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Fire Sci. Eng. > Volume 37(6); 2023 > Article
생물안전 3등급 연구시설 내 화재가 압력 변화에 미치는 영향에 관한 연구

요 약

생물안전 3등급(BL-3) 연구시설은 공기 중의 미생물 전파를 방지하고, 미생물 노출로부터 연구자와 외부환경을 보호하기 위하여 음압을 유지해야 한다. 따라서, 생물안전 3등급 연구시설 내부 화재 시 발생하는 연기와 열이 내부 압력의 변화에 미치는 영향을 살펴볼 필요가 있다. 본 연구에서는 BL-3 연구시설의 화재 시 연구 시설 내부의 압력 변화에 대해 더 깊이 이해하고자 하였다. CFAST 시뮬레이션 결과는 화재 초기에 실험실 내부에서 내부 압력이 급격히 증가하고 인접 출입문이 개방될 때까지 지속적으로 증가함을 보여주었다. 따라서, 화재 초기 진화가 BL-3 연구시설의 생물안전성을 유지하는 데 매우 중요할 것으로 판단된다.

ABSTRACT

Biosafety Level 3 (BL-3) research facilities should maintain negative pressures to prevent the propagation of bioaerosols to the atmosphere and protect researchers and the surroundings from exposure to bioaerosols. Therefore, it is necessary to investigate the influence of smoke and heat on the pressure inside a BL-3 research facility during a fire. The aim of this study was to investigate how the internal pressure in a BL-3 research facility changes during a fire incident. The CFAST simulation results showed that the internal pressure in the laboratory facility rapidly increased at the onset of the fire and continued to increase until the neighboring door was opened. The findings emphasize the need to extinguish a fire at the early stage of the fire to safeguard BL-3 research facilities.

1. 서 론

2019년 후반 발생하여 2020년 급속도로 확산한 COVID-19 바이러스로 인하여 전 세계는 공포에 휩싸이게 되었으며, COVID-19는 이전 발생했던 인플루엔자 바이러스보다 전염성이 높았다. COVID-19 바이러스를 대상으로 하는 위험한 연구가 필요한 상황이 발생하자 실험연구종사자의 안전이 담보되고 최상의 연구 환경을 제공하는 생물안전 3등급(biosafety level 3, BL-3) 연구시설, 동물이용 생물안전 3등급(animal biosafety level 3, ABL-3) 연구시설의 필요성이 대두되었다. BL-3의 미생물은 일반적으로 인간에게 심각한 질병을 유발할 수 있으며, 공기를 통해 전파될 수 있다. 따라서, BL-3 연구시설은 공기 중의 미생물 전파를 방지하고, 미생물 노출로부터 연구자와 외부환경을 보호하기 위하여 특별한 설계와 운영 원칙을 따르도록 하고 있다.
BL-3 연구시설에 대하여 국내에서는 2008년 [유전자변형생물체의 국가간이동등에관한법률](1)을 제정, 공포하였으며, [유전자변형생물체의국가간이동등에관한통합고시](2)를 통해 관련 법률이 이행되도록 하고 있다. 보건복지부 질병관리청에서는 [생물안전 3.4등급 시설 검증안내서, 2019](3), [생물안전 3등급 연구시설 안전관리지침, 2014](4), [생물안전 3등급 연구시설 설치운영 해설서, 2014](5), [2016 동물이용 생물안전 3등급 언구시설 설치⋅운영 해설서, 2016](6)를 발간하여 BL-3 연구시설을 체계적으로 관리하고 있다. BL-3 연구시설에서는 내부 압력을 외부 압력보다 낮게 유지한다. 이를 통해 공기 흐름이 외부에서 내부로 이동하게 되어, 실험실 내의 오염물질이 외부로 유출되지 않도록 한다. 따라서, 차압을 적절하게 관리함으로써 연구자와 주변 환경의 안전성을 보장할 수 있다(7). 또한 차압을 적절하게 관리하는 것은 에너지 효율성에도 영향을 미친다. 공기 유입과 배출 시스템의 작동에 따른 에너지 소모를 최소화하기 위하여 차압을 효과적으로 제어하고 최적화해야 한다. 화재 발생 시, 열에 의한 공기의 확장과 상승 기류는 건물 내부의 압력 분포를 변화시킨다(8). 이에 따라, 원래 설계 요구조건대로 차압을 유지하는 것이 어려워지며, 이는 미생물의 유출 가능성을 증가시킬 수 있다.
본 연구에서는 BL-3 연구시설에서 화재가 발생할 경우 차압변화에 대해 다루고 있다. BL-3 연구시설은 안전한 연구 환경을 유지하기 위해 차압 시스템이 필수적으로 적용되어 있다. 차압 시스템은 공기의 유입과 유출을 통제함으로써 연구실 내부와 외부의 공기 교환을 최소화하여, 미생물의 외부로의 유출을 방지하고 연구자의 안전을 보장하는 역할을 한다. BL-3 연구시설에 화재가 발생할 경우 내부 압력의 변화에 대한 연구는 부족한 것이 현실이다. 화재 발생 시 발생하는 열과 연기는 차압 시스템에 큰 영향을 줄 수 있으며, 연구시설의 안전에 위협을 가할 수 있다. 또한, 화재 시 발생하는 다양한 변수들이 차압 변화에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것은 화재 상황에서의 안전한 대응 방안을 수립하는 데 매우 중요하다. 이를 통해 생물안전 시설의 안전성 향상뿐만 아니라, 실제 화재 상황에서의 피해 최소화를 위한 기본 자료로 활용될 수 있다. 따라서, 본 연구는 CFAST 프로그램(9)을 활용하여 BL-3 연구시설에서 화재가 발생할 경우 내부 압력 변화를 예측하여 BL-3 연구시설의 화재 안전 대응 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

2. 수치해석방법

2.1 수치해석방법

본 연구에서는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 개발한 CFAST 7.5.2 solver를 사용하였다. CFAST는 두 구역의 화재 존을 모델로 사용하여 수치계산을 수행한다. 즉, 건물을 두 개의 구역으로 나누고 각 구역의 연기, 화재 가스 및 온도를 계산한다. CFAST는 이러한 매개변수의 시간에 따른 분포를 계산하여 화재가 건물 내에서 어떻게 확산되고 발전하는지 시뮬레이션한다. 질량과 에너지 보존법칙을 적용한 “존모델” 수치계산은 빠른 화재분석이 가능하도록 한다. CFAST에서는 식(1)에서 식(6)을 통해 압력, 경계층 체적, 경계층 온도, 열유동, 열확산을 계산한다(10,11).
(1)
dpdt=γ1Vh˙L+h˙U
(2)
dVUdt=1Pγ(γ1)h˙UVUdPdt
(3)
dTUdt=1cPρUVUh˙UcPm˙UTU+VUdPdt
(4)
dTLdt=1cPρLVLh˙LcPm˙LTL+VLdPdt
(5)
q=kT
(6)
Tt=α2T
여기서 P는 압력, t는 시간(초), γ는 일정 압력에서의 공기 열용량비율, V는 구획의 총 부피, h˙L는 구획 하부층의 엔탈피 증가비율, h˙V는 구획 상부층의 엔탈피 증가비율, VU는 구획 내 상부층의 총 부피, TU는 구획 내 상부층의 기체온도, cp는 일정 압력에서 공기의 열용량, ρU는 구획 내 상부층의 밀도, m˙U는 구획 내 상부층의 유량, TL는 구획 내 하부층의 기체온도, ρL는 구획 내 하부층의 밀도, VL는 구획 내 하부층의 총 부피, m˙L는 구획 내 하부층의 유량, q는 열유속, k는 열전도계수, T는 온도, t는 시간, α는 열확산률을 의미한다.

2.2 모델링

본 연구에서는 실제 화재 상황을 가정하여 시뮬레이션을 설계하였다, 해석된 공간은 Figure 1과 같다. Figure 2에는 해석 공간의 실제 수치를 나타내며, 바이러스실(virus room), 세균실(germ room), 냉동고실(freezer room) 및 조직전처리실(tissue preparation room)의 크기는 4.8 m × 3 m × 2.7 m이고 내부복도(interior corridor)의 크기는 2 m × 12 m × 2.7 m이다. 4개의 방에 1 m × 1.2 m의 문이 있으며, 문 개방은 시뮬레이션 조건에 따라 순차적으로 수행되었다. 천장에 총 6개의 급기창과 6개의 배기창이 설치되었고, 급기량, 배기량 및 위치는 Table 1과 같다.
Figure 1
Floor plan.
kifse-37-6-100-g001.jpg
Figure 2
The geometry of the model.
kifse-37-6-100-g002.jpg
Table 1
Mechanical Ventilation Parameter
Name Position Area (m2) Flow Rate (m3/s)
Supply 1 (3.2, 1.5, 2.7) 0.18 0.139
Supply 2 (3.2, 4.5, 2.7) 0.18 0.139
Supply 3 (3.2, 7.5, 2.7) 0.18 0.139
Supply 4 (3.2, 10.5, 2.7) 0.18 0.139
Supply 5 (5.8, 2.4, 2.7) 0.18 0.168
Supply 6 (5.8, 7.2, 2.7) 0.18 0.168
Exhaust 1 (1.6, 1.5, 2.7) 0.18 0.167
Exhaust 2 (1.6, 4.5, 2.7) 0.18 0.167
Exhaust 3 (1.6, 7.5, 2.7) 0.18 0.167
Exhaust 4 (1.6, 10.5, 2.7) 0.18 0.167
Exhaust 5 (5.8, 4.8, 2.7) 0.18 0.168
Exhaust 6 (5.8, 9.6, 2.7) 0.18 0.168
화재 시나리오는 연구시설 내에서 화재가 발생한 경우 대응에 따라 어떠한 변화가 발생하는지, 그리고 이로 인해 압력의 변화를 예측하는 데 사용되었다. 화재의 발생 위치는 화재의 발생에 따른 연구시설 내의 공기 흐름 등의 파악하기 위하여 실험구역인 조직전처리실 1개, 내부복도 1개를 비교 대상으로 선정하여 실의 중앙에 적용하였다. 시나리오는 다음과 같다. 시나리오 1: 시뮬레이션이 시작되면 화재가 발생하여 인접문이 폐쇄된 상태로 500 s까지 화재가 진행된다. 시나리오 2: 500 s에서 1,000 s까지 조직전처리실과 내부복도의 인접문이 서서히 개방되며 화재가 진행된다. 시나리오 3: 1,000 s에서 2,000 s까지 냉동고실과 내부복도의 인접문이 서서히 개방된다. 이후 3,600 s까지 변화를 측정한다. 화재의 종류, 크기와 진행 속도 등은 시험(12)을 참고했고, 메탄올(methanol)을 적용하였다. 해석에 적용된 soot yield는 0.00109 kg/kg, CO는 0.0022 kg/kg이다. 시뮬레이션 시간은 3,600 s 기본값을 사용하고, 연구시설 내부온도는 22 °C, 상대습도 55%, 외부온도 24 °C, 외부기압은 대기압인 101,325 Pa, 내부복도는 0 pa, 기타실은 -11 pa로 설정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 내부복도 화재 시 온도 변화

시나리오 1: 초기 화재발생 시점부터 500 s까지 실험구역과 내부복도의 인접문이 폐쇄된 상태에서 시뮬레이션을 수행하였다. Figure 3(a)은 375 s에서의 온도 분포이며, 인접문이 개방되지 않은 상태에서는 실험구역의 내부온도 변화가 없음을 확인할 수 있었다. 내부복도의 온도는 500 s에 234 °C까지 상승하였다.
Figure 3
Temperature distribution under different fire scenarios in the interior corridor: (a) scenarios 1, (b) scenarios 2, (c) scenarios 3.
kifse-37-6-100-g003.jpg
시나리오 2: 500 s부터 조직전처리실과 내부복도 사이의 문을 1,000 s까지 서서히 개방하는 시뮬레이션을 진행하여 각 실의 변화를 확인하였다. Figure 3(b)를 통해 내부복도와 연결되는 조직전처리실의 인접문이 개방되어 실온이 상승하는 열변화를 확인할 수 있다. 500 s에서 1,000 s까지의 온도변화를 보면 내부복도의 온도는 234 °C에서192 °C까지 내려간 반면에 조직전처리실의 온도는 24 °C에서 192 °C까지 상승하였다.
시나리오 3: 1,000 s부터 냉동고실과 내부복도 사이의 문을 2,000 s까지 서서히 개방한 후 3,600 s까지 내부 설정값의 변화없이 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 3(c)는 2,010 s경 내부 열변화의 모습으로, 냉동고실의 온도변화를 확인할 수 있다. 내부복도의 온도는 194 °C에서 152 °C로, 조직전처리실의 온도는 192 °C에서 121 °C로 낮아진 후 안정되었으며, 냉동고실의 온도는 초기 열기유입으로 119 °C까지 증가한 후 1,020 s에 52 °C까지 낮아졌다가 이후 2,000 s까지 121 °C로 상승 후 시뮬레이션이 끝날 때까지 안정됨을 확인할 수 있었다.
Figure 4는 내부복도 화재 시나리오의 온도변화를 나타낸 것으로, 내부복도에 발생한 화재는 인접한 실험구역의 문을 개방한 경우 해당 실험구역의 내부온도에만 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
Figure 4
Temperature profile for interior corridor fire scenario.
kifse-37-6-100-g004.jpg

3.2 조직전처리실 화재 시 온도 변화

시나리오 1: 초기 화재발생 시점부터 500 s까지 조직전처리실과 내부복도, 내부복도와 인접한 실험구역의 인접문이 폐쇄된 상태에서 시뮬레이션을 수행하였다. Figure 5(a)는 105 s에서의 온도 분포이며, 인접문이 개방되지 않은 상태에서는 기타 실험구역과 내부온도 변화가 없음을 확인할 수 있다.
Figure 5
Temperature distribution under different fire scenarios in the interior tissue preparation room: (a) scenarios 1, (b) scenarios 2, (c) scenarios 3.
kifse-37-6-100-g005.jpg
Figure 6은 조직전처리실 화재시 내부 온도변화 양상을 보여준다. 조직전처리실은 225 s까지 220 °C로 온도가 상승한 후, 500 s까지 203 °C로 하락하였다. 시나리오 2: 500 s부터 조직전처리실과 내부복도 사이의 문을 1,000 s까지 서서히 개방하는 시뮬레이션을 수행하여 각 실의 변화를 확인하였다. Figure 5(b)에서 조직전처리실과 내부복도의 인접문이 개방되어 내부복도의 실온이 상승하한 것을 확인할 수 있다. 500 s에서 1,000 s까지의 온도변화를 보면 조직전처리실의 온도는 600 s까지 246 °C로 다시 온도가 상승한 후 1,000 s에 234 °C까지 내려간 반면에 내부복도의 온도는 24 °C에서 152 °C까지 상승하였다.
Figure 6
Temperature profile for tissue preparation room fire scenario.
kifse-37-6-100-g006.jpg
시나리오 3: 1,000 s부터 냉동고실과 내부복도 사이의 문을 2,000 s까지 서서히 개방한 후 3,600 s까지 내부 설정값의 변화없이 시뮬레이션을 진행하였다. Figure 5(c)는 2,010 s의 내부 열변화 상태를 보여주며 냉동고실이 인접문의 개방으로 온도가 상승하는 모습을 확인할 수 있다. 조직전처리실의 온도는 234 °C에서 199 °C로, 내부복도의 온도는 153 °C에서 126 °C로 낮아진 후 안정되었으며, 냉동고실의 온도는 104 °C까지 증가한 후 시뮬레이션이 끝날 때까지 안정되었다.
Figure 6에서 화재발생구역의 인접문을 개방하면 연결된 구역으로 열이 전달되는 것을 확인할 수 있다, BL-3 연구시설의 공조 조건을 유지한 상태에서 화재발생 실험실의 인접문이 개방되면 내부 복도에는 열전달이 일어난다. 하지만, 다른 실험구역에는 영향을 주지 않는 것을 볼 수 있으며, 온도에 따른 문제가 발생되지 않는 것을 판단할 수 있었다.

3.3 BL-3 차압 변화

Figure 7Figure 8은 각각 내부복도 화재발생 시 차압변화, 조직전처리실 화재발생 시 압력 변화를 나타낸다. 인접문이 밀폐된 상태에서는 차압의 변화가 거의 없으나 인접문이 개방되는 시점인 500 s, 1,000 s에서 차압의 변화가 일어났다.
Figure 7
Pressure profile for interior corridor fire scenario.
kifse-37-6-100-g007.jpg
Figure 8
Pressure profile for tissue preparation room fire scenario.
kifse-37-6-100-g008.jpg
화재가 발생한 위치에 따라 차압 변화의 양상이 다르게 나타났다. 내부복도 화재의 경우 105 s 에서 12.5 Pa의 압력이 발생하였다. 조직전처리실 화재 발생 시 195 s에 압력이 452 Pa까지 증가하였다. 이는 화재 초기 단계에서 실내에 화재로 인한 열이 확산됨에 따라 실험실 내부 압력이 급격히 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
화재 초기 단계에서 압력의 변화율이 가장 높게 측정되었다. 특히 실험실 내부 화재는 내부복도 화재보다 차압압력 변화가 좀 더 불안정한 형태로 나타난다. Figure 8에서 실험실 화재 초기부터 15 s까지 안정상태를 유지하다가 165 s까지 완만한 압력상승 후 급격히 압력이 상승하여 195 s에 최대 압력 452 Pa까지 내부 압력이 폭발적으로 상승한다. 실험실 내부의 초기 화재발생 구간이 BL-3 연구시설내부의 안전을 확보하는 데 가장 중요한 시점임을 나타낸다. 이후에 화재가 계속됨에 따라 내부 압력은 지속적으로 감소한다. 특히 인접문의 개방 시 압력해소의 영향을 일부 받은 후 일정시간이 지나면 다시 감소한다. 본 연구 결과는 BL-3 연구시설의 내부에 화재가 발생하였을 때 압력 변화를 정확하게 이해하는 데 도움이 된다. 이 결과는 차후 BL-3 연구시설의 화재 대응 전략 개발과 시설 설계에 중요한 기여를 할 것이다.

4. 결 론

본 연구는 BL-3 연구시설에서 화재 발생 시 차압 변화에 대한 수치해석적 시뮬레이션을 수행하였다. BL-3 연구시설에 대한 화재 시나리오를 가정하고 이에 따른 내부 압력차압의 변화를 분석하였다. 화재 발생 위치에 따라 압력 상승 및 감소 변화 양상이 차압이 변화는다른 것을 알 수 있었다. 또한, 인접문이 밀폐된 상태에서 차압의 변화가 거의 없으나 인접문이 개방되는 시점에서 압력의 변화가 일어났다. BL-3 연구시설의 화재 안전성 확보를 위해서 초기 화재로 인한 급격한 내부 압력 상승을 방지하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 하지만, 본 연구는 한정된 화재 시나리오를 다루었기 때문에 향후에 다양한 화재 시나리오를 고려하여 보다 포괄적인 연구를 할 필요가 있다.

후 기

본 연구는 이 논문은 2022년도 정부(과기정통부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2022-00144190).

References

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