다양한 습도발생 환경에 따른 연기감지기 작동 특성에 관한 실험적 연구

Experimental Research on Operation Characteristics of Smoke Detection Equipment with respect to Varying Humidity Environments

Article information

Fire Sci. Eng.. 2022;36(1):23-34
Publication date (electronic) : 2022 February 28
doi : https://doi.org/10.7731/KIFSE.2ec642f6
최수길, 최유정*, 김시국**,
호서대학교 소방방재학과 대학원생
Graduate Student, Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Hoseo Univ.
* 호서대학교 안전공학과 연구원
* Researcher, Dept. Safety Engineering, Hoseo Univ.
** 호서대학교 소방방재학과 교수
** Professor, Dept. of Fire and Disaster Protection Engineering, Hoseo Univ.
Corresponding Author, TEL: +82-41-540-5732, TAX: +82-41-540-5738, E-Mail: kimsikuk@hoseo.edu
Received 2021 November 30; Revised 2021 December 19; Accepted 2021 December 20.

Abstract

본 논문은 습도발생 환경에 따라 연기감지기 작동 특성에 관한 실험적 연구이다. 습도에 의한 연기감지기 작동 특성을 관찰하기 위해 ISO 9705의 표준룸 규격을 참고하여 실험체를 제작하였고 습도발생 조건은 미분무 발생장치, 가습기, 커피포트, 가스버너를 활용한 물 끓임으로 습도를 발생시켰다. 습도 80%에서 정적인 경우에는 연기감지기 작동 특성이 크게 발생되지 않았고, 동적기류 0.8 m/s에서 작동특성이 나타나면서 3.0 m/s 보다 1.5 m/s에서 가장 활발한 연기감지기 작동특성이 나타났다. 또한 물안개 현상이 발생되지 않는 가스버너를 활용한 습도실험에도 연기감지기 1종 작동농도 7.5 %/m까지 연기농도가 측정됨에 따라서 물안개(스팀) 현상이 발생되지 않아도 충분히 습도에 의한 비화재보의 가능성을 확인하였다.

Trans Abstract

In this study, experimental research is conducted on the operation characteristics of smoke detection equipment in environments with varying humidity levels. To examine the smoke detection equipment’s operation characteristics with respect to humidity, we manufactured an experimental equipment based on the standard room size specified in ISO 9705. Furthermore, humidity was generated by boiling water via water mist generator, humidifier, coffee pot, and gas burner. Hence, in the static case under 80% humidity, the operation characteristics of the smoke detection equipment were not affected. However, the operation characteristics were observed under a dynamic airflow of 0.8 m/s. Furthermore, the most active operation characteristics were identified at dynamic airflow of 1.5 m/s as opposed to 3.0 m/s. Additionally, in the humidity experiment utilizing a gas burner, the water fog phenomenon was not observed. The smoke concentration, measured via the type one operation of the smoke detection equipment, was 7.5% /m. Hence, we sufficiently confirmed the potential of false alarms due to humidity even without the occurrence of the water fog (steam) phenomenon.

1. 서 론

감지기는 일반적으로 초기 설치 이후에 하나의 제품으로 장기간을 사용하게 되고 이에 따라 감지기에 대한 유지관리가 제대로 이루어지지 않아 오랜 시간동안 방치되고 있다. 연기감지기의 경우 감지부인 연기챔버에서 연기뿐만 아니라 미세먼지, 누수, 수증기, 에어로졸 입자 및 습도 등에 의해 발생되는 비화재보의 문제점을 가지고 있다. 현재 2021년도 소방청 통계연보에 따르면 2016년부터 2020년까지 소방관서에서 비화재보로 인한 출동 건수는 2016년 7,347건, 2017년 14,477건, 2018년 20,445건, 2019년 25,020건, 2020년 38,119건으로 매년 증가하는 추세이다(1). 비화재보의 원인으로는 기기결함, 절연열화, 부주의 등 많은 물리적 원인과, 환경적 원인도 있지만 여기서 가장 많은 발생요인으로는 습도에 의한 비화재보와 음식물 조리에 의한 비화재보가 있다. 이중 습도에 의한 비화재보는 여름철 습도가 높은 장마기간에 높은 습도에 의해 지속적으로 공용부 또는 실내복도 등의 연기감지기에서 비화재보가 발생되고 있는 실정이며, 샤워 후 발생되는 스팀, 수증기 등에 의해서도 비화재보가 발생되고 있다. 이에 따라 여름철과 겨울철에 발생되는 감지기의 비화재보 및 오작동 원인들을 대상으로 실증실험을 통해 원인규명 및 대처방안을 마련하기 위한 실증 연구가 필요하다. 하지만, 국내 연구 동향은 화재실험을 통한 주택용 연기감지기 응답특성에 관한 연구(2), 광전식 연기감지기 응답특성을 고려한 화재감지시간 산정방법에 관한 연구(3), 아날로그 광전식 연기감지기 비화재보 개선에 대한 연구(4) 등으로 이루어져 있으며, 대부분 다양한 화재성상(종이화재와 인화성액체화재)에 대한 특성 분석을 통해 연기감지기의 응답특성을 연구하고, 연기감지기에 화재 시 영향을 미칠 수 있는 요인을 실험 시료로 선정하여 연기감지기 특성분석 및 실증실험이 주로 이루고 있다. 추가적으로 비화재보 키워드 관련 사전연구를 분석해보면 비화재보로 인한 오인출동 저감방안에 관한 연구(5), 국내ㆍ외 비화재보의 통계 및 관리체계에 관한 연구(6) 등 통계관련 연구나 법적 분석에 관한 내용이 대다수를 차지하고 있어 비화재보가 발생되는 원인을 특정해 특성분석이나 실증실험이 현재까지도 진행되지 않고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 기반으로 실증실험을 통해 습도에 의한 연기감지기의 영향성을 분석하고자 한다.

따라서 본 연구에서는 습도에 의한 연기감지기 특성 변화를 분석하기 위해 습도 환경 실험재현을 위한 ISO 9705(7) 표준 룸 규격을 인용하여 실험챔버를 제작하고 정적인 상황에서 인위적인 습도를 발생하여 연기감지기의 연기농도 변화특성을 확인하고, 생활 풍속을 적용하여 동적인 상황을 가정해 습도 발생에 따른 연기감지기의 연기농도 특성변화를 분석하여 최종적으로 습도에 의한 연기감지기의 응답특성을 분석하고자 한다.

2. 습도에 의한 계절별 비화재보 건수 및 습도 이론

먼저 습도에 의한 비화재보의 발생빈도를 알아보기 위해 선행연구를 조사한 결과(8) 다음과 같이 나타났다. Table 1은 습도 발생량에 따른 비화재보의 건수를 나타낸 것이다. 해당연구의 현장조사 대상지는 국내 모 대규모 제조업 사업장으로 2017년 4월부터 2020년 3월까지 36개월간 데이터를 측정하였고 건축물의 연면적은 130개동 약 170만 m2이다. 조사 결과 상대습도에 따른 이상동작 발생 빈도는 상대습도 51 이상 62 이하일 경우가 가장 발생 건수가 낮게 나타났고, 상대습도 70% 이상 상승하였을 경우 이상동작 발생건수가 점차 상승하면서 82 이상 89 이하의 경우 91건으로 두 번째로 높게 나타났다. 또한 공기중 최대 상대습도인 90 이상 98 이하의 습도에서 이상동작 발생건수가 106건으로 가장 많이 나타나면서 습도의 상승에 따라 비화재보의 발생 건수가 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상대습도 범위가 낮은 16 이상 38 이하의 경우와 39 이상 50 이하의 두 구간에서 상대습도 51 이상 62 이하의 구간보다 더욱 높은 비화재보의 발생이 나타났는데 해당 원인을 분석해본결과 총 70건 중 57건의 최저온도가 3 ℃ 이하인 겨울철로 나타났고, 겨울철의 경우 건축물 실내의 비교적 높은 온습도에 의해 온도차와 습도차가 발생되고 이러한 온습도 차이로 인한 결로 현상에 의해 비화재보를 발신하는 것으로 판단된다.

Number of Unwanted Alarms Reports According to Humidity

또한 추가적으로 Table 2는 월별 비화재보 발생 건수를 나타낸 것으로 월별 평균습도를 살펴보면 80% 이상을 유지하고 있는 여름철 7∼9월에 가장 많은 비화재보 건수가 나타났다. 즉, 화재를 초기에 감지하는 광전식 연기감지기의 경우 장마 및 여름철 고온 다습한 기후로 인하여 습도가 높은 경우 비화재보의 발생 건수 또한 많이 발생되는 것을 선행연구로 확인이 가능하였다. 겨울철에 경우 상대습도가 낮게 나타나지만 비화재보 건수가 상대습도 55%에서 65%유지하고 있는 상태보다 더욱 많이 나타난 이유는 실내의 따듯한 공기가 외기의 찬 공기와 만나 발생되는 결로현상에 의한 물고임 또는 내부의 수증기가 외부의 낮은 기온에 의해 서로 엉겨 붙어 물미립 자로 변화하여 나타나는 스팀현상으로 인한 감지기 비화재보라고 판단되고, 또한 겨울철 공용부 및 베란다와 같은 외기와 맞닿는 벽면은 비교적 차갑게 유지되고 이러한 차가운 벽면에 습도가 달라붙으면서 이슬이 발생되어 결로현상과 같은 문제점으로 인한 비화재보라 판단된다.

Number of Unwanted Alarms by Season

여기서 습도는 공기에 수증기가 포함되어 있는 정도를 습도라고하며(9), 상대습도는 공기 속에 포함되어 있는 수증기의 양을 표현하는 대표적인 값으로서 특정 온도에서 공기 1 m3에 포함할 수 있는 최대 수증기양과 특정 온도에서 포함하고 있는 수증기 양과의 비(%)로 나타낸다. 식 1은 상대습도를 나타내는 공식으로 여기서, Hr은 상대습도(RH%), PH2o 는 현재 수증기압(hpa), PH2Os 는 포화 수증기압(hpa), H1 는 공기중의 수증기량(g/m3)을H2 는 공기의 포화수증기(g/m3)로 나타낸다.

(1)Hr=PH2oPH2Os100(%)=H1H2100(%)         식

3. 실 험

모든 공간은 ISO 9705 표준 룸 규격을 사용하였고 높이 2.4 m, 가로 2.4 m, 세로 3.6 m의 실험공간에서 실험을 진행하였다. Figure 1은 실험체 사진과 실험 구성도를 나타낸 것으로 감지기는 자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기준 제7조에 따라 감지기는 실내로의 공기유입으로부터 1.5 m 이상 떨어진 위치에 설치하여야 하는 기준을 토대로 실험공간 입구에서부터 1.8 m 떨어진 천장부에 설치하였다. 추가적으로 동적상황을 인가하기 위하여 실험체 내부의 공기를 순환시킬 수 있도록 팬을 설치하였다. 입구 상층부에 급기구를 제작하고 급기구 반대편 끝단 천정면에 배기구를 제작하여 실험체 내부의 공기를 순환되도록 하였다. 공기순환은 실험체 내부 끝단 천정면에서 흡입하여 출입구 전면 방향 높이 2.35 m에서 급기를 진행하였다. 여기서 실험체 외부의 공기가 유입되지 않도록 창문 및 접합부, 틈새 등을 실리콘 처리를 진행해 완전 밀폐 후 실험을 진행하였다.

Figure 1

Experimental space photos and specifications.

3.1 실험 장비 및 구성

Figure 2는 실험장비 및 실험 장비의 구성도를 나타낸 사진이다. 실험에 사용된 감지기의 경우 현재 형식승인을 받아 시중에 판매되고 있는 T사의 아날로그 연기감지기(analog smoke detector, ASD) 3개, 아날로그 열감지기(analog heat detector, AHD) 1개를 설치하였고, 실험체 중간에 위치한 감지기 사이사이에 습도계측기(testo 605i, Testo Co., Germany)를 부착하여 두 대에서 측정되는 습도를 평균화하여 실험체 내부의 상대습도를 제시하였다. 습도계측기는 온도, 이슬점, 절대습도, 상대습도를 측정할 수 있으며 측정원리는 접촉식을 사용하고 있다. 추가적으로 연기감지기의 챔버 내부도 습도에 의한 영향 및 변화가 발생되는 지를 확인하기 위해 연기감지기 챔버 내부에 습도계측기를 설치하여 분석하였다. 여기서 실험체 습도계측기에 측정된 평균습도는 RHD로 명명하였고, 연기감지기 챔버 내부에 설치된 습도 계측기의 습도는 RHD(IN)로 명명하였다. 아날로그 연기, 열 감지기 및 습도계측기는 실시간으로 수록 되며 모든 분석은 시간대별 나타나는 농도값을 제시하여 분석하였다.

Figure 2

Experimental equipment and configuration.

3.2 정적 및 동적 습도변화에 따른 아날로그 광전식 연기감지기 농도 측정 실험

정적 상태에서 습도변화에 따른 아날로그 광전식 연기감지기 농도 측정 실험은 실험체 내부로 외기에 간섭받지 않는 공간에서 습도실험을 진행하여 습도 변화 80% 이상 89% 이하, 90% 이상에 따른 아날로그 연기감지기 수광부의 농도변화를 측정 및 분석하였다.

동적 상태에서 습도변화에 따른 아날로그 광전식 연기감지기 농도 측정 실험은 공기순환팬을 이용하여 실험체 공간 내 공기를 동적상태로 구현하고 습도 변화 80% 이상 89% 이하, 90% 이상에 따른 아날로그 연기감지기 수광부 농도변화를 측정 및 분석하였다. 여기서, 동적상황을 부여하기 위한 풍속은 3가지로 설정하여 실험을 진행하였으며 풍속기준은 여름철 평균 풍속이(10) 1.5∼1.9 m/s를 상회하기 때문에 1.5 m/s를 기준으로 1/2 풍속과 2배의 풍속을 적용하여 최종 0.8 ± 0.3 m/s, 1.5 ± 0.3 m/s, 3 ± 0.3 m/s로 분석하였다. 풍속은 급기부에서부터 감지기에 도달되는 풍속을 기준으로 진행하였으며, 공기순환팬의 입력전압을 조절하여 풍속을 일정하게 조절하였다.

Figure 3은 습도발생 조건을 나타낸 것으로 다음과 같이 4가지 조건으로 진행하였다. Figure 3(a)는 에어건과 콤프레셔를 활용하여 미분무 발생장치를 제작하였고 바닥으로 분사하여 지속적인 수분을 발생시켜 습도를 조절하였다. Figure 3(b)는 초음파식 가습기를 나타내며 해당 가습기에 지속적으로 전원을 인가하여 분사하도록 하였고 초음파 가습기의 원리 방식은 물 분자 진동을 일으키는 초음파 진동자로 물에 진동을 일으켜 물속의 물 분자들이 서로 부딪치면서 충돌하여 물 표면 위로 튀어나오는데 이렇게 발생된 물 분자를 송풍기 밖으로 내보내는 방식이다. 해당 가습기의 물분자는 실내 공기보다 무거워 물 분자가 아래로 내려앉는 특징이 있다. Figure 3(c)는 커피포트를 나타내며 해당 커피포트는 내부 코일온도를 높여 고온의 코일에 의한 물을 증발시키는 방식으로 해당 커피포트로 물을 끓여 증발시키고 이러한 방법으로 습도를 조절하였다. 커피포트의 경우 수증기가 발생되는데 고온의 수증기가 실내의 차가운 공기와 만나 응결되어 물안개(스팀)현상이 나타나는 특징이 있다. Figure 3(d)는 가스버너를 활용한 물을 끓이는 방식(가열식 가습방법)으로 가스버너에서 발생되는 화염에 의해 실험체 내부의 실내온도를 높이고 실내온도를 높임으로써 포화수증기압이 높아짐에 따라 수증기에서 물안개(스팀)현상으로 변환되는 현상은 발생되지 않도록 하여 습도를 조절하였다.

Figure 3

Experimental photo showing humidity generation conditions.

4. 실험결과

4.1 정적 상태에서의 습도변화에 따른 아날로그 연기감지기 농도 변화 측정실험 결과

모든 데이터는 30 min간 총 5회 실시하여 나타난 평균 데이터를 제시하였다. Figure 4는 정적인 상황에서 연기감지기 감도특성이 4가지 습도 발생 조건 중 가장 많이 나타난 미분무 발생장치의 연기감지기 데이터이다. 정적인 상태에서 상대습도 50∼79%의 경우 연기감지기의 연기농도 특성이 0.3 %/m 이하를 유지하면서 특이점이 발생되지 않았고, 최초 특이점이 보인 80% 이상 습도의 경우엔 최대 0.6 %/m의 연기감도 특성이 보이는 것을 확인하였다. 90%의 습도의 경우 23 ℃의 평시 시험챔버 온도에서 최대 2 %/m의 연기농도 상승이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 만약 1종 연기감지기 작동농도 7.5 %/m에 도달 까지 약 5.5 %/m의 연기 산란율이 나타나면 1종 연기감지기 작동농도에 도달될 수 있는 가능성을 확인하였다.

Figure 4

Analog smoke detector concentration change graph according to humidity change in static state.

즉, 습도에 의해 작동농도가 낮아지게 되면서 생활 먼지 및 흡연 등에 의한 빛 산란율이 발생되는 요인이 챔버 내부에 있는 습도와 만나 빛 산란이 가중 되면서 비화재보의 발생가능성을 높일 것으로 판단된다. 추가적으로 정적인 경우에는 화재감지 농도까진(1종 7.5 %/m, 2종 15 %/m)도달되지 못하였는데 이는 연기감지기 챔버 구조상 외부의 빛이 챔버 내부로 들어오기 힘든 구조로 설계되어 있고 또한 메쉬망을 통해 곤충이나 기타 오염물질을 막고 있는 상태이기 때문에 격자구조로 설계되어 있는 연기감지기 챔버내부에 직접적인 영향을 끼치려면 최소한의 동적기류가 필요한 것을 확인할 수 있었다.

4.2 동적 상태에서의 습도변화에 따른 아날로그 연기감지기 농도특성 실험 결과(80%RH, 0.8 m/s)

본 실험을 들어가기 전 예비 실험을 진행하였고 동적기류를 0.8 m/s로 고정시키고 30%습도에서 95%까지 상승시키는 예비실험을 진행한 결과 최초 동적기류와 습도에 의해 연기감지기 농도 상승곡선이 80% 이상의 습도에서 나타난 것을 확인할 수 있었고 아래와 같은 기준을 설정하여 실험을 진행하였다. 동적 상태의 실험은 정적상태로 습도를 80%까지 상승시키고 해당 농도에 도달하였을 경우 동적상태로 실험을 진행하였다. Figure 5는 습도 80% 이상에 상태에서 풍속 0.8 m/s 인가결과 그래프이다. 실험결과 정적인 상태에서는 연기감지기의 농도가 변화가 미비하였지만 풍속이 인가됨에 따라 아날로그 연기감지기의 연기농도가 상승되는 것을 확인할 수 있었다. 습도 조건 미분무 발생장치의 경우 709 s에 2번 감지기와 3번 감지기가 최대 농도에 도달되었으며 이는 미분무 장치의 특성상 물 미립자의 수분 입자가 동적 기류에 의해서 연기감지기 챔버내부에 침투되어 발생되는 특성으로 보이며 가습기와 커피포트의 경우 실험체 중간에 설치된 ASD 3번의 감지기에서 동작특성이 발생되었다. 즉, 습도에 의한 연기감지기 내부에 영향을 미치려면 최소한의 동적기류가 필요한 것을 확인할 수 있었고, 가습기와 커피포트는 습도가 축적되어 약 85% 이상의 상대습도가 도달될 경우 가습기와 커피포트에서 발생되는 수분 입자와 물분자가 공기에 흡수되어 수증기 형태로 분포되지 않고 상대적으로 느리게 흡수되어 물안개(스팀)형태로 발산되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 동적의 기류에 의해 물안개(스팀)입자가 연기감지기 챔버의 입구저항성을 이겨내고 수광부에 도달되어 발생되는 특성으로 판단된다. 하지만 가스버너를 활용한 가열식 가습의 경우 80%의 이상의 습도와 0.8 m/s의 풍속에도 연기감지기 감도특성이 발생되지 않았는데 이는 가스버너의 열에 의해 실내 온도가 상승됨에 따라서 포화수증기압이 증가되고 공기가 품을 수 있는 수증기의 양이 증가되어 스팀 형태로 발생되지 않은 특성 있어, 이러한 특성으로 비화재보를 발생 시키려면 챔버 내부에 습한 공기가 축적되어야 하지만 해당 풍속에는 연기감지기 챔버 내부까지의 습한공기가 도달되지 못하여 수광부에 영향을 못 미치는 것으로 판단된다.

Figure 5

0.8 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 80% or more.

4.3 동적 상태에서의 습도변화에 따른 아날로그 연기감지기 농도특성 실험 결과(80%RH, 1.5 m/s)

Figure 6은 습도 80%에서 1.5 m/s의 풍속에 따른 연기감지기 특성을 나타낸 것으로 Figure 6(a)와 같이 미분무의 경우 105 s 이내에 3개의 감지기 전체에서 2종 감지기 작동농도인 15 %/m의 농도값 이상 상승한 것을 확인할 수 있었다. Figure 6(b)는 가습기를 통해 습도변화에 따른 연기감지기 농도를 나타낸 것으로 실험체 중간에 있는 ASD3번 감지기는 약 845 s, ASD2번 감지기는 955 s, ASD 1번 감지기는 1516 s에 15 %/m 이상의 연기농도 값이 측정되면서 이후 지속적인 화재신호를 발신하였다. Figure 6(c)는 커피포트를 통해 습도변화에 따른 연기감지기 농도를 나타낸 것으로 ASD3번은 186 s, ASD2번은 238 s, ASD1번은 347 s에 15 %/m 이상의 연기농도가 측정되어 화재신호를 발신하였다. 최종 미분무, 가습기, 커피포트의 조건일 경우 0.8 m/s보다 1.5 m/s가 더욱 빠른 시간에 연기감지기의 화재신호를 발신하였고 또한 풍속이 빨라짐에 따라 3개의 아날로그 연기감지기 모두 작동된 것을 확인할 수 있었다. 연기감지기의 비화재보의 작동 조건에는 실내에 충분한 기류 또는 풍속이 존재하여야만 작동되는 것을 확인할 수 있었고 추가적으로 습도에 의한 비화재보의 발생은 최소한 85% 이상의 습도일 경우 물안개(스팀)현상이 발생ㆍ축적되면서 연기감지기의 산란특성이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 습도 분포의 다각적인 실험결과 상대습도 75% 이하의 경우에는 모든 습도발생 조건에 물안개 현상이 발생되지 않았으며, 연기감지기 또한 1종 화재감지 작동농도까지 연기농도가 상승하지 않는 것을 확인하였다.

Figure 6

1.5 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 80% or more.

Figure 6(d)는 가스버너를 활용한 물 끓임으로 습도를 발생한 실험결과이다. 가스버너의 조건의 경우 실험체 내부의 온도 상승에 따라 포화수증기압 증가로 물안개(스팀)현상이 보이지 않는 조건이다. 사람의 눈에 식별되지 않는 순수 수증기로도 연기감지기의 연기농도가 853 s에 최대 6 %/m의 농도까지 상승하는 문제점을 확인할 수 있었다. 이는 공기중에 포함되어 있는 수증기로도 동적기류에 의해 연기감지기 챔버 내부에 수증기가 체류되면서 산란특성이 나타나는 현상으로 보여 지며 만약 해당상태에서 연기감지기 챔버내부에 다각적인 요인에 의해 연기농도가 1.5 %/m만 상승하여도(연기감지기 1종 화재감지 작동농도 7.5 %/m) 비화재보가 발생할 수 있는 문제점을 확인하였다. 여기서 RHD 실험체 평균습도와 연기감지기 챔버내부 습도RHD(IN)를 보았을 경우 미분무, 가습기, 커피포트에서는 감지기 챔버내부의 상대습도보다 실험체 공간의 상대습도가 높게 나타난 반면, 가스버너의 실험조건에서는 감지기 실험챔버 내부의 상대습도가 실험체공간보다 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 물안개 현상이 발생되는 미분무, 가습기, 커피포트에서는 물안개 입자가 연기감지기 챔버내부의 수광부에 도달되고 통과되면서 실험체 내부의 상대습도 상승과 비례하여 연기감지기 챔버 내부의 습도도 상승하는 특성으로 보여 지며, 가스버너의 실험조건에서는 고온 다습한 공기가 상대적으로 온도가 낮은 연기감지기 챔버 내부에 체류되면서 공기중에 포함되어 있는 수분이 서로 엉겨 붙어 물맺힘 현상과 이슬현상에 의해 실험체 공간의 습도보다 연기감지기 챔버내부의 습도가 더욱더 높게 나타난 것으로 판단되고 이러한 현상에 의해 연기감지기의 산란 특성이 가중 되어 측정된 것으로 판단된다.

4.4 동적 상태에서의 습도변화에 따른 아날로그 연기감지기 농도특성 실험 결과(80%RH, 3.0 m/s)

Figure 7은 습도 80%에서 3 m/s의 풍속에 따른 연기감지기 특성을 나타낸 것으로 미분무 발생장치에서는 1.5 m/s에서 연기감지기 전체 5 %/m 이상 연기 농도가 측정된 시간은 122 s로 측정되었고 해당시간의 습도는 83.7%였으며, 3 m/s에서 연기감지기 전체 5 %/m 이상 연기 농도가 측정된 시간은 173 s에 습도는 87.4%이다. 가습기의 경우 1.5 m/s에서 연기감지기 전체 5 %/m 이상 연기 농도가 측정된 시간은 882 s에 습도는 87.4%였으며, 3 m/s에서 연기감지기 전체 5 %/m 이상 연기 농도가 측정된 시간은 923 s에 습도는 87.4%이다. 커피포트의 경우1.5 m/s에서 연기감지기 전체 5 %/m 이상 연기 농도가 측정된 시간은 164 s에 습도는 80.7%였으며, 3 m/s에서 연기감지기 전체 5 %/m 이상 연기 농도가 측정된 시간은 275 s에 습도는 82.9%로 측정되었다. 이처럼 풍속이 증가됨에 따라 연기감지기 상승곡선이 1.5 m/s보다 비교적 늦게 발생되는데 이는 풍속이 빨라짐에 따라 물안개의 수분 미립자가 연기감지기 챔버 입구 저항성을 뚫고 들어가지 못하여 오히려 빠른 풍속에 의해 빗겨나가는 특성으로 판단이 되며 또한 비교적 빠른 풍속에 의해 더욱 많은 실내의 공기와 접하면서 물안개현상이 상쇄되어 나타나는 특성으로 판단이 된다. 추가적으로 3.0 m/s의 가스버너에 의한 습도실험의 경우 연기감지기의 연기농도가 약 1200 s에서 미비하게 상승하였지만 1.5 m/s의 풍속에 의해 나타난 연기특성으로 나타나진 않았다. 이는 풍속이 빨라짐에 따라서 물 미립자가 충분히 연기감지기 챔버 내부에 체류되어 물맺힘과 이슬현상이 발생되어야 하는데 되려 챔버내부의 빠른 풍속에 의해 달라붙지 못하고 이탈되어 나타나는 특성으로 판단된다. 이에 따라 사람 눈으로 확인할 수 없는 고온 다습한 미세한 물 미립자의 경우에도 1.5 m/s이상 2.5 m/s 이하의 서풍의 풍속에 지속적으로 노출된다면 충분히 비화재보가 발생될 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 7

3.0 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 80% or more.

4.5 동적 상태에서의 습도변화에 따른 아날로그 연기감지기 농도특성 실험 결과(90%RH, 1.5 m/s)

Figure 8은 연기농도 특성이 가장 활발히 나타났던 풍속 1.5 m/s의 기준으로 습도 90%일 경우 연기농도특성을 나타낸 그래프로 해당 풍속에서는 미분무, 가습기, 커피포트 조건에서 실험시작 즉시 연기감지기 전체 15 %/m 이상의 연기농도 값이 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 80%의 습도에서 상승농도가 저조했던 ASD2, ASD1번 또한 고농도의 습도에 의해 연기농도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 가스버너 가열식 가습방법에 의한 조건에서도 90%의 습도, 1.5 m/s에서 최대 7.5 %/m의 연기농도가 측정되면서 연기감지기 1종 화재농도에 도달되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 습도발생량이 증가됨에 따라 연기감지기 작동특성이 활발히 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Figure 8

1.5 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 90% or more.

Figure 9는 습도실험 사진으로 미분무 발생장치, 가습기, 커피포트의 경우 상대습도 75% 이하에서 물안개(스팀)현상이 나타나지 않지만 점차 습도가 상승함에 따라 상대습도 80% 이상일 경우 물안개(스팀)현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 여기서, 가습기의 경우 물분자를 분사하는 원리로 가장 많은 물안개 현상이 발생되게 되는데 가습기에서 분사되는 물분자는 공기보다 무거워 포화수증기압에 따라 실험체 하부에 점차 물안개(스팀)현상이 나타나게 되고 동적기류에 의해 천장부로 상승되어 상승기류에 따라 공기와 접하는 면이 많아지게 되면서 상쇄돼 희미해지는 특성을 가지고 있다. 커피포트의 경우 코일 열에 의해 열 부력 현상이 발생돼 뜨거운 증기열이 실험체 내부의 비교적 차가운 공기와 만나 물안개(스팀)현상이 발생되고 점차 공기중에 포함되면서 습도가 상승되는 특성이 있다. 가스버너를 제외한 모든 습도 발생조건의 경우 상대습도 90% 이상일 때 물안개(스팀)현상이 실험체 내부에 골고루 분포되어 있으며, 가스버너의 경우 열에 의해 실험체 내부의 온도가 높아져 포화수증기압이 높아짐에 따라 물안개 현상이 발생되지 않고 물 미립자가 공기와 함께 섞여 시각에 보이지 않는 특성을 확인하였다. 또한 가스버너의 경우 실험체 내부에는 습도가 높아 차가운 벽면에 물 맺힘 현상과 결로현상들이 전체적으로 분포되어 있는 것을 확인하였다.

Figure 9

Photographs of 1.5 m/s dynamic airflow experiment results above 90% humidity.

최종적으로 습도에 의한 비화재보의 경우 아래와 같은 조건이 재현될 경우 발생될 것으로 판단된다. 첫 번째 습도와 기온이 높은 여름철 주간에 공기중에 포함되어 있는 포화수증기압이 높아짐에 따라 공기중에 수분양이 많아지게 되고 이때 야간으로 접어들면서 기온이 내려가 포화수증기압이 낮아지면서 일부 수증기는 응결되어 물안개 현상이 발생된다. 이러한 물안개가 자연 기류를 따라 실내로 유입되어 연기감지기에 도달될 경우 비화재보의 발생 가능성이 높아질 것으로 판단된다. 두 번째 장마철 습도는 포화수증기압에 도달되고 이때 지속적인 장마에 의해 수분 미립자가 발생되게 되는데 이러한 수분 미립자가 실내에 설치된 연기감지기에 도달될 경우 비화재보가 발생할 것으로 판단된다. 세 번째 겨울철 실내의 습도는 비교적 높고 외부 기온이 낮을 경우 외부와 접하는 벽면 및 공간에 찬 공기에 의해 이슬이 생기게 되고 이러한 이슬에 의해 연기감지기 챔버내부에 영향을 주어 비화재보가 작동될 것으로 판단된다. 네 번째 겨울철 실내 샤워실 등에 존재하는 따듯한 수증기가 찬공기와 만나 발생되는 스팀현상이 근처 연기감지기에 도달될 경우 비화재보가 작동될 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 논문은 다양한 습도환경에 따라 나타날 수 있는 연기감지기 작동 특성에 관한 연구로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 정적 및 동적 습도변화에 따른 아날로그 광전식 연기감지기 농도 변화 측정 실험결과 정적인 상황에서는 아날로그 연기감지기의 산란특성이 활발하게 나타나지 않았다. 이는 연기감지기 챔버의 입구가 격자구조로 설계되어있고 이러한 격자구조를 지나 수광부에 물 미립자가 도달되어야 하지만 정적인 상황에서는 이러한 격자구조를 지나 수광부에 도달될 수 있는 동적 기류가 없기 때문에 산란특성이 나타나지 못하는 결과가 나타났다. 추가적으로 습도는 80% 이상 존재할 경우 물안개(스팀)현상이 지속적으로 유지되었지만 75% 이하에서는 공기중에 물안개(스팀)현상이 나타나지 않는 특성을 확인하였다.

2) 습도 80% 동적 실험결과 미분무, 커피포트, 가습기의 조건에서 0.8 m/s에서는 ASD3의 실험체 중간에 있는 감지기만 변화폭이 발생되었고, 더욱 풍속을 높여 1.5 m/s에서는 실험체 중간에 있는 ASD3번의 감지기는 더욱더 활발히 연기농도의 변화폭이 발생되고 ASD2, ASD1의 감지기 또한 연기농도의 변화폭이 발생되었다. 3 m/s의 풍속의 경우 연기감지기 연기농도 첫 상승 곡선이 1.5 m/s보다 느리게 나타났고 또한 전체적인 습도조건에 따라 연기감지기 산란특성이 1.5 m/s보다 저조하게 나타났다. 즉, 연기감지기의 입구저항성을 이겨내고 감도특성을 인가할 수 있는 최적의 풍속은 약 1.5 m/s로 판단된다.

3) 가스버너 실험조건의 경우 가스버너의 고온에 의해 물안개(스팀)현상이 발생되지 않아 감도특성이 발생되지 않을 것으로 판단하였지만, 습도가 증가함에 따라 물안개(스팀)현상이 없어도 연기감지기 챔버내부에 영향을 주어 반대로 작동특성이 나타났다. 이에 따라 챔버 내부의 고농도 습도가 챔버 내부의 표면에 붙고 체류되면서 물 맺힘 현상 및 이슬현상이 발생되어 최종 80% 이상 90% 이하의 습도에선 6 %/m의 연기농도 값이 나타났고, 90% 이상의 습도에선 7.5 %/m의 연기농도 값이 측정되었다. 따라서 물안개(스팀)현상이 발생되지 않고 사람의 눈에 판별되지 않는 수증기 및 습도에 의해서도 충분히 화재감지 및 오작동이 발생될 수 있을 것으로 판단된다.

이상과 같은 결과 습도에 의한 비화재보의 발생은 본 논문의 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과를 토대로 비화재보 실증실험 기초자료로 활용하고자 하며, 추후 습도에 의한 비화재보를 방지하고 흑색화재를 감지할 수 있는 연기감지기의 광학특성 알고리즘을 도출하고자 한다.

후 기

본 논문은 소방청의 “재난현장 긴급대응 기술개발사업 (20016764)”의 지원을 받았음.

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Article information Continued

Table 1

Number of Unwanted Alarms Reports According to Humidity

Relative humidity (%) 16 to 38 39 to 50 51 to 62 63 to 69 70 to 76 77 to 81 82 to 89 90 to 98
Average relative humidity (%) 31.33 44.33 56.17 65.6 72.9 78.85 84.79 94
Number of occurrences 40 30 18 27 49 60 91 106

Table 2

Number of Unwanted Alarms by Season

Monthly January February March April May June July August September October November December
Number of occurrences 26 28 6 15 28 40 87 77 49 29 14 22
Average temperature 3.1 4.57 9.67 14.1 19.1 21.2 26.2 26.4 21.6 16.5 10.6 3.9
Average humidity 49.3 50.7 59.8 62 64.3 77.3 82.7 81.7 81 73.3 60.3 49

Figure 1

Experimental space photos and specifications.

Figure 2

Experimental equipment and configuration.

Figure 3

Experimental photo showing humidity generation conditions.

Figure 4

Analog smoke detector concentration change graph according to humidity change in static state.

Figure 5

0.8 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 80% or more.

Figure 6

1.5 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 80% or more.

Figure 7

3.0 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 80% or more.

Figure 8

1.5 m/s dynamic airflow experiment result graph at humidity 90% or more.

Figure 9

Photographs of 1.5 m/s dynamic airflow experiment results above 90% humidity.