Study on the Performance of Sandwich Pressurization System

희문 김; 한빛 최; 돈묵 최

doi:10.7731/KIFSE.3728da4e

요 약

본 연구는 샌드위치 가압방식의 성능검증 방법이 체계적이지 않은 국내 상황에 검증 방안을 제시하고자 한다. 검증 방법은 4가지 방식인 T.A.B, hot smoke test, FDS를 통한 화재시뮬레이션, Pathfinder를 통한 피난 시뮬레이션을 수행하였다. T.A.B, 화재 및 피난 시뮬레이션에서 문제점은 없는 것으로 판단되었다. 그러나 hot smoke test에서는 직상층 직하층 모두 연기 유동을 하는 양상을 보여주었다. 실질적으로 피난 시뮬레이션 까지 수행하여 피난안전성 평가를 검증하여 안전한 것으로 판단되나 hot smoke test를 통해 연기 유입이 되면서 샌드위치 가압방식에 대한 보완 사항을 확인하게 되었다. 이처럼 T.A.B와 화재 및 피난 시뮬레이션과 더불어 hot smoke test를 통해 샌드위치 가압방식에 대한 성능 검증 기준을 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

ABSTRACT

This study aims to outline a verification plan for domestic scenarios using the sandwich pressurization method. We employed four methods: T.A.B, hot smoke test, FDS, and pathfinder. T.A.B and fire and evacuation simulation did not exhibit any issues. However, the smoke flow was observed in both the upper and lower layers during the H.S.T. Evacuation safety was confirmed through simulation, including the adequacy of the procedure. Nonetheless, the introduction of smoke in the hot smoke test highlighted the need for enhancements to the sandwich pressurization method. Consequently, the hot smoke test, alongside T.A.B and fire and evacuation simulations, will enhance verification standards for the sandwich pressurization method.

KeyWords: Fire safety, Smoke control equipment, Securing performance, Testing, Adjusting, Balancing, Hot smoke test

1. 서 론

최근 국내 건축물의 특징은 초고층, 밀집화, 대형화되어 감에 따라 여러 구역으로 구획화되고, 대형건축물일 경우에는 그 구획의 수가 대단히 많아진다. 이러한 건축물에서 화재가 발생하면 대부분 희생자는 화재 층이 아닌 상층부로 전파된 연기로부터 피난로를 차단하고, 화염이 아닌 일산화탄소 또는 유독가스 중독 등 연기의 독성으로 사망에 이르고 있다(1).

따라서, 국내 기준은 일정 규모 이상의 특정 용도에서는 배연창 또는 제연설비를 설치하여 화재 발생 시 일부 연기 및 열기를 배출하여 피난허용시간(available safe egress time)을 확보하도록 규정하고 있다. 하지만, 초고층 건축물의 커튼월구조 등으로 배연창 또는 소방관계 법령에 따른 제연설비를 적용하기 어려운 구조일 때 중앙소방기술심의를 통해 샌드위치 가압방식의 제연설비를 적용하는 사례가 늘어나고 있으나, 시공 후 성능을 확인할 수 있는 기준이 없어 실제 화재 발생 시 요구되는 성능이 발휘될 수 있는지 의문이다. 본 연구는 국내 소방관계 법령이나 화재안전기술기준(national fire technical code, 이하 NFTC)이 없는 상태에서 특정소방대상물에 설계되어 시공되고 있는 업무시설의 샌드위치 가압방식의 제연설비 시공이 완료된 후 제연 testing adjusting balancing (이하, T.A.B) 및 hot smoke test를 통해 성능 확인 방법에 관해 연구 분석하였다. 또한, 실제 현장의 실증 실험과 화재⋅피난 시뮬레이션을 비교 분석하여 제연설비 성능 및 신뢰도를 확보하기 위한 방안을 제시하고자 한다.

1.1 샌드위치 가압방식 적용기준 비교

1.1.1 국내 기준

｢건축법 시행령｣ 제 51조에 따르면 6층 이상의 건축물로써 문화 및 집회 시설, 판매시설, 종교시설, 의료시설, 운수시설, 교육 연구시설 중 연구소, 소유자 시설 중 아동 관련 시설, 노인복지시설, 수련 시설 중 유스호스텔, 운동 시설, 업무시설, 숙박 시설, 위락시설, 관광 휴게시설 및 장례식장의 거실에는 ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣ 제14조에 따라 배연 설비를 설치하여야 한다.

따라서, 건축물이 방화구획으로 구획된 경우에는 규정에 따라 그 구획마다 1개소 이상을 배연창을 설치하거나 소방관계법령에 따라 기계식 제연설비를 설치하도록 규정하고 있다. 그러나 초고층 건축물의 경우 창문이 없는 커튼월구조 등으로 배연창을 설치할 수 없는 구조 또는 기계식 제연방식인 소방관계법령에 따른 거실 제연설비 적용이 어려운 구조일 때 국내에서 중앙소방기술심의를 통해 샌드위치 가압방식의 제연설비를 적용한 사례가 늘어나고 있다(2).

샌드위치 가압방식의 제연설비는 소방관계법령에 따라 설치된 기계식 배연 설비를 기술기준에 적합하고, 해외에서 주로 적용되고 있는 화재 층 배기(-), 직상 및 직하층을 급기(+)하는 샌드위치 가압방식을 적용하고 있다.

Figure 1은 업무시설의 가압방식을 나타내었다. 업무시설의 샌드위치 가압방식을 적용한 사례로 샌드위치 가압방식의 화재 층 배기, 직상층 및 직하층 급기, 적용 풍량은 사무실로서 화재 하중이 높지 않으면 환기횟수 3∼4회로 적용하고 배기 덕트는 단열재를 이용하여 내열 조치, 급⋅배기 수직 샤프트 등 내화구조로 구획하며, 급⋅배기 팬에는 비상 전원 공급을 적용한다. 또한, 직상⋅직하층 사이에 차압 상태를 측정할 수 있는 차압 측정구를 설치하여 제연 T.A.B 및 유지 관리 시 차압을 확인할 수 있도록 하고 있다.

Figure 1

Application of sandwich pressing system in business facilities.

1.1.2 국외 기준

미국은 national fire protection association (이하 NFPA) 92 “standrad for smoke-control systems utilizing barriers and pressure differences” 에서 차압 및 제연 구획을 이용한 제연설비의 기준을 제시하고 있으며, Figure 2(a)에 나타낸 바와 같이 화재층 배기를 통해 부압(-)을 형성하고, 기타층은 급기를 하여 정압(+)을 형성하는 방식을 사용하고 있다(3).

Figure 2

Arrangements of smoke control zone.

국내 적용은 Figure 2(b)처럼 화재 층은 배기하고 직상, 직하층을 급기하는 방식을 적용하고, Figures 2(c)와 2(d)처럼 3개 층을 배기하며 기타층을 급기 할 수 있다. 또한, Figure 2(e)와 같이 한 개 층을 여러 개의 제연구역으로 구분할 수 있으며, 화재 발생 시 Figures 2(a), 2(c), 2(e)에서 보이는 것 같이 빌딩의 모든 비화재층은 가압할 수 있고, 이때는 대량의 풍량을 필요로 한다.

2. 연구방법

2.1 T.A.B 수행

2.1.1 T.A.B 정의

제연설비에 관련된 모든 장치와 설비를 각종 계측기로 시험을 통해 설비를 조정해서 설계 값을 맞추는 과정이다. 특히 전실 제연설비의 차압과 개방력 유지에 대한 사항을 파악할 수 있다.

2.1.2 T.A.B 수행 장소 선정

업무시설의 샌드위치 가압방식의 제연설비를 통하여 화재층은 배기하고 직상 및 직하층은 급기하는 가압방식으로 장소 선정은 업무시설 용도의 지상 67층 건물의 화재층을 49층, 직상 50층, 직하 48층으로 선정하였다.

Figure 3에는 업무시설의 샌드위치 가압방식의 적용 도면으로 공기조화설비의 급⋅배기 덕트의 구성이 화재 시 화재층 감지기 작동과 연동하여 화재층 배기 및 직상, 직하층은 급기로 전환되는 방식을 나타내었다.

Figure 3

Application of sandwich pressurization system in business facilities.

2.1.3 샌드위치 가압방식 구성

Figure 4는 샌드위치 가압방식 구성도이며 화재가 발생한 층에서는 배기하여 부압(-)을 형성하고 직상 및 직하층에서는 급기하여 정압(+)을 유지, 화재층의 연기 확산을 방지하는 방식을 나타내었다.

Figure 4

Sandwich pressing scheme configuration chart.

샌드위치 가압방식의 차압 측정구는 Figure 5와 같이 설치하였으며, 각 층과 층 사이 측정구를 설치하여 피난 장애가 발생하지 않도록 제연 T.A.B를 통해 최소 차압 25 Pa 이상으로 유지하고(4) 개방력은 최대 110 N 이하로(5) 유지되는지 확인할 수 있도록 하였다.

Figure 5

Installation of differential pressure measuring instruments with sandwich pressurization.

Figure 6은 차압계 및 절대 압력게이지를 나타낸 것이며, 이를 이용하여 화재 층을 중심으로 이미 설치된 차압 측정구에 차압계를 연결하여 급⋅배기팬의 작동 상태에서 차압을 측정하고 화재 층에서는 절대 압력게이지를 설치하여 배기 팬 작동 시 압력의 감소 값을 측정하였다.

Figure 6

Measurement of differential pressure using differential pressure gauge and absolute pressure gauge.

제연 T.A.B를 통해 샌드위치 가압방식의 목적인 화재 층의 연기확산을 최대한 억제하여 피난 안전성을 확보할 수 있도록 성능 확인이 중요하다.

따라서, 화재 층을 중심으로 직상⋅직하층과의 차압 측정값을 기록하고, 각 장비의 풍량을 측정하여 성능을 확인하여야 하며, 이를 층별로 반복하여 전체 층을 확인하였다.

2.2 Hot smoke test 수행

2.2.1 Hot smoke test 정의

열기발생기를 통해 화재상황과 유사한 연기 환경을 조성하여 연기의 거동상태 및 연기의 배출과정을 육안으로 확인하는 과정이다.

Hot smoke test는 T.A.B에 따른 결과의 문제점을 확인하여 제연설비를 보완하는데 도움을 줄 수 있다.

2.2.2 Hot smoke test 수행 방법

실험장소 제연설비 도면 검토를 통해 설계 목적에 부합하는지와 필요한 급⋅배기 풍량 등의 적정성 확인이 선행되어야 한다.

실제 hot smoke test 실험 장소의 소방시설 연동 확인 및 점검을 시행하여 시공이 완료된 상태에서 실험 장비 설치와 연료 주입 후 실험을 시행하고 실시간 연기 유동 상태 및 연기배출 상태를 시뮬레이션과 비교 검토할 수 있도록 실시간 CCTV를 이용한 영상을 확보한다.

실험 완료 후 시뮬레이션 결과와 hot smoke test 실험을 비교 평가하여 적정성을 확인하고 부적합하면 문제점을 기록 보완 후 재실험하고 적합할 때 결과 보고서 작성으로 실험을 완료하게 된다.

Figure 7에서 hot smoke test의 절차를 나타내었다.

Figure 7

Hot smoke test flow chart.

2.3 화재 및 피난 시뮬레이션 수행

2.3.1 화재시뮬레이션 수행 방법

화재 시뮬레이션으로 hot smoke test를 통해 확인된 연기 흐름과 유사한지 확인하고자 Table 1과 같이 업무시설에 대한 시나리오를 작성하였다. two panel fire (1,700 KW)의 가연물을 가정하고 연소 생성물은 폴리우리텐 계열인 GM29를 선정하였다. 화재시뮬레이션은 NIST의 fire dynamics simulator (FDS)툴 사용하였다.

Table 1

Fire Simulation Scenario

Content	Detail
A Fire Garden	Maximum Heat Dissipation Rate: 1,700 kW (Two Panel Workstation Fire)
Garden Grounds	Performance-oriented Fire Design_Book Publication Hammurabi Chapter 6 Performance-oriented Fire Design Performance Data, P123, 6.2.9 TWO PANEL WORKSTATION FIRE
Fire Growth Rate	Real Fire (Medium α = 0.019)
Fire Burning Characteristics	Polyurethane (GM29) (SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Fifth Edition, Table A. 38-39)
CO Yield	0.031 g/g
Soot Yield	0.130 g/g
Initial Temperature	20 °C
Internal Airflow Speed	0
Simulation Time	600 s
Grid Size	0.2 m × 0.2 m × 0.2 m
Interpretation Space	X: 64 m Y: 48.6 m Z: 3.0 m
Total Number of Grids	1,166,400 pieces (320 × 243 × 15)

2.3.2 피난시뮬레이션 수행 방법

피난 안전성 분석을 하고자 화재 시뮬레이션 결과에서 감지기 작동 시간을 통해 피난 시뮬레이션을 수행하였다. 피난 시뮬레이션은 thunderhead eng.의 패스파인더(pathfinder)로 수행하였다.

수용인원은 ｢초고층 및 지하연계 복합건축물 재난관리에 관한 특별법 시행령｣의 별표 1 및 ｢international building code (IBC, 2015)｣ 및 ｢소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준｣에 따라 업무실설의 수용인원은 계수 0.25 명/m²를 적용해 403명으로 산정되었다(6).

피난 개시시간은 화재 시뮬레이션의 측정시간에 따라 화재실은 화재 발생 후 65 s, 비화재실은 지연시간 180 s를 포함해 245 s로 설정하였다. Figure 8은 피난 출구 측정지점을 나타내었다.

Figure 8

Evacuation exit measuring point (Point).

3. 연구결과

3.1 수행 결과에 대한 분석

업무시설 샌드위치 가압방식의 제연설비를 통해 Table 2와 같이 T.A.B, hot smoke test, 화재 시뮬레이션에 대한 결과를 도출하였다. T.A.B에서는 연기 확산 방지에 실패하였으며, hot smoke test에서는 공기조화설비에 따라 연기 흐름이 제어되는 양상을 확인하였다. 마지막으로 화재시뮬레이션 결과에서 hot smoke test의 연기 흐름과 유사하다는 것을 확인할 수 있었다. 최종적으로 패스파인더를 통해 피난안전성 분석을 수행하였다.

Table 2

The Result of Experiment

Category	T.A.B	Hot Smoke Test	FDS + Pathfinder
Result	Success	Failed (Smoke Spread)	Success (Similar With H..S.T about Smoke Flow)

3.1.1 T.A.B 수행 결과 분석

Figure 9에 나타낸 바와 같이 화재층 배기 직상⋅직하층은 급기를 하는데 최소 차압 25 Pa 이상으로 유지하고, 개방력은 최대 110 N 이하로 유지되었다. 하지만 화재층에 배기, 직상⋅직하층에 급기인 화재 모드로 전환되었을 때 혼합댐퍼가 완전히 닫히지 않고 약 20% 열림 상태로 연기확산 방지에 실패하였다.

Figure 9

Detailed view of the air conditioner mixture damper caused by the experiment failure.

3.1.2 Hot smoke test 수행 결과 분석

Hot smoke test를 수행함에 있어서 공기조화설비가 작동함에 따라 연기가 유동되는 것을 확인하여였으나. 연기확산 방지에 실패하였다. Figure 10(a)는 직하층에 연기가 확산된 모습이며 Figure 10(b)는 연기가 확산되지 않은 모습이다.

Figure 10

Check the inflow of smoke directly from the fire layer and directly under the fire layer.

3.1.3 화재시뮬레이션 수행 결과 분석

Figure 11은 화재 시뮬레이션 결과로 hot smoke test와 동 시간대를 비교⋅검토한 내용이다. 대부분 비슷한 연기 유동을 보여주나 10 min 이후 FDS에서 직상⋅직하층은 연기가 확산되지 않았으나, hot smoke test의 실험 결과에서는 직상⋅직하층에 연기가 확산되는 현상을 확인하였다.

Figure 11

Similarity of smoke flow between fire simulation and hot smoke test.

Figure 11(a)는 실험 1 min 경과 후 화재 실에서 가상의 fire plume과 ceiling jet가 형성되어 시뮬레이션과 비슷한 양상을 보였다.

Figure 11(b)는 실험 3 min 경과 후 사진이며, ceiling jet가 두껍게 형성되면서 연기가 서서히 확산하고 있음을 알 수 있다. Figure 11(c)는 실험 5 min 경과한 시점이며 Figure 10(d)는 실험 6 min 경과한 시점이다. Figure 10(e)와 같이 실험 10 min 경과 후 화재층은 연기가 거실 전체로 퍼져 피난이 불가능한 상태로 확인되었다.

3.1.4 피난시뮬레이션 수행 결과 분석

피난 시뮬레이션에 대한 결과로 Figure 12와 같이 피난은 238.8 s에 완료되어 각 지점(point)에 피난안전성은 확보되었다.

Figure 12

Analysis of results of evacuation and fire simulation by time zone.

Table 3은 화재 및 피난시뮬레이션에 따른 피난안전성 분석 결과이다. ASET에서 제일 영향을 미치는 요소는 가시도로 화원과 가까운 POINT 2부터 3, 4, 1 순으로 한계기준에 도달하였다.

Table 3

Assessment of Evacuation Safety

POINT	ASET (s)	RSET (s)	Safety Assessment
1	600	238.8	○
2	299	142	○
3	309	219	○
4	337	222	○

4. 결 론

초고층 건축물의 업무시설 등에 적용하는 샌드위치 가압방식은 화재층에서 배기가 되고, 직상, 직하층에서 급기 가압하는 방식이다. 제연설비가 설계 목적에 적합하게 시공되었는지 성능을 확인하고자 본 연구를 수행하였다.

제연 T.A.B에서 각 층과의 차압을 확인하고, hot smoke test를 통해 연기 흐름을 파악하였다.

FDS 결과에서는 연기 유동을 확인하여 hot smoke test와 연기 유동 유사성을 비교하고 피난시뮬레이션으로 업무시설 피난안전성 확보 여부 등을 확인하였다.

T.A.B에서는 최소 차압과 개방력을 확인하여 시험 기준을 충족할 수 있었지만, hot smoke test를 통해 연기 유입이 되는 것을 확인할 수 있었다. 화재 시 기계실에 설치된 공기조화가 화재 모드로 전환되어 제어하는데 댐퍼가 완전히 폐쇄되지 않고 약 20% 열림 상태를 통해 연기 확산 방지에 실패한 것으로 판단되었다.

화재 및 피난 시뮬레이션을 통해 피난안전성 평가를 수행하면서 피난은 안전한 것으로 판단되었으나, 화재 시뮬레이션 연기 유동을 봤을 때 hot smoke test와 10 min 이후 연기 확산 방식이 달라지는 것을 확인하였다. 이는 가압방식을 위한 공기조화설비의 영향으로 판단되었다.

샌드위치 가압방식은 국내에서 검증할 수 있는 방법과 기준이 명확하지 않으며, 최종적으로 피난과 소방대 진입을 고려하였을 때 샌드위치 가압방식에 대한 성능 검증이 필요할 것으로 판단되었다. T.A.B로 샌드위치 가압방식을 검증하는데 한계점을 파악하였으며, hot smoke test를 도입하여 연기 유동을 확인하고 화재시뮬레이션과 비교분석, 피난안전성을 고려해야 할 것으로 보여지며 이후 본 연구를 통해 샌드위치 가압방식의 기준을 마련하는데 기여할 것으로 기대된다.