냉동창고에 설치된 공기흡입형 연기감지기 외기노출 실험 및 결로 현상 감지 방법에 관한 연구
External Exposure Experiment and Condensation Detection Method for Air Sampling Smoke Detectors in Freezer Storage
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Abstract
요 약
본 연구는 냉동창고에 설치된 공기흡입형 연기감지기의 구역별 파이프 온도 특성 실험과 결로 현상 감지 방법에 관한 연구이다. 구역별 온도 구배 실험중 최대온도 차이는 1구역 –6.8 ℃, 2구역 –0.7 ℃, 3구역 –0.3 ℃, 4구역 5.8 ℃로 나타나 외기접촉부와 냉각기의 풍편에 노출되는 구역이 가장 큰 온도 차이가 발생되었다. 온도 구배가 크게 발생된 구역에서는 공기흡입형 연기감지기 파이프에 결로 현상 및 결빙 현상이 발생되었다. 압력 센서를 통한 공기흡입형 파이프 결로 현상 감지실험에 대해서는 기류 표준화한 상태의 공기흡입형 연기감지기 팬을 가동한 결과 압력 센서에서 1,058 mV가 측정되었다. 결로로 인한 파이프 흡입구 결빙 현상 발생 시, 1곳 1,069 mV, 3곳 1,099 mV, 5곳 1,110 mV가 측정되면서 전압이 증가되는 것을 확인하였다. 이를 통해 결로 현상에 의한 압력저하로 압력 센서의 전압 값 신호를 발신하면 파이프의 유속 상태와 압력 상태를 점검해 이상신호에 따른 유지관리를 원활히 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
ABSTRACT
In this study, a pipe temperature characteristics test and a condensation detection method were conducted for each area of the air sampling smoke detector in the freezer. Among the temperature gradient experiments for each zone, the maximum temperature differences were as follows: Zone 1: –6.8 ℃, Zone 2: –0.7 ℃, Zone 3: –0.3 ℃, and Zone 4: 5.8 ℃, indicating the largest temperature difference between the outdoor contact part and the area exposed to the wind side of the cooler. In areas with large temperature gradients, condensation and freezing occurred in the air-sampling smoke detector pipe. In an experiment to detect condensation in an air suction-type pipe using a pressure sensor, a measurement of 1,058 mV was recorded by the pressure sensor during the operation of an air-sampling smoke detector fan with a standardized airflow. When freezing occurred at the pipe inlet due to condensation, we confirmed that the voltage increased by 1,069 mV in one location, 1,099 mV in three locations, and 1,110 mV in five locations. Accordingly, we believe that by transmitting the voltage signal from the pressure sensor due to the pressure drop caused by condensation, the flow rate and pressure status of the pipe can be monitored, allowing for maintenance based on abnormal signals.
1. 서 론
대규모 유통 업체 등장, 코로나19로 인한 배달문화 확산 등에 의해 물류창고와 같은 대규모 창고의 수가 늘어나고 있다. 생활 식품류의 경우에도 일반 마트를 활용하지 않고 택배를 이용하여 식료품을 공급받는 가정이 많아져 매해 국내 택배시장 물동량 추이는 21년 이후로 급격하게 16% 이상 늘어나고 있다(1). 물동량이 많아짐에 따라 전국 물류창고의 수도 증가하고 있는데 2020년 350개소, 2021년 361개소, 2022년 447개소, 2023년 590개소, 2024년 586개소로 매해 증가하고 있는 추세이다. 이처럼 대규모 물류창고, 냉장⋅냉동창고에서는 화재 확산에 유리한 가연물과 랙형태의 보관 방식에 따라 화재 발생 시 대형화재로 전환될 우려가 있다. 실제로 국가화재 정보시스템에(2) 의하면 2019년부터 2023년까지의 냉장⋅냉동창고 시설의 화재사고 현황 결과 2019년 89건, 2020년 88건, 2021년 78건, 2022년 99건, 2023년 84건, 총 438건이 발생했으며, 매년 평균 87여건이 발생하고 있다. 이처럼 냉장⋅냉동창고는 화재 발생 시 대형화재로 전환될 가능성이 매우 높고 막대한 재산피해가 발생되기 때문에 화재 초기에 감지 예방이 중요한 시설이다. 선행연구에 따르면(3) 냉장⋅냉동창고의 높은 층고에 의해 스포트형 연기감지기는 적응성이 떨어져 효과적이지 않고, 극저온 환경에 의해 스포트형 열감지기 또한 적응성이 나타나지 않아 차선책으로 조기 감지에 특화된 공기흡입형 연기감지기를 채택하여 설치하고 있다. 여기서, 문제점은 냉장⋅냉동창고의 경우 저온 환경에 의해 공기흡입형 연기감지기 감지부와 같은 흡입 파이프에 성에, 결로, 결빙이 발생되고 있다. 결로 및 결빙이 발생되면 공기흡입형 연기감지기 파이프 흡입구를 막는 문제점이 생기고 이에 따라 유지 보수에 의한 관리자의 피로도가 축적되고 있는 실정이다. 이에 따라 극저온 환경에서 운영되는 자동화재탐지설비의 감지기와 관련된 연구개발이 활발히 진행되어야 하지만 현재 국내의 연구과제 추세에서는 다중센서 복합형 화재감지기, IoT 감지기(4), 인공지능(AI) 감지기(5) 등 열악한 환경에서 적용되지 못하는 화재 감지 기술들이 개발되고 있다. 이러한 개발 감지기들은 냉장⋅냉동창고에 적응성이 없고 다중센서에 의한 부가 장치로 인해 감지기 형식승인을 발급받기가 어려워 상용화에 실패하고 있다. 또한 냉장⋅냉동창고에 적용되는 공기흡입형 연기감지기 연구와 기술 개발조차 전무한 상황이기 때문에 냉장⋅냉동창고의 결로에 대한 문제점 등 관리자의 유지관리 측면에서 피로도를 줄여줄 수 있는 공기흡입형 연기감지기의 연구개발이 필요한 시점이다. 추가적으로 선행연구에 따르면 냉동창고 결로 현상 구비조건인 냉풍기의 일정한 바람이 지속적으로 내뿜는 풍편에 노출된 파이프와 외기 기류가 통하는 공간의 경우 결로 현상이 발생된다는 선행연구가 수행되었다. 해당 선행연구에서는 결로 현상 구비조건만 제시되어 있고 온도 구배 현상의 온도 측정 실험은 진행되지 않아 본 연구에서 주기적인 외기 노출에 따른 구역별 파이프의 온도 구배 현상을 확인하고자 하며, 현재 냉장⋅냉동창고에 설치된 공기흡입형 연기감지기에서 결로로 인한 감지부 결빙 현상을 감지하고 방지할 수 있는 아이디어 제공과 실현 가능성을 분석하고자 연구를 진행하였다.
따라서 본 연구는 선행연구(3) 결과를 분석하여 결로 발생 구비조건을 파악해 소규모 냉동창고 내부에 공기흡입형 연기감지기 파이프를 설치, 결로 현상을 재연하여 냉동창고 내부에 반복적인 외기 노출을 통한 파이프 온도 구배 특성을 분석하고, 결로로 인한 흡입구 막힘 현상을 감지하기 위해 저가형 압력 센서를 통한 파이프 결로⋅결빙 현상을 감지할 수 있는 방법론 제시를 위한 실험을 진행하였다.
2. 냉동창고 냉동원리 및 결로 현상 발생 조건
냉동창고는 보통창고인 상온창고가 있고, 저온창고는 냉장창고, 초저온창고가 있다. 냉동창고는 10 ℃ 이하의 저온에서 식품 또는 화물을 보관하는 창고를 말하며 식료품 창고, 대형마트 등에서 영하 0 ℃에서 –20 ℃로 온도를 유지하여 식료품을 보관하는 창고이다. 현대의 식료품 배달문화에 의해 도시 및 주거밀집시설에 냉장⋅냉동창고가 집중되고 있고, 이러한 냉동창고는 식료품의 상태 보존을 위해 24 h 365일 영하의 온도를 유지하고 있다. 냉동창고는 극저온의 상태를 유지하기 때문에 기존에 설치되는 스포트형 연기감지기의 경우 냉동창고 특성상 높은 층고와 출입문 개방 시 나타나는 서리에 의한 비화재보로 적응성이 떨어져 사용하지 않고 있으며, 스포트형 열감지기 또한 극저온 환경에서는 열축적이 늦어 적응성이 나타나지 않는다. 이에 따라 대규모 냉장⋅냉동창고에서는 공기흡입형 연기감지기를 사용하고 있다.
냉동창고의 구동 원리는 Figure 1과 같이 압축과정, 응축과정, 팽창과정, 증발과정으로 나누어지며, 냉각기의 냉동원리로 해당되는 압축기에서 고온 고압의 기체로 보내진 냉매가 응축기를 거쳐 모세관을 지나는 동안 속도 에너지의 상승과 압력 에너지의 저하로 기체가 된다(6). 이때 상변화를 하면서 냉각기의 냉풍기 팬에 저온의 풍편을 보내며 냉동창고 내부온도는 서서히 떨어지고, 압축으로 인한 액화와 증발을 지속적으로 반복해 열 교환을 지속한다. 냉동창고의 내부가 저온으로 유지되는 동안 증발기의 냉매관과 송풍팬에는 성에가 생기게 되고 이러한 성에는 팬 표면에 고착되면서 열교환 성능이 떨어져 성에를 제거하기 위한 제상기능이 있다. 제상기능은 송풍팬을 정지시키고 온열 전선을 통해 전기히터방식으로 팬 주위의 성에를 녹이는 방식을 갖는다. 이처럼 제상기능에 의해 냉동창고의 냉각기와 냉풍기는 일정시간 멈추게되고 이때 발생되는 온도차에 의해 공기흡입형 연기감지기에 결로가 생성되며, 제상기능이 끝난 후 재가동되면서 결로가 냉각되어 결빙현상이 발생되고 있다. 또한 이 경우를 제외하고도 선행연구(3)에 의해 결로 현상 발생 조건이 연구되었는데, 첫째, 냉풍기의 풍편이 지속적으로 노출된 파이프의 경우 둘째, 외기 기류가 통하는 공간(출입구 및 압력조절기 등)의 경우 셋째, 제상기능에 따라 성에가 녹으며 액체가 되고 액체가 다시 결빙되어 쌓이는 경우 넷째, 온도 구배가 발생되는 외벽의 경우에 결로 현상이 발생되는 것으로 조사되었다. 이러한 결로 현상은 공기흡입형 연기감지기의 화재감지 성능을 저하시키며, 흡입구 막힘에 의해 공기흡입형 연기감지기 기류센서 고장 등의 문제점의 원인이 된다. 이러한 문제점이 발생되기 전 현장에선 산업용 진공청소기를 사용해 파이프의 홀을 하나하나 빨아들이는 방식으로 청소를 하고 있지만 대규모 공간일수록 파이프의 관리가 어렵고, 감지기의 유지관리 비용과 시간이 많이 소요되기 때문에 관리 측면의 어려움이 있다(7).
3. 실험방법 및 결과
3.1 냉동창고 외기 노출에 따른 구역별 파이프 온도 구배 실험방법
Figure 2(a)는 냉동창고 외기 노출에 따른 구역별 파이프 온도 구배 실험을 위한 규격으로 냉동창고를 제작하여 실험장을 구성하였다. 냉동창고는 2.3 m × 2.0 m × 2.0 m 크기이며 공기흡입형 연기감지기(VEP-Aoo-P, VESDA Co., USA)파이프는 냉동창고 겉 둘레를 따라 벽에서 10 cm 떨어진 위치로 1.8 m 상부에 설치하였다. 여기서 공기흡입 흡입구(air hole)는 냉동창고 end cap 지점에서 0.8 m의 간격으로 뚫어 흡입하도록 제작 설계하였고 구역(zone)별 2개의 흡입구가 있도록 하였다. end cap을 제외한 냉동창고 내부의 흡입구 총 개수는 8개로 구성하였다. end cap을 실외로 이탈시킨 이유는 흡입 방식이 파이프 내 흡입구와 방향이 상이하고 냉동창고 겉 둘레 전체에 공기흡입형 파이프를 설치하기 위하여 마감 end cap은 실외로 배치하였다. 실험조건은 기류 표준화를 통해 파이프 내의 유속은 32.1 L/min으로 설정하였으며, 냉동창고 내 파이프 길이는 10 m, 냉동창고 밖 실외의 파이프 길이는 2 m로 구성하였다. 파이프 내 온도 구배를 확인하기 위해 냉풍기 맞은편을 1구역, 출입문 맞은편을 2구역, 냉풍기 뒤편을 3구역, 출입구 지점을 4구역으로 4개의 구역으로 구성하였다. Figure 2(b)는 외기 노출에 따른 파이프의 온도 구배를 파악하기 위해 구역당 하나의 흡입구 내⋅외부에 열전대를 위치한 구성사진으로 열전대 설치 근거는 출입문에서부터 구역별 공기흡입 파이프에 노출되는 외기의 영향을 평가⋅분석하기 위하여 각각의 구역당 출입문에서부터 가까운 흡입구에 열전대를 내⋅외부로 설치하였다. Figure 2(c)는 파이프 내⋅외부에 설치된 K-Type 열전대 측정 위치 사진으로 공기흡입형 연기감지기 파이프 외부 온도와 파이프 내부의 공기흡입 유체 온도를 측정하였고, Figure 2(d)는 구역별 사진을 나타내었다.
외기 노출에 따른 구역별 파이프 온도 구배 실험방법은 공기흡입형 연기감지기의 전원을 인가한 상태로 냉동창고 내부를 7 h 동안 –20 ℃를 유지하도록 하였다. 냉동창고의 경우 온도 조절을 위해 냉동창고 내부에 온도 측정용 열전대가 설치되어 –20 ℃에서 on-off 자동제어를 통한 설정 온도를 유지하고 있고, 냉동창고의 가동 조건 중 냉풍기의 제상기능은 사용하지 않고 실험을 진행하였다. 추가적으로 냉동창고 외부는 여름철 기후를 조성하기 위해 실외 온도 29 ± 2 ℃기준으로 습도 70 ± 10 %RH로 설정하였으며, 냉동창고 전원인가 60 min을 주기로 10 min 동안 입구를 개방하여 외부의 공기와 습도를 냉동창고 내부로 유입 순환되도록 하였다. 이때, 구역별 파이프 내⋅외부의 온도 구배 특성 및 이러한 온도 구배에 따른 결로⋅결빙 현상의 진행 과정을 개방 횟수에 따라 확인하고자 하였다.
3.2 압력 센서를 통한 공기흡입형 흡입구 결로⋅결빙 현상 감지실험
공기흡입형 연기감지기는 일정한 유속을 갖고 감지부에서부터 수신부까지 공기를 흡입하고, 수신부를 거쳐 샘플링된 공기를 배출하여 365일 24 h 이 과정을 수행하여야 한다. 하지만 관리보수 미흡으로 먼지가 쌓이고, 냉동창고의 결로로 의한 흡입구 막힘 현상은 공기흡입형 연기감지기 흡입팬 고장과 수신부 에러를 동반한다. 공기흡입형 연기감지기 소프트웨어 특성상 기류, 필터 등 문제가 발생될 경우 에러표시가 나타나고 여기서 기류의 경우에는 오랜 시간 지속되어야 에러를 송신한다. 일반 결로 현상의 경우 흡입구 한곳이 막혀 있다면, 다른 흡입구에 더욱 많은 공기양을 흡입하여 정상상태로 유지하는 경우가 있다. 또한 오랜 시간 지속되어 결로 현상이 진전돼 기류가 원활하지 않아 에러 표시가 나타난다 하더라도 상주하는 소방안전관리자가 없다면 빠른 조치가 불가능하며, 대부분 중⋅소형 냉동창고의 경우 상주하는 인원이 없어 감지기의 내용수명을 단축시키고 있다. 이를 방지하고자 공기흡입형 연기감지기 파이프 흡입구멍 막힘 현상 발생시 수신부에서 알람 발신을 위한 방법을 고안하고자 실험을 진행하였다.
실험구성은 공기흡입형 연기감지기 수신부 흡입단 앞단에 Figures 3(a), 3(b)와 같이 T형 엘보를 설치 공기흡입 흡입구 지름 크기의 고무호스를 커플링을 통해 연결하여 1 m 밑에 압력 센서(PSS-V01V-R1/8, Autonics Co., Korea) Figure 3(c)를 부착해 실험을 진행하였다. 압력센서는 전원 전압 DC24 V를 사용하며, 출력 전압은 DC1∼5 V까지 출력이 가능하다. 실험방법은 냉동창고 결로 현상 발생을 가정하여 흡입구 1개, 흡입구 3개, 흡입구 5개를 막아 경향성을 측정하였다.
3.3 냉동창고 외기 노출에 따른 구역별 파이프 온도 구배 실험 결과
3.3.1 구역별 파이프 온도 구배 평가
Figure 4는 총 실험 7 h 5번의 외기 노출에 따른 파이프 온도 구배 그래프이다. Figure 4(a)의 경우 냉동창고의 온도조절기가 1구역에 설치되어 있어, 파이프 외부 온도는 실험시간 동안 외기노출 후 재가동을 제외하고 6 cycle 전부 –20 ℃에 도달하여 on-off 제어를 통해 온도를 유지하는 것을 볼 수 있었다. 온도그래프에서 나타난 것과 같이 1∼3 cycle에서 파이프의 내⋅외부의 온도차는 –0.6 ℃∼–0.8 ℃의 차이를 보이며, 내⋅외부의 온도차 변화가 급격하게 나타난 시점은 3 cycle 이후 외기 노출부터 온도 차이가 급격하게 나타났다. 외기 노출을 중단하고 4 cycle 진행 중 13,424 s에서 –5.1 ℃의 온도차가 발생되었고 on-off 제어 구간에서는 –1.3 ℃의 온도차가 나타났다. 5 cycle 진행 시 17,696 s에서 –6.5 ℃의 온도차가 발생되었고 on-off 제어 구간에서는 –2.1 ℃ 온도차가 발생되면서 cycle 진행 시 파이프 내⋅외부의 온도 차이가 크게 발생되었다. 마지막 구간인 6 cycle 온도 하락 구간 22,116 s에서부터 –6.8 ℃의 온도차가 발생되었으며, on-off 제어 구간에서는 –2.3 ℃의 온도 차이가 발생되었다.
1구역에서 온도 차이가 크게 발생되는 이유는 냉각기의 풍편이 직접적으로 노출되는 구역이며, 외기 노출에 의한 습한 공기가 파이프에 붙어 결로가 발생되고 이러한 결로는 냉동창고 상 가장 차가운 풍편에 직선적으로 노출되는 구역에 결로의 응결을 크게 만들어 낸다. 외기 노출 횟수가 증가할수록 결로 현상 증식, 증식된 결로 현상이 결빙되어 파이프 외부에 얼음 외벽이 생기고 이때 발생되는 응고열에 의해 파이프 내⋅외부의 온도 차이가 크게 발생된 것으로 판단된다.
Figure 4(b)는 2구역 출입문 맞은편에 설치된 파이프의 경우를 보여준다. 냉동창고의 제어 온도는 –20 ℃였으나, 냉각기의 바람이 직접적으로 닿지 않아, 3 cycle이 지나도 –20 ℃에 도달하지 못하였다. 또한, 파이프 전체에 결로 및 결빙 현상이 발생하지 않았는데, 이는 수증기가 이슬점에 도달했을 때 가장 차가운 지점에 먼저 붙어 응고되어 결로가 발생하기 때문이다. 이러한 현상으로 뜨거운 수증기는 가장 먼저 맞닿는 4구역과 1구역에서 이슬점이 낮아져 응축되어 외벽 또는 파이프에 붙게 된다. 풍편이 직접적으로 닿지 않는 2구역에 대해서는 냉동창고 전체 실내의 온도가 상승될 때 동일하게 상승하여 특이점이 발생되지 않은 것으로 판단된다. 파이프 내⋅외부의 온도 차이 또한 –0.7 ℃로 유지하며 온도 구배가 크게 형성되지 않았다.
Figure 4(c)는 3구역인 냉각기 뒤편의 공간으로 실험 시작 5 cycle 동안 냉동창고 설정 온도인 –20 ℃에 도달하지 못했고, 이는 냉동창고 시퀀스제어 온도계가 1구역에 설치되어 있기 때문으로 생각되며, 이처럼 온도측정 장치 위치에 따라 냉동창고 내부의 온도도 각기 다른 상태로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 3구역의 경우 파이프 내⋅외부의 온도 구배가 발생하지 않고 파이프 약 –0.3 ℃의 온도차를 유지하였다. 3구역의 파이프는 1구역에 위치한 파이프와 다르게 냉각팬 기류의 영향을 직접적으로 받지 않는 냉각팬 뒤에 위치해 외기 노출에 따른 파이프 내⋅외부의 온도변화는 저조하게 나타났다.
Figure 4(d) 4구역의 경우 실험을 위한 파이프 온도측정 센서가 출입문 바로 위에 설치되어 있고 출입구 부근의 공기흡입형 연기감지기 파이프가 설치된 곳으로 외기와 가장 많이 접촉되는 구간이다. 또한 1구역의 풍편이 벽면에서 부딪쳐 수평으로 냉기가 이동되고 출입구에 들어오는 외기의 흐름을 가장 많이 노출 받는 구역이다. 이에 따라 실험시간 6 cycle 전부 1구역과 같이 –20 ℃를 유지하였다. 하지만 다른 구역과 달리 3 cycle 이후 외기 노출부터 파이프의 외부온도가 내부온도보다 더욱 높게 측정되었고 12,715 s에 4구역 파이프 외부 온도는 13.3 ℃ 내부 온도는 7.5 ℃로 약 5.8 ℃의 온도 차이가 발생되었다. 출입문 개폐에 따른 열기류 유동에 가장 큰 영향을 받은 것으로 나타났다. 또한 4구역의 경우 3 cycle 이후 전체의 외기 노출 시 파이프 외부의 온도가 상온 10 ℃ 이상 높게 올라가면서 성에가 녹고 얼어붙는 상변화의 온도 구배가 가장 크게 인가된 것을 확인할 수 있었다.
3.3.2 구역별 파이프 결로 현상 분석
Figure 5는 1구역의 결로 현상 진전과정으로 3 cycle까지 온도 구배가 크게 나타나지 않은 시점에는 육안으로 확인할 수 있는 성에 또는 결로 현상은 나타나지 않았다. 하지만 Figure 5(b)와 같이 4 cycle 이후부터 공기흡입형 파이프에 성에와 같은 수분 입자가 고착되기 시작하였고, 이후 외기 노출에 의해 흰 성에가 녹아 결로를 형성하면서 최종 Figure 5(c)와 같이 결로의 양이 커져 파이프에 얼음결정이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
Figures 6, 7은 2구역과 3구역의 실험 진행 후 공기흡입형 파이프 표면 사진이다. 해당 구역은 냉동창고 실험장에서 외기의 노출을 직접적으로 닿지 않는 공간으로 내⋅외부의 파이프 온도 차이가 가장 낮게 나타났고 총 실험시간 중 –0.8 ℃ 이상의 온도차는 발생되지 않아 결로가 생성되지 않은 것으로 판단된다. 또한 외기의 직접 노출이 적고 외기 노출시간에도 풍편은 지속적으로 1구역으로 발산되고 있기 때문에 비교적 2구역과 3구역의 외기 노출은 적게 나타나 결로 현상이 진척되지 않은 것으로 판단된다.
Figure 8은 온도 구배 실험 중 외기 노출 시 가장 큰 온도상승과 육안으로 확인 가능한 결로 현상이 많이 발생한 4구역으로 2 cycle이 진행될 때 외기 노출에 의한 파이프에 초기 성에가 나타났고 이는 총 4개의 구역 중 가장 빠른시간 내에 성에가 발생되었다. 4구역의 공기흡입형 파이프는 외기의 출입으로 인한 급격한 온도 구배로 수증기가 더욱 노출되고 공기흡입형 연기감지기 흡입기류에 의해 표면과의 접촉으로 성에⋅응결 후 결로 및 결빙되는 현상이 나타났다. 외기노출 시간이 종료된 Figure 8(d)와 같은 시점에 응결된 수증기는 이슬점에 빠르게 도달되고 이렇게 응결된 수분은 결로 현상으로 나타나게 된다. 이에 따라 4구역은 외기의 습도를 가장 많이 접하고 뜨거운 습기가 첫 번째로 차가운 표면에 닿는 파이프 위치이기 때문에 결로가 가장 많이 발생하게 되는 것을 확인하였다.
선행논문(3)에 의해 연구된 냉동창고 공기흡입형 연기감지기 결로 현상 구비조건인 외기 노출이 잦은곳과, 풍편을 지속적으로 인가 받는 곳은 실험을 통해 실제 온도 구배가 가장 많이 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 다만, 풍편에 지속적으로 노출되는 1구역의 경우 얼음 외벽의 응고열에 의해 저온의 풍편이 파이프 내부로 전달되지 못하여 파이프 내부의 온도가 외부의 온도보다 높게 조성된 것을 확인할 수 있었다. 또한 상온에서 온도 차이가 나타난 4구역의 경우 직접적인 외기 노출과 가까워 외부의 파이프 온도가 내부 파이프 온도보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 이처럼, 구역에 따른 파이프의 내⋅외부의 온도 차이가 다르게 나타남에 따라 파이프 표면뿐만 아니라 흡입구 내부에도 응축⋅결로가 생성될 수 있고 이는 흡입 공기의 흐름을 방해해 공기흡입형 연기감지기의 기기 고장의 원인이 될 수 있다. 추가적으로 냉동창고의 내부 벽면의 경우 평평한 철판으로 이루어져 있기 때문에 성에가 발생 응축수가 고여 결로로 발생되기가 힘들지만, 공기흡입형 연기감지기의 파이프의 경우 성에가 생성된 상태로 외기 노출에 의해 성에가 녹아 응축이 되어 결로가 된다면 파이프 표면에 따라 표면장력에 의해 아래에 고여 결빙되는 현상이 나타나 흡입구를 막게 된다.
3.4 압력 센서를 통한 공기흡입형 파이프 흡입구 결로⋅결빙 현상 감지실험 결과
공기흡입형 시스템에서 결로⋅결빙 현상 발생 감지를 위한 아이디어 실현 가능성을 확인한 실험으로 Table 1은 압력 센서를 활용한 흡입구 결빙 현상 진행 시 나타나는 전압 값이다. 실험 결과 공기흡입형 연기감지기 흡입팬을 정지한 상태로 압력 센서에서 측정된 전압 값은 1,047 mV가 측정되었고, 기류 표준화한 상태의 공기흡입형 연기감지기 팬을 가동한 결과 압력 센서에서 1,058 mV가 측정되었다. 여기서 파이프의 흡입구가 1곳이 막힐 때 1,069 mV, 3곳이 막힐 때 1,099 mV, 5곳이 막힐 때 1,110 mV가 측정되면서 전압 값이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 해당 압력 센서의 경우 압력 저하가 발생되면 측정 전압이 높게 측정된다. 공기흡입형 연기감지기 파이프의 압력이 낮아지는 이유는 압력 센서 위치의 커플러가 벤투리 효과를 일으키고 관이 좁아질수록 압력이 낮아지며 유속속도가 증가하게 된다. 또한 공기흡입형 연기감지기는 흡입팬의 rpm은 제조사별 정해진 속도를 유지하고 있으며 이에 대한 기준은 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(8)에서 제시하고 있는 작동시험 기준에 충족하는 속도를 유지하고 있다. 제조사 별 100 m 기준 공기흡입형 연기감지기의 공기흡입장치는 파이프에 설치된 가장 먼 샘플링지점에서 감지부분까지 120 s 이내에 연기를 이송할 수 있는 속도를 가지고 있기 때문에 공기흡입형 연기감지기의 rpm은 변화하지 않는다. 이를 기준으로 파이프의 흡입구가 막히게 되면 유속은 더욱 빨라지고 빨라진 유속에 의해 압력이 낮아지는 현상이 발생된다. 이를 통해 공기흡입형 연기감지기가 설치된 후 파이프의 개수 흡입구 산정이 끝난 경계구역에서 기류표준화와 압력 센서의 표준화를 진행해 초깃값을 설정하고 결로 현상에 의한 저압 발생 및 압력 변화로 압력 센서의 상승 전압 값 신호를 발신하면, 실시간으로 파이프의 유속 상태와 압력 상태를 점검해 이상 신호에 따른 유지관리를 원활히 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 배관내에 부압이 발생하는 벤추리 효과와 흡입구 결빙 현상으로 배관 내 유속이 빨라짐에 따라 저압이 발생됨을 실험을 통해 확인하였다. 이에 따라 저가형 센서의 활용을 통해 비일비재하게 나타나는 공기흡입형 연기감지기 결로 현상을 감지하고, 현장에 따라 설치된 공기흡입형 배관 흡입구에 나타나는 초기 압력을 설정하여 압력 저하에 따른 결로 현상을 발견하는 데에 목적이 있다.
4. 결 론
본 연구는 냉동창고에 설치된 공기흡입형 연기감지기의 구역별 파이프 온도 특성 실험과 결로⋅결빙 현상 감지 방법에 관한 연구로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 구역별 온도 구배 실험 중 1구역의 경우 냉동창고 내의 온도측정 부근이기 때문에 실험시간 동안 외기노출 후 재가동을 제외하고 6 cycle 전부 –20 ℃에 도달 후 on-off 제어를 통해 온도를 유지하는 것을 볼 수 있었다. 1구역의 최대 온도 차이는 –6.8 ℃, 2구역의 최대 온도 차이는 –0.7 ℃, 3구역의 최대 온도 차이는 –0.3 ℃, 4구역의 최대 온도 차이는 5.8 ℃로 나타났다.
2. 냉동창고의 구역별 결로 현상 발생은 1구역과 4구역에서 가장 많이 나타났다. 1구역의 경우 4 cycle 이후부터 공기흡입형 파이프 전체의 성에와 같은 수분 입자가 고착되기 시작하였고, 이후 외기 노출에 의해 흰 성에가 녹아 결로를 형성하였다. 2, 3구역의 경우에는 외기 노출이 적고, 영하의 풍편을 직접적으로 닿지 않는 구역이기 때문에 파이프의 내⋅외부의 온도 차이가 크게 발생되지 않아 결로 현상이 진전되지 않았다. 4구역의 경우 온도 구배 실험 중 외기 노출 시 가장 큰 상온의 온도상승과 결로 현상이 많이 발생된 구역으로 외기 노출에 따른 고함량의 습기가 노출되고 공기흡입형 연기감지기 흡입기류에 의해 표면과의 접촉으로 성에⋅응결 후 결로 및 결빙되는 현상이 나타났다. 이에 따라 4구역은 외기의 습도를 가장 많이 접하고 뜨거운 습기가 첫 번째로 차가운 표면에 닿는 파이프 위치이기 때문에 결로가 가장 많이 발생하게 되는 것을 확인하였다. 1구역의 경우에도 냉동창고 영하의 풍편이 직접적으로 노출되는 구역이기 때문에 습한 공기가 가장 차가운 1구역의 파이프와 접촉해 이슬점 이하로 떨어져 응결이 큰 결로⋅결빙이 발생하는 것을 확인하였다.
3. 압력 센서를 통한 공기흡입형 파이프 흡입구 결로⋅결빙 현상 감지실험 결과 기류 표준화와 공기흡입형 연기감지기 팬을 가동한 상태의 압력 센서에서 1,058 mV가 측정되었고, 결로로 인한 파이프 흡입 구멍 막힘 현상 발생시 1곳 1,069 mV, 3곳 1,099 mV, 5곳 1,110 mV가 측정되면서 전압 값이 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 국내 냉동창고 화재감지 시스템인 공기흡입형 연기감지기에 대한 결로 및 결빙 현상에 대하여 재현실험을 진행하였고, 압력 센서를 통한 공기흡입형 파이프 흡입구 결로⋅결빙 현상 감지실험을 진행해 결로 현상 감지 방법에 관한 아이디어를 제공하였다. 이처럼 시대적 번영과 함께 나날이 증가하고 있는 냉동창고에 대한 적응성이 있는 화재감지 시스템을 개발하고자 한다면 냉동창고 내부 특성에 관한 연구가 지속적으로 이루어져야 될 것으로 판단된다. 또한 우리나라의 경우 공기흡입형 연기감지기는 국외 제품을 사용하고 있고 국산화 개발이 이루어지지 않고 있으며, 이에 따라 국책과제를 통해 차세대 연기감지기가 개발되고 있지만 이마저 IoT, 무선감지기 등에 치중되어 있어, 공기흡입형 연기감지기와 관련된 감지기는 전무한 실정이다. 이에 따라 현장 관리자들의 피로도가 축적되고 있는 상황을 개선하기 위해 압력 센서를 활용한 결로발생 확인과 공기흡입형 이중 파이프를 통한 결로를 예방할 수 있는 개선된 하드웨어적 공기흡입형 연기감지기를 개발한다면 소방산업 측면 및 실용화에 적극 활용될 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(RS-2022-00156237).