1. 서 론
국내 화재 통계 연보에 따르면 최근 5년간 매년 수백 명의 인명 피해가 발생하고 있으며, 그중 ‘연기로 인한 피난 불능’으로 분류되는 사망 및 부상자가 높은 비중을 차지하는 것으로 보고된다(1). 이때 건축물에 설치되는 배연 설비는 화재로 발생한 연기를 외부로 배출시켜 건축물 내 연기로 인한 피해를 감소시킬 수 있다. 배연 설비는 일반적으로 자연 배연과 기계 배연으로 구분되며, 자연 배연은 개구부, 배연창 등과 같이 별도의 기계적 장치 없이 고온 연기의 부력을 이용하여 연기를 배출하여 전체 설비가 비교적 단순하다. 한편, ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣(2)에서는 일정 용도 및 규모 이상의 건축물에 배연창 설치를 의무화하고 있다. 하지만 현행 법령은 배연창의 설치 위치와 유효면적 등의 최소한의 기준을 제시하고 있고, 배연창의 배연 성능을 확보하기 위해서는 배연창 형태 및 개방 조건(너비, 각도) 등에 따라 변화하는 유동 특성을 검토하는 연구가 수행될 필요가 있다.
국내에서는 화재 시 배연창의 배연 성능을 검토하는 연구가 일부 수행되어 왔다. Kim 등(3)은 배연창 면적을 확대하거나 스프링클러설비를 병행 설치하는 조건에 대해 인명 안전성 향상 효과를 분석하였으며, 배연창 면적이 증가할수록 5 MW 이하 화재에서는 상부 연기층 온도와 농도가 저감되어 피난 가능 시간이 연장된다고 보고하였다. Lim(4)은 제주 지역 건축물을 대상으로 배연창의 성능을 CONTAM 전산시뮬레이션을 이용하여 개구부 개폐 조건에 따라 배연량과 내부 온도 분포가 달라짐을 확인하고, 국내 설계 및 시공 단계에서 배연창의 성능 검증 필요성을 제기하였다. Yun 등(5)은 국내 건축물에서 사용되는 배연창의 설치 및 유지관리 지침을 제안하기 위해 관련 법령 및 해외 기준을 비교 및 분석하고, 유효면적, 설치 위치, 개폐 방식 등을 종합 반영한 가이드라인(guideline)을 제시하였다. Kwak 등(6)은 고층 건축물을 대상으로 배연창의 성능 요구조건과 시험 및 평가 방법을 정립하고, 실험을 통해 개구부 면적 및 높이가 배연량과 내부 온도 저감에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. Heo 등(7)과 Bae(8)는 원룸형 주거 시설 및 병동부를 대상으로 배연창 및 배연기 설치에 따른 피난 안전성을 성능위주설계 관점에서 평가하였으며, 배연창 및 배연기가 설치될 경우 피난 가능 시간이 증가하고, 계단실 및 복도 등 주요 피난 경로의 연기 농도가 감소한다는 결과를 보고하였다. Min 등(9)은 중복도형 인텔리전트 빌딩(intelligent building) 화재 시 배연 설비(배연창) 및 제연 설비(급기 및 가압 설비) 설치에 따른 중앙 복도를 통한 연기 거동을 검토하기 위하여 전산시뮬레이션을 수행하였다. 온도, 가시도, 가스 농도 등을 검토하였으며, 연기 제어 및 피난 안전성 확보를 위해 적절한 배연 설비 및 제연 설비의 중요성을 강조하였다. Lim 등(10)은 초고층 주상복합건물에서 배연창 개방 위치가 연돌효과 및 건물 내 압력 분포에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였으며, 배연창의 개방이 단순한 연기 배출을 넘어 건물 전체의 압력 균형과 피난 문의 개방 용이성에 직접적으로 연관이 있음을 보고하였다.
한편, 개구부 조건(너비, 높이, 위치 등)이 구획실 화재 거동에 미치는 영향을 검토한 연구도 보고된 바 있다. Shuang과 Chun(11)은 칸막이형 구획실 화재 시 구획실 사이에 설치된 개구부 위치를 변화시켜 전산시뮬레이션을 수행하였고, 개구부 위치에 따른 온도 및 유동장을 비교하였다. 실험 결과, 개구부 위치는 역방향 하층류 발달에 영향을 미치고, 개구부 위치가 높을수록 역방향 하층류 발달이 빠른 것으로 보고하였다. Steckler 등(12)은 개구부(높이 및 너비), 화원(열방출률 및 위치)를 변경하여 구획실 화재 실험을 수행하였고, 구획실 및 개구부에서의 온도, 연기층 높이 및 온도, 개구부 유동 속도 및 질량 유량을 검토하였다. 이때 측정된 질량 유량을 온도 분포 기반의 단순 정수압 모델(hydrostatic model)로 설명하였고, 실험 결과를 바탕으로 유량 계수(flow coefficient)를 도출하였다. Wang과 Quintiere(13) 및 Wang 등(14)은 Steckler 등(12)의 실험을 바탕으로 전산시뮬레이션을 수행하였다. 질량 유량, 연기층 온도 및 높이, 중성대 등을 분석하였고, 계산 영역, 격자 크기 등의 주요 입력 조건의 영향에 따른 전산시뮬레이션 정확성을 검토하였다.
기존 연구 검토 결과, 배연창 설치 여부에 따른 구획실 내 연기 제어 및 피난 안전성과 개구부 조건이 구획실 화재 현상에 미치는 영향에 관한 연구가 일부 수행되었음을 확인하였다. 그러나 대부분의 연구에서 배연창을 동일한 면적의 개구부로 단순하게 모델링(modeling)하였고, 배연창 형태가 구획실 화재 거동에 미치는 영향을 체계적으로 비교 및 분석하는 것에는 한계가 있었다. 특히 국내 배연창 설치 기준에 따른 유효면적 계산 방법(2,15)에 따라 동일한 유효면적 조건에서 배연창 형태와 개방 조건에 따라 구획실 화재 현상이 변화할 수 있음에도 불구하고, 이를 심층적으로 검토한 연구는 수행되지 않은 것으로 파악되었다.
2. 전산시뮬레이션 세부 사항
2.1 배연창 설치 기준 및 유효면적 계산 방법
배연창의 설치 기준은 ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣ 제14조(2)에 규정되어 있다. 해당 규정에서는 방화구획으로 구획된 경우, 그 구획마다 1개소 이상의 배연창을 설치하고, 바닥 마감면으로부터 일정 높이 이상에 배연창을 설치하여 상부에 형성되는 연기를 효과적으로 배출하도록 요구한다. 한편, 배연창 형태별 차이는 연기 배출 경로 및 구획실 내부 유동 형성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣ 별표 2(2)와 ｢배연창, 배연구 설치 및 성능유지관리 가이드라인 개발｣(15)에 제시된 배연창 형태 중, 케이스먼트창(casement), 들창(top-hung), 미들창(bottom-hung)을 대상으로 하였는데, 이러한 형태들은 배연창이 좌우 또는 상하로 개방되는 구조적 특성을 갖고, 실제 건축물에 적용되는 대표적인 것(16)들이기 때문이다. Figure 1에 본 연구에서 적용한 세 가지 배연창(케이스먼트창, 들창, 미들창) 형태에 대한 개략도를 나타내었다. 케이스먼트창(Figure 1(a))은 측면에 회전축이 위치하여 창 전체가 열리는 형태이고, 들창(Figure 1(b))은 상부에 회전축이 위치하여 하부가 외측으로 열리는 형태이며, 미들창(Figure 1(c))은 하부에 회전축이 위치하여 상부가 개폐되는 형태이다. 즉, 케이스먼트창, 들창, 미들창은 각각 개구부의 측면, 상부, 하부에 설치되는 배연창 형태이다.
배연창은 ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣ 별표 2(2)와 ｢배연창, 배연구 설치 및 성능유지관리 가이드라인 개발｣(15)에 제시된 바에 따라 방화구획 1개소당 최소 유효면적이 1 m2 이상이어야 하고, 그 합계는 건축물 바닥 면적의 1/100 이상을 만족해야 한다. Figure 2에 본 연구에서 적용한 세 가지 형태의 배연창 유효면적 계산 방법(2,15)을 나타내었다. 케이스먼트창의 경우(Figure 2(a)), 창의 높이(H)와 창틀과 평행하게 개방된 순수 수평투영면적(L)을 곱한 면적(H × L)을 유효면적으로 정의한다(15). 들창의 경우(Figure 2(b)), 창의 폭(W)에 창틀과 평행하게 개방된 순수 수평투영면적(L)을 곱한 면적(W × L)을 유효면적으로 정의하고(2,15), 미들창의 경우(Figure 2(c)), 창 폭(W)에 실외측으로 열린 상부 창호의 길이 방향으로 평행하게 개방된 순거리(L)를 곱한 면적(W × L)을 유효면적으로 정의한다(2,15).
2.2 전산시뮬레이션 조건
본 연구에서는 전산시뮬레이션의 신뢰성을 검토하기 위해 Steckler 등(12)의 실험과 본 전산시뮬레이션 결과를 비교하였다. Steckler 등(12)은 배연창이 설치되지 않은 개구부를 대상으로 실험을 수행하였고, 본 연구에서는 이를 고려하여 배연창이 설치되지 않고 배연창 너비가 0.72 m인 조건에 대한 전산시뮬레이션을 선행적으로 수행하였다. 이를 통해 본 전산시뮬레이션의 신뢰성을 검토한 이후 배연창을 설치하였고, 배연창 형태 및 개방 조건을 변경하였다. 배연창 높이가 1.4 m로 고정되어 있을 때, 배연창 너비를 0.72 m, 1.44 m (0.72 m의 2배), 2.16 m (0.72 m의 3배)로 변경하였으며, 앞서 정의한 배연창 별 유효면적 계산 방법(2,15)에 따라 최소 유효면적인 1 m2를 고려하여 배연창을 개방시켰다.
Table 1에 배연창 너비에 따른 유효면적 1 m2를 만족하는 배연창 개방 각도를 정리하여 나타내었다. 모든 배연창 형태에 대해 배연창 너비가 0.72 m인 경우 개방 각도는 90°로 동일하였고, 배연창 너비가 증가함에 따라 개방 각도는 대체로 감소하는 경향이 관찰되었다. 또한 배연창 너비가 1.44 m와 2.16 m인 경우, 개방 각도는 케이스먼트창이 가장 컸고, 미들창이 가장 작았다.
2.3 전산시뮬레이션 방법
본 연구에서는 전산시뮬레이션 프로그램으로 fire dynamics simulator (FDS, ver. 6.8.0)를 이용하였다. 전산시뮬레이션 형상은 Steckler 등(12)의 실험 장치를 바탕으로 구성하였고, 전산시뮬레이션 개략도에 대한 정면도와 측면도를 각각 Figures 3과 4에 나타내었다. 전산시뮬레이션의 전체 계산 영역 크기는 3.2 m (폭) × 8.2 m (깊이) × 2.6 m (높이)로 구성하였고, 바닥 부분을 제외한 나머지 면은 모두 개방 조건으로 설정하였다. 구획실 크기는 3.04 m (폭) × 2.92 m (깊이) × 2.28 m (높이)로 설정하였다. 구획실 벽면과 배연창은 각각 세라믹 보드(ceramic fiber board)와 유리로 설정하였고, 이에 대한 물성치(13,17)를 Table 2에 정리하였다. 한편, 본 연구에서는 Steckler 등(12)의 연구에서 사용한 원형 버너와 동일한 화원 면적을 갖는 정사각형 화원을 구현하였고, 격자 크기를 고려하여 한 변의 길이를 0.32 m로 설정하였다. 열방출률은 Steckler 등(12)의 연구와 동일하게 62.9 kW로 설정하였고, 화재성장률은 ‘Ultrafast’, 최대 열방출률에 도달한 이후 열방출률이 일정하게 유지되도록 설정하였다.
Table 2
Thermal Properties of Materials
| Materials | Thickness | Density | Specific Heat | Conductivity |
|---|---|---|---|---|
| Ceramic Fiber(13) | 0.12 m | 416 kg/m3 | 1 kJ/kg⋅K |
0.08 W/m⋅K for 260 ℃ 0.11 W/m⋅K for 538 ℃ 0.16 W/m⋅K for 816 ℃ 0.23 W/m⋅K for 1,093 ℃ |
| Glass(17) | 0.04 m | 2,700 kg/m3 | 0.84 kJ/kg⋅K | 0.78 W/m⋅K |
Figure 5에 Steckler 등(12)의 기존 실험 연구를 토대로 설정한 개구부 유동 속도 분포 및 질량 유량, 구획실 내 온도 분포 측정 위치를 나타내었고, 이를 각각 V, M, T로 표시하였다. Figures 5(a)와 5(b)는 각각 평면도와 측면도를 나타낸다. 개구부 유동 속도 분포는 개구부 중앙선을 따라 바닥으로부터 높이 0.52 m에서 1.76 m 구간에 0.04 m 간격으로 총 32개의 유동 속도 측정점을 설정하였다. 개구부 질량 유량은 개구부 전체 면적에 대하여 유출 질량 유량을 측정하였다. 구획실 내 온도는 구획실 벽면으로부터 0.4 m 떨어진 지점에 바닥으로부터 높이 0.04 m에서 2.12 m 구간에 0.04 m 간격으로 총 53개의 온도 측정점을 설정하였다. 또한, 온도 측정 위치와 동일한 위치에서 연기층 높이 및 온도를 측정하였다. 추가적으로 구획실 전체 온도 분포를 검토하기 위하여 구획실 중앙에서의 온도 가시화를 측정하였다. 전산시뮬레이션 시간은 1,200 s로 설정하였고, 1,001~1,200 s 사이에 측정된 데이터의 평균값과 표준편차를 데이터 분석에 이용하였다.
본 연구에서는 FDS validation guide(18)에 제시된 plume resolution index (D*/δx) 범위인 4~16을 고려하여 격자 크기를 설정하였다. 여기서 D*는 식(1)과 같이 정의되는 특성 화재 직경(characteristic fire diameter), δx는 격자 한 변의 길이를 의미한다.
여기서, Q·과 g는 각각 열방출률(kW)과 중력 가속도(m/s2)를 의미하고, ρ∞, cp, T∞는 각각 주변 공기의 밀도(kg/m3), 비열(kJ/kg⋅K), 온도(K)를 의미한다.
본 연구에서는 격자 크기 0.04, 0.05, 0.1 m에 대하여 격자 민감도 테스트를 수행하였고, 각 격자 크기에 대한 D*/δx는 각각 8.22, 6.58, 3.29이다. 개구부 유동 속도 분포(Figure 5의 측정 위치 V)에 대해, Figure 6에 본 전산시뮬레이션 결과와 기존 Steckler 등(12)의 실험 결과를 비교하여 나타내었고, 격자 크기가 0.04 m일 때 가장 잘 일치함을 확인하였다. 이에 따라 본 연구에서는 격자 크기를 0.04 m로 설정하였고, 이때 총 격자 개수는 1,115,200개이다.
Figure 6
Comparison of velocity distribution of vent flow between previous experiment(12) and present numerical simulation under different grid sizes.
3. 전산시뮬레이션 결과
3.1 개구부 유동 속도 분포 및 구획실 내 온도 분포
Figure 7에 배연창 형태와 개방 조건에 따른 개구부 유동 속도 분포 결과(Figure 5의 측정 위치 V)를 나타내었다. 배연창 너비가 0.72 m (Figure 7(a))인 경우, 모든 배연창 형태에서 유사한 개구부 유동 속도 분포가 나타났는데, 이는 모든 배연창의 개방 각도가 90° (완전 개방 조건)로 배연창이 개구부 유동에 미치는 영향이 미미하기 때문으로 생각된다. 배연창 너비가 증가함에 따라 배연창 형태에 따른 개구부 유동 속도 분포가 큰 차이를 나타냈는데, 이는 배연창의 개방 각도가 감소하면서 배연창이 유출 및 유입 유동에 미치는 영향이 증가하기 때문으로 판단된다. 즉, 배연창 너비가 1.44 m (Figure 7(b))와 2.16 m (Figure 7(c))인 경우, 개구부 상부에 설치되는 들창과 개구부 하부에 설치되는 미들창에 의해 각각 개구부 상부와 하부의 유동 속도 분포가 크게 변하는 것으로 나타났다. 이는 배연창 너비가 증가(개방 각도가 감소)함에 따라 들창과 미들창이 각각 고온 연기의 유출 유동과 신선한 공기의 유입 유동에 지대한 영향을 미친다는 것을 의미한다. 반면, 케이스먼트창은 들창과 미들창에 비해 배연창 너비(개방 각도)에 따른 유동 속도 분포의 형태 변화가 비교적 적었다. 한편, 개구부 너비 방향으로의 유동 속도 분포 변화를 확인하기 위해, 배연창 너비가 2.16 m인 대표적인 조건에 대해, 개구부 중앙, 중앙에서 좌우로 0.8 m 떨어진 위치에서 측정한 유동 속도 분포를 비교한 결과, 개구부 중앙과 측면에서의 유동 속도 크기의 차이는 있었지만, 배연창 형태에 따른 전체적인 속도 분포 경향은 유사함을 확인하였다.
Figure 8에 배연창 형태 및 개방 조건에 따른 구획실 내 온도 분포(Figure 5의 측정 위치 T)를 나타내었다. 배연창 너비가 0.72 m일 때(Figure 8(a)), 모든 배연창 형태가 유사한 온도 분포를 보였다. 배연창 너비가 1.44 m와 2.16 m로 증가(개방 각도가 감소)함에 따라(Figures 8(b)와 8(c)), 배연창 형태에 따른 온도 분포의 차이가 뚜렷하게 관찰되었다. 케이스먼트창은 배연창 너비가 증가함에 따라 구획실 내부 온도가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 그러나 들창과 미들창은 배연창 너비가 증가함에 따라 온도 감소가 크지 않았고, 동일한 배연창 너비 조건에서 케이스먼트창보다 온도가 높았다. 이러한 경향은 Figure 9에 나타낸 배연창 너비 2.16 m에서의 배연창 형태별 온도 가시화 결과(Figure 5의 측정 위치 x = 1.52 m에서 yz-plane)에서도 확인되었다. 들창(Figure 9(b))과 미들창(Figure 9(c))에서 케이스먼트창(Figure 9(a))에 비해 구획실 내 온도 분포가 높았는데, 이는 Figure 7에서 설명한 바와 같이, 들창과 미들창은 각각 개구부 상부와 하부에 설치되고 케이스먼트창보다 개방 각도가 작아서 개구부 유동을 크게 제한하지만, 케이스먼트창에서는 개구부 하부에서 신선한 공기의 유입과 개구부 상부에서 고온의 연기 배출이 비교적 원활하게 일어나기 때문으로 판단된다.
3.2 연기층 높이 및 온도와 개구부 질량 유량
Figure 10에 배연창 형태 및 개방 조건에 따른 연기층 높이 및 온도 결과(Figure 5의 측정 위치 T)를 나타내었다. Figure 10(a)에 나타낸 바와 같이, 배연창 너비가 0.72 m와 1.44 m인 경우, 배연창 형태에 따른 연기층 높이의 차이는 크지 않았다. 그러나 배연창 너비가 2.16 m인 경우, 연기층 높이는 케이스먼트창 > 들창 > 미들창 순이었고, 이러한 경향은 Figure 9의 온도 분포 가시화 결과에서도 확인되었다. 이는 배연창 개방 각도가 작은 경우, 배연창 형태가 연기층 높이에 지대한 영향을 미친다는 것을 의미한다. 한편, 미들창의 경우, 미들창 양옆에서 유입되는 신선한 공기 유동에 의한 연기층 하강으로 인해 연기층 높이가 가장 낮은 것으로 판단된다.
한편, Figure 10(b)에 나타낸 바와 같이, 모든 배연창 형태에서 배연창 너비가 0.72 m일 때 연기층 온도가 유사하였고, 배연창 너비가 1.44 m로 증가함에 따라 연기층 온도가 감소하였다. 배연창 너비가 2.16 m로 증가함에 따라 케이스먼트창의 연기층 온도는 감소하였고, 들창과 미들창의 연기층 온도 변화는 비교적 미미한 것으로 나타났다. 이러한 구획실 내 연기층 온도 변화는 개구부 질량 유량 변화를 통해 설명될 수 있다.
구획실 화재 시 열평형 관계식에 의해 연기층 온도 상승(∆Tg)은 식(2)(19)와 같이 표현된다.
여기서, Q·은 화원으로부터 발생한 열방출률(kW), m·은 개구부 질량 유량(kg/s), cp는 공기의 비열(kJ/kg⋅K), hk는 유효 열전달 계수(kW/m2⋅K), AT는 연기층과 구획실 벽면이 접하는 면적(m2)을 의미한다. 식(2)에 따르면 연기층 온도 상승은 질량 유량이 증가(또는 감소)함에 따라 감소(또는 증가)하는 경향을 나타낸다.
Figure 11에 배연창 형태 및 개방 조건에 따른 개구부 질량 유량 결과(Figure 5의 측정 위치 M)를 나타내었다. 배연창 너비가 0.72 m일 때, 모든 배연창 형태의 질량 유량이 유사하였고, 배연창 너비가 1.44 m로 증가함에 따라 질량 유량이 증가하였다. 배연창 너비가 2.16 m로 증가함에 따라 케이스먼트창의 질량 유량이 증가하였고, 들창과 미들창의 질량 유량의 변화는 비교적 크지 않은 것으로 나타났다. Figures 10(b)와 11을 토대로 볼 때, 배연창 형태별 배연창 너비에 따른 연기층 온도 변화와 질량 유량 변화가 식(2)에서 설명한 바와 같이 정확하게 반비례 관계인 것이 확인되었다. 정리하면, 케이스먼트창은 배연창 너비 증가에 따른 개구부 질량 유량 증가가 연기층 온도를 감소시켰으나, 들창과 미들창은 배연창 너비 증가에 따른 개방 각도 감소로 인해 개구부 질량 유량이 제한되어, 배연창 너비가 증가하더라도 케이스먼트창에 비해 연기층 온도 변화가 미미한 것으로 분석되었다.
3.3 배연창 형태 및 개방 조건에 따른 유량 계수
질량 유량을 계산하기 위해서는 식(3)(12)에 나타낸 바와 같이 유량 계수(C) 정보가 필요하다. 유량 계수는 배연창 형태 및 개방 조건에 따라 변화할 수 있고, 이러한 정보는 배연창 설계 및 적용 등에 유용하게 활용될 수 있다.
여기서, ρa는 외기 밀도(kg/m3), A0는 개구부 면적(m2), H0는 개구부 높이(m), Ta는 주변의 공기 온도(K), Tr은 구획실 내 연기층 온도(K) N,은 중성대 높이(m)를 의미한다. 본 전산시뮬레이션 결과를 토대로 배연창 형태 및 개방 조건에 따른 유량 계수를 평가하였다. Steckler 등(12)은 식(4)를 이용하여 개구부 유량 계수를 도출하였고, Steckler 등(12)의 연구에 따르면 배연창이 설치되지 않은 개구부를 대상으로 한 실험에서 유량 계수는 약 0.73으로 도출되었다.
Figure 12에 배연창 형태 및 개방 조건에 따른 유량 계수를 나타내었다. 배연창 너비가 0.72 m, 1.44 m, 2.16 m일 때 케이스먼트창의 유량 계수는 각각 0.60, 0.68, 0.67, 들창의 유량 계수는 각각 0.59, 0.36, 0.19, 미들창의 유량 계수는 각각 0.64, 0.59, 0.54로 도출되었다. 전체적으로 케이스먼트창, 들창, 미들창의 유량 계수가 Steckler 등(12)이 보고한 유량 계수인 약 0.73에 비해 작은 것으로 나타났다. 또한 케이스먼트창과 미들창은 배연창 너비(개방 각도)에 따른 유량 계수 변화가 비교적 크지 않았으나, 들창은 배연창 너비 증가(개방 각도 감소)에 따라 유량 계수가 급격하게 작아졌다. 이러한 경향이 나타난 이유 중 하나는 들창이 케이스먼트창과 미들창에 비해 배연창 너비가 증가함에 따라 중성대 높이가 급격하게 낮아지기 때문으로 판단된다. Figures 10~12를 토대로 판단할 때, 전반적으로 케이스먼트창이 연기층 높이가 높고, 연기층 온도가 낮으며, 개구부 질량 유량이 많고, 유량 계수가 큰 것으로 나타났다.
본 연구를 통해 동일한 유효면적 1 m2 조건임에도 불구하고, 배연창 형태 및 개방 조건(배연창 너비 및 개방 각도)에 따라 구획실 내 온도 분포, 연기층 높이 및 온도, 개구부 유동 속도 분포 및 질량 유량, 유량 계수가 변한다는 것이 확인되었다. 추후, 배연창 조건과 구획실 화재 현상 및 배연 성능 간 상관관계를 예측하고 검토하는 다양한 실험 및 전산시뮬레이션 연구가 수행될 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 배연창 형태 및 개방 조건이 구획실 화재 현상에 미치는 영향을 검토하기 위해 전산시뮬레이션을 수행하였다. 배연창 형태(케이스먼트창, 들창, 미들창) 및 배연창 너비(0.72 m, 1.44 m, 2.16 m)에 따라 유효면적 1 m2를 만족하도록 배연창의 개방 각도를 설정하였고, 이에 따른 구획실 내 온도 분포, 연기층 높이 및 온도, 개구부 유동 속도 분포 및 질량 유량, 유량 계수를 검토하였다. 본 연구에서 도출된 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 배연창 너비가 0.72 m인 경우, 모든 배연창 형태에서 유사한 개구부 유동 속도 분포가 나타났으나, 배연창 너비가 증가함에 따라 배연창 형태에 따른 개구부 유동 속도 분포가 크게 차이 났다. 이는 배연창 너비가 1.44 m 및 2.16 m로 증가함에 따라 배연창의 개방 각도가 감소하면서 배연창이 유출 및 유입 유동에 미치는 영향이 증가되기 때문으로 판단된다.
(2) 배연창 너비가 0.72 m인 경우, 모든 배연창 형태에서 유사한 구획실 내 온도 분포가 나타났다. 배연창 너비가 1.44 m 및 2.16 m로 증가함에 따라 배연창의 개방 각도가 감소하면서, 케이스먼트창은 구획실 내부 온도가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 반면, 들창과 미들창은 온도 감소가 크지 않았고, 동일한 배연창 너비 조건에서 케이스먼트창보다 온도가 높았다.
(3) 배연창 너비가 0.72 m와 1.44 m인 경우, 배연창 형태에 따른 연기층 높이의 차이는 크지 않았으나, 배연창 너비가 2.16 m인 경우, 연기층 높이는 케이스먼트창 > 들창 > 미들창 순으로 나타났다. 한편, 배연창 너비가 0.72 m인 경우, 모든 배연창 형태의 연기층 온도가 유사하였고, 배연창 너비가 1.44 m로 증가함에 따라 연기층 온도는 감소하였다. 배연창 너비가 2.16 m로 증가함에 따라 케이스먼트창의 연기층 온도는 감소하였고, 들창과 미들창의 연기층 온도 변화는 비교적 미미한 것으로 나타났다. 이러한 연기층 온도 변화 경향은 개구부 질량 유량 변화와 밀접한 관계가 있는 것이 확인되었다.
(4) 배연창 너비가 0.72 m, 1.44 m, 2.16 m일 때 케이스먼트창의 유량 계수는 각각 0.60, 0.68, 0.67, 들창의 유량 계수는 각각 0.59, 0.36, 0.19, 미들창의 유량 계수는 각각 0.64, 0.59, 0.54로 평가되었다.
(5) 전반적으로 케이스먼트창이 연기층 높이가 높고, 연기층 온도가 낮으며, 개구부 질량 유량이 많고, 유량 계수가 큰 것으로 나타났다.
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