Analysis of Smoke Control System Performance of High-Rise Multifamily Residential Buildings Using Transient Simulation

석환 정

doi:10.7731/KIFSE.37d96f9f

요 약

국내의 경우, 고층 공동주택의 일반적인 평면은 특별피난계단 부속실과 비상용 승강기의 승강장을 겸용하며, 이것과 피난용 승강기의 부속실이 면하는 구조이다. 공동주택의 부속실 가압 제연설비는 가압을 위한 급기만 공급되며, 배기를 위한 유입공기배출장치가 면제된 시스템이다. 이러한 구조의 49층 고층 공동주택에서 외기온도 -10 °C, 실내온도 20 °C 조건에서 제연설비가 작동하고 화재 실의 문이 개방된 조건에서 창문 및 피난용 승강기 부속실문의 개폐 조건 변화에 따른 연기의 수직전파 가능성을 분석하였다. 그 결과 창문이 닫힌 조건에서는 중성대 상, 하부의 화재 위치 모두에서 비상용 승강기 승강로와 계단을 통한 연기의 수직 전파 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 특히, 중성대 하부 화재의 경우 비상용 승강기 문을 통한 흐름 경로가 주요 수직 확산 경로가 될 수 있는 것으로 분석되었다.

ABSTRACT

In Korea, the general floor plan structure of multifamily residential buildings is such that the vestibules of stairs and fire service-access elevators are typically used together. The lobby of the emergency elevator faces the vestibules of the fire service-access elevators. The smoke control system supplies air for pressurization, and the inlet air discharge device for the exhaust can be exempted from this system. In a 49-story multifamily residential buildings with this structure, the smoke control system is operated at an outside temperature of −10 °C and indoor temperature of 20 °C, and the fire room door is open. The possibility of the vertical spread of smoke owing to changes in the open areas of windows and escape elevator doors was analyzed. When the windows are closed, the vertical spread of smoke through the emergency elevator shaft and staircase may occur under both upper and lower fire conditions of the neutral zone. In particular, the flow path through the emergency elevator door is the main vertical spread path in the case of a fire below the neutral zone.

KeyWords: Smoke control, CONTAM, Transient mothod, Plane structure, High-rise multi-family residential building

1. 서 론

국내 30층 이상의 건축물은 2018년 대비 2021년에 약 51% 증가되었으며, 그중 공동주택이 약 75% 증가한 것으로 분석되었다(1). 국내의 경우 비상용 승강기는 높이 31 m 초과, 특별피난계단은 11층 이상 및 공동주택 16층 이상 그리고 피난용 승강기는 30층 이상 120 m 이상의 고층 건축물에 제연설비의 설치를 의무화하여 화재로 인한 연기의 수직 확산 위험성을 저감하고 있다(2,3). 그러나 특별피난계단, 비상용 승강기 승강장 및 피난용 승강기 부속실의 상호 배치에 따른 가압 연기 제어 시스템의 상호 영향에 관한 연구는 부족한 실정이며, 직통계단식 공동주택의 경우 유입공기 배출 장치가 설치 면제되어 제연설비 동작 중 다양한 피난 조건의 변화에 따른 연기의 수직 전파 가능성이 우려되고 있다.

제연설비와 관련된 국내 연구로 Park과 Kim(4)은 초고층 건축물의 계단실 단독 급기가압 조건에서 연돌효과의 영향을 분석하여 가압 시 최대 225 Pa의 차압이 발생할 수 있음을 확인하여 과압배출장치의 필요성을 제기하였다. Joung(5)은 연돌 조건에서 가압방식에 따른 승강기용 제연설비의 성능 검토와 관련된 연구를 수행하였으며, Kim 등(6)은 유입공기 배출설비에 의한 복도에서의 부압 발생과 관련된 연구를 수행했다. 국외의 경우 Miller와 Beasley(7)는 계단실 가압과 승강기 샤프트 가압의 상호 영향과 급기량에 대한 비교연구를 통해 승강기 샤트프 가압이 더 많은 급기량이 요구된다는 연구를 수행하였으며, Black(8)은 고층 건축물의 계단실 가압에 대한 모델링을 통해 계단실과 엘리베이터 문의 기밀성 확보의 필요성을 제기하였다. Chen 등(9)은 외기 풍속과 방향에 따른 각 층의 임계풍속 구현 가능성을 연구하였다.

연기 제어와 관련된 분석 프로그램으로는 national institute of standards and technology (NIST)에서 개발한 airflow network modeling program인 CONTAM 프로그램이 있으며, 공기흐름 뿐 아니라 연기흐름 분석에도 활용되고 있다. CONTAM의 시뮬레이션 방법에는 정상상태(steady) 및 과도상태(transient) 등이 있다. 정상상태 시뮬레이션은 텍스트 기반의 결과를 제공하기 때문에 특정 부위의 공기흐름 및 차압을 분석하기 용이하나 다양한 개폐조건 및 풍량이 변화는 조건에서 각 누설경로를 통한 흐름 변화를 관찰하기에는 용이하지 않다. 이에 반해 과도상태(transient state) 시뮬레이션은 누설경로의 조건 변화 시 각 누설경로에 대한 공기 흐름의 시간적 변화를 직관적으로 확인할 수 있도록 텍스트뿐 아니라 그래프로도 결과를 제공하는 특징이 있다. Lee 등(10)은 CONTAM의 시뮬레이션 방법 중 정상상태 시뮬레이션 방법을 활용하여 화재 실의 세대 및 창문 개방을 통한 기류 형성이 안 될 경우 방연풍속이 구현될 수 없음을 확인하였다. 이는 국내 공동주택 제연설비의 중요한 문제점 중 하나인 가압 급기량을 배출하는 유입공기배출장치의 설치 면제에 따른 문제점을 제시한 것이라 할 수 있다.

이에 본 연구에서는 CONTAM 3.4 프로그램의 과도상태(transient) 시뮬레이션을 활용하여 유입공기배출장치가 없는 49 F 공동주택을 대상으로 겨울철 연돌조건에서 부속실 가압 제연설비 작동 중 창문 및 피난용 승강기 부속실 문의 개폐와 가압을 위한 풍량 변화로 화재 층의 계단문 및 비상용 승강기 문을 통해 연기가 수직 전파될 위험성을 분석하려 한다.

2. 연구방법

2.1 연구대상 건물 및 제연설비의 개요

국내 고층 공동주택의 평면구조는 특별피난계단 부속실과 비상용 승강기의 승강장(부속실)이 겸용이며, 피난용 승강기가 설치되는 공동주택의 경우 비상용 승강기의 승강장과 피난용 승강기의 부속실이 면하는 구조를 일반적으로 채택하고 있다. 이에 본 연구에서는 Figure 1과 같은 평면구조를 갖는 공동주택 용도의 고층 건축물을 대상으로 하였다.

Figure 1

Floor plan of the buildings.

범례 Ev. EV는 피난용 승강기 부속실, Em. EV는 비상용 승강기 승강장을 나타낸다. 건물의 층수, 건축물 높이, 기준층 높이 및 피난안전층의 위치는 Table 1과 같으며, 각 층의 용도와 층고는 Table 2와 같다.

Table 1

Basic Conditions of the Buildings

Number of Floors	B4~49 F
Height of Building	172.1 m
Elevation of Reference Floor	2.8 m
Floor for Evacuation	25 F

Table 2

Floor Uses and Height

Category	Floor	Elevation
Parking Lot, Retail Shop	B4 F~4 F	10.7~3.1 m
Apartment	5 F~49 F	2.8 m
Roof Floor	-	3.1~3.5 m

부속실 제연설비을 위한 가압용 급기팬은 2 F과 25 F에 설치되어 있으며, 관련 규정에 따라 가압 공기의 배출을 위한 유입공기배출장치는 설치되어 있지 않다. 각 층 비상용 승강기 부속실과 피난용 승강기 부속실에 차압 및 방연풍속 형성을 위한 자동차압댐퍼가 설치되어 있다.

2.2 연구 방법 및 Simulation Case

본 연구는 고층 공동주택에서 제연설비 동작과 피난에 따른 개폐조건의 변화로 인한 연기의 수직 전파 위험성을 분석하기 위한 것이다. 외기 온도는 서울시 1월 평균 온도 수준인 -10 °C를 적용하였으며, 그 외 건축물의 모든 실은 20 °C를 적용한 겨울철 연돌 조건이다.

분석을 위한 초기 조건은 제연설비가 동작하고 피난이 개시되기 전의 상태인 부속실 문 및 창문이 닫힌 상태에서 최소차압 12.5 Pa, 최대차압 70 Pa이 되도록 2 F과 25 F에 설치된 가압 송풍기의 급기량과 각 층 부속실의 자동차압댐퍼를 통한 공급풍량을 조정한 상태로 하였다(Case A).

초기 조건에서 화재 실 세대 문, 화재 실 창문, 피난용 승강기 부속실 문의 개방에 따른 변화를 관찰하기 조건(Case A1) → 화재 실의 방연 풍속(0.7 m/s 이상) 구현을 위한 화재 층 공급 풍량 증대 조건(Case A2) → 화재 층 방연풍속과 비화재 층의 최소차압 12.5 Pa가 형성되도록 각 층 공급 풍량을 변경한 조건(Case A3)으로 설정하여 모든 문이 닫힌 상태에서 방연풍속 및 최소 차압이 구현되는 과정의 변화를 분석하도록 설정하였다. 화재 실 창문 폐쇄에 따른 변화를 관찰하기 위하여 Case A2 및 Case A3 조건에서 창문이 폐쇄되는 조건으로 변경하여 Case B1, Case B2 조건을 설정하였다. 피난용 승강기 부속실 문 폐쇄에 따른 변화를 관찰하기 위하여 Case A2 및 Case A3 조건에서 부속실 문을 폐쇄하여 Case C1, Case C2의 조건을 설정하여 총 8가지의 Case를 통해 분석하려 한다. 문 및 창문의 개폐조건이 변경되는 화재 층은 겨울철 연돌효과에 의한 건축물 내의 공기 유출입 조건을 고려하여 중성대 상하부로 추정되는 하부(7 F)와 상부(48 F)로 선정하여 각각 8가지 Case에 대하여 시뮬레이션을 실시하였다. 그 후 계단문 및 비상용 승강기 문을 통한 수직 흐름의 변화를 분석하여 연기의 수직 전파 위험성을 평가하였다.

각 Case 별 조건은 아래와 같다.

Case A: 시뮬레이션의 초기 조건으로 모든 층의 방화문 및 창문이 닫힌 조건이며, 세대 방화문과 피난용 승강기 부속실 문의 차압이 최소 12.5 Pa, 최대 70 Pa의 조건에 적합하도록 자동차압댐퍼 및 급기 팬을 통해 유량 조정된 조건
Case A1: 초기조건(Case A)에서 화재 층의 세대 문, 세대 창문 및 피난용 승강기 부속실이 모두 개방된 상태 변경 된 조건으로 풍량의 변화는 없는 조건
Case A2: Case A1 조건에서 화재 층의 자동차압댐퍼에서 방연풍속 0.7 m/s 형성에 필요한 풍량이 공급되도록 자동차압댐퍼의 공급 풍량을 변경한 조건
Case A3: Case A2에서 화재 층 이외의 비화재 층의 세대 문 차압이 최소 차압 12.5 Pa가 되도록 전체 급기량과 각 층 자동차압댐퍼 급기량을 변경한 조건
Case B1: Case A2 조건에서 화재 층의 세대 창문을 폐쇄한 조건
Case B2: Case A3 조건에서 화재 층 세대 창문을 폐쇄한 조건
Case C1: Case A2 조건에서 피난용 승강기 부속실문을 폐쇄한 조건
Case C2: Case A3 조건에서 피난용 승강기 부속실을 폐쇄한 조건

Table 3에 각 Case 별 문의 개폐 상태 및 풍량 변경 여부 및 각 Case별 상태를 요약 정리하였다.

Table 3

Simulation Conditions for each Case

Case	Simulation Time (s)	Leakage Condition			Supply Air Volume Condition			Description of Case Condition
Case	Simulation Time (s)	Household Door	Window	Ev. EV. Vestibule Door	2 F Fan	25 Fan	Terminal Air Volume of Each Floor	Description of Case Condition
A	15~25	Closed	Closed	Closed	Initial Condition			All Door Closed (Normal Stack Effect)
A1	30~40	Open	Open	Open	No Change	No Change	No Change	Changing Leakage Status Fire Floor (7 F or 48 F)
A2	45~55	Open	Open	Open	No Change	No Change	Change	Increasing Air Supply to Reach Critical Velocity 0.7 m/s
A3	60~70	Open	Open	Open	Change	No Change	Change	Changing Air Supplied to Achieve Minimum Differential Pressure in Non-fire Floors
B1	75~85	Open	Closed	Open	No Change	No Change	Change	Window Opening under Case A2 Conditions
B2	90~100	Open	Closed	Open	Change	No Change	Change	Window Opening under Case A3 Conditions
C1	105~115	Open	Open	Closed	No Change	No Change	Change	Close Vestibule Door of Evacuation Elevator under Case A2 Condition
C2	120~130	Open	Open	Closed	Change	No Change	Change	Close Vestibule Door of Evacuation Elevator under Case A3 Condition

2.3 CONTAM modeling 입력 조건

CONTAM 프로그램의 누설경로 타입은 지수흐름모델과 2차함수를 이용한 모델 등이 있다. 그 중 지수흐름 모델에는 Orifice area model과 Leakage area data을 많이 사용하고 있다. Orifice area model은Q = C (ΔP)ⁿ와 같이 체적흐름이 압력차의 거듭제곱과 방출계수의 함수로 표현되는 모델이다. Leakage area data 모델은 유효누설면적에 기초한 모델로 방출계수와 흐름지수 및 기준 압력을 측정 데이터 또는 자료에 기반하여 입력하는 모델이다.

본 연구의 모델링을 위해 벽, 바닥 및 방화문 등의 누설경로에 적용한 모델 또한 Orifice area date model과 Leakage data model이며, 각 누설경로에 적용된 크기와 모델은 Table 4와 같다(11-13). Orifice area model과 Leakage model을 위한 흐름지수(flow exponent)와 방출계수(discharge coefficient)는 기존 연구에서 일반적으로 사용한 값인 0.5와 0.65를 각각 적용하였으며(14), Leakage modeol의 기준 차압(pressure reference)은 창문의 누설등급 기준에 따라 10 Pa을 적용하였다.

Table 4

Leakage Areas of the Airflow Paths

Category	Leakage Area	Model
Wall	1.7 × 10^-4 m²/m²	Orifice
Floor	5.2 × 10^-5 m²/m²	Orifice
Closed Door	0.023 m²/item	Orifice
Closed EV. Door	0.06 m²/item	Orifice
Window	2.1 × 10^-4 m²/m²	Leakage Area
Rope Hole of EV	0.1 m²/item	Leakage Area

Figure 2는 Table 4의 누설경로를 적용한 기준층의 평면구조를 모델링한 결과이며, 보라색과 파란색은 피난용 승강기와 비상용승강의 승강로이다. 노란색은 비상용 승강기 승강장, 녹색은 피난용승강기 부속실로 각각 가압공간이다. 각 가압공간에는 가압을 위한 덕트와 자동차압댐퍼에 해당되는 말단 터미널 요소가 설치되어 있으며, 우측 상부 세대의 출입문 및 창문(출입문과 동일크기)과 피난용 승강기의 부속실 문에는 개페 제어 및 풍량 제어를 위해 제어요소(control elements)를 설치하였다.

Figure 2

CONTAM model.

Table 5에 주요 분석대상 누설경로인 계단 문, 비상용 승강기 문, 피난용 승강기 부속실 문, 세대 문 및 세대 창에 대한 정방향 흐름 방향과 논의 편의성을 위해 부여한 기호를 나타내었다.

Table 5

Flow Direction of Main Airflow Paths

Leakage Path Name	Airflow Path		Sign
Leakage Path Name	From	To	Sign
Stair Door	Staircase	Em. EV. Vestibule	ⓐ
Em. EV. Door	Em. EV. Shaft	Em. EV. Vestibule	ⓑ
Ev. EV. Vestibule Door	Ev. EV Vestibule	Em. EV. Vestibule	ⓒ
Household Door	Em. EV Vestibule	Household	ⓓ
Household Window	Household	Ambient	ⓔ

2.4 CONTAM transient simulation 방법

CONTAM의 시뮬레이션 방법에는 정상상태(steady) 및 과도상태(transient) 등이 있으며, 과도상태 해석법은 제어요소에 연속값을 지정하는 continuous value file (CVF) 방식과 이산값을 제공하는 discrete value file (DVF) 방법이 있다(13). CVF 파일은 각 제어요소에 특정값을 부여하여 제어하는 것으로 문 및 창문 등의 개폐 등과 같은 제어요소의 제어에 용이하다.

자동차압댐퍼를 통한 풍량 제어는 CONTAM의 덕트 입력 요소 중 하나인 terminal 요소의 terminal loss coefficient 값으로 제어된다. 각 송풍기의 풍량 변화는 입력된 송풍기 특성치를 CONTAM의 control element 중 constant 모델을 이용하여 성능 곡선이 상사법칙에 따라 변경되도록하여 제어된다. 창문 및 방화문의 개폐 제어는 누설경로 입력값 중 multiplier 값 제어를 통해 구현된다.

본 연구를 위한 모델링은 각 층 자동차압댐퍼 2개씩을 포함하여 총 116개의 제어요소로 구성되어 있다. Figure 3은 가압용 송풍기가 설치된 2 F의 모델링 일부로서 송풍기 풍량제어가 CVF 파일에 의해 제어됨을 나타낸 것이다. 각 Case 별 방연풍량, 차압 및 개폐 상태 등이 조건에 맞도록 시행착오법을 사용하여 각 제어요소의 제어값을 CVF 파일로 작성하였다. 이후 Case 별 진행 흐름에 맞도록 전체 통합 CVF 파일을 완성하여 문 및 창문의 개폐와 자동차압댐퍼 및 송풍기의 풍량 제어를 모든 Case에 대해 한번에 시뮬레이션하였다. 화재 층이 2개소로 선정되었기 때문에 각각 시뮬레이션하였고 그 결과를 분석하였다.

Figure 3

Control elements of supply fan at 2 F.

3. 해석 결과 및 고찰

3.1 세대 방화문과 피난용 승강기 부속실의 차압

화재 초기에 발생될 수 있는 경우인 모든 피난경로 상의 문이 닫힌 조건인 Case A에서 세대 문(ⓓ)과 피난용 승강기 부속실 문(ⓒ)의 전층 차압결과를 Figure 4에 나타내었다. 세대 문과 피난용 승강깅 부속실 문의 차압은 Figure 4과 같이 최소차압 12.5 Pa에서 최대 차압 70 Pa의 범위 내에서 형성됨을 확인하였다.

Figure 4

Pressure difference of leakage path ⓒ and ⓓ at Case A.

Kim과 Joung(1)은 CONTAM의 단순 공기처리시스템(simple air-handling system, AHS) 요소를 이용하여 연돌조건에서 공동주택 평면구조에 따른 최소차압 25 Pa을 형성하기 위한 각 층별 필요 공급 풍량을 분석하였다. 그 결과 중성대 하부 층에서의 급기만으로도 최소차압이 형성될 수 있는 것으로 분석하였다. Case A 조건의 차압 형성을 위해 2 F과 25 F에 설치된 급기 팬을 통한 풍량을 분석한 결과 선행 연구결과와 매우 유사한 특성을 보였다. 하부 공급팬(2 F)과 상부 공급팬(25 F)에 설치된 팬에 의한 급기량은 Table 6과 같으며, 하부 공급 팬을 통한 급기량이 전체 급기량 중 비상용 승강기의 경우 97.2%, 피난용 승강기의 경우 95.5%을 차지하였다.

Table 6

Air Supply Volume to Create Pressure Difference

Total Supply Volume Air (CMH) - Case A
2 F		25 F		Total
Ev. EV.	Em. EV.	Ev. EV.	Em. EV.	Ev. EV.	Em. EV.
41,129	65,925	1,894	388	43,023	67,819
95.6%	97.2%	4.4%	0.6%	43,023	67,819

3.2 Case 별 차압의 변화

각 Case에 따른 계단 문(ⓐ), 비상용 승강기 문(ⓑ), 피난용 승강기 부속실의 방화문(ⓒ) 및 세대 창문(ⓔ)의 차압 변동은 Figures 5 및 6과 같다. Figure 5는 중성대 하부인 7 F을 화재 층으로 상정한 것으로 창문 및 피난용 승강기의 부속실 방화문 개폐 조건 변화 시 화재 인접 층인 6 F, 7 F, 8 F과 가장 먼 층인 47 F, 48 F, 49 F의 차압 변동을 나타낸다. Figure 6은 중성대 상부인 48 F을 화재 층으로 설정하고 시뮬레이션을 실시한 결과를 분석한 것이다.

Figure 5

Pressure difference changes for each door by case under 7th floor fire conditions.

Figure 6

Pressure difference changes for each door by case under 48th floor fire conditions.

Figures 5와 6에서 확인 할 수 있듯이 화재 층과 먼 층의 차압은 개폐 조건의 변화에 큰 변동을 보이지 않음을 확인할 수 있다. Figure 6(b)에서 48 F인 화재 층 계단실 문(ⓐ)의 차압을 보면 피난에 장애를 초래할 수 있는 70 Pa 이상이 확인되며, 창문의 개폐에 따라 차압이 크게 변동되는 것을 확인할 수 있다. 특히 창문이 닫힌 조건에서는 ‘-’의 차압 값을 보여 계단으로의 연기 유출이 가능함을 확인할 수 있다.

3.3 수직 경로를 통한 연기 흐름

연돌효과에 의한 건물 내외부의 압력차를 이론적으로 계산하기 위해서는 건물 전체에 대한 중성대를 알아야 한다. 건축물이 수직적으로 연속적인 개구부가 있는 것으로 가정하면, 중성대는 아래 식(1)로 구할 수 있다(13).

(1)

HnH=11+(TsTo)13

여기서, H_n: 중성대의 높이(m), H: 건물 전체 높이, T_s: 샤프트 온도(K), T_o: 외기 온도(K)이다. 특정 층(높이)에서의 이론적 연돌효과는 위에서 구한 중성대에서 해당 높이까지의 거리와 온도에 따른 공기밀도를 적용하여 구할 수 있다. 이렇게 계산된 이론적 연돌효과와 덕트가 적용되지 않을 순수한 건축물을 대상으로 CONTAM 시뮬레이션을로 구한 연돌효과 및 본 연구의 초기 조건인 Case A 조건 일때의 비상용 승강기 승강로와 외부와의 압력차를 Figure 7에 비교하기 위해 나타내었다. Figure 7에서 내⋅외 온도차에 의한 순수 연돌효과가 가압을 함에 따라 전체적인 오른쪽으로 이동해 49 F에서 최대 약 182 Pa까지 증가되었으며, 이 압력차에 의한 흐름이 고층부의 과압을 초래하는 주요 흐름이 될 수 있음을 확인하였다.

Figure 7

Comparison of theoretical stack effect values and CONTAM results in emergency elevator shafts.

고층 공동주택 건축물의 주요 수직 흐름 경로인 계단과 비상용 승강기 문을 통한 수직 전파의 가능성을 분석하였다. Case A, Case A3, Case B2, Case C2 조건에서 계단문(ⓐ)과 비상용 승강기 문(ⓑ)대한 전 층 차압을 분석하여 그 결과를 Figures 8～11에 나타내었다. Figures 8과 9는 중성대 하부 인 7 F 화재 조건이며, Figures 10과 11은 중성대 상부인 48 F 화재 조건의 결과이다.

Figure 8

Changes in pressure difference of stair door by case under 7th floor fire conditions.

Figure 9

Changes in pressure difference of emergency EV door by case under 7th floor fire conditions.

Figure 10

Changes in pressure difference of stair door by case under 48th floor fire conditions.

Figure 11

Changes in pressure difference of emergency EV door under 48th floor fire conditions.

비상용 승강기 승강로는 전체가 하나의 수직 구획이기 때문에 Figure 9(a)와 같이 중성대가 피난안전층 인근에서 형성되었다. 그러나 계단은 피난안전층인 25 F에서 구획되어 있기 때문에 Figure 8(a)에서와 같이 피난안전층을 기준으로 상하 2개의 중성대가 형성됨을 확인할 수 있었다.

Figures 8(a)와 9(a)에서 개폐조건이 변경되는 7 F을 제외한 전 층의 계단문과 비상용 승강기문 차압 변화는 계단이 43 Pa이며, 비상용 승강기문은 78 Pa로 25 F에서 구획된 계단실의 높이와 비상용 승강기 승강로의 수직높이에 비례하는 약 2배정도의 차이를 보였다. 이 결과는 계단실과 비상용 승강기 승강로에서 문이 닫혀 있는 경우, 차압의 크기와 누설틈새의 크기를 고려할 때 상층부로의 지배적인 흐름 경로는 비상용 승강기 승강로가 될 수 있음을 의미한다.

Figure 8(b)는 화재 층(7 F)을 포함한 5 F～10 F의 계단문 차압을 나타낸다. 창문이 열린 조건인 Case A3와 Case C2의 흐름만이 정방향 흐름이 형성되어 계단실로의 유입을 통한 상층부로의 흐름이 발생되지 않으며, 창문이 닫힌 조건과 초기 조건인 Case A에서는 계단실로의 유입 흐름이 형성됨을 확인할 수 있었다.

중성대 하부 화재 시 비상용 승강기 승강로를 통한 공기 유동은 Figure 9(b)와 같이 피난용 승강기가 닫힌 조건인 Case C2에서만 비상용 승강기 승강로에서 부속실로의 정방향 흐름이 형성되었다. 이 결과는 창문이 개방되고 피난용 승강기의 부속실 방화문이 닫혀 비상용 승강기 승강장으로의 누설량이 저하되는 조건에서만 비상용 승강기 승강기로의 공기 또는 연기의 유입을 통한 수직 전파가 발생되지 않는다는 것을 의미하는 것이다.

중성대 하부 화재 조건에서 연기의 수직 전파가 불가능할 것으로 예측된 Case C2 조건에서 각 실과 동일 높이의 외기와의 차압은 Table 7과 같이 분석되었다. 이 조건에서 흐름 경로는 피난용 승강기 부속실, 계단실 및 비상용 승강기 승강로 → 비상용 승강기 부속실 → 세대 → 외부로 형성됨을 확인할 수 있다.

Table 7

Gauge Pressure of each Room under 7 F Fire Conditions (Pa)

Case	Ev. EV. Vestiblue	Staircase	Em. EV. Shaft	Em. EV. Vestiblue	Household
C2	80.7	30.6	12.5	9.2	3.6

중성대 상부 화재 조건에서 화재 인접 층인 45 F～49 F의 계단문을 통한 흐름은 Figure 10(b)와 같이 창문이 닫힌 조건인 Case B2 조건에서 차압이 -19.7 Pa로 비상용 승강기 부속실 → 계단실로의 흐름이 형성되어 계단을 통한 연기의 수직 전파 가능성을 확인할 수 있었다. 그 외의 조건에서는 계단실 → 비상용 승강기 부속실로의 흐름이 형성되어 계단을 통한 연기의 수직 전파는 어려운 것으로 분석되었다.

중성대 상부 화재 조건에서 비상용 승강기 문에서의 흐름은 Figure 11(b)에서와 같이 창문이 닫힌 Case B2 조건에서 차압이 -1.5 Pa 형성되어 비상용 승강기 부속실 → 승강로로의 흐름이 형성되어 연기가 수직으로 전파될 수 있음을 확인하였다.

Table 8은 중성대 상부 화재에서 Case B2 조건일 때, 각 실과 동일 높이 외기와의 압력차를 나타내며, 세대 및 비상용 승강기 부속실보다 계단실 및 비상용 승강기 승강로의 압력차가 낮은 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 Case B2 조건인 창문이 닫힌 경우, 중성대 상부 화재 조건에서도 연기가 계단실 또는 비상용 승강기 승강로를 통해 상층부로 수직 전파될 수 있다는 것을 보여준다.

Table 8

Gauge Pressure of Each Room under Case B2 and 48 F Fire Conditions (Pa)

Case	Ev. EV. Vestiblue	Staircase	Em. EV. Shaft	Em. EV. Vestiblue	Household
B2	189.1	168.3	186.6	188.1	187.9

중성대 하부에 화재가 발생한 경우 창문이 닫혀 있으면, 계단 및 비상용 승강기 승강로를 통한 연기의 수직 전파가 가능한 것으로 분석되었으며, 차압의 크기 및 누설면적을 고려한다면, 비상용 승강기 승강로를 통한 수직 전파가 주요한 경로로 분석되었다. 중성대 상부 화재 조건도 창문이 닫힌 경우(Case B2) 연돌효과를 극복하고 비상용 승강기 승강로를 통한 수직 전파가 가능한 것으로 분석되었다.

중성대 상층부 화재 시 비상용 승강기 부속실에서 수직 경로인 계단문과 비상용 승강기 문의 차압은 각각 -19.7 Pa과 -1.5 Pa로 계단실을 통한 수직 전파 가능성이 비상용 승강기 승강로보다 더 클 수 있음을 확인할 수 있었다.

Table 9는 화재 층 및 Case에 따른 계단문과 비상용 승강기 문의 차압을 분석한 것으로 부(-)의 값은 계단실 또는 비상용 승강기 승강로를 통한 연기의 수직 전파가 가능하다는 것을 의미한다.

Table 9

Pressure Difference of Stairs and Em. EV. (Pa)

Floor	Location	Case A3	Case B2	Case C2
7 F	Stair Door	14.8	-10.5	25
7 F	Em. EV Door	-3.6	-29.8	6.3
47 F	Stair Door	98.3	-19.7	127
47 F	Em. EV Door	118.8	-1.5	146.8

4. 결 론

특별피난계단 부속실과 비상용 승강기 부속실을 겸용하고 피난용 승강기 부속실과 면하는 일반적인 평면구조의 고층 공동주택를 대상으로 COMTAM의 Transient 시뮬레이션을 이용하여 연기의 수직전파 가능성을 분석하였다.

외기 온도 -10 °C, 실내 온도 20 °C 조건과 화재 층으로 중성대 하부층(7 F)과 상부층(48 F)의 화재 실 문이 개방된 조건에서 비상용 및 피난용 승강기 부속실의 제연설비가 동작 중 창문의 개폐, 피난용 승강기 부속실 방화문의 개폐에 따른 연기의 수직 전파 가능성을 분석한 결과 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.

중성대 하부층 화재의 경우, 피난용 승강기 부속실 문을 닫은 경우를 제외한 다른 조건에서는 비상용 승강기 승강로를 통한 연기의 수직 전파 가능성을 확인할 수 있었다. 창문이 닫힌 조건에서 비상용 승기기 문의 차압이 -29.8 Pa로 가장 큰 위험을 초래하는 것으로 분석되었다. 특히 창문이 개방된 조건에서도 비상용 승강기 문의 차압이 -3.6 Pa로 분석되어 비상용 승강기 부속실 가압 중에도 연기의 수직 확산 가능성이 있다는 것을 확인 수 있었다.

중성대 상부층 화재의 경우, 창문이 닫힌 조건에서만 계단문 -19.7 Pa, 비상용 승강기 승강로 -1.5 Pa로 차압이 형성되어 연기의 수직 전파가 가능한 것으로 분석되었으며, 중성대 하부에 비해 계단문의 영향이 보다 커짐을 확인할 수 있었다.

본 연구를 통해 일반적인 고층 공동주택에 설치된 제연설비의 작동에도 불구하고 화재 층 위치 및 창문 개폐에 의하여, 연기의 수직 전파 위험성이 상존함을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비에 대한 정량적 분석으로 통한 제도개선의 필요성이 있음을 의미한다 할 수 있다.

본 연구는 일반적인 고층 공동주택의 평면을 대상으로 한 연구로서의 한계가 있으며, 향후 전산유체역학 툴을 활용한 연기의 수직 유동 위험성에 대한 정량적 평가 및 가압의 위치 등을 포함한 제연방식의 변경을 통한 위험성 저감을 위한 연구가 필요할 것이다.