1. 서 론
화재감지기는 열, 연기, 불꽃 등과 같이 화재 초기 발생되는 연소생성물들을 조기에 감지하여, 화재신호를 수신기에 전송하게 된다. 화재감지기로부터 화재신호를 받은 수신기는 주경종과 함께 지구경종, 사이렌, 비상방송 등 경보설비를 통해 재실자에게 화재사실을 알려 조기피난을 도모하고, 설정된 프로그램에 의해 화재감지기와 연동된 소화설비 및 제연설비 등의 소방시설과 방화문 및 방화셔터 등의 건축설비를 작동시켜 119 소방대가 오기 전까지 초기소화 및 화재확산방지 등에 주력하게 된다. 이와 같이 화재와 1차적으로 대응하고 화재수신기가 작동하기 위한 시작점을 만들어 주는 중요한 설비가 화재감지기이다. 일반적으로 화재감지기는 인간의 오감 중 1개의 감각을 바탕으로 화재를 감지하는 방식을 적용하고 있다. 열감지기는 인간의 촉각과 같이 화재 시 실내 온도가 상승하여, 열감지기에 부착된 온도센서에서 직접 열을 감지하였을 때, 온도차 또는 정해진 온도 값을 판독하여 화재신호를 발신하게 된다. 연기감지기는 인간의 후각과 같이 화재 시 발생된 연기가 연기감지기의 연기챔버 내부로 일정 농도 이상 유입되었을 때, 내부 광산란의 변화를 연기센서가 감지하여 화재신호를 발신하게 된다. 불꽃감지기는 인간의 시각과 같이 화재 시 발생된 불꽃에서 방출되는 적외선 또는 자외선 파장을 불꽃센서가 감지하여 화재신호를 발신하게 된다. 이러한 화재감지기 중 열감지기와 연기감지기는 특정소방대상물의 실내에 대부분 설치되고 있는 감지기이다. 하지만, 기존 열감지기의 경우 화재 시 응답속도가 연기감지기에 비해 상대적으로 느리기 때문에 화재의 조기감지를 위한 목적으로 2015년 NFSC 203 개정을 통해 특정소방대상물 중 취침, 숙박 등의 유사한 용도로 사용되는 거실에 연기감지기를 설치하도록 규정되면서 연기감지기가 현재 건축물에 가장 많이 설치되고 있다(1-3). 연기감지기를 거실에 설치하는 가장 큰 이유는 조기감지를 통해 인명 및 재산 피해의 최소화가 주목적이기 때문에 다양한 화원에 대한 화재감지의 적응성을 확보하기 위해서는 연기감지기의 핵심인 연기챔버에서의 광산란에 대한 특성연구가 이루어져야 하지만, 현재 잦은 비화재보로 인해 비화재보 개선을 위한 연구가 주를 이루고 있는 실정이다.
연기감지기는 광산란을 이용하는 방식이기 때문에 연기챔버의 구조 및 형태 그리고 내부로 유입되는 연기의 입자 크기 및 색상 등에 따라 연기감지기의 응답특성에 차이가 발생하기 때문에 연기챔버 내부의 광산란에 대한 세부적인 연구를 통해 화재감지 적응성을 확보한 후 성능개선을 위한 연구가 진행되어야 한다. 하지만, 기존 연구들의 경우 대부분이 연기챔버 내부의 광산란에 대한 세부적인 분석에 대한 이해 없이 PM, CO 등 다양한 센서를 연기감지기에 복합 적용하여 연기감지의 성능향상을 위한 연구가 대부분이다. 또한, 본 연구와 유사한 목적으로 진행된 연구들을 분석해 보면 Lee 등(4)은 분진색상을 대상으로 연기감지기의 응답특성을 측정하여 백색분진에서 오작동 발생 가능성과 흑색분진에서 부작동 발생 가능성을 언급하였고, Jang 등(5)은 다양한 가연물에 대한 연기감지기의 감광율 임계값 데이터 구축을 통해 단산란 알베도(single-scattering albedo, SSA)를 이용하여 SSA가 1에 가까우면 빛의 산란이 0에 가까우면 빛의 흡수가 많아 진다는 것을 언급하였다.
따라서 본 연구에서는 연기색상에 따른 연기감지기의 응답특성을 분석하기 위해 국내 3개사 아날로그 광전식 연기감지기를 이용하여 UL 268 실화재 시험인 종이화재, 인화성액체화재, 폴리우레탄폼화재 실험을 진행하여 화원 종류에 따라 발생되는 연기색상에 따른 연기감지기의 응답특성의 차이를 광학농도계에서 측정되는 연기농도값과 연기감지기에서 측정되는 연기농도값의 변화량 및 오차 등을 분석하여 세부적으로 제시하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 광전식 연기감지기의 작동원리 및 감도설정
Figure 1(a)는 광전식 연기감지기(이하; 연기감지기)의 연기챔버 구조를 나타낸 것이다. 연기챔버는 평상시 발광부에서 수광부로의 자체 광산란을 최소화하기 위해 흑색의 암실로 되어 있으며, 발광부는 IR LED, 수광부는 광전지(photocell)을 화재감지센서로 사용한다. 레비린스(labyrinth)에 의해 자연광이나 조명광 등의 외란이 감지기 내부로 들어 올 수 없으나, 연기와 같은 에어로졸(aerosol) 물질들은 자유로이 유·출입할 수 있는 구조이다. 또한, 레비린스를 둘러싸고 있는 스크린(screen)에 의해 벌레 등의 침입을 방지할 수 있다. 평상시 일정 간격의 발진 펄스(pulse)에 의해 발광부인 IR LED가 주기적(3∼5 s 간격)으로 발광하지만, 내부 광산란을 일으키는 연기 입자가 없으면 photocell에서 광기전력이 거의 발생하지 않는다. 화재 시 연기챔버 내에 일정 농도 이상의 연기가 유입되면 연기 입자의 광산란이 발생하면 빛이 수광부인 photocell에 입사된다. 이때, 입사된 빛에 의해 photocell에서 광기전력에 의한 전압이 발생되지만, 발생된 전압이 낮기 때문에 연산증폭기(OP-AMP)로 증폭되어 전압을 디지털(digital)로 변환하여 설정된 작동농도인지를 확인하고, 작동농도 이상이면 화재신호를 수신기로 전송하는 원리이다(6). 이에 따라 화재신호를 단순 On/Off 방식의 접점신호로 전송하는 경우 일반형 연기감지기, 연기농도에 의해 photocell에서 광기전력 변화에 따른 전압값을 증폭하여 digital로 변환된 연기 농도값을 실시간으로 수신기에서 모니터링하는 경우 아날로그 연기감지기로 구분한다.
Figure 1(b)는 소방청고시 ｢감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣ 제19조(7)에 의거하여 연기감지기의 작동 및 부작동 시험에 사용되는 연기감지기 감도시험기를 나타낸 것이다. 국내 연기감지기는 풍속 20∼40 cm/s의 기류에서 단일 화원인 동양호지 NO. 2 (filter paper)를 연기시료로 하여 감도시험기의 광학농도계(optical density meter, ODM)에서 측정되는 농도가 시험기준의 농도가 되었을 때 연기감지기를 투입하여 작동 및 부작동 시험을 진행하여 적합여부를 판단하고 있다. 즉, 국내에서 사용되는 연기감지기는 대부분 감도 2종을 사용하기 때문에 작동시험의 경우 ODM에서 측정되는 연기농도가 15 %/m 일 때 연기감지기를 투입하여 30 s 이내에 작동하여야 하고, 부작동시험의 경우 ODM에서 측정되는 연기농도가 5 %/m일 때 연기감지기를 투입하여 300 s 동안 작동되지 않도록 규정하고 있다. 이에 따라 제조업체들은 연기감지기의 감도를 맞추기 위해 감도시험기 ODM의 농도를 기준으로 하여 해당 연기농도가 되었을 때, 연기감지기의 수광부에서 측정되는 전압값을 기준으로 감도를 설정하고 있다. 즉, 연기챔버 내에서의 광산란 특성을 이해하고 알고리즘을 설계하기 보다는 단순 ODM과 매칭된 값으로 설계농도를 잡고 있다. 이로 인해 광산란을 일으키는 입자의 크기 및 색상 등 다양한 변수들에 의한 연기챔버 내부의 광산란 특성의 변화를 이해하고 연구된 것은 현재까지 전무한 상태이다.
2.2 감광율 및 UL 화원특성
감광율(obscuration, OBS)은 연기감지기의 감도시험에서 연기를 감지하기 위해 가장 많이 사용되는 방법으로 광학농도계인 ODM을 이용하여 연기에 포함된 연기/에어로졸을 감지하여 미터 당 퍼센트 감광(percent obscuration per meter)인 OBS (%/m)로 나타내며, 식(1)을 이용하여 구한다.
여기서, OBS는 감광율(%/m), Ts는 연기에 포함된 연기/에어로졸이 ODM에서 측정된 값(μA), Tc는 청정공기에 포함된 연기/에어로졸이 ODM에서 측정된 값(μA), d는 ODM의 발광부와 수광부 사이의 광원거리(m)를 의미한다.
Figure 2(a)는 본 연구의 기반이 되는 UL 268 시험기준에 의거하여 ODM을 이용한 OBS (%/m)를 계산한 그래프이다. UL 268 시험기준에 의거하여 ODM의 광원거리(d)는 1.5 m, ODM의 전류는 100 Ω에서 100 μA (OBS = 0 %/m)가 되도록 고정세팅(청정상태)하고, 연기에 포함된 연기/에어로졸이 ODM에서 측정된 값에 따른 감광율을 계산하였다(1). Figure 2(b)(8)는 UL 268에서 제시하는 화원별 연기 입자의 평균 크기 및 개수 그리고 색상을 나타낸 것이다. 국내의 경우 종이화원에 대한 감도시험만 진행되고 있지만, UL 268에서는 다양한 연기의 색상 및 입자 크기 등에 따른 연기감지기의 응답특성을 측정하고 있는 것을 확인할 수 있다.
3. 실 험
3.1 실험대상
Figure 3은 실험대상인 아날로그 연기감지기(analog smoke detector, ASD)를 나타낸 것으로 연기챔버의 구조 및 형태 등이 다른 형식승인을 취득한 3개사 제품을 사용하여 연기색상에 따른 연기감지기의 응답특성을 분석하는데 사용하였다. 응답특성 분석조건에서는 제조사마다 하드웨어적인 요소와 소프트웨어적인 요소의 차이점이 있으나, 보안 등으로 인해 수신기에서 실시간 취득되는 ASD의 감광율 OBS(%/m) 값만 대상으로 측정 및 분석하였다.
3.2 실험방법
Figure 4는 실험의 구성도를 나타낸 것으로 국내 형식승인 기준 화원과 연기색상이 유사한 백색계열의 종이화재 실험과 국내 형식승인에서 진행되고 있지 않은 연기색상인 흑색계열의 폴리우레탄폼화재 및 인화성액체화재를 대상으로 실험을 진행하였고, 화원 및 실험 조건의 경우 UL 268(9) 실화재 시험기준을 준용하였다. Zone A는 UL 268 시험 기준에서 제시되고 있는 종이 및 폴리 시험기준으로 11.0 × 6.7 × 3.0 m의 크기이며, 종이화재 및 폴리우레탄(PU)폼화재 실험을 진행하였다. 화원(“F” 지점)으로부터 5.4 m 떨어진 지점 천장에 실험대상인 아날로그 연기감지기 ASD를 위치시키고, 바로 뒤 0.3 m 지점 천장에 광학농도계인 ODM을 설치하여 UL 268에서 규정한 화원별 연기 프로파일을 관측하였다. 또한, 거치대를 이용하여 종이화원의 경우 바닥으로부터 0.9 m 상부에 위치시켜 240 s 동안, 폴리우레탄폼화원의 경우 바닥으로부터 0.07 m 상부에 위치시켜 540 s 동안 실험을 진행하였다. Zone B는 UL 268 시험 기준에서 제시되고 있는 캐나다 규격인 인화성액체화재 시험 규격이며, Zone A 구역에 가변형 벽체를 설치하여 공간구획을 통해 6.7 × 6.7 × 3.0 m의 크기로 구성하여 인화성액체화재 실험을 진행하였다. 화원(“F” 지점)으로부터 4.9 m 떨어진 지점 천장에 실험대상인 아날로그 연기감지기 ASD를 위치시키고, 바로 뒤 0.3 m 지점 천장에 광학농도계인 ODM을 설치하여 UL 268에서 규정한 화원별 연기 프로파일을 관측하였다. 또한, 거치대를 이용하여 인화성액체화원을 바닥으로부터 0.9 m 상부에 위치시켜 240 s 동안 실험을 진행하였다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1 종이화재 실험결과
Figure 5는 종이화재 실험의 사진을 나타낸 것이다. 종이화재의 경우 백색계열의 연기로 점화 후 일정 시간 동안 다량의 연기가 지속적으로 발생하면서 천장에 체류되다가 화재플룸(fire plume)이 발생하면서 플룸에 의한 열부력으로 인해 연기가 버섯구름 형태로 확산되면서, 화원부에서 5.4 m 떨어진 측정부에서 연기관측이 시작된다.
Figure 6은 UL 268 종이화재 실험 시 생성되는 연기 프로파일에 따른 감광율(이하; 연기농도) OBS(%/m)의 변화를 나타낸 것이다. 화재플룸으로 화원부에 체류 중이던 다량의 연기가 측정부로 이동하면서 광학농도계 ODM에서 152 s부터 급격한 연기농도 상승이 발생하기 시작하고 166 s에 최대 63.8 %/m까지 상승하다 급격 감소되고, 다시 2차 피크(peak)를 발생하여 42.1 %/m 증가 후, 감소되면서 연기농도가 약 21.0 %/m 이상으로 일정구간 유지되는 것으로 측정되었다. A사 ASD의 경우 172 s부터 급격한 연기농도 상승이 발생하다 183 s에 최대 측정 연기농도값인 20.3 %/m로 지속적으로 유지하는 것으로 나타났다. B사 ASD의 경우 169 s부터 급격한 연기농도 상승이 발생하다 174 s에 최대 측정 연기농도값인 24.0 %/m로 지속적으로 유지하는 것으로 나타났다. C사 ASD의 경우 191 s부터 연기농도 상승이 발생하다 218 s에 최대 측정 연기농도값인 16.0 %/m로 지속적으로 유지하는 것으로 나타났다.
종이화재 실험의 경우 각 감지기별 응답특성에 차이는 있었지만, 국내 연기감지기 2종 감도시험 기준인 15.0 %/m 이상의 연기농도가 측정되면서 모든 감지기가 4 min 이내에 화재신호를 발하여 UL 268 작동조건을 충족하는 것을 확인할 수 있었다.
추가적으로 광학농도계와 연기감지기의 감광율 및 연기농도 측정 시간의 차이가 발생되는데 이는 아래와 같다. 광학농도계의 경우 발광부와 수광부 사이의 연기 또는 에어로졸에 의한 빛가림, 즉 빛 감광에 의한 측정방식이지만 연기감지기의 경우 연기 또는 에어로졸이 격자 구조로된 레비린스(labyrinth)의 입구저항을 통과하여 챔버내부에 체류돼 빛산란이 발생되어야 지만 연기농도가 측정되는 매커니즘을 가지고 있기 때문에 연기감지기가 광학농도계보다 위치 상 앞서있어도 늦게 측정되는 이유가 이와 같다.
Figure 7은 ODM에서 급격한 연기농도 상승이 시작된 152 s 부터 240 s까지 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 시간대별 ASD에서 측정된 연기농도를 매칭하여 분포도로 나타낸 것이다. 연기감지기의 부작동 연기농도 기준인 ASD 5.0 %/m 이하의 분포도는 분석에서 제외하였다. A사와 B사의 경우 ODM 19.5∼42.1 %/m 구간에서 A사와 B사가 각각 측정할 수 있는 최대 연기농도값인 20.3 %/m 및 24.0 %/m 구간에 가장 많이 분포하는 것으로 측정되었다. 반면, C사의 경우 ODM 21.3∼24.6 %/m 구간에서 C사 ASD가 측정할 수 있는 최대 연기농도값인 16.0 %/m 구간에 가장 많이 분포하는 것으로 측정되었지만, 상대적으로 타사대비 최대 측정 가능한 연기농도값 범위에 분포도가 적은 것으로 나타났다.
Figure 8은 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 각 제조사별 ASD가 뚜렷한 연기농도의 상승변화가 관찰된 시점을 시작으로 ODM과 ASD에서 측정된 연기농도의 오차 및 백분율오차를 나타낸 것이다. 오차의 경우 A사는 최대 -24.33 %/m에서 최소 -0.09 %/m, B사는 최대 -37.88 %/m에서 최소 +0.01 %/m, C사는 최대 -28.50 %/m에서 -5.32 %/m 범위에서 발생하였다. 백분율오차의 경우 A사는 최대 -98.09%에서 최소 -0.46%, B사는 최대 -100.00 %에서 최소 +0.06%, C사는 최대 -93.44%에서 최소 -24.94% 범위에서 발생하였다.
4.2 인화성액체화재 실험결과
Figure 9는 인화성액체화재 실험의 사진을 나타낸 것이다. 인화성액체화재의 경우 흑색계열의 연기로 점화와 동시에 화재플룸이 발생하고, 열부력으로 인해 soot와 연기가 화원부에서 4.9 m 떨어진 측정부로 이동되면서 연기관측이 시작된다.
Figure 10은 UL 268 인화성액체화재 실험 시 생성되는 연기 프로파일에 따른 감광율 OBS (%/m)의 변화를 나타낸 것이다. 화재플룸으로 화원부에서 발생된 연기가 측정부로 이동하면서 광학농도계 ODM에서 33 s부터 연기농도 상승이 지속적으로 발생하기 시작하면서 237 s에 최대 39.8 %/m까지 증가되는 것으로 측정되었다. A사 ASD의 경우 71 s부터 급격한 연기농도 상승이 발생하다 234 s에 연기농도 11.5 %/m가 최대로 측정되었다. B사 ASD의 경우 42 s부터 연기농도 상승이 발생하다 238 s에 연기농도 8.5 %/m가 최대로 측정되었다. C사 ASD의 경우 71 s부터 연기농도 상승이 발생하다 177 s에 연기농도 9.0 %/m가 최대로 측정되었다.
인화성액체화재 실험의 경우 연기감지기 2종 감도시험 기준인 15.0 %/m의 농도 값까지 상승하여 화재신호를 발한 감지기는 전무 했으며, 모든 감지기가 UL 작동조건을 충족하지 못하는 것으로 나타났다.
Figure 11은 ODM에서 급격한 연기농도 상승이 시작된 33 s 부터 240 s까지 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 시간대별 ASD에서 측정된 연기농도를 매칭하여 분포도로 나타낸 것이다. 연기감지기의 부작동 연기농도 기준인 ASD 5.0 %/m 이하의 분포도는 분석에서 제외하였다. A사의 경우 ODM 38.6∼38.9 %/m 구간에서 연기농도가 최대 13.0 %/m로 측정되었고, 약 10.0 %/m 구간에 가장 많이 분포되었다. B사의 경우 ODM 38.7∼39.0 %/m 구간에서 연기농도가 최대 8.5 %/m로 측정되었고, 약 7.0 %/m 구간에 가장 많이 분포되었다. C사의 경우 ODM 35.3∼35.6 %/m 구간에서 연기농도가 최대 9.0 %/m로 측정되었고, 약 8.0 %/m 구간에 가장 많이 분포되었다.
결과적으로 A사 감지기가 연기 프로파일의 경향성과 가장 유사하였고, 연기농도도 가장 높게 측정되었지만, 흑색계열의 연기에서는 A사, B사, C사 감지기 모두 화재에 대한 감지능력 저하로 적응성이 매우 낮은 것으로 나타났다.
Figure 12는 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 각 제조사별 ASD가 뚜렷한 연기농도의 상승변화가 관찰된 시점을 시작으로 ODM과 ASD에서 측정된 연기농도의 오차 및 백분율오차를 나타낸 것이다. 오차의 경우 A사는 최대 -29.04 %/m에서 최소 -15.01 %/m, B사는 최대 -31.87 %/m에서 최소 -13.61 %/m, C사는 최대 -31.93 %/m에서 -17.39 %/m 범위에서 발생하였다. 백분율오차의 경우 A사는 최대 -97.24%에서 최소 -65.23%, B사는 최대 -97.72%에서 최소 -76.04%, C사는 최대 -95.25%에서 최소 -73.39% 범위에서 발생하였다.
4.3 폴리우레탄폼화재 실험결과
Figure 13은 폴리우레탄폼화재 실험의 사진을 나타낸 것이다. 인화성액체화재와 마찬가지로 폴리우레탄폼화재의 경우도 흑색계열의 연기를 발생한다. 폴리우레탄폼의 경우 변성알코올로 흡수시켜 점화를 시켰기 때문에 화염이 즉시 발생하고, 고체 → 액체 → 기체로의 급격한 상변화를 일으키면서 급격한 연소확대와 더불어 화재플룸이 커지면서 열부력으로 인해 soot와 연기가 화원부에서 5.4 m 떨어진 측정부로 이동되면서 연기관측이 시작된다.
Figure 14는 UL 268 폴리우레탄폼화재 실험 시 생성되는 연기 프로파일에 따른 감광율 OBS (%/m)의 변화를 나타낸 것이다. 화재플룸으로 화원부에서 발생된 연기가 측정부로 이동하면서 광학농도계 ODM에서 69 s부터 연기농도 상승이 지속적으로 발생하기 시작하면서 291 s에 최대 37.8 %/m까지 상승하다 서서히 감소되면서, 연기농도가 약 30.0 %/m 이상으로 일정구간 유지되는 것으로 측정되었다. A사 ASD의 경우 154 s부터 급격한 연기농도 상승이 발생하다 278 s에 연기농도 9.5 %/m가 최대로 측정되었다. B사 ASD의 경우 161 s부터 연기농도 상승이 발생하다 287 s에 연기농도 10.4 %/m가 최대로 측정되었다. C사 ASD의 경우 161 s부터 급격한 연기농도 상승이 발생하다 276 s에 연기농도 6.0 %/m가 최대로 측정되었다.
인화성액체화재 실험의 경우와 마찬가지로 폴리우레탄폼화재 실험의 경우도 연기감지기 2종 감도시험 기준인 15.0 %/m의 농도 값까지 상승하여 화재신호를 발한 감지기는 전무 했으며, 모든 감지기가 UL 작동조건을 충족하지 못하는 것으로 나타났다.
Figure 15는 ODM에서 급격한 연기농도 상승이 시작된 69 s 부터 540 s까지 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 시간대별 ASD에서 측정된 연기농도를 매칭하여 분포도로 나타낸 것이다. 연기감지기의 부작동 연기농도 기준인 ASD 5.0 %/m 이하의 분포도는 분석에서 제외하였다. A사의 경우 ODM 36.4∼37.5 %/m 구간에서 연기농도가 최대 9.5 %/m로 측정되었고, 약 7.0∼8.0 %/m 구간에 가장 많이 분포되었다. B사의 경우 ODM 37.3∼37.6 %/m 구간에서 연기농도가 최대 10.4 %/m로 측정되었고, 약 7.0∼8.0 %/m 구간에 가장 많이 분포되었다. C사의 경우 ODM 30.0∼37.8 %/m 구간에서 연기농도가 최대 6.0 %/m로 측정되었고, 약 6.0 %/m에 가장 많이 분포되었다.
결과적으로 A사와 B사 감지기가 연기 프로파일의 경향성과 가장 유사하였고, B사 감지기의 연기농도가 가장 높게 측정되었지만, 흑색계열의 연기에서는 A사, B사, C사 감지기 모두 화재에 대한 감지능력 저하로 적응성이 매우 낮은 것으로 나타났다.
Figure 16은 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 각 제조사별 ASD가 뚜렷한 연기농도의 상승변화가 관찰된 시점을 시작으로 ODM과 ASD에서 측정된 연기농도의 오차 및 백분율오차를 나타낸 것이다. 오차의 경우 A사는 최대 -29.34 %/m에서 최소 -5.01 %/m, B사는 최대 -28.34 %/m에서 최소 -6.88 %/m, C사는 최대 -32.23 %/m에서 -6.08 %/m 범위에서 발생하였다. 백분율오차의 경우 A사는 최대 -84.40%에서 최소 -73.25%, B사는 최대 -97.18%에서 최소 -71.89%, C사는 최대 -93.70%에서 최소 -80.00% 범위에서 발생하였다.
4.4 연기색상에 따른 응답특성결과 고찰
Table 1은 UL 268 화원별 ODM에서 측정된 연기농도를 기준으로 각 제조사별 ASD가 뚜렷한 연기농도의 상승변화가 관찰된 시점을 시작으로 ODM과 ASD에서 측정된 연기농도의 평균오차 및 평균백분율오차를 나타낸 것이다. 화원별 전체 평균오차 및 전체 평균백분율오차의 경우 종이화재가 각각 -7.36 %/m 및 -27.20%로 가장 적게 나타나 백색계열의 연기를 발생하는 화원에서는 화재감지의 적응성이 가장 높은 것으로 나타났다. 반면, 화원별 전체 평균오차에서 인화성액체가 -24.54 %/m로 가장 크게 나타났고, 전체 평균백분율오차에서 폴리우레탄폼이 -81.22%로 가장 크게 나타나면서 흑색계열의 연기를 발생하는 화원에서는 화재감지의 적응성이 가장 낮은 것으로 나타났다. 또한, 제조사별 응답특성 분석결과 UL 268 화원별 전체 평균오차 및 전체 평균백분율 오차에서 B사 ASD가 각각 -17.39 %/m 및 -56.87%로 가장 높은 응답특성을 보였고, 그 다음으로 A사 ASD가 각각 -17.71 %/m 및 -58.93%로 B사와 거의 유사하게 나타났다. 반면, C사 ASD가 각각 -20.41 %/m 및 -71.97%로 가장 낮은 응답특성을 보였다.
Table 1
Mean Error and Mean Percentage Error
이와 같이 백색계열의 연기 중 종이화재에서만 연기감지기의 응답특성이 우수하게 나타난 것은 국내 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에 의거하여 감도시험 시 종이화재에서 발생되는 연기입자에 대한 응답특성만을 측정하여 화재를 감지하는 방법을 적용하고 있기 때문인 것으로 생각된다. 이에 따라 UL 268과 같이 다양한 크기의 입자 및 색상을 가지는 화원별 연기 입자의 광산란 특성 측정을 통해 화재를 감지하는 알고리즘의 적용이 필요한 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 연기색상에 따른 연기감지기의 응답특성에 관한 연구로써 UL 268 화원에 따른 연기색상별 연기감지기의 응답특성을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
백색계열의 연기를 발생하는 종이화재의 경우 A사, B사, C사 모두 UL 268 작동조건을 충족하는 것으로 나타났다. 반면, 흑색계열의 연기를 발생하는 인화성액체화재 및 폴리우레탄폼화재의 경우 A사, B사, C사 모두 UL 268 작동조건을 충족하지 못하는 것으로 나타났다.
광학농도계 ODM을 기준으로 아날로그 연기감지기 ASD에서 측정된 연기농도의 전체 평균오차의 경우 종이화재에서 -7.36 %/m로 가장 적게 나타났고, 인화성액체화재에서 -24.54 %/m로 가장 크게 나타났다. 또한, 전체 평균백분율오차의 경우 종이화재에서 -27.20%로 가장 적게 나타났고, 폴리우레탄폼화재에서 -81.22 %/m로 가장 크게 나타났다.
제조사별 응답특성 분석결과 UL 268 화원별 전체 평균오차 및 전체 평균백분율오차에서 B사 ASD가 각각 -17.39 %/m 및 -56.87%로 가장 높은 응답특성을 보였고, C사 ASD가 각각 -20.41 %/m 및 -71.97%로 가장 낮은 응답특성을 보였다.
실험결과 흑색화재의 경우 광학농도계와 연기감지기 연기농도의 차이가 크게 발생 되었는데 이는 광학농도계의 경우 발광부에서 발신하는 빛이 직선상에 있는 수광부에 도달되어 측정되는 방식이기 때문에 흑색연기가 빛을 흡수하여 수광부에 도달되는 빛의 양을 감소시킴에 따라 연기농도가 상승되는 특성을 확인할 수 있었다. 하지만, 연기감지기 챔버 내부의 암실에서는 발광부와 수광부가 격자 형식으로 되어있어 빛 산란을 일으키지 못하는 흑색연기의 경우 빛산란 특성이 저하되어 흑색연기가 유입되어도 연기농도가 상승하지 못하는 것을 확인하였다.
이상과 같이 국내 연기감지기의 경우 백색계열의 연기인 종이화재에 대한 연기감지의 응답특성이 매우 우수한 반면, 흑색계열의 연기감지에 대한 응답특성은 매우 낮은 것으로 나타났으며, 제조사별 연기챔버의 구조에 따른 응답특성의 차이점을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 원인은 국내의 경우 종이화원에 대한 감도시험만 진행되고 있고, 연기챔버 내에서의 광산란 특성을 이해하고 알고리즘을 설계하기 보다는 단순 ODM과 매칭된 전압값으로 설계농도를 설정하고 있기 때문이다. 이로 인해 화재감지기의 가장 중요한 설치목적인 초기 화재감지에 있어서 흑색계열의 연기가 발생하는 인화성액체화재 및 폴리우레탄폼화재에서는 화재감지의 적응성이 저하되어, 조기감지 실패로 인한 경보지연으로 인명 및 재산피해가 매우 크게 나타날 위험성을 지니고 있다. 이에 따라 국내에서도 연기감지기의 화재감지의 신뢰성을 확보하기 위해서는 UL 268과 같이 다양한 연기의 색상 및 입자 크기 등에 따른 연기감지기의 응답특성을 확인하기 위한 시험기준에 대한 개정이 필요하다. 이와 더불어 연기감지의 핵심인 연기챔버 내의 광산란 특성에 대한 세부적인 해석 및 최적화 설계 그리고 화재감지를 위한 다양한 알고리즘에 대한 연구가 이제는 필요한 시점이다. 즉, 현재 국내에서는 연기감지기의 비화재보에 대한 문제를 중요시하고 있지만, 이보다 더 중요한 것은 화재 시 정상작동성능의 확보이다. 즉, 현재 다양한 센서를 적용하여 연기감지기의 화재 및 비화재보를 개선을 위한 연구가 진행되고 있지만, 이보다 먼저 연기감지기의 핵심인 연기챔버에 대한 세부적인 연구가 필요하다고 생각된다.
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