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 일산화탄소센서 적용에 따른 화재보 및 비화재보 구분에 관한 연구로써 UL 268 국내형 비화재보 실험과 실규모 비화재실험장을 활용한 비화재보 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
UL 268 국내형 비화재보 고등어 및 삼겹살 실험 결과 요리부산물에 의한 SO2, NO, NO2는 발생되지 않는 특성을 보였으며, HCHO와 TVOC 또한 상승되지 않는 특성을 확인하였다. 또한 CO의 경우 실험이 지속됨에 따라 점진적인 농도상승이 나타났지만 기존 선행 논문에서 분석한 CO의 화재감지 농도인 17 ppm 이상 발생되지 않았고, 비화재보 감지 영역대인 7 ppm 이하 발생되면서 비화재보를 구분할 수 있는 요소로 CO센서의 적용 가능성을 확인하였다.
실규모 비화재실험장을 이용한 고등어 및 삼겹살 비화재보 실험결과 ASD의 경우 실험시간 동안 연기감지기의 연기농도는 최대농도인 21.0 %/m까지 상승하였지만, CGA의 SO2, NO, NO2의 농도는 특별한 차이점이 나타나지 않았고 GA의 경우 두가지 실험 중 CO의 최대농도는 4.7 ppm이 측정되었다. 비교적 구획 공간이 작은 실험체 내부에서도 CO농도는 크게 나타나지 않으면서 국내 주방에서 많이 조리하는 고등어 및 삼겹살 비화재보 실험의 경우에도 화재감지 활용인자로 CO를 활용한다면 비화재보를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
음식물 조리시 발생되는 식물성 기름과 동물성 기름은 발연점이 도달될 경우 연기가 발생되는 특성을 확인할 수 있었으며, 이 경우 CO의 농도는 비화재보 감지 영역대인 7 ppm 이하를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 발연점을 넘어 발화점에 가까워지는 순간 식물성 기름과 동물성 기름에 회색의 연기가 다량으로 분출되면서 CO의 농도가 급격하게 상승하였고 기름에 불이 붙어 화재로 전환되었을 경우 CO의 농도는 25 ppm 이상 측정되는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험은 국내 유통과 소비가 가장 많은 삼겹살과 고등어로 실험을 진행하였다. 하지만 건축물 주방에서 발생될 수 있는 요리방해인자는 무수의 많기 때문에 삼겹살과 고등어로 국한할 수 없을 것으로 판단되고 추후 연구에서는 다양한 요리방해인자를 선정하여 실험을 진행해 본 논문에서 제시되는 CO의 적응성을 추가 분석하고자 한다.
이상과 같이 국내 연기감지기의 경우 화재의 조기감지를 위해 화재 초기에 발생되는 연기 또는 에어로졸의 감지 특성이 우수한 특성으로 인해 화재시 발생되는 연기가 아닌 요리에 의한 수증기 및 요리부산물을 감지하여 화재로 인식하는 문제점도 내포하고 있다. 따라서 국내에서는 감도시험기에서 실시하는 부작동시험과 비화재보방지 시험인 상대습도를 급격하게 변경하여 투입하는 시험, 백열램프, 크세논램프 노출시험과 같은 비화재보 방지시험을 진행하지만, 실제 인위적인 요인에 의한 비화재보를 방지하는 시험기준으로 활용되기엔 역부족인 실정이다. 따라서 연기감지기의 비화재보의 신뢰성을 확보하기 위해서는 UL 268과 같이 다양한 화재시험과 요리방해인자시험을 진행하여 연기감지기의 화재보 및 비화재보의 성능을 확보하는 시험기준에 대한 개정이 필요할 것으로 생각된다. 이와 더불어 국내 형식에 맞춘 본 연구의 실험방법이 국내 비화재보방지 시험 기준 설립에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 현재 국내에서는 연기감지기의 비화재보에 대한 문제를 중요시하여 다양한 센서를 적용하여 연기감지기의 화재 및 비화재보를 개선을 위한 연구가 진행되고 있지만 다양한 비화재보 발생 요인 인자에 대한 실험은 진행되지 않고 있다. 따라서 해당 실험을 통해 국내형 비화재보 실험시 나타나는 CO농도 분석을 통해 연기+CO센서의 적용의 신뢰성을 확보할 수 있는 실험으로 판단된다.
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