목재 가연물에 대한 화재실험을 수행하는 경우 목재의 함수율(moisture content)에 유의해야 한다. 목재 가연물의 화재는 함수율에 따라 초기 화재성장 및 최대 열방출률에 상당한 차이를 가질 수 있다(15). 따라서 실험의 재현성을 확보하기 위해서는 목재의 함수율이 일정하게 유지되어야 한다. 함수율은 목재에 함유된 수분의 질량이 전체 질량에 대해 갖는 비를 의미하며, 식(1)과 같이 정의된다.

여기서 w, w_H2O및w_wood는 각각 함수율, 수분의 질량 및 목재의 질량을 의미한다.

Figure 3에는 동일한 길이(L)의 목재로 구성된 crib의 함수율에 따른 열방출률의 비교가 제시되었다. 실험은 L = 0.27 m의 목재로 이루어진 crib을 대상으로 개방환경에서 수행되었다. 비교군으로 완전히 건조된 dry wood 및 대기 중에서 보관된 moist wood가 고려되었으며, 두 목재의 함수율은 각각 0%, 16.5%이다. 결과를 살펴보면, 두 가연물은 동일한 길이의 목재로 구성되었음에도 최대 열방출률, 화재성장률(fire growth rate) 및 화재지속시간에서 상당한 차이를 나타낸다. 정량적으로 dry wood의 최대 열방출률은 46.3 kW로, moist wood (27.7 kW)와 비교할 때 1.6배 가량 높은값을 나타낸다. 또한 화재성장률의 관점에서 time square law(16)에 따른 α값의 비교를 살펴보면, dry wood (1.04 × 10^-4 kW/s²)는 moist wood (8.42 × 10^-6 kW/s²)에 비해 13배가량 높은값을 나타낸다. 이를 통해 함수율이 목재 가연물의 화재에 미치는 영향을 확인할 수 있다. 목재의 함수율을 0%로 제어하기 위해서는 기체 온도 103 °C의 환경에서 12 h 이상의 건조 과정을 거쳐야 한다(17). 그러나 실험에 사용될 모든 목재 가연물을 건조하기 위해서는 상당한 시간이 요구될 뿐만 아니라, 실제 건축물, 가구의 화재에서 목재는 대기 중에 위치하므로 일정량의 수분을 머금고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 실제 목재 가연물의 화재현상에 대한 이해를 위하여, 대기 중 보관된 목재를 대상으로 실험이 수행되었으며, 10개의 길이(L) 별 표본에 대해 얻어진 평균 함수율은 16.5 ± 6.5%이다.

연소환경 및 환기조건에 따른 화재특성의 변화를 검토하기 위하여, Figure 4는 구획화재 실험을 통해 측정된 이론(ideal) 및 유효 열방출률의 최대값을 개방환경에서 측정된 각 물리량에 대한 함수형태로 제시한 것이다. 최대 이론 열방출률의 비교를 나타낸 Figure 4(a)를 살펴보면, 각 개구부 조건에서의 측정값은 큰 산포도에도 불구하고 전반적으로 선형적인 증가 경향을 나타내며, 대부분의 구획화재 실험에서 개방환경보다 높은값을 가진다. 이러한 경향은 선행연구(18)를 통해 검토된 것과 같이 구획환경에서 벽면의 열피드백에 의해 연소가 촉진되기 때문으로 판단된다. 본 연구에서 활용된 목재가 건조되지 않았음을 고려할 때, 로드셀의 측정값에 기반한 이론 열방출률은 수분 증발에 따른 오차를 가질 수 있다. 따라서 개구부 형상에 따른 화재현상의 변화를 명확히 이해하기 위해서는 유효 열방출률에 대한 비교가 더 유용할 수 있다. 유효 열방출률의 최대값에 대한 비교를 나타낸 Figure 4(b)에서도 이론 열방출률에 대한 검토와 유사하게 대부분의 구획화재 실험이 개방환경보다 높은값을 가지며, 가연물 크기에 따른 선형적 증가 거동을 보인다. 그러나 비교적 작은 환기면적을 갖는 DW50 및 DW25의 실험에서 이와 상반된 거동이 관찰된다. 구체적으로 DW50은 L = 0.47 m인 조건에서 개방환경보다 낮은 최대 열방출률을 나타낸다. 또한 더 작은 환기면적의 DW25는 L = 0.31 m의 조건부터 개방환경보다 낮은 최대 열방출률을 나타낸다. 즉 특정 개구부 형상 및 가연물 조건에서 벽면 열피드백에도 불구하고 개방환경보다 낮은 최대 열방출률을 나타내는 현상이 관찰되었으며, 이러한 현상은 환기면적이 작을수록 더 빠른 시점에 발생하였다.

환기조건에 따른 화재현상의 변화를 상세히 검토하기 위하여, Figure 5에는 가장 큰 가연물(L = 0.47 m)을 대상으로 수행된 구획화재 실험의 결과가 비교되었다. 열방출률 감소현상의 발생 여부에 따라 DW75 및 DW25 개구부가 비교 대상으로 선정되었다. Figure 5(a)에는 시간에 따른 열방출률의 측정 결과가 비교되었다. 비교 결과를 살펴보면 동일한 가연물 조건임에도 불구하고 최대 열방출률의 상당한 차이를 나타낸다. 정량적으로 DW75는 67.5 kW, DW25는 33.2 kW로 두 배 이상의 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 화재성장률의 관점에서도 환기조건에 따른 차이가 두드러진다. DW25와 비교할 때 DW75는 30배 이상 높은 α값을 나타낸다. Figure 5(b)는 각 개구부의 조건에서 최성기 시점의 순간 화염사진을 제시한 것이다. 비교 결과, DW75는 화재성장에 따른 화염길이 증가로 구획 외부로 분출된 화염이 관찰된다. 반면, DW25는 화염말단의 간헐적인 분출을 제외하면 대부분의 연소반응이 구획 내부에서 진행되며, 상대적으로 많은 soot이 배출되는 것을 볼 수 있다. 이때 Figure 4(a)에서 이론 열방출률은 개구부 형상과 관계없이 선형적으로 증가함을 고려할 때, 최대 열방출률의 저하는 불완전연소로 인한 것임을 추측할 수 있다.

불완전연소의 발생 여부를 보다 명확하게 검토하기 위하여, Figure 6에는 실험조건별 상층부 내 일산화탄소(carbon monoxide, CO) 체적분율 및 배기덕트에서 측정된 CO yield의 최대값에 대한 비교 결과가 제시되었다. 여기서 각 측정값은 Table 1에 제시된 가연물 크기별 표면적에 대한 함수 형태로 제시되었다. Figure 6(a)에서 구획 내 CO 최대 체적분율의 비교를 살펴보면 표면적 0.3 m² 미만의 작은 가연물 조건에서는 환기조건에 따른 차이가 두드러지지 않는다. 그러나 가연물의 표면적이 증가함에 따라 개구부의 폭이 작을수록 높은 CO 체적분율을 나타낸다. 그 결과 가장 큰 가연물이 DW100 조건에서 연소할 때 상층부의 CO 체적분율은 약 0.045인 반면, DW25 조건은 0.09의 2배 가량 높은 값을 나타낸다. Figure 6(b)를 통해 개방 및 구획환경에서 측정된 실험조건 별 CO yield의 비교를 살펴보면, 개방환경에서의 CO yield는 가연물의 크기와 관계없이 일정한 값을 유지하고 있다. 이와 달리 구획환경의 측정값은 모든 개구부 조건에서 증가하는 경향을 나타낸다. 그럼에도 불구하고 DW100, DW75는 전반적으로 비교적 낮은 CO yield를 나타낸다. 반면 DW50 및 DW25는 작은 가연물의 조건에서도 CO yield가 빠르게 증가한다. 특히 가장 작은 환기면적을 갖는 DW25는 표면적이 0.3 m²인 작은 가연물의 조건에서도 개방환경 대비 CO yield가 크게 증가하는 결과를 제시한다. 이를 통해 동일한 가연물의 조건에서 환기면적이 작을수록 많은 불완전연소가 발생함을 확인할 수 있으며, 불완전연소로 인한 최대 열방출률의 저하가 발생되는 조건에 대한 검토를 통해 개방환경의 화원정보가 활용될 수 있는 범위가 특정될 수 있다. 이를 검토하기 위해서는 매우 다양한 환기조건 및 가연물에 대한 화재특성을 평가할 수 있는 물리량이 요구된다. 이때 총괄당량비(global equivalence ratio, φ_g)(19)는 환기조건 및 가연물 조건과 관계없이 화재특성을 정량화하는데 유용하게 활용될 수 있다. 총괄당량비는 식(2)를 통해 얻어진다.

여기서 γ_s (0.8883), Y_O2,a (0.233), ṁ_f 및 ṁ_a는 각각 이론 산소⋅연료의 질량비, 공기 중 산소의 질량분율, 연료공급량(kg/s) 및 개구부를 통해 유입되는 공기의 질량유량(kg/s)을 의미한다.

연소환경에 따른 최대 열방출률의 변화를 분석하기 위하여, Figure 7에는 구획환경에서 측정된 최대 열방출률이 개방환경에서의 실험결과에 대해 갖는 비(Q˙_max,ratio)가 총괄당량비에 대한 함수 형태로 도시되었다. 참고로 실험조건별 총괄당량비의 도출 과정에서 ṁ_f및 ṁ_a에는 로드셀의 측정값 및 개구부 형상에 따른 환기인자가 적용되었다. Q˙_max,ratio가 1에 가까울수록 연소환경에 따른 최대 열방출률의 변화가 작은 것으로 볼 수 있다. 개방환경 대비 변화를 정량적으로 평가하기 위해 실선에 의해 열방출률의 측정 불확실도 범위가 제시되었다. 본 연구에서 활용된 산소소모열량계의 측정 불확실도가 분석되지 않았으므로, 일반적으로 알려진 ±15%(20,21) 범위가 적용되었다. 검토 결과 DW100 및 DW75는 고려된 모든 가연물의 조건에서 Q˙_max,ratio가 1에 근접한 값을 나타낸다. 그러나 환기면적의 감소에 따라 Q˙_max,ratio의 거동이 변화된다. 구체적으로 DW50은 가장 큰 가연물 조건(L = 0.47 m)의 Q˙_max,ratio가 -15% 범위를 벗어나는 감소를 나타낸다. 환기면적이 더욱 감소된 DW25의 경우 L = 0.31 m 이상의 모든 조건에서 Q˙_max,ratio가 불확실도 범위를 벗어남을 확인할 수 있다. 이러한 경향을 총괄당량비의 관점에서 살펴보면, 측정 불확실도의 범위를 벗어나는 Q˙_max,ratio의 감소는 φ_g ≥ 0.74인 조건에서 발생한다. 결론적으로 총괄당량비 0.74 미만의 조건에서 Q˙_max,ratio는 개구부 형상과 관계없이 ±15% 범위 내에 위치한다. 따라서 식(3)을 통해 산출되는 총괄당량비가 0.74 미만인 경우 개방환경에서의 실험결과를 구획화재의 화원정보로 활용 가능할 것으로 판단된다.

여기서ṁ_f,open은 개방환경에서의 실험을 통해 측정된 연료의 공급량, ṁ_{a,compartment}는 화원정보가 적용될 구획의 개구부 형상에 따른 공기유입량을 의미한다.

연소환경에 따른 최대 열방출률의 검토를 통해 개방환경의 실험결과를 활용 가능한 총괄당량비 범위가 확인되었다. 그러나 이러한 결과를 활용하기 위해서는 결과의 신뢰성에 대한 추가 검증이 요구된다. 일반적으로 구획화재에서 불완전연소는 φ_g= 1을 초과하는 조건에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서 불완전연소에 의한 최대 열방출률의 저하는 과환기화재에 해당하는φ_g ≥ 0.74의 조건에서 발생하였다. 이러한 현상은 구획화재 특성에 관한 연구를 수행한 다수의 연구자에 의해 보고된 바 있다(22-24). 본 연구진은 선행연구(25)를 통해 이 현상의 원인을 분석하고 sinkhole 현상이라 명명하였다. sinkhole 현상이란 화재성장 단계에서 연료공급량이 증가할 때 구획 내에 존재하는 공기량에 상응하는 양의 연료만이 연소반응에 참여하며, 이에 따라 구획 내부에서 연소하지 못한 잔여 연료는 구획 외부로 배출되는 현상이다. 이때 개구부 배출유동에 포함된 잔여 연료의 농도가 연소하한계(lower flammable limit) 이상인 경우 분출화염이 생성되지만 반대의 경우 잔여 연료는 포집후드를 통해 배출되며 이로 인해 특정 총괄당량비의 범위에서 연소효율이 감소되는 결과를 가져온다. 그러나 연료공급량, 즉 총괄당량비가 지속적으로 증가되는 경우 배출유동에 포함된 연료농도가 증가함에 따라 분출화염이 생성되며 연소효율은 다시 증가된다. 본 연구진은 propane을 대상으로 한 구획화재 실험에서 개구부 배출유동의 조성분석을 통해 연소효율이 감소 및 증가되는 구간에서 미연연료의 배출량이 증가 또는 감소함을 확인하였다. Figure 8에는 본 연구를 통해 수행된 모든 실험 조건별 연소효율이 총괄당량비에 대한 함수형태로 제시되었다. 또한 불완전연소에 따른 연소효율의 거동을 예측하기 위해 Yamada 등(22)이 제안한 상관관계가 함께 도시되었다. 그림을 살펴보면 본 연구를 통해 측정된 연소효율은 개구부 형상과 관계없이 낮은 총괄당량비의 조건에서는 90% 이상의 연소효율을 나타내고 있다. 그러나φ_g ≥ 0.74의 조건부터 불완전연소로 인한 연소효율의 감소가 개시되며, 최저 70% 미만의 값을 나타낸다. 실험결과와 Yamada’s correlation의 비교를 살펴보면 정량적인 연소효율 값은 다소 차이를 갖지만, 총괄당량비의 증가에 따른 감소 거동은 동일한 경향을 나타낸다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 제안된 화원정보 활용 범위의 신뢰성을 확인할 수 있다. 그럼에도 불구하고 correlation과의 차이를 고려할 때 이 기준을 폭넓게 활용하기 위해서는 다양한 연료에 대한 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.