1. 서 론
연기감지기는 열감지기보다 상대적으로 조기에 화재를 감지할 수 있는 장점이 있지만 감지 특성상 화재 시 발생하는 연기 이외에도 생활 먼지, 수증기, 조리 시 발생하는 연기에도 반응한다. 또한, 습도가 높은 장마철이나 건축물 내⋅외부 결로가 발생하는 겨울철에도 반응하는 등 환경적 영향을 많이 받기 때문에 이로 인한 비화재보가 꾸준히 증가하고 있다(1).
특히 공동주택 및 노유자시설 등에서 화재가 발생하여 다수의 인명피해가 발생하자 취침⋅숙박⋅입원의 용도로 사용되는 특정소방대상물의 조기 화재 감지를 위해 연기감지기 설치가 의무화(국가화재안전기준(NFSC) 203)되면서 공동주택에서 많은 비화재보가 발생하고 있다.
미국을 비롯한 해외에서도 이와 같은 문제가 발생하여 UL 268 (Smoke Detectors for Alarm Systems, 7th edition)에서는 연기감지기 성능 기준을 강화하여 화재 연기와 조리 시 발생하는 연기를 구분하는 시험 기준을 도입(2020년 5월)하여 시행(2) 중이고, NFPA 72 (National Fire Alarm and Signaling Code)에서는 화재 연기와 일상에서 발생하는 연기의 구분이 가능한 연기감지기 성능 기준을 도입하여 시행할 예정이다(3). 또한 여러 감지기 제조업체에서는 연기감지기의 비화재보 발생을 저감하고 감지 신뢰성 향상을 위해 일산화탄소 센서 등 여러 교차 감지 센서를 도입한 감지기를 개발 중이다(1).
일산화탄소는 화재 초기 불완전 연소 시에 발생하는 연기에 다량 함유되어 있으며 수증기 및 조리시 발생하는 연기, 먼지 등에는 함유되지 않기 때문에 화재감지기와 연동할 수 있는 센서로 많은 관심을 받고 있다(4). 다만, 어느 정도의 농도가 검출되었을 때 화재로 인식해야 하는지에 대한 실험 데이터가 부족하기 때문에 본 연구에서는 UL 268 및 국내 실정을 기반으로 한 비화재보 시험 기준에 따라, 연기감지기와 일산화탄소 농도측정기의 동작 특성을 분석하여 교차감지의 가능성을 확인하고자 한다.
2. 이론적 고찰 및 문헌검토
2.1 감지기의 정의
NFPA 72(3)에 따르면, 연기감지기(smoke detector)는 연소 시 발생하는 가시적 또는 비가시적 입자를 감지하는 장치를 의미한다. 또한, 연기감지기와 연동 가능한 교차감지 적용을 위해 이론적으로 적용 가능한 감지기는 연소가스 감지기(fire-gas detector), 가스탐지기(gas detector), 다기준 감지기(multi-criteria detector), 다중센서 감지기(multi-sensor detector)가 있다. 연소가스 감지기는 화재에 의해 생성된 가스를 감지하는 장치를 의미하며, 연소가스는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 등이 있다. 가스탐지기는 특정한 가스농도를 탐지하는 장치를 의미하며, 스포트형과 선형으로 구분하여 사용한다. 다기준 감지기는 열, 연기 또는 연소가스와 같은 물리적 자극에 독립적으로 반응하는 여러 센서를 포함하거나 동일한 자극을 감지하기 위해 하나 이상의 센서를 사용하는 장치를 의미하며, 다중센서 감지기는 열, 연기 또는 연소가스와 같은 물리적 자극에 개별적으로 반응하는 여러 센서를 포함하거나 하나 이상의 센서를 사용하여 동일한 자극을 감지하는 장치를 의미한다.
본 연구에서는 화재가 발생하지 않은 상황에서 화재경보를 발하는 현상을 방지하기 위하여, 하나 이상의 센서를 사용함으로써 신뢰도를 높이는 다중센서 감지기의 원리를 적용하였으며, 연기감지기와 일산화탄소 센서를 사용하여 실험하였다.
2.2 국내 연구 동향
Choi 등(5)은 소방 관련 종사자의 설문 조사를 통해 비화재보에 대한 정의 및 발생 절차를 제시하고 있다. 화재감지기의 설치 장소에 따라서 발생하는 비화재보 건수를 조사하였으며, 발생 장소, 시기, 요인 및 관리방안에 대하여 제시하고 있다. 이러한 결과들을 바탕으로 비화재보의 주요 원인 등을 파악하여 전문가의 의견을 통해 비화재보에 대한 관리 필요성을 지적하였다.
Hwang 등(6)은 비화재보 발생에 따른 각 시⋅도의 오인출동 실태조사를 통하여 특정소방대상물의 소방시설 설치현황을 정리하고 제시하고 있다. 또한, 소방공무원의 비화재보 인식 설문 조사를 통하여 비화재보에 대한 체계적인 관리 및 개선방안에 대하여 제안하였다.
Ryu와 Kwak(7)은 딥러닝 기반의 HSV 컬러모델과 Harris 코너 검출 알고리즘을 적용한 이미지 전처리 방법을 통하여 화염감지를 제안하였다. HSV 컬러모델은 이미지에서 화재에 대한 색상영역을 필터링하고, Harris 코너 검출방법에 적용하면 화재 고유 특성의 거친 질감으로 인해 화재 주변의 집중적인 코너가 발생하게 된다. 이러한 기술을 딥러닝 기반의 합성곱신경망 모델을 통해 화재를 구별하는 신기술을 제안하였다.
Jung과 Song(8)은 4-파장 적외선 센서를 이용하여 불꽃감지 기술을 제안하였다. 기존 단일 적외선 센서를 이용한 불꽃감지기와 비교하여 비화재보에 대한 구별 기술을 제안하였다.
비화재보는 다양한 요인에 의하여 발생하고 있으며, 건물 내 재실자의 안전 및 불필요한 소방력 손실 예방을 위해 많은 연구가 수행 중인 것으로 파악되고 있다.
2.3 국외 기준 분석
건축물에 설치되는 화재감지 및 경보 시스템과 관련하여 미국건축법(IBC)에서는 미국방화협회(NFPA)에서 발행한 NFPA 72(3)에 따라 소방시설을 설계하도록 규정하고 있으며, 화재감지 및 경보 시스템에 대한 설치, 점검 및 유지관리에 관한 내용을 포함하고 있다.
또한, NFPA 72, UL 및 FM과 같은 민간인증기관에서 발행한 기술기준은 화재감지 및 경보 시스템에 대한 성능인증을 받도록 규제한다. 특히, UL 268(2)은 연기감지기의 성능에 대한 기준을 제시하고 있으며, 건설(construction), 구성요소(components), 성능(performance), 제조 및 생산(manufacturing and production) 등의 항목으로 나뉘어 있다. 이 중 성능 항목에서는 정상작동⋅전기감독⋅민감도⋅화재⋅공기유속⋅훈소⋅안전성⋅진동⋅온도⋅습도 등 다양한 시험을 통해 연기감지기의 기본적인 성능검증을 수행하도록 규제하고 있으며, 화재시험에서는 종이⋅목재를 기준으로 화재 시 감지기에 대한 성능기준을 제시하고 있다.
2016년에 개정된 UL 268에서는 연기감지기의 비화재경보 방지를 위해 요리에 의한 감지 오인 시험(cooking nuisance tests), 폴리우레탄 폼 착염화재 시험(polyurethane flaming tests) 및 훈소화재 시험(polyurethane smoldering tests) 항목을 추가하여 시험 기준을 강화하였다.
최근에는 기존 화재감지 방식인 열⋅연기⋅이온화식 감지기 이외에 다른 방식의 화재감지 기술이 개발되고 있으며, 국제표준화기구(ISO)에서는 ISO 7240-27 (Fire Detection and Alarm Systems Part. 27)(9)을 발행하여 연기감지기와 일산화탄소 센서 또는 열 센서와 결합하여 화재를 감지하는 기술을 제시하고 있다.
일반적으로 연기감지기는 화재 시 발생하는 연기를 빠르게 감지할 수 있지만, 화재에서 발생하는 연기 이외의 반응으로 비화재보를 발생시키고 있다. 반면에 일산화탄소는 탄화수소계 연료 화재 시 산소와 반응하여 발생하기 때문에 일산화탄소감지기는 화재를 명확히 감지한다.
유사한 기술기준으로 UL 2034 (Single and Multiple Station Carbon Monoxide Alarms)(10)에서는 단일 및 다중 구역에 대한 일산화탄소 센서의 설치 지침을 명시하고 있으며, 일산화탄소 센서에 대한 화재감지 기술을 제안하고 있다.
비화재경보 저감을 위해서 관련 기준을 강화하거나, 일산화탄소 센서를 적용하는 감지기준 등을 제시하고 있다. 그러나 일산화탄소 센서 적용을 위한 시험 기준은 비화재조건을 고려하지 않은 화재시험에 국한하고 있는 것으로 분석된다.
3. 시험장 구축
3.1 표준(UL 268) 시험장
본 연구에서는 표준화된 실험을 위해 UL 268을 준용하여 시험장을 구축하였다. 실험은 화재 실험과 비화재 실험으로 구분되며, 비화재 실험의 경우, UL 268에서 연기감지기의 비화재경보 방지를 위해 도입된 요리 시 발생하는 연기 구분 시험 기준을 적용하였다. 본 실험에 사용한 계측기는 시험 기준에 만족하는 연기감지기, 광원 모듈이며, 이 외에는 일산화탄소 농도 측정을 위한 가스분석기, 온도 확인을 위한 열감지기를 연기 유동에 영향을 받지 않는 위치에 설치하였다.
화재 시험장은 11.0 m (W) × 6.7 m (D) × 3.0 m (H) 크기로 개략도 및 구축 사진은 Figure 1에 나타내었다. 화점은 뒷면으로부터 2.13 m, 측면에서부터 3.4 m 지점이며, 화점의 직상부 천장에 연기감지기, 열감지기 및 가스분석기를 설치하였다. 또한, 화점으로부터 5.4 m 간격의 천장에 연기감지기 3개를 0.6 m (W) × 1.2 m (D) × 0.016 m (H) 크기의 불연성 패널에 나란히 부착하여 천장에 고정하였다. 또한, 광센서는 천장 아래 0.102 m 지점에서 중앙 감지기 중심으로부터 0.76 m 지점에 수광부(photocell assembly)를 설치하였으며, 발광부는(lamp assembly) 수광부와 1.5 m 간격을 두고 설치하였다. 일산화탄소 농도를 측정하기 위하여 가스분석기를 설치하였으며, 감지기와 동일선상의 위치에서 측정될 수 있도록 하였다.
비화재 시험장은 9.0 m (W) × 6.7 m (D) × 3.0 m (H) 크기로, 시험장의 개략도 및 구축 사진은 Figure 2와 같다. 조리 연기 발생을 위해 사용하는 전기레인지는 뒷벽으로부터 0.051 m 간격을 두고 전기레인지 중심이 옆면 벽으로부터 2.79 m가 되도록 위치하였으며, 전기레인지 조리면 최상단이 천장으로부터 1.53 m가 되도록 선반 위에 위치하였다. 전기레인지(convection electric oven)는 56 cm (W) × 45 cm (D) × 36 cm (H) 크기를 사용하였다. 연기감지기 및 가스분석기는 전기레인지 전면에서부터 직상부 천장에 설치하고 1.5 m 간격으로 추가 설치하였다. 연기감지기 4개를 불연성 패널에 부착하여 설치하고 전기레인지 전면으로부터 3.01 m 지점에 연기감지기의 중심부가 위치되도록 천장에 고정하였다. 광센서는 수광부와 발광부 사이에 1.5 m 간격을 두고 감지기 뒤에 위치하도록 설치하고, 가스분석기는 감지기 사이 중심에 위치하여 일산화탄소 농도를 측정하도록 하였다.
3.2 표준 외 비화재보 시험장
표준 외 비화재보 시험장은 2.5 m (W) × 4.0 m (D) × 2.5 m (H) 크기의 구획된 실과 7.0 m (W) × 1.2 m (D) × 2.5 m (H) 복도로 구성되어 있으며, 비화재보 시나리오를 모사하기 위해 구획된 실 안쪽으로 주방 시설을 구축하였으며, 사진 및 개략도는 Figure 3과 같다.
주방시설 직상부 천장에 연기감지기 및 가스분석기를 설치하였으며, 구획된 실공간의 중간 및 문 안쪽 천장에 같은 선상으로 추가 2개를 더 설치하고, 복도 중앙에서 구획실 문 앞에 1개를 더 설치하여 시험장 내에 총 4개의 연기감지기 및 가스분석기를 설치하였다.
4. 실험 방법 및 조건
4.1 표준 시험(UL 268)(2)방법
4.1.1 종이(paper) 화재
종이는 70 g/m2 미색 중질지를 폭 6～10 mm, 길이 85～100 mm로 재단하여 무게 42.6 g을 매회 실험에 정량으로 사용하였다.
리셉터클(receptacle)은 두께 2.0 mm ± 0.4 mm로 직경 101 mm, 길이 300 mm로 제작하였으며, 화점 위치에 종이를 다져 넣은 리셉터클을 0.9 m 높이, 직경 127 mm의 링 형태 지지대(ring support) 위에 위치하고, 리셉터클 중앙을 관통하는 직경 25.4 mm의 구멍을 형성하여 진행하였다. 리셉터클 중앙 바닥에 변성알코올(에탄올 95%, 메탄올 5%) 1 ml를 점화하여 실험을 시작하였으며, 실험은 판정 기준에 따라 점화 후 4 min (240 s)에 종료하였다.
4.1.2 목재(wood) 화재
목재는 더글라스 퍼(douglas fir)를 19.1 mm (W) × 19.1 mm (D) × 152 mm (H) 크기로 재단한 스트립(strip)을 각 층(layer)에 6개씩 3층 구조(인접 층은 서로 직각이 되도록 한다)의 목재 브랜드(wood brand)로 제작하였으며, 전체 크기가 152 mm (W) × 152 mm (D) × 64 mm (H)인 목재 브랜드를 매회 1개 사용하였다. 이때 목재 브랜드를 화점 위치의 바닥으로부터 0.9 m 위의 직경 127 mm의 링 지지대 상에 위치하여 실험하였다.
점화는 변성알코올 4 ml를 직경 38 mm, 깊이 25 mm인 금속용기에 넣어 진행하였다. 금속용기 바닥은 목재 브랜드의 하단으로부터 89 mm 아래 중앙에 위치하여 화염이 목재 브랜드의 상단을 관통하지 않도록 하여 점화하였으며, 실험은 판정 기준에 따라 점화 후 4 min (240 s)에 종료하였다.
4.1.3 폴리우레탄 폼(polyurethane foam) 화재
폴리우레탄 폼은 흰색 고밀도 우레탄 폼을 368 mm (W) × 432 mm (D) × 76 mm (H) 크기로 재단하여 실험하였다.
알루미늄 포일(aluminum foil)은 폴리우레탄 폼 크기에서 가장자리를 약 25 mm 높이로 접어 가연물이 빠져나가지 않도록 접시 모양 베이스(base)로 준비한 후, 폴리우레탄 폼을 위에 올려놓았다. 베이스는 568 mm (W) × 632 mm (D) × 16 mm (H)의 불연성 타일 위에 올려놓고, 시험장 바닥으로부터 수직으로 70 mm 위에 타일 상단이 위치하도록 배치하였다. 변성알코올 5 ml을 알루미늄 포일 안쪽 가장자리에 넣어 가장 구석 부분에 점화하였으며, 실험은 판정 기준에 따라 점화 후 6 min (360 s)에 종료하였다.
4.1.4 요리에 의한 감지 오인 시험(cooking nuisance smoke test)
햄버거 패티는 소고기 75%와 소기름 25%를 섞어 갈아 만든 냉동 분쇄육을 두께 19 mm, 직경 102 mm로 제조하여 72 h 이상 냉동한 후 사용하였다. 전기레인지는 벽으로부터 5 cm 떨어진 곳에 뒷면이 위치하도록 하고, 오븐 쟁반(baking rack)에 햄버거 패티 3개를 중앙 1개로부터 1 cm 간격씩 좌우로 위치시킨 후 가열하였다. 본 연구에서 사용하는 전기레인지는 열선 및 열풍에 의해 가열되는 제품으로 실내 가열 온도가 유지되어야 하므로 전면 문을 닫고 실험하였다. 실험은 시험 시작 1 s 이내에 최대 전력(최대 가열 온도 250 °C)으로 전원을 올려 점화하고 판정 기준에 따라 총 25 min (1,500 s)간 실험을 진행하였다.
4.2 표준 외 비화재 실험 시나리오
표준 외의 비화재보 실험은 여러 요인으로 발생하는 비화재보 상황을 모사하기 위해 다양한 시나리오를 기반으로 수행하였다. 이를 위해 대표적인 사례를 다음 Table 1과 같이 선정하였다.
Table 1
Scenarios of Non-Standard Unwanted Fire Alarm Test
수증기에 의한 비화재보 발생 시나리오는 가열기로 전기주전자를 사용하여 물 3 L를 채운 상태에서 지속적인 수증기 발생을 위해 전기주전자의 뚜껑을 열어놓은 채 실험하였다.
국 조리 상황에서의 비화재보 발생 시나리오는 가열기로 휴대용가스레인지와 인덕션을 사용하고, 곰탕 5 kg을 뚜껑이 없는 들통에 채워 가열하는 실험을 하였다.
프라이팬에 음식을 조리하는 상황에서의 비화재보 발생 시나리오는 가열기를 2가지(휴대용가스레인지, 인덕션)로 사용하여 진행하였으며, 팬(pan) 위에 햄버거 패티 5개를 놓고 뚜껑 없이 가열하였다.
4.3 판정 기준
4.3.1 표준 시험(UL 268)
연기감지기는 예비경보 5 %/m, 화재경보 15 %/m로 감지농도를 설정하여 실험 시 발생하는 연기에 의해 경보가 발하는 시점을 확인한다. 또한, 일산화탄소는 실험 시간 동안 측정된 ppm 농도 값을 확인하며, 표준 시험 사진은 Figure 4와 같다.
5. 실험 결과
5.1 표준 시험(UL 268)
5.1.1 종이 화재
본 실험은 3회 반복 진행하였으며, 시험 기준과 유사한 형상을 보이는 실험 결과를 바탕으로 연기감지기의 반응 및 일산화탄소 농도를 Figure 5와 같이 비교하였다. 실험 결과, 120 s에 화염 누출이 발생하였고, 연기감지기(SD)는 SD-1～SD-5 모두 4 min 이내에 반응하였다.
화원 직상부에 위치한 SD-1이 실험 시작 후 34 s에 19.1 %/m 감지 농도로 화재경보를 발신하였으며, 뒤이어 SD-2가 61 s에 예비경보를 보인 후 바로 66 s에 20.1 %/m 감지 농도로 화재경보를 나타냈다. 화원으로부터 약 5.4 m 거리에 위치한 SD-3는 77 s에 감지 농도 20.4 %/m로 경보를 응답하였으며, SD-4는 93 s에, SD-5는 124 s에 모두 화재경보를 발신하였다. 이때 일산화탄소는 화원 직상부에 위치한 CO (가스분석기)-1에서 180 s에 75 ppm으로 가장 먼저 반응하였으며, 최대 농도는 210 s에 465 ppm까지 상승하였다. 또한, 화원으로부터 약 5.4 m 거리에 위치한 CO-3은 200 s에 8 ppm에서 220 s에 98 ppm까지 급격하게 상승하였다.
5.1.2 목재 화재
본 실험은 3회 반복 진행하였으며, 시험 기준과 유사한 형상을 보이는 실험 결과를 바탕으로 실험 시 측정된 연기감지기의 반응 및 일산화탄소 농도 Figure 6과 같이 비교하였다. 353 s에 화염 누출이 발생하였으며, 연기감지기는 화점 직상부에 설치된 SD-1에서 화재경보가 나타났다.
화원 직상부에 있는 SD-1에서 164 s에 예비경보를 응답하였으며, 211 s에 감지 농도 17.7 %/m로 화재경보가 나타났다. 이때 일산화탄소 농도는 0 ppm이며, CO-1에서 280 s에 21 ppm으로 처음 감지하여 최고 농도 100 ppm까지 상승하였다. 한편 연기감지기 SD-2에서는 369 s, SD-3에서는 419 s, SD-4는 384 s, SD-5는 488 s에 예비경보가 나타났으며, 가스분석기 CO-2에서 340 s에 4 ppm으로 측정되어 최대 45 ppm까지 상승하였고, CO-3는 300 s에 7 ppm으로 시작하여 최대 50 ppm까지 측정되었다.
5.1.3 폴리우레탄 폼 화재
본 실험은 3회 반복 진행하였으며, 표준 시험 기준과 유사한 형상을 보이는 실험 결과를 바탕으로 연기감지기의 반응 및 일산화탄소 농도를 비교한 결과는 Figure 7과 같다.
SD-1에서 161 s에 감지 농도 6.0 %/m로 예비경보가 나타났으며, 최대 12.3 %/m까지(273 s) 상승하였다. SD-2는 276 s에 5.7 %/m로 예비경보가 나타났으며, 최대 감지 농도는 5.9 %/m였다. 표준 시험 기준인 연기감지기의 SD-3～5의 경우, SD-3에서 316 s에 감지 농도 5.2 %/m, SD-4는 276 s에 5.4 %/m, SD-5는 268 s에 5.9 %/m로 예비경보가 나타났다. SD-5의 경우에는 최대 감지 농도 10.2 %/m까지 상승하였다. 한편, 일산화탄소는 CO-1에서 300 s에 4 ppm으로 시작하여 470 s에 최대 농도 20 ppm까지 상승하였다. CO-2와 CO-3는 330 s에 각각 4 ppm, 5 ppm으로 측정되었으며, 최대 농도는 450 s에 11 ppm, 470 s에 14 ppm으로 나타났다. 본 실험 또한 연기감지기가 예비경보로 반응한 시점에서 일산화탄소는 0 ppm으로 나타났다.
단, 360 s 동안 흑색 연기가 자욱함에도 연기감지기(SD-1～SD-5)가 화재경보에 도달하지 못하였으므로 향후 다양한 폴리우레탄 폼의 종류와 연기감지기의 유형, 종류, 제조사에 따른 반응 차이를 고려하여 여러 제조사의 연기감지기를 사용한 추가 실험을 통한 확인이 필요할 것으로 판단된다.
5.1.4 요리에 의한 감지 오인 시험
본 실험은 5회 반복 진행하였으며, 표준 시험 기준과 유사한 형상을 보이는 실험 결과를 바탕으로 연기감지기의 반응 및 일산화탄소 농도를 비교한 결과는 Figure 8과 같다.
실험 결과, SD-1에서 481 s에 감지 농도 5.7 %/m로 예비경보가 나타났으며, 1,021 s에(감지 농도 15.6 %/m) 화재경보로 반응하였다. SD-2는 712 s (감지 농도 5.1 %/m)에 예비경보 반응을 하였으며, 표준 시험 기준에 따라 설치한 연기감지기 SD-3～6은 1,000～1,030 s 사이에 감지 농도 5 %/m를 초과하여 예비경보를 나타냈으나, 화재 경보는 나타나지 않았다. 한편 일산화탄소는 전기레인지 직상부에 있는 CO-1에서 460 s에 최초로 반응하였으며, 이때의 농도는 4 ppm이었다. 이후 농도가 감소하다가 실험 시작 후 990 s에 다시 CO-2와 CO-3가 동시에 반응하였으며, 농도는 4 ppm이었다. CO-2와 CO-3에서 일산화탄소 최고 농도인 6 ppm을 측정하였으며, 실험 시작 후 1,020 s 시점이었다.
요리 방해 연기 실험(비화재 실험)을 통해 화재가 아님에도 연기감지기가 반응하였으며, 전기레인지 직상부 천장에서는 화재경보로 인식하는 것을 확인하였다. 이때의 일산화탄소는 6 ppm 이하로 측정되었으며, 연기감지기 및 가스분석기가 최초 농도를 감지하기까지는 약 450 s 이상 소요됨을 확인하였다.
5. 2 표준 외 시나리오 기반 비화재 실험
5.2.1 수증기 발생 상황
연기감지기 반응 및 일산화탄소 변화를 확인한 결과(Figure 9), 전기주전자가 위치한 직상부 천장(SD-1)과 구획실 출입문 앞쪽 복도 천장(SD-4)에서 연기감지기가 반응하였으며, SD-1과 SD-4가 화재로 인식하는 것으로 나타났다. 평균적으로 900 s 이후에 연기감지기의 감지 농도가 15 %/m를 초과하는 것으로 나타났다. 시간이 경과 함에 따라 축적된 수증기가 연기로 인식되어 감지기의 경보를 발신하는 것으로 판단되는 한편, 일산화탄소는 3회 실험 모두 발생하지 않았다.
5.2.2 국 조리 상황
실험 결과 휴대용가스버너를 가열원으로 하여 실험한 경우, 휴대용가스버너가 위치한 직상부 천장(SD-1)에서 실험 시작 후 569 s에서 감지 농도 6.7 %/m로 반응하여 예비경보가 나타났으며, 발생 시점에서의 일산화탄소 농도는 10 ppm으로 나타났다. 일산화탄소는 휴대용가스버너가 위치한 직상부 천장(CO-1)에서 실험 시작 후 160 s 사이에 반응하였으며, 측정 농도는 4 ppm이었다. 최대 일산화탄소 농도가 30 ppm까지로 측정되었는데, 이때 연기감지기의 감지 농도는 1.1 %/m로 나타났다. 3회 실험 모두 종료 시까지 지속 상승세를 보이며 가스분석기 CO-1부터 CO-4까지 모두 반응하였다. 시간 경과에 따른 연기감지기 감광률 및 CO 농도 변화량의 3회 실험 결과를 Figure 10과 같이 나타내었다.
인덕션을 사용하여 3회 반복 실험한 결과 중 1회 실험 결과를 Figure 11과 같이 정리하였으며, SD-1 감지기가 실험 시작 후 약 1,100 s부터 반응을 나타내기 시작했다. 1차 실험에서는 1,255 s에 8.2 %/m, 2차 실험에서는 1,373 s에 감지 농도 5.6 %/m로 예비경보가 나타났다. 일산화탄소는 3회 실험 모두 0 ppm으로 나타났다.
5.2.3 음식 조리 상황
휴대용가스버너를 가열원으로 하여 3회 반복 실험하였으며, 그 결과, 1회 실험에서는 508 s 시점부터 가스버너 직상부 천장에서 연기감지기(SD-1) 감지 농도가 5.2 %/m로 예비경보가 나타났으며, 약 50 s 후에 18.5 %/m까지 상승하여 화재경보까지 발신하였다. 이때의 가스분석기의 일산화탄소 농도는 10 ppm이었다. 2회 실험에서는 544 s에 SD-1 감지 농도 5.8 %/m로 예비경보가, 573 s에 15.1 %/m로 화재경보가 나타났다. 이때 일산화탄소 농도는 예비경보 시 7 ppm, 화재경보 시 9 ppm으로 측정되었다. 3회 실험 경우, 552 s에 감지 농도 6.3 %/m로 예비경보가, 602 s에 15.3 %/m로 화재경보가 나타났으며, 이때의 일산화탄소 농도는 8～9 ppm으로 측정되었다. 이 중 1회 실험의 결과는 Figure 12와 같다.
인덕션을 사용하여 3회 반복 실험하였으며, 실험 결과, 1회 실험에서는 구획실 내의 SD-1 감지기가 실험 시작 후 248 s 시점부터 SD-2 감지기는 479 s, SD-3 감지기는 582 s 및 SD-4 감지기는 516 s부터 감지 농도 5.0 %/m 이상으로 반응하여 예비경보를 나타냈다. 화재경보는 SD-1은 367 s, SD-2는 843 s, SD-3 905 s, SD-4 859 s에 모든 감지기에서 나타났으며 최대 감지 농도 20.5 %/m가 실험 종료 시까지 유지되었다. 2회 실험에서는 340 s 시점부터 15.1 %/m를 초과하였으며, 447 s부터 약 60 s 동안 감지 농도 20.0 %/m 이상을 유지하다가 707 s부터 감지 농도 20.0 %/m를 다시 초과하여 실험 종료 시까지 유지되었다. 일산화탄소는 3회 실험 모두 0 ppm으로 나타났다. 이 중 1회 실험의 결과는 Figure 13과 같다.
6. 결 론
본 연구에서는 연기감지기의 비화재보 저감을 위한 방안으로 일산화탄소 센서를 적용하여 화재 및 비화재 시 감지 효과성이 있는지를 분석하고자 표준화된 실험 및 실제 비화재보 시나리오를 기반으로 한 실험을 수행하였으며, 이에 따른 실험 결과를 다음과 같이 정리하였다.
(1) 표준 UL 268 시험 기준에 따라 종이, 목재, 폴리우레탄 폼을 가연물로 이용한 화재 실험을 진행한 결과, 종이, 목재 실험의 경우, 실험 시간(240 s) 이내에 화점 주변의 연기감지기가 화재경보(감지 농도 15.0 %/m 초과)를 발하였으며, 이후 일산화탄소의 농도는 최소 21 ppm에서부터 최고 465 ppm까지 측정되어 다량의 일산화탄소가 발생함을 확인하였다. 화재 감지 속도는 연기감지기가 일산화탄소 센서보다 빨랐으며, 연기감지기가 예비경보를 발하고 약 120～150 s가 경과한 시점에서 일산화탄소 농도가 측정되었다. 또한, 가스분석기의 설치 위치에 따라 측정 농도의 차이가 났으며, 화점으로부터 거리가 멀어질수록 일산화탄소 가스농도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 일산화탄소의 측정 위치가 농도에 영향을 주는 것이 확인되었다.
(2) 표준 UL 268 비화재 시험 기준에 따라, 햄버거 패티를 이용한 요리에 의한 감지 오인 실험을 진행한 결과, 실험 시간(1,500 s) 이내에 모든 연기감지기가 화재로 인식하여 경보를 발하였으며, 이때의 일산화탄소는 4～6 ppm이 측정되는 것으로 확인하였다. 즉, 연기감지기가 요리 연기를 화재로 인식하여 반응하더라도 일산화탄소 농도가 화재 실험 시 발생한 농도보다 낮으므로 일산화탄소 센서를 교차 감지기로 활용할 경우, 비화재경보를 발하지 않음을 의미한다.
(3) 실제 비화재보 시나리오를 기반으로 수증기 및 연기를 발생하여 비화재경보 조건을 확인하는 동시에 일산화탄소 측정 농도를 확인한 결과, 가열원이 전기주전자 및 인덕션일 경우에 연기감지기는 화재로 인식하여 경보를 발하나 일산화탄소는 생성되지 않는 것으로 확인되었다. 즉, 표준 비화재 시험과 동일하게 연기감지기가 수증기 및 요리 연기를 화재로 인식하더라도 일산화탄소가 생성되지 않기 때문에 일산화탄소 센서를 교차 감지기로 활용할 경우, 비화재경보를 발하지 않을 수 있음을 나타낸다. 다만, 휴대용가스버너를 사용할 경우에는 일산화탄소가 최고 30 ppm까지 측정되었는데, 이는 휴대용가스버너에서 연료로 사용되는 탄화수소계 가스가 불완전연소(incomplete combustion)할 경우, 일산화탄소가 생성되기 때문으로 판단된다(11). 즉, 가열원 종류에 따라 비화재경보를 구분하는 일산화탄소 농도에 차이가 발생함을 확인하였다.
(4) 한편, 일산화탄소 측정 위치에 따라 농도의 차이가 발생하고, 실험조건(탄화수소계 가스 사용 등)에 따라서도 비화재보 발생 여부가 달라지므로 추가적인 연구를 통한 데이터의 신뢰성 확보가 필요하다고 판단된다.
화재 및 비화재보 조건에 따른 연기감지기와 일산화탄소 센서의 동작 특성을 확인한 결과 조리 시 발생하는 연기 등의 비화재보 조건에서 탄화수소계열의 가열장치 연료를 사용할 경우 일산화탄소 농도가 최대 30 ppm까지 상승하는 것을 확인하였으며, 폴리우레탄폼 화재 시 발생하는 일산화탄소 농도보다 다소 높다. 따라서 화재 및 비화재 상황을 구분할 수 있는 일산화탄소의 적정 감지농도를 확인하기 위해서는 플라스틱계열 및 그 외 다양한 가연물의 화재 시 발생하는 일산화탄소 농도를 측정하고 다양한 비화재상황에 대한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.
또한, 모든 화재조건에서 일산화탄소는 연기보다 평균 2～3배 늦게 감지되는 것을 확인하였다. 따라서 일산화탄소의 감지를 통하여 비화재보를 판정할 수 있는 최적의 알고리즘 개발이 필요할 것으로 판단된다. 추후 다양한 측정방식의 일산화탄소 센서 및 교차감지 알고리즘을 적용하여 비화재보 감지 효과성을 검토하고자 한다.
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