Study on the Fire Behavior of Spring Bed Mattress with and Without a Cooling Frame

냉각프레임 설치 유무에 따른 스프링 침대 매트리스의 화재성상에 관한 연구

Abstract

To improve the fire safety of spring bed mattress, a cooling frame including cooling material (water) was made and a cooling frame was installed under the bed mattress or between the bed mattress and bed mattress base; fire tests (real scale) were conducted with or without a cooling frame. Similar fire behavior was observed at the beginning of the test (approximately 3 minutes). Subsequently, rapid fire growth in the mattress without a cooling frame, but with a cooling frame, the decline progressed without growth. The flame spread on the top surface of the bed mattress was similar in the semicircular direction, and the average flame speed velocity was analyzed at approximately 0.005 m/s. The maximum flame height was found to be approximately 2.7 m without a cooling frame, and approximately 1.8 m with a cooling frame installed. In addition, the maximum heat release rate was measured to be approximately 740 kW without a cooling frame, and approximately 400 kW with a cooling frame installed. As a result, the flame height and heat release rate were reduced when the bed mattress was fired through the installed cooling frame.

스프링 침대 매트리스의 화재안전성을 향상시키기 위한 방안으로 냉각재료(물)을 포함한 냉각프레임을 제작하여 침대 매트리스 아래 또는 침대 매트리스와 침대 매트리스 받침대 사이부분에 냉각프레임을 설치하여 냉각프레임 설치 유무에 따른 실물규모 화재시험을 실시하였다. 시험 초기(약 3분)에는 비슷한 화재성상을 보이나 이후에는 냉각프레임이 없는 경우는 급격한 화재성장이 확인 되었으며, 냉각프레임이 있는 경우는 성장되지 않고 쇠퇴가 진행되었다. 침대 매트리스 상단표면에서의 화염전파는 반원방향으로 유사하게 진행되었으며, 평균 화염전파속도는 약 0.005 m/s 분석되었다. 최대화염높이는 냉각프레임이 없는 경우 약 2.7 m, 냉각프레임이 설치된 경우 약 1.8 m로 분석되었다. 또한 최대열방출율(Heat release rate)은 냉각프레임이 없는 경우는 약 740 kW, 냉각프레임이 설치된 경우는 약 400 kW 측정되었다. 결과적으로 냉각프레임 설치를 통해 침대 매트리스 화재시 화염높이 및 열방출율이 저감되는 것으로 확인되었다.

1. 서론

침대 매트리스는 화재 시 인명 및 재산피해의 주된 원인으로 높은 화재위험성을 가지고 있다. 이에 국내 침대 매트리스에 대한 실물규모 화재시험을 실시한 결과 대부분 약5분 이내에 플래시오버(Flashover) 및 전소가 이뤄졌으며, 최대열방출율은 평균 약 1000 kW 수준으로 측정되어 해외(미국) 기준(CPSC 16 CFR Part 1633)(1)과 비교할 경우 최대열방출율 기준인 200 kW 와 상당한 차이가 확인되었다.

따라서 침대 매트리스의 화재안전성을 향상시키기 위한 방안으로 침대 매트리스 아래 또는 침대 매트리스와 침대 매트리스 받침대 사이부분에 냉각프레임을 설치하여 냉각프레임 설치 유무에 따른 실물규모 화재시험(2)을 실시하여 화재성상(진행)과정을 관찰하고, 화염전파속도, 화염높이 및 열방출율(Heat release rate)를 측정 및 분석하고자 한다. 결과적으로 냉각프레임 설치 유무에 따른 종합적인 침대 매트리스 화재성상의 특성을 파악하고자 한다.

2. 실물규모 화재시험

2.1 침대 매트리스 화재위험성

일반적인 침대 매트리스⁽³⁾는 스프링 등을 기반으로 하는 구조를 유지하며, 겉면은 직물 등으로 마감된 육면체의 형태로 공기층을 포함한 가연물로 구성된다. 직물로 인하여 발화점이 낮아 화재 시 화염확산의 매개체로 작용될 수 있으며, 동시에 급격한 화재성장(플래시오버)의 위험성을 내포하고 있다. 이는 재실자의 피난이 불가능해지는 결과를 초래하여 실물규모 화재시험을 통한 위험성분석이 필요하다.

2.2 시험개요

침대 매트리스의 실물규모 화재시험 방법은 CPSC 16 CFR Part 1633 및 ISO 12949(4)에 규정되어 있다. 이 시험방법은 규격화된 착화원을 사용하여 통제된 시험 구역에서 자유 연소시킴으로써 매트리스 또는 매트리스 세트의 인화성능을 측정한다. 시험 구역은 ISO 24473과 같은 개방 열량계(open calorimeter) 또는 집진 후드에 연결된 지정된 크기의 시험실 중 하나로 구성되어야 한다. 열방출률은 배기덕트의 측정장치를 이용하여, 산소 소모 열량기법에 의해 측정된다. 시험은 30분간 진행 또는 시험관계자, 시험 장비 및 설비 안전에 위협이 발생할 때까지 지속한다.

2.3 착화원

착화원은 한 쌍의 프로판 버너로 구성되며, 세부사항은 Table 1과 같다. 침대 매트리스 상단과 측면에 각각 지정된 시간 동안 해당 열류량을 적용한다. 버너로부터 출력되는 27 kW 열량은 이불, 베개 등에 착화가 발생되는 것을 모사한 열량으로 버너에는 불꽃의 흐름을 방해하는 난류환경을 방지하기 위한 필터 스크린을 설치한다.

Table 1. Burner Specifications

2.4 열방출율(Heat release rate)

화재시 생성되는 엔탈피를 정량화하기 위해, 매트리스에서 방출된 시간당 열방출율은 규정된 버너가 작동 중 또는 그 이후에 측정된다. 열방출률은 배기 덕트의 측정장치를 이용하여, 산소 소모 열량기법에 의해 측정된다. 열방출율(Heat Release Rate) 모델 계산식(5)은 아래 (1)과 같다.

\(\dot{Q}_{=} \frac{E^{1} \dot{m} \frac{M_{o_{2}}}{M_{\text {air }}}\left(1-X_{I I, O}^{0}\right)}{\frac{\alpha-1}{X_{O_{2}}^{0}}+\frac{1-\frac{X_{Q_{2}}}{1-X_{C O_{2}}}}{X_{o_{2}}^{0}-\frac{X_{O_{2}}\left(1-X_{C Q_{2}}^{0}\right)}{1-X_{C O_{2}}}}}\)          (1)

Table 2. Heat Release Rate Calculation Factor

3. 화재시험

3.1 시험개요

침대 매트리스 하부에 냉각프레임 설치 유무에 따른 화재성상을 측정하기 위하여 CPSC 16 CFR Part 1633 및 ISO12949에 따른 실물규모 화재시험을 수행하였다. 시험은 개방된 열량계 방식을 적용하였다.

3.2 침대 매트리스 및 냉각프레임 사양⁽⁶⁾

침대 매트리스 크게 스프링 타입과 폼 타입으로 나누어지며, 이중 스프링타입이 전체의 약 70% 를 차지하고 있어스프링 침대 매트리스를 선정하였다. 냉각프레임은 침대 매트리스를 지지 및 냉각재료를 설치하기 위한 기본구조로 구성하였다. 침대 매트리스 및 냉각프레임 구성사양은 Table 3, 4와 같다.

침대 매트리스 하부 냉각프레임 설치모습은 Table 5와 같다.

Table 3. Test Specification

Table 4. Photo of Bed Mattress and Cooling Frame

Table 5. Installation of Cooling Frame

4. 화재성상 분석

4.1 화재성장 관찰

냉각프레임 설치 유무에 따른 스프링 침대 매트리스의 실물규모 화재시험 수행 관측결과는 Table 6과 같다.

Table 6. Fire Behavior Observations

상기 침대 매트리스 시료 측면(50 s) 및 상부(70 s) 버너를 차례로 제거 후 자유연소가 시작되었으며, 상부 및 측면의 외곽방향으로 화재가 진행하였으며 시각 초기(약 3분)에는 유사한 화재성장을 보이는 것으로 확인되었다.

냉각프레임이 없는 경우 발생된 화재로 내부 연소가 시작되면서 상부연소생성물 및 스프링 낙하로 하부의 매트리스로 화재가 성장되면서 상하방향의 Pool fire를 형성하여 약 3분 이후 침대 매트리스 전체로 급속도로 화재가 성장(진행) 및 플래시오버가 확인되었다.

냉각프레임을 설치 한 경우 냉각프레임 내 물로 인하여 하부 매트리스가 연소되지 않고 프레임내로 떨어지면서 화재는 상부와 측면으로만 진행되어 화재성장 후 쇠퇴하는 것으로 확인되었다.

4.2 화염전파 및 화염높이

침대 매트리스 상단표면에서의 화염전파 및 화염높이는 영상촬영자료 분석⁽⁷⁾을 통해 측정하였다.

버너는 침대 매트리스 길이방향의 가운데 위치한 후 상단버너는 침대 매트리스 한쪽 길이방향 모서리에서 중앙방향으로 100 mm, 측면버너는 침대 매트리스 두께(높이) 중앙에 위치하였다. 버너의 점화용 불꽃은 침매 매트리스 표면에서 직접 닿지 않도록 상단버너는 39±1 mm, 측면버너는 42±1 mm 간격으로 설치하였다. 화염전파 및 화염높이 측정은 버너가 제거되는 70 s 이후부터 측정하였다.

4.2.1 화염전파

냉각프레임 설치 유무에 따른 침대 매트리스 상단 표면에서의 화염전파를 측정하였다. 화염전파는 연소 중심에서 반원방향으로 화염전파가 진행되어 상단표면 전체로 확산되었다. 연소중심에서 각 좌측, 우측 및 아래 방향으로는 유사한 속도로 화염전파가 진행되었으며 각 방향의 평균거리에 따른 시간별 화염전파는 Table 8과 같다.

Figure 1. Burning area in mattress.

Table 7. Photo of Fire Behavior

Table 8. Flame Spread Distance Measurement (mm)

냉각프레임을 설치하지 않은 경우와 냉각프레임을 설치한 경우 모두 유사한 경향의 화염전파가 측정되었으며, 평균속도는 약 0.005 m/s 분석되었다.

이는 실내에서 수행되어 외기의 영향이 없는 조건으로 침대 매트리스 표면에서 연소과정을 통해 화염전파가 진행되는데 표면의 구성(겉감)의 특성(밀도, 비열) 및 단면적이 동일하여 유사한 화염전파의 특성이 진행된 것으로 분석되며, 하부면의 연소로 인한 복사열 등은 상부면의 직접적인 화염전파에 미치는 영향은 낮은 것으로 판단된다.

4.2.2 화염높이

냉각프레임 설치 유무에 따른 침대 매트리스 상단 표면에서의 화염높이를 측정하였다.

140 s까지 유사한 화염높이를 보이나 이후 냉각프레임없는 경우에는 계속 증가해 250 s에 최대 화염높이 약 2.7m 높이가 측정되었다. 냉각프레임 설치된 경우는 약 1.5 m 화염높이를 계속 유지하면서 210 s에 최대 화염높이 약 1.8m 높이가 측정되었다.

침대 매트리스 상단에서 연소생성물 등이 하단으로 떨어져 동시에 연소되면서 급격하게 화재가 성장함과 동시에 화염높이도 높아지는 것으로 확인되며, 냉각프레임을 설치한 경우에는 침대 매트리스 상단으로 진행되면서 화염높이가 낮은 것으로 확인되었다.

Figure 2. Flame spread in mattress.

Figure 3. Flame spread in mattress.

4.3 열방출율

냉각프레임 설치 유무에 따른 스프링 침대 매트리스의 실물규모 화재시험 진행간에 열방출율을 측정하였다.

시험시작 후 약 4분간의 열방출율은 유사한 경향으로 증가하는 것으로 측정되었다. 이후 냉각프레임을 설치하지 않은 경우는 열방출율이 급격하게 상승하여 최대열방출은약 740 kW (약 6분 10초) 로 확인되었다. 냉각프레임을 설치한 경우는 열방출율은 상대적으로 낮은 성장을 보이며 최대열방출은 약 400 kW (약 4분 30초) 로 확인되었다.

이는 침대 매트리스의 버너 착화 후 상단을 중심으로 화재가 성장되는 동안은 유사하나, 하단 매트리스가 상단 매트리스와 동시에 화재가 진행되는 유무에 따라 급격한 열방출율의 차이가 나타나는 것으로 확인되었다.

Figure 4. Heat release rate according to cooling module frame of spring bed mattress.

5. 결론

침대 매트리스의 화재안전성을 향상시키기 위하여 침대 매트리스 아래 또는 매트리스와 매트리스 받침대 사이부분에 냉각프레임을 설치하여 냉각프레임 설치 유무에 따른 실물규모 화재시험을 실시하여 화재성상(진행)과정을 관찰하고, 화염전파속도, 화염높이 및 열방출율(Heat releaserate)을 측정 및 분석하였다.

1. 초기 약 3분까지 유사한 화재성장을 보이나 이후 냉각프레임이 없는 경우에는 상하방향의 Pool fire를 형성되고 급속도로 화재확산(플래시오버)확인되었다. 냉각프레임을 설치 한 경우에는 급격한 화재확산은 진행되지 않으며, 냉각프레임 내 물로 인하여 하부 매트리스가 연소되지 않고 상부와 측면으로만 지속적으로 화재가 진행되면서 쇠퇴하는 것으로 확인되었다.

2. 화염전파는 냉각프레임을 설치하지 않은 경우와 냉각프레임을 설치한 경우 모두 유사한 경향의 화염전파가 측정되었다.

3. 화염높이는 냉각프레임 없는 경우에는 250 s에 최대화염높이 약 2.7 m, 냉각프레임 설치된 경우는 210 s에 최대 화염높이 약 1.8 m 높이가 측정되었다.

4. 침대 매트리스 화재 초기에 열방출율은 유사한 경향으로 증가하는 것으로 측정되나 이후 냉각프레임을 설치하지 않은 경우는 열방출율이 급격하게 상승하여 최대열방출은 약 740 kW (약 6분 10초), 냉각프레임을 설치한 경우는열방출율은 최대열방출은 약 400 kW (약 4분 30초) 로 확인되었다.

5. 냉각프레임 설치를 통해 침대 매트리스 화재시 화염높이 및 열방출율이 저감되는 것으로 확인되었다.

향후 본 연구결과를 바탕으로 침대 매트리스의 화재위험성을 저감시키기 위하여 화재성장속도(시간), 화염전파, 화염높이, 열방출율 및 플래시오버 유무 등을 종합적으로 반영하여 재실자의 피난안전을 확보할 수 화재안전시스템을 개발하기 위한 연구를 진행할 예정입니다.

후기

본 연구는 2017년도 산업통상자원부 제품안전품질혁신기술기반조성사업 연구비 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.