급기가압 제연설비의 내부 유동특성에 대한 수치해석

Numerical Analysis on Flow Characteristics in the Pressurized Air Supply Smoke Control System

Abstract

본 연구에서는 급기가압에 따른 건축물 내부의 공기유동에 대한 수치해석을 수행하고 거실, 부속실 및 계단실 간의 차압분포 및 유동 특성을 분석하였다. 유동 해석은 유효누설면적을 측정하기 위해 제작된 누기율 시험설비에 대하여 수행하였으며, 급기가압에 따른 각 실의 압력 및 유속분포 등을 분석하였다. 본 해석에서 공기의 누설은 유효누설면적을 갖는 얇은 틈새를 방화문과 창문에 위치시키는 방법으로 모사하였다. 이러한 방법을 이용한 해석은 계단실과 부속실 간의 차압에 대한 기존 실험의 결과를 적절히 예측하였다. 해석 결과를 통해 국부적인 누설이 급기가압 제연 설비의 전체적인 유동 패턴 및 압력 분포에 큰 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 거실-부속실 문 단면에서의 평균속도가 방연풍속에 대한 국가화재안전기준을 만족하였으나 문의 상부와 같은 국부적인 위치에서 부속실로의 유출이 발생할 수 있음을 확인하였다.

This study investigated the pressure difference distribution and the flow characteristics among room, ancillary room, and stair case by carrying out the numerical simulations on the air flow inside the pressurized air supply smoke control system. Numerical simulations were conducted to analyze pressure and velocity distribution of compartments by pressurized air supply for the air-leakage test facility which was built to measure the effective leakage area. In this study, the leakage of air was considered by locating the narrow slit onto fire door and window of room. Simulated results using this method precisely followed the previous experimental results for the pressure differences between the stair case and ancillary room. Predicted results showed that the local leakage of air rarely affected the overall flow pattern and pressure distribution. Although the average velocity over the door between room and ancillary room satisfied the regulation for fire safety, it was certified the unsafe outflow to ancillary room could be occurred in the local position such as the upper part of the door.

1. 서론

다수의 구획된 공간(Compartments)으로 구성되는 건축물 내부에서 화재로 발생한 연기는 소방 활동 및 대피를 저해하는 가장 중요한 요인 중 하나이다. 거실과 같은 하나의 구획 공간에서의 화재로 생성된 연기는 부력 효과에 의해천장 부근으로 상승하게 되며, 유동성이 있는 연층(Smokelayer)을 형성하면서 천장 급류(Ceiling jet) 효과에 의해 주위로 전파된다.⁽¹⁾ 이러한 연기의 거동에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 구획된 공간들 사이의 압력차(Pressuredifference)이다. 화재 구획에서 생성되는 연소가스와 연기는 상대적으로 낮은 압력을 갖는 주위의 구획으로 쉽게 전파된다. 이러한 연기의 거동은 고층 및 대형 건축물 화재에서 피난 경로 또는 대피 공간에 심각한 악영향을 주기 때문에 인적 피해의 가능성을 증가시키게 된다. 따라서 건축물 화재에서 연기의 제어 및 피난 시간 확보를 통해 인명피해를 최소화하기 위해서 제연시스템의 중요성 및 성능 확보에 지속적인 관심과 연구가 진행되고 있다.^(2-4)

화재에 의해 발생하는 하는 연기의 거동을 제어하기 위한 다양한 시스템이 운용되고 있는데, 피난 경로를 가장 적극적으로 방호하여 화재 연구의 침투와 영향을 최소화하는 방법으로 급기가압 제연설비가 있다. 급기가압 제연설비는 피난 경로 또는 대피 공간에 옥외의 신선한 공기를 기계적인 방법으로 공급하여 화재 발생 공간 대비 높은 압력을 유지하게 함으로써 연기 또는 유해 성분의 침투를 방지하는 방법이다. 특히 건축물 내의 계단실 및 부속실에 급기가압 제연설비를 적용함으로써 안전한 피난 경로 확보를 통한 인명 안전성 증대와 함께 소방관의 소화 및 구조 활동의 편이성을 도모할 수 있다. 따라서 건축물의 화재 안전 및 피난 안전 측면에서 급기가압 제연설비의 성능확보는 필수적인 요소로 인식되고 있다.^(4-6) 이와 관련하여 제연시스템을 구성하는 제연경계벽, 배연구, 송풍기, 풍도 및 방연 댐퍼에 대한 성능 향상과 신제품 개발, 설계 기법 개발 등의 연구가 지속적으로 진행되고 있다.^(7,8) 또한 시스템의 성능을 보다 정확하게 파악하고 정량적으로 평가하기 위한 장치 또는 기법의 필요성도 함께 대두되고 있다. 유우준 등⁽⁸⁾은 제연 시스템의 구성요소들에 대한 누기율 측정, 차압댐퍼의 성능 평가, 방연 특성 분석 등을 목적으로 하는 누기율 시험설비를 제작하여 운영하고 있다.

본 연구에서는 급기가압에 따른 건축물 내부의 유동 특성에 대한 수치해석을 수행하고 거실, 부속실, 계단실 간의 차압분포를 분석하고자 한다. 유동해석은 앞서 언급한 누기율 시험설비⁽⁸⁾를 대상으로 수행되었으며, 급기가압에 따른 각 실의 압력 및 유속분포 등에 대한 상세한 데이터 분석을 통해 급기가압에 따른 내부 유동 특성의 이해를 증진시킴으로써 제연 설비의 성능 향상을 위한 향후 연구에 활용할 수 있는 데이터를 제공하고자 한다.

2. 수치해석 방법

본 연구에서는 한국소방산업기술원에 설치된 누기율 시험설비(8)를 대상으로 해석을 수행한다. 이 누기율 시험설비는 화재 시 작동하는 제연 설비의 성능을 시험하고 관련 법규의 개정 및 제정을 위한 공학적 데이터를 구축할 목적으로 설치 운영되고 있으며 다양한 조건에서의 제연 설비 성능에 대한 유용한 측정 데이터를 제공해 왔다. 누기율 시험설비는 3층의 구조를 갖고 있으며 1층에서는 댐퍼 성능 및 방연풍속 측정 등이 수행되고 2층은 화재 실험용으로 설계되었다.⁽⁸⁾

본 연구에서는 누기율 시험설비 1층을 대상으로 유동해석이 수행된다. Figure 1는 1층 단면에 대한 모식도와 해석조건을 요약하여 나타내었다. 누기율 시험설비의 구조는 거실, 부속실, 계단실로 구성되며 부속실의 벽면에 과압 조절형 송풍 댐퍼가 설치되었다. 해석 조건은 Table 1에 요약하였다. 댐퍼의 유량 조건은 송풍기를 통해 공급될 수 있는 최대 유량 조건인 0.63 m3/s을 설정되었다(Case 01, 02, 04). 또한 외기와의 차압이 50 Pa이 되는 0.24 m3/s의 유량 조건(Case 03)으로도 해석을 수행하였다. 부속실-계단실 방화문의 크기는 1.8×2.0 m2이며 완전히 열려 있는 상태(Case 01)와 누설 없이 완전히 닫힌 상태(Case 02), 그리고 누설이 고려된 닫힘 상태(Case 03, 04)에 대한 해석을 수행하였다. 유우준 등⁽⁸⁾에 따르면, 거실과 부속실 공간 전체의 누설면적은 약 0.027 m2이다. 본 연구에서 누설면적은 부속실-계단실 방화문 중심에 0.02 m2의 틈과 창문에 0.007 m2의 틈이 있는 것으로 모사하였다. 실제의 누설 위치를 정확하게 파악하는 것은 사실상 불가능하기 때문에 이와 같이 유효면적을 특정 위치에 설정하는 것이 누설을 고려하는 가장 합리적인 방법이라 할 수 있다. 거실 벽면에 위치한 창문이 완전히 열렸을 때의 누설 면적을 고려한 총 면적은 약 0.0675 m2으로 설정(Case 01, 02, 04)하였으며 닫힌 상태(Case 03)에서도 0.0075 m2의 누설이 있는 것으로 가정하였다. 또한 거실과 부속실 사이에 위치한 내부 문은 모든 해석 케이스에서 완전히 열려 있는 것으로 가정하였다.

유동 해석에는 전산유체 분야에서 광범위하게 적용되는 범용 CFD 코드인 ANSYS FLUENT Dynamics V.12.0 을 사용하였다. Figure 2는 해석에 사용된 격자를 대표하여 Case 04의 해석 격자 시스템을 보여주고 있다. 부속실과 계단실사이의 벽면에 얇은 틈이 모사되어 있음을 확인할 수 있다. 격자 시스템은 약 500,000의 셀로 구성되어 있으며 해석상의 주요부와 벽면 근처에서는 해석 결과의 향상을 위해 상대적으로 조밀한 격자를 구성하였다. 외부로 열린 창문과 계단실에 위치한 입구, 계단을 통해 2층으로 연결되는 경계는 정압이 0 Pa로 유지되는 압력 경계조건으로 처리하였다. 부속실로 송풍 유량을 공급하는 댐퍼는 질량 유량 유입의 경계조건으로 설정하였다. 그 외의 모든 경계는 표준 벽함수(Wall function)을 사용하는 벽면 경계로 가정하였다. 난류 모델로는 표준 k-ε 모델을 사용하였으며 압력-속도 간커플링을 위해서 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 모든 해석은 정상 상태로 가정하여 해석하였으며 수렴 조건은 모든 해석 물리량에 대해서 이전 해석 단계에 대한 최대 변화율이 10-3 이하가 되도록 하였다.

Figure 1. Schematics on the 1^st floor of the air-leakage tester and simulation conditions.

Table 1. Summary on the Numerical Simulation Cases for the Air Flow in the Air-leakage Test Facility

Figure 2. Grid system and boundary conditions for simulation Case 04.

3. 결과 및 고찰

3.1 거시적 유동특성

Figure 3(a)는 부속실-계단실 방화문, 거실 창문 등이 완전히 열려있는 Case 01에 대해서 송풍댐퍼에서 공급되는 유동의 유선(Steamlines)을 보여주고 있다. 하나의 유선 상에 위치한 궤적 마커(Trajectory marker)간의 간격은 속도 크기를 반영한다. 그림에서 볼 수 있듯이 댐퍼로부터 유입된 유동은 부속실 공간을 가로질러 거실-부속실 벽면까지빠르게 진행되며 거실-부속실 문을 통해 거실로 유입된다. 거실에 유입된 유동은 거실 벽면에 충돌한 후 운동량을 잃고 상대적으로 작은 속도를 가지고 거실에 머무르다가 다시 부속실을 거쳐 계단실로 이동한다. 또한 일부의 공기는 거실에 이르지 못하고 부속실-계단실 문을 통해 직접 계단실로 진행되기도 한다. 계단실로 유입된 유동은 출입구와계단을 거쳐 각각 외부와 2층으로 이동하게 된다. Figure 3(b)는 창문과 부속실-계단실 방화문이 모두 닫힌 상태에서 누설을 고려한 Case 03에서 댐퍼로 유입된 공기의 유동 특성을 보여주고 있다. 공급된 공기는 거실 공간으로 진행한 후 창문의 누설 틈을 통해 외부로 유출되거나 다시 부속실로 유출된 후 한동안 머무르다가 방화문의 틈을 통해 계단실 공간으로 빠져나가게 된다.

Figure 4는 Case 01~04에 대해서 높이가 1.5 m인 단면에서의 압력 분포를 보여주고 있다. 그림을 보면 구획된 공간별로 거의 일정한 압력이 유지되어 국부적인 압력 분포에 의미 있는 구배는 보이지 않고 있다. 이러한 경향은 본 절에서 수행한 해석이 정상 상태에 대한 해석을 수행하고 있기 때문으로 생각할 수 있다. 즉, 송풍 유량이 유입되는 초기에는 그 영향에 따라 국부적인 압력 구배가 있을 수 있겠으나 충분한 시간이 경과하여 댐퍼에서의 유입과 외부 경계들(해석 조건에 따라 거실 창문, 계단실의 출입구 및 개방 공간 등)로의 유출이 균형을 이루게 되면 각 실내의 정압 분포에 영향을 미칠 수 있는 인자가 없게 될 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 Figure 4(a)의 Case 01는 부속실-계단실 방화문을 비롯한 모든 문이 개방된 상태이며 Figure 4(b)의 Case 02는 누설이 고려되지 않은 상태에서 거실의 창문만 열려 있는 상태이다. Case 01의 상태에서는 모든 공간이외기와 직접적으로 연결되어 있기 때문에 각 실의 압력이 거의 대기압 상태로서 실간 차압이 거의 존재하지 않는다. Case 02의 경우 댐퍼를 통해 유입된 유동이 부속실과 거실에만 머무를 수 있으며 거실 창문을 통해서 외부로 빠져나가지만 내부에서의 압력이 105 Pa 이상까지 상승하는 것을 확인할 수 있다. Figure 4(c)의 Case 03의 경우는 방화문 및거실 창문이 닫힌 상태에서 누설을 고려하였다. 댐퍼에서의 공급 유량은 0.24 m3/s로 설정되었는데 실험으로부터 구해진 관계식(8)에 의하면 이 때의 부속실 차압이 국가화재안전기준(9)에서의 기준인 50 Pa을 만족하게 된다. 그림에서 확인할 수 있듯이 본 연구에서 수행한 해석에서도 유사한 결과를 보여준다. 정확하게는 부속실 최대 압력이 약 54 Pa로 계산되었다. Figure 4(d)의 CASE 04의 경우는 부속실-계단실 방화문에서 누설을 고려하고 거실 창문이 최대한 열린 상태이다. 댐퍼에서의 공급유량은 설치된 송풍기의 최대 유량에 해당하는 0.63 m3/s로 주었다. 유우준 등(8)의 실험에서와 마찬가지로 최대 유량 조건에서도 국가화재안전기준의 부속실 차압을 만족하지 못하며 부속실 최대 압력은 약 34 Pa을 나타낸다. 이 값은 실험⁽⁸⁾에서 측정된 29 Pa에 비해 다소 높게 예측되었으나 실험의 오차 범위 내에 있는 것으로 생각할 수 있다.

Figure 3. Streamlines of flows originated from air-supply damper surface for (a) Case 01 and (b) Case 03.

Figure 4. Pressure distributions of the z=1.5 m section for Case 01∼04.

3.2 부속실 및 거실의 유동특성

Figure 5는 Case 01~04에 대해서 송풍 댐퍼의 중심 단면(y=3.3 m)에서의 속도장을 보여주고 있다. 전체적으로 볼때 댐퍼를 통해 공급되는 유량이 빠르게 거실 방면으로 이동하고 있으며 이러한 경향은 앞 절의 거시 유동 특성에서도 확인한 바이다. 또한 거실-부속실 문의 상층부에서는 거실에서 부속실 방면으로의 유출도 확인할 수 있다. 국가화재안전기준⁽⁹⁾에서는 거실과 부속실 사이의 문이 개방되었을 때 연기의 전파를 억제하기 위한 방연 풍속 기준을 제시하고 있다. 방연풍속의 관점에서 봤을 때 거실에서 부속실 방면으로의 유동은 부정적인 것으로 판단할 수 있다. 이에 대해서는 다음의 Figure 6을 살펴보면서 다시 한 번 고찰할 것이다. Case 01과 02를 비교할 때 Figure 5(b)의 Case 02에서는 부속실-계단실 방화문이 닫혀 있는 상태이기 때문에 계단실 방면으로의 운동량 이동이 상대적으로 적어거실 방면으로의 속도가 상대적으로 빠르지만 그 차이는 그리 크지 않다. 다만 Case 01에 비해 거실 벽면 부근에서 창문을 향하는 속도성분이 상대적으로 크게 나타내고 있음을 확인할 수 있다. Figure 5(c)의 Case 03의 경우 다른 해석조건에 비해 송풍 유량이 약 1/3 수준으로 작기 때문에 송풍 댐퍼 중심 단면에서 속도 크기가 비교적 작게 나타나고 있다. Figure 5(d)의 Case 04의 경우도 Case 01과 02의 결과와 크게 다르지 않은 속도 분포를 보이고 있다. 즉, 거실 방면으로의 빠른 유속, 거실 창문 방향으로의 빠른 유속, 거실-부속실 문의 상층부에서의 유출 유동 등 대표적인 특징이 유지되고 있음을 확인할 수 있다. 따라서 누설이 국부적인 유동 특성을 근본적으로 변화시키지는 못하는 것으로 생각할 수 있다.

Figure 6은 Case 01~04에 대해서 거실-부속실 문 단면에서의 x 방향 속도 성분 분포를 보이고 있다. 해석 영역의 x-좌표가 거실에서 부속실 방면으로 설정되어 있으므로 그림에서 마이너스(-) 값이 부속실에서 거실 방면으로의 속도성분을 나타내며 플러스(-) 값은 거실에서 부속실로의 유출을 의미한다. 따라서 방연 풍속의 관점에서는 마이너스(-)값을 갖는 것이 긍정적인 영향을 나타내는 것으로 생각할 수 있다. 현재의 누기율 시험설비의 형상 조건에 의해서 댐퍼와 거실-부속실 문이 거의 일직선상에 놓여 있기 때문에댐퍼로부터의 유동이 직접적으로 영향을 미치게 되어 문의 중간 높이 부분에 가장 높은 x-속도가 형성되고 있으며 이를 중심으로 동심원을 그리듯 속도 분포가 낮아지다가 문의 상층부와 하층부의 왼쪽 구석 일부에서 속도 방향이 변화하여 유출 유동이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 해석조건에 따라 비교해 볼 때 Case 03의 경우가 송풍 유량 자체가 다른 경우에 비해 작기 때문에 거실 유입 유동 부분이 좁고 반대로 유출 부분이 넓은 결과를 보이고 있으나 유입 유동 속도 작은 만큼 유출 유동의 속도 정도도 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한 계단실로의 유출이 전혀 없는 Case 02의 경우에 가장 넓고 빠른 거실 유입 분포를 보이며 부속실로의 유출 속도가 가장 빠른 것은 Case 01임을 알 수 있다. Figure 6에서 나타나는 부속실로의 유출 유동이 발생하는 원인으로 좁은 거실 면적을 들 수 있다. 거실공간이 충분히 넓을 경우 유입되는 공기 유량의 영향이 넓은 거실 체적으로 분산될 것이다. 또한 문에서 거실 벽면까지의 거리가 짧기 때문에 벽면에 충돌한 유동이 벽면 상부와 천정을 따라 이동하다가 곧바로 문을 통해 유출되게 되어 상층부에서의 유출 유동이 크게 나타나는 것으로 생각된다. 화재안전기준(9)에는 방연풍속을 0.7 m/s 이상으로 규정하고 있으며 문의 단면에 걸쳐 10곳에서 측정한 풍속의 평균값으로 방연풍속을 결정하도록 하고 있다. 그러나 해석 결과를 통해 확인할 수 있듯이 문의 특정 영역에서 고속의 유출 유동이 발생하는 경우 거실에서 화재 시 발생되는 연기의 전파를 적절하게 방지할 수 있을지는 확신할 수 없다. 특히 본 수치해석에서 채택한 부속실-거실의 형상 조건에서는 문의 상층부에서 유출 유동이 크게 나타나는데화재 연기가 천정 면에서부터 축적되어 내려오는 것이 일반적인 현상임을 상기할 때 큰 문제점이라 할 수 있다. 실제 건축물에서 계단실, 부속실, 거실 간의 형상 구조를 일반화하여 분류할 수는 없겠으나, 본 해석 결과를 통해 확인할 수 있는 것은 방화문에서의 평균속도가 국가화재안전기준을 만족하더라도 국부적으로는 부속실 또는 계단실로의 연기 유출이 발생할 수 있다는 것이다. 따라서 제연 시스템의 성능과 안전성 향상을 위해서는 국부적인 유동 특성에 대해 충분히 고려해야 할 것으로 생각된다.

Figure 5. Velocity vector fields of the middle section of air-supply damper (y=3.3 m) for Case 01∼04.

Figure 6. X-velocity component contours of the section of the room-ancillary door for Case 01∼04.

4. 결론

본 연구에서는 급기가압에 따른 건축물 내부의 유동 특성에 대한 수치해석을 수행하고 거실, 부속실, 계단실 간의 차압분포를 분석하였다. 유동해석은 소방산업기술원의 누기율 시험설비⁽⁸⁾를 대상으로 수행되었으며, 급기가압에 따른 각 실의 압력 및 유속분포 등에 대한 해석을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) 방화문과 창문 등에서 발생하는 누설을 얇은 틈새로모사하여 해석을 수행하였다. 방화문 및 창문에서 누설 틈새만을 적용한 Case 03에서는 54 Pa, 방화문 누설과 개방창문 조건의 Case 04에서는 34 Pa의 차압을 얻었으며 이는 기존 실험(8)에서의 결과와 유사하였다.

2) 부속실 및 거실의 속도 분포에 대해서는 모든 Case에서 유사한 유동 패턴을 보여 주었다. 방화문과 창문 등에서 발생하는 누설이 전체적인 내부 유동 특성에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있었다.

3) 거실-부속실 문 단면에서의 방연풍속의 예측 결과는 국가화재안전기준(9)을 만족하였다. 그러나 문의 상부와 같은 국부적인 위치에서 부속실로의 유출이 발생할 수 있음을 확인하였는데 이는 거실 상층부의 연기가 부속실로 유출될 수 있음을 의미한다. 본 해석의 대상이 되는 누기율시험설비의 경우 거실의 체적 및 거실물과 벽면 사이의 거리가 짧기 때문에 충돌공기의 역류 현상이 발생하는 것으로 생각된다.

4) 이와 같이 거실의 구조 등의 원인에 의해 국부적인 유출이 발생될 수 있으므로 방화문에서의 평균값으로 정의되는 방연풍속 기준이 연기 제어의 절대적 기준이 될 수 없다고 판단된다. 제연설비의 안전성 향상을 위해서는 국부적인 유동 특성에 대한 충분한 고려가 필요함을 확인할 수 있었다.

후기

본 논문은 2015년도 동양대학교 학술연구비의 지원으로 수행되었으며 이에 관계제위께 감사드립니다.