2.1 설문조사(5)

연기감지기를 효율적으로 관리하는 방안을 검토하기 위해서 한국소방안전원과 협의하여 2023년 3월부터 5월까지 약 3개월간 소방안전관리자(1,968명)를 대상으로 특정소방대상물의 소방시설 관리 실태를 설문한 결과, 연기감지기의 비화재경보 발생 주요 원인은 습기, 결로가 31%로 가장 높았으며, 이물질(24%), 조리 연기(15%), 노후화(13%) 순으로 Figure 1과 같이 나타났다. 연기감지기 중 아날로그식 연기감지기의 활용성에 대하여 소방안전관리자의 연기감지기 유지관리 방법을 조사한 결과, 주기적인 감지기 점검⋅교체가 62%로 가장 높았으며, 주기적인 청소(12%), 감도 조정(11%), 관리하지 않음(6%) 순으로 높게 나타났다. 추가적으로 소방청에서 발표한 개선 대책에 관한 소방안전관리자의 의견을 조사한 결과, 79%가 몰랐다고 응답하였고, 감지기의 효율적인 유지⋅관리를 위한 설명이 필요하다고 응답한 비율이 82%로 나타나 본 연구의 필요성이 있음을 확인할 수 있었다.

Figure 1

Pie chart of main causes of unwanted fire alarms in smoke detectors.

2.2 전문가 자문

연기감지기의 관리 방안의 효용성을 높이고자 특정소방대상물을 직접 관리하는 소방시설관리사로부터 다양한 의견의 자문을 받았다. 연기감지기가 도입된 소방대상물의 비화재경보 발생 실태를 조사한 결과, 아파트 다용도실에서 겨울철 외기온도와 실내온도 차로 인해 습기가 발생하여 연기감지기가 오동작한 사례와 원룸 형태 기숙사에서 샤워 후 발생한 수증기 또는 에어로졸 형태의 제품 사용으로 인한 비화재경보가 많이 발생하고 있었다. 우기 때에는 엘리베이터 홀 등 외기가 유입되는 공간에서 비화재경보가 발생하는 사례도 있었다. 또한 열감지기보다 연기감지기의 비화재경보가 상대적으로 많은데 특히 지하 주차장과 습도가 높은 장소에서 많이 발생하며 아날로그식 연기감지기의 특성 중 하나인 감도 조정만으로는 관리에 한계가 있다는 의견을 받았다.

다음으로는 다습한 환경, 잦은 비화재경보를 발하는 환경(조리 연기, 용접 등), 먼지가 많이 발생⋅축적하는 환경 등 3가지 환경 조건에서의 유지관리 방법에 대한 의견을 받았다. 먼저, 다습한 환경에서의 유지관리 방법의 경우, 연기감지기를 방수형 또는 열감지기로 교체한다는 의견을 받았으며, 습기와 결로로 인해 감지기로 물이 유입되어 고장 나는 사례가 잦아 감지기 챔버 홀을 막는 작업을 수행한다는 의견이 있었다. 조리에 의한 연기 발생 장소에서는 열감지기를 설치하고, 감지기의 위치를 조정하여 관리한다는 의견이 있었다. 먼지가 많이 발생⋅축적하는 환경에서는 먼지가 감지기 내부에 쌓여 오작동하는 경우이므로 단순 교체가 일반적이며, 연기감지기는 적응성이 없다는 의견을 받았다. 이는 Hong 등(6)이 수행한 연구 결과와 같이 분진이 상당히 적층된 감지기의 경우, 연기유입이 제대로 이루어지지 않아 정상적인 작동을 할 수 없음을 나타낸다.

3.1 시나리오 도출

설문조사 및 전문가 자문 의견에 따라 비화재경보가 발생하는 상황에서의 연기감지기 반응을 재현하여 과학적 데이터의 수집⋅분석 결과를 바탕으로 관리 방안을 제시하고자 하였다. 먼저, 재현실험을 설계하기 위해 비화재경보가 주로 발생하는 시나리오를 선정하였다. 선행하였던 소방안전관리자 대상의 설문조사 결과에 따라 연기감지기의 비화재경보 발생률이 습기⋅결로, 이물질, 조리 연기 순으로 높게 나타난 것을 바탕으로 시나리오를 선정하였으며, 연기감지기의 유지⋅관리가 가능한 조건을 고려하였다.

습기 사례는 국내 연구 동향을 분석하여 실험 설계에 참고하고자 하였다. Lee 등(7)은 비화재경보의 주원인인 수증기를 대상으로 실험과 수치해석을 수행하여 상대습도가 높더라도(96% 도달) 공기의 유동이 있어야 비화재경보가 발생하는 것을 확인하였으며, Choi 등(8)은 다양한 습도 발생 환경을 구현하고 정적인 상태와 동적인 상태에서의 습도 변화를 측정하는 실험을 하였고, 발생한 습도가 동적 기류일 때 연기감지기가 작동하는 것을 확인하였다. 정적 기류에서는 산란 특성이 일어나지 않아 반응하지 않은 것으로 나타났으나, 실내가 고온의 환경일 때는 물안개 현상이 나타나지 않는 습도의 상승 조건임에도 연기감지기가 작동하여 습도에 의해 비화재경보는 충분히 발생할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 습기로 인한 비화재경보 발생 주요 상황은 습기가 찬 화장실 또는 상대적으로 고온다습한 외부환경과 연결된 문을 개방하였을 때, 순간적으로 유입되는 습기로 인한 연기감지기의 작동을 가정하였다.

조리 연기 사례는 조리시설이 있는 주방 등의 장소에서 연기가 많이 발생하는 음식류를 조리하는 경우에 연기감지기가 작동함을 가정하였다(9). 이물질 사례의 경우에는 연기감지기로 유입되는 이물질 중 먼지가 대표적이므로 장기간 먼지가 많은 환경에 노출된 연기감지기의 수광부 센서가 영향을 받게 되어(6) 비화재경보가 발생함을 가정하였다.

3.2 실험 조건

각 시나리오에 따라 실험하기 위한 실험장 조감도는 Figure 2와 같으며, 비화재경보가 주로 발생하는 상황을 재현할 수 있도록 고려하였다. 먼저, 습기 실험의 경우에는 4.0 m × 2.5 m × 2.5 m 크기의 실험장을 구축하고, 이와 연결되는 1.2 m × 2.5 m × 2.5 m 크기의 구획 공간(구획실)을 구축하였다. 구획실은 고온다습한 환경이 모사될 수 있도록 밀폐시켰으며, 실험장과 구획실과 연결되는 구획문은 0.8 m × 2.0 m 크기의 여닫이문으로 시공하였다. 연기감지기는 아날로그식 연기감지기로 광전식스포트형감지기를 사용하였다. 연기감지기는 구획문으로부터 0.5 m 거리마다 총 3.0 m까지 6개(D1~D6)를 천장부에 설치하였고, 국내 작동시험 기준에 의거하여 예비경보 5 %/m, 화재경보 15 %/m로 설정하여 수행하였다. 온습도 장치는 구획실 내부의 습도 환경을 확인할 수 있도록 천장 중앙에 설치(CS-H)하고, 실험실 내부로 습도가 유입되는 변화를 확인하기 위해, D1감지기 좌측에 추가 설치(TR-H)하였다. 온습도 장치는 독일 제조사(testo)의 측정기(testo 605i)를 사용하였고, 측정범위는 온도 –20 °C ~ +60 °C, 습도 0~100 %RH로 분해능은 0.1 °C와 0.1 %RH이다. 조리 연기 실험장은 습기 실험장과 동일한 4.0 m × 2.5 m × 2.5 m 크기에 조리시설을 내부에 설치하고, 조리시설 상단부터 1.5 m 거리의 직상부 천장에 0.5 m마다 총 6개(최대 3.0 m)의 연기감지기를 설치하여 조리 시 발생하는 연기의 이동 및 감지기의 반응을 확인하고자 하였다.

Figure 2

Interior perspective drawings.

3.3 실험 수행

각 도출된 시나리오를 바탕으로 Table 1과 같이 실험 계획을 수립하였다. 먼저, 습기 실험은 습기의 영향으로 비화재경보가 발생하는 상황을 모사한 것으로 물의 수증기를 발생하는 발생원을 전기주전자, 전기 찜기 2가지로 구분하여 실험하였다. 습기발생장치를 통해 구획실 내에 습도가 85 %RH와 90 %RH 이상일 때(온도 32 °C ± 4 °C)의 고온다습한 환경을 모사한 후, 구획문 개방을 통해 습기의 이동 상황을 확인하고 연기감지기의 반응을 확인하였다. 실험실 내부 온도는 19 °C ± 2 °C, 습도 59.5 %/RH ± 6 %/RH인 환경에서 진행하며, 실험은 구획문을 개방한 시점으로부터 180 s (3 min)간 진행하였다.

Table 1

Scenarios of Unwanted Fire Alarm Test

조리 연기 실험은 실험실 내 조리시설에서 조리 연기 발생을 위해 육류와 생선류를 가열하고, 발생한 연기의 이동으로 인한 감지기 반응 시점을 확인하며, 실험실 내부가 상온일 때의 조건과 다습한 조건일 때를 구분하여 비교 실험하였다. 상온 조건은 실험실 내부 온도 21 °C ± 2 °C, 습도 60 %RH 이하로 유지한 상태에서 실험하며, 다습한 조건은 실험실 내부를 습도 90 %RH 이상의 환경으로 맞추어 진행하였다. 가열원은 가스버너를 활용하며 프라이팬(frying pan)을 5 min간 가열한 후(표면온도 180 °C 이상)에 육류 및 생선류를 넣고 20 min간 가열하여 연기를 발생하였다. 육류는 가정에서 가장 대중적인 삼겹살 500 g을 사용하고, 생선류는 연기가 가장 많이 발생하는 것으로 알려진 고등어를 선정하여 3조각(435 ± 3 g)을 가열하였다.

분진 실험은 먼지에 의한 영향을 모사하기 위하여 『감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준』 제31조에 따른 분진시험(10)을 통해 분진이 부착된 연기감지기를 습기 실험 및 조리 연기 실험에서의 감지기 부착 위치와 동일한 곳에 설치하고 동일한 조건의 실험을 통해 결과를 비교⋅분석하고자 하였다. 분진 실험에 의한 습기 실험은 전기주전자를 습기발생장치로 사용하고, 구획실 내부가 90 %RH일 때 구획문을 개방하는 조건으로 수행하였고, 조리 연기 실험은 생선류를 가열하는 시나리오를 선택하여 상온 조건에 맞추어 진행하였다.

각각의 시나리오별 실험은 3회 반복 진행하고, 실험 결과의 평균값을 비교하여 분석하였다. 각 실험 장치의 모습은 Figure 3과 같다.

Figure 3

Photograph of prepared tests.

3.4 실험 결과

3.4.1 습도 실험

습도 실험의 모습은 Figure 4와 같으며, 습도 실험에서는 습기의 발생량이 많은 경우에 연기감지기가 더 빠르게, 더 멀리서도 화재로 인식하였다. Figures 5(b), 5(d)에서 확인할 수 있듯이 CS-H가 90 %RH 이상인 습도 환경으로부터 문이 개방될 경우, 구획문을 개방함과 동시에 습기가 천장면을 타고 이동하는 모습을 보였으며 TR-H의 변화가 급격하게 올라가면서 연기감지기가 10 s 이내로 화재로 반응하여 1.5 m 거리까지 영향이 미치는 것을 확인하였다. 85 %RH 이상일 때 실험한 결과에서는 Figures 5(a), 5(c)와 같이 일부 연기감지기가 예비경보를 발신하였으나 화재로 감지되지 않았다. TR-H의 변화도 상승폭과 기울기가 90 %RH보다 작은 것으로 나타났다. 실험실 내부로 들어오는 습기량이 적고 지속성이 떨어져 D3 위치(1.5 m)의 연기감지기부터는 습기에 의한 반응이 일어나지 않았다. 한편, 습기발생장치에 따라 습기의 이동 속도가 달라 거리별 연기감지기의 반응시간과 유지 시간에서 차이가 나타났는데 전기주전자에서 발생하는 습기가 전기 찜기보다 동적 기류를 더욱 강하게 만들어내면서 나타나는 현상으로 판단된다.

Figure 4

Experimental photo showing humidity tests.

Figure 5

Result graphs of humidity tests.

또한 문과 천장 사이의 단차로 인해 기류의 흐름이 연기감지기 D2와 D3에 먼저 도달하여 D1이 늦게 반응한 현상도 나타났다. 결론적으로 습기 실험 결과, 구획실의 습도가 90 %RH일 때, 문을 개방하고 난 후 실험실 내부로 순간적으로 들어오는 습기의 유입량이 상대적으로 더 많아, 더 빠르게 이동하여 비화재경보가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

3.4.2 조리 연기 실험

조리 연기 실험에서는 실험장 내부를 상온일 때의 조건과 다습한 조건으로 구분하여 실내 환경에 대한 영향을 확인하였다. 상온 조건일 때에는 육류 가열 시에 연기 발생량이 많지 않아 연기감지기가 반응하지 않았음을 Figure 6(a)에서 확인할 수 있으며, 생선류는 Figure 6(c) 그래프와 같이 연기가 발생하였으나 1,200 s (20 min) 이후에 연기감지기가 반응하였으므로, 음식 조리 시에 환기를 통해 충분히 비화재경보를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 다습한 조건에서 실험한 결과에서는 Figures 6(b), 6(d)와 같이 상온 조건일 때보다 연기 발생량이 많았으며, 실험이 종료된 후에 실험장 내부를 육안으로 확인하였을 때도 분별이 가능할 정도의 연기가 발생하여 Figure 7과 같았다. 연기감지기 반응시간은 평균적으로 상온 조건보다 약 2배 빠르게 반응하는 것으로 나타났는데, 다습한 환경 내에서 조리 과정 중 발생하는 열로 인해 실내 온도가 상승함으로써 포화수증기압이 증가하고, 이로 인한 수증기의 양이 증가하면서 조리 연기와 수증기가 같이 연기감지기의 산란 현상에 영향을 주었기 때문에, 더 빠르게 반응한 것으로 판단된다. 조리하는 위치로부터의 거리에 따라 연기감지기의 반응시간은 다르긴 하나, 1 m 이내에 있는 연기감지기가 최초로 화재로 반응(육류는 D1 683 s, 생선류는 D2 524 s)한 이후 300 s 이내에 가장 원거리에 있는 3 m에 위치한 연기감지기까지 화재로 반응하여 연기가 빠르게 도달하는 것을 알 수 있었다.

Figure 6

Result graphs of cooking smoke tests.

Figure 7

Experimental photo showing cooking smoke tests.

3.4.3 분진 실험

연기감지기에 먼지가 쌓여있을 때의 반응 변화를 비교하기 위하여 분진을 입힌 상태로 재연하여 실험을 한 결과, 습도 실험에서는 Figure 5(b)와 Figure 8(a)를 비교하였을 때, 큰 차이는 없었으나 D2 위치의 연기감지기 최초 반응시간이 기존 4 s에서 분진 실험 결과 14 s로 늦어져 평균적으로 약 3배 느리게 반응하는 것을 확인하였다. 조리 연기 실험은 기존 조리 연기 실험 중 가연물을 생선류로 하여 상온조건의 환경으로 실험하였는데 Figure 6(c)와 Figure 8(b)를 비교하여 확인할 수 있듯이 실험 결과에 큰 차이는 없었다. 다만 실험을 거듭할수록 연기감지기의 반응시간이 느려져 감지 센서가 둔감해지는 것으로 나타나 실제 화재 시 화재 감지가 지연되는 현상이 발생할 가능성이 있으며, 선행 연구 결과에서 확인하였듯이 분진으로 인해 연기감지기의 정상 작동이 이루어지지 않을 수 있음을 확인할 수 있었다.

Figure 8

Result graphs of dust tests.