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Fire Sci. Eng. > Volume 34(3); 2020 > Article
천장제트기류에 대한 국내 정온식 열감지기의 작동온도 및반응시간지수(RTI)에 관한 DB 구축

요 약

성능위주 소방설계(PBD)의 안전성 평가 과정에서 화재모델링의 신뢰성 확보를 위해서는 화재감지기 작동시간의 정확한 예측성능이 요구된다. 본 연구는 대표적 화재모델인 FDS에 적용되는 정온식 열감지기의 주요 입력인자인 감지기 작동온도와 RTI의 측정을 목표로 한다. 이를 위해 화재감지기 실험 장치인 Fire detector evaluator (FDE)가 적용되었으며, 제품 인지도 조사를 통해 선정된 국내 10종의 정온식 감지기가 고려되었다. 결과적으로 감지기의 제조사별로 작동온도와 RTI는 상당한 차이가 있는 것으로 확인되었으며, 측정된 DB가 적용된 FDS의 감지기 작동시간은 보다 정확한 예측이 가능함을 확인하였다. 최종적으로 신뢰성이 확보된 정온식 열감지기의 작동온도와 RTI의 DB가 제공되었다.

ABSTRACT

The accurate prediction of fire detector activation time is required to ensure the reliability of fire modeling during the safety assessment of performance-based fire safety design. The main objective of this study is to determine the activation temperature and the response time index (RTI) of a fixed heat detector, which are the main input factors of a fixed-temperature heat detector applied to the fire dynamics simulator (FDS), a typical fire model. Therefore, a fire detector evaluator, which is a fire detector experimental apparatus, was applied, and 10 types of domestic fixed-temperature heat detectors were selected through a product recognition survey. It was found that there were significant differences in the activation temperature and RTI among the detectors. Additionally, the detector activation time of the FDS with the measured DB can be predicted more accurately. Finally, the DB of the activation temperature and RTI of the fixed-temperature heat detectors with reliability was provided.

1.서 론

최근 국내에서 시행되고 있는 성능위주설계(Performance-based design, PBD)의 화재 안전성 평가는 일반적으로 Timeline 기법에 근거하여, 허용피난시간(Available safe egress time, ASET) 및 요구피난시간(Required safe egress time, RSET)의 비교를 통해 평가되고 있다(1). 이때 RSET은 화재 감지시간(Detection time), 피난행동시간(Movement time) 그리고 반응 시간(Response time)의 합으로 도출될 수 있다. 일반적으로 피난행동시간 및 반응시간은 피난시뮬레이션의 예측결과 및 PBD 기준에 제시된 값을 통해 산정되며, 화재 감지시간은 화재시뮬레이션의 예측결과를 통해 산정된다(2,3). 화재 감지시간의 적절한 예측을 위해서는 대상 건축물에 설계된 화재감지기의 종류, 성능 그리고 위치가 정확히 고려되어야 한다. 또한 감지기의 장치물성이 화재시뮬레이션의 입력인자로 요구되며, 설정된 값에 따라 화재 감지시간의 예측결과는 큰 차이가 발생될 수 있다(4).
국내 PBD 평가에 활용되는 대표적인 화재모델로서 미국표준기술연구원(NIST)에서 개발된 Fire dynamics simulator (FDS)(5)가 주로 활용되고 있다. FDS에는 연기 및 열감지기의 작동시간 예측이 가능한 수치모델이 포함되어 있으며, 이를 위한 각 감지기의 구체적인 입력인자는 실험을 통해 측정되어야 한다. 본 연구에서 검토된 정온식 열감지기의 입력인자는 공칭작동온도와 반응시간지수(Response time index, RTI)가 있다(5,6). 그 중 RTI는 감열부 근처의 비선형적인 전도 열손실로 인하여 기류온도 및 유속에 따라 넓은 값을 나타낼 수 있지만, 감지기의 열적 민감도가 정량적으로 표현될 수 있는 가장 유효한 변수로써, 화재시뮬레이션의 주요 입력인자로 활용된다(7). 그러나 PBD의 평가방법 및 기준에서는 감지기 장치물성에 대한 규정이 명확히 제시된 바가 없기 때문에, 설계자의 의존도가 높다고 판단될 수 있다(8). 이 뿐만 아니라 국내에서 적용되고 있는 정온식 열감지기는 작동⋅부작동 시험만이 시행되고 있기 때문에(9), 감지기에 대한 정량적인 장치물성 DB를 확보하기 어려운 실정이다.
이에 많은 연구자들에 의해 정확한 화재 감지기의 장치물성을 측정하기 위한 실험이 수행되고 있다(10-13). 선행연구들의 일환으로 Choi 등(10)은 가연물의 종류에 따른 화재감지기의 작동시간 차이를 확인하였으며, Sakong 등(13)은 실규모 주택화재실험에서 측정된 다양한 화재감지기의 작동시간 비교를 통해 주택에 적용되는 감지기의 적합성을 검토하였다. 그러나 화재실험은 일반적으로 재현성이 낮으며, 연구자가 의도하는 정량적인 열적 물리량을 구현하기
매우 어렵기 때문에, 정확한 감지기의 장치물성을 측정하기에 제한적이다. 이에 본 연구팀에서는 정량적인 열적 물리량의 제공이 가능하며, 재현성이 확보된 시험장치(Fire detector evaluator, FDE)가 제작되었다. 제작된 FDE를 통해 Jang 등(14)은 체계적인 실험조건을 바탕으로 국내에서 적용되는 연기감지기의 장치물성을 측정하였다. 그리고 측정된 장치물성을 FDS 연기감지기 입력인자로 적용하여, 제시된장치물성 DB에 대한 타당성이 확보된 바 있다. 또한 Park 등(15)에 의해 3종의 정온식 열감지기를 대상으로 장치물성 측정에 관한 실험이 수행되었다.
본 연구에서는 선행연구(15)에서 검토된 열감지기가 포함된 10종의 정온식 열감지기를 대상으로, 천장제트 기류의 조건에서 FDS에 적용되는 입력인자 DB를 제공하기 위한 실험 및 FDS를 통한 검증이 수행되었다. 구체적으로 정온식 열감지기의 RTI에 영향을 미칠 수 있는 문 개방시간의 일관성을 확보하여, 사용자 의존도를 감소시켰다. 또한 실제 감지기 감열부의 전도 열전달에 대한 영향을 최소화시켰으며, 이를 통해 정확한 감지기의 작동온도가 측정되었다. 최종적으로 실험 및 계산을 통해 검증된 정온식 열감지기의 장치물성은 선행연구 결과와 정량적인 차이를 보이는 것으로 확인되었으며, 이 결과를 ‘Fire Technology Solution DB’ 웹사이트(16)를 통해 제공하고자 한다. 이와 같은 연구는 정확한 감지기의 작동시간 및 RSET의 예측을 통해 국내 PBD 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

2.장치물성 측정을 위한 실험 및 시뮬레이션

2.1 실험 장치 및 대상

본 연구에서는 정온식 열감지기의 작동온도 및 RTI와 같은 장치물성을 측정하기 위해, 본 연구진에 의해 개발된 화재감지기 시험장치(Fire detector evaluator, FDE)가 적용되었다. Figure 1은 FDE의 개략도를 나타낸 것으로서, 단면적이 0.18 m2 (0.6 m × 0.3 m)인 Carbon steel 재질의 사각덕트로 제작되었다. 우측에 설치된 시로코 팬(Sirocco fan)과 단열 처리된 주름관을 통해 폐회로를 형성시켜 FDE 내부의 기체(Air)가 순환되도록 설정되었다. 이때 장치 하단부에 설치된 9 kW의 니켈크롬 열선과 온도 컨트롤러를 통해 내부 기체의 온도가 제어되었다. 추가적으로 상단 덕트의 천장부근에 설치된 정온식 열감지기에 균일한 유동을 공급하기 위하여, 허니컴(Honeycomb)과 메쉬(Mesh)가 설치되었다. 또한 정온식 열감지기의 감열부 위치에서 K-type 열전대(Thermocouple)와 고온열선유속계(Schmidt, SS20.651)가 설치되어 실시간으로 온도 및 유속이 측정되었다. 정온식 열감지기의 전원은 P형 수신기로부터 공급되었으며, 감지기의 작동 여부를 확인할 수 있는 전압신호는 DAQ (Graphtec, GL840)를 이용하여 1 s 간격으로 기록되었다.
Figure 1.
Schematic of fire detector evaluator (FDE) for evaluating heat detectors.
kifse-2020-34-3-35f1.jpg
국내에서 적용되고 있는 정온식 열감지기는 센서의 종류에 따라 서미스터(Thermistor) 또는 바이메탈(Bi-metal) 방식으로 구분될 수 있으며, 등급에 따라 특종 및 1종으로 분류될 수 있다. 그러나 정온식 열감지기의 공칭작동온도는 센서의 종류 및 등급에 상관없이 70 ℃로 모두 동일하게 제시되어 있다. 또한 각 감지기는 제조사마다 감지기의 재질, 형상, 모듈의 종류 등 다양한 요소들이 다를 수 있기 때문에 작동온도 또한 차이를 나타낼 수 있다. 즉, 감지기의 종류 및 제조사에 따른 정확한 작동온도가 확인되어야 할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 최근 3년간 개별검정 List 를 기준으로 수행된 제품 인지도 조사결과를 바탕으로 국내 10개의 정온식 열감지기를 선정하였다. 선정된 감지기의 종류로는 특종 서미스터 방식(Sample A∼ D)과 1종 서미스터 방식(Sample E∼ I) 그리고 1종 바이메탈 방식(Sample J)이 있다.

2.2 실험 방법 및 조건

본 연구에서는 화재모델 FDS의 정온식 열감지기 예측모델에서 요구되는 주요 입력인자인 작동온도와 RTI를 측정하기 위한 실험이 수행되었다. FDE 내부의 실험조건으로서, 감지기의 감열부 위치에서 덕트 길이방향의 시간 평균유속(u¯)은 1.0 m/s 그리고 기체온도는 100 ℃로 설정되었다. 실험방법으로는 설정된 유속 및 온도가 정상상태에 도달한 후에 순간적으로 감지기를 투입시키는 Plunge test를 통해, 정온식 열감지기의 작동시간이 측정되었다. 다양한 종류의 정온식 열감지기에 대한 장치물성의 신뢰성을 확보하기 위해 최소 3회 이상의 반복실험이 수행되었다. 참고로 열감지기의 RTI는 천장 제트기류(Ceiling jet flow) 또는 수직 제트기류(Vertical jet flow)에 의한 값으로 구분될 수 있지만, 본 연구에서는 화재환경에서 열감지기가 작동될 가능성이 높은 천장 제트기류만을 대상으로 실험 및 계산이 수행되었다.
정온식 열감지기의 작동온도를 측정하기 위하여, 감지기가 투입되는 FDE 내부 온도를 매우 느리게 단계적으로 증가시켰으며 준정상상태의 조건에서 감지기가 작동되는 최소온도를 확인하였다. Figure 2는 정온식 열감지기(Sample A)의 작동온도 산출을 위해 측정된 덕트 내부의 온도와 감 지기의 전압신호를 나타낸 것이다. 정온식 열감지기의 정확한 작동온도를 산출하기 위해 온도 컨트롤러를 통해 덕트 내부의 온도가 5 min에 1 ℃씩 단계적으로 증가되도록 제어하였으며, 총 200 min 이상의 시간이 소요되는 실험이 수행되었다. 그림에서 확인할 수 있듯이 덕트 내부의 온도가 약 64 ℃로 형성됨에 따라 감지기 작동으로 인하여 전압신호가 약 4 V에서 0.8 V까지 감소되는 것을 볼 수 있다. 즉, 감지기의 전압신호가 급격히 감소되는 시점에서 측정된 덕트 내부의 온도를 통해 감지기의 작동온도가 측정되었다.
Figure 2.
Measurement of activation temperatures for the fixed temperature heat detectors using quasi-steady stage temperature field inside the FDE.
kifse-2020-34-3-35f2.jpg
정온식 열감지기에 대한 반응시간지수(RTI)는 다음 식 (1)을 통해 계산되었다(17,18).
(1)
RTI=-tau-1/21n(1-ΔTa/ΔTd)
여기서 ta는 감지기의 작동시간(s), u¯ 는 덕트 내부의 평균 유속(m/s), ∆Ta는 감지기의 작동온도와 상온의 차이(K) 그리고 ∆Td는 감지기 위치 덕트 내부의 기류온도와 상온의 차이(K)를 의미한다.
정온식 열감지기의 RTI는 일반적으로 작동⋅부작동 시험에서 적용되는 Plunge test를 통해 산출될 수 있다. 구체적으로 FDE 내부의 유속 및 기체온도가 정상상태에 도달한 후, 닫혀있는 문을 열고 감지기가 부착된 반대편 문을 닫아 감지기를 투입시키는 방법이다. 이때, Plunge test는 사용자 또는 실험의 반복성에서 문의 개방시간이 달라질 수 있으며, FDE 내부로 유입 또는 배출되는 외기의 유량이 크게 변화될 수 있다. 즉, 문의 개방시간에 따라 감지기의 작동시간에 큰 차이가 발생될 수 있다. 그러나 국내⋅외의 감지기 작동시험 기준에서는 Plunge test의 문 개방시간에 대한 기준을 찾아보기 어렵다(9,19,20). 이에 본 연구에서는 특종 감지기(Sample A)와 1종 감지기(Sample E)를 대상으로 Plunge test의 문 개방시간에 따른 감지기의 작동시간이 측정되었다. 추가적으로 문의 개방시간을 보다 객관적으로 확인하기 위하여 자체적으로 제작된 접점스위치가 문에 설치되었으며, 문의 개방여부에 따라 3 V의 전압신호가 측정되도록 설정되었다.
Figure 3.
Change of the activation time for heat detectors according to duration time of door opening in the plunge test.
kifse-2020-34-3-35f3.jpg
Figure 3은 특종(Sample A)과 1종(Sample E) 열감지기를 대상으로 Plunge test의 문 개방시간에 따른 작동시간이 도시된 것이다. 감지기 종류에 상관없이 문이 개방되는 시간이 증가함에 따라 작동시간이 증가됨을 볼 수 있으며, 특종 감지기의 변화율에 비해 1종 감지기의 변화율이 상대적으로 큰 것으로 확인되었다. 구체적으로 특종 감지기의 경우 문의 개방시간이 1.5 s에서 5 s까지 증가됨에 따라 작동시간이 8 s에서 12 s까지 약 50% 증가되었으며, 1종 감지기의 경우 19 s에서 33 s까지 약 70% 이상 증가되었다. 이와 같은 결과를 통해 기존 시험기준에 명확하게 제시되지 않은 Plunge test의 문 개방시간에 따라 감지기의 작동시간은 정량적으로 큰 차이를 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 측정의 재현성 확보 및 외부의 영향을 최소화시키기 위하여 Plunge test의 문 개방시간을 2 s로 고정하였다.

2.3 FDS 시뮬레이션 방법 및 조건

국내에서 시행되고 있는 PBD의 화재 안전성은 화재 및 피난시뮬레이션의 예측결과 분석을 통해 평가되고 있다. 그 중 화재시뮬레이션의 예측결과는 ASET과 RSET의 화재감지시간 선정에 필요하기 때문에 PBD 평가의 신뢰성 확보에 매우 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 일반적으로 PBD 평가에 적용되는 화재모델은 Large eddy simulation (LES) 기반의 FDS이다. 이에 본 연구에서는 FDE를 통해 측정된 정온식 열감지기의 장치물성에 대한 타당성을 검증하기 위하여, FDS (Version 6.3.0)를 통한 수치해석이 수행되었다(5,6).
Figure 4는 FDE를 통한 실험결과를 바탕으로 효율적인 FDS 시뮬레이션 수행을 위해 고려된 계산영역을 나타낸 것이다. 실제 FDE는 덕트 내부의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 폐회로를 형성하고 있지만, 계산에서는 폐회로를 형성하지 않아도, 입구 경계조건 설정을 통해 일정한 온도가 유지될 수 있기 때문에 최소한의 계산영역이 고려되었다. 먼저 FDE의 시로코 팬을 모사하기 위해 실험의 시로코 팬이 설치된 위치에 0.8 kg/s의 유량이 흡입되도록 설정되었으며, 흡입유량은 감지기의 감열부 위치에서 1.0 m/s의 유속이 예측될 수 있는 유량을 역으로 계산하여 산출되었다. 열적 조건은 실험에서 감지기 감열부 위치의 측정온도가 100 ℃일 때, 측정된 히터 부근의 단면평균온도(116 ℃)를 히터가 설치된 위치에 입력함으로써 실험과 유사하게 모사되었다. 또한 유동의 균일성을 확보하기 위해 허니컴이 설정되었으며, 실험과 계산에서 적용된 허니컴의 공극률은 53%과 44%로 다소 차이가 있지만, 제한된 격자 크기의 적용을 통한 효율성을 고려한다면 적절한 설정이라고 판단될 수 있다. 격자설정은 격자 민감도 분석을 통해 감지기가 설치된 부분의 평균 격자크기는 ¯ = 0.01 m, 이 외의 형상은 ¯ = 0.02 m로서, 적용된 총 격자수는 513,150개이다.
Figure 4.
Schematic of the computational domain for evaluating the activation time of heat detectors in FDE using FDS.
kifse-2020-34-3-35f4.jpg
Plunge test의 문 개방 및 감지기 투입이 포함된 실험과정을 FDS를 활용한 시뮬레이션에서 완벽하게 모사하는 것은 명확한 한계가 있다. 그럼에도 불구하고 Plunge test 과정을 시뮬레이션으로 최대한 모사하기 위하여, 다음과 같은 방법이 적용되었다. 계산 설정단계부터 FDE 내에 감지기를 배치하였으며, Plunge 문이 개방되는 순간에 고온 기류에 노출될 수 있도록 구조물에 의해 보호되었다. 문의 개방 시간은 실험과 같이 2 s로 설정되었으며, 개방 순간에 감지기를 감싸던 구조물이 계산영역에서 제거되었다. 이와 같은 방법을 통해 FDS에서 정온식 열감지기의 작동시간이 예측되었으며, 실험결과와의 비교를 통해 감지기 장치물성에 대한 검증이 수행되었다.

3.결과 및 검토

3.1 정온식 열감지기의 장치물성 DB

국내에서 적용되고 있는 다양한 종류의 정온식 열감지기에 대한 공칭작동온도는 70 ℃로 동일하게 제시되어 있다. 그러나 감지기의 제조사, 감지방법 그리고 등급 등 다양한 요인에 의해 작동온도는 달라질 수 있기 때문에, 각 감지기에 대한 정확한 작동온도가 산출될 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 제품 인지도 조사결과를 바탕으로 선정된 10개의 정온식 열감지기에 대한 작동온도가 측정되었다. Table 1Figure 2에 제시된 실험방법을 통해 측정된 정온식 열감지기의 작동온도를 나타낸 결과이다. 작동온도 산출을 위한 실험은 최소 3회 이상 수행되었으며, 이에 따른 평균값 및 표준편차가 제시되었다. 실험결과로써, 실제 측정된 작동온도는 감지기의 종류에 따라 다소 차이가 나타나는 것을 알 수 있으며, 전체적으로 제시된 공칭작동온도인 70 ℃에 비해 낮은 작동온도가 측정되었다. 특종 서미스터식 감지기의 작동온도는 평균적으로 65.2 ℃, 1종 서미스터식 감지기의 작동온도는 64.3 ℃로 확인되었다. 특히 1종 서미스터식 감지기 중 Sample F의 작동온도는 60.4 ℃로 공칭작동온도와 약 10 ℃의 차이를 나타내었다. 전제적으로 10개의 정온식 열감지기의 평균 작동온도는 65.3 ℃로 제시된 공칭작동온도(70 ℃)에 비해 6.8% 낮게 측정되었다.
Table 1.
Summary of Activation Temperatures for Domestic Fixed Temperature Heat Detectors
No. Heat sensing type Classification Sample Activation temp. (°C)
1     A 64.0 ± 1.03
2     B 62.6 ± 0.94
3   Special class C 67.0 ± 0.41
4     D 64.1 ± 0.08
5 Thermistor   E 68.4 ± 0.63
6     F 60.4 ± 0.20
7     G 67.7 ± 1.08
8   1 class H 62.6 ± 0.28
9     I 66.5 ± 0.20
10 Bi-metal   J 69.4 ± 0.23
Figure 5는 Plunge test를 통해 측정된 각 정온식 열감지기의 작동시간을 나타낸 것이다. 모든 감지기는 열적 조건이 유속 1.0 m/s, 기체온도 100 ℃로 설정된 동일한 상태에서 감지기가 투입되었지만, 감지기의 작동시간은 제품별로 큰 차이가 발생되는 것으로 확인되었다. 먼저 특종 서미스터식 감지기의 평균 작동시간은 10.5 s로 측정되었지만, 반면에 1종 서미스터식 감지기의 경우 평균적으로 31.1 s로 약 20 s의 차이가 발생되는 것을 알 수 있다. 특히 바이메탈식 감지기인 Sample J의 경우 측정된 작동시간은 약 500 s로 서미스터식 감지기에 비해 상대적으로 매우 높게 측정 되었다. 이는 부착된 두 금속의 열전도에 의해 열팽창계수의 차이로 작동되는 바이메탈식의 원리로부터 충분히 설명될 수 있다.
Figure 5.
Comparison of activation time for domestic fixed temperature heat detectors under identical thermal (100 ℃) and flow (1.0 m/s) conditions.
kifse-2020-34-3-35f5.jpg
Figure 6은 측정된 각 정온식 열감지기의 작동온도와 작동시간으로 식(1)을 통해 산출된 제품별 RTI를 도시한 것이다. 결과를 살펴보면, 특종 서미스터식 감지기의 평균 RTI는 13 (m ․ s)1/2으로 확인되었으며, 1종 서미스터식 감지기의 경우 평균 RTI는 39 (m ․ s)1/2으로 상대적으로 매우 큰 값이 산출되었다. 즉, 특종 감지기의 경우 1종 감지기에 비해 빠른 응답특성을 갖고 있는 것으로 확인될 수 있다. 그러나 국내에서 제공되고 있는 정온식 열감지기의 RTI는 찾아보기 어렵기 때문에, 대부분의 PBD 설계자들은 FDS에서 제공되고 있는 특정값의 RTI를 적용하고 있는 실정이다. 참고로 FDS의 User's guide(5)에서 제공하고 있는 정온식 열감지기의 RTI 기본값은 132 (m ․ s)1/2으로 제공되고 있으며, 본 연구에서 측정된 정온식 열감지기의 RTI와 매우 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 그 결과 기존 문헌의 RTI가 적용될 경우, 실제 정온식 열감지기의 작동시간에 비해 매우 느린 작동시간이 예측될 것으로 판단된다.
Figure 6.
Comparison of RTI for domestic fixed temperature heat detectors.
kifse-2020-34-3-35f6.jpg
Table 2는 국내에서 적용되고 있는 10종의 정온식 열감지기에 대한 FDS 기반의 입력인자를 정량적으로 재정리한 결과이다. 또한 특종 및 1종에 대한 평균값을 제시함으로써, 건축물 설계 시 감지기의 특정 제조사가 명시되어있지 않더라도 종별에 대한 국내 감지기의 평균값을 적용할 수 있도록 하였다. 이와 같이 체계적인 실험조건을 바탕으로 제시된 정량적인 정온식 열감지기의 장치물성 DB를 통해, PBD의 설계과정에서 적용되는 감지기의 입력인자에 대한 선택의 고충이 해결될 수 있을 것으로 판단된다. 추가적으로 보다 자세한 내용 및 정온식 열감지기 이외에 PBD의 설계과정에서 요구되는 FDS의 입력인자는 Fire Technology Solution DB 웹사이트(16)를 통해 확인될 수 있다.
Table 2.
Summary of Activation Temperature and RTI for Domestic Fixed Temperature Heat Detectors Required as FDS Input Parameters
Sample Heat sensing type Classification Activation temp. (°C) Average activation temp. (°C) RTI (m·s)1/2 Average RTI (m·s)1/2
A Thermistor Special class 64.0 ± 1.03 64.4 ± 1.85 13.5 ± 1.64 13.1 ± 2.59
B 62.6 ± 0.94 17.3 ± 2.79
C 67.0 ± 0.41 11.7 ± 3.01
D 64.1 ± 0.08 9.8 ± 2.88
E 1 class 68.4 ± 0.63 65.1 ± 3.46 25.5 ± 1.89 38.7 ± 6.14
F 60.4 ± 0.20 33.4 ± 7.81
G 67.7 ± 1.08 38.3 ± 5.85
H 62.6 ± 0.28 30.9 ± 8.58
I 66.5 ± 0.20 59.3 ± 6.57
J Bi-metal 69.4 ± 0.23 69.4 ± 0.23 477.9 ± 20.3 477.9 ± 20.3

3.2 FDS를 이용한 감지기의 장치물성 DB 타당성 검토

본 연구에서 FDE를 통해 측정된 정온식 열감지기의 장치물성에 대한 타당성을 평가하기 위하여, 추가적으로 FDS를 통한 시뮬레이션이 수행되었다. 이를 위해 감지기 제품 인지도 조사에서 높은 비율은 갖는 서미스터식 특종(Sample A)와 1종(Sample E)가 대표적으로 검토되었다. 또한 추가적인 실험 및 계산조건으로 덕트 길이 방향의 시간평균 유속(u¯) 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 m/s이 고려되었으며, 측정 및 예측된 감지기의 작동시간이 비교되었다. Figure 7은 각 유속조건에서 측정된 실제 감지기의 작동시간과 실험에서 측정된 작동온도와 RTI가 적용된 FDS의 예측결과를 비교한 결과이다. 특종의 Sample A의 결과를 살펴보면, 측정된 감지기의 작동시간과 FDS를 통해 예측된 작동시간이 측정 표준편차 범위 내에서 매우 유사함을 볼 수 있다. 정량적으로 전체 유속범위에서 작동시간의 차이는 ± 2 s 이내로 우수한 예측결과가 확인되었다. 또한 1종의 Sample E 감지기 역시 측정 표준편차 범위 이내에서 감지기의 작동시간이 적절하게 예측되는 것을 알 수 있다. 이를 통해 본 연구팀이 개발한 FDE를 이용하여 측정된 국내 정온식 열감지기의 장치물성 DB는 화재시뮬레이션을 활용한 PBD의 신뢰성 개선에 크게 기여할 수 있음을 확인할 수 있다.
Figure 7.
Comparison of activation time between experiments and numerical simulations as a function of mean velocity of the longitudinal direction.
kifse-2020-34-3-35f7.jpg

4.결 론

본 연구에서는 PBD의 화재시뮬레이션 입력정보로 요구되는 정온식 열감지기의 장치물성(즉, 작동온도 및 RTI) DB를 구축하였으며, 이를 위해 국내에서 주로 사용되는 특종과 1종을 포함한 10개의 감지기가 검토되었다. 시험장치로는 유속 및 온도 제어가 가능한 화재감지기시험장치(FDE)가 사용되었다. Plunge test에 적용되는 문의 개방시간이 감지기의 작동시간에 미치는 정량적 영향이 검토되었으며, 실험의 재현성을 개선시키기 위하여 2 s로 고정되었다. 또한 측정된 감지기 장치물성의 타당성을 평가하기 위하여, FDS를 활용한 수치해석 및 검증이 수행되었다. 주요 결론은 다음과 같다.
감열부의 종류(서미스터식 및 바이메탈식) 및 종별(특종 및 1종)에 상관없이 공칭 작동온도는 70℃로 알려져 있으나, 특정 감지기의 경우에는 약 60℃로서 감지기 제조사별 상당한 차이가 있음을 확인하였다. 감열부의 종류 및 종별에 대한 작동시간 또한 동일한 유속 및 온도조건에서 상당한 차이가 있음을 확인하였으며, 이를 바탕으로 산출된 RTI 값이 정량적으로 제시되었다. 또한 PBD 단계에서 활용될 수 있는 국내 정온식 열감지기의 종별 평균 장치물성값이 제시되었다. 이러한 결과는 Fire Technology Solution DB 웹사이트에서도 확인될 수 있다.
본 연구에서 측정된 장치물성을 입력인자로 활용한 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 다양한 유속조건에서 FDS 결과는 측정 표준편차 범위 내에서 감지기의 작동시간을 매우 정확하게 예측하고 있음을 확인하였다. 즉, 본 연구에서 제시된 국내 정온식 열감지기의 장치물성 DB를 통해 화재시뮬레이션의 감지기 작동시간을 보다 정확히 예측할 수 있으며, 궁극적으로 국내 PBD의 신뢰성 개선에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

본 연구는 2020년도 소방청의 현장중심형 소방활동지원 기술개발사업(MPSS-소방안전-2015-66)의 지원을 받아 수행되었으며 관계제위께 감사드립니다.

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