1. 서 론
현재에 이르기까지 고층건축물은 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 고층건축물은 화재안전에 있어 다양한 문제를 가지고 있지만, 이 중 화재 시 고온연기와 차가운 공기의 난류 혼합운동에 의해 발생되는 연돌효과에 의해 연기가 상층부로 빠르게 확산되어 건축물 내의 재실자의 피난에 문제가 발생함에 따라 다수의 인명피해가 발생하는 것이 가장 큰 문제로 제기되고 있다.
이에 국내에서는 화재연기확산 및 연돌효과를 방지하기 위해 화재안전기준인 NFSC501과 NFSC501A의 연기제어 설비 관련 법령을 규정하고 있다. 하지만 연돌효과 등 화재로 인한 다양한 변수를 고려하지 않고 최대 배출량 및 누설틈새면적만을 고려하고 있어 실제 화재 시 급기량 부족, 과압으로 인한 출입문 폐쇄장애 등 다양한 문제가 발생하고 있다(Jang, 2019). 반면 인용된 법령인 미국의 인명안전코드인 NFPA 92 (2012)의 경우 누설틈새 면적을 통한 급기량의 산정방식은 유사하지만, 배연구와 같은 설계에 있어 화재이론을 기반으로 설계를 하고 있는 차이가 나타나고 있다. 따라서 국내의 경우에도 이를 고려한 연구가 필요한 실정이다.
이에 국내 연구동향을 살펴보면, 건물의 기밀성능에 따른 압력을 실측하여 연돌효과를 평가하는 연구(Lim et al., 2009), 초고층 건축물에서 개구부의 개폐상태에 따른 연돌효과와 기류 흐름을 실측하여 저감대책을 나타내는 연구(Seo et al., 2010), 배연창과 외기풍속이 연돌효과에 미치는 영향을 분석하고 화재층 연기배출과 관련된 압력과 기류 특성을 CONTAMW 시뮬레이션을 통해 분석한 연구(Lim et al., 2008) 등의 고층건축물에서의 연돌효과에 관하여 현장 실측이나 시뮬레이션을 통한 외기풍속 및 개구부의 영향을 검토하는 연구가 진행되고 있다. 반면 국외의 기존연구를 살펴보면 Klote and Tamura (1986)는 화재 시 연돌효과 및 연기성상은 온도분포에 영향을 받는 것을 연구를 통해 나타내었으며, Peppes et al. (2002)은 계단과 건물사이의 질량유량 및 온도의 흐름을 측정하여 속도를 예측하는 공식을 제안하는 연구를 실시하고, Shi et al. (2014)은 화재크기에 따라 계단의 수직 온도분포가 다르게 나타나고 이에 따라 연기의 성상이 변화하며 엔지니어는 이를 고려하여 시스템을 설계해야할 필요성에 대하여 제시하는 연구 등의 실험적인 연구가 진행되었다. 2019년 5월에 개최된 제연설비 관련 토론회에서는 제연설비 설계 시에는 화재에 대한 다양한 변수를 고려한 설계의 필요성에 대해 제시되었다. 하지만 국내의 연기제어 관련 연구동향에서는 화재의 기초이론에 따른 연기제어 설계에 대한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 국외 등 연기제어 설계 시규정하고 있는 연돌효과와 관련한 기초이론을 분석하여 기준분석을 통해 현재 기준에서 고려하고 있는 사항을 해외와 비교하며, CONTAMW시뮬레이션을 통해 화재의 크기가 연돌효과에 미치는 영향에 대해 비교분석하여 화재 시 연돌효과 및 연기제어 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
2. 연돌효과 관련 이론적 고찰
일반적으로 평균 실내 온도가 실외 온도보다 높으면 계단 및 엘리베이터 샤프트와 같은 건물 내 수직 공간의 경우 상향으로 유동이 발생한다. 이러한 유동을 분석하기 위해서는 중성대의 위치를 분석하고, 이를 통한 연돌효과의 흐름을 평가하는 것이 중요한 요소이다. 일반적인 연돌효과와 관련한 공식은 온도가 공간 전체에 걸쳐 균일하다는 가정하에 Klote 모델을 사용하여 중성대을 계산하고, 외부와 내부의 온도차이에 의해 발생하는 압력차를 분석하고 있다(Klote, 1991). 하지만 Klote 모델은 상수가정을 하는 것이 단점으로써 공기의 혼입과 화재의 크기로 인해 중성대의 위치가 변경될 수 있으며 이에 따라 중성대의 위치에 대한 상세한 연구가 필요한 실정이다. 국외의 경우에는 이를 고려하여 2존모델을 통해 나타난 수학적 모델을 사용하고 있다.
2.1 중성대 및 연돌효과에 대한 일반적인 수학적 모델(Klote 모델) (Klote, 1989)
Klote 모델의 경우 공간에서 바닥까지 일정한 폭을 갖는 연속적인 개구부를 모델로써의 일반적인 기류패턴으로 분석하도록 되어있다. 일반적인 경우에 중성대의 높이와 천장높이의 비율을 Eq. (1)과 같이 표현할 수 있다.
Hn은 공간의 중성대 높이[m], Hc는 공간의 총 높이[m], Tc는 샤프트 공간의 온도[K], T∞는 외기의 온도[K]이다.
이와 같은 식의 설명을 위해 간단한 그림으로 표현하면 Fig. 1과 같이 나타난다. Fig. 1에서 수평화살표는 공기의 이동방향, 빨간색으로 나타낸 영역은 화재가 발생한 구역을 의미한다.
또한 Klote 모델에서는 중성대 높이를 결정한 후 이를 통해 내부와 외부의 압력차를 구할 수 있는 공식을 제시하고 있다. 이에 대한 식은 Eq. (2)와 같이 나타난다.
여기서, ∆Pfo는 화재실과 외부의 압력차[Pa], R은 기체상수[J/kg·K], T∞는 외기의 온도[K], Tf는 화재실의 온도[K]을 의미한다.
이와 같이 일반적인 연돌효과의 흐름을 확인하였을 때, 건축물 내부의 온도 값을 통해 건축물의 중성대를 파악하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
2.2 환기제어 및 연료지배의 영역을 고려한 중성대 및 연돌효과에 대한 2구역 존모델(Zhang et al., 2008)
일반적인 연돌효과의 흐름을 분석하는 모델인 Klote 모델의 경우 중성대 아래의 공기의 유입이 차가운 공기로써 화재가 없는 상태에 적합할 것으로 판단되고 있다. 이에 국외의 Zhang et al. (2008)은 화재 시 공기공급에 따른 2구역 존모델의 이론식을 도출한 바 있다. 이 모델은 현장모델의 검증을 통해 Klote 모델의 값에 연료지배와 환기지배를 고려한 수식을 대입하여 도출한 것으로써, 연소특성의 차이를 분석한 후 이를 식에 대입하고, 실제 현장검증을 실시하였다. 먼저 본 모델에서는 Harmathy (1972)의 화재 임계영역을 결정하기 위한 방정식인 Eq. (3)을 이용하였다.
ρa는 공기의 밀도(kg/m3), g는 중력가속도(m/s2), AW는 창의 면적(m2), h는 창의 높이(m), Afuel는 연료층의 표면적(m2)이다.
G0는 등가목재의 총 화재하중(kg), n은 연료의 표면적 비율(m2/kg)으로 표현할 수 있다.
이와 같이 연료와 환기인자의 조건을 분석하고, 논문에서의 이론식은 이를 이용하여 환기조건이 다른 2구역모델을 만들고자 하였으며 이에 따른 제시 식은 Eqs. (5)~(7)과 같이 나타났다.
Ko는 보정계수[-], C는 해당 구획실의 비열[J/kg·K], W’는 개구부의 너비[m], H’f는 개구부의 높이[m], ρ∞는 외기 밀도, ρ’f는 화재실의 밀도이다.
Hn은 중성대의 높이, Hf는 화재영역의 높이, T∞는 외기의 온도[K], Tc는 화재실의 온도[K]을 의미한다.
또한, 이를 요약하여 내부와 외부의 압력차를 간략히 한 것은 Eq. (8)과 같이 나타난다.
∆Pfo는 화재실과 외부의 압력차[Pa], Kp는 보정계수[-],ρ∞는 외기 밀도, ρc는 화재실의 밀도이다.
위와 같이 두가지의 모델의 차이점을 분석하면, Klote 모델의 경우 일반적인 연돌효과에 대한 모델로써, 기본적인 연돌효과에 대한 기본적인 식을 제시하고 있다. 2구역 존모델의 경우에는 기존의 Klote 모델에 Harmathy (1972)의 화재 임계영역에 따른 환기지배와 연료지배 등의 요소를 분석하였고 압력차를 구할 때, 각 공간의 밀도에 따른 식을 제시하였다. 각각의 모델은 분석한 결과에 따라 위에서 나타낸 바와 같이 차이점을 나타내고 있다. 하지만 두가지 모델의 공통점은 화재 시에 연돌효과의 경우 화재실에서 나타나는 온도에 영향을 받으며, 이러한 온도의 영향을 분석하는 것이 필요한 요소로써 나타났다.
3. CONTAMW을 이용한 수직공간의 압력차 분석
본 연구에서는 위의 이론적 고찰에서 나타낸 바와 같이 화재가 발생하여 실내의 온도가 상승하기 시작하면 발생되는 압력차의 변화를 분석하기 위해 시뮬레이션 구동하였다. 시뮬레이션을 구동할 때의 Case 설정은 일반적인 상황에서의 배연창 개폐여부, 화재 시 배연창 개폐를 변수로 하였고, 이는 화재 시 연돌효과의 분석을 위해 실내 온도의 변화와 압력의 관계를 분석하는 것의 중요함을 나타내고자 하는 것이다.
3.1 CONTAMW 및 건축물 개요
본 연구에서는 건축물의 수직공간 압력차를 확인하기 위해 시뮬레이션을 구동하였다. 시뮬레이션은 현재 연돌효 과와 연기유동에 관한 연구를 할 때 많이 사용되고 있는 미국 NIST사의 CONTAMW 시뮬레이션을 사용하였다. 본 시뮬레이션의 대상 건축물은 지하 4층, 지상 36층으로 구성되어 있다. 또한 본 건축물은 중앙코어 형태의 건축물로써 수직샤프트 공간이 되는 엘리베이터와 계단실이 중앙에 병렬형태로 집중되어 있다. 건축물의 누설량과 외부의 영향을 받을 수 있는 창문은 배연창으로 사용하고 있고, 계단실에 위치하고 있다. 건축물의 수직공간의 경우 중앙에 밀집되어 있는 엘리베이터와 계단실에 의해 상부층으로 연결되어 있기 때문에 수직공간의 압력차 분석을 위해서는 중앙코어의 분석을 중점적으로 실시해야할 필요성이 제기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 제연설비가 설치되어 압력차의 변화 및 연돌효과에 큰 영향을 받을 수 있는 사항을 고려하여 시뮬레이션 구동 시 건축물 구조 중 엘리베이터와 계단실이 있는 중앙코어 부분을 대상으로 하였다. 이에 대한 건축물의 기준층의 평면도와 건축물 전체의 단면도를 나타낸 것은 Fig. 2와 같으며 대상 건축물의 개요는 Table 1과 같다.
Table 1
Outline of Target Construction
3.2 시뮬레이션 조건 값 및 Case 설정
3.2.1 시뮬레이션 기본 값
본 시뮬레이션의 구동 시 설정하는 기본 값은 외피의 기밀도를 나타낼 수 있는 벽의 누설틈새 면적,층간의 누설량을 설정할 수 있는 바닥 누설틈새면적, 덕트의 마찰계수, 층의 높이가 있다. 층의 높이는 실제 건축물과 같이 3 m로 설정하였으며, 외피의 기밀도를 고려한 벽의 누설틈새 면적은 NFPA 92 (2012)를 인용하여 Average값인 유량계수 0.65에서 0.17×10-3 m2로 하였고, 바닥의 누설틈새면적은 유량계수 0.65에서 0.52×10-4으로 하였다. 또한 덕트의 크기는 설계 시 사용된 수평덕트와 수직덕트 각각의 사이즈를 입력하였고, 덕트의 재질이나 마찰손실의 값은 ASHRAE Handbook (ASHRAE, 2015)과 SMACNA Fitting part Friction loss (SMACNA, 2019)를 참고하여 값을 대입하였다.
또한 각 공간 사이의 압력차이에 영향을 미치는 공기의 유동경로인 문과 창문과 같은 개구부의 누설면적은 개방상태인 경우와 폐쇄상태인 경우에 따른 값을 계산하여 대입하였다. 특히 문의 경우에는 방화문인 경우에는 KS F 2846에서 규정된 “차연량 25 Pa 시 0.9 m3/min·m2”인 것을 이용하여Q=0.827A√P로 계산하여 방화문의 크기가 1.0 m × 2.2 m이므로 다음과 같이 누설틈새 면적을 계산할 수 있다.
0.033 m3/s=0.827A√25, A=7.8 × 10-3으로 나타난다. 여기서 A는 도출된 방화문의 누설틈새 면적[m2]을 의미한다. 또한, 방화문이 아닌 일반 문의 누설틈새면적과 엘리베이터의 문, 창문의 누설틈새면적은 NFPA 92를 인용하여 개방과 폐쇄에 따른 각각의 설정 값을 대입하여 시뮬레이션을 구동하였다. 마지막으로 창문의 누설틈새 면적의 기준산정을 위해서 KS F 2846의 창호의 기밀성능과 법제처에서 규정되어 있는 배연창의 크기 산정기준을 참고하였으며 배연창의 위치는 건축물의 개요에서 나타낸 바와 같이 계단실의 외벽 부근에 설정 하였다. 또한 이에 대한 값을 간략히 나타낸 것은 Table 2와 같으며, 대상 건축물을 시뮬레이션을 통해 모델링한 것은 Fig. 3과 같다.
Table 2
Fundamental Value of Simulation
| Division | Contents | ||
|---|---|---|---|
| Flow Area (Wall) | Average (0.65 [-]*, 0.17 × 10-3[m2]**) | ||
| Flow Area (Floor) | Average (0.65 [-]*, 0.52 × 10-4 [m2]**) | ||
|
Window Flow Area (Smoke Ventilator) |
0.49 × 10-3[m2] | ||
| Calculation the leakage rate according to KS F 2292 | |||
| Single Door Air Leakage Area | Closed | 0.023 [m2] | |
| Opened | 2.0 [m2] | ||
| Double Door Air Leakage Area | Closed | 0.045 [m2] | |
| Opened | 3.9 [m2] | ||
| Elevator Door Air Leakage Area | Closed | 0.06 [m2] | |
| Opened | 0.56 [m2] | ||
| Single Fire Door Air Flow Area | Closed | 7.98×10-3[m2] | |
| Opened | 2.42 [m2] | ||
| Calculation the leakage rate according to KS F 2846 | |||
| Double Fire Door Flow Area | Closed | 15.96 × 10-3 [m2] | |
| Opened | 4.84 [m2] | ||
| Calculation the leakage rate according to KS F 2846 | |||
| Duct | Horizontal | Air intake | Size: 2 × 0.6 [m2] (Tee- 0.8 × 0.65) |
| Air outlet | Size: 1.4 × 0.4 [m2] (Connection-0.9 × 0.6) | ||
| Flow: 21,500 [m3/h] | |||
| Vertical | Size: 1 × 0.45 [m2] Air Leakage Rate: 94.40 [l/s] | ||
| SMACNA Fitting part Friction loss (SMACNA, 2019) | |||
| Floor Height | 3 m | ||
3.2.2 Case 설정
본 논문의 시뮬레이션 구동 Case는 총 4가지로 설정하였다. 먼저, 첫 번째 조건인 Case 1은 국내에서 적용하는 방식과 같이 모든 개구부를 폐쇄상태로 가정하였으며, 두 번째 조건인 Case 2는 Case 1과 상반되게 모든 개구부를 개방상태로 가정하였다. 또한 세 번째 조건인 Case 3은 화재 시를 고려하여 4층의 1개의 실의 온도를 높인 상태로 개구부가 폐쇄된 상태, Case 4는 온도를 높인 상태로 개구부를 개방한 상태이다. 여기서, 실의 온도 값은 일본건축학회의 연기제어 계획지침에서 제시하고 있는 값 중 최성기에 도달했을 때 제연설비가 작동해야 하는 적정 온도를 나타내는 값을 기준으로 하였다(AIJ, 2014). 여기서, 개구부란 기존의 설정값을 제외하고 개방과 폐쇄의 조건에 따라 누설틈새면적이 달라지는 출입문을 의미한다. 이에 대한 변수로는 방화문과, 일반 세대문, 엘리베이터 문이 있으며 엘리베이터 홀, 계단실로 통하는 문은 방화문으로 설치되어 있으며 그 외의 문은 일반 세대문으로 정의할 수 있다. 이에 대한 시뮬레이션 구동 시 설정한 값을 Case별로 정리한 것은 Table 3에서 나타낸 바와 같다.
Table 3
Simulation Value of Each case (AIJ, 2014)
3.3 시뮬레이션 구동 결과
위에서 나타낸 바와 같이. 일반적인 온도일 때의 개구부가 폐쇄된 경우인 Case 1, 일반적인 온도일 때 개구부가 개방된 경우인 Case 2, 화재가 발생하였을 때 실의 온도가 상승한 상태에서 개구부가 모두 폐쇄된 경우인 Case 3, 화재 시 실의 온도가 상승한 상태에서의 개구부가 모두 개방된 경우인 Case 4를 바탕으로 시뮬레이션을 구동한 결과는 Figs. 4~7과 같이 나타난다. 여기서, 그래프로 나타난 부분은 나타난 해당 부분의 압력차, 중앙의 숫자는 층 수를 의미한다. 또한 빨간색 네모칸으로 표현된 부분은 중성대의 위치를 나타내고 있다.
Case 1에서 4까지 각각의 시뮬레이션 결과를 확인한 결과 Case 1의 경우에는 일반상황에서 개구부가 폐쇄된 상태로써 중성대는 17~18층 위치 쯤에 나타났으며, 압력차는 0~6 Pa에서 대부분 비슷한 압력차 값이 확인되었다. Case 2의 경우 개구부를 개방시킨 상태에서 Case 1과 마찬가지로 건축물의 중간인 18층의 부근에서 중성대가 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 층 수에 따라 0~100 Pa의 범위로 압력차가 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있었다. Case 3의 경우 4층의 한 개의 실을 화재실로 가정하여 온도를 설정하고, 모든 개구부는 폐쇄상태로 하였다. 그 결과 13층에서 중성대가 나타나는 것을 확인하였으며 화재층 부근에서 가장 큰 압력차를 나타내었고, 다른층의 경우 0~100 Pa의 정도로 고른 압력차 분포를 나타내었다. Case 4의 경우에는 4층의 한 개의 실을 화재실로 가정하여 온도를 설정하였고, 모든 개구부는 폐쇄상태로 하였다. 그 결과 중성대는 13층의 위치에서 나타났으며, 압력차는 0~300 Pa정도로 각 층의 압력차의 변동이 나타나는 것으로 확인되었다.
Case 1에서 Case 4까지의 결과를 분석한 결과 중성대의 위치의 경우 온도가 상승한 경우 일반적인 온도에서 보다 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 중성대의 위치가 변화가 하게 되면, 베르누이 방정식에 의해 개구부로의 기체의 수평방향으로 의 유출입에 관한 성상이 변화하며, 계획된 공기의 유량보다 더 많은 비중의 유량을 필요로 할 것으로 확인된다. 이에 따라 화재 시 온도의 변화에 따라 발생할 수 있는 중성대의 변화를 분석할 필요가 있다고 판단된다. 또한 압력차의 경우 일반적인 개구부의 개방과 폐쇄에 따라서 변화하지만, 화재가 발생하였을 경우 압력차가 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있어서 이에 대한 세밀한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 화재 시 연돌효과의 영향을 분석하기 위해 이론적인 고찰을 실시하고, CONTAMW시뮬레이션을 통해 압력차를 분석하여, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 연돌효과와 관련한 일반적인 수학적 모델인 Klote 모델과 국외의 연구에서 제시하고 있는 2구역 존모델의 이론적 고찰을 실시하였다. 그 결과 Klote 모델은 일반적인 상황에서 연돌효과에 대해 분석하기 위한 모델로써, 온도차와 중성대 높이를 통해 압력차를 구할 수 있으며, 2구역 존모델의 경우 연료와 환기의 형태를 고려하여 중성대 높이를 측정하고, 밀도차를 통해 압력차를 분석하는 것에 차이가 있었다. 하지만 두 개의 이론적 모델에서는 공통적으로 화재실의 온도에 따라 연돌효과의 압력차가 바뀔 수 있다는 점에서 공통적인 특징이 있는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 이론적인 고찰에서 나타난 공통적인 특성인 온도차를 고려한 압력차의 결과를 확인하기 위해 시뮬레이션 구동을 위해 Case 1, 2는 일반적인 상황에서의 개구부 개폐, Case 3, 4는 화재실을 가정한 상황에서 개구부의 개폐에 따라 시뮬레이션을 구동하였다. 시뮬레이션 구동 결과 일반상황에서는 18층에서 중성대가 나타나며, 값이 균일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 화재실을 가정한 상황에서는 13층에서 중성대가 나타났으며, 압력차 값이 250 Pa 이상 정도로 큰 값이 나타났으며, 압력차의 분포도 불균일한 특성이 나타났다. 따라서 화재를 고려한 연돌효과의 면밀한 분석이 필요할 것으로 사료된다.
(3) 향후에는 본 연구에서 진행되지 않은 화원의 위치변화, 현장실측, 축소모형실험 등의 추가적인 연구를 통해 화재실의 온도를 고려한 적정 압력의 분포를 분석하여 인명안전코드의 연기제어설비 설치기준 개선을 위한 기초자료로 제시하고자 한다.
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