1. 서 론
물류창고 화재는 대량의 가연물이 고밀도로 적재된 환경에서 발생하며, 급격한 화재확산과 높은 열방출률로 인해 대형 인명 및 재산 피해로 이어질 위험이 크다(1-3). 또한 물류창고의 내부는 적재 구조가 복잡하고 확산경로가 다양하여 화재 특성이 조건에 따라 크게 달라질 수 있다(4). 특히 점화 이후 화염이 확산되는 과정과 열방출률 발달 특성은 화재 성장 속도뿐만 아니라 최종 화재 규모를 결정하는 핵심 요인으로 작용한다(5). 따라서 물류창고의 화재위험성을 신뢰성 있게 평가하고 효과적인 대응 전략을 수립하기 위해서는 화재 진행 과정에서의 열방출 특성과 성장 거동에 대한 이해가 필수적이다. 이를 위해 실제 물류 환경에서 빈번하게 사용되는 주요 가연물에 대한 실험적 검토가 필요하다.
골판지 상자(corrugated cardboard box)는 물류창고에서 포장재로 가장 광범위하게 사용되는 대표적인 가연물 중 하나이다(6,7). 골판지는 구조적 비균질성으로 인해 화재 거동의 실험 간 편차가 크게 나타날 수 있는 재료로 알려져 있으며, 점화 조건에 따라 화염확산과 열방출률이 급격히 변화하는 특성을 갖는다(8,9). 이러한 특성으로 인해 골판지 상자 화재는 열방출률의 변동성과 높은 화재 성장 위험성이 동시에 나타나, 물류창고 화재의 주요 위험 가연물로 평가된다. 이와 관련하여 물류창고의 화재위험성을 정량화하기 위한 노력으로, 주로 물류창고 내 포장재 및 고체 가연물을 대상으로 재료 물성, 환기 조건, 적재 규모 혹은 크기와 같은 거시적 조건 변화에 따른 화재 특성 중심의 연구가 수행되어왔다(10-13). 그러나 실제 물류창고 화재에서는 가연물 전체가 동시에 점화되기보다 특정 위치에서 국부적으로 점화가 시작되는 경우가 일반적이며, 점화 위치는 초기 화염 형성과 확산 방향을 결정함으로써 화재 특성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 그럼에도 불구하고 기존 다수의 연구에서는 점화 위치를 주요 변수로 고려하기보다는 특정 위치로 제한하여 수행된 사례가 많아, 점화 위치 및 에너지의 복합적 영향을 체계적으로 분석한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
점화 위치 및 에너지가 골판지 상자 화재의 성장 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해서는 시간에 따라 변화하는 화재 성상을 정량적으로 나타낼 수 있는 열방출률이 활용될 수 있다(14,15). 이때 열방출률을 기반으로 잠복기(incubation time), 화재성장률(fire growth rate), 최대 열방출률(peak heat release rate), 총열량(total heat release) 및 연소 지속시간(duration time)과 같은 핵심 화재 거동 인자를 도출할 수 있으며, 이는 점화 조건 변화에 따른 화재 성장 특성을 체계적으로 비교할 수 있는 기준을 제공한다(5,16). 따라서 이러한 지표들을 통해 점화 위치 및 에너지 조건의 영향을 체계적으로 규명하는 것은 물류창고의 대표적인 포장재에 대한 화재위험성 평가를 위한 기초 자료로써 중요한 의미를 가질 수 있다.
본 연구의 목적은 골판지 상자 화재에서 점화 위치 및 에너지 변화가 화재 성장 특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 것이다. 이를 위해 점화 위치와 점화 에너지를 주요 실험 변수로 설정하여 화재실험을 수행하고, 측정된 열방출률을 기반으로 화재 거동 인자 중 유의미한 잠복기, 화재성장률 및 최대 열방출률을 도출하여 점화 조건에 따른 차이가 정량적으로 비교⋅분석되었다.
2. 실험 조건 및 방법
2.1 열방출률 측정
본 연구에서는 점화 위치 및 에너지가 골판지 상자의 화재 성장 특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 한 변의 길이가 0.2 m인 정육면체 형상의 골판지 상자 화재실험이 수행되었다. 가연물은 실험 환경에서의 배기 후드 포집 효율과 배기 시스템 운전 유량 범위를 고려하여 선정되었으며, 실험의 재현성을 확보하기 위하여 골판지 상자는 자연대류 건조기에서 105 ℃로 48 h 건조하여 함수율의 영향을 최소화하였다(17).
골판지 상자 화재실험은 Figure 1(a)에서 제시된 300 kW급 중형 칼로리미터의 배기 후드 하에서 수행되었으며, 연소생성물은 후드를 통해 덕트로 포집되도록 구성되었다(18,19). 포집된 연소생성물은 충분히 혼합된 구간에서 계측되었으며, 배기 유량은 덕트 내에 삽입된 블레이드형 평균 피토관으로 측정된 차압으로부터 산정되었다. 배기가스 온도는 덕트 단면에서 서로 다른 반지름 위치에 설치된 세 지점의 열전대 측정값을 평균하여 산정하였으며, 이는 배기가스 밀도 보정에 적용되었다. 덕트 내 O2 농도는 상자성 분석기(paramagnetic analyzer)를 이용하여 측정하였고, CO 및 CO2는 비분산 적외선 분석기(NDIR analyzer)를 통해 연속 측정되었다. 또한, soot의 체적 분율은 He-Ne 레이저와 광검출기를 이용한 광소멸법(light extinction method)을 통해 산출되었다(20). 이러한 계측 결과를 바탕으로 열방출률은 산소소모법(oxygen consumption)에 따라 계산되었다(21).
2.2 주요 실험 변수 설정
골판지 상자의 화재 성장 특성에 영향을 미칠 수 있는 주요 실험 변수로써, 본 연구에서는 점화 위치 및 에너지를 고려하였다. 점화 위치는 정육면체 형상의 골판지 상자를 기준으로 화염확산 방향의 차이를 반영하여 선정되었다. Figure 1(b)에 나타낸 바와 같이, Top center (PTC)는 상자 상부에서의 점화를 통해 수평 화염확산이 상대적으로 지배적인 조건을 모사하며, Bottom center (PBC) 및 Bottom edge (PBE)는 하부 점화에 따른 상승 화염에 의해 수직 화염확산의 영향이 크게 나타나는 조건을 모사한다.
Figure 1
Schematic of calorimeter for heat of combustion measurements and experimental setup examples.
점화 에너지는 메탄올(CH3OH)의 용량(mL)을 기준으로 설정되었으며, 이는 점화원의 상대적 규모를 제어하기 위한 실험 변수이다. 메탄올은 점화성이 우수하고 연소 특성의 재현성이 높아 점화원으로 널리 사용되고 있다(22,23). 또한 소량 사용할 경우 자체 연소 지속시간이 짧아, 점화 이후의 화재 성장 거동은 주 가연물인 골판지 상자의 연소 특성에 의해 지배되는 조건을 구현할 수 있다. 점화 용량은 1, 2, 3 mL의 세 가지 조건으로 설정하였으며, 각 점화 위치에 해당하는 지점에서 일정한 크기의 세라크울에 함침하여 점화되었다. 각 점화 에너지 조건은 모든 점화 위치에 동일하게 적용하여, 점화 위치와 에너지가 화재 성장 특성에 미치는 영향을 독립적으로 비교⋅분석할 수 있도록 구성되었다. 각 실험 조건의 상세한 점화 위치 좌표 및 에너지 조건은 Table 1에 정리하여 제시되었다.
Table 1
Experimental Conditions for Corrugated Cardboard Box Fire Tests
2.3 열방출률 기반 화재 거동 인자 정의
가연물의 점화 위치 및 에너지의 변화는 화재의 성장 특성에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 따라 잠복기 화재성장률 및 최대 열방출률 등이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 점화 위치에 따른 화재 성장 거동의 차이를 비교하기 위해 화재 특성을 대표적으로 나타낼 수 있는 열방출률이 평가 지표로 설정되었다. 이때 주요 실험 변수에 따른 화재 성장 특성을 정량적으로 비교하기 위하여, 측정된 열방출률에 대해 Figure 2의 1-stage 설계화재곡선(design fire curve) 방법론을 적용하여 화재 거동 인자를 도출하였다(24). 주요 화재 거동 인자로써, 잠복기는 점화 이후 열방출률이at2의 형태로 증가하기 시작하는 최초 시점으로 정의되었다. 또한, 화재성장률은 최대 열방출률의 30%와 70% 지점을 2차 함수 형태로 근사하여 산정되었다. 이렇게 정의된 화재 거동 인자들은 점화 위치 및 에너지 조건에 따른 화재 성장 특성의 차이를 체계적으로 비교⋅분석하기 위한 정량적 지표로 활용되었다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 점화 위치 및 에너지에 따른 열방출률 결과
골판지 상자 화재는 내부 골에 의한 공극과 다층 구조로 인해 두께 방향의 유효 열전달이 불균일하게 형성되고, 공극 내에서 미세 자연대류 및 국부적 산소 공급에 차이가 발생하는 것으로 보고된 바 있다(25,26). 이러한 특성으로 인해 동일 조건에서도 화재 거동의 재현성과 반복성이 낮게 나타나는 경향이 확인되었다. 이에 본 연구에서는 이러한 변동성을 반영하기 위하여 5회의 반복 실험이 수행되었다.
Figure 3은 점화 에너지(메탄올의 점화 용량)가 2 mL일 때, 점화 위치 변화에 따른 화재 특성을 정성적으로 비교한 결과를 나타낸 것이다. 점화 시점(0 s)부터 420 s까지의 연소 과정을 60 s 간격의 순간 이미지로 제시하여, 점화 위치에 따른 화염 성장 양상과 연소 지속시간의 차이를 비교하였다. PTC 점화의 경우, 점화 이후 화염이 골판지 상자 표면을 따라 수평 및 하향 방향으로 확산되는 거동이 관찰되었다. 반면, PBC 및 PBE 조건에서는 점화 직후 화염이 수직 방향으로 빠르게 성장하며, 동일 시간대에서 PTC 조건에 비해 상대적으로 큰 화염 길이가 확인되었다. 특히 PBE 조건에서는 모서리 부위에서의 국부 점화로 인해 화염이 비대칭적으로 발달하는 경향이 관찰되었다. 연소 지속시간의 측면에서, PBC 조건은 약 300 s 시점에서 연소가 종료되어 다른 점화 위치 조건에 비해 비교적 짧은 연소 지속시간이 나타났다.
Figure 3
Comparison of flame photograph for different ignition locations in ignition energy of 2 mL.
Figure 4는 점화 위치에 따라 세 가지의 점화 에너지가 적용되었을 때의 열방출률 곡선을 나타낸 것이다. 이때 도시된 열방출률 곡선은 각 실험 조건에 대한 반복 실험을 통해 평균된 결과로, 잠복기의 종료 시점에서 실험 간 변동성이 가장 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 이러한 실험 간 편차를 보정하기 위하여, 각 실험의 열방출률 곡선은 잠복기가 종료되는 시점 즉, at2형 성장 구간이 본격적으로 시작되는 지점을 기준으로 시간 축을 정렬하여 평균 열방출률 곡선을 도출하였다. 모든 조건에서 열방출률은 점화 이후 잠복기를 거쳐 급격히 증가한 후 최대 열방출률에 도달하고 감소하는 전형적인 화재 성상을 보였으나, 이에 따른 성장 특성은 점화 위치 및 에너지 조건에 따라 차이가 확인되었다.
PTC 점화의 경우, 다른 점화 위치 조건에 비해 잠복기가 상대적으로 길게 나타났으며, 1-3 mL 조건에서 약 180-280 s 범위의 잠복기가 확인되었다. 열방출률의 상승 구간 또한 비교적 완만한 형태를 보였으며, 최대 열방출률은 약 18-22 kW 수준으로 가장 낮게 나타났다. 특히 점화 에너지가 3 mL로 증가함에 따라 잠복기는 감소하였으나, 최대 열방출률은 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 점화원이 상부에 위치함에 따라 화염이 부력에 의해 상향 발달하면서 골판지 상자 표면으로의 열 피드백이 제한되고, 연소가 국부적으로 진행되었기 때문으로 해석된다. 반면, PBC 점화에서의 잠복기는 약 70-140 s로 모든 점화 에너지 조건에서 가장 짧게 관찰되었으며, 열방출률이 급격히 증가하여 상대적으로 빠른 시간에 최댓값에 도달하였다. 특히 메탄올 2 mL 조건에서 열방출률 상승 구간의 변동성이 상대적으로 작고, 최대 열방출률이 46.5 kW로 가장 크고 안정적이게 나타났다. PBE 점화의 경우, 잠복기는 약 160-250 s 범위로 나타났고, 최대 열방출률은 약 34-38 kW로 확인되었다. 이때 최대 열방출률 도달 시점과 이후 감소 구간에서 동일하게 수직 화염확산이 지배적인 PBC 조건에 비해 변동성이 상대적으로 크게 나타났다. 이는 점화 위치가 모서리에 위치함에 따라 화염 전파가 국부적으로 집중되고, 연소 영역의 비대칭성이 증가한 결과로 판단된다. 이러한 결과는 점화 위치 및 에너지가 화재 성장에 복합적으로 영향을 미치며, 두 변수의 조합에 따라 화염 발달 양상과 화재 성장 특성이 크게 달라질 수 있음을 시사한다.
Figure 5는 점화 에너지를 각각 1, 2, 3 mL로 고정한 조건에서 점화 위치에 따른 열방출률을 비교한 결과를 나타낸 것이다. 이때 도시된 그림은 Figure 4와 동일한 열방출률 데이터를 기반으로 하되, 점화 에너지를 고정한 상태에서 점화 위치 변화에 따른 화재 성장 특성의 차이를 보다 명확히 비교하기 위해 재구성되었다. 마찬가지로 모든 점화 에너지 조건에서 열방출률은 점화 이후 잠복기를 거쳐 급격히 증가한 후 최대 열방출률에 도달하고 감소하는 전형적인 화재 성상을 보였으나, 점화 위치에 따라 잠복기, 화재성장률 및 최대 열방출률에 뚜렷한 차이가 나타났다.
점화 에너지가 1 mL 조건에서 PBC 점화는 약 80-140 s 범위의 가장 짧은 잠복기를 가지며, 최대 열방출률이 40.7 kW로 가장 크게 형성되었다. 반면 PTC 점화의 경우, 잠복기는 약 180-300 s로 비교적 길게 나타났고, 열방출률 상승 또한 완만하여 최대 열방출률은 26.8 kW 수준에 머물렀다. PBE 점화는 잠복기 이후 빠른 화재 성장 속도를 보였으나, 최대 열방출률 도달 시점과 감소 구간에서 변동성이 PBC 점화에 비해 상대적으로 크게 관찰되었다. 점화 에너지가 2 mL 조건에서도 점화 위치에 따른 화재 거동 양상의 차이는 유사하게 관찰되었으나, PBC 점화에서 최대 열방출률이 가장 크고 안정적이게 확인되었다. 3 mL 점화 에너지 조건에서는 열방출률의 전반적인 형성 양상이 2 mL 조건과 유사하게 나타났으나, 점화 에너지 증가에 따른 추가적인 최대 열방출률 증가는 제한적이었다. 특히 PTC 점화에서는 점화 에너지의 증가에도 불구하고 최대 열방출률이 오히려 감소하는 경향을 보였는데, 이는 점화원의 연소가 상부 국부 영역에 집중되면서 골판지 상자 전체로의 연소 확산이 제한되었기 때문으로 해석된다. 결과적으로, 동일한 점화 에너지 조건에서 점화 위치에 따라 화재 성장 거동과 최대 열방출률 형성 양상은 크게 달라졌으며, 이는 점화 위치가 화재 성장 특성에 미치는 영향이 점화 에너지 변화와 독립적으로 매우 크게 작용할 수 있음을 보여준다.
3.2 점화 위치 및 에너지가 화재 성장 특성에 미치는 영향
Figure 6은 점화 위치 및 에너지 변화에 따른 잠복기의 정량적인 차이를 비교한 결과이다. Figure 6(a)는 동일한 점화 위치 조건에서 점화 에너지에 따른 잠복기 변화를 나타낸다. 모든 점화 에너지 범위에서 PBC 점화가 가장 짧은 잠복기를 나타냈으며, PTC 점화가 가장 긴 잠복기를 보였다. 특히 동일한 점화 위치에서 에너지 변화에 따른 잠복기는 최대 45 s로 나타났으며, 이는 점화 에너지가 점화 개시 시간에 대해 유의미한 영향을 가지는 설계 변수임을 의미한다. Figure 6(b)는 점화 에너지별 점화 위치 변화에 따른 잠복기 특성을 비교한 결과이다. 전반적으로 점화 에너지가 증가함에 따라 잠복기가 감소하는 경향을 보였으나, 동일한 점화 에너지 조건에서 점화 위치에 따른 잠복기의 차이가 상대적으로 크게 나타나는 점을 강조한다. 동일한 점화 에너지에서 점화 위치 변화에 따른 잠복기는 최대 126 s로, Figure 6(a)의 점화 에너지에 따른 차이보다 약 3배 크게 나타났다. 이는 점화 에너지 증가에 따른 잠복기 단축 효과보다, 점화 위치에 따른 초기 점화 환경 변화가 잠복기 결정에 더 지배적으로 작용함을 의미한다. 또한 PBC 점화의 경우 낮은 점화 에너지에서도 가장 짧은 잠복기를 유지하여 점화 에너지 증가에 따른 추가적인 단축 효과가 제한적인 반면, PTC 및 PBE 점화에서는 점화 에너지 증가에 따른 잠복기 감소폭이 상대적으로 크게 나타났다. 그러나 에너지를 증가시키더라도 불리한 점화 위치에서는 잠복기가 PBC 수준으로 단축되지 못함을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 점화 에너지가 점화 개시를 촉진하는 역할을 수행하나, 점화 위치가 불리한 경우에는 에너지 증가만으로 점화 지연을 근본적으로 해소하기는 어렵다는 점을 시사한다.
Figure 7은 점화 위치 및 에너지 변화에 따른 화재성장률의 차이를 정량적으로 비교한 결과이다. Figure 7(a)에 나타난 바와 같이, 동일한 점화 위치 조건에서 화재성장률은 점화 에너지에 따라 최대 0.0055 kW/s2까지 차이가 발생하는 것으로 확인되었다. 반면 Figure 7(b)에 도시된 동일한 점화 에너지 조건에서 점화 위치에 따른 화재성장률 차이는 최대 0.0346 kW/s2로 나타나, 에너지 증가에 따른 화재성장률 변화는 위치 효과에 비해 상대적으로 제한적이었다. 이러한 결과는 화재 성장 단계에서 성장 속도가 점화 에너지의 크기보다는 화염 전파 방향과 열 피드백 조건 즉, 위치 효과에 의해 지배됨을 의미한다.
Figure 8은 점화 위치 및 에너지 변화에 따른 최대 열방출률을 비교 도시한 결과이다. Figure 8(a)를 통해 확인할 수 있듯이, 동일한 점화 위치에서 최대 방출률은 점화 위치에 따라 최대 7.4 kW의 차이를 보였다. 또한, 모든 점화 위치 조건에서 PBC 조건이 가장 큰 최대 열방출률을 나타낸 반면, PTC 점화 조건에서는 상대적으로 작은 최대 열방출률이 확인되었다. 이러한 위치 간 차이는 점화 에너지 변화와 관계없이 일관되게 유지되었다. 한편 Figure 8(b)에 따르면 점화 에너지를 고정한 조건에서 점화 위치에 따라 최대 열방출률은 최대 28.6 kW의 차이를 보였다. 이는 점화 에너지 변화에 따른 영향보다 약 4배 큰 차이로, 점화 위치의 영향이 더욱 지배적임을 의미한다. 또한, PBC 및 PBE 점화 조건의 경우 점화 에너지 증가에 따른 최대 열방출률 증가가 뚜렷하게 나타났으나, PTC 점화에서는 점화 에너지 증가함에도 불구하고 최대 열방출률이 감소하는 경향으로 확인되었다. 이는 점화 위치에 따라 연소에 참여하는 가연물의 범위와 동시성이 달라지기 때문으로 판단된다. 따라서, 화재 성장의 최대 규모는 점화 위치 및 에너지가 동시에 영향을 미치나, 점화원 에너지의 크기보다 점화 위치에 의해 보다 근본적으로 지배되며, 점화 에너지는 그 효과를 조절하는 2차적 인자로 작용할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 골판지 상자를 대상으로 점화 위치 및 에너지가 화재 성장 특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하기 위하여, 정육면체 형상의 골판지 상자를 대상으로 점화 위치 및 에너지의 변화에 따른 화재실험을 수행하였다. 칼로리미터를 통해 측정된 열방출률을 기반으로 화재 거동 인자에 해당하는 잠복기, 화재성장률 및 최대 열방출률 도출하여 점화 위치 및 에너지에 따른 화재 특성 차이를 정량적으로 비교⋅분석하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 열방출률 분석 결과, 점화 위치는 화염 발달 방향과 연소 확산 범위를 결정하며, 동일한 점화 에너지에서도 화재 성상을 크게 변화시키는 것으로 확인되었다. PTC 조건에서는 화염이 수평⋅하향으로 확산되며, 잠복기가 약 180-280 s로 길고 최대 열방출률 또한 18-22 kW로 제한되어 가장 불리한 화재 성장 조건으로 확인되었다. 반면, PBC 조건에서는 화염이 수직 방향으로 급격히 성장하며 잠복기가 70-140 s로 가장 짧고, 최대 열방출률이 46.5 kW로 가장 크고 안정적으로 형성되어 가장 유리한 화재 성장 조건에 해당하는 것으로 확인되었다.
(2) 화재 거동 인자에 대한 정량 지표 분석 결과, 잠복기의 경우 점화 에너지 변화에 따른 차이(최대 45 s)보다 점화 위치 변화에 따른 차이(최대 126 s)가 약 3배 크게 나타났다. 화재성장률 또한 점화 에너지 변화에 따른 차이(최대 0.0055 kW/s2)에 비해 점화 위치 변화에 따른 차이가(최대 0.0346 kW/s2) 약 6배 이상 크게 나타나, 점화 위치의 효과가 점화 에너지 효과보다 지배적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
(3) 최대 열방출률 역시 점화 에너지 변화에 따른 차이(최대 7.4 kW)보다 점화 위치 변화에 따른 차이(최대 28.6 kW)가 약 4배 크게 나타났다. 특히 PTC 조건에서는 에너지 증가에도 불구하고 최대 열방출률이 감소하는 경향이 확인되어, 불리한 점화 위치에서는 에너지 증가만으로 화재 규모가 확대되지 않음을 보여준다. 종합적으로, 골판지 상자 화재에서 점화 위치는 잠복기, 화재성장률 및 최대 열방출률을 결정하는 핵심 지배 인자이며, 점화 에너지는 그 영향을 조절하는 2차적 변수로 작용함을 정량적으로 제시한다. 그러나 본 연구는 제한된 재료 및 조건에서 수행되어 결과의 일반화에는 한계가 있으나, 골판지 상자를 활용한 화재실험 수행 시 점화 위치 설정이 화재 특성 해석에 중요한 변수로 작용할 수 있음을 보여주는 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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