본 연구는 고깃집 테이블 덕트 및 음식점 주방 덕트 내부의 화재 확산 억제 효과를 정량적으로 검증하기 위하여, 방화댐퍼(fire damper, F.D) 설치 조건에 따른 열 유동 특성을 실화재(full-scale fire) 실험을 통해 분석하였다. 실험은 실제 고깃집 내부 테이블 상단에 설치되는 덕트와 음식점 주방의 환기 구조를 축소하여 재현한 구조로 제작하여 수행하였다. 주요 변수는 팬(fan)의 작동 여부와 방화댐퍼의 작동 조건(미작동, 단일 작동, 동시 작동)이며, 각 조건에 따라 덕트 내부 온도 변화를 측정하였다. 또한, 음식 조리 중 발생할 수 있는 덕트 내부 퇴적물 화재 상황을 재현하기 위해, 숯 잔여물과 라드유를 혼합한 퇴적 연료를 사용하여 덕트 내부 화염 확산 및 열 축적 현상을 분석하였다.

실험은 고깃집 테이블 덕트(BBQ restaurant duct)와 음식점 주방 덕트(grease duct)를 대상으로 수행하였다(Figure 1). Figure 2와 같이, 고깃집 테이블 덕트는 직경 250 mm, 후드(hood) 직경 100 mm로 구성하였으며, 팬에서 첫 번째 후드까지의 거리를 3.6 m (ISO 9705 기준)(11)로 설정하였다. 후드 간 간격은 실제 식사 테이블 간격을 고려하여 1.5 m로 배치하였다. 주방 덕트는 직경 350 mm로 제작하였고, 직경 800 mm의 후드 2개를 설치하여 대형 조리공간의 환기 환경을 재현하였다(Figure 3).

한편, 덕트 내부 퇴적물 화재를 모사하기 위하여 주방 덕트 모형과 유사한 별도의 실험 모형을 제작하였다(Figure 4). 본 연구에서는 방화댐퍼 작동에 따른 열 거동을 구분하기 위하여, 덕트 구간을 유동 경계조건에 따라 구분하였다. 즉, 팬과 연결되어 외부로 배출이 가능한 구간을 ‘전방부(전방 구간)’로 정의하였으며, 방화댐퍼에 의해 배출 경로가 차단되어 외부와 단절되는 구간을 ‘후방부(후방 구간)’로 정의하였다. 구체적으로, 팬에서 작동한 방화댐퍼 사이 구간을 전방부로, 작동한 방화댐퍼 이후의 말단 구간을 후방부로 설정하였다. 이러한 구분은 방화댐퍼 작동 시 전방부에서는 열 배출이 가능하나, 후방부에서는 유동이 차단되어 열이 체류하는 특성을 고려한 것이다.

방화댐퍼는 총 2개를 설치하였으며, 각각 후드로부터 2 m 이격된 위치(F.D.2)와 팬 인근(F.D.1)에 배치하였다. 방화댐퍼에 대한 조건은 Table 2에 나타내었으며, 약 220 °C에서 자동 폐쇄되는 화재감응형 댐퍼(fire volume damper, F.V.D)로, 덕트 내부 열환경에 따라 자동 작동하도록 설정하였다. 팬은 가변풍속형 송풍기를 사용하여 외부 배기 조건을 구현하였다. 이를 통해 토출측 평균 풍속은 비화재 조건 하에서 고깃집 테이블 덕트 7.2 m/s, 음식점 주방 덕트 8.7 m/s로 일정하게 유지하였다. 덕트 내부에는 열전대(K-type)를 설치하여 온도 변화를 측정하였다. 열전대는 KS F 2840 (내화시험 방법)을 참고하여 방화댐퍼 전⋅후 25 mm 및 300 mm 지점에 설치하였다(Figures 2~4).

실험은 화원의 종류 및 내부 조건에 따라 연료팬(fuel-pan) 화재와 퇴적물(sediment) 화재 두 가지 시나리오로 구분하였으며, 상세 조건을 Table 3에 정리하였다. 먼저, 연료팬 조건의 화재시나리오의 경우 팬 작동 여부와 방화댐퍼 작동 조건을 조합하여 총 5가지 조건으로 수행하였으며, 덕트 내부의 퇴적물 화재의 경우 팬 및 방화댐퍼 작동 여부에 따른 총 2가지 조건으로 실험을 수행하였다. 모든 실험은 상온(30 ± 5 °C, 상대습도 70 ± 5%) 조건에서 진행하였으며, 데이터는 1 s 간격으로 기록하였다. 또한, 열전대를 통해 측정한 온도데이터를 기반으로 식(1)의 온도 상승률(%)을 도출하였으며, 덕트 내부의 방화댐퍼가 열 유동을 차단하는 성능을 정량적으로 평가하였다.

여기서 온도 상승률은 temperature rise rate (%)로 표기하였으며, 방화댐퍼 작동 전(0～300 s) 평균 온도는 T_{before closure} (°C)로, 방화댐퍼 작동 후(300～600 s) 평균 온도는 T_{after closure} (°C)로 나타내었다.

이때, 연료팬 화재 조건의 경우 덕트 내부 온도를 일정 수준 이상으로 빠르게 상승시키기 위한 목적으로 연료는 휘발유 750 g을 사용하였으며, 점화는 토치를 이용하여 수행하였다. 휘발유는 높은 휘발성과 점화 용이성을 가지며, 반복 실험에서 안정적이고 재현성 있는 열부하를 형성할 수 있어 실험용 연료로 선정하였다. 또한, 본 실험의 목적은 실제 음식점 화재를 직접 모사하기보다는, 덕트 내부에서 발생 가능한 고온 환경을 재현하여 방화댐퍼의 작동 및 열적 거동을 평가하는 데 있으므로, 일정하고 충분한 열방출률을 확보할 수 있는 연료가 필요하였다. 본 조건에서 휘발유는 약 126 kW의 열방출률(heat release rate, HRR)을 나타내며, 해당 값은 연료 질량(0.75 kg), 연소시간(260 s) 및 문헌상 연소열(43700 kJ/kg)을 기반으로 산정하였다(12). 열방출률 산출 방법은 식(2)와 같다.

여기서 C_f는 연료 소모량(kg), T_b는 점화시간(s), H_c는 연소열(kJ/kg)을 의미한다.

팬은 가동 중 또는 정지 조건으로 설정하였다. 또한 화재 발생 5 min (300 s) 후 방화댐퍼가 폐쇄되도록 설정하였으며 방화댐퍼 작동 개수에 따른 덕트 내부 온도 상승률을 비교하였다. 한편, 퇴적물 화재 조건의 경우 점화원으로 숯 잔여물과 라드유를 혼합한 가연물을 사용하였다. 연료팬 화재 조건에서는 화재 발생 5 min 후 폐쇄되는 상황을 가정하였다면, 퇴적물 화재에서는 화재로 인하여 방화댐퍼가 자동으로 닫히는 시점을 기준으로 폐쇄 이후의 덕트 내부 온도 변화를 관찰하였다. 실험 조건은 Table 4에 나타내었다.

한편, 퇴적물 화재 조건의 경우, 덕트 내부에서 장기간 운용 시 축적되는 가연성 퇴적물에 의한 화재 상황을 모사하기 위해 설정되었다. 본 연구에서는 실제 음식점 배기덕트에서 주로 축적되는 기름 성분과 고형 잔류물을 고려하여, 퇴적물은 숯 잔여물(charcoal residue)과 라드유(lard oil)를 혼합하여 구성하였다. 동일 조건에 대한 반복 실험을 수행하기 위하여 지름 대비 0∼20% 비율의 양으로 덕트 내부 바닥면에 균일하게 도포하였다. 또한, 실험 간 재현성을 확보하기 위하여 퇴적물의 총 질량, 혼합 비율 및 도포 면적을 동일하게 유지하였으며, 점화는 토치를 이용하여 수행하였다. 이러한 조건은 실제 화재 상황을 직접적으로 재현하기보다는, 덕트 내부에 축적된 가연성 물질이 점화되었을 때의 열적 거동과 화재 확산 특성을 평가하기 위한 실험적 조건으로 설정된 것이다.

연료팬 화재 조건에서 방화댐퍼 작동 유⋅무에 따른 온도 상승 정도를 확인하였다. 먼저, 고깃집 테이블 덕트를 분석한 결과이다. Figures 5(a)∼5(d)는 팬이 작동한 조건에서의 방화댐퍼 작동 여부에 따른 결과를, Figure 5(e)는 팬과 방화댐퍼가 모두 작동하지 않은 조건에 대해 나타낸 그래프이다. Figure 5(a)는 F.D.1이 작동하였을 때의 시간에 따른 온도 변화로, 작동한 방화댐퍼(F.D.1) 전방 구간의 온도 상승률은 Table 5에 나타난 바와 같이 GF 지점에서 최대 1.8%로 나타났다. 한편 후방 구간 중 GF3과 GF4는 각각 66.6%, 32.0%의 온도 상승률이 나타나, 방화댐퍼 폐쇄로 인해 하류부에서 열이 체류하고 집적되는 현상이 두드러졌다. Figure 5(b)는 F.D.2가 작동하였을 때의 온도로, F.D.1 작동 조건과 유사한 결과가 나타났다. 작동한 방화댐퍼(F.D.2)의 전방 구간(GF∼GF2-2)의 온도 상승률은 최대 6.7%로 나타났다. 반면, GF3와 GF4에서는 각각 94.5% 및 41.7%의 급격한 온도 상승이 관찰되었으며, 이는 화재로 인하여 발생한 열기가 방화댐퍼에 의해 차단된 후 후방부에 집중적으로 축적되었음을 보여준다. Figure 5(c)는 설치된 방화댐퍼가 모두 작동한 조건이다. 방화댐퍼 작동 이전에는 팬을 통한 배기가 유지되어 GF3과 GF4의 온도 상승이 관찰되지 않았으나, 방화댐퍼 작동 이후 온도가 급격히 상승하여 초기 대비 최대 100.2%의 온도 상승률이 기록되었다. 이는 방화댐퍼에 의하여 유동이 완전히 차단된 상태에서 열 축적이 발생했기 때문이다. 전방 구간(GF∼GF2-2)에서는 온도 상승이 억제되거나 온도가 하강하는 경향을 보인 반면, 후방 구간(GF2-3 및 GF2-4)은 열이 체류하며 일시적으로 온도가 하강한 후 재상승하는 현상이 발생하였다. Figure 5(d)는 방화댐퍼가 작동하지 않는 조건에서 팬만 작동하였을 때의 온도 변화와 관련된 결과로, 화재로 인해 발생한 열이 팬을 통해 연속적으로 배출되기 때문에 덕트 전 구간에서 비교적 균일한 온도 상승률이 나타났다. Table 5에서도 확인할 수 있듯, 초기 대비 최대 온도 상승률은 GF에서 6.4%, 최소 온도 상승률은 GF4에서 0.1%로 유체 유동을 방해하는 요소가 없기 때문에 생성된 열이 팬을 통해 신속하게 배출되었기 때문으로 해석된다. 다만, 이 경우 팬이 외부가 아닌 다른 방화구획 등과 연결되어 있는 조건에서는 팬을 통하여 열이 이동할 수 있음을 의미한다. 한편, Figure 5(e)의 방화댐퍼와 팬이 모두 작동하지 않는 경우에는 열이 덕트 내부에 장기간 체류하며 지속적이고 유동적인 온도 변화가 관찰되었다. 특히, GF1-1∼GF2-2의 온도 상승률은 17.5∼22.4% 범위로, 팬 또는 방화댐퍼 중 하나라도 작동한 조건에 비하여 높은 수치가 나타났다. 이는 팬 작동을 통한 배기 및 방화댐퍼 작동에 따른 차열⋅차연 기능의 부재가 덕트 내부의 열축적과 화재 확산 위험을 증가시킬 수 있음을 의미한다.

이러한 경향은 Table 6의 최대 온도 비교표에서도 확인할 수 있다. 방화댐퍼가 1개 작동한 조건 중 F.D.2 closed 조건의 경우, 방화댐퍼 전방 구간의 최고 온도는 최대 47.3 ℃인 반면 후방 구간의 최고 온도는 최대 69.2 ℃로 약 26.2 ℃의 온도 차이가 나타났다. 방화댐퍼가 2개 작동한 조건(F.D.1 & F.D.2 closed)의 경우 전방 구간 최고 온도는 46.8 ℃, 후방 구간 최고 온도는 73.5 ℃로 작동한 방화댐퍼 개수가 증가할수록 후방 구간의 최고 온도가 증가하는 경향이 나타났다. 한편, 팬의 작동 여부에 따른 덕트 내부 최고 온도를 비교한 결과, 팬이 작동하지 않는 경우 열이 체류하여 덕트 전 구간에 걸쳐 온도가 상승하는 것을 확인하였다.

이어서, 음식점 주방 덕트를 분석한 결과이다. Figures 6(a)∼6(d)는 팬이 작동한 조건에서의 방화댐퍼 작동 여부에 따른 시간-온도 곡선을, Figure 6(e)는 팬과 방화댐퍼가 모두 작동하지 않은 조건에 대해 나타낸 그래프이다. Figure 6(a)는 F.D.1이 작동하였을 때의 시간에 따른 온도 변화로, 작동한 방화댐퍼(F.D.1) 전방 구간에 해당하는 KF∼KF1-2까지의 초기 대비 온도 상승률은 최대 11.2%로 나타났다. 반면 작동한 방화댐퍼 이후 구간 중 KF3과 KF4는 각각 95.6%, 38.5%로 온도가 급격하게 상승하였다. 이는 방화댐퍼 작동으로 인하여 방화댐퍼 전방 구간은 팬에 의해 지속적인 유동이 유지되어 열역학적으로 안정된 반면, 후방 구간은 열이 체류 및 집적되며 국부적으로 과열되는 현상이 발생했기 때문으로 해석된다. Figure 6(b)는 F.D.2가 작동하였을 때의 온도로, F.D.1 작동 조건과 유사한 결과가 나타났다. 작동한 방화댐퍼(F.D.2)를 포함하는 전방 구간(KF∼KF2-2)의 온도 상승률은 최대 8.8%였으나, 후방 구간(KF3 및 KF4)의 온도 상승률은 각각 88.5% 및 68.6%로 후방 구간에 열이 집중되는 경향이 두드려졌다. 이는 화재로 인하여 발생한 열기가 방화댐퍼에 의해 차단된 후 후방부에 집중적으로 축적되었음을 보여준다. Figure 6(c)는 설치된 방화댐퍼가 모두 작동한 조건으로, 덕트 내부의 열은 전방 부분에서 가장 효과적으로 차단되었으며, 온도 상승을 억제하는 효과가 가장 크게 나타났다. 다만, 방화댐퍼 작동 이후 후방 구간은 Table 7에 나타난 바와 같이 최대 122.0%의 급격한 온도 상승률이 나타났다. 이는 방화댐퍼로 인하여 전방과 후방이 완전히 분리된 상태에서 열이 후방부에 체류하면서 열축적이 발생한 결과로 해석된다. Figure 6(d)는 방화댐퍼가 작동하지 않는 조건에서 팬만 작동하였을 때의 온도 변화와 관련된 결과이다. 화재에 의하여 생성된 열은 팬을 통해 지속적으로 배출되었으며, 이로 인해 덕트 내 전 구간에서 온도가 완만하게 증가하는 경향이 나타났다. 초기 온도 대비 최대 온도 상승률은 KF에서 12.7%, 최소 온도 상승률은 KF2-1∼2-4에서 8.0%이며, KF3에서 약 12.6%의 온도 상승률이 나타나 전체적으로 균일한 온도 상승 경향을 확인하였다. 다만, 고깃집 테이블 덕트와 동일하게 팬이 외부가 아닌 다른 방화구획 등과 연결되어 있는 조건에서는 팬을 통하여 열이 이동할 가능성이 있다. Figure 6(e)는 팬과 방화댐퍼가 모두 작동하지 않은 조건으로 화재 발생 후 덕트를 통해 유입된 열이 배기덕트 내부에 체류하여 전체적인 구간에 걸쳐 온도가 지속적으로 상승하는 경향이 확인되었다.

Table 8의 경우, 음식점 주방 덕트 내부 온도 측정 위치별 최고 온도 결과표이다. 해당 표에서도 확인할 수 있듯, 방화댐퍼가 1개 작동한 조건 중 F.D.2 closed 조건의 경우 방화댐퍼 전방 구간의 최고 온도는 최대 47.9 ℃인 반면 후방 구간의 최고 온도는 최대 72.8 ℃로 약 24.9 ℃의 온도 차이를 보였다. 작동한 방화댐퍼가 증가하여도, 경향은 유사하게 나타났으며, 이는 방화댐퍼 작동으로 인하여 덕트 내부의 열 유동이 순간적으로 차단되기 때문이다. 한편, 방화댐퍼가 작동하지 않는 조건의 경우 덕트 내부의 온도가 전체적으로 상승하는 경향이 나타났으며, 최대 97.6 ℃까지 상승하였다. 이는 방화댐퍼가 작동하였을 때 기류 차단으로 인하여 순간적으로 상승하는 후방 구간 온도의 최대값(82.4 ℃)을 고려하여도 약 15.2 ℃ 가량 높은 수치이다. 특히, 방화댐퍼로 차단된 구간(전방 구간)의 최고 온도 최대값(47.9 ℃)과 비교하였을 때, 약 49.7 ℃ 차이로, 2배 정도 높은 온도임을 알 수 있다.

한편, 고깃집 테이블 덕트 대비 음식점 주방 덕트 조건에서는 덕트 및 후드 직경이 더 크고 팬의 배출속도 또한 더 높음에도 불구하고, 전반적으로 덕트 내부 온도가 더 높게 나타나는 경향이 관찰되었다.

이는 음식점 주방 덕트의 경우 후드 직경이 크고, 특히 후드 측 유속(hood air velocity)이 3.1 m/s로 고깃집 테이블 덕트의 11.5 m/s보다 낮아 화원에서 발생한 고온의 열과 연기가 후드 및 덕트 내부에 더 많이 유입되고 체류하였기 때문으로 판단된다. 즉, 팬 출구에서의 배출 속도(fan outlet air velocity)는 더 크더라도, 실제 화원 인근에서의 열 포집 및 배출 특성은 음식점 주방 덕트 조건이 상대적으로 불리하여 결과적으로 덕트 내부 온도가 더 높게 나타난 것으로 해석된다.

Figure 7에 덕트 내부에 축적된 숯 잔여물과 라드유 혼합물을 도포한 형상을 나타내었다. Figure 7(a)는 방화댐퍼가 개방된 상태, Figure 7(b)는 방화댐퍼가 폐쇄된 상태, Figure 7(c)는 덕트 내부에 도포한 가연물에서 화재가 발생한 후 확산하는 형상을 나타낸 사진이다.

Figure 8에 퇴적물 화재 모사를 통해 도출한 시간-온도 곡선을 나타내었다. 실험 조건에서 설명한 바와 같이, 덕트 내부 퇴적물에 의하여 화재가 발생하였을 때 팬 작동 여부에 따른 방화댐퍼 작동 시간 및 작동 후 온도 변화를 관찰하기 위하여 방화댐퍼가 자동으로 폐쇄되는 상황에 대해 비교한 결과이다. 이때, 방화댐퍼는 화재와 인접한 장소에 위치하고 있는 F.D.2가 작동하였다. 먼저, Figure 8(a)는 팬과 방화댐퍼가 모두 작동한 조건으로, 화재 발생 후 약 1,427 s가 경과했을 때 덕트 내부 온도가 방화댐퍼 작동 온도에 도달하였다. 이는 퇴적물의 연소로 인하여 발생한 고온의 열이 팬 작동으로 인하여 덕트 내부를 따라 이동하며, 방화댐퍼 근처의 온도가 일정 임계값에 도달했기 때문으로 분석된다. 이때, 방화댐퍼가 자동 폐쇄된 직후 작동한 방화댐퍼 전방 구간인 KF∼KF2-2의 최대 온도 상승률은 방화댐퍼와 인접한 KF2-1에서 123%로 나타났으며 평균적으로 약 96.6% 상승하였다(Table 9). 한편 방화댐퍼 후방 구간인 KF2-3 및 KF2-4는 온도 급상승이 발생하여 순간적으로 약 400 ℃ 이상의 피크 온도가 관찰되었으며, 온도 상승률은 각각 202.5% 및 207.9%로 관측되었다. 이러한 순간적인 온도 상승은 방화댐퍼의 급작스러운 작동에 따라 열의 배기 통로가 일시적으로 차단되며 내부 유동이 약화되어 열이 국부적으로 체류한 결과로 해석된다. 다만, 이후 단기간(약 200 s) 이내에 온도가 하강하였으며, 장기적인 열축적 현상은 발생하지 않았다. 이어서, Figure 8(b)는 팬이 작동하지 않은 조건으로, Figure 8(a)와 같이 내부 퇴적물 화재로 인하여 방화댐퍼 작동 온도에 도달하면 자동으로 폐쇄되는 조건을 적용하였다. 본 조건에서는 화재가 발생한 후 약 1,106 s가 경과했을 때 방화댐퍼가 작동하였고, 열이 장시간 정체되어 덕트 내부의 전체적인 온도가 완만하게 상승하는 경향이 나타났다. 방화댐퍼가 작동한 이후, 덕트 전방 구간인 KF1-1∼KF2-2는 최대 16.6%, 평균적으로 약 10% 수준의 온도 하강률을 기록하였다. 후방 구간인 KF2-3 및 KF2-4는 일시적으로 온도가 상승하였다. 이는 방화댐퍼가 폐쇄된 직후 덕트 내부의 국부적인 열축적에 의하여 발생한 것으로 판단된다.

덕트 내부 퇴적물 화재 조건 결과를 통해, 방화댐퍼가 작동하였을 때 덕트 내부 열의 확산 경로를 차단하고 방화댐퍼 전방 부분의 온도 상승을 억제하여 온도 상승을 일부 제한함을 확인하였다. 특히, 팬이 작동한 조건에서는 덕트 내부 유속이 잔열 제거에 기여하여 차열 효과를 강화시켰고, 결과적으로 덕트 내부에 열이 체류하는 시간을 단축하였다. 한편, 팬 작동 여부에 따른 결과 비교를 통해 팬이 덕트 내부의 열적 안정성에 결정적인 영향을 미침을 확인하였다. 팬이 작동하지 않는 조건에서는 덕트에 유입된 열이 체류하여 내부 온도를 지속적으로 상승시켰다. 또한, 방화댐퍼 작동 이후에도 잔열이 덕트 내부에 체류하면서 온도 상승이 완만히 지속되었다. 한편, 팬 작동 조건에서는 전방 부분에 체류한 열이 신속히 배출되었으며, 방화댐퍼 작동 직후에는 순간적인 유동 방해로 온도가 급격히 상승하였으나, 팬이 지속적으로 작동하여 온도가 빠르게 하강하였다. 다만, 방화댐퍼 작동 시 순간적인 유동 방해로 후방 부분의 온도가 급격하게 상승하는 경향이 나타났다.

결과적으로, 방화댐퍼의 작동은 화염의 진행 경로를 물리적으로 차단하고, 팬 작동은 덕트 내부에 열이 체류하는 것을 방지하여 지속적인 온도 상승을 억제하는 상호보완적인 역할을 수행하였다. 즉, 퇴적물 화재와 같이 장시간 연소가 발생하는 상황에서는 방화댐퍼 및 팬의 복합적이고 적절한 작동을 통하여 효과적으로 화재를 억제할 수 있는 방안을 적용해야 함을 입증하였다. 또한, 본 실험 결과를 통하여 덕트 화재 발생에 따른 대응과 확산 방지를 위한 팬 및 방화댐퍼 시스템의 적절한 설치 필요성을 실험적으로 제시하였다.