화재실과 연결된 경사 공간에서의 열기류 온도 성상
Thermal Behavior in the Inclined Space Connected to Fire Room
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Abstract
본 연구에서는 화재실과 연결된 경사 공간에서의 열기류에 경사 공간의 조건(경사 공간의 단면 종횡비 및 경사각도)이 미치는 영향을 검토하기 위해 모형실험을 실시하였다. 그 결과, 경사 공간의 폭의 조건은 경사 공간의 열기류의 진행방향 및 진행방향에 대하여 연직방향( T* > 0.3일 경우)에서의 온도감소에 미치는 영향은 없었으며, 각각의 경사각도 조건에서 일정한 온도감소성상을 나타내었다.
Trans Abstract
In this study, a model experiment was conducted to understand the effects of the parameters of the inclined space (cross-sectional aspect ratio and angle of incline) connected to the fire room on the hot gas flow in it. The trend of dimensionless temperature ( T*) decrease in the vertical direction of hot gas flow in the inclined space was found to not be related to the width of inclined space in the range of T*> 0.3. Additionally, the trend of temperature decrease in the direction of hot gas flow in the inclined space was found to not be related to the width of the inclined space. Furthermore, a certain temperature decrease trend was observed under each tilt angle.
1. 서 론
지하가 및 전철 역 등에서는 상하 방향의 이동 수단으로 에스컬레이터 또는 직통계단(이후, 경사 공간으로 함.) 등이 설치된다. 이러한 경사 공간은 지하층에서 화재가 발생하는 경우, 피난경로 또는 소방대원의 소방활동경로로 사용됨과 동시에 연기의 전파 경로로 될 우려가 있어 경사 공간에서의 연기 성상에 대하여 파악해 두는 것은 중요하다. 경사 공간에서의 열기류는 경사 공간 내 또는 경사 공간과 개구부를 통하여 연결되는 인접 공간에서의 화재로 인하여 발생하게 된다. 본 연구에서는 후자의 경우에 착안한다. 이 경우 경사 공간은 평면적인 직선상에서 하부에 위치하는 개구부(하부 개구부)는 옥내 공간(이후, 화재실로 함.)과 연결되며, 상부에 위치하는 개구부(상부 개구부)는 외부로 통하게 된다. 그리고, 지하공간의 특성상 창문 및 그 외의 개구부가 없는 경우를 가정하면 경사 공간에서의 열기류는 화재실의 하부 개구부로부터 분출되며, 상부 개구부로부터는 공기가 유입하게 되어 경사 공간에서는 상부의 열기류층과 하부의 공기층이 형성될 것으로 예상된다.
Yamaguchi et al. (1998), Ohmiya et al. (2016) 및 Kishiue et al. (2018)의 화재실과 인접공간 사이에 설치되어 있는 개구부에서의 개구분출열기류성상에 관한 연구에 의하면, 개구분출기류는 개구부의 종횡비(폭/높이), 처마 및 측면 벽의 유무의 영향을 받는다고 보고되어 있다. 이에 따르면, 본 연구에서 대상으로 하는 경사 공간에서의 열기류 성상은 개구부 및 경사 공간의 단면 종횡비 그리고 경사 공간의 측면 벽에 의한 영향이 있을 것으로 예상되며, 게다가, 터널을 대상으로 한 Oka and Imazeki (2015)의 연구에 의하면 경사 공간의 경사 각도가 열기류 성상에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 또한, Tanaka et al. (1995) 및 Fukuda et al. (1995)의 보이드 공간을 대상으로 한 연구에서는 보이드 공간의 저부에 급기구가 설치되어 있지 않은 경우 또는 깊이가 깊은 보이드 공간에서의 상승하는 열기류는 정부 개구에서 유입하는 공기와 혼합되는 현상이 발생한다고 보고되어 있다. 본 연구에서의 경사 공간은 경사 각도가 커지면 커질수록 보이드 공간에서의 열기류 성상에 가까운 성상이 나타날 가능성이 예상된다.
따라서, 본 연구에서는 화재실에 접속하는 경사 공간의 공간 조건(경사 공간의 단면 종횡비(폭/높이) 및 경사각도)이 열기류 성상에 미치는 영향을 검토하기 위해 모형실험을 실시하고, 열기류의 온도감소성상에 대해 정량적으로 파악하는 것을 목적으로 하였다.
2. 실험개요
2.1 모형개요
Figs. 1 및 2에 나타낸 바와 같이 본 실험에서는 Park et al. (2021)의 연구와 동일한 화재실 및 경사 공간의 모형을 사용하였으며, 화재실과 경사 공간의 모형은 개구부(Opening)를 사이에 두고 연결된다. 화재실의 내부 치수는 폭 1,500 mm × 길이 1,500 mm × 높이 1,500 mm이며, 경사 공간은 폭 300 mm, 450 mm, 600 mm, 800 mm, 1,000 mm, 1,200 mm, 길이 1,800 mm, 천장 높이 600 mm이며, 경사 각도는 건축법 시행규칙 제26조(에스컬레이터의 구조)에서 경사 각도를 30° 이하로 규정(MOLIT, 1961)하는 것을 고려하여 30° 범위 내에서 15° 간격으로 0°, 15°, 30°로 설정하였다. 단, 경사 공간의 천장 높이는 어느 경사각도 조건에서도 천장 높이가 600 mm로 일정하다. 화원은 화재실 중앙에서 바닥 면으로부터 90 mm의 높이에 설치했다.
Outline of Experiment Model [Unit: mm]
Photo of Experiment Model
2.2 측정항목
Fig. 1에 나타낸 바와 같이, Park et al. (2021)와 같이 Load cell (LUB-5KB, manufacture by Kyowa Co., Ltd.)을 이용한 연료의 중량 감소 속도의 측정 및 화재실 2개소( Ta, Tb), 개구부 1개소( Top), 경사 공간 4개소( Ts1 ~ Ts4)에서 K-type 열전대를 이용하여 온도를 측정하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1 연료 발열 속도
Fig. 3(a)에 대표 조건으로써 경사 공간 폭 Bsw = 1,200 mm, 경사각도 θ = 0°에서의 시간 경과에 따른 연료 발열 속도 Qf 를 나타낸다. 단, 연료 발열 속도 Qf 는 연료의 중량 감소 속도에 발열량(27 MJ/kg)을 곱하여 계산하였다. 그 결과, 연료 발열 속도 Qf 는 착화 후 약 700초 정도부터 준 정상상태로 안정되는 경향이 나타났다. 본 연구에서는 770초~830초를 준 정상상태로 정하였으며, 이후 나타내는 모든 조건의 결과(연료 발열 속도 및 온도 등)는 770초~830초의 1분간 평균값으로 나타내었다. Fig. 3(b)에 모든 조건에서의 연료 발열 속도 Qf 를 나타낸다. 그 결과, 화원 크기 Df= 150 mm의 경우 평균화한 Qf 는 약 8 kW, 화원 크기 Df = 200 mm의 경우 평균화한 Qf 는 약 16 kW로 나타났다.
Heat Release Rate Qf
3.2 경사공간에서 열기류의 진행방향에 대한 연직방향의 온도감소
Fig. 4에 대표 조건으로써 화원 크기 Df = 200 mm의 개구부를 기점으로 한 유동거리 rd= 100 mm, 1,800 mm에서 연직 z방향으로의 상승온도 ∆T 의 분포를 나타내었다. 여기서 z는 천장 면으로부터 연직방향의 길이, ∆T는 T-T∞ 를 의미한다. 그 결과, 경사 공간의 폭 Bsw 이 커지면 커질수록 상부의 열기류 두께 및 온도는 감소하는 경향이 나타났다. 그리고, 경사각도 θ및 유동거리 rd 가 커질수록 연직방향의 온도분포는 온도감소가 시작되는 위치가 천장 면에 가까워지는 경향이 나타났다. 이와 같은 현상은 경사 공간의 폭 Bsw이 커질수록 증가하는 환기량 및 경사각도θ 가 커질수록 열기류와 공기의 혼합이 촉진되는 현상(Nitta, 1995)의 영향이 관여했다고 사료된다.
z and ∆T
다음으로, 경사 공간에서 천장을 기점으로 한 연직방향의 온도감소경향에 대하여 검토하기 위해 무차원화를 실시하였다. 온도는 Eq. (1)을 이용하여 무차원화 하였으며(Oka and Imazeki, 2015),
연직 z방향의 길이는 우선적으로 Eq. (2)를 이용해 무차원화 하였다.
Fig. 5에 대표 조건으로써 화원 크기 Df = 200 mm의 개구부를 기점으로 한 유동거리 rd= 100 mm, 1,800 mm에서 Eq. (2)에 의한 무차원높이 z* 에 따른 Eq. (1)을 이용한 무차원온도 T* 를 나타내었다. 그 결과, Eq. (2)를 이용한 무차원높이 z* 는 경사 공간의 폭 Bsw 에 의한 열기류 두께의 차이가 해소되지 않는 경향이 나타났지만, 연직방향의 무차원온도의 감소 경향은 거의 일치하는 경향이 나타났다. 또한, 유동거리 rd = 100 mm에서는 경사각도 θ 에 관계없이 천장 면을 기점으로 한 연직방향으로의 온도감소경향이 완만한 기울기의 감소 경향으로 거의 일치하는 경향이 나타났지만, 유동거리 rd = 1,800 mm에서는 경사각도 θ 가 커질수록 천장 면을 기점으로 한 온도감소가 급격하게 커지는 경향이 나타났다. 여기서, Fig. 5에서 나타난 경사 공간의 폭 Bsw 에 의한 열기류의 두께를 고려하기 위하여 Eq. (2)에서 사용한 천장 높이 Hop 대신에 Oka and Imazeki (2015)의 연구에서 제안된 연직온도분포로부터 산출하는 LT 를 이용한 무차원화를 실시하였다. 여기서, LT는 온도감소성상을 정규분포에 근사시켜 산출하였으며 본 실험 결과를 일률적으로 무차원화 하였다. LT 는 각각의 온도 측정지점( Ts1 ~ Ts4)에서 천장 면으로부터,
z* and T*
이 되는 위치까지의 열기류의 두께로 하고, LT 를 사용한 연직방향높이의 무차원은 Eq. (4)와 같다.
Fig. 6에 모든 조건에서 Eq. (4)를 이용한 무차원높이 z’* 에 따른 Eq. (1)을 이용한 무차원온도 T*를 나타내었다. Fig. 6에 나타난 바와 같이, 모든 조건에서 무차원온도 T* 는 T* = 0.3을 기준으로 T* < 0.3에서는 불규칙하게 분포되는 경향이 나타나지만, T* > 0.3의 범위에서는 Fig. 5의 결과와 비교해 경사 공간의 폭 Bsw 에 관계없이 무차원높이 z’* 에 대하여 거의 일치하는 경향이 나타났다.
z’* and T*
3.3 경사공간에서 열기류의 진행방향에 대한 온도감소
Park et al. (2021)의 연구에 의하면, Fig. 7에 나타낸 계산 절차에 따르면 경사 공간에서 열기류의 진행 방향에 따른 천장 부근에서 열기류의 최고온도를 산출할 수 있다. 그러나, 현재 이 산정식의 경우, 경사 공간의 단면 종횡비의 적용 범위가 0.5 ≤ n(= Bsw / Hop) ≤ 1에 한정되어 있다. 따라서, 경사 공간의 단면 종횡비 1.3 < n≤ 2에서의 적용 가능성에 대하여 검토하였다. 단, Fig. 7에 의한 계산에서 Eq. (8)의 입력값인 개구분출기류열량 Qd 은 Eq. (5)를 이용하여 산출하였다.
The Flow of Calculation for ∆Tmax
여기서, md는 Kishiue et al. (2015)의 연구에서 온도로부터 압력을 가정하는 방법을 사용하여 계산하였다. ∆Tf(0mm∼600mm)는 화재실 높이 0 mm~600 mm의 온도( Ta와 Tb의 평균값)이다. 참고로, Fig. 8에 화재실에서의 온도분포 및 Fig. 7에 Eq. (9)의 입력값인 ∆Top(max) 에 대하여 개구부에서의 온도분포를 나타냈다.
Temperature Distributions Fire Room and Opening
Fig. 9에 경사 공간의 단면 종횡비 1.3 < n ≤ 2에서 경사 공간의 열기류의 최고상승온도 ∆Tmax 를 유동거리 rd 에 대하여 정리한 결과를 나타낸다. Fig. 9와 같이, 최고상승온도 ∆Tmax 는 화원 크기 Df 에 관계없이 각각의 경사 공간의 폭 Bsw 에서 경사각도 θ 및 유동거리 rd 가 커질수록 감소하는 경향이 나타났다.
∆Tmax and rd
Fig. 10에 경사 공간의 단면 종횡비 범위가 0.5 ≤ n≤ 1인 Park et al. (2021)의 연구에서 Eq. (11)의 무차원온도 Θd와 무차원유동거리 (rd +r0 )/H 의 관계로 구축된 산정식과 경사 공간의 단면 종횡비 범위 1.3 < n≤ 2에서 Eq. (11)의 무차원온도 Θd 와 무차원유동거리 (rd +r0)/H 의 관계를 나타낸다. Fig. 10에 나타난 바와 같이, 경사 공간의 단면 종횡비 1.3 < n≤ 2의 결과는 Park et al. (2021)의 연구에서 구축된 산정식과 거의 일치하는 경향이 나타났다. 그리고, Fig. 11에 경사 공간의 단면 종횡비 1.3 < n ≤ 2에서 Fig. 7에 의한 계산 결과와 실험 결과를 비교한 결과를 나타낸다. Fig. 11에 나타낸 바와 같이, 계산 결과와 실험 결과는 거의 일치하는 경향이 나타난다.
Θd and (rd + r0) / H
Compare Experiment Value to Calculation Value
상기에 결과로부터 경사 공간의 천장 면 부근에서 열기류의 최고온도에 관한 산정식은 경사 공간의 단면 종횡비(경사 공간의 폭 Bsw )에 관계없이 적용 가능하다는 것이 명확해졌다.
4. 결 론
본 연구에서는 화재실과 연결된 경사 공간에서의 열기류에 공간 조건(경사 공간의 단면 종횡비(폭/높이) 및 경사각도)이 미치는 영향을 검토하기 위해 모형실험을 실시하였다. 그 결과를 아래에 서술한다.
(1) 경사 공간에서 열기류의 진행방향에 대한 연직 방향의 온도감소 각각의 경사각도 및 유동거리에서의 무차원온도 T* 는 무차원높이 z’* 와의 관계에서 T*= 0.3을 기준으로 T*< 0.3에서는 불규칙하게 분포되는 경향이 나타났지만, T*> 0.3의 범위에서 경사 공간의 폭에 관계없이 무차원높이 z’* 에 대하여 거의 일치하는 경향이 나타났다.
(2) 경사 공간에서 열기류의 진행방향에 대한 온도감소 경사 공간의 열기류의 최고온도는 경사 공간의 폭에 관계없이 각각의 경사각도에서 일정한 온도감소성상을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
본 논문은 건축물 지하 공간의 경사 공간에서 열기류에 노출되는 구조물(천장 등)의 붕괴를 고려한 설계 및 화재 관련 대책 수립에 활용되는 것이 기대되며, 향후, 수치 해석 등을 통한 후속 연구를 실시하고자 한다.
사용기호
Cp =비열 [kJ/kg⋅k], g=중력가속도 [m/s2], H=경사 공간에서 열기류 진행 방향에 대한 수직천장높이 [m], md =개구분출기류 유량 [kg/s], Qd =개구분출기류 열량 [kW], Qd* =무차원개구분출기류 발열속도 [-], r0 =가상열원거리 [m], T =온도 [K], ∆ T =상승온도 [K], ∆Top(max) =개구부에서 최고상승온도 [K], T∞ =외기온도 [K], ρ∞ =외기밀도 [kg/m3], αd =Eq. (6)에 의한 계수 [-], β =Eq. (7)에 의한 계수 [-], Θd =무차원온도 [-], Θd(op) =Eq. (9)에 의한 무차원온도 [-]