국내 고층건축물의 제연설비 성능 개선을 위한 국내·외 급기량 관련 기준 비교연구
A Comparative Study on Domestic and Foreign Standards for Air Supply for the Improvement of a Smoke Control System for High-Rise Buildings
Article information
Abstract
한국의 경우 화재안전기준인 NFSC501와 NFSC 501A에 따라 제연설비 설계를 실시하고 있다. 하지만 기준상에 기재된 누설틈새 면적 산정기준으로 설계 및 시공 이후 제연설비의 성능을 측정한 결과 설계 값과 맞지 않는 문제점이 발생하고 있다. 이에 따라 한국, 일본, 영국 각각의 제연설비 기준을 비교하고 이에 대한 계산을 실시하였다. 국내의 경우 NFPA501A와 해설서에서 규정된 내용을 통해 일률적인 설계를 실시하고 있다. 하지만 국외의 경우 연기층 온도, 화재층 급기량, 덕트 손실율을 고려하여 급기량 값이 한국보다 더 크게 도출되었다. 따라서 국내 실정에 맞는 데이터가 구축되어야 할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
In South Korea, smoke control systems are designed according to the fire safety standards NFSC501 and NFSC 501A. However, there is a problem in that the design values are incompatible when measuring the performance of the system after the design construction for calculating the leakage crack area described in the standards. Therefore, we compared the standards for smoke control systems from South Korea, Japan, and the United Kingdom. In South Korea, designs are conducted uniformly according to the NFSC 501A Manual, but in Japan and the United Kingdom, designs consider smoke temperature, duct loss, and fire floor air supply. Furthermore, they use larger values than in South Korea.
1. 서 론
한국 건축물의 경우 점점 고층화 되어가고 있는 추세이다. 이러한 고층 건축물은 연돌효과 발생으로 인해 연기가 상층부로 빠르게 확산되어 화재 시 연기흡입으로 인해 대형 인명피해가 발생할 것으로 판단된다. 연기의 확산을 제어하기 위해 1995년에는 특별피난계단의 부속실 및 비상용 승강기 승강장에 급기가압방식을 도입하고, 2010년에는 승강로의 급기가압 방식에 관한 기준을 고시하였으며 2016년에는 아파트에도 승강로 가압방식을 허용하는 등 제연설비의 급기가압 방식에 관한 기준의 변경이 지속적으로 이루어졌다. 하지만 한국의 제연설비 기준인 NFSC 501A의 경우 국내 실정에 맞는 실험 및 검증 없이 국외의 기준만을 인용하여 적용하고 있어 기준에 대한 신뢰성이 부족하며 적용규정이 일률적으로 되어 있지만 누설틈새면적이나 연돌효과 등의 영향으로 오차가 심하게 나타나고 있다. 또한 급기량 계산 시에도 해설서에 따라 설계를 실시하고 있지만 현장 여건에 따라 누설틈새 면적 산정 공식을 수계산으로 풀 수 없는 등 다양한 문제가 발생하고 있다[1]. 일례로 최근 준공된 20개 현장의 제연설비 조사에 따르면 화재안전기준 상에서 요구하는 제연설비의 성능 및 누설값이 명확하지 않고, 실제 TAB결과에서는 실측값이 누락되는 문제가 확인되었다[2]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 국내에서는 차압, 방연풍속, 댐퍼 관련 연구가 지속적으로 이루어지고 있지만 설계 기준에 대한 개선은 미비한 실정이다. 따라서 이러한 급기량 산정 설계 기준의 문제점 해결을 위해서는 계산 방식에 관한 개선이 필요할 것으로 사료된다. 이에 따라 본 연구에서는 한국, 영국, 일본의 제연설비 급기량 산정 관련 기준을 비교하여 국내 제연설비 성능개선을 위한 기초 자료를 제시하고자 한다.
2. 국내·외 제연설비 기준비교
국내의 제연설비 관련 기준의 경우 영국, 일본의 기준을 많이 준용하여 사용하고 있다[3]. 따라서 본 장에서는 한국과 일본, 영국과의 기준과 설계 시 사용하는 계산 공식 등을 비교하여 Table 1에 나타내었다.
Comparison of Supply Pressure Standards of Domestic and Abroad
국내·외 제연설비 관련 기준을 비교한 결과 한국, 일본, 미국, 영국 모두 설계 시 최소 차압이나 폐쇄력의 값을 기준에서 규정하고 있다. 하지만 국내의 경우 방연풍속, 누설틈새 면적 및 급기량 산정에 있어 건축물의 구조나 화재성장률 등을 고려하지 않고 기준에서 주어진 규정을 통한 일률적인 설계를 실시하고 있어 실제 건축물에서 사용할 수 없는 문제가 발생하고 있다[7]. 반면 일본의 경우에는 건축물의 특성 중 개구부, 압력, 밀도 등에 따라 규정이 다르게 나타나고, 국내에서 특별피난계단 제연설비 설계에 가장 많이 준용되어 사용되고 있는 영국의 제연설비 기준의 경우에는 누설틈새 면적, 급기량 산정 등에 있어 국내와 유사한 공식을 사용하고 있지만 건축물의 구조에 따라 방연풍속을 다르게 규정하고 있다. 합리적인 설계를 위해서는 공식의 절대적인 준용이 아닌 현상학적 해석과 역학적 이론에 기반을 둔 공식의 합리성이 수반되어야 한다[8]. 이에 따라 국내의 경우 급기량 산정 시 건축물의 구조, 개구부 특성, 화원설정에 관하여 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.
3. Case Study를 통한 제연설비 성능 개선방안 도출
3.1 대상 건축물의 개요
국내의 제연설비의 성능 개선을 위해 국내·외 기준에서 규정하고 있는 급기량을 각 국가에서 제시하고 있는 내용을 바탕으로 계산을 실시하였다. 이때 대상건축물은 Figure 1과 같다. 단면도에서 보는 바와 같이 급기가압 방식은 부속실 단독가압 방식을 사용하고 있으며, 계단실에 배연팬이 설치되어 있다. 또한 평면도를 통해 복도와 부속실, 계단실은 직렬경로의 형태를 가지고 있으며 엘리베이터 룸과 부속실은 병렬경로인 것을 확인할 수 있다. 또한 복도의 오른쪽 끝부분에는 배연창이 설치되어있다. 건축물에 대한 실의 바닥면적 및 문면적은 Table 2에서 나타낸 바와 같다.
Cross-sectional diagram and floor plan of target construction.
Outline of Target Construction
3.2 한국의 제연설비 급기량 계산
현재 한국 제연설비의 급기량 계산은 NFSC 501A와 해설서 기준에 따르고 있다. 국내 급기량 계산은 누설틈새를 통해 빠져나가는 누설량 QL와 방연풍속을 유지하기 위해 필요한 보충량 Qs를 합한 값으로 규정하고 있다. 해당 건축물에 대한 누설량을 구하기 위해 먼저 누설틈새 면적을 산정하여야 한다. 국내의 경우 KS F 2846의 규정에 따라 방화문인 경우 차연량은 ‘ 25 Pa에서 0.9 m3/ min • m2을 초과해서는 안된다.’는 규정이 명시되어 있다. 따라서 복도에서 부속실, 부속실에서 계단실로 향하는 누설틈새 면적은 식(1)을 사용하여 구할 수 있다.
여기서 Q는 누설량 m3/s, A는 누설면적, P는 차압 Pa을 의미한다.
두 개의 방화문은 모두 1.1m×2.2m (폭*높이) 이므로
여기서 Ae는 총 누설틈새면적 m2 , Δp는 차압 Pa, N은 층수를 의미한다.
누설량을 계산하기 위해 차압은 현행 기준에서 규정되어있는 50 Pa을 적용하고, 모든 누설 틈새면적을 더해 값을 계산하면, Q = 0.827 × 40 × (0.00877 × 2 + 0.0027 + 0.015) × 501/2값의 대입으로 8.24 m3/s의 누설량을 구할 수 있다. 또한 건축물의 부속실에 유입해야 하는 보충량은 방연풍속을 유지하기 위해 보충해야할 급기량에 부속실에서 누설되는 양을 뺀 값으로 산정한다. 이에 따라 보충량은 식(3)과 같이 계산할 수 있다.
여기서 QS는 보충량 m3/s, S는 부속실과 옥내사이 출입문 한쪽의 면적 m2 , V는 NFSC 501A 제5조에 따른 방연풍속 m/s, A1은 부속실과 옥내사이의 출입문 누설틈새 면적 m2 , A2는 부속실과 계단실 사이 출입문 누설틈새 면적 m2 , Ad는 식(4)에 따라 결정된 누설틈새 면적 m2 , N은 층수(부속실의 수), Δp는 차압 Pa을 의미한다. 또한 Ad를
여기서 A3는 계단실과 옥외사이의 출입문의 누설틈새면적 m2을 의미한다.
먼저 식(3)을 통해 보충량을 계산하기 전, 식(4)를 산정하기 위해 옥내에서 부속실, 부속실에서 계단실로 향하는 누설틈새면적은 산정된 방화문 값을 대입하여 풀면,
이를 식(3)에 대입하여 총 보충량을 구하면,
3.3 일본의 제연설비 급기량 계산[9]
일본의 제연설비 급기량 계산은 소방법 성령 및 고시에서 규정된 내용에 따라 산정하도록 규정하고 설계 매뉴얼을 통해 세부적인 내용을 확인할 수 있다. 일본의 경우 급기풍량 산정 시 초기화재와 최성기 화재를 나누어 계산하고 있다. 일반적으로 초기 화재의 경우 재실자들의 원활한 피난을 위한 급기를 목적으로 하고 있고, 최성기 화재의 경우에는 화재가 발생한 이후 소방관의 안전 및 원활한 소방활동을 돕기 위한 목적으로 하고 있다. 본 연구에서 진행하고 있는 급기량은 피난 활동을 돕기 위한 목적을 가지고 있으므로 초기화재 시 급기 산정 공식을 대입하여 계산하였다. 급기량은 일본의 소방법 고시에서 규정하는 바에 따라 식 (5), (6), (7)을 통해 계산할 수 있다.
여기서, α는 문의 유량계수, υ는 개구부의 통과풍속 m/s, ℎ는 개구부 높이 m를 의미한다. 유량계수의 경우 문이나 창문의 단순 개구부인 경우 0.7로 한다[10].
여기서, υ 는 개구부의 통과풍속 m/s, ΔPo는 인접실과의 차압 Pa, ρ는 화재실 밀도 kg/m3, AL는 틈새면적 m2을 의미한다.
여기서, 개구부의 통과풍속을 구하기 위해 소방법 고시에서는 준내화구조의 벽 및 방화문 구획인 경우
여기서 T는 연기의 온도 K를 의미한다. 연기의 온도는 평균 연기층의 온도 74 ℃(347 K)로 하였다[11].
여기서 Ve는 배연기의 성능을 의미한다. 규정된 배연기의 성능은 240 m3/min이므로 다음의 값을 대입하여 계산하면, AL = (4.00 × 2.2-4)/7 =0.68 m2 이에 따라 문 통과풍량 Q1 = 0.7 × 0.4 × 4.00 × 2.2 = 2.464 m3/s , 틈새 누기량
3.4 영국의 제연설비 급기량 계산
영국의 제연설비의 급기량 계산을 위해서는 Class A∼Class F에서 해당되는 조건을 선정하여 방연풍속과 차압량을 선정하고 BS 12101-6의 Annex A에서의 식을 통해 계산을 하게 된다. 건축물의 Class 기준은 Table 3에서 나타낸 바와 같다.
Classes of Systems by BS 12101-6
대상 건축물은 일반적인 경우를 나타낸 것으로 Class A에 해당하므로 차압은 50 Pa을 적용하였다. 영국의 급기량 계산은 식(10)에 따라 계산할 수 있다.
여기서, QS는 급기량 m3/s, QDC는 총 누설량 m3/s을 의미하며 1.5는 덕트손실율 50%의 가산에 의해 곱해 주게 된다.
또한 총 누설량 QDC는 식(11)에 따라 계산할 수 있다.
여기서. Qwindow는 창문의 누설량 m3/s, QElev는 승강기의 누설량 m3/s, Qdoor 출입문의 누설량 m3/s, Qother은 기타 누설량 m3/s을 의미한다.
각각의 누설량을 구하는 공식은 식(12)에 따라 계산 할 수 있다.
여기서, Qx는 공간의 누설량 m3/s, Ae는 누설면적 m2 , Δp는 차압량 Pa을 의미한다.
또한 세대와 부속실, 계단실의 누설틈새는 직렬누설경로로 식(13)에 따라 산정하고 값에 대입해야 한다.
여기서 A1은 복도-부속실의 누설면적, A2는 부속실-계단실의 누설면적을 의미한다.
위의 식에 값을 대입하면,
여기서 At는 식(15)에 따라 산정할 수 있는 로비와 승강로 사이 총 누설면적 m2 , AF는 승강로와 외부사이 누설면적 m2 , PL은 승강장 또는 다른공간과 외부사이 차압을 의미한다.
여기서 n은 가압 승강로비의 수, Ad는 하나의 승강기 문의 누설면적 m2을 의미한다. 하나의 승강기 문의 누설면적은 한국과 유사한 방식으로써 같은 값을 적용하였다. 또한 접하는 가압 승강로비의 수는 1개이므로 식에 값을 대입하여 풀면, At = 1 × 0.0027 = 0.0027 m2가 된다. 이를 식(14)에 대입하고 다른 공간과의 차압은 승강로비로써 적용되고 있으므로 45 Pa을 적용하여 나타내면
3.5 각 국의 건축물 대상 급기량 계산 결과 비교
각 국가별로 급기량을 계산한 결과 한국은 13.63 m3/s, 일본은 7.48 m3/s, 영국은 13.29 m3/s의 값이 도출되었다. 한국의 경우 누설틈새면적 산정 공식이 방화문인 경우와 영국의 기준을 인용한 직렬, 병렬의 경로 따른 틈새면적 공식이 규정되어 있다. 하지만 직렬, 병렬 경로의 틈새면적 공식은 건축물의 형태나 구조의 명확한 근거가 부족하여 현장 여건에 따라 값을 적용하기 어려운 문제가 있다. 본 장에서 언급된 내용을 Table 4에 정리하여 나타내었다.
Comparison the Air Supply Calculation Result of Each Countries
4. 결 론
본 연구에서는 각 국의 제연설비의 기준개선을 위해 급기량 산정관련 기준을 비교분석하고 실제 국내의 건축물을 대상으로 계산을 실시하여 차이를 분석하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
각 국의 기준을 비교한 결과 한국의 경우 차압, 틈새면적 산정, 방연풍속에 관하여 기준에 명시되어 있다. 하지만 화재층 또는 화재 시 온도 상승에 관한 부분에 대해 고려하지 않고 있고 일률적으로 규정되어 있는 문제가 있었다. 일본의 경우 화재 시 연기의 온도, 건축물의 재료에 따라 값을 규정하고 있으며 영국의 경우에는 피난을 위한 시스템을 나누어 구분하고 덕트손실율과 화재층을 고려한 기준을 명시하고 있다.
각 국의 기준을 통해 국내 건축물을 대상으로 급기량 계산을 실시한 결과 한국의 급기량이 가장 작게 도출되었다. 한국의 경우 누설틈새면적 산정 시 방화문인 경우 KS F 2846규정에 따라 ‘25 Pa에서 0.9 m3/min∙m2을 초과해서는 안된다.’는 규정에 따라 틈새면적을 산정 시 값이 작게 도출되어 전체 누설량 값이 작아진다. 또한 영국의 BS 5588에서 인용된 직렬, 병렬 경로의 규정으로 계산 시에는 건축물의 특성에 대한 규정이 명확하지 않아 전체 누설경로를 판단할 수 없어 수계산에 활용할 수 없는 문제점이 있다. 일본의 경우 실의 개구부와 연기층의 온도, 배연기의 성능에 따라 틈새 누기량을 산정하고 문 통과풍량 계산 시 문의 통과 유량계수와 개구부에 의한 통과풍량 계산을 실시하고 있어 두 값을 계산하여 실의 급기량을 판단할 수 있다. 영국의 경우에는 국내와 비슷한 방식으로 직렬, 병렬경로에 따른 누설틈새 면적을 산정한다. 영국의 경우에는 건축물의 피난 특성에 따라 Class를 규정하고 있어 방연풍속이나 틈새면적 산정에 적용이 가능하다. 또한 계산을 통해 구해준 총 누설량에 덕트손실율 50%를 가산하여 계산 시 큰 값이 도출되었다.
현행 한국의 제연설비의 성능개선을 위해서는 누설틈새면적 산정공식이 명확한 값을 가질 수 있도록 공학적인 계산방식 도입이 필요하다. 또한 화재 시를 고려한 화재안전설계가 밑받침 되어야 한다. 따라서 향후 연기층의 온도 값과 유동에 관한 공학적인 분석을 실시하고 국내 실정에 맞는 데이터를 확보해야 할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
본 연구는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 연구비 지원(CRC-16-02-KICT)에 의해 수행되었습니다.