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1. 연구배경 및 목적 

제연설비는 화재 시 발생한 연기가 부속실, 계단실 등 피난 경로로 확산되는 것을 방지하고, 피난자의 안전한 대피와 소방활동을 지원하기 위해 설치된다(1). 현행 법령(2)은 제연 방식을 세 가지 유형(부속실 단독 제연, 계단실 및 부속실 동시 제연, 계단실 단독 제연)으로 구분하고 있으며, 실제 건축물에서는 부속실 단독 제연 방식이 가장 일반적으로 적용된다(3). Table 1에는 제연구역의 선정방식에 따라 방연풍속 기준을 나타내었다. 이 방식은 거실과 계단실 사이에 위치한 부속실에 외부의 신선한 공기를 공급하여 부속실 내 압력을 상승시키고, 이를 통해 연기의 유입을 차단하는 원리이다. 그러나 피난 시 출입문이 개방되면 부속실과 실내 사이의 압력 차가 사라지며, 이로 인해 연기 유입이 발생한다. 이를 보완하기 위해 제연댐퍼가 자동으로 개방되어 추가 풍량을 공급하고, 출입문에서 일정 이상의 방연풍속을 확보함으로써 연기의 역류를 억제한다. 따라서 부속실 단독 제연 방식에서 방연풍속은 성능 확보를 위한 핵심 요소이다.

Table 1

Air Egress Velocity

Figure 1에는 현재 법령(4)에 제시된 방연풍속 측정점을 나타내었다. 출입문 폭과 높이를 균등하게 분할하여 10개 이상의 측정점을 선정하고, 각 지점에서 풍속을 측정한 후 평균값을 산정하는 방식으로 방연풍속을 평가하고 있다.

Figure 1

Measurement points of air egress velocity (mm).

선행 연구(5,6)에 따르면, 제연댐퍼의 설치 위치, 날개 각도, 출입문 개수 등의 영향으로 출입문 면에서 풍속의 분포가 불균일하게 나타났으며, 현행 측정방식이 이를 충분히 반영하지 못할 가능성이 제기된다.

이에 본 연구는 법령에서 제시한 방연풍속 산정방법의 적합성을 검토하고, 측정점의 개수 및 배치 위치가 방연풍속 및 방연풍량 산정에 미치는 영향을 분석함으로써 보다 신뢰도 높은 측정 기준의 개선 가능성을 제시하고자 한다.

2. 부속실 방연풍속 측정 방법

본 실험은 Figure 2(a)에 나타낸 바와 같이 제연송풍기, 챔버, 제연댐퍼, 부속실 및 출입문으로 구성된다. 부속실 후면에 설치된 제연송풍기를 통해 유입된 공기는 수직 챔버와 제연댐퍼를 거쳐 부속실로 유입되고 최종적으로 부속실 문을 통해 유출된다. 부속실의 크기는 폭 1.84 m, 높이 2.14 m, 깊이 1.84 m이며, 출입문은 폭 0.81 m, 높이 2.06 m, 깊이 0.10 m이다. 부속실과 연결된 챔버의 크기는 폭 0.70 m, 높이 2.20 m, 깊이 0.49 m이며, 제연댐퍼는 Figure 2(b)에 제시된 규격(폭 0.36 m, 높이 0.52 m, 깊이 0.075 m)을 적용하였다. 제연 댐퍼 성능은 부속실 차압이 40 Pa 미만일 시 하향식으로 60°으로 개방되며 차압 40 Pa 이상일 시 0°로 폐쇄된다. 본 실험에서는 설정 차압이 40 Pa이며 댐퍼 작동 시 날개 각도는 하향식에 60°를 유지한다. 제연송풍기는 Figure 2(c)와 같이 챔버와 연결되어 있으며, 정격 풍량은 1.056 m³/s, 정격 압력은 392 Pa이다.

Figure 2

Subject of experiment.

Table 2와 Figure 3은 방연풍속 측정점의 구성을 나타내었으며 Case 1은 현행 법령에서 제시한 방식으로, 출입문의 폭과 높이를 균등하게 분할하여 총 10개소의 측정점을 배치하였다. Case 2부터 Case 8까지는 출입문 면적을 각각 10, 20, 40, 80개로 동일하게 분할한 뒤, 각 면적의 중심에 측정점을 설정하였다. 각 측정점에서 풍향을 측정하기 위해 Figure 4와 같이 50 cm 철사 끝에 3 cm의 실(tuft)을 매달아 실의 끝부분을 측정점에 위치시켜 실의 방향을 통해 풍향을 측정하였다. 풍속 측정에는 열선식 풍속계(VT110, KIMO Instruments)를 사용하여 측정하였다. 본 장비의 풍속 측정 범위는 0.15~30.0 m/s, 온도 측정 범위는 –20 ℃~+80 ℃이며, 각각의 정확도는 풍속의 경우 ±3%, 온도의 경우 ±0.3% 이내의 오차 범위를 유지한다.

Table 2

Cases of Measurement Point of Air Egress Velocity

Figure 3

Measurement points.

Figure 4

Wind direction measuring tools and measurement appearance.

실험은 부속실 출입문을 개방한 후 송풍기를 약 5 min간 작동시켜 유동이 안정화된 후 측정을 시작하였다. Figure 5는 각 Case에 대해 한 측정점당 약 60 s간 풍속을 측정하는 실험 모습을 나타내었다. 측정은 사진과 같이 측정기기를 고정하는 역할자와 측정값을 판독하는 역할자로 구분하여 진행하였다. 모든 Case에 대해 동일 조건으로 3회 반복 측정을 실시하였으며, 그 평균값을 출입문의 방연풍속으로 산정하였다.

Figure 5

Wind speed measurement appearance.

3. 실험 결과

3.1 방연풍속의 분포 특성

실험 결과, Figure 6과 같이 모든 Case에서 출입문 상부 및 하부에서 상대적으로 높은 풍속이 관측되었으며, 측정점의 수가 많고 세로 방향으로 세밀하게 배치될수록 뚜렷한 속도 기울기가 확인되었다. 또한, 제연댐퍼의 위치, 날개 각도 등 부속실의 구조적인 특성으로 인해 일부 측정점에서는 음(-)의 풍속이 측정되는 것으로 판단된다.

Figure 6

Air egress velocity distribution for each case.

이러한 결과는 동일한 송풍기 성능 및 구조 조건하에서도 측정점의 배치 위치와 개수에 따라 방연풍속 산정값이 달라질 수 있음을 시사한다.

3.2 방연풍량 산정

방연풍량은 각 측정점이 대표하는 면적과 해당 점에서 측정된 풍속을 곱하여 면적별 풍량을 구한 후, 이를 모두 합산하여 산정하였다. Table 3은 산출된 방연풍량, Q 및 각 측정점과 평균값 간의 표준편차, σ를 정리한 것이다. 측정점 수가 많을수록 방연풍량이 증가하고 표준편차는 감소하는 경향이 나타났다. 또한 이러한 경향은 출입문 상⋅하부의 풍속 기울기를 보다 정밀하게 반영한 결과로 판단된다.

Table 3

Air Egress Flow Rate and Standard Deviation for Each Case

3.3 Case별 방연풍량 비교 및 오차율 분석

Figure 7은 각 Case에서 산정된 부속실 출입문 통과 방연풍량을 나타낸 것이다. 특히, Case 7은 출입문 상⋅하부의 풍속 분포를 가장 정밀하게 재현한 것으로 판단되며, 본 실험에서 가장 적합한 측정 방법으로 평가된다. 이를 기준으로 분석한 결과, 나머지 Case들의 방연풍량 오차율은 Case 1이 –54.9%, Case 2가 –48.9%, Case 3이 –24.9%, Case 4가 –21.1%, Case 5가 –12.8%, Case 6이 –18.1%, 그리고 Case 8은 –7.3%로 산출되었다.

Figure 7

Air egress flow rate for each case.

분석 결과, 측정점의 수가 많을수록, 그리고 출입문 높이 방향으로 세밀하게 측정점을 배치할수록 Case 7과 유사한 결과를 도출하는 경향이 나타났다. 이는 출입문 상⋅하부에 존재하는 강한 속도 기울기가 세로 방향의 정밀한 측정 배치를 통해 보다 효과적으로 반영되었음을 의미한다. 따라서 측정점의 공간적 분포가 방연풍량 산정 정확도에 직접적인 영향을 미치는 주요 요인임을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구는 현재 법령에 따른 부속실 출입문 방연풍속 산정 방법의 적절성을 검토하고, 측정점의 개수 및 배치 방식이 방연풍속 및 방연풍량 산정 결과에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

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