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Fire Sci. Eng. > Volume 36(1); 2022 > Article
화학테러 현장대원 훈련용 테스트베드에서의 암모니아 거동 전산모사

요 약

한국의 경제적 위상에 따른 국제교류의 증가와 함께 화학물질의 종류와 취급량이 지속적으로 증가하는 추세에 있다. 최근 국내에서 화학가스 누출사고로 인한 인명피해가 보도되는 것이 좋은 예이다. 제조, 이송 및 유통에 따른 관리의 사각지대로부터 유출되거나 불법으로 제조된 화학물질을 이용한 화학테러는 더 이상 다른 나라의 사건 사고로 치부할 상황이 아니게 되었다. 본 연구에서는 화학테러, 그 중에서 다중이용시설에서 유해가스를 이용한 테러 사건에 초점을 두고 현장대원의 안전성 확보 및 신속하고 정확한, 그리고 합리적 의사결정을 수행할 수 있도록 화학테러 현장의 실증훈련 테스트베드를 구축하기 전에 전산모사를 수행하고 훈련 시나리오에 따른 유해가스의 확산 양상을 분석하였다.

ABSTRACT

Korea’s international position is increasingly becoming prominent. Furthemore, there is an increased potential of chemical terrorism due to increase in international exchanges. Furthermore, significant increases in the quantity and type of chemical substances, given the development of various chemical industries, has led to an increase in the distribution and usage of harmful gases. Recent report of casualties due to chemical gas leaks in korea is a good example. Chemical terrorism using chemicals stolen from blind spots of management or due to chemicals manufactured illegally is no longer considered an accident in another country. In this study, we focused on terrorist incidents in multiuse facilities using harmful gases and performed computer simulations to ensure the safety of field crew members and make rational decisions. A study was conducted to reflect the same in a training scenario. From scenario derivation to writing and reflection of results via computerized simulation, results derived from computerized simulations were summarized and reported because they contain various variables and significant work content.

1. 서 론

지금까지 국내에서의 테러 범죄는 흔한 일은 아니었으나 국가의 위상이 올라가고 경제 규모가 증가함에 따라 국제교류가 많아지고 이로 인한 국제적인 테러 조직에 의한 테러 위험이 증가하고 있다. 그러나 국내에서는 아직 이러한 테러 위협에 대비한 대응 기술, 테러 현장의 운용 방법들이 체계적으로 구축되어 있지 않다. 다른 한편 산업이 다양화되면서 산업현장에서 더 많은 화학물질이 필요하게 되었다. 그와 함께 유독가스는 구매와 운반이 수월해지고 테러에 이용할 수 있는 기회가 늘어나게 되었다.
Ku(1)는 실내의 쾌적한 공기질을 유지할 수 있도록 유해가스의 효율적인 제거를 위한 모형실을 이용한 실험적 연구를 수행하였다. 환기방식은 기계제연방식을 사용하였으며 제연방식에 따라 1종(기계급기/기계배연), 2종(기계급기/자연배연), 3종(자연급기/기계배연)으로 분류되는데 이러한 3가지 방식에 대하여 급·배기의 위치와 환기량에 관하여 연구를 수행하였다. 거주 공간으로 사용되는 직사각형의 실내는 환기횟수가 많을수록 환기 효율은 올라갔으며 그 중 기계급기/자연배연인 2종 환기방식이 가장 우수하다고 하였다.
화재는 동일한 상황으로 발생하지 않기 때문에 동일 현상으로 재현하기에는 어려움이 있으나 화재의 정도에 따라 분류하는 것이 가능하다. Chun 등(2)은 건물유형별 주요 화재 발생 원인을 분석하고 소방활동 시 발생하는 다양한 문제점과 대응 실패요인을 분석하였다. 화재대응실패의 요인으로 화재접수-화재진압 단계를 늦추는 ‘화재사실 인지적 문제’, ‘미로형구조’, 방화구획미흡과 같은 ‘건축물재료 및 구조적 문제’, ‘과도한 가연물질’, 방화와 같은 ‘급격한 연소확대 문제’ 등 총 6가지의 주요 요인으로 나누었다. 화재대응을 순조롭게 하기 위해서는 신속한 도착과 건물구조와 가연물에 따른 화재의 상황을 파악하고 이에 적절한 대피로 확보는 매우 중요한 요소이다.
Jang 등(3)은 대학 내의 화학물질을 다루는 실험실에서 가스 (CO, NH3, H2, CH4, N2) 누출 때문에 가스가 확산하는 과정을 전산유체역학방법(computational fluid dynamics, CFD)을 통해 연구하였다. 실험실 사고는 일반적인 기업들과 같이 대량의 가스를 사용하지 않아 비교적 안전할 것으로 생각하나 실험실이라는 한정된 공간으로 인하여 확산 속도가 매우 빠르며, 그 피해가 클 수 있음을 보였다. 실험실의 크기는 8 × 8 × 2.5 m(가로×세로×높이)이며, 47 L 용기에서 누출된 경우를 가정하였으며, emergency response planning guidelines (ERPG)와 1/2 lower flammable limit (LFL)을 이용하여 분석하였다. H2, CH4의 경우 누출이 일어나고 수십 초 안에 1/2 LFL을 넘었으며 환기를 시작하고도 환기 형태에 따라 20 min까지 위험영역이 지속될 수 있다고 하였다. 그러나 외부로 유출되어도 그 영향이 그렇게 크지 않음을 알 수 있었다.
밀폐된 대공간에서의 화재는 많은 열과 연기를 수반하게 된다. Park 등(4)은 경륜장 내부의 화재에 의한 열적거동과 연기분포에 관해서 수치적인 연구를 수행하였다. 고열로 인하여 연기와 공기의 흐름은 부력에 의하여 상승하게 된다. 부력에 의한 공기의 이동은 화원 근방에서 급격하게 상승하며 올라가 뜨거운 공기는 상부에서 지붕을 타고 넓은 지역으로 이동하게 된다. Park et al.의 수치해석에 따르면 화재가 발생하고 120 s 후에 뜨거운 공기로 지붕까지 이르게 되었으며, 300 s 후에는 지붕을 타고 넓은 지역에 확산하는 것을 확인하였다. 뜨거운 공기의 확산에 비하여 연기의 거동은 비교적 느린 편이며, 1200 s 정도 시간이 지난 후에 화원으로부터 먼 지역까지 이동하여 하강하는 현상을 확인하였다.
유동해석과 같은 유해가스의 흐름을 직접적으로 알 수 있는 방법은 아니지만 화학공장에서 사고에 의한 사상자를 줄이기 위한 연구가 수행되었다. Lee 등(5)은 2013년부터 2018년까지 발생한 중대 화학사고의 사고 유발 요인을 로지스틱 회귀분석모델을 이용하여 사고 예측 모형을 개발하였다. 이를 통하여 사상자가 발생할 수 있는 요인을 분석하였다. 사상자 발생에 많은 영향을 주는 요소는 작업자의 부주의, 복합적인 사고 발생, 폭발사고가 있다고 하였다. 테러나 화재 현장은 사건이 발생할 당시에는 고농도의 가스가 확산 되지만 사건이 종료된 상황에서도 상당 기간 잔존하는 가스가 있을 수 있다. 특히 현장조사 대원들은 공기 호흡기를 착용하지 않고 현장 조사를 수행하는 경우 이로 인해 의도하지 않게 유해가스에 노출 될 수 있다. Han 등(6)은 화재 조사 현장 51곳에서 7종의 유해물질을 측정하였으며 그중 단시간 노출한계(short-term, exposure limits, STEL)을 넘어가는 5종(SO2, HCHO, NO2, HCN, CO)을 발견하였다. 유해가스는 다양한 원인에 의해 발생할 수 있다. 사건 발생 전후를 막론하고 가스 확산을 파악하는 것은 피해를 줄이기 위해서 매우 중요하다.
현재 소방청 연구를 통해 화학테러 현장대원의 대응능력 향상을 위해 지하철, 극장 등 다양한 시설에 대한 테러 재현 훈련을 위한 테스트베드(training testbed)를 구축예정이다. 본 연구는 구축예정인 훈련용 테스트베드에서 사용하는 테러 시나리오에 따라 테스트베드 건축도면의 3차원 모델을 이용하여 NH3의 살포에 따른 가스의 시간에 따른 확산 거동을 분석하였다. 향후 테스트베드의 설계 수정, 유해가스의 유출 혹은 테러 대응 시나리오의 적절성 분석과 제작에 필요한 기초자료를 제공할 예정이다.

2. 본 론

2.1 훈련테스트베드구성 및 계산 모델

본 논문에서 대상으로 한 훈련장(testbed)은 Figure 1과 같다. 훈련장은 2022년 완공예정이며 Figure 1은 모식도이다. 총 3개의 층으로 구성되며, 화학테러발생 시 소방대원의 현장 대응능력을 높이기 위한 훈련시설로 대표적인 다중이용시설인 공연장(극장, 지상2층), 가벽을 이용한 상가나 대합실(가변형 미로공간, 지상1층), 지하1층의 지하철 역사로 구성되어 있다. 지상1층은 가벽을 이용하여 다양한 형태(사무실, 쇼핑몰 등)로 변경이 가능하도록 설계되었다. 층마다 접근할 수 있는 계단이 있으며 이 계단은 각 층을 연결하는 통로 역할을 한다.
Figure 1
Schematic picture of training testbed.
kifse-36-1-1-g001.jpg
2층 공연장에 상황실로 사용되는 공간은 형태만 남기고 계산에서 제외하였으며 지상1층은 지하1층의 지하철 역사와 연계성을 보기 위하여 대합실로 생각하여 모든 칸막이를 제거한 상태로 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 형상은 Figure 2에 나타내었으며 지상2층의 공연장의 객석의 계단 형상과 계단모양 좌석자리 형상은 모두 정밀하게 표현하였으며, 지하1층의 지하철 역사에서 지하철 차량은 계산에서 제외하였다.
Figure 2
Computational domain.
kifse-36-1-1-g002.jpg

2.2 훈련시나리오와 계산조건

전체 훈련시나리오는 각 기관별 대응을 포함하고 있으며 본 논문에서 고려한 시나리오는 Table 1과 같다. 테러 사건이 발생한 시점을 기준으로 대응팀이 도착하고 대원투입/대피는 18 min 이후에 이루어지며, 시나리오상 30 min 정도 시간이 경과하면 구조가 충분히 진행될 것으로 생각할 수 있다. 수치적 계산은 이에 맞추어 30 min까지 수행하였다. 본 논문에서 고려한 테러는 무수암모니아를 테러 의도를 가진 테러리스트가 운반할 수 있는 소량을 배낭에 넣어 살포하는 경우와 대량으로 유입하여 살포하는 2가지에 대하여 수행하였다. 소량의 경우 3.4 L 용기 2개에 사용하였으며, 대량의 경우는 47 L의 용기 2개를 이용한 것으로 하였다. 가스 살포는 공조시설을 이용하여 살포하는 것으로 하였다. 살포량은 전체 건물에 살포된 양을 나타낸다.
Table 1
Event Time and Its Action
Situation Contents
Time (min) Action Note
Situation arises +00 ~ +03 Incident - Report receipt/ confirmation
Situation propagation +04 ~ +06 Convey the situation - Departure/ arrival on site
First action +07 ~ +17 Arrival on site - Contamination judgement
Incident response +18 ~ +34 Wear protective clothing - Staffing/evacuation CFD calculation
Figure 3은 3개의 층에 계산에 사용된 격자와 각층의 흡입/유출구(경계조건)를 나타내었다. 격자 의존성을 확인하기 위하여 22만, 39만, 71만 개의 격자를 사용하였으며 확산의 형태가 일정해지는 71만 개의 다면체 격자(polyhedral mesh)를 사용하였으며 유동은 난류로 가정하여 k-e모델을 사용하였다. 암모니아는 공기와 반응하지 않고 유입구를 통해서 공기와 함께 유입되는 것으로 가정하였다. 암모니아와 함께 유입되는 기체는 실내공기질 관리 기본계획(7)에 맞추어(25 m3/(man ⋅ hour)) 선정하였다. 실내 공기질 관리기본 계획에 따르면 다중시설의 경우 시간당 2회의 환기를 하게 되어 있으나, 본 연구에서는 해당하는 양의 공기를 일정하게 흡입구를 통해서 강제 흡입하는 것으로 하였다.
Figure 3
Computational grid and boundary conditions.
kifse-36-1-1-g003.jpg
암모니아의 독성은 acute exposure guideline levels (AEGL)(8,9)에 따라 평가했으며, AEGL은 노출 시간에 따라 나누어지며 level 1까지는 불쾌감을 주는 정도의 농도를 나타내며, level 2는 건강에 심각한 악영향을 주는 농도이며, level 3은 생명에 위협을 주는 농도를 나타낸다. 상황발생 후 30 min의 시간이 지나면 구조가 충분히 진행되는 시점으로 설정하여 30 min 노출에 해당하는 AEGL level 3 (AEGL-3)를 기준으로 분석하였다. 계산의 신뢰를 높이기 위하여 상용프로그램인 STAR-CCM+(10)을 사용하였다.

3. 결 과

3.1 훈련테스트베드구성 및 계산 모델

우리나라의 많은 지하철은 지하에 승강장이 있으며 1층의 지하철 역사와 연결되어 있는 경우가 많다. 지하에 살포된 가스는 지하 승강장의 계단을 통하여 지상1층 혹은 2층에 영향을 줄 수 있으므로 이러한 영향을 관찰하기 위하여 다른 공간에 비하여 2배정도 많은 양을 살포하였다. 먼저 전체적인 NH3 확산의 형태를 살펴보고 시간에 따라 국지적으로 확산하는 현상을 살펴보도록 하겠다.
대량살포(47 L × 2개)는 많은 양이 유입되는 최악의 시나리오라고 생각할 수 있다. 많은 양이 살포되었기 때문에 구조를 위한 진입은 사람이 가장 많이 있을 것으로 예상되는 공간으로 진입하는 것이 요구조자의 생존확률을 높이기 위한 구조 계획이라 생각되며, 동시에 배기와 신선한 공기를 투입할 필요가 있는 것으로 판단된다. 살포량이 적으면 대부분이 안전지대에 있으므로 위험에 처한 사람을 구조하는 전략보다는 가능하면 많은 사람이 신속하게 대피할 수 있도록 퇴로를 알려주는 것이 중요하다.
Figure 4에서 지하1층의 NH3거동을 보면 대량살포의 경우 상부에서부터 농도가 짙어지고 소량살포의 경우 반대로 하부에서부터 농도가 짙어지는 것을 관찰할 수 있는데 이는 살포량이 많을 때는 급격히 농도가 높아짐으로 가벼운 NH3는 부력의 영향으로 급격히 상승하는 경향을 보이나, 살포량이 적은 경우 유입구 주변에서 높은 농도를 보이나 이 영역은 상대적으로 부력보다는 관성력이 더 크므로 유동을 따라 흘러가는 경향을 보였다.
Figure 4
AEGL-3 at 30 s (0.5 min).
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Figure 5에서 각 층을 연결하는 계단은 살포량이 적고 많음에 관계없이 다른 지역에 비하여 NH3의 농도가 짙어지며 상승하는 경향을 보이고 쉽게 계단실을 타고 위층으로 전달되는 것을 알 수 있었다. 계단실을 고려한 구조전략이 필요한 것으로 생각된다.
Figure 5
NH3 transfers to 1st floor through stair (6 (left) min and 15 (right) min).
kifse-36-1-1-g005.jpg
살포량이 작은 경우 유입구 주위에 한정되어 AEGL-3이 형성되었으나 시간이 지남에 따라 그 영역이 확대되고 관성보다는 부력이 지배적인 영향을 주기 시작하면서 지하 승강장의 계단실을 타고 지상 1층으로 전파되는 것을 확인할 수 있었다. 시간별로 보면 대량살포의 경우 NH3가 살포되고 2 min 이전에 배출구가 없고 살포량이 많은 지하승강장층을 제외하고 대부분의 공간에서 AEGL-1로 보이고 있으며, 이 상태에서는 요구조자가 스스로 길을 확보하고 빠져나올 수 있는 것으로 생각된다. 살포량이 작은 경우, NH3의 분포는 전체적으로 훨씬 낮은 수치를 보이며 AEGL-3은 지하층의 유입구에만 한정적으로 나타나 대부분 영역에서 안전하다.
Figure 6에서 지상2층은 대공간으로 시간이 지남에 따라 무대 앞쪽 유입구와 무대 뒤쪽에서 나온 NH3가 객석에서 만나 천정으로 올라가는 양이 많아지고 천정에서 확장되던 NH3가 짧은 시간에 전체를 채우는 현상을 관찰할 수 있었다.
Figure 6
NH3 propagation in 2nd floor at 12.5 (left) min and 13.5(right) min.
kifse-36-1-1-g006.jpg
가장 살포량이 많은 지하1층은 상부에서 유입되어 1층으로 진입하는 계단을 통해 배출되는 구조로 되어 있어 공기의 흐름이 적은 양쪽 벽에서 비교적 안전한 공간이 존재하였다. 시간별로 NH3 확산을 살펴보도록 하겠다. Figures 7~9에서 단면위치는 NH3의 확산을 잘 보여줄 수 있는 건물의 중심면과 양쪽 끝 계단실의 중심부이다. 또한 등위면(iso-surface)는 AEGL-3을 나타낸다.
Figure 7
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 0.5 min and 1 min.
kifse-36-1-1-g007.jpg
Figure 8
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 2 min and 3 min.
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Figure 9
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 4 min and 5 min.
kifse-36-1-1-g009.jpg
30 s (0.5 min, Figure 7): NH3가 유입구를 통해 들어오기 때문에 유입구 근방의 국한된 영역에서 AEGL-3의 위험한 영역들이 나타나고 있다. NH3는 공기보다 가벼운 특성이 있어 유입된 암모니아는 상부로 이동하는 경향을 보인다. 지하 1층을 제외한 지상 1, 2층은 하부 유입과 상부 배출을 하고 있으므로 이러한 경향은 더욱 뚜렷하게 나타났다. Figure 4에서 보는 것과 같이 살포량이 적으면 부력보다는 유입구를 통해 들어오는 공기의 관성에 많은 영향을 받아 유입구 부분만 3단계를 나타낼 뿐 그 외 지역은 안전하다. 객석 상부(객석 경사면 최고점 위치의 벽면 유입구)에서 나온 NH3는 객석을 따라 흐르지 않고 상부 배출구로 이어지며 무대 앞부분에서 나온 NH3는 일부 객석의 경사면을 타고 올라가는 경향을 보인다.
1 min (Figure 7): 소량살포의 경우, 전체적으로 AEGL-1 및 2로 확대되며 지하층의 유입구 부분에서만 미약하게 AEGL-3이 나타나고 있다. 대체로 0.5 min (30 s)의 분포와 비슷한 성향을 보인다.
대량살포의 경우 1 min이 경과하면 AEGL-3 구역이 점차 확대되기 시작한다. 2층 무대 아래 전면 유입구를 통해 유입된 NH3는 객석의 경사면을 따라 올라가기 시작한다. 객석 뒤쪽 유입구로 유입된 NH3는 객석으로 이동하면서 부력에 의해 상부로 진행한다. Figure 7(a)에서는 이러한 현상이 보이지 않으나 Figure 7(b)에서는 나타나고 있다. Figure 7(a)에 보이지 않는 것은 아직 AEGL-3에 이르지 않았기 때문이다. 지상1층은 대공간으로 바닥의 유입구에서 나온 NH3는 부력에 의해 상승하여 천정에서 AEGL-3을 보이고 있다. 그러므로 유입 후 1 min 동안은 대량살포인 경우도 대부분의 공간이 안전한 영역에 있음을 알 수 있다. 지하 1층 승강장은 천정 유입이 되며 농도가 높아 부력에 의해 NH3는 천장을 따라 확대되어가며 사무실 공간이 있는 벽면에 막혀 더 이상 확산하지 않고 천정에 머무는 것을 알 수 있다. 또 일부의 NH3는 계단을 따라 1층으로 이동하기 시작하는 것을 관찰할 수 있다.
2 min∼3 min (Figure 8): 소량살포의 경우, AEGL-3에 이르기에는 살포되는 양이 적으며 지하1층 승강장 천장의 유입구 아랫부분에서 제한적으로 관찰된다. 1층과 2층에서는 아직 AELG-3에 이르지는 않았으며 대부분 영역은 안전할 것으로 생각된다.
대량살포의 경우, 2 min 정도의 시간이 지나면 2층 객석의 무대 앞쪽 유입구 부근이 AEGL-3에 도달하였으며. Figure 8(b)을 보면 유입구로 들어온 NH3는 부력과 관성 2가지가 작용하기 때문에 객석의 경사면을 타고 확대되어 가며 경사를 타고 올라가면서 객석 상부에서 나온 NH3와 혼합되어 천장에 설치된 배출구를 통해 나가게 된다. 아직까지 지상 2층은 비교적 넓은 영역에서 안전함을 알 수 있다. 지상 1층은 유입구 근방에서 관성의 영향을 받아 앞으로 나가던 유동이 부력에 의해 급격히 상승하면서 유입구에서 조금 떨어진 천정으로 올라가는 유동을 확인할 수 있다. 대공간에서 전형적 NH3의 거동을 잘 보여주고 있다.
지상 1층은 지하로부터 계단실을 통해 올라온 NH3로 인해 계단에서 가까운 천장부터 확산하는 것을 볼 수 있다. 부력에 의해 상승했던 공기들이 유동을 따라 하강하면서 지하의 승강장은 많은 영역들이 AEGL-3이 되었으며 문을 통해 사무공간으로 들어간 NH3는 더욱 확대되어 나가고 있다. 지하공간에 있는 사람은 심각하게 노출되기 시작했다고 추정할 수 있다. Figure 8(b)의 NH3의 분포는 이러한 경향을 잘 보여주고 있다.
4 min∼5 min (Figure 9): 대량살포의 경우, 지하1층과 지상1층으로 이어지는 계단을 통한 유입량이 상대적으로 많아 지상1층의 경우 가장자리부터 AEGL-3영역이 확대되어가는 것을 볼 수 있다. 지하승강장뿐 아니라 지하승강장에 붙어 있는 사무공간도 AEGL-3가 되었으며 이 사무공간에 이어진 문을 따라 다른 사무공간으로 확대되어 나가고 있으며 이러한 현상은 Figure 9(b)에 잘 나타나 있다. NH3는 상대적으로 가벼운 기체로 같은 공간에서는 상부에서부터 채워지는 경향이 있으며 계단실을 통한 전달도 확산의 중요한 요인이 된다.
소량살포의 경우, 5 min이 경과한 시점까지 AEGL-1 및 2의 경우 계속적으로 확대되어 나가지만, 상대적으로 AEGL-3의 경우 지하 1층의 승강장은 유입공기의 직접적인 영향을 주는 국소 영역에 한해서 AEGL-3을 나타내었다. 이는 전체 유입되는 NH3가 양이 작아 일부 지역에만 국부적으로 AEGL-3을 나타나는 것이다. 5 min이 지난 시점부터는 지하1층의 승강장 영역이 급격하게 AEGL-3이 되었으며 유입구에서 떨어진 공간으로 확대되어 나갔다. NH3의 농도가 짙어지면서 부력의 효과가 커져 AEGL-3 영역이 승강장의 상부 천정에 나타나고 일부는 계단영역을 따라 1층으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 지상1층과 2층의 공연장에서는 AEGL-3의 영역은 나타나지 않았지만, 유입구로 들어온 NH3는 농도가 엷은 상태로 전체에 고루 분포하는 것을 알 수 있다. 특히 지상1층을 보면 3 min이 지난 시점에서 다른 영역보다 가장자리 영역에서 상대적으로 높은 NH3의 농도를 보인다. 이는 유입구로 들어온 NH3가 공기와 함께 이동하여 공기의 흐름이 적은 가장자리에 쌓이고 있음을 나타낸다. 지하승강장을 제외하고는 유의미한 AGEL-3의 수준을 보이지는 않는다. 다만 농도가 짙어짐에 따라 부력의 영향이 커지고 서서히 천정으로 이동하는 경향을 보이고 있다.
5 min 이후(Figure 10): 대량살포의 경우 5 min 이후는 대부분 영역이 AEGL-3이상의 수준을 보인다. 5 min 정도의 시간이 지났기 때문에 아직은 안전하나 요구조자(30 min 노출)는 시간이 지나면서 위험에 놓이게 될 것이다. 이 시간은 시나리오상 대원들이 현장에 도착하고 오염을 판단하는 시간으로 먼저 이동이 가능한 요구조자들에게 출구의 위치만이라도 알려주고 바로 대피할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 구조대응시작에 해당하는 18 min 이상이 지난 경우에는 상당시간 NH3에 노출되어 스스로 대피하기 어려운 상황으로 구조계획이 필요하다. Figure 10에서 10 min과 15 min 사이의 지상2층의 변화를 보면 가벼운 기체인 NH3의 확산의 특성을 볼 수 있다. 10 min이 경과하면서 부력에 의해 상승한 NH3는 가장자리부터 높은 농도를 보이며 확산하여 가다가 5 min 정도의 짧은 시간에 공기의 흐름을 따라 빠르게 하강하면서 전체 영역이 AEGL-3가 되는 것을 알 수 있다.
Figure 10
Iso-surface of AEGL-3 and PPM contour at 10 min and 15 min.
kifse-36-1-1-g010.jpg
소량살포의 경우 5 min 정도 지난 시점에서 계단을 통해 1층으로 NH3가 이동하는 것을 확인할 수 있으며 10 min 지난 시간(Figure 10)에 지하승강장은 AEGL-3가 되었으며 계단영역도 AEGL-3이 되었으며 1층으로 일부가 이동한 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 1층의 계단 영역 가까운 영역이 중심 부분보다 높은 AEGL-3수치를 보인다.
20 min 이후의 NH3의 확산은 Figure 10과 전체적으로 비슷한 양상을 보여 본 논문에 넣지는 않았다. 소량살포의 경우 20 min이 지나면 계단을 통한 유입으로 인해 지상 1층에서도 계단 근방에서 일부 영역에서 AEGL-3를 보인다. 지상2층은 무대 전면부와 무대 반대쪽 벽면에서 나온 공기와 NH3로 인해 계단의 경사면에서 만나 다른 영역에 비해 다소 높은 수치를 보이나 전체적으로 AEGL-3에 이르지는 않고 있다. 30 min이 경과한 경우 지하승강장과 지상1층의 계단 유입에 의한 영향으로 전체적으로 AEGL수치가 높아지는 것을 알 수 있다. 2층의 경우는 아직 대부분의 영역에서 AEGL-2 정도 낮은 수치를 보였다.

4. 결 론

화학 테러 현장대원의 대응능력 향상을 위해 구축 예정인 테스트베드(training testbed)를 대상으로 훈련 시나리오에 따라 NH3의 살포에 따른 가스의 시간에 따른 확산을 분석하였다. 또한 NH3의 살포량은 대량(47 L × 2개)과 소량(3.5 L × 2개)로 나누어 분석을 하였다. 대량살포의 경우대응팀이 도착하고 상황 파악이 끝이 나고 진입을 시작하고 구조를 하는 18 min∼34 min 정도의 시간이 경과한 경우, 지하승강장, 지상1층, 2층의 극장 공간 모두 AEGL-3이 되어 있으며, 30 min의 시간이 이미 지났기 때문에 요구조자 스스로 대피로를 찾아 대피할 수 있는 상황이 아닌 것으로 판단된다. 이 경우 적극적인 구조를 위한 활동이 최우선이 되어야 할 것이다.
적은 양이 살포된 경우는 대응팀이 도착한 것으로 생각할 수 있는 7 min 정도의 시간이 경과한 경우 비교적 살포량이 많은 지하층은 유입구 영역 일부가 AEGL-3의 수준을 보이며 상황판단이 끝이 나는 17 min 정도 경과하게 되면 지하 승강장은 많은 부분이 AEGL-3이 된다. 아직 시간이 30 min 정도 경과하지 않았기 때문에 요구조자는 통로를 확보하면 대피할 수 있는 상황으로 여겨지며 대원 투입과 대피를 진행하는 30 min 정도의 시간이 소요된 경우는 지하 승강장의 많은 부분과 지상1층의 일부분이 위험한 상황으로 변하게 된다. 이 지역은 적극적인 구조활동이 필요하며 상대적으로 넓은 공간인 지상2층 극장은 대부분이 안전함으로 대피통로를 확보하는 것만으로 요구조자를 구조하는 것이 가능할 것으로 여겨진다. 같은 층내에서는 NH3 (특히 AEGL-3)의 분포를 살펴본 결과 대량살포인 경우와 소량살포인 경우 차이를 보였고 대응전략 또한 이에 적절히 수정될 필요가 있음을 알 수 있었다. NH3는 공기에 비하여 가벼워서 상부 올라가는 경향을 보이지만 살포량에 따라 다른 경향을 보였다. 대량살포의 경우 10 min에서 15 min 사이 상승한 NH3가 유동을 따라 하강하면서 급격하게 AEGL-3가 되는 것을 확인할 수 있었다. 짧은 시간에 급격하게 AEGL수치가 변하게 되므로 매우 위험할 수 있어 대응 전략 수립에 고려해야 할 사항으로 사료된다.
테러 대응에 있어 살포량의 파악은 매우 중요한 요소이며 피해를 최소화하기 위해서는 대량의 경우와 소량일 때 대응 방안이 달라질 필요가 있음을 알 수 있었다. NH3는 공기보다 가벼운 기체로 계단실과 같은 연결통로를 통해 상층으로 전파가 쉽게 일어나며 이로 인해 피해가 더욱 증가할 수 있음을 알 수 있었다. 이 연구를 통하여 이미 만들어진 시나리오에 따른 대응방안의 검토를 위한 CFD해석 뿐만 아니라 향후 다양한 시나리오는 만들 때 유용한 도구임을 알 수 있었다.

후 기

본 연구는 정부(경찰청, 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 환경부, 소방청)의 재원으로 한국연구재단-국민위해인자에 대응한 기체분자식별·분석기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구임(2017 M3D9A1075451).

References

1. J. H Ku, “An Experimental Study on the Ventilation Performance to Enhance Removal Efficiency of Indoor Harmful Gases”, Fire Science and Engineering, Vol. 23, No. 5, pp. 117-124 (2009).

2. W. Y Chun, J. H Lee and H. J Kim, “Development of Training Scenario content for On-Site Commanders through Analysis of Response Failure Factors”, Fire Science and Engineering, Vol. 35, No. 3, pp. 111-117 (2021), https://doi.org/10.7731/KIFSE.d83236c9.
crossref
3. Y Jang, S Jung and K Park, “Consequence Analysis for Accidental Gas Release in Labs”, Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 19, No. 4, pp. 29-34 (2015), https://doi.org/10.7842/kigas.2015.19.4.29.
crossref
4. W. H Park, T. K Kim and B. S Son, “Numerical Simulation on the Heat and Smoke Flow Phenomena Due to the Fire in a Cyclodrome”, Fire Science and Engineering, Vol. 17, No. 3, (2003).

5. T. H Lee, C. H Park, H. H Park and D. H Kwak, “A Study on Accident Prediction Models for Chemical Accidents Using the Logistic Regression Analysis Model”, Fire Science and Engineering, Vol. 33, No. 6, pp. 72-79 (2019), https://doi.org/10.7731/KIFSE.2019.33.6.072.
crossref
6. D. H Han, S. W Choi and S. Y Lee, “Hazardous Gas Analysis during Fire Investigation”, Fire Science and Engineering, Vol. 34, No. 6, pp. 94-103 (2020), https://doi.org/10.7731/KIFSE.26c6d4ab.
crossref
7. Ministry of Environment, Basic Plan for Indoor Air Quality Management, (2009).

8. National research council, “Standing Operating Procedures for Developing Acute Exposure Guideline Levels for Hazardous Chemicals”, (2001).
crossref
9. H. S Kim, B. H Jeon, M. J Lee, J. H Yun, H. S Lee, W. Y Jung and J. A Jo, “A Study on Development of Damage Impact Distance Calculation Formula to Determine Evacuation and Notification of Residents in Case of Ammonia Release Accident”, Journal of the Korea Academia- Industrial cooperation Society, Vol. 21, No. 10, pp. 308-316 (2020), https://doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.10.308.
crossref
10. Siemens Co, STAR-CCM+ver 15.04, (2020).



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