Comparison of the Performance of a Smoke Control System by Pressurization

가압방식에 따른 전실제연설비의 성능 비교 연구

Abstract

This study compared the performance of a smoke control system in the case of a fire with that in the case of non-fire. Single-pressurization in the vestibule, single-pressurization in the stairwell, simultaneous smoke control of the stairwell and vestibule, which was the pressurization of smoke control, were assessed. The result showed that simultaneous smoke control of the stairwell and vestibule can maintain the differential pressure and is least influenced for the evacuation of evacuees. In addition, for the status of smoke control in Korea and the proper pressurization method, these results highlight the necessity of improving the current pressurization method through the survey.

전실제연설비의 가압방식인 부속실 단독, 계단실 단독, 부속실 계단실 동시 가압방식에 대한 화재 시 및 비화재시의 성능을 실험과 시뮬레이션을 이용하여 비교하였다. 그 결과, 부속실-계단실 동시 가압방식이 차압을 적절히 유지시키고 피난 자의 피난을 위한 영향이 가장 적음을 확인할 수 있었다. 또한, 국내 제연설비의 실태 및 적정 가압방식을 설문조사를 통해 현행 가압방식의 개선 필요성을 제시하였다.

1. 서론

국내의 건축 환경은 랜드마크 사업, 사용 편리성 및 도시공간의 제한 등으로 고층화, 복합화, 대규모화 및 지하화되어가고 있다. 이러한 변화에서 가장 우선시 검토되어야 할 것은 거주자, 점유자, 이용자 등의 안전이고 여기에 필요한 설비 중의 하나가 제연설비이다. 재실자, 거주자, 점유자 등은 화재 시 거실→복도→부속실→계단실→피난층→외부의 경로로 피난을 하고 있다.

제연설비는 건축물 내에서 화재로 인해 발생된 연기의 거동이 피난자의 피난경로 내로 유입되지 않도록 하는 것이다. 화재가 발생한 층의 거실, 복도, 부속실뿐만 아니라 다른 층에서의 피난도 이루어져야 하므로 계단실의 연기유입에 유의해야 한다^(3-4).

국가화재안전기준에서는 전실제연설비, 부속실제연설비, 방연설비 등으로 불리는 설비를 ‘특별피난계단의 계단실 및 부속실의 제연설비’(NFSC 501A)에 각각 규정하여 운영하고 있다. 이러한 규정의 가압방식은 제5조(제연구역의 선정)에서 ‘계단실 및 그 부속실을 동시에 제연하는 것’, ‘부속실만을 단독으로 제연하는 것’, ‘계단실 단독 제연하는 것’, ‘비상용승강기 승강장 단독 제연하는 것’의 4가지로 구분하고 있다. 그러나, 실제 국내에서 적용하는 경우는 부속실 단독제연방식을 대부분 적용하고 있다. 이러한 경우 부속실은 통상 비상용승강기 승강장을 겸하고 있다. 부속실 단독제연방식은 부속실에 과압이 걸릴 경우 피난자가 출입문을 열기 어려울 정도로 과압이 형성될 가능성이 크고 일부 현장에서는 계단실을 대기압 조건으로 두기 때문에 어느 한 층에서 연기가 유입될 경우 전체 계단실로 확산되어 피난이 불가능하게 될 것이다⁽¹⁾.

본 논문에서는 가압방식에 대한 성능실험과 시뮬레이션을 통해 그 성능을 비교하여 보다 적합한 가압방식을 제시하고자 한다. 또한, 해당 사항에 대한 설문조사를 통해 관계인의 인식정도를 확인하고자 하였다.

2. 본론

미국의 제연설비관련 규정은 1991년부터 2009년까지 가압설비를 기술하는 NFPA 92A와 몰과 아트리움과 같은 대공간 내에서 사용되는 제연설비를 NFPA 92B로 구분하여 운영하다가 2011년 이후 건축법령에서 제연설비를 언급할 때, 두 기준 내에 기술되어 있는 내용의 혼선 등의 이유로 NFPA 92로 통합되었다. 이를 국가화재안전기준과 비교하면 Table 1과 같다^(1-2).

Table 1. Comparison of Smoke Control System for NFSC and NFPA

또한, 미국과 한국의 규정에서 정하는 제연방식은 Table 2와 같다. 이는 몇 가지 차이점을 볼 수 있다. 한국에서는 하나의 방식을 선택하도록 하고 있으나 미국은 하나 또는 조합이 가능하도록 하고 있다. 다만, 부속실 단독가압방식을 채택을 할 때에는 부속실 내부로 연기가 유입될 경우 계단실을 오염시키지 않도록 부속실과 계단실 사이의 누설틈새를 최소화되어야 한다고 권고하고 있다.

Table 2. Comparison of Smoke Control System for NFSC and NFPA

한국에서는 계단실 및 부속실을 동시에 가압, 승강기의 승강로를 가압 하는 것을 제연방식 중 하나로 채택하는 방식이 특이한 점으로 볼 수 있다^(5-6).

한편, 공동주택에 급기가압제연설비가 설치된 경우 대부분 부속실 단독 가압방식으로 설치되어 있어 부속실 과압에 따른 옥내 출입문의 개방력이 110 N을 초과하여 피난이 어려운 상황이 되거나, 계단실로 연기가 유입된 경우 모든 층으로 확산될 수 있다는 문제점을 갖고 있다.

부속실 단독 가압과 계단실 및 부속실 동시 가압방식을 실험 및 시뮬레이션을 통해 그 성능을 비교하고자 한다.

2.1 가압방식별 성능 비교

가압방식별 성능 비교를 위해 Figure 1과 같이 화재실 모형을 (5.4×5.4×6.1) m³의 모형으로 설치하였으며, 실내의 화재조건은 1층 거실 중앙에 화원을 위치시켰고 공동주택의 화재하중 값인 1 MW와 1.5 MW의 화재를 Scaling law를 통해 41 kW와 62 kW로 축소 실험을 진행하였다. 다만, 화재의 성장은 무시하였다.

Figure 1. Pick target analytical model.

실험결과 아래 Figure 2과 같이 화재 크기별 부속실-거실 간의 차압분포 및 송풍유량을 보였다. 이는 부속실 단독 가압방식을 비화재, 1 MW, 1.5 MW급으로 화재실 온도가 75 ℃ 도달되었을 때, 제연설비가 작동하게 가정 하였다. 그 결과, 비화재시는 평균 56.6 Pa 차압이 유지되는 것을 확인 할 수 있었으며, 화재시는 41.5 Pa에서 49.4 Pa의 평균 차압을 유지하는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 조건을 기본으로 전산유체역학(computational fluid dynamics program) 프로그램을 통해 유동특성을 확인 하였다. Figure 3. 부속실-거실간의 유동특성, Figure 4. 계단실 단독 가압방식, Figure 5.계단실-부속실 동시가압방식의 결과를 도출하였다. 그 결과, Figure 4. 계단실 단독가압방식은 평균차압이 3 Pa로써차압 유지에 어려움이 있었으며, Figure 3. 부속실-거실 간의 유동특성의 경우 23 Pa, Figure 5. 계단실-부속실 동시 가압방식에서는 55 Pa로써 가장 이상적으로 차압이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 실험설비의 제약으로 인해 모든 조건에서 실험이 이루어지지 못하였다.

Figure 2. Differential pressure and flow rate.

Figure 3. Flow characteristic of single-pressurization in vestibule (Left : In case of non-fire, Right : In case of fire).

Figure 4. Flow characteristic of single-pressurization in stairwell (Left : In case of non-fire, Right : In case of fire).

Figure 5. Flow characteristic of simultaneous smoke control of stairwell and vestibule (Left : In case of non-fire, Right : In case of fire).

Table 3. Flow Characteristic of Smoke Control System

2.2 설문조사

국내 제연설비의 실태를 파악하고자 200여 개의 소방시설점검업체 등에 설문조사를 실시한 결과 42개 업체 46매의설문조사에 응답하였다. 설문은 e-mail, 팩스를 통해 소방시설점검업체 등에 자료를 배포하였고, 설문기간은 2016. 3. 2∼ 2016. 4. 12, 이는 40일 동안 진행하였다.

설문조사의 조사항목은 제연방식에서의 피난자의 안전성에 대한 의견, 제연구역 선정 시 선정 사유, 제연구역 선정 시 가장 우수하게 판단되는 제연방식 크게 3가지 방향으로 나타내었다.

첫 번째, 부속실 단독 제연방식에서 피난자의 안전성 확보 정도에 대해 조사한 결과 Figure 6과 같이 보통, 충분함,불충분함, 매우 불충분함, 매우 충분함 순으로 나타났다. 이는 안전성 확보에 대한 신뢰감이 크지 않다는 것을 알수 있다. 보다 신뢰성이 높은 제연방식을 건물에 적용할 필요성이 있다고 판단된다.

Figure 6. Single-pressurization in vestibule.

두 번째, 부속실 단독제연 선정을 많이 선택하는 이유에 대해서 조사한 결과 Figure 7과 같이 많은 시공사례와 관행, 시공비 절감, 피난의 안전성 확보 측면에서 우수, 다른 제연방식 적용에 대한 기준 미비 순으로 나타났다. 이는 피난의 안전성보다는 과거 관행에 많이 의존하는 것을 볼 수 있었으며, 다른 제연방식 적용에 대한 기준이 미비 한 것도눈여겨볼 점이다. 이러한 결과를 분석해보면 안전성 확보 측면에서 접근해 보면 낮은 결과이므로 보다 안전한 제연방식을 적용할 필요가 있다고 추측된다.

Figure 7. Why choose single-pressurization in vestibule.

세 번째, 급기가압제연설비의 제연구역 선정 시 가장 우수하게 판단되는 제연방식에 대해서 조사한 결과 Figure 8과 같이 계단실 및 부속실을 동시에 제연하는 것이 가장 높았고 다음 순으로는 부속실만을 단독으로 제연하는 것,계단실만 단독으로 제연하는 것의 순이었다. 이는 각종 문헌이나 자료를 통해 계단실 및 부속실 동시 제연에 대해서 인식을 하고 있으면서도 과거 관행이나, 시공비 절감, 적용에 대한 기준 미비로 인한 적용이 잘 되지 않는 것으로 볼  수 있다.

Figure 8. A wise choice in smoke control.

3. 결론

국내의 제연방식은 국가화재안전기준 NFSC 501A에서 4가지 방식으로 선택하도록 하고 있다. 이 중에서 부속실 단독 가압방식을 시공사례 관행 및 시공비 절감의 이유로 많이 선호하는 실정이다. 이에 현행 가압방식의 개선 필요성을 제시하고 다양한 가압방식을 실험 및 시뮬레이션을 통해 가장 이상적인 가압방식을 선정하였다.

먼저, 부속실 단독 가압과 계단실 및 부속실 동시 가압방식을 실험 및 시뮬레이션을 통해 그 성능을 비교하였다. 그 결과, 계단실 및 부속실 동시 가압방식이 평균 차압이 55 Pa로써 화재 시 적정 압력을 유지하는 것으로 도출되었다. 부속실 단독 가압방식의 경우에도 실험에서는 적정 차압이 유지되었지만, 시뮬레이션 결과는 미치지 못하여 다소 차이를 보였다. 계단실 단독 가압방식의 경우는 시뮬레이션 결과 평균 차압이 3 Pa로써 다른 방식의 제연방식 보다 차압이 미치지 못했다.

또한, 국내 제연설비의 실태 파악을 위한 설문조사에서도 볼 수 있듯이, 실무 담당자들은 각종 문헌이나 자료를 통해 계단실-부속실 동시 가압방식의 장점에 대해서 인식을 하고 있으면서도 과거 관행이나, 시공비 절감, 적용에 대한 기준 미비로 인해 적용이 되지 않는 것을 알 수 있었다.

이에, 현재는 시공사례가 부족하지만 몇몇의 시공사례를 통해 급기가압제연설비의 설계 시 부속실을 갖는 구조의 건축물에서는 계단실 및 부속실 동시 가압방식으로 제연방식을 선정하는 것이 바람직하다.

후기

본 연구는 2014년 국민안전처 소방안전 및 119구조구급 기술연구개발사업 (NEMA-차세대-2014-52)의 연구비 지원 으로 수행되었습니다.