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Fire Sci. Eng. > Volume 37(1); 2023 > Article
실시간 원격 제어 및 점검이 가능한 IoT와 클라우드 기반의 스마트 거실제연시스템에 관한 연구

요 약

현재 거실제연 설비는 대형 전시장, 대형 마트, 멀티플렉스 몰 등 대규모 건물내에 실내 공기 제어, 조명, 통신설비 등 다양한 목적의 설비와 복잡하게 설치되어 있어 접근이 어려울 뿐만 아니라 어떤 설비인지 식별이 어렵다. 또한 대부분의 거실제연 설비는 높은 위치에 설치되고, 설치된 후에 마감처리를 하는 곳이 대부분이기 때문에 점검 및 유지보수가 굉장히 어렵고 위험하다. 본 연구에서 스마트 거실제연시스템을 개발함으로써 권한을 가진 관계자가 인터넷이 가능한 장소에서 원격 점검 및 제어를 할 수 있으며, 실시간 자가진단 기능으로 상시 점검 및 확인이 가능하다. 또한, 스마트 거실제연시스템은 제연 전용 또는 공조와 제연 겸용 덕트에 설치되어도 확실한 제연 성능을 확보할 수 있으며, 화재 발생시 연기감시용 CCTV로 실시간 재난현장을 정확히 파악할 수 있고 재난 현장의 상황에 맞게 거실제연 설비를 원격으로 제어함으로써 연기 하강시간을 최대한 늦출 수 있어 안전한 피난경로를 확보할 수 있다.

ABSTRACT

Currently, fire zone smoke control systems are installed with other systems, such as indoor air control, lighting, and communication, in large scale buildings, such as exhibition halls, marts, and multiplex malls, making it difficult to access and identify the required system. Additionally, most fire zone smoke control equipment are installed in a high position and most of the places are covered the ceiling with finishing material after installation, so inspection and maintenance are difficult and dangerous. By developing a smart fire zone smoke control system, an authorized person can remotely inspect and control it via the internet. Additionally, the real-time self-testing function enables constant inspection and confirmation. Furthermore, the smart living room ventilation system is installed in a duct dedicated to smoke control or combined with air conditioning and ventilation to ensure reliable smoke control performance. By remotely controlling the smart living room ventilation system according to the fire site, it is possible to delay the smoke descent time to the minimum and secure a safe evacuation route.

1. 서 론

소방 관련 법령 중 국가 화재안전기준에 특별피난계단의 계단실 및 부속실 기준과 거실 제연에 대한 기준을 분리하여 적용하고 있다. 특별피난 계단의 계단실 및 부속실 제연설비는 전용의 설비로 구성되어 있으며, 외부 공기로 가압하여 화재실의 연기가 침투하지 못하도록 하는 가압방식으로 구성한다. 특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 화재안전기준인 NFSC 501A의 제25조(1)는 시험, 측정 및 조정에 대한 기준을 명시하고 있어 성능시험을 충족하는 준공검사, 정기 검사에서 테스트가 이루어지고 있다.
반면 화재안전기준인 NFSC 501(2)을 적용받는 거실제연 설비는 건축물의 효율적 활용, 공사비용 절감 등의 이유로 설비 대다수가 제연 전용 설비가 아닌 공조 겸용 제연방식으로 적용되고 있으며, 특별피난계단의 규정과 달리 시험, 측정 및 조정의 기준이 없는 현실에서 작동 여부의 판단에 그치고 있다(3). 따라서, 공조 겸용 풍도와 법적 testing, adjusting, balancing (TAB) 시행기준이 없는 거실 제연설비의 신뢰성 확보에 취약성이 있다고 할 수 있다(4,5).
거실 제연설비는 대형 전시장, 대형 마트, 멀티플렉스 몰 등 대규모 건물 내에 실내 공기 제어, 조명, 방송설비 등 다양한 목적의 설비와 복잡하게 설치되어 있어 접근이 어려울 뿐만 아니라 어떤 설비인지 식별하는 데 매우 어렵다. 또한 대부분의 거실제연 설비는 높은 위치에 설치되고, 설치된 후에 마감처리를 하는 곳이 대부분이기 때문에 점검 및 유지보수가 굉장히 어렵고 위험하다.
화재 및 피난안정성 확보를 위하여 NIST에서 만든 CFD 프로그램인 fire dynamics simulator (FDS)를 가장 많이 활용하고 있다. 대규모 거실제연과 관련하여 Kim과 Baek(6)은 FDS를 활용하여 제연구역 내의 급⋅배기량의 적정성을 연구하였고, Choi(7)는 급⋅배기 풍량과 연기층의 높이 등과 같은 제연 설비의 설계인자에 관한 연구를 FDS를 이용하여 수행하였다. Joung과 Oh(8)는 거실제연설비의 급⋅배기 성능 측정 결과를 FDS 기초 입력조건으로 적용하고, 이를 고온연기시험(hot smoke test, HST)에 의한 결과와 비교하여 입력조건의 적정성을 확보하는 연구를 수행하였다.
이들의 선행연구는 FDS 및 고온연기시험을 실시하여 거실제연설비의 성능 연구결과를 제시하였으나, 이 방법은 시뮬레이션 및 시험을 실시할 때에만 거실제연 설비의 성능을 확인할 수 있고, 설치된 이후에 사람들이 상주하고 있어 시험을 진행할 수 없거나 FDS 및 고온연기시험 비용이 수천만원으로 고가이기 때문에 실시간으로 거실제연설비의 성능을 확인할 수 있고, 원격으로 점검이 가능한 거실제연시스템 개발의 필요성이 제기되었다.
본 연구에서는 거실제연 설비의 신뢰성을 확보하고, 실시간으로 거실제연 설비의 성능을 확인하하기 위해 실시간으로 측정한 거실제연구역의 급⋅배기풍량을 기준으로 급⋅배기팬의 속도를 제어하여 목표 급⋅배기풍량으로 동작되는 거실제연시스템을 개발하였다. 또한 사용자가 인터넷을 통해 클라우드 서버에 접속하여 실시간으로 거실제연 설비를 점검할 수 있고, 원격으로 제어할 수 있는 시스템을 개발하여 거실제연 설비가 설치된 장소에 방문하지 않아도 쉽게 점검할 수 있기 때문에 거실제연 설비의 점검 시간이 단축되고, 거실제연 설비 제어 및 점검의 편리성을 제공한다.

2. 스마트 거실제연시스템 개발

2.1 이론적 배경

IoT 플랫폼은 센싱 기술과 유무선 통신 및 네트워크 인프라 기술에 의해 구현된 사물의 기능을 서비스로 제공하기 위한 IoT 서비스 인터페이스 기술이다(9). 최근 IoT 기술을 적용하여 장치와 연동하여 주변의 센서로부터 수집된 정보를 직접 가공, 처리하거나 제어하는 등 앱 서비스를 제공하려는 다양한 시도가 이루어지고 있다(10).
클라우드 서버는 적은 직접 투자 부담, 미사용 자원에 대한 비용 절감, 스토리지 공간 확장성, 안정적인 데이터 서비스와 다양한 애플리케이션을 활용할 수 있다는 장점으로 IT 기업뿐 아니라 다양한 산업으로 활용이 점차 확대되고 있다(11).

2.2 스마트 거실제연시스템 구성

Figure 1은 스마트 거실제연시스템의 전체 블록도이다. 스마트 거실제연시스템은 기존 거실제연 설비에 클라우드 서버, IoT gateway, 인버터판넬, 라인피토관, 풍량전송부, 통신형 급⋅배기댐퍼, 연기감시용 CCTV가 추가된다. 스마트 거실제연시스템의 데이터는 AES128, WPA/WPA2 암호화방식을 통해 클라우드 서버로 전송되고, 전송된 데이터는 AWS 클라우드 인프라내에서 virtual private cloud (VPC) 구성과 로드밸런싱(load balancing) 구성을 통해 안전하게 운영된다. IoT gateway는 클라우드 서버로부터 수신된 제어 명령을 인버터판넬과 급⋅배기댐퍼로 전송하고, 인버터판넬과 급⋅배기댐퍼로 부터 수신된 제어응답을 클라우드 서버로 전송한다. 라인피토관과 풍량전송부는 제연구역별로 급⋅배기덕트에 각각 설치되어 실시간으로 급⋅배기풍량을 측정하여 인버터판넬로 전송한다. 인버터판넬은 해당 제연구역의 라인피토관과 풍량전송부로 부터 수신된 풍량 측정데이터을 기준으로 급⋅배기팬의 속도를 제어하여 해당 제연구역에 급⋅배기가 목표 풍량으로 작동되도록 제어한다. 급⋅배기댐퍼 제어기는 마이크로컨트롤러가 지원하는 RS-485통신 기능을 활용하여 IoT gateway와 통신이 가능하도록 하였다(12,13). RS-485통신은 TIA/EIA-485-A(14) 표준의 시리얼 통신규격이며, half-duplex 방식으로 통신을 구현하여 원격으로 댐퍼를 제어 및 점검할 수 있으며, normal open/ normal close (NO/NC) 셋팅을 원격으로 변경할 수 있다.
Figure 1
Overall block diagram of smart living room ventilation system.
kifse-37-1-84-g001.jpg

2.3 실시간 풍량측정이 가능한 라인피토관과 풍량전송부 개발

라인피토관과 풍량전송부는 제연구역별로 급⋅배기덕트에 설치되어 실시간으로 급⋅배기 풍량을 측정한다. 라인피토관은 덕트 내부의 풍량을 여러 측정점에서 동시에 측정할 수 있는 다점피토관(average pitot tube)으로 벨마우스와 사각덕트에 직접 설치할 수 있다. 급⋅배기 덕트에 설치된 라인피토관에서 측정된 전압(total pressure, Pt)과 정압(static pressure, Ps)을 풍량전송부의 차압센서로 동압(dynamic pressure, Pd)을 센싱한 후 풍량전송부의 메모리에서 측정된 동압 기준의 풍량데이터를 환산하여 거실제연 인버터판넬로 전송한다.
Figure 2는 압력강하량 시험장비 사진이다. 압력강하량 시험장비는 KS A 0612-조임기구에 의한 유량측정방법(15)의 표준규격을 기준으로 자체 제작 시험장비이며, D⋅D/2 탭 오리피스가 적용된 유량 측정장치이다. KS A 0612 표준규격 4.1항의 측정방법의 원리에는 조임 기구를 유체가 흐르고 있는 관로안에 설치한 경우에 조임 기구의 상류 쪽과 하류쪽 사이에 생기는 정압차는 관로 안의 유량과 상관관계가 있으므로 정압차를 측정해서 유량을 구할 수 있으며, 조임 기구의 치수, 모양 및 사용 조건이 이 표준에 적합하면 교정하지 않고 유량을 측정할 수 있다고 규정되어 있다. 라인피토관 성능시험은 Figure 3와 같이 압력강하량 시험장비의 AMCA 챔버에 가로 500 mm, 세로 400 mm인 덕트를 설치한 후 AMCA 챔버를 기준으로 덕트 유효지름 10배 위치에 라인피토관을 설치하여 시험하였다. 라인피토관의 측정 동압을 10 Pa부터 100 Pa 단위로 압력강하량 시험기의 송풍기 속도를 조절하면서 AMCA 챔버에서 측정된 P1과 P2 압력으로 풍량을 산출하였으며, 최대 속도인 1800 RPM까지 성능시험을 진행하였다.
Figure 2
Pressure drop tester.
kifse-37-1-84-g002.jpg
Figure 3
Layout of line pitot tube performance tester.
kifse-37-1-84-g003.jpg
Figure 4는 라인피토관의 동압을 100 Pa 단위로 측정한 후 풍량을 산출한 시험결과 그래프이다. 라인피토관의 동압이 200 Pa 미만의 산출 풍량이 급격하게 증가하는 특성이 나타났고, 200 Pa 이상의 산출 풍량은 완만하게 증가하는 특성이 나타났다. 라인피토관의 동압이 200 Pa 이하 구간의 측정 단위를 100 Pa보다 작은 50 Pa 또는 25 Pa 단위로 측정된 풍량을 풍량전송부에 적용하면 정확성이 높아질 것으로 예상된다. 라인피토관의 성능 시험한 결과는 풍량전송부에 저장된 후 가로 500 mm, 세로 400 mm 덕트에 라인피토관과 같이 설치되어 운영된다.
Figure 4
Air volume measurement test result of line pitot tube.
kifse-37-1-84-g004.jpg

2.4 저가형 정밀제어 급⋅배기댐퍼 개발

대부분의 댐퍼모터에는 기어가 적용되고 있다. 기어는 동력을 전달하거나, 운동방향과 운동특성을 변환하는 장치로 자동차, 선박, 로봇 등 산업전반에 걸쳐 이용되고 있는 중요한 기계요소이다. 기어의 기본적인 적용목적은 회전수 변화와 동력의 증감이다. 이를 대표하는 것이 감속이며, 감속기는 주요 동력전달장치로 활용된다. 기어는 원활한 운동을 위해서는 적당한 간극이 필연적으로 존재한다. 이것은 기어 설계방법, 기어의 크기 등과도 밀접하게 관련되어 있으며, 일반적으로 백래시라 칭한다. 백래시는 시간지연으로 추종 성능을 저하시킬 뿐만 아니라, 정상상태에서는 채터링 현상을 유발시키는 등 다양한 문제 발생의 근원이기도 하다(16).
리니어 엑추에이터는 볼스크류가 적용된 엑추에이터이다. 볼스크류는 높은 기계적 효율 및 토크전달 특성의 우수성 그리고 낮은 가격과 장기간 얻어진 신뢰성 등의 장점과 더불어, 지속적인 생산기술의 발전으로 나노미터대의 요구정밀도를 만족시켜오고 있으며, 현재도 정밀 위치 결정기구의 약 50%를 차지하고 있을 정도로 여전히 많이 응용되고 있다(17).
급⋅배기댐퍼의 누설량에 영향을 주는 인자 중 날개의 구동장치, 하부 날개와의 틈새, 날개 사이의 밀착을 개선하기 위해 백래시가 없는 볼스크류 타입의 리니어 엑추에이터를 적용하였다. 가로 500 mm, 세로 400 mm 사이즈의 급⋅배기댐퍼에 댐퍼모터를 적용한 경우와 리니어 엑추에이터를 적용한 경우로 댐퍼 누기시험을 실시하여 두 가지 경우의 누설량을 비교하였다. KS A 0612-조임기구에 의한 유량 측정방법을 기준으로 자체 제작한 댐퍼 누기시험기를 이용하여 누설량을 측정하였으며, 누기 시험방법은 댐퍼모터 및 리니어 엑추에이터가 적용된 급⋅배기댐퍼를 각각 정방향 및 역방향으로 누기 시험기에 장착한 후 시험압력 250 Pa, 500 Pa, 750 Pa, 1,000 Pa 에서 5회씩 누기량을 측정한 후 평균값을 계산하였다.
Table 1은 급⋅배기댐퍼에 댐퍼모터를 적용한 경우와 리니어 엑추에이터를 적용한 경우의 누기시험 결과이다. 급⋅배기댐퍼에 기어모터를 적용했을 때의 누설량 대비 리니어 엑추에이터를 적용했을 때의 누설량이 최소 13.8%가 감소되고, 최대 34.9%가 감소되는 것을 확인하였다.
Table 1
Leakage Test Results of Motor-applied Damper and Linear Actuator-applied Damper
Damper Test Direction Test Pressure (Pa) Motor-applied Damper Average Test Leackage (l/s) Linear Actuator-applied Damper Average Test Leackage (l/s) Leakage Reduction (l/s) Leak Rate Reduction (%)
Forward 250 8.63 5.72 -2.91 -33.7
500 11.99 9.44 -2.55 -21.3
750 15.38 12.73 -2.65 -17.2
1,000 18.81 16.21 -2.60 -13.8
Reverse 250 8.88 5.08 -3.80 -42.8
500 11.98 7.98 -4.00 -33.4
750 16.41 10.69 -5.72 -34.9
1,000 19.26 13.50 -5.76 -29.9
Table 2의 UL555S leakage rated dampers for use in smoke control system 원본의 표 16.1 leakage classifications 원문(18)을 기준으로 리니어 엑추에이터가 적용된 급⋅배기댐퍼의 누기량 시험결과는 정방향 및 역방향 모두 CLASS II를 만족하는 것이 확인되어 최종 누기량 등급은 UL555S 기준 CLASS II 이다.
Table 2
Leakage Classfications of UL555S Standard
Classifications Leakage (ft3/min/ft2, m3/s/m2 × 196)
At 1.0 Inches Water (0.249 kPa) At 4.0 Inches Water (0.995 kPa) At 8 Inches Water (1.99 kPa) At 12 Inches Water (2.99 kPa)
I 4 8 11 14
II 10 20 28 35
III 40 80 112 140
IV 60 120 168 210
리니어 엑추에이터를 적용한 급⋅배기댐퍼는 댐퍼모터를 적용했을 때와 비교했을 때 누설량을 평균 28.38% 줄이는 효과가 있고, 저가형 볼스크류 타입 리니어 엑추에이터를 적용하여 비용은 절감되고 정밀도가 향상되는 것을 확인하였다.

3. 스마트 거실제연시스템 성능시험

스마트 거실제연시스템이 실제 제연덕트에 설치되었을 때 성능이 나오는지 확인하는 시험이다. 현장과 유사한 조건에서 시스템 연동시험을 통해 신뢰성 있는 제연시스템을 개발하기 위해 Figure 5와 같이 358.51 m2 면적에 3개의 제연구역으로 분리하여 성능 시험실을 제작하였다. Figure 6은 제연구역1을 단독 제연모드로 동작할 때 거실제연 설비의 기동 순서도이며, 제연구역1부터 제연구역3까지 성능 시험을 실시하였다. 인터넷으로 클라우드 서버의 graphic user interface (GUI)를 조작하여 인버터판넬의 목표풍량을 5,000 CMH로 설정한다. 스마트 거실제연시스템을 기동시킨 후 각 제연구역별 급⋅배기팬의 풍량과 급⋅배기덕트의 풍량을 10회 측정하여 평균값을 계산하였다.
Figure 5
Floor plan of smart living room ventilation system performance test room.
kifse-37-1-84-g005.jpg
Figure 6
Fire mode operation for smoke control Zone 1 of smart living room ventilation system.
kifse-37-1-84-g006.jpg
Table 3의 A는 제연구역별 급기팬 흡입측에서 측정된 풍량의 평균값이고, B는 5,000 CMH의 목표풍량을 기준으로 급기덕트 토출측에서 측정된 풍량의 평균값이다. 급기팬 흡입측 대비 급기덕트 토출측의 풍량 오차율은 제연구역1은 5.8%, 제연구역2는 1.8%, 제연구역3은 4.4%로 측정되었다. 정상류가 되기 위해서는 이론적으로 5 De (상단지름)이나, 제연구역1의 경우 주 덕트에서 T분기 후 엘보를 경유한 지점에서 측정된 결과로 이는 경험상 현장에서 10%의 오차율을 허용하고 있어 정상적인 시험결과로 판단된다. 목표 풍량인 5,000 CMH기준으로 Table 3의 B인 급기덕트 토출측의 풍량제어 오차는 제연구역1은 12.6 CMH (0.3%), 제연구역2는 -13.3 CMH (-0.3%), 제연구역3은 13.4 CMH (0.3%)로 시험결과 확인하였다.
Table 3
Air Volume Measurement Result on the Intake Side of Air Supply Fan and Discharge Side of Air Supply Duct
Zone Air Supply Fan Suction Side [A] Air Supply Duct Discharge Side [B] A-B (CMH) Percent (%)
Air Volume Measurement (CMH) Air Volume Measurement (CMH)
Zone 1 5301.4 5012.6 288.8 5.8
Zone 2 5075.4 4986.7 88.7 1.8
Zone 3 5232.4 5013.4 219.0 4.4
Table 4의 C는 배기팬 토출측에서 측정된 풍량의 평균값이고, D는 배기덕트 흡입측에서 측정된 풍량의 평균값이다. 배기팬 토출측 대비 배기덕트 흡입측의 풍량 오차율은 제연구역1은 2.1%, 제연구역2는 2.0%, 제연구역3은 3.8%로 측정되었다. 제연구역3의 배기덕트는 제연구역1의 급기덕트와 유사하게 주 덕트에서 T분기 후 엘보를 경유한 지점에서 측정된 결과로 다른 제연구역보다 오차율이 크게 발생된 것을 확인하였다. 목표 풍량인 5,000 CMH 기준으로 Table 4의 D인 배기덕트 흡입측의 풍량제어 오차율이 제연구역1은 -8.6 CMH (-0.2%), 제연구역2는 18.9 CMH (0.4%), 제연구역3은 -6.5 CMH (-0.1%)로 시험결과 확인하였다.
Table 4
Air Volume Measurement Result on the Discharge Side of Exhaust Fan and Intake Side of Exhaust Duct
Zone Air Supply Fan Suction Side [C] Air Supply Duct Discharge Side [D] C-D (CMH) Percent (%)
Air Volume Measurement (CMH) Air Volume Measurement (CMH)
Zone 1 5095.6 4991.4 104.2 2.1
Zone 2 5118.2 5018.9 99.3 2.0
Zone 3 5181.9 4993.5 188.4 3.8
스마트 거실제연시스템의 성능시험 결과는 주 덕트에서 T분기 후 엘보를 경유한 지점의 측정 풍량은 다른 구역과 비교했을 때 오차율이 4% 이상 크게 발생되는 것을 확인하였으며, 목표 풍량인 5,000 CMH를 기준으로 급기덕트 토출측 및 배기덕트 흡입측의 풍량제어 오차율은 시험장비 및 계측 오차율이 포함되지 않았지만, -0.3~+0.4%의 오차율로 풍량이 제어되는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 논문에서는 IoT 및 클라우드 기술을 적용하여 실시간으로 거실제연 설비를 원격으로 제어하고 점검할 수 있는 스마트 거실제연시스템을 개발하였다. 라인피토관은 KS규격의 벨마우스 및 덕트 규격별로 제작하여 KS A 0612 D⋅D/2 탭 유량측정장치 시험장비로 성능 시험한 결과를 풍량전송부에 적용하여 실시간 풍량측정 기능을 구현하였다. 급⋅배기댐퍼는 RS-485 통신을 적용하여 원격으로 상태정보 확인 및 변경을 할 수 있는 기능을 구현하였고, 댐퍼의 자가점검 기능을 구현하여 원격으로 댐퍼 점검이 가능하도록 하였다. 또한 백래시가 없는 볼스크류 타입의 리니어 엑추에이터를 적용하여 저가형 정밀제어 급⋅배기댐퍼를 개발하였으며, KS A 0612-조임기구에 의한 유량 측정방법을 기준으로 자체 제작한 누기 시험기로 누기 시험한 결과 UL555S 규격을 기준으로 CLASS 2 등급을 만족하는 것을 확인하였다. 스마트 거실제연시스템 성능 시험실을 제작하여 시스템 성능 시험을 실시한 결과 제연 덕트의 설치방법에 따라 측정 풍량의 오차율이 다른 것을 확인하였다. 또한 목표 풍량인 5,000 CMH를 기준으로 급기덕트 토출측 및 배기덕트 흡입측의 풍량제어 오차율은 시험장비 및 계측오차율이 포함되지 않았지만, -0.3~+0.4%의 오차율로 풍량이 제어되는 것을 확인하였다.
스마트 거실제연 시스템은 거실제연 설비가 설치된 장소에 방문하지 않아도 인터넷에 접속해서 쉽게 점검할 수 있어 제연설비의 점검 시간이 단축되고, 유지보수 비용이 절감되며, 편리성이 향상되는 효과가 있다. 향후 스마트 거실제연시스템 클라우드 서버의 그래픽 형식을 다양화하여 고객이 필요로 하는 다양한 거실제연시스템의 정보 및 기능을 시각화하여 모니터링 및 원격 제어가 가능하도록 시스템을 보완한 후 상용화시킬 계획이다.

후 기

본 연구는 2022년 한국소방산업기술원 실용화공동연구개발사업의 지원을 받아 수행했습니다.

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