모든 실험은 ISO 7240-7의 기준을 준용하였으며, 실험 시 환경조건은 온도 23 ± 2 ℃, 습도 50 ± 5%로 조정 후 실험을 진행하였다. 이 후 ISO 7240-7에서 시험의 적합 유무를 판단하는 연기 프로파일을 도출하기 위해 약 100회 이상 반복 시험하여 정량화된 실험방법과 자연 기류에 따른 적합한 프로파일을 도출하였으며, 실험결과의 분석은 연기 프로파일에 적합한 10개의 데이터를 바탕으로 이중 평균값 데이터와 유사한 데이터를 선정하여 분석하였다.
3.1 ISO 7240-7 면섬유 훈소화재 실험방법
Figure 3은 ISO 7240-7 섬유훈소화재 실험 시 아날로그 연기감지기 연기농도와 연소생성물 측정을 위한 실험장비를 나타낸 것이다.
Figure 3(a)의 경우 소방제품의 형식승인을 취득한 T사의 아날로그 연기감지기를 나타낸 것이며, 연기농도는 19 %/m까지 측정된다. 실시간 연기 농도 측정은 모니터링 시스템을 활용하였다.
Figure 3(b)는 연소가스분석기(combustion gas analyzer, CGA) Wohler A550 (Wohler A550, WOHLER Co., Germany)를 나타낸 것으로 섬유훈소화재 시 발생되는 연소생성물을 측정하고자 하였으며, 연소생성물은 CO, SO
2, NO, NO
2를 측정할 수 있다.
Figure 3
Figure 4(a)는 면섬유 훈소화재실험의 구성도를 나타낸 것이다. ISO 7240-7에서 규정한 실화재 실험장과 유사환경으로 구축하여 11.0 m × 6.7 m × 3.0 m의 화재실험장에서 실험을 진행하였으며, 면섬유 화원의 위치는 실험실 중앙에 거치하였다.
Figure 4(b)는 계측부를 나타낸 것으로 화원의 위치에서 3 m 떨어진 천장부에 아날로그 연기감지기와 연소가스분석기를 설치하였으며, 바로 뒤 0.3 m 떨어진 위치에 광학농도계 ODM (d = 1.5 m)을 설치하였다. 광학농도계는 광원 중심이 천장 아래 102 mm에 위치하도록 설치하여 실험을 진행하였다. ISO 7240-7에서 제시하고 있는 실험장 높이의 경우 3.8∼4.2 m로 제시되어 있고, 기존 선행연구(
5)에서는 4 m의 층고에서 실험을 진행한 바 있다. 본 실험장 높이의 경우 3 m의 층고를 갖고 있기 때문에 상기 층고에 따른 비례식을 이용하여 실험장 높이가 낮아짐에 따라 화원 높이와 시료의 섬유 길이 및 무게를 줄여 실험을 진행하였다. 비례식에 의해 도출된 본 실험 화원의 높이는 바닥에서부터 0.75 m 높이에 위치하였고, 면섬유(면심지 60호)의 길이는 0.6 m, 심지 개수는 90개로 면섬유의 총 질량은 202.5 g으로 진행하였다. 기준상에서 프로파일 도출을 위해 프로파일 한계 내에서 유지될 수 있도록 시료의 개수와 무게는 조절 가능하다는 기준을 참고하여 무게는 줄이고 섬유 개수는 90개로 실험을 진행하였다. 여기서 섬유 개수는 작열하는 면섬유 훈소의 개수가 90개를 유지하여야 해당 연기/에어로졸 프로파일이 도출되었다.
Figure 4
Schematic diagram and photograph of experiment.
Figure 4(c)의 경우 면섬유와 면섬유 점화 사진으로, 점화는 모든 심지의 끝부분이 빛나도록 하단에 점화하고, 화염이 발생될 경우 즉시 불을 제거한 후 모든 심지가 작열하는 훈소를 발할 때 테스트를 시작하였다. 여기서 면섬유의 화염 노출은 심지 끝부분에서 5 cm 가량 노출 시켰고, 심지가 서로 뭉쳐 있도록 하여 실험을 진행하였다. 면섬유의 경우 서로 뭉쳐있지 않고 퍼져있거나 심지 사이에 공기유동이 원활할 정도의 공간이 발생될 경우, 산소 유입에 따른 연기의 발생량은 극히 감소하여 기준에 제시된 프로파일을 일치할 수 없는 문제점이 발생되었다.
Figure 4(d)는 모든 조건을 충족시킨 후 실험을 시작하여 나타나는 연기/에어로졸의 사진이다. 여기서 실험장의 온도는 하부와 상부 사이의 온도차가 5 ℃ 이상 발생하였을 경우 일정한 프로파일을 도출할 수 없는 문제점이 발생되기 때문에 실내 환경조성 과정이 진행되어야 한다.
3.2 ISO 7240-7 면섬유 훈소화재 실험결과
Figure 5(a)는 ISO 7240-7 면섬유 훈소화재 실험 시 나타나는 프로파일이다. 실험결과 지속적인 연기 상승을 보이는 80 s에 첫 감광 피크가 발생되어 실험시간 750 s동안 한계곡선에 m 값이 형성되면서 프로파일이 일치하는 것을 확인하였다. 실험의 분석은 화원부로부터 3 m 떨어진 위치의 아날로그 연기감지기 4개 중 점진적 상승 수치값이 최고값과 최저값을 제외한 2개의 데이터를 추출하여 분석하였다.
Figure 5(b)는 dB/m를 %/m로 환산하여 제시한 프로파일로 연기감지기와 비교분석 및 가독성을 위해 미터당 퍼센트 감광율로 제시하였다. 실험경과 90 s 후 ODM의 5 %/m의 감광이 발생되었고, 10 %/m는 147 s, 15 %/m는 311 s, 19 %/m는 341 s에 도달되어 지속적으로 감광율이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 5
Experiment result data profile (dB/m vs %/m).
Figure 6과
Table 3은 기준상 적합여부를 판단하는 관측부 ODM과 ASD의 비교표이다. 실험데이터 비교분석은 ODM에서 측정되는 2종 연기감지기의 부작동농도 5 %/m와 공칭작동농도 10 %/m, 작동농도 15 %/m기준으로 분석하였고 추가적으로 현재 사용되고 있는 ASD 최대 측정농도 19 %/m를 적용하여 분석하였다.
Figure 6
Results of cotton fire test profile (Ou vs ASD).
Table 3
ASD Concentration Value according to ODM
Item |
ODM |
ASD1
|
ASD2
|
5 %/m (90 s) |
10 %/m (147 s) |
15 %/m (311 s) |
19 %/m (341 s) |
5 %/m (361 s) |
10 %/m (402 s) |
15 %/m (428 s) |
19 %/m (560 s) |
5 %/m (374 s) |
10 %/m (516 s) |
15 %/m (577 s) |
19 %/m (660 s) |
ODM (%/m) |
- |
- |
- |
- |
22.3 |
23.6 |
24.0 |
36.0 |
23.1 |
31.2 |
34.0 |
34.1 |
ASD1 (%/m) |
0.1 |
0.1 |
3.4 |
3.6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
ASD2 (%/m) |
0.1 |
0.1 |
1.9 |
2.5 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
ODM 부작동농도에서 측정되는 ASD1과 ASD2의 연기농도는 0.1 %/m, 0.1 %/m로 측정되었으며, 공칭작동농도의 경우에서도 ASD1, ASD2가 0.1 %/m, 0.1 %/m로 측정되면서 공기 중에 부유하고 있는 연기/에어로졸을 감지하지 못하였다. ODM 작동농도에서 ASD1은 3.4 %/m, ASD2는 1.9 %/m로 측정되면서 연기농도 상승 및 연기 감지를 원활하게 진행하지 못하였다. ASD 최대 측정농도인 ODM 19 %/m에서조차도 ASD1은 3.6 %/m, ASD2는 2.5 %/m로 반응이 저조하였다.
아날로그 연기감지기에서 측정되는 5, 10, 15, 19 %/m 농도기준 ODM을 비교한 결과 ASD1 5 %/m에서, ODM 22.3 %/m, ASD1 10 %/m는 ODM 23.6 %/m, ASD1 15 %/m는 ODM 24.0 %/m, ASD1 19 %/m는 ODM 36 %/m로 나타났다. ASD2 5 %/m의 기준에서도 ODM 23.1 %/m, ASD2 10 %/m는 ODM 31.2 %/m, ASD2 15 %/m는 ODM 34.0 %/m, ASD2 19 %/m는 OMD 34.1 %/m로 나타났다. 또한 ASD1의 2종 연기감지기 작동농도 기준으로 연기농도 상승속도가 ODM과 약 117 s 차이가 발생되었고, ASD2의 경우에서도 ODM과 약 266 s의 차이가 나타났다.
실험결과 면섬유 훈소화재의 경우 광학농도계에서 측정되는 연기농도가 최소 24 %/m 이상 발생하여야 아날로그 연기감지기 챔버내부에 연기가 유입되어 연기를 감지할 수 있는 것으로 나타났다. 이 경우 화재 발생 이후 약 2 min에서 4 min 정도의 감지 지연시간이 발생된 것으로도 판단할 수 있다. 또한 훈소화재의 경우 유염화재가 아닌 무염화재이기 때문에 연기기류 자체의 부력에 관한 힘이 유염화재보다 현저히 떨어진다. 이 경우 연기의 유동속도가 빠르지 않기 때문에 연기감지기 챔버입구 저항성으로 인하여 연기챔버 내부에 연기 및 에어로졸이 유입되지 않는 문제점이 발생된다. 연소에 의해 발생하는 연기는 열을 받아 부력에 의해 상승기류가 발생되고 이후 천장벽에 도달되어 천장을 따라 수평으로 확산해 나아간다. 이 경우 연기의 온도가 높고 부력의 세기가 강해 연기에 대한 온도 강하가 현저하게 발생되지 않는다면, 연기는 고온인 상태를 유지한 채로 상승기류에 의해 천장에 분포되어 공기와 나뉜 층류로써 빠르게 전파해 나가는 특징이 있다. 하지만, 화염과 같은 고온의 플룸이 발생되지 않고 무염연소로 진행되는 연기의 경우 확산속도가 빠르지 않으며, 연기의 온도가 유염화재보다 현저히 낮게 나타나기 때문에 공기와 희석되어
상기 발생 원인을 파악해 보고자
Figure 7의 선행연구(
8,
9)에서 나타난 UL 268 종이화재 및 목재화재 실험의 연기감지기 응답특성 실험을 분석하였다.
Figure 7(a)는 종이화재의 ODM과 ASD의 연기농도 상승 그래프로 첫 상승 곡선은 ODM이 빠르지만 작동농도 기준인 15 %/m의 경우 ODM과 ASD가 동일한 시간에 도달된 것을 확인할 수 있었다. 국내 연기감지기의 경우 연기감지기 형식승인 기술기준 상 종이화원 동양호지(NO. 2)에 대한 응답특성 위주의 시험을 진행하기 때문에 종이화원에 대한 응답특성만 우수한 것으로 확인되며, 종이화재 자체의 유염화재 열부력이 크게 발생되어 유속이 빨라짐에 따라 연기감지기 챔버내부에 연기가 원활히 침투돼 응답특성이 우수하게 나타난 것으로 확인된다. UL 268 목재 유염화재의 경우도 15 %/m의 기준으로 ODM은 120 s, ASD는 159 s로 39 s의 차이를 보였지만, 유염화재로 전환된 후 급격한 농도상승이 나타나고 훈소화재인 면섬유 훈소화재 실험보다 비교적 빠른 농도상승이 발생되었다.
Figure 7
Results graph of UL 268 paper fire and wood fire experiment(
8,
9).
국내에서는 연기감지기 시험챔버 내 광학농도계를 통한 작동농도에서 연기감지기를 투입해 30 s 이내에 작동된다면 작동시험은 합격하게 된다. 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 설정하고 있다(
2). 이 경우 화원의 시료가 변경 되었을 때, 시료에서 나타나는 연기 특성 또한 다르게 나타나며, 훈소화재의 경우 더욱 유속이 늦고, 연기 층이 중성대를 이루어 낮고 넓게 분포되기 때문에 연기감지기의 응답특성이 원활하게 발생되지 않는다. 이처럼 동양호지 화원에 의한 작동시험만으로 형식승인 시험을 진행하지 않고, 훈소화재 다양한 화원화재를 진행하여야 공동주택에 존재하는 가연물 및 다양화되는 현대 주거지 건축물에 화재감지 특성이 우수해질 것으로 판단된다.
Table 4는 ISO 7240-7 섬유화재 실험 시 나타나는 연소생성물을 CGA로 측정한 것이다. 생성물의 분석 기준은 연기감지기 감지 농도에 따른 연소생성물을 비교하였으며, 실험결과 NO
2, SO
2, NO의 경우 연소생성물이 발생하지 않거나 미미하게 생성되어 분석에서 제외하였다. CO의 경우 훈소화재 특성에 의한 불완전 연소가 진행됨에 따라 실험시간이 지속될 경우 고농도의 CO가스가 발생되었는데, 연기감지기 부작동 농도인 ASD
1,2 5 %/m일 때 20 ppm, 23 ppm이 발생되면서 time weighted average (TWA) 권장 기준인 30 ppm 가까이 상승하였다. ASD
1,2 10 %/m에서는 31 ppm, 55 ppm이 발생되어 심장 또는 혈액계에 영향을 일으키는 노출 정도인(
10) 50 ppm 이상 발생되었고, 연기감지기 화재감지 농도인 ASD
1,2 15 %/m에서는 37 ppm과 62 ppm, ASD
1,2 19 %/m에서는 61 ppm과 72 ppm이 발생되면서 불완전 연소에 의한 고농도의 CO가스가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 더불어
Figure 8은 실험시간 동안 촬영된 실험장 사진으로 클린 한 상태에서 실험을 시작하였고
Figure 8(b)와 같이 실험시작 120 s 후 연기/에어로졸이 천장을 따라 넓게 분포되지 않고 화원부 공간에 연기가 체류되는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 8(c)는 실험시작 300 s 후 사진으로 중성대를 이룬 공간에서부터 천장까지의 공간을 연기가 가득 채웠으며,
Figure 8(d)와 같이 실험시작 420 s에서는 육안으로 실험실 내부의 공간이 보이지 않을 정도로 연기가 가득 찬 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 훈소화재의 경우 불완전연소에 의한 연기/에어로졸 및 가스가 대량 발생함에도 불구하고 연기 자체의 부력의 세기가 부족하여 천장에 분포되지 않아 연기감지기의 화재감지가 지연되고, 그 과정에서 연기는 재실자의 키 높이만큼 가라앉게 되어 이에 따른 질식사 및 호흡곤란과 같은 문제점이 발생될 것으로 판단된다.
Table 4
Combustion Product Data Table (ASD1,2 5 %/m, 10 %/m, 15 %/m, 19 %/m)
Item |
ASD1 5 %/m (361 s) |
ASD1 10 %/m (402 s) |
ASD1 15 %/m (428 s) |
ASD1 19 %/m (560 s) |
ASD2 5 %/m (374 s) |
ASD2 10 %/m (516 s) |
ASD2 15 %/m (577 s) |
ASD2 19 %/m (660 s) |
MAX |
CGA |
CO (ppm) |
20 |
31 |
37 |
61 |
23 |
55 |
62 |
72 |
79 |
NO₂ (ppm) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
SO₂ (ppm) |
1 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
3 |
3 |
NO (ppm) |
1 |
2 |
2 |
2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
Figure 8
Photos according to experiment time.
이처럼 국내 연기감지기의 경우 작동성능을 확인하는 연기감지기 시험챔버 내부의 작동시험 방법에 따라 시험을 진행하기 때문에 종이화재 또는 유염화재에 대한 연기감지 특성이 우수한 것으로 보인다. 하지만 훈소화재의 경우 실내 천장에 체류되는 연기의 양이 유염화재보다 적고 공간상으로 퍼져 나가는 연기의 유동이 더욱 많기 때문에 재실자의 질식사 위험요소가 더욱 커질 것으로 판단된다. 이에 따라 ISO 7240-7에 대한 연기감지기 응답특성을 비교한 결과 시험기준에는 적합하지만 ODM과의 농도차이가 발생되지 않도록 연기감지기의 챔버구조 또는 감지방식에 대한 연구 방향이 진취적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.
또한 국내의 연기감지기의 시험기준이 형식승인 시험챔버 내에서만 작동기능을 수행하는 것이 아닌, 실화재 시험과 같은 유사 상황에 대한 작동 성능 테스트를 진행하여야 연기감지기의 기능적, 성능적 향상에 더욱 기여할 것으로 판단된다.