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Fire Sci. Eng. > Volume 38(2); 2024 > Article
콘칼로리미터 실험데이터 기반 BIPV 적용 도서관의 화재 및 피난 시뮬레이션 연구

요 약

태양광 전지의 기능을 갖출 뿐만 아니라 건축물 외장재의 역할도 하는 건물일체형 태양광(building integrated photovoltaic, BIPV) 시스템에 사용되는 구성요소들 중 일부는 가연성 재질로 되어 있어 화재 위험성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 PyroSim프로그램을 이용한 화재 시뮬레이션을 통해 BIPV 설치 전⋅후의 화재 위험성을 비교하였다. 시뮬레이션에 앞서, BIPV 시스템 패널의 콘칼로리미터 실험을 통해 BIPV 연소특성 데이터베이스를 구축하고, 이 실험값을 이용하여 화재 시뮬레이션을 구동시켜 결과를 분석하였다. 화재위험성 평가를 진행한 결과 BIPV 설치하였을 때 수직확산으로 인한 화재전파가 빠르며 열 및 연기방출량이 증가하여, BIPV 설치 전 대비 건물중앙부의 기준으로 화재발생 후 805 s에 가시거리가 54.94% 감소하는 등 화재 위험성이 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 BIPV 설치 건물 내 사람들의 피난 및 수동조치의 신뢰성을 확보하고 화재 안전성 증진하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

ABSTRACT

A building integrated photovoltaic (BIPV) system can function as a solar cell and as a building exterior material. As some of its components are made of combustible materials, it is necessary to evaluate the risk of fire. In this study, the risk of fire before and after BIPV installation was compared through fire simulation using the PyroSim program. Prior to the simulation, a BIPV combustion characteristic database was established via a cone calorimeter experiment with a BIPV system panel, and the results were analyzed through a fire simulation using these experimental values as input values. The fire risk evaluation confirmed that when BIPV was installed, the fire propagation due to vertical diffusion was fast. Additionally, the amount of heat and smoke emitted increased, resulting in an increase in the risk of fire by 54.94% based on the center of the building at 805 s. Therefore, it is expected that the results of this study will contribute to securing the reliability of evacuation and manual measures for people in BIPV-installed buildings as well as improve fire safety.

1. 서 론

자원고갈과 환경오염 등이 사회문제로 대두되면서 신재생에너지를 사용하기 위한 노력이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 ‘신재생 3020 이행계획’등의 사회 정책들로 인해 태양광발전분야가 확대될 전망이다(1). 재생에너지 3020 이행계획의 목적은 ‘30년까지 국내 총 발전량에서 신재생에너지의 비중이 20%를 달성’을 의미하며 이를 위해 48.7 GW의 신재생에너지 신규 설비를 계획하였다. 그중 태양광이 차지하는 용량은 30.8 GW로 총 63%의 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 이행방안 중 하나인 에너지를 자급자족하여 실제 에너지소비량이 0에 근접하는 건축물을 의미하는 제로에너지건축물(zero energy building)(2)의 범위를 30년부터 500 m2 공공건물과 1,000 m2 이상의 민간건물 및 30세대 이상의 공동주택인 모든 건축물을 대상으로 규정하겠다는 계획을 발표하였다.
이에 따라 건물일체형 태양광 발전 시스템(building integrated photovoltaic, BIPV)은 zero energy building (ZEB) 인증제도 및 신재생에너지 설치 의무화 시장에도 핵심 요소로 부상했으며 그에 따른 BIPV의 연구개발과 보급 및 수요가 지속적으로 확대되고 있다(3,4).
BIPV 시스템은 건축물의 창호나 벽면, 발코니 및 지붕재 등 건축물의 외피를 구성하는 자재를 대체하여 태양광 모듈로 전력생산을 하는 시스템이며 전력 수요처와 생산지가 같아 송배전 손실이 없으며, 건설비용도 절감할 수 있는 친환경적 분산전원시스템이다. 하지만 기존 건물의 외벽자재를 불연성 자재로 구성하는 것과 달리 BIPV 시스템에 사용되는 태양광 패널의 구성요소에는 가연성 소재를 포함하고 있어, 건물 확산 화재의 위험성이 있으므로 화재 실험 기반의 시뮬레이션을 통한 BIPV 화재 안전성 검증 연구가 실시되어야 한다.
BIPV 기반 태양광 모듈 외장재에 대한 화재안전성연구(5,6), FDS를 이용한 외장재의 수직 확산 화재의 모델링에 관한 연구(7) 및 광전지 화재 특성에 대한 열유속의 영향에 대한 연구는 실시되었지만(8) 이러한 기존 연구들은 BIPV 태양광 모듈을 설치전⋅후 건물의 화재 위험도 차이를 직접적으로 비교하지 못하며 실제 BIPV 모듈이 연소시 열방출률, 연기 발생률, 산소 소모량, 착화시간 등을 FDS에 반영하지 않았다는 명확한 한계점이 존재하였다.
본 연구는 이전 연구들의 한계점을 보완하기 위해 cone- calorimeter 화재 실험결과를 바탕으로 건물형 태양광 모듈의 화재 및 연소특성을 DB화하고, 실험데이터를 기반으로 한 화재 시뮬레이션(fire dynamics simulation + PyroSim) 및 피난 시뮬레이션(pathfinder)을 수행함으로써 실제의 상황에 가까운 시뮬레이션 결과를 얻고자 하였다. 또한 피난 시뮬레이션을 실시해 피난요구시간(RSET)과 허용가능피난시간(ASET)의 수치를 정량적으로 비교분석하고, 화재 위험성 평가하여 BIPV 적용 건축물에 관한 기술기준 지표를 수립하는데 기초자료로써 사용되고자 한다. 궁극적으로 BIPV 설치 건물 내 다중 이용시설을 이용하는 사람들의 피난 및 수동조치의 신뢰성 및 안전성을 확보하고 화재 안전성 증진에 기여하고자 한다.

2. 본 론

2.1 BIPV 태양광 모듈 연소

2.1.1 태양광 모듈의 구성요소

본 연구의 실험편으로 선정된 태양광모듈은 현재 건축물에 가장 많이 사용되는 BIPV 모듈로서 Figure 1과 같이 알루미늄 소재의 프레임(aluminum frame), 강화유리(tempered glass), 에바 필름(ethylene-vinyl acetate sheet, EVA), 태양광 전지(solar cell), 에바 필름(ethylene-vinyl acetate sheet, EVA), 백시트(back sheet)로 구성되어 있으며 장 첫 번째 층에 위치한 강화유리는 태양광, 빛에 대한 투명성, 모듈의 구조적 보호와 지지, 습기와 산소, 먼지 등의 침입에 대한 장벽의 역할을 한다. 두 번째로 EVA sheet는 밀봉재/봉지재(encapsulantion) 역할을 함으로써 빗물이나 습기가 태양광 셀 표면에 침투하지 못하도록 하며 적층 구조 간의 접착을 돕는 역할을 한다. solar cell은 회로를 연결시켜 태양전지판 형태로 만들어 태양광 모듈을 완성시키고 이를 통해 태양에너지를 발전시킨다. 하지만 모듈의 태양광 셀은 아주 얇고 강도가 약하여 파손되기 쉽기 때문에 적층구조로 보호되고 있다. 마지막 back sheet는 모듈의 가장 아랫부분에 위치하여 모듈의 후면을 보호하고, 후면 환경으로부터 습기 침입 방지한다. 또한 모듈 전체의 전기적 절연을 보장하고 solar cells의 파손을 예방하기 위한 구조적 지지 기능을 제공한다. PV모듈 구성별 물성치는 Table 1에 제시하였다(4). 이 중 에틸렌 비닐 아세테이트를 원료로 하는 EVA sheet와 불소수지의 일종인 polyvinylidene fluoride을 원료로 하는 back sheet가 가연성 소재로서 화재의 위험성이 있으며 다른 가연성 외벽들과는 다르게 BIPV 시스템은 건물 외벽에 추가적으로 PV 및 PV프레임이 설치된다. 이 때 태양광 패널 안쪽은 전기적 부품들인 커넥터, 정션박스, 케이블 등 가연성 재료들이 PV 단위 모듈을 연결한다. 이때 불가피하게 생기는 air gap이 발생하게 되는데, 이는 산소를 공급하는 원인이 되어 화재의 성장을 촉진시키는 역할을 하게 되어 더 큰 화재를 발생시키는 원인이 된다(9).
Figure 1
Structure of BIPV.
kifse-38-2-24-g001.jpg
Table 1
Properties of a BIPV Module
BIPV Module Properties
Sortation Glass EVA Sheet Solar Cell Back Sheet
Density (kg/m3) 2,520 35 2,300 1,970
Specific Heat (J/kgㆍK) 720 1,400 700 1,120
Conductivity (W/mㆍK) 1.1 0.34 150 0.12
Mass Fraction (= 1) 0.789 0.119 0.047 0.045

2.1.2 콘 칼로리미터 실험

본 연구에는 BIPV 태양광 모듈의 착화부터 소화까지의 열방출 특성을 통해 연소특성을 확인하기 위해 KS F ISO 5660-1 규격(10)을 적용하여 콘 칼로미터실험을 수행하였다. 본 실험은 연소시 방출되는 열량은 연소에 필요한 산소의 양과 비례하다는 산소소모원리(oxygen consumption principle) 기반하여 산소 소비량과 반응 중인 연소 생성물의 산소농도를 실시간으로 측정하여 열방출율(heat realse rate, HRR), 총 방출열량(total heat release, THR), 연기발생률(smoke production rate, SPR), 착화 시간(time to ignition, TTI), 질량감소율(mass loss rate, MLR), 산소 소모량, 일산화 및 이산화탄소의 생성량, 등을 결정하는 화재실험 장비로서 콘 히터(cone heater)의 아래 실험편방향을 점화 장치 위에 배치한 뒤 설정된 열 유속에 노출시킨 후 스파크형 점화기(spark igniter)를 작동시켜 실험편을 가열하여 표면에 불꽃을 착화시키는 방식으로 수행된다.
본 연구는 실험 규격에 적합한 크기인 100 mm × 100 mm이며 시편의 두께는 실제로 사용되는 패널의 두께를 고려하여 6 ± 0.5 mm로 실험편을 제작하였으며 실험 전처리는 ISO 554 기준에 따라 온도 23 ± 2 ℃, 상대 습도(50 ± 5)%의 함량이 될 때까지 처리하였다.
실험체의 위치는 바닥면과 실험체의 거리는 25 mm로 설정하였고 실험체 손상을 방지하기 위해 0.03~0.05 mm의 알루미늄 호일의 거친 면이 시편의 반대방향으로 향하도록 한 뒤 실험편의 비 노출면을 감쌌다. 해당실험의 유속은 50 ± 1 kW/m2, 배출유량은 0.024 ± 0.002 m3/s의 조건으로 모든 실험편에 대해서 30 min 동안 실험을 진행하였으며 실험에 대한 신뢰도와 반복성을 얻기 위해 3회 반복 실험을 수행하였다.
본 연구는 해당 실험을 통해 BIPV 태양광 모듈의 착화부터 소화까지의 열방출율, 총방출열량, 연기방출율, 착화시간, 질량감소율 등 화재 및 연소특성을 파악하였으며 3회 실험에 대한 결과를 취합하여 평균을 구해 경향성을 분석하였다. Table 2에 본 연구실험의 실험 결과 분석 인자와 Figure 2에 콘 칼로리미터 실험의 개략도를 도시하였다.
Table 2
Analysis Factors of A Cone Calorimeter Experiment
Sortation Analysis Factors and Abbreviation
Initial Combustion Characteristics Peak to HRR PHRR kW/m2
Time to Reach Maximum HRR tPHRR s
Time to Ignition TTI s
Overall Combustion Characteristics Total Heat Release THR MJ/m2
Mass Loss Rate MLR g/s
Gases Combustion Characteristic Smoke Production Rate SPR m2/s
Figure 2
A schematic diagram of cone calorimeter test rig.
kifse-38-2-24-g002.jpg

2.2 화재 시뮬레이션

2.2.1 파이로심

본 연구에서 BIPV 태양광 모듈의 화재 특성을 고려한 화재 위험성을 평가하기 위해 사용한 화재 시뮬레이션 프로그램은 미국 Thunderhead engineering사에서 개발한 Pyrosim 프로그램을 이용하였다. Pyrosim 프로그램은 미국 표준기술연구소(national institute of standards and technology)에서 개발한 FDS를 기반으로 한 실물화재 시뮬레이션 프로그램이다. 구획실에 대한 모델링 연소생성가스 및 방출농도, 화재 양상, 구획실 온도, 연기의 흐름 등의 화재 특성을 확인할 수 있다.

2.2.2 화재 시나리오 및 모델링 조건

BIPV 시스템의 잠재적인 화재 원인은 핫스팟, 아크 및 설치 오류로 인한 점화와 화재 확산으로 인한 점화로 분류할 수 있다(11). 본 연구에서는 다중이용시설으로서 가연물이 많으며 이용자가 많은 국내 도서관을 대상지로 설정하여 BIPV 설치 전⋅후 화재를 비교하고자 하였다. 도서관 1층의 보존 서가실 내 서가로 부터의 화재 확산으로 인한 BIPV 태양광 패널 화재를 기본 시나리오로 설정하였으며, 「신재생에너지 설비의 지원」 등에 관한 지침에(12) 의하여 BIPV 모듈 설치 방향을 정남향 기준으로 동쪽 또는 서쪽으로 90° 이내에 설치하여 건물 모델링을 실시하였다. 화재 시뮬레이션을 구동하기 위한 기본적인 건물 모델링은 Figure 3과 같다.
Figure 3
BIPV location and modeling.
kifse-38-2-24-g003.jpg
BIPV 태양광 패널의 연소 시 연소생성물의 방출특성을 확인하기 위하여, 가스 감지장치(gas detector device)를 설치하였다. 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준의 인명안전기준(13)에 기반하여 시뮬레이션 내 온도, 가시거리와 CO, CO2, O2의 농도를 측정하였으며 설치 높이는 호흡한계선에 따라 1.8 m 높이에 설치하였으며 인명안전기준은 Table 3에 도시하였다. 감지기 설치 위치는 화재 발생실 출입문, 탈출구 정면 1 m, 탈출구 정면 23 m를 중심지로 설정하였으며 층마다 설치, 총 12개의 감지기를 설치하였다. 감지기 위치를 Figure 3에 개시하였다. 또한, 화원 및 화재 설정은 BIPV 설치 방향을 고려하여 화재 발생시 BIPV 모듈로의 화재 확산 가능성이 높은 위치에 선정하여 연구를 진행하였다. 위치는 목재 책장 9개가 있는 보존서가실로 선정하였으며 Figure 3에 함께 도시하였다. 화재 유형은 전기화재로 인한 주변 서가에서의 BIPV 외장재 확산화재되며 외부의 수직화재와는 별도로 건물 내부를 통해 인접한 층으로 확대되도록 하였다(14,15). 화원은 EN 1991-1-2, eurocode 1의 지침에 따라 세부 설정조건을 active reaction은 wood oak, 열방출률은 500 kW/m2, fire growth rate는 fast, 150 s로 설정하였으며 지침서의 자세한 내용을 Table 4에 게시하였다(16).
Table 3
Life Safety Standards
Sortation Performance Standards Note
Respiratory Limit 1.8 m From the Floor
The Effect of Heat Under 60 °C
The Influence of Visibility Purpose Permissible Visibility Distance Limit 7 m of Sales Facilities for Assembly Facilities May be Applied when Installing Guide Lamps, Floor Guide Lamps, and Axial Light Guide Signs
Other Facilities 5 m
Assembly Facilities Sales Facilities 10 m
The Effects of Toxicity Ingredient Toxic Reference Value For Other Toxic Gases, the Standard Values Based on the Experimental Results are Applicable
CO 1,400 ppm
O2 15% or More
CO2 5% or Less
Table 4
Euro Code: EN 1991-1-2:2002 (E)
Occupancy Fire Growth Rate ta s RHRf kW/m2
Hospital (Room) Medium 300 250
Library Fast 150 500
Office Medium 300 250
Transport (Public Space) Slow 600 250

2.2.3 콘 칼로리미터 실험 결과를 통한 외벽 설정

본 연구에서는 BIPV가 설치가 된 도서관의 화재 위험성을 비교분석하고자, 보존서가 내 화원에서 화재가 발생하고 인근 가연물질을 넘어 BIPV 태양광 패널까지 화재가 확산되는 시나리오를 구축하였다. 이때 화재 모델링을 위한 BIPV 태양광 패널의 연소 및 열적 특성은 다음 Table 5와 같이 설정하였으며, 이는 앞서 파이로심 내 태양광 패널을 만들기 위해 Table 1의 PV모듈 구성별 물성치를 설정값을 material에 적용하여 물질을 생성하였으며 태양광 모듈이 적층구조인 것을 착안하여 mass fraction 값을 thickness 값에 넣어 하나하나 쌓는 방식으로 구현하였다. 또한, 진행한 콘 칼로리미터 3번의 실험결과 평균의 데이터 중 HRRPUA 값을 수동으로 맞춤화한 그래프 값의 peak to HRR (PHRR)을 fraction 값을 1.0으로 설정하여 모든 데이터를 fraction으로 환산하여 시뮬레이션 내 입력하였다. 이 과정을 통해 363.6 kW/m2 이라는 HRRPUA의 값을 도출하였으며 화재 진행도를 쉽게 이해하기 위해 BIPV 패널이 타서 사라지는 burn away 기능을 추가하였다.
Table 5
Combustion and Thermal Property Conditions for the Fire Dynamics Simulation
Sortation Advanced Settings
Running Time 3600 s
Fire Scenario An Interior Fire (A Bookshelf)
Size 1 m2
HRRPUA 134.23 kW/m2
Ramp-up Time Fire Growth Rate: Fast ta: 150 s, RHRf: 500 kW/m2
BIPV Modules Size 1 m2
Thickness 0.01 m
HRRPUA 363.6 kW/m2
연소생성물 설정값은 Table 6과 같이 설정하였다. 화원인 책장의 경우 파이로심 내 가이드북인 SFPE handbook, 3rd의 wood_oak의 값을 가져왔으며 PV 패널의 경우 콘 칼로리미터 실험결과값 중 1회 2회 3회의 CO yield의 평균을 구하여 설정값에 입력하였다. 이때 CO yield는 식(1)에서와 같이 0에서 300 s까지의 평균 CO의 질량유량과 가연물의 질량 감소율의 비로 산출하였다. 평균구간에 경우 Figures 4, 5의 결과값이 300 s 이후 거의 없어 무의미하다고 판단, Figure 6에 경우 300 s 이후 각 결과값의 편차가 크다고 판단하여 0에서 300 s까지 평균구간으로 설정하였다. CO 질량유량과 가연물의 질량 감소율은 시간구간 동안의 질량변화를 통해 각각 식(2)와 식(3)과 같이 산출하였다. Soot과 HCN의 경우 콘 칼로리미터 실험결과에 나오지않아 SFPE handbook, 3rd의 wood_oak의 값을 차용하였다. 이에 따라 BIPV 태양광 패널의 전체적인 화재 경향성을 화재 시뮬레이션 내 재현하여 사실적이며 정확한 화재 위험성 평가를 구현하였다.
Table 6
Combustion Product Setting Value
Sortation YCO YSOOT YHCN
Bookcase 0.004 0.015 0.0
PV Panel 0.1216 0.015 0.0
Figure 4
Time series heat release rate of a BIPV module measured by a cone calorimeter.
kifse-38-2-24-g004.jpg
Figure 5
Smoke production rate of a BIPV module measured by a cone calorimeter.
kifse-38-2-24-g005.jpg
Figure 6
Mass loss rate of a BIPV module measured by a cone calorimeter.
kifse-38-2-24-g006.jpg
(1)
yCO=mCO¯/mMLR¯
(2)
mCO¯=ΔmCO/(t2t1)
(3)
mMLR¯=ΔmMLR/(t2t1)

2.3 피난 시뮬레이션

2.3.1 패스파인더

본 연구는 파이로심에서 측정 된 온도, 가시거리, CO, CO2, O2를 고려해서 예측된 피난요구시간(RSET)과 허용피난가능시간(ASET)을 비교분석하기 위해 사용된 프로그램은 미국 Thunderhead engineering사에서 개발한 Pathfinder프로그램을 이용하였다. Pathfinder은 다양한 건축물 내의 다수의 인원들이 존재하는 곳에서 재해발생시를 가정한 다양한 변수를 입력하여 시뮬레이션을 실시하고 피난시간을 제시하는 프로그램으로 Pyrosim과 세미커플링이 가능한 프로그램이다.

2.3.2 피난 시뮬레이션 설정값(Pathfinder)

피난 시뮬레이션의 모델링은 앞서 화재 시뮬레이션의 모델링을 그대로 적용하여 구동하였다. 피난 시뮬레이션을 구동하기 전 피난 시뮬레이션의 세부 설정을 한다. 선정한 모델링인 도서관에 경우 학교 내의 위치하고 있다. 즉 도서관의 주 이용대상 및 재실자는 20대의 성인 학생들이 대부분이며 재실자의 신체지수를 기반으로 피난 시뮬레이션을 구동하기 위해 산업통상자원부, 2019년 한국인 20대 남녀 신체 치수를 기반으로 적용하였며(17) Table 7에 도시한 것처럼 남자의 경우 키는 173.84 cm, 어깨 넓이는 40.2 cm, 걷는 속도는 1.2 km/h로 하였으며, 여자의 경우 키는 161.46 cm, 어깨 넓이는 35.7 cm, 걷는 속도는 1.1 km/h로 설정값을 입력하였다.
Table 7
Standard Body Size of Korean
Characteristic Men Women
Average Height (cm) 173.84 161.46
Average Shoulder Width (cm) 40.2 35.7
Walking Speed (km/h) 1.2 1.1
재실자의 배치기준 및 수용인원 산정 기준은 소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준에 따라 1인당 면적(m2) 기준으로, 면적 당 재실하는 것으로 산정하였다(18). 본 연구에서는 교육목적에 포함된 도서관으로 선정하였기 때문에 Table 8에 따라 단위 면적(m2) 당 4.6명으로 계산하여 피난 시뮬레이션 설정값에 적용하여 연구를 진행하였다.
Table 8
Criteria for the Calculation of Population Capacity
Purpose of Use m2/men Purpose of Use m2/men
Purpose of Gathering Purpose of Business
A High-density Area (No Fixed Seat) 0.65 Evacuation Floor Sales Area 2.8
2nd Floor or Higher Sales Area 3.7
A Low-density Area (No Fixed Seat) 1.4
Underground Sales Area 2.8
Purpose of Medical Care
Kitchen 9.3
An Inpatient Treatment Area 22.3
Bookshelf Area 9.3
A Sleeping Area (In-house Dorm) 11.1
Purpose of Education Warehouse Excluding Business More than Capacity
Classroom 1.9
Library, Workroom 4.6
또한 피난시간 지연 기준을 설정하였다(13). 초기지연시간이란 Pathfinder에서 설정할 수 있는 요소이며, 피난 사니라오 시작으로부터 일정한 시간이 지나면 움직일 수 있도록 시간을 설정한 것이다. 피난시간 지연 기준은 거주자들의 수면상태 가능성, 내부 정보 및 탈출로의 지식수준, 거동 상태 등에 따라 분류되며 경고방송이나 직원들의 특성에 따라 Table 9와 같이 분류한다.
Table 9
Criteria of Evacuation Time Delay
Purpose W1 W2 W3
Offices, Commercial and Industrial Buildings, Schools, Universities < 1 3 > 4
Shops, Museums, Leisure Sports Centers, and Other Cultural Gathering Facilities < 2 3 > 6
A Dormitory, Middle/High-rise House < 2 4 > 5
Hotel, Boarding House < 2 4 > 6
Hospitals, Nursing Homes, Other Public Accommodation < 3 5 > 8

- W1: Where fostering guidelines can be provided through broadcasting of a control room equipped with CCTV facilities, such as a disaster prevention center, or where nurturing guidelines that can be recognized by all residents of the relevant space can be provided by trained staff - W2: Can provide a recorded voice message or a warning broadcast with trained personnel - W3: When non-training staff are used with alarm equipment using fire alarm signals

본 연구에서는 문화집회시설에 속한 도서관을 연구 대상으로 선정하였으나 학교 안에 있는 도서관이라는 특성과 교원만 이용할 수 있는 도서관이기 때문에 거주자는 건물의 내부, 경보, 탈출로에 익숙하고 상시 깨어 있다고 판단하여 대학교 용도, W1이라고 가정하였으며 도서관 내에는 방재센터 등 CCTV 설비가 갖춰진 통제실의 방송을 통해 육성 지침을 제공할 수 있기 때문에 W1으로 설정하여 초기 초기지연시간은 60 s로 선정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 콘칼로리미터 실험 결과

태양광 모듈의 연소 분석을 위해 콘 칼로리미터 실험을 3회 반복 수행한 후 평균값을 산출하였다. 실험결과는 크게 0 s부터 300 s까지인 초기/실험 전체구간인 0 s부터 1800 s까지인 전체/연기 및 유해가스, 3가지로 나뉘어 열 방출률(HRR), 연기 생성률(SPR), 초기 열방출률 피크값(PHRR), 초기 열방출률 피크값에 도달하는 시간(TPHRR), 질량감소 등 BIPV 모듈의 실험 기반 화재 및 연소특성 결과값을 Table 10에 도시하였다.
Table 10
Combustion Characteristic Results Obtained from a Cone Calorimeter Experiment
Sortation Combustion Characteristic
Initial
Combustion
Characteristics
Peak to HRR PHRR 363.6 kW/m2
Time to Reach Maximum HRR tPHRR 126.667 s
Time to Ignition TTI 76 s
Overall
Combustion
Characteristics
HRR per Total Unit Area THR 39.733 MJ/m2
Mass Loss Rate MLR 3.663 g/s
Smoke Production Rate SPR 0.0743 m2/s
콘 칼로리미터 실험 결과를 파이로심 설정에 넣기 위해 필요한 값인 단위면적당 열방출인 heat release rate per unit area의 값의 그래프는 3번에 반복실험 결과와 반복실험의 평균을 정리하여 Figure 4에 도시하였으며 SPR과 MLR의 그래프를 Figures 5, 6에 게시하였다. HRR그래프를 보면 BIPV 모듈 실험 결과 PHRR이 일어난 200 s 부근부터 HRR이 감소하다 400 s 부근에 급격한 증가가 관찰되며 SPR과 MLR의 그래프 또한 유사한 선도인 것을 확인하였다. 이는 BIPV의 glass가 파열되면서 내부의 EVA sheet와 back sheet가 순간적으로 열분해 및 연소되어 나타난 결과이다(18,19). 이러한 실험결과 값을 화재 시뮬레이션 내 반영하여 사실적인 화재 시뮬레이션 결과를 도출하였다.

3.2 시뮬레이션 결과

3.2.1 피난 시뮬레이션 결과

화재 시뮬레이션과 동일한 건물 모델링과 Tables 5~7의 설정값을 활용하여 피난 시뮬레이션을 수행하였고, 시뮬레이션 시간(simulation time, ts)별 결과는 Figure 7과 같다. 4층 건물의 도서관로서 1층면적은 약 1993 m2, 나머지 층의 면적은 약 1944 m2으로 총 면적은 7825 m2 총 1701명(남자: 1021명, 여자: 680명)의 사람이 학습 중 60 s의 초기지연시간 후 피난을 시작하였을 때, 최종적으로 모든 인원이 다 1층을 통해 건축물 바깥쪽으로 나갈 때 최종피난이 완료된 것으로 계산하였다. 그 결과 모든 인원이 피난하는데 소요된 시간은 RSET = 428 s로 산출되었다. 재실자가 많이 존재하는 도서관의 구조적 특성상 좁은 계단 유효 폭과 좁은 출구로 인하여 계단 및 출입구에서 병목현상이 심한 것이 확인되었다. 따라서 시뮬레이션 결과 피난 계단의 유효 폭 증가와 설치와 출입구의 크기 개선이 대피 시간 감소에 가장 효과적인 것을 알 수 있다. 따라서 최적의 피난 계획을 위해 출입구의 크기나 계단의 유효 폭을 1,200 mm로 법적 기준의 최소기준을 맞추기 위해 하는 것이 아니라 피난 시뮬레이션을 통한 정량적인 분석을 통해 계단의 유호 폭 또는 출입구의 크기를 선정해야 된다. 추가적으로 본 피난 시뮬레이션 결과는 화재 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 피난요구시간이 허용가능피난시간보다 대소 여부를 확인코자 한다.
Figure 7
Evacuation simulation results.
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3.2.2 BIPV 설치 전 화재 시뮬레이션 결과

BIPV 설치 전 화재 시나리오는 보존 서가 내 화원에서 화재가 발생하여 주변에 있는 책, 서가 등 가연물질로 화재가 확산되는 상황을 재현하였다. 이때, 화원에 대한 설정은 Table 5에서 BIPV 모듈특성을 제외하고 설정하였으며, Figure 3에 화원의 위치 및 전체적인 시뮬레이션 모델링을 도시하였다. 화재 시뮬레이션 결과 영상을 3차원으로 제공함과 동시에 가시적으로도 화재와 연기발생 특성을 확인할 수 있다. 또한 도서관 내 감지기를 설치함으로써 특정 요인에 대한 결과 또한 확인이 가능하다. Figure 8은 화재 시나리오 1에 대한 시간에 따른 화재 시뮬레이션 구동 결과이며, 연기의 유동 변화 및 화재의 확산정도를 6개의 시뮬레이션 시간에 대하여 표현하였다.
Figure 8
Fire dynamics simulation results of a library without BIPV according to simulation time.
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시뮬레이션 구동 결과 시작으로부터 약 100 s 이후 화원에서 화재 및 연기가 발생하며, 약 300 s까지 단시간에 인근 주변 서가로 모두 화재가 확산되어 800 s까지 화재의 규모가 매우 커진 것을 확인할 수 있다. 이후, 화원의 열방출량이 감쇠기에 접어드는 2000 s 이후부터는 연기의 발생속도 또한 감소함에 따라 화재 및 연기의 밀도가 함께 감소되었으며, 3600 s에는 연기밀도가 확연히 낮아짐을 확인 할 수 있다. 본 시뮬레이션 내에서는 화재 시 발생되는 가시거리/열/독성에 의한 영향을 평가하기 위해 화재가 발생하는 보존서가실 내 감지기를 설치하였다. 이를 통해 측정된 가시거리, 온도, 독성가스(CO, CO2, O2) 결과를 시간에 따라 표현한 그래프는 Figure 9에 도시하였다. 각 요소가 인명안전기준을 초과하는 최초의 시간을 고찰하였을 때, 독성에 의한 영향평가의 산소농도와 독성에 의한 온도의 경우 약 200에서 300 s에서 화재 초기에 기준을 초과하였다. 이는 화원이 인접한 만큼 열에 의한 영향이 많은 것으로 판단되며, 이를 통해 도서관 내 화재 발생시 온도와 산소농도가 상주인원에 미치는 영향이 적은 것을 알 수 있다.
Figure 9
Time series results of concentraion, temperature and visibility obtained by fire dynamics simulation of a library without BIPV.
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3.2.3 BIPV 설치 후 화재 시뮬레이션 결과 및 고찰

BIPV 설치 후 화재 시나리오는 첫 번째 시나리오와 일치하며 화원에 대한 설정은 Table 5를 기준으로 설정하였으며 화원의 위치도 동일하다. 시뮬레이션 구동 결과 초반 화재 동향은 BIPV 설치 전과 유사한 화재 동향을 보였다. 하지만 결과 영상인 Figure 10을 통해 BIPV 설치 전과 다르게 화재가 BIPV 모듈을 통해 수직확산되는 것을 확인할 수 있다. 또한 감지기를 통해 측정한 연소생성물 내 독성가스의 시간에 따른 농도, 온도, 가시거리의 변화를 Figure 11과 같이 도시하였는데, 산소의 농도와 독성가스 결과와 온도 결과는 기존 BIPV 설치 전 콘크리트 외장재보다 화재 위험수준에 도달하는 속도가 빨라진 것을 확인하기에는 어려움이 있었다. 하지만 BIPV 설치 전⋅후, 가시거리 대한 결과 그래프의 경우 차이가 심한 것을 알 수 있다. 따라서 본 ASET 기준으로 가시거리에 대한 결과를 추가적으로 고찰하였다.
Figure 10
Fire dynamics simulation results of a library with BIPV according to simulation time.
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Figure 11
Time series results of concentraion, temperature and visibility obtained by fire dynamics simulation of a library with BIPV.
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BIPV 설치 전⋅후의 결과를 각각 Figures 1011에 나타내었으며, 「소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준」에 따른 인명안전기준을 미충족하는 최초의 시간을 측정하여 Table 11에 요약하였다.
Table 11
Visibility by Location
RSET Location Visibility (m) Time (s)
Before Installing BIPV 428 s Center - -
EXIT 4.96 291.6
Fire Room 4.92 165.6
After Installing BIPV Center 4.78 806
EXIT 4.31 306
Fire Room 4.84 162
또한, 화재 시뮬레이션 구동시 3가지 위치(화재실, 중앙, 출입문), 4개의 층에 총 12개의 감지기를 설치하였고, 이를 통해 인명안전기준의 수치를 초과하는 최초의 시간, 즉 ASET을 측정하였다.
ASET을 측정하기 위해선 가장 최악의 상황 및 최악의 조건에 위치한 1층 화재실에 대해 분석할 수 있다. 하지만 화재실에 위치한 감지기는 화원과 너무 가까워 실재 화재 발생시 화재가 난 곳을 향해 피난하는 경우는 거의 없을 것으로 판단되기에 화재실 내 설치된 감지기보다는 화재실과 가까운 출입문을 기준으로 ASET을 산출코자 하였다. 그 결과 인체독성에 의한 영향을 평가하는 요소인 CO와 CO2 그리고 O2는 BIPV 설치 전⋅후 모두 화재가 끝나는 시점까지 인명안전기준을 초과하지 않았으며, 이를 통해 화재실에서 화재가 발생하는 경우 CO와 CO2 그리고 O2는 피난자들의 인명안전에 미치는 영향이 거의 없다는 것을 확인하였다.
또한 60 ℃ 이상의 온도로 상승하는 시각은 BIPV 적용 전 ts = 436 s, BIPV 설치 후 시간은 306 s에 인명안전기준을 초과함으로써 BIPV 설치 전보다 약 1.4배 빠른 수치를 보였다. 이는 BIPV 패널이 가연물로서 화재 확산이 활발히 이루어지고 화재가 더 크게 성장하여 나타난 결과로 보여진다.
마지막으로 가시거리에 대한 결과를 확인코자, Figures 1213에 화재실, 중앙, 출입문에 대한 시간에 따른 가시거리에 대한 결과를 도시하였고 피난 시뮬레이션을 통해 산출한 피난요구시간과 위치별 가시거리 결과를 Table 10에 도시하였다. 가시거리는 BIPV 적용 전 시간은 292 s BIPV 적용 후 시간은 306 s로 인명안전성 평가요소 중 가장 짧은 초과시간이였다. 이는 대부분의 화재특성과 마찬가지로, 본 연구결과에서도 인명안전 평가요소를 개별로 평가하였을 때에는 가시거리에 대한 위험도가 가장 높다는 것을 알 수 있었으며, BIPV 설치로 인해 화재시 가연물의 증가와 화재확산을 가속하여, 더 많은 연기가 발생하는 것이 원인으로 분석된다. BIPV 설치 전⋅후 가시거리 결과인 ASET (= 306 s)와 피난 시뮬레이션을 통해 산출된 RSET (= 428 s)을 비교하면 RSET > ASET로 허용된 피난시간이 피난에 요구되는 시간보다 짧아 화재 발생시 가시거리로 인해 상당한 인명피해가 있을 것으로 예상된다.
Figure 12
Visibility results without BIPV installation.
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Figure 13
Visibility results with BIPV installation.
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본 연구의 결과에서 주목할 만한 부분은 출입구 감지기에 측정된 인명안전기준을 초과하는 최초의 시간이 BIPV 적용 후 건물보다 BIPV 적용 전 건물이 약 7 s 더 짧다는 것이다. 이는 BIPV 패널로 화재로 인한 열이 상부로 이동하면서 건물 내부에서 대류 현상을 유발하여 뜨거운 공기가 상부로 올라가고, 아래로 차가운 공기가 내려가는 패턴을 형성된다. 이 과정에서 외부와 가까운 출입문에 외부의 공기가 건물 내부로 유입되었다고 판단된다. 외부 공기 유입이 화재의 연소반응에 필요한 산소를 제공하고 연소 가스를 배출하여 연기를 희석시켜 가시거리가 더 확보되었다고 판단된다. 가시거리 단축으로 인한 시야차단 및 대피시간 지연 상황은 출입구에서 발생가능한 인명사고의 주요 위험요인으로 본다. Table 10에 기재된 수치를 본다면 BIPV 적용 건물은 306 s, BIPV 적용 전 건물은 291.6 s로 출입구의 수치로만 본다면 BIPV 적용한 건물이 더 안전하다고 판단되는 결과이다.
하지만 센터에 위치한 감지기 수치를 분석할 경우 BIPV 적용 전에는 인명안전기준을 초과하지 않았지만 BIPV 적용 후에는 인명안전 기준을 초과하는 최초의 시간이 808 s인 것을 확인 할 수 있다. 또한 Fiugres 10과 11의 센터 감지기의 수치를 비교해 보면 BIPV 적용 후 센터지역의 가시거리가 전체적으로 BIPV 적용 전보다 낮아진 것을 확일 할 수 있으며 비록 인명안전 기준을 초과하는 최초의 시간이 808 s로 피난요구시간인 428 s 보다 늦지만 BIPV 적용 후 연기량이 많다는 것으로 판단된다. 이는 1층 화재실에서 일어난 화재가 BIPV 모듈로 수직확산되어 1층을 제외한 2층, 3층, 4층의 창문을 통해 연기가 유입된 것이 원인으로 판단된다.

4. 결 론

외장재의 수직확산은 실내 건축물 화재와 다르게 화재 성장 속도도 매우 빠르며 화재에 대한 진압방법도 전무한 실정이다. 또한 다른 기타 외장재들과는 다르게 외부 화재로 인해 화재가 확산되는 것이 아닌 태양광 패널 시스템의 전기적인 결함으로 인해 단락으로 인한 화재, 물리적 손상, 그림자, 오염물질로 인한 핫스팟으로 인해 화재가 날 수 있으며 외장재가 가연소재로 이루어진 BIPV 적용 건물에 대한 화재 위험성 평가가 필요하다(20,21). 본 연구는 기존 연구들의 한계점이었던 화재 시 BIPV 설치 전⋅후 차이를 정량적으로 파악하고 더 나아가 BIPV 적용 건축물에 대한 화재 위험성 평가 및 안전성 강화 전략을 도출하고자 하였다. 따라서 BIPV 설치 전후 건물의 화재 시 발생되는 가시거리/열/독성에 의한 영향을 비교평가하기 위한 콘 칼로리미터 실험을 실행하여 BIPV 모듈의 연소특성을 파악하고 실험을 통해 나타난 결과를 화재 시뮬레이션 설정에 적용한 뒤 화재 시뮬레이션 내 설치한 감지기를 통해 측정된 가시거리, 온도, 독성가스(CO, CO2, O2) 결과를 측정하였다. 그 결과 독성가스인(CO, CO2, O2)는 기준을 초과하지 않았지만 열의 경우 BIPV 설치 후 RSET이 약 1.4배 빨랐으며 가시거리의 경우 BIPV 설치 후 건물중앙부의 기준으로 화재발생 후 805 s에 가시거리가 54.94% 감소한 것을 확인하였다.
종합적으로 BIPV를 적용하는 것이 열 및 연기방출의 양을 증가시켜 화재 위험성이 커지는 것을 확인하였다. 건축물 내, 발생되는 화재는 방화구획과 같이 다양한 방법으로 화재확산을 저지하지만 외장재 화재의 수직확산은 실내 화재와 다르게 성장 속도가 매우 빠르며 진압방법이 정형화되지 않아 심각한 화재 위험성을 가지고 있다. 따라서 수직 확산 화재를 방호하기 위해 BIPV 태양광 패널 전용 스프링클러시스템의 연구개발이 필요하다(21). 또한 피난 시뮬레이션 분석 결과 계단에서 병목현상이 일어나는 것을 확인하였다. 피난요구시간 내에 탈출하기 위해선 계단의 유효 폭을 1,200 mm로 법적 기준의 최소기준을 맞추기 위해 하는 것이 아니라 피난 시뮬레이션을 이용하여 유효 폭의 적정성을 정략적 분석을 통해 계단 폭을 확정해야 한다.
본 논문은 표준 규격에 따른 화재 실험 및 화재 시뮬레이션 결과 등 과학적 근거에 입각한 BIPV 시스템의 위험성 평가 및 안전성 강화로 BIPV 시스템 신규 도입의 촉진 기여할 수 있을 것으로 기대되며 적극적인 진압대책에 기반자료로서 사용될 것으로 기대된다.

후 기

본 연구는 한국전력공사의 2022년 착수 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음(과제번호: R22XO02-06). 또한, 이 논문은 2023년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(00236869, 300 MW급(H급) 가스터빈 50% 수소혼소 변환 기술개발 및 실증).

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