1. 서 론
화재 시 특별피난계단을 연기로부터 보호하기 위하여 계단실 또는 부속실에는 제연설비가 설치된다. 국외의 경우 계단실을 외부 공기로 가압하여 연기 유입을 방지하는 방식을 많이 적용하나 국내의 경우 제연설비가 설치되는 모든 특별피난계단 또는 비상용 승강기는 부속실 설치가 의무화되어 부속실을 가압하는 방식을 주로 채택하고 있다. 가압을 위한 공기의 배출(이하, 유입공기 배출)방식은 수직풍도, 배출구 및 제연설비를 이용할 수 있으나 수직풍도를 이용한 방법이 주로 적용되고 있다(1).
Kim 등(2)은 유입공기 배출장치의 작동에 따른 복도의 압력 변화로 부속실 문 양단의 차압이 증가하여 개방력의 기준인 110 N을 초과하여 피난 장애 우려가 발생되는 문제를 연구하여 그 대안으로 복도에 설치되는 외부와 면한 자동식 창문, 부속실과 복도 사이에 플램댐퍼 또는 자동차압댐퍼 의 설치를 권고하였다. Lee(3)는 동일한 문제의 대안으로 차압배기댐퍼(variable air volume exhaust damper, VAVED) 적용, 2개층 배기댐퍼 개방 및 자동식 창문의 개방(이하 자동개방창문)을 그 대안으로 제시하였다.
제연설비의 평가 및 분석은 national institute of standards and technology (NIST)에서 개발한 airflow network modeling program인 CONTAM 프로그램이 주로 활용되어왔으며, 공기흐름뿐 아니라 연기흐름 분석에도 활용되고 있다. CONTAM의 시뮬레이션 방법에는 정상상태(steady) 및 과도상태(transient) 등이 있다. 제연설비와 관련된 기존 연구는 주로 정상상태 해석기법이 주로 이용되어 왔으며, Joung(4)은 유입공기 배출장치가 없는 공동주택을 대상으로 화재실 창문 및 부속실 문의 개폐에 따른 연기 수직전파 가능성을 과도상태 해석기법을 활용하여 제연설비 작동 중 화재실 문이 개방된 상태에서 창문 및 부속실 문의 개폐에 따른 연기의 수직전파 가능성을 검토하였다.
이에 본 연구에서는 유입공기 배출장치가 있는 부속실 제연설비의 과압 발생 문제점을 현장 실험을 통해 확인하고 기존의 연구에서 제안된 자동개방창문 방식과 차압배기댐퍼 방식의 적용 유효성을 CONTAM의 과도상태 해석기법을 이용하여 분석하려 한다.
2. 연구대상 및 방법
2.1 연구 방법
유입공기 배출장치가 있는 부속실 제연설비가 설치된 건축물을 대상으로 유입공기 배출장치의 작동에 따른 과압 발생 문제점과 해결방법의 유효성을 검증하기 위하여 아래와 같은 방법으로 연구를 수행하였다. 첫째, 연구대상 건축물에서 유입공기 배출장치의 작동에 따른 부속실 문 차압의 변화를 측정 분석하고 차압배기댐퍼를 적용하여 문제점의 해결 가능성을 검증하였다.
둘째, 외기온도 -10 ℃, 실내온도 20 ℃의 연돌조건에서 CONTAM 과도해석 기법을 이용하여 자동개방창문과 차압배기댐퍼의 적용 효과를 비교 분석하였다.
2.2 연구 대상
본 연구는 지하 1층, 지상 13층의 공동주택 건축물로 특별피난계단 부속실과 비상용 승강기 부속실이 겸용인 평면구조이며, 현장 실험 대상 층인 13 F의 평면은 Figure 1과 같다. 제연방식은 부속실 가압방식으로 가압공기의 수직 경로는 승강로를 이용하며, 각층 복도에 배기댐퍼가 설치된 수직배출의 유입공기 배출방식을 채택하고 있다.
2.3 CONTAM 입력조건 및 modeling
본 연구의 모델링을 위해 벽, 바닥 및 방화문 등의 누설경로에 적용한 모델은 오리피스 면적 모델(orifice area data model)과 누설면적 모델(leakage data model)이며, 각 누설경로에 적용된 크기와 모델은 Table 1과 같다(4,5). 오리피스면적 모델과 누설면적 모델을 위한 흐름지수(flow exponent)와 방출계수(discharge coefficient)는 기존 연구에서 일반적으로 사용한 값인 0.5와 0.65를 각각 적용하였으며(4,6), 누설면적모델의 기준 차압(pressure reference)은 창문의 누설등급 기준에 따라 10 Pa을 적용하였다(7).
Table 1
Leakage Areas of the Airflow Paths
각 누설경로 이외에 부속실 방화문의 개폐, 창문 개방 및 배기댐퍼의 PI제어를 위한 제어요소(control element)가 모델링 되었다. CONTAM 제어요소 중 연속값 파일 형태(continuous values file format, CVF)을 이용한 제어는 모델링 요소 중 누설경로의 크기 변화 등에 적용이 가능하다. 본 연구에서 창문의 개방과 방화문의 개방은 CVF를 이용하여 제어하였다(4,8). 부속실 문과 자동개방창문의 개폐는 과도현상의 관찰을 위해 3 s 내에 개폐가 이루어지도록 하였으며, 차압배기댐퍼는 전 구간에서 동작한다. Table 2는 각 시간 별 개폐 상태를 나타낸다.
Table 2
Status of Control Elements by Time
| Time (s) | Vestibule Door | Window | VVED |
|---|---|---|---|
| 0~60 | Closed | Closed | Operating |
| ~63 | Opening | Opening | |
| ~120 | Opened | Opened | |
| ~123 | Closing | Opened | |
| ~240 | Closed | Opened |
차압배기댐퍼의 풍량제어는 제어요소 중 누설경로에 적용할 수 있는 차압센서(pressure drop sensor)와 proportional-integral control (PI) 제어요소 및 기준값(reference value)를 이용하여 모델링하여 배출유량이 제어되도록 하였다. 기준값과 차압센서 값과의 차인 오차가 PI제어기로 입력(input)되어 아래 식(1)과 같은 알고리즘을 통해 출력값(output)이 결정되며, 이 출력값이 차압배기댐퍼의 단말손실계수(terminal loss coeffient)값을 변화시켜 배출풍량이 제어되는 모델이다. PI 제어기의 비례계수(Kp)와 적분계수(Ki)는 시행착오법을 이용하여 결정하였으며, PI제어기의 동작은 아래 식(1)과 같이 출력값이 제어된다(8).
여기서, output: 출력
input: 입력
output*: 이전 출력
input*: 이전 입력
Kp: 비례계수
Ki: 적분계수 이다.
모델에 적용된 기준값은 부속실 문의 차압값인 50 Pa을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
3. 현장 실험과 simulation 결과 및 고찰
3.1 현장 실험 결과
13 F 부속실 문에 차압센서를 설치하여 압력변화를 측정하였다. 설치된 차압센서는 SIBA KOREA의 53 A series로 0～1034 Pa의 측정범위를 가지며 정밀도는 2.2 %FS이다. 차압센서의 0.5～4.5 V 아날로그 출력을 HIOKI사의 LR8500 데이터 로거를 이용하여 측정⋅분석하였다.
비상용 승강기의 승강로를 통한 가압은 회전수 제어 방식을 이용해 급기가 제어되며, 유입공기 배출장치가 동작하지 않는 조건에서 부속실의 차압을 측정하였다. Figure 3은 급기 송풍기 동작 이후의 부속실 차압 특성 곡선으로 오버슈트 이후 부속실의 차압 최소 40 Pa 이상을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
배기 송풍기를 동작시키고 13 F에 설치된 배기댐퍼를 동작시킬 때 부속실 문이 닫혀 있는 경우 차압은 약 250 Pa에서 300 Pa의 범위로 형성되었으며, 문 개방 시 약 0 Pa로 되었다가 문을 폐쇄하면 다시 압력이 상승하는 특성을 보였다. 측정 결과는 Figure 4와 같으며, 기존 연구에서 제기된 피난 장애 초래의 문제를 현장 실험을 통해 재확인할 수 있었다.
Figure 4
Pressure difference due to opening and closing of the vestibule door when the exhaust fan and 13 F exhaust damper are in operation.
13 F 배기댐퍼를 차압배기댐퍼로 교체 설치 후 부속실 문 개폐에 따른 차압 변화는 Figure 5와 같다. Peak 차압은 기존 배기댐퍼 동작 중 발생했던 크기와 유사한 270 Pa을 보였으며, 부속실 문 닫힘 후 약 7 s 정도만에 기준 차압인 50 Pa 수준으로 제어되어 유기공기 배출장치의 동작에 의한 부속실 과압의 대안으로 적절함을 확인할 수 있었다.
3.2 COMTAM simulation 결과
3.2.1 유입공기 배출장치 동작에 따른 부속실 차압
외기온도 -10 ℃, 실내온도 20 ℃ 조건에서 모든 층의 부속실 문이 닫힌 조건에서 각 층의 부속실 차압이 40～70 Pa이 되도록 각 층의 급기량을 조정하였다. 그 후 중성대 상하부 층으로 추정되는 3 F과 13 F을 화재 층으로 상정하여 유입공기 배출장치와 해당 층의 배기댐퍼를 개방하여 3 F과 13 F에 대해 각각 CONTAM의 정상상태 시뮬레이션(steady simulation)을 하고 전층의 부속실 차압을 분석하여 그 결과를 Figure 6에 나타내었다. 배기댐퍼의 작동으로 부속실의 차압이 3 F 화재조건의 경우 124.3 Pa까지 상승하였으며, 13 F의 경우 171.5 Pa까지 상승하였다.
Figure 6
Pressure difference at the vestibule doors due to the operation of the exhaust damper on the fire floor.
문 개방력과 차압의 관계는 아래 식(2)와 같다(6).
여기서,
Fr: 도어클로저 극복 힘과 마찰력 N
W: 문 폭 m
A: 문 면적 m2
δP: 차압 Pa
d: 문끝에서 문손잡이까지의 거리 m
KS F 4505에 따라 d= 0.07 m, Fr 은 2호를 기준으로 할 때 Fr = 22 N, 연구대상물에 적용된 방화문의 크기를 적용하여 폭 W = 1.05 m이고, 면적A=W ⨯ H= 2.31 m2, 개방력 110 N을 적용하면 피난 장애가 발생되지 않는 최대 차압은 71.1 Pa이다. 이를 초과하는 차압이 발생할 경우 피난 장애가 초래될 우려가 있는 것으로 판단할 수 있다. 이러한 결과는 유입공기 배출장치의 동작으로 화재층의 부속실 방화문 개방력이 110 N을 초과할 수 있는 과압이 형성된 것으로 기존 연구에서 제기된 유입공기 배출 장치의 동작에 따른 부속실 문의 과압 발생 문제를 재확인할 수 있었다.
3.2.2 PI 제어기를 적용한 차압배기댐퍼의 효과
배기댐퍼에 PI 제어기를 적용하여 배기풍량이 제어되도록 모델링한 후 과도해석기법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. PI 제어를 위한 비례계수(Kp)와 적분계수(Ki)는 시행착오법으로 구했다. 13 F 화재 조건에서 Table 2와 같이 부속실 문의 상태가 변경될 때, Kp와 Ki의 값에 따라 배기댐퍼에서의 배출량이 변화되어 부속실 문의 유량과 차압 제어특성이 변경되었다. 그 제어 결과를 Figure 7에 나타내었으며, 최종적으로 Kp = 0.052, Ki = 0.07으로 결정하였으며, 모든 시뮬레이션에서 동일한 값을 적용하였다.
Figure 8(a)는 3 F을 화재 층으로 상정한 경우로 부속실 문의 개방 시(60～120 s) 문을 통한 풍량은 6,506 CMH로 방연풍속이 0.7 m/s 이상 구현될 수 있는 풍량을 보였으며, 문이 닫힌 경우(123～240 s) 부속실 문의 차압은 54.6 Pa로 기준값(reference value) 50 Pa 보다 큰 값에서 안정되었다. 이는 CONTAM 내장 PI 제어기의 특성에 따른 잔류 편차로 판단된다. Figure 8(b)는 3 F 화재 조건에서 전층 부속실 문의 차압 변화로 최소값은 부속실 문이 개방된 조건에서 B1층에서 22.9 Pa이었으며, 60 s 이전과 123 s 이후의 차압값은 동일했다.
Figure 9(a)는 13 F을 화재 층으로 상정한 경우로 부속실 문의 개방 시(60～120 s) 급기량은 8,194 CMH이고, 문이 닫힌 경우 (123～240 s)의 차압은 70.5 Pa에서 안정되었다. 연돌조건인 13 F의 부속실 차압은 배기댐퍼 동작 전 67.7 Pa (Figure 6)로 이보다 작게 제어될 수는 없다는 것을 확인할 수 있었다. Figure 9(b)는 13 F 화재 조건에서 전층 부속실의 차압변화로 최소값은 부속실 문이 개방된 조건에서 B1층에서 20.5 Pa이었으며, 3 F 조건과 동일하게 60 s 이전과 123 s 이후의 차압값은 동일한 결과를 보였다.
3 F과 13 F의 배기댐퍼를 차압배기댐퍼로 교체 모델링 한 후, 화재 층의 부속실의 문 개폐 조건을 Table 2와 같이 적용하여 시뮬레이션하였다. 그 결과는 Figures 8 및 9와 같으며, 13 F 화재 조건에서 최대차압이 70.5 Pa로 분석되어 기존 배기댐퍼 작동에 따른 부속실 차압의 과압 문제가 해결할 수 있는 것으로 분석되었다.
부속실 문이 개방에서 닫힘으로 조건이 변경될 때 발생된 Peak 차압의 경우 현장 실험의 경우 270 Pa 정도로 측정되었으나 시뮬레이션 결과에서는 186 Pa로 측정되었다. 이는 모델에 적용된 누설조건과 연돌 효과로 인한 것으로 추정되며, 이에 대한 추가적인 연구 검토가 필요한 것으로 분석되었다.
3.2.3 자동개방창문의 효과
유입공기배출장치 동작에 의한 부속실 과압 방지를 위한 대책의 하나로 제시된 자동개방창문의 효과를 분석하기 위하여 1 m2의 창문을 외부와 면한 복도에 설치하고 부속실 문이 개방될 때 개방하고 이후 개방을 지속하였다. 이후 부속실 문이 닫힌 상태로 변할 때 부속실의 차압 변화를 시뮬레이션하고 그 결과를 Figures 10과 11에 나타내었다. 자동개방창문의 개방 시 부속실 차압은 Table 3과 같으며, 초기 차압 값(0～60 s)의 약 60% 값으로 저감되었다.
Table 3
Pressure Difference in Vestibule Door due to Automatic Opening Window Operation
| Fire Floor | 3 F | 13 F | ||
|---|---|---|---|---|
| Time (s) | 0~60 | 120~240 | 0~60 | 120~240 |
| Window | Closed | Opening | Closed | Opening |
| Vestibule Door | Closed | Closed | Closed | Closed |
| Differential Pressure (Pa) | 124.3 | 73.9 | 186.5 | 112.6 |
3 F 화재의 경우 방연풍량은 9,851 CMH, 부속실 문이 닫힌 경우 차압은 73.9 Pa로 분석되었다. 13 F 화재의 경우 방연풍량은 13,208 CMH, 부속실 문이 닫힐 경우 차압은 112.6 Pa이었다.
3 F과 13 F을 화재 조건으로 상정하고 자동개방창을 개방한 경우 발생된 차압 73.9 Pa과 112.6 Pa을 적용하여 방화문 개방력을 계산해 보면 113.5 N과 161.3 N으로 기존 배기댐퍼 작동 시보다는 과압의 문제를 개선하였으나 완전히 해소하지 못하는 것으로 분석되었다.
3.2.4 자동개방창문에서의 배출량 변화
화재 층의 배기댐퍼가 개방된 상태에서 부속실 문의 개폐에 따라 자동 개방된 창을 통한 공기의 유출입 방향을 분석하였다. 3 F 및 13 F 화재 조건 모두에서 부속실 문이 열린 경우에는 자동개방창문을 통해 유출되는 흐름을 보였다. 부속실 문이 닫힌 경우 자동개방창을 통해 공기가 유입되는 흐름으로 변화되었다.
4. 결 론
PI제어를 적용한 차압배기댐퍼와 1 m2 크기의 자동개방창문을 적용한 CONTAM 과도해석 시뮬레이션 분석과 차압배기댐퍼를 적용한 현장 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
화재 층 유입공기배출용 배기댐퍼 동작 중 부속실 문이 닫힐 경우 개방력 110 N을 초과하는 차압이 형성되었다. 현장 실험에서는 250 Pa 이상으로 측정되었으며, CONTAM 시뮬레이션에서는 171.5 Pa로 분석되었다.
화재 층 부속실 문의 과압 해소 방안의 하나인 차압배기댐퍼를 적용한 현장 실험을 통해 차압이 적정 차압인 50 Pa로 제어될 수 있음을 확인할 수 있었다.
CONTAM 과도해석 시뮬레이션을 통해 과압 해소를 위해 적용된 자동개방창문의 경우 한번 개방 후 닫히지 않기 때문에 부속실 문이 닫히는 경우 3 F 화재의 경우 73.9 Pa, 13 F 화재의 경우 112.6 Pa로 개방력 110 N을 초과하는 차압이 형성되어 피난 장애가 발생될 수 있음을 확인하였다.
자동배기댐퍼를 적용한 시뮬레이션에서는 피난 장애를 초래할 차압은 형성되지 않았다. 다만, 13 F 화재 조건의 경우 연돌에 의해서 형성되는 차압값보다 작게 제어될 수 없는 것으로 분석되었다.
외부 풍속 등을 추가적으로 고려하지 않더라도 자동개방창문보다는 차압배기댐퍼가 유입공기 배출장치의 동작에 의해 초래되는 부속실 과압 문제의 해결에 보다 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구는 높이가 약 40 m인 13 F 건물을 대상으로 한 연구로서의 한계가 있으며, 향후 외기 온도의 영향이 보다 큰 초고층 건축물을 대상으로 누설틈새의 크기 조건 및 외기 풍속 등의 조건을 고려한 연구가 추가적으로 필요할 것이다.
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