특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비 가압영역 설정에 따른 기밀성능 평가
Evaluation of Airtightness Performance in Special Evacuation Staircases based on Pressurization Zone Configuration for Smoke Control Systems
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Abstract
제연설비의 과압이 발생하지 않기 위해서는 출입문이 닫힌 상태에서의 누설 측정이 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 계단실과 부속실에 적용되는 가압 방식에 따른 기밀 성능을 체계적으로 측정하였다. 실험 대상 건물은 11층 높이의 철근콘크리트 구조로 건축되었다. 측정은 건물을 가압 및 감압하여 압력차를 유도하는 방법을 사용하였으며 측정 절차는 ISO 9972의 국제표준을 준수하였다. 실험 결과 각 가압방식별로 뚜렷한 특성 차이가 확인되었다. 동시가압 방식 적용 시 단독가압 대비 약 37%의 급기량 감소효과가 나타났으며 부속실의 경우 일반구역 대비 5배 이상 높은 단위면적당 누설특성이 확인되었다. 이는 가압방식별 차등화된 급기량 기준의 도입이 필요함을 시사한다.
Trans Abstract
Leakage measurements using closed doors are necessary to prevent overpressure in smoke control systems. Following the ISO 9972 guidelines, this study measured the airtightness performance of different pressurization methods by applying them to staircases and auxiliary rooms in an 11-floor reinforced concrete building. The results showed that the simultaneous pressurization method reduced the airflow by approximately 37% compared to individual pressurization and that the auxiliary room exhibited a leakage per unit area more than five times higher than that of general areas. These findings highlight the need for differentiated airflow standards based on pressurization methods.
1. 서 론
제연설비의 성능을 정확하게 평가하기 위해서는 출입문이 닫힌 상태에서의 기본 성능 측정이 필요하다(1). 현행 제연설비 성능평가 과정에서 출입문 개방 조건이 포함되어 있으나, 이는 연계된 공간들 사이의 복잡한 상호작용을 반영하지 못해 신뢰도 높은 평가가 곤란한 실정이다.
출입문이 열린 상황에서는 거실과 계단실, 부속실 등 연결된 공간들의 기밀특성이 상호 영향을 주고받기 때문에, 단순 개방 조건에서의 측정만으로는 제연성능이 실제와 다르게 나타날 수 있다. 이러한 이유로 제연구역의 기초적인 성능 평가는 출입문이 닫힌 상태에서 이루어져야 하며, 불가피하게 출입문 개방 상황을 검토해야 하는 경우라면 연계된 공간을 아우르는 제연구역 설정과 구체적인 성능 기준 수립이 선행되어야 한다.
본 연구는 계단실과 부속실에 적용되는 다양한 가압 방식에 따른 기밀 성능을 체계적으로 분석하고, 각 가압 방식별 누설량 및 급기량을 실물실험을 통해 측정함으로써 개선된 제연설비 설계방안을 도출하는 것을 목표로 한다. 이러한 연구를 통해 고층 건물의 수직 피난로에서 연기 제어의 효율성을 증진시키고, 화재 발생 시 질식으로 인한 인명 손실을 최소화할 수 있는 신뢰성 높은 제연설비의 설계 및 운영 방안을 제시하고자 한다.
2. 제연구역의 특성 및 설치기준
2.1 제연구역의 가압 방식별 특성
제연설비는 가압 방식에 따라 계단실 단독 가압, 부속실 단독 가압, 그리고 계단실과 부속실의 동시 가압으로 분류할 수 있다. 이러한 각각의 방식은 고유한 장점과 한계점을 지닌다. 건물의 규모와 기밀도, 외부 환경 등의 조건에 따라 각 가압방식의 효과는 상이하게 나타난다. 특히 고층 건축물에서는 연돌효과가 강하게 작용하여 이러한 요소들이 제연성능에 보다 중대한 영향을 미치게 된다. 따라서 건축물의 고유 특성과 실제 사용 환경을 종합적으로 고려한 최적의 가압방식 선정이 필수적이며, 선택된 방식에 맞는 적정 차압과 기밀성능 확보가 요구된다.
2.2 제연구역에 관한 국내외 기준
계단실 가압시스템에 관한 선행 연구들은 이 분야를 다각도로 검토해왔다. 이 시스템은 화재 발생 시 연기 확산을 억제하고 안전한 대피로를 확보하는 데 핵심적인 기능을 수행하지만, 다수의 연구에서 시스템의 한계점도 함께 지적되어 왔다.
제연설비의 성능 요건과 관련하여, 국내 화재안전기준(2)은 제연구역의 방연풍속과 차압, 누설량 등에 대한 구체적인 기준치를 규정하고 있다. 차압과 개방력에 대한 기준은 제연효과와 원활한 피난을 동시에 고려하여 설정되었으며, 40 Pa 이상의 차압은 연기 유입을 방지하기 위한 최소 요구치이다. 다만 스프링클러가 설치된 공간의 경우, 화재 위험이 상대적으로 낮다고 평가되어 12.5 Pa의 완화된 기준이 적용되고 있다.
제연설비의 운영 기준은 국제적으로도 다양한 범위를 보이고 있다. 출입문 개방 상황에서는 스프링클러 설치 여부와 과압 가능성을 고려하여 10 Pa에서 최대 80 Pa 사이의 차압 유지를 권고하고 있으며, 출입문 개방에 필요한 힘은 90 N에서 133 N 범위 내에서 허용하도록 규정하고 있다(3-8). 이는 Figure 1 에 나타내었다. 이처럼 국가별로 상이한 기준이 적용되고 있다는 사실은, 모든 제연구역에 보편적으로 적용 가능한 표준화된 기준이 아직 확립되지 않았음을 시사한다.
Comparison of national standards.
2.3 건물의 기밀성능 평가 기준
건물의 기밀성능은 에너지성능에 영향을 미치는 중요한 요소로서, 각 국가에서는 건물 및 건물 구성 요소들이 달성해야 하는 기밀성능 값을 제시하고 있다. 기밀성능 기준은 건물의 용도나 규모에 따라 최소한으로 달성되어야 하는 기준과 같이 건물에서 요구하는 성능을 만족시키기 위해 등급에 따라 제시되는 기준으로 구분된다.
국외에서는 기후 조건, 건물 유형, 설비 및 규제사항들을 고려하여 기밀성능 기준을 제시하고 있으며, 주로 일정한 압력차에서의 ACH50 또는 air permeability로 표현된다. 미국의 경우 75 Pa 압력차에서 ≤ 1.7~2.2 L/(s⋅m2)의 기준을 제시하고 있으며(9), 영국은 50 Pa 압력차에서 ≤ 5~8 m3/(h⋅m2)의 기준을 가지고 있다(10,11). 독일은 50 Pa 압력차에서 기계환기 유무에 따라 ≤ 1.5~3.0 h의 기준을 적용하고 있다(12,13).
국제 친환경 건축물 인증제도(LEED)에서는 ≤ 1.5 ACH, ≤ 4.25 ACH 기준을 제시하고 있으며, 미국공조냉동공학회(ASHRAE)에서는 75 Pa에서 재료나 건물의 형태에 따라 ≤ 0.02 L/(s⋅m2), ≤ 0.2 L/(s⋅m2), ≤ 1.25 L/(s⋅m2)의 기준을 제시하고 있다(14). 특히 passive house institute에서는 가장 엄격한 기준인 ≤ 0.6 ACH at 50 Pa, ≤ 1.0 ACH at 50 Pa을 요구하고 있다(15).
국내의 경우 제도적으로 지정된 명확한 기밀성능 기준은 없으며, ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’과 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에서 현관문 및 창호에 대한 기밀성능만을 일부 고시하고 있다. 건축물에너지효율등급인증에서는 주거 부문의 경우 예비 인증 시 6.0 회/h, 본 인증 시 실측값을 사용하도록 하고 있으며, 비주거 부문의 경우 1.5 회/h를 적용하도록 규정하고 있다. 이는 Table 1에 나타내었다.
International Airtightness Level Standards
3. 실험 시나리오
3.1 실험 시나리오 설정
연구의 실험 대상으로 선정된 건물은 P대학교의 건물로, 지상 11층 높이의 철근콘크리트 구조로 건축되었다. 이 건물의 계단실은 중앙부에 위치해 있으며, 각 층의 계단실과 일반 거실 공간 사이에는 부속실이 설치되어 있다.
이러한 부속실은 화재 발생 시 연기가 계단실로 유입되는 것을 방지하도록 설계되었으며, 계단실과 부속실 각각에는 방화문이 설치되어 화재 안전성을 확보하고 있다. 실험의 정확성을 확보하기 위해 외부 환경 요인의 영향을 최소화하는 여러 통제 조치를 실시하였다. 외기와 접하는 모든 개구부는 폐쇄 상태를 유지했으며, 기계환기 및 공조 시스템은 모두 가동을 중단한 상태에서 실험을 진행하였다. 연돌효과의 영향을 통제하기 위해 실내외 온도차를 2 ℃ 미만으로 제한하였고, 실험의 신뢰도를 높이기 위해 각 시나리오마다 반복 측정을 실시하였다. 실험 건물의 외관은 Figure 2에, 실험 장소는 Figure 3에 나타내었다.
Exterior view of the building.
Measurement setup for the experiment.
또한 ISO 9972에서 규정하는 측정 제약 조건을 준수하여 풍속 3 m/s 이하, 높이와 온도차의 곱이 250 mK 미만인 상황에서만 실험을 수행함으로써 외부 기상 조건이 실험 결과에 미치는 영향을 최소화하였다.
본 연구의 실험은 제연방식별 기밀성능을 비교 분석하기 위해 네 가지 시나리오로 구성하였다. 시나리오는 부속실이 없는 계단실 단독가압, 부속실이 있는 계단실 단독가압, 부속실 단독가압, 그리고 계단실 및 부속실 동시가압으로 구분하였다. 계단실의 경우 연속된 부속실의 상태에 따라 실험 결과가 달라질 수 있어 거실과 부속실을 연결하는 방화문을 개방한 상태와 폐쇄한 상태로 케이스를 나눠 측정하였다.
실험 대상 건물은 계단실과 부속실로 구성된 11층 규모의 건축물이다. 계단실의 내부 부피는 982.1 m3이며, 외피 면적은 953.6 m2, 바닥면적은 21.1 m2이다. 건물의 전체 높이는 46.5 m로, 지상 1층부터 11층까지 계단실이 연결되어 있고 각 층마다 계단실과 연결된 부속실이 설치되어있다. 이는 Table 2에 나타내었다.
Building Interior Specifications
계단실과 거실 공간 사이에는 층별로 부속실이 설치되어 있으며, 부속실의 제원은 다음과 같다: 부피 6.24 m3, 바닥 면적 2.4 m2, 외피 면적 20.92 m2, 높이 2.6 m 각 층마다 하나의 부속실이 독립적으로 설치되어 있다. 각 부속실에 실험장비를 설치한 형태는 Figure 4에 나타내었다.
Pressurization area configuration by pressurization method.
4. 제연구역 급기량 및 기밀성능 평가
4.1 계단실 단독가압(부속실 개방) 기밀성능
계단실 단독 가압방식은 부속실을 개방한 경우 가압 시 801~2,204 m3/h, 감압 시 685~2,330 m3/h의 누설량을 보였고, 공기 유동계수는 211.3/143.1로 나타났고, 유체지수의 경우 0.572/0.688로 층류와 난류의 혼합흐름 특성을 보였다. 이에 따른 기밀성능 그래프와 관련 세부 측정치는 Figure 5와 Table 3에 나타내었다.
Building leakage in stairwells pressurization and depressurization (Vestibules open).
Summary of Pressurization and Depressurization in Stairwells (Vestibules Open)
유효누설면적 분석에서는 50 Pa 기준(ELA50) 0.0620 m2로 측정되었다. 특히 단위면적당 유효누설면적을 비교한 결과, 외피면적 기준(ELAE50) 0.657 cm2/m2 값을 보였다. 또한, 누설특성 비교 결과, 시간당 환기율은 2.17 회/h로 나타났다.
4.2 계단실 단독가압(부속실 폐쇄) 기밀성능
계단실 단독 가압방식은 부속실을 폐쇄한 경우 가압 시 711~2,031 m3/h, 감압 시 611~2,231 m3/h의 누설량을 보였고, 누설특성 계수 분석 결과, 유동계수는 가압과 감압에서 각각 179.2/147.0로 나타났고, 유체지수의 경우 0.590/0.670로 층류와 난류의 혼합흐름 특성을 보였다. 이에 따른 기밀성능 그래프와 관련 세부 측정치는 Figure 6과 Table 4에 나타내었다.
Building leakage in stairwells pressurization and depressurization (Vestibules close).
Summary of Pressurization and Depressurization in Stairwells (Vestibules Close)
유효누설면적 분석에서는 50 Pa 기준(ELA50) 0.0579 m2로 측정되었다. 특히 단위면적당 유효누설면적을 비교한 결과, 외피면적 기준(ELAE50) 0.613 cm2/m2 값을 보였다. 또한, 누설특성 비교 결과, 시간당 환기율은 2.03 회/h로 나타났다.
4.3 부속실 단독 가압방식 기밀성능
부속실 단독 가압방식은 가압 시 81~256 m3/h, 감압 시 85~249 m3/h의 누설량을 보였고 누설특성 계수 분석 결과, 유동계수는 가압과 감압에서 각각 17.3/21.9 로 나타났고, 유체지수의 경우 0.661/0.597로 층류와 난류의 혼합흐름 특성을 보였다. 이에 따른 기밀성능 그래프와 관련 세부 측정치는 Figure 7과 Table 5에 나타내었다.
Building leakage in vestibules pressurization and depressurization.
Summary of Pressurization and Depressurization in Vestibules
유효누설면적 분석에서는 50 Pa 기준(ELA50) 0.0069 m2로 측정되었다. 특히 단위면적당 유효누설면적을 비교한 결과, 외피면적 기준(ELAE50) 3.302 cm2/m2 값을 보였다. 또한, 누설특성 비교 결과, 시간당 환기율은 36.32 회/h로 나타났다.
4.4 계단실 및 부속실 동시 가압방식 기밀성능
계단실 및 부속실 동시 가압방식은 가압 시 1,304~3,155 m3/h, 감압 시 1,578~3,943 m3/h의 누설량을 보였고 누설특성 계수 분석 결과, 유동계수는 가압과 감압에서 각각 399.7/468.5로 나타났고, 유체지수의 경우 0.501/0.515로 층류, 난류 혼합흐름 특성을 보였다. 이에 따른 기밀성능 그래프와 관련 세부 측정치는 Figure 8과 Table 6에 나타내었다.
Building leakage in simultaneous pressurization and depressurization.
Summary of Simultaneous Pressurization and Depressurization
유효누설면적 분석에서는 50 Pa 기준(ELA50) 0.0960 m2로 측정되었다. 특히 단위면적당 유효누설면적을 비교한 결과, 외피면적 기준(ELAE50) 1.017 cm2/m2 값을 보였다. 또한, 누설특성 비교 결과, 시간당 환기율은 3.36 회/h로 나타났다.
4.5 전체 기밀성능 결과 비교
실험 결과에 따르면 부속실 단독가압, 계단실 단독가압, 계단실 및 부속실 동시가압 순으로 누설량이 전체적으로 증가하는 결과를 보였으며 가압과 감압 모두 비슷한 양상을 나타내었다. 누설량 데이터는 Table 7에 나타내었고, 이에 따른 기밀성능 그래프 비교를 Figure 9에 나타내었다.
Flow Rates by Pressurization Method
Flow rate by pressurization method.
실험 결과, 부속실의 존재는 계단실의 급기량을 약 21% 증가시키는 것으로 나타났으며, 이는 부속실이 계단실의 공기 흐름에 상당한 영향을 미친다는 것을 의미한다. 급기량 측면에서 동시가압 방식에서는 각 단독 가압방식의 총합에 비해 약 37%의 급기량 감소 효과가 나타났다. 환기율 측면에서는 부속실 단독가압 방식이 36.32 /h로 가장 높은 값을 보였으며, 동시가압의 경우 전체 누설량은 증가했지만, 단위 체적당 누설량은 단독가압 방식과 큰 차이가 없었다.
제연구역의 가압방식별 특성을 보면, 유동 특성에서는 단독 가압 시 유체지수(n)가 0.62~0.63 범위를 보이며 유사한 특성을 나타냈으나, 동시가압에서는 0.5에 가까운 값을 보여 난류 특성이 강화되는 것으로 확인되었다. 이와 관련된 데이터는 Table 8에 나타내었다.
Leakage Coefficients by Pressurization Method
유효누설면적 측면에서는 부속실 단독가압 방식의 외피면적 대비 누설면적이 가장 높은 반면, 계단실 단독 가압은 단위면적당 누설면적이 가장 낮아 각 방식의 차별성을 확인할 수 있었다. 분석 결과, 제연구역의 가압방식별 주요 특성이 도출되었다. 부속실 단독가압 방식의 단위면적당 누설면적이 다른 가압방식에 비해 5배 이상 크게 나타난 점은 주목할 만한 결과다. 동시가압에서는 전체 누설면적이 증가했지만, 단위면적당 누설면적은 상대적으로 양호한 수준을 유지했다. 또한, 부속실은 계단실의 단위면적당 누설면적을 21% 증가시키는 것으로 나타나, 제연구역 전체의 기밀성능에 중요한 영향을 미친다는 점을 보여준다. 이에 대한 데이터는 Table 9에 나타내었다.
Leakage Areas by Pressurization Method
5. 결 론
본 연구에서는 제연구역의 가압방식별 기밀성능을 다양한 지표를 통해 정량적으로 평가하고, 각 방식의 특성을 비교분석하여 최적 운영방안을 제시하였다. 특히 기존 연구에서 다루지 않았던 동시가압 시의 누설특성과 부속실의 단위체적당 누설량 문제를 실험적으로 규명하였다.
(1) 각 가압방식별 압력차(10~60 Pa)에 따른 누설량을 측정한 결과, 계단실 단독가압은 부속실을 개방한 경우, 가압 시 801~2,204 m3/h, 감압 시 685~2,330 m3/h의 누설량을 보였고 부속실을 폐쇄한 경우, 가압 시 711~2,031 m3/h, 감압 시 611 ~2,231 m3/h의 누설량을 보였다. 부속실 단독가압은 가압 시 81~256 m3/h, 감압 시 85~249 m3/h의 가장 낮은 누설량을 나타냈다. 동시가압의 경우 가압 시 1,304~3,155 m3/h, 감압 시 1,578~3,943 m3/h로 가장 높은 누설량을 보였으나, 이는 각각의 단독가압 누설량 합 대비 37% 낮은 수준으로, 동시제연시 급기량이 낮아짐을 확인하였다.
(2) 누설특성 계수 분석 결과, 유동계수는 계단실 단독가압이 감압/가압 시 부속실을 개방한 경우와 폐쇄한 경우, 각각 211.3/143.1, 179.2/147.0로 나타났고 부속실 단독가압이 17.3/21.9, 동시가압이 399.7/468.5로 나타났다. 유체지수의 경우 계단실은 부속실 개방 시 0.572/0.688, 폐쇄 시 0.590/0.670, 부속실은 0.661/0.597로 층류, 난류 혼합흐름 특성을 보였으며, 동시가압은 0.501/0.515로 난류 특성이 지배적임을 확인하였다. 모든 측정에서 결정계수(R2)가 0.98 이상으로 나타나 높은 신뢰도를 확보하였다.
(3) 유효누설면적 분석에서는 50 Pa 기준(ELA50) 계단실이 부속실 개방 시 0.0620 m2, 폐쇄 시 0.0579 m2, 부속실이 0.0069 m2, 동시가압이 0.0960 m2로 측정되었다. 특히 단위면적당 유효누설면적을 비교한 결과, 외피면적 기준(ELAE50) 부속실이 3.302 cm2/m2로 계단실 0.657 cm2/m2, 0.613 cm2/m2과 동시가압 1.017 cm2/m2 대비 현저히 높은 값을 보였다. 이는 부속실의 작은 체적 대비 방화문, 설비 관통부 등 다수의 누설경로가 존재하기 때문으로 분석된다.
(4) 50 Pa 기준 누설특성 비교 결과, 시간당 환기율은 계단실 단독가압이 2.17 회/h, 2.03 회/h, 동시가압이 3.36 회/h로 나타났으며 부속실이 36.32 회/h로 부속실의 높은 시간당 환기율은 타 가압방식 대비 제연설비의 낮은 가압 효율을 나타낸다.
(5) 압력-유량 관계 분석을 통해 각 가압방식별 급기량 예측식을 도출하였다. 계단실 단독가압은 부속실이 개방된경우 Q = 177.2 × P0.630, 부속실이 폐쇄된경우 Q = 163.1 × P0.630, 부속실 단독가압은 Q = 19.6 × P0.629, 동시가압은 Q = 434.1 × P0.508의 관계식을 얻었으며, 이는 건물의 형태 및 특성을 반영한 수치로 건물 내 급기량 산정을 위해 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
전체적인 실험 결과를 통해 각 가압방식별로 뚜렷한 특성 차이가 있음을 확인하였다. 특히 동시가압 방식이 단독가압 대비 37% 누설량 감소효과를 보인다는 점과, 부속실의 단위면적당 누설면적이 일반구역 대비 5배 높다는 점은 제연설비 설계 시 고려해야 할 사항이다. 이러한 결과는 현행 화재안전기준의 개선 방향을 제시하는 실증적 근거가 될 수 있다.
그러나 본 연구는 단일 건물에서의 실험 결과이므로 모든 건축물에 일반화하기는 어렵다는 한계가 있다. 향후 연구에서는 다양한 건축물 유형과 규모, 환경조건에 대한 실험을 통해 보다 일반화된 기준을 도출할 필요가 있으며, 특히 부속실의 높은 단위체적당 누설량 개선을 위한 상세 연구가 필요할 것으로 확인된다. 또한 연돌효과나 외부 환경조건이 제연성능에 미치는 장기적 영향에 대한 추가 연구도 필요할 것으로 판단된다.
Notes
후 기
이 논문은 국립부경대학교 자율창의학술연구비(2023년)에 의하여 연구되었음. 또한 논문은 제1저자의 공학석사학위청구논문을 기반으로 수정, 보완하여 작성되었음.