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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 23(6); 2023 > Article
연기감지기 한계점 보완 방법에 관한 연구: 일산화탄소 센서를 중심으로

Abstract

To compensate for the limitations of smoke detectors that frequently emit non-fire alarms, we investigated the carbon-monoxide detection characteristics of smoke detectors using UL 268 fire and non-fire test standards. Large amounts of carbon monoxide were generated during incomplete combustion at the beginning of a fire. Relatively low concentrations of carbon monoxide were also generated under non-fire conditions owing to steam, dust, etc. The response characteristics of general and analog smoke detectors from various manufacturers were analyzed to determine the possibility of linking smoke detectors installed in existing buildings. The experiments revealed that the smoke detectors showed similar reaction characteristics regardless of their manufacturer. However, those equipped with self-made carbon monoxide cross-sensing modules detected different carbon monoxide levels depending on the measurement location or method. Although using a carbon monoxide sensor is effective for distinguishing unwanted fire, additional experiments under various conditions are necessary to establish an appropriate detection range for carbon monoxide based on the response characteristics of the sensor.

요지

잦은 비화재경보를 발하는 연기감지기의 한계점 보완하고자 일산화탄소 센서를 적용하여 UL 268 화재⋅비화재 실험 기준에서의 일산화탄소 반응 특성을 분석하였다. 이는 화재 초기 불완전 연소 시 발생하는 연기에 일산화탄소가 다량 함유되어 있는 반면에 수증기, 먼지 등으로 인한 비화재보를 발생하는 환경에서는 상대적으로 일산화탄소 농도가 낮은 특성을 고려한 것이다. 또한, 기존 건축물에 설치되어 있는 연기감지기와 연동 가능성을 분석하고자 다양한 제조사별 일반 연기감지기와 아날로그식 연기감지기의 반응 특성을 확인하였다. 그 결과, 연기감지기는 제조사 구분 없이 유사한 반응 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었으나, 자체 제작한 일산화탄소 교차 감지 모듈을 포함한 일산화탄소 센서는 측정 위치나 방식에 따라 측정값이 상이한 것을 확인할 수 있었다. 비화재경보 구분을 위해 일산화탄소 센서를 사용하는 것은 효과적이나 센서의 반응 특성을 고려하여 화재 및 비화재경보를 구분하기 위한 적정 감지농도 기준 정립을 위해서는 다양한 화재⋅비화재 조건에서의 실험 결과를 통해 도출할 필요가 있다고 판단된다.

1. 서 론

화재 시 감지기는 열, 연기, 불꽃 등과 같은 연소생성물을 조기에 감지하여 조기 피난 및 초기소화를 도모하는 1차적 대응설비로 사용된다. 감지기는 감지되는 대상 및 방법에 따라 열감지기, 연기감지기, 불꽃감지기, 복합형 감지기 등으로 구분되며, 이 중 연기감지기는 다른 감지기에 비해 상대적으로 조기에 화재를 감지할 수 있는 장점이 있다. 이에 취침, 숙박 등의 용도로 사용되는 특정소방대상물에 연기감지기를 설치하도록 규정하면서 현재 많은 건축물에 설치되어 있다. 그러나 연기감지기의 감지 특성상 화재 시 발생하는 연기 이외에도 습기, 조리 시 발생하는 연기 등 인위적 요인 및 환경적 요인에도 반응하여 잦은 비화재보가 발생하고 있다(Shin et al., 2022; Choi et al., 2023). 이러한 연기감지기는 효율적 관리를 위해 해외 연구기관인 UL (Underwriters Laboratories)에서는 UL 268 (2019)을 통해 연기감지기 성능 기준을 강화하여 화재 연기와 조리 시 발생하는 연기를 구분하는 시험 기준을 시행 중이다. 이러한 현행을 고려하여 선행 연구(Shin et al., 2022)를 진행한 결과 화재 및 비화재 실험 모두 연기감지기가 발신하였을 때, 일산화탄소 농도가 화재실험에서 비교적 높게 측정되어 화재와 비화재를 구분하는데 일산화탄소 센서의 적용이 가능함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 다양한 제조사별 감지기와 측정방식이 다른 센서를 활용하여 기존 건축물에 설치되어 있는 연기감지기와 연동 가능한 일산화탄소 교차감지 모듈을 개발하고 UL 268 기준을 준용한 실증 실험 수행을 통해 화재⋅비화재조건에서의 연기 및 일산화탄소 반응 특성을 분석하고자 한다.

2. 문헌검토 및 이론적 고찰

2.1 국내⋅외 교차감지 기술 동향

Choi et al. (2020)은 미세먼지, 총휘발성유기화합물, 일산화탄소 등 실내공기질의 화재 감지 인자 활용 가능성을 파악하기 위해 UL 268의 종이화재 시험을 이용하여 화재 감지 경향성을 분석하였으며, 이를 통해 기존의 열 및 연기 감지와의 병행 측정(Cross checking)을 통해 기존 화재감지기의 신뢰성 향상이 가능할 것으로 보고하였다.
Jeung et al. (2013)은 온도, 습도, 불꽃, 연기 센서를 내장한 다기능 화재 감지기를 설계 및 구현하였다. 다양한 환경에 적합하도록 감지 상태를 쉽게 변환할 수 있게 하였으며, 기존 연기감지기보다 비화재보 발생률을 6% 감소하여 신뢰성을 높였다고 보고하였다.
Chen et al. (2007)은 1.4 m (W) × 4 m (D) × 2.2 m (H)의 공간에서 헵탄(Heptane), 톨루엔(Toluene) 화재 등에 대한 기존 연기감지기와 복합 센서(일산화탄소, 이산화탄소, 연기)의 성능을 비교하였다. 비교 결과, 복합 센서의 성능이 연기감지기보다 더 좋은 것으로 나타났으며, 연기감지기가 감지하지 못한 화재를 감지할 수 있을 뿐 아니라 연기감지기보다 더 빠르게 감지할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 복합 센서의 경우, 비화재보 요인에 대해 비화재보를 발신하지 않는 것으로 나타났다.
Keller et al. (2005)은 광음향(Photoacoustics) 센서를 이용하여 화염 및 훈소 화재 실험을 진행하였다. 광음향은 빛을 흡수한 물질이 온도 상승으로 인한 열 팽창(Thermal expansion)을 통해 파동을 발생시키는 현상을 말하며, 해당 연구는 광음향 센서의 화염 연소 상황에 대한 고감도와 수증기와 같은 상황에 대한 저감도를 통해 기존 연기감지기를 보완할 수 있음을 확인하였다.
Aggarwal and Motevalli (1997)는 화염이 수반되지 않는(Non-flaming) 연료 구분을 위해 광산란식 및 이온화식 연기감지기를 이용한 실험을 수행하였다. 기존 연기감지기의 감지 방식만 사용했으며, 밀폐된 공간 내에서 ASTM E662-93 표준에 따른 처리를 한 종이, PMMA, 오일(Oil), 더글라스 퍼(Douglas fir), 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam) 등의 연료를 사용하였다. 실험 결과, 광산란식과 이온화식의 복합 반응을 통해 연료 구분에 사용 가능함을 확인하였다.
국내⋅외 교차감지 기술 동향 검토 결과, 국내에서는 온도, 습도, 불꽃, 연기 및 미세먼지 등 실내 공기질의 화재 감지 인자를 교차감지기술에 활용하는 반면에, 국외에서는 이온화식 연기감지기, 일산화탄소, 이산화탄소 및 광음향을 활용하여 교차감지 기술에 적용하고 있음을 확인하였다. 이렇듯 비화재보 저감을 위해 다양한 기술을 교차 적용하기 위한 연구가 수행 중인 것으로 파악된다.

2.2 연기감지기의 작동 원리

NFPA 72 (2013)에 따르면, 연기감지기는 연소 시 발생하는 가시적 또는 비가시적 입자를 감지하는 장치이며, 감지 방식에 따라 이온화식 연기감지기(Ionization Smoke Detector), 광전식(감광식) 연기감지기(Photoelectric Light Obscuration Smoke Detector)와 광전식(산란식) 연기감지기(Photoelectric Light-Scattering Smoke Detector)로 구분된다.
이온화식은 소량의 방사능 물질이 다른 극성의 2개 전극 사이의 공기를 이온화하여 연기입자의 이온 활동성을 감소시켜 공기의 전도도를 낮추게 된다. 감소된 전도도 신호가 처리과정을 거치며 지정된 기준을 충족하는 경우 경보상태를 전송하는 방식이다.
광전식은 감광식과 산란식으로 나뉜다. 감광식은 광전식 분리형 감지기에 해당되며, 광원과 광원 방출의 상당 부분이 집중되는 감광 센서를 사용하는 원리이다. 연기입자가 광 경로에 진입하면 빛의 일부는 산란되고 일부는 흡수된다. 이로써 감광센서에 도달하는 빛은 줄어들게 된다. 이러한 빛의 감소 신호는 처리과정을 거쳐 지정된 기준을 충족할 때 경보상태를 전송한다.
또한, 산란식은 광전식스포트형감지기에 해당되며, 광원과 광원에서 방출된 광선이 감광센서에 정상적으로 도달되지 않도록 배열된 감광센서를 이용하는 원리이다. 연기입자가 광 경로에 진입하면 빛의 일부는 반사와 굴절에 의해 센서 위에서 산란된다. 이러한 빛의 신호는 처리과정을 거쳐 지정된 기준을 충족할 때 경보상태를 전송한다.
이에 본 연구에서는 국내 건축물에 주로 설치되어 있으며, 작동 원리로 인해 빈번한 비화재보를 야기하는 광전식(산란식) 연기감지기를 사용하여 실험하고 이를 대상으로 교차감지 모듈을 개발하였다.

2.3 일산화탄소 센서의 작동 원리

일산화탄소 센서는 검출 방식에 따라 전기화학식(Electrochemical), 반도체식(Semiconductor), 광이온화학식(Photoionization)으로 구분된다.
Korea Innovation Foundation (2021)에 따르면, 전기화학식은 내장된 전극에 의해 측정 대상 가스가 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 발생하는 전류를 측정함으로써 가스의 농도를 검지하는 방식이다. 통상 산업분야에서 센서의 수명은 2년 정도이나, 생활 속에서 사용하는 센서는 대기 중에 해당 가스가 거의 없어서 5년까지도 사용할 수 있다. 응답 시간이 빠르고 낮은 농도로 감지 가능하나, 고농도에 노출 시 수명이 빨리 단축된다는 단점이 있다.
반도체식은 감지 물질 반도체 표면에 가스가 접촉했을 때 일어나는 전기전도도의 변화를 이용하여 검지하는 방식이다. 검출회로의 구성이 간단한 편이고 가격이 저렴한 편이나 표면의 금속 산화물 반도체에 의해서 전기전도도가 변하기 때문에 여러 종류의 가스에 영향을 많이 받고 습도에도 반응하여 정확한 가스 농도를 측정하기 어렵다는 단점이 있다. 상대적으로 가격이 저렴하여 정확도가 크게 중요하지 않은 대량 수요처에 많이 사용된다.
광학식은 가스 분자가 특정 파장의 광을 흡수하는 특성을 이용하여 가스 농도에 대한 광 흡수율을 측정하는 방식이다. 정확성, 신뢰성, 긴 수명 등의 장점이 있으나, 광학계 부품의 고가로 인해 타 방식과 비교해 상대적으로 가격이 높으며, 현재 국내에서는 센서 수급이 어려운 한계점이 존재한다.
따라서 본 연구에서는 센서의 정확도, 안정성, 경제성, 수급의 용이성 등을 고려하여 전기화학식 일산화탄소 센서를 선정하였으며, 이 중 흡입식과 접촉식 센서를 사용하여 실험하였다. 또한, 접촉식 센서를 활용한 일산화탄소 교차감지 모듈을 개발하고 제작하여 기존 연기감지기와의 적용 가능성 및 연기, 일산화탄소의 반응 특성을 분석하였다.

3. 실험 조건

3.1 실험장 구축

본 연구에서는 표준화된 실험을 통해 신뢰성을 확보하고자 기존 연구에서 주로 준용하는 UL 268 실험 기준을 만족하는 실험장을 화재 및 비화재 실험장을 구축하였으며, 각 실험장의 개략도는 Fig. 1과 같다.
Fig. 1
Schematic Diagram
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화재 실험장은 11.0 m (W) × 6.7 m (D) × 3.0 m (H) 크기로 화점은 뒷면으로부터 2.13 m, 측면에서부터 3.4 m 지점이며, 화점의 직상부 천장에 연기감지기, 일산화탄소 측정 장치를 설치하였다. 또한, 화점으로부터 5.4 m 간격의 천장에 연기감지기 4개를 0.6 m (W) × 1.2 m (D) × 0.016 m (H) 크기의 불연성 패널에 나란히 부착하여 천장에 고정하였다. 또한, 광센서는 천장 아래 0.102 m 지점에서 중앙 감지기 중심으로부터 0.76 m 지점에 수광부(Photocell Assembly)를 설치하였으며, 발광부는(Lamp Assembly) 수광부와 1.5 m 간격을 두고 설치하였다. 일산화탄소 농도를 측정하기 위하여 가스분석기를 설치하였으며, 감지기와 동일선상의 위치에서 측정될 수 있도록 하였다.
비화재 실험장은 9.0 m (W) × 6.7 m (D) × 3.0 m (H) 크기로, 연기에 의한 감광율을 계산하기 위한 광학농도계(Optical density meter, ODM)는 천장으로부터 0.102 m 이격하여 수광부(Photocell Assembly)와 발광부(Lamp Assembly)를 1.5 m 간격을 두고 설치하였다. 가열원으로 사용하는 전기오븐을 뒷벽으로부터 0.051 m 이격하여 위치시켰다. 또한, 측면 벽으로부터 2.79 m 위치에 전기오븐의 중심이 되도록 두고, 그 직상부 천장에 아날로그식 연기감지기를 설치하였다. 일반 연기감지기는 아날로그식 연기감지기의 양옆으로 2개씩 총 4개를 설치하고 측면에 일산화탄소 센서 모듈과 가스분석기를 설치하였다. 실험 장치는 전기오븐의 전면을 기준으로 1.5 m 지점에 아날로그식 연기감지기를 기준으로 직상부에 설치한 방법과 동일하게 설치하였다. 3.01 m 지점에는 UL 실험 기준에 따라 아날로그식 감지기 4개가 부착된 불연성 패널을 고정하고, 패널 양옆으로 일반 연기감지기를 각각 2개씩 설치하였다. 일산화탄소 센서 모듈은 불연성 패널 중심인 아날로그식 감지기 2번과 3번 사이에 위치하여 측정하고, 광센서는 아날로그식 감지기의 뒤쪽에 수광부와 발광부가 1.5 m 간격으로 설치되도록 고정하였다. 가스분석기는 광센서의 뒤 중심부에 위치시켜 일산화탄소 농도를 측정하도록 하였다.
본 실험에 사용한 계측기는 실험 기준에 만족하는 연기감지기, 광원 모듈이며, 이 외에는 일산화탄소 농도 측정을 위한 교차감지 모듈, 가스분석기, 측정 센서를 연기 유동에 영향을 미치지 않는 위치에 설치하였다. 각 장치 사진은 Fig. 2와 같다.
Fig. 2
Different Types of Equipment
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연기감지기는 아날로그식 연기감지기(Analog Smoke Detector, ASD), 일반 광전식 연기감지기(Photoelectric Light-Scattering Smoke Detector, PSD)를 사용하였으며, 아날로그식 연기감지기는 광전식스포트형감지로 공칭 감지 농도 범위는 5 %/m~15 %/m이다. 일반 연기감지기는 모두 광전식 2종 보통형 감지기로 연기 농도 15% 이내에 화재경보로 작동해야 하며, 제조사별 결과를 확인하고자 각각 다른 제조사에서 제작한 4종의 감지기를 사용하였다.
일산화탄소 측정 장치는 일산화탄소 센서(CO Sensor, CO-S, Senko), 가스분석기(Gas Analyzer, CO-GA, Honeywell)이며, 일산화탄소 센서는 전기화학식 센서를 사용하였다. 감지 농도 범위는 0~500 ppm으로 4~20 mA로 출력되는 전류값을 계산하여 농도를 측정하며, 1 s마다 1 ppm 단위로 측정하여 데이터를 저장한다. 가스분석기는 복합가스 측정기를 사용하여 흡입식(Pumped)으로 일산화탄소 농도를 측정한다. 측정 범위는 0~500 ppm이며, 10 s마다 1 ppm 단위로 측정하여 데이터를 저장한다. 이 외에 개발한 일산화탄소 교차감지 모듈(CO Module, CO-M, FRI)을 설치하였다. 교차감지 모듈은 아날로그식 감지기의 공칭 작동 농도 이상의 연기가 감시되었을 경우 일산화탄소 가스 검출 여부에 따라 단계별로 화재경보를 송출하는 방식으로 구현하였으며, 회로 블록는 Fig. 3과 같다. 공칭 작동 농도 이상의 연기 농도가 감지되면 1단계 경보 되며, 이때 일산화탄소 센서 모듈이 작동한 후에 20초간 일산화탄소 센서를 모니터링한다. 일산화탄소가 검출될 경우 2단계로 경보하고 미검출될 경우에는 1단계 경보를 유지한다.
Fig. 3
Circuit Block Diagram of CO-M
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3.2 실험 방법

실험은 UL 268을 준용하였으며, 화재 및 비화재 실험으로 구분되고 화재 실험은 종이(Paper) 화재, 목재(Wood) 화재, 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam) 실험이고, 비화재 실험은 요리에 의한 감지 오인 실험(Cooking nuisance smoke test)이다.
종이화재 실험에 사용한 시료는 미색 중질지이며, 폭 6~10 mm, 길이 85~100 mm로 재단하여 무게 42.6 g을 매회 실험에 정량으로 사용하였으며, 화점 위치에 종이를 다져 넣은 리셉터클(Receptacle)을 0.9 m 높이, 직경 127 mm의 링 형태 지지대 위에 위치하여 진행하였다. 리셉터클 중앙 바닥에 변성알코올 1 ml를 점화하여 실험을 시작하였으며, 실험은 판정 기준에 따라 점화 후 4 min (240 s)에 종료하였다.
목재화재 실험에 사용한 시료는 더글라스 퍼(Douglas fir)를 19.1 mm (W) × 19.1 mm (D) × 152 mm (H) 크기로 재단한 스트립을 각 층에 6개씩 3층 구조의 목재 브랜드(Wood Brand)로 제작하여 사용하였다. 화염이 목재 브랜드의 상단을 관통하지 않도록 하여 점화하였으며, 실험은 판정 기준에 따라 점화 후 4 min (240 s)에 종료하였다.
폴리우레탄 폼 실험은 368 mm (W) × 432 mm (D) × 76 mm (H) 크기의 폴리우레탄 폼을 사용하였으며, 실험장 바닥으로부터 수직으로 70 mm 위에 타일 상단이 위치하도록 배치하였다. 변성알코올 5 ml을 사용하여 점화하였으며, 실험은 판정 기준에 따라 점화 후 6 min (360 s)에 종료하였다.
요리에 의한 감지 오인실험에 사용된 시료는 UL 268에서 제시하고 있는 햄버거 패티와 유사한 냉동 분쇄육을 사용하였으며, 판정 기준에 따라 총 25 min (1,500 s)간 실험을 진행하였다. 실험은 실내온도 26 ± 1 ℃를 기준으로 상대습도 50% ± 7% 이내로 유지한 환경에서 3회 반복 실험하였다. 각 실험에서 사용한 시료 사진은 Fig. 4와 같다.
Fig. 4
Materials of Standardized Test (UL 268)
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3.3 판정기준

표준화된 실험은 연기감지기의 비화재보를 판정하기 위한 기준(Profile)을 맞추기 위하여 감광 계산(Obscuration calculation)이 필요하므로, 전체적인 거리(미터)당 감광율(Percent obscuration per meter) Ou 은 다음 Eq. (1)을 통해 계산한다.
(1)
Ou=[1(TsTc)1d]100
이때 Ou 는 감광율(%/m), Ts 는 연기 내 연기밀도 측정값, Tc 는 주변 공기 내 연기밀도 측정값이며, d 는 연기밀도 측정 거리(발광부와 수광부 간 거리)를 의미한다. 표준 실험 기준에 따르면 발광부와 수광부 간 거리(d)는 1.5 m로 설정되며, Tc 가 100 μA (즉, Ou 가 0 %/m)이 되도록 설정한 상태에서Ts 측정한 값을 대입하여 계산한다. 화재 실험 중 종이와 목재 화재의 경우, 시간과 감광율 간의 그래프를 측정하여 확인한다. 폴리우레탄 폼 화재는 거리와 관계없이 전체 빛 차단율(Percent obscuration of light) Od 을 통해 확인하며, 다음 Eq. (2)를 통해 계산한다.
(2)
Od=[1(TsTc)]100
Od 는 차단율(%), Ts, Tc 는 앞서 감광율 계산 시 값과 같다.
연기감지기는 예비경보 5 %/m, 화재경보 15 %/m로 감지 농도를 설정하여 실험 시 발생하는 연기에 의해 경보가 발하는 시점을 확인하며, 일산화탄소는 실험 시간 동안 측정된 ppm 농도 값을 확인한다.

4. 실험 결과 및 고찰

4.1 실험 결과

4.1.1 종이(Paper) 화재

UL 268의 종이 화재 실험 기준에 따라 진행하였으며, 광소멸 장치의 연기 농도 데이터를 확인하여 실험 기준 데이터를 충족하는지를 확인하였다. 실험장 내부 온도는 15 ℃ ± 1 ℃로 유지된 환경에서 총 3회 실시하였다. 실험 시간은 총 240 s 동안 진행하였고, 점화 후 약 30 s~40 s 사이에 리셉터클 중앙의 구멍으로 미색의 짙은 농도의 훈소 연기가 발생하기 시작하여 약 140 s에 리셉터클 밖으로 화염(Plume)을 뿜어내었다. 이로 인해 연기의 유동이 화점 중심에서 바깥 방향으로 확산되어 나가는 것을 확인할 수 있었다.
연기감지기의 반응과 일산화탄소 농도는 Fig. 5와 같으며, 최초 예비⋅화재 경보 감지 결과는 Table 1과 같다. 화원 직상부에 설치된 ASD-1, PSD-1~PSD-4가 60 s 이내에 가장 먼저 반응하였다. 120 s 이후부터는 표준 실험 기준 거리에 있는 아날로그식 연기감지기와 일반 연기감지기도 모두 화재로 반응하였으며, 화재가 경보된 시점에서 일산화탄소 농도는 가스분석기에서 7 ppm, 일산화탄소 센서에서는 42 ppm으로 측정되었다. 일산화탄소 교차 감지 모듈의 최대 연기 감지 농도는 237 s에 14.11 %/m로 측정되었으며 실험 시간 동안 측정된 일산화탄소 최대 농도는 39 ppm (155 s)으로 나타났다.
Fig. 5
Measurements of Paper Fire
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Table 1
Measurements of Paper Fire
Division Device Response time (s) Smoke detection concentration (%/m) CO concentration (ppm)
CO-GA CO-S
Initial preliminary alarm detector ASD-3 176 7.4 6 56
Initial fire alarm detector ASD-3 181 17.1 7 42
짧은 실험 시간임에도 불구하고, 종이 화재에서 발생한 연기에 의해 연기감지기가 모두 빠르게 반응하였다. 전반적으로 표준 실험 기준 거리에서 연기감지기는 120 s~180 s 사이에 화재로 감지하였으며, 그때의 일산화탄소 농도는 약 40~75 ppm 사이로 측정되었다. 화점 주위에서의 연기감지기는 30 s 이내에 화재로 반응하였고, 이때의 일산화탄소 농도는 100 ppm 이내로 측정되는 것을 확인할 수 있었다.

4.1.2 목재(Wood) 화재

목재 화재 또한 UL 268의 목재 화재 실험 기준에 따라 진행하였으며, 광소멸 장치의 연기 농도 데이터를 확인하고 실험 기준의 데이터를 충족하는지 확인하였다. 실험장 내부 온도는 15 ℃ ± 1 ℃로 유지된 환경에서 총 3회 실시하였다. 실험 시간은 총 240 s 동안 진행하였고, 점화 후 약 60 s~90 s 사이에 변성 알코올에 의해 목재 브랜드 중앙 하단에 화염이 닿으면서 훈소 연기가 발생하기 시작했다.
연기감지기의 반응과 일산화탄소 농도는 Fig. 6과 같으며, 실험 시간 이내에 표준 실험 기준 거리에 위치한 연기감지기가 화재로 반응하지 않았다. 화점 직상부에 위치한 연기감지기와 표준 실험 기준 거리와의 중간 지점에 위치한 연기감지기는 연기 농도가 20.2 %/m을 넘어가면서 화재로 인식하였으나, 표준 실험 기준 거리에 위치한 ASD-3~ASD-5는 5 %/m의 연기 농도에 머물러 있는 것을 확인할 수 있다. 일산화탄소 농도는 약 90 s 이후부터 측정되어 점차 농도 값이 상승하고, 최대 50 ppm 이내로 측정되었다.
Fig. 6
Measurements of Wood Fire
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아날로그식 연기감지기가 반응하는 시점(220 s)에 일산화탄소 교차 감지 모듈의 일산화탄소 농도는 최대 46 ppm (220 s)으로 다소 높게 측정되었다.
목재 화재에서 발생한 연기의 양이 부족하여 화점 위에 위치한 연기감지기는 반응하였으나, 표준 실험 기준 거리에 위치한 연기감지기는 화재를 감지하지 못하였다.

4.1.3 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam) 화재

폴리우레탄 폼 화재는 점화 후 바로 연기가 발생하였으며, 짙은 흑색 색상을 띠어 종이 화재와 목재 화재와는 연기 색상이 다른 것을 확인하였다. 폴리우레탄 폼 화재는 짙은 흑색 연기 색상을 띠었으나, 아날로그식 연기감지기는 화재로 감지하지 못하였고, PSD-3가 230 s에 예비경보로 반응하였을 때, 일산화탄소 농도는 CO-S에서 13 ppm으로 측정되었다. 일반 연기감지기는 170 s 이후부터 화재로 반응하기 시작하였으나, 표준 실험 기준 거리에 위치한 연기감지기는 반응하지 않았다. 실험 시간 동안 일산화탄소 최대 농도는 30 ppm 이내로 측정되었으며, 실험 결과는 Fig. 7, Table 2와 같다.
Fig. 7
Measurements of Fire with Polyurethane Foam
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Table 2
Measurements of Fire with Polyurethane Foam
Division Device Response time (s) Smoke detection concentration (%/m) CO concentration (ppm)
CO-GA CO-S
Initial preliminary alarm detector ASD-3 230 5.7 0 13
Initial fire alarm detector - - - - -
일산화탄소 교차 감지 모듈은 목재 화재와 유사하게 3회 실험 모두 연기 감지 농도가 낮게 측정되었다. 일산화탄소 농도 또한 앞선 실험보다는 다소 낮은 농도로 검출되었다. 약 160 s부터 일산화탄소 농도가 검출되기 시작하면서 점차 증가하다가 300 s에 접어들면서 최고 농도에 도달하였다.
폴리우레탄 폼 화재는 짙은 흑색 연기가 다량으로 발생함에도 불구하고, 종이 화재와 목재 화재와는 다르게 아날로그식 연기감지기가 화재로 반응하지 못하였고, 일산화탄소 농도 또한 낮게 측정되었다.

4.1.4 요리에 의한 감지 오인 실험(Cooking nuisance smoke test)

실험 시작 후 전기오븐에 햄버거 패티를 위치하고 최대 전력으로 가열하였으며, 실험 시간 동안 오븐 문 내부 표면과 오븐 문 전면 표면 사이의 틈은 약 10 cm 간격으로 유지하였다. 햄버거 패티로 인해 발생한 연기가 천장부로 상승하여 천장면을 타고 퍼져나갔으며, 실험 종료 후 연기가 실험장 내부에 체류되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 천장부에 설치한 광학농도계를 통해 수집된 감광율이 UL 268 실험 기준 데이터의 한계 이내에 충족하는지 확인하였다. 연기 발생량에 의한 감광율의 변화가 UL 268 실험 기준 데이터의 상한선과 하한선 사이에 위치하여야 하며, 반복 실험 3회 결과 모두 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
실험 결과는 Fig. 8, Table 3과 같으며, 연기감지기의 경우 전기오븐 직상부인 즉 0 m에서의 감지 농도는 약 550 s에서 750 s 사이에 예비경보로 반응하는 등 감지 농도 폭이 큰 것으로 나타으며, 이는 연기 유동의 영향을 가장 많이 받는 위치가 원인인 것으로 판단된다. 1.5 m 거리에 위치한 연기감지기의 감지 농도 결과 약 770 s에서 1,130 s 사이에 5.0 %/m 이상의 농도가 감지되어 예비경보가 나타났다. 3.0 m에 위치한 각각의 아날로그식 연기감지기는 766 s부터 순차적으로 모든 연기감지기가 예비경보를 나타낸 것을 확인하였다.
Fig. 8
Measurements of Cooking Nuisance Smoke Test
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Table 3
Measurements of Cooking Nuisance Smoke Test
Division CO-GA CO-S
Initial Response Time (s) 610 486
Maximum Concentration Time (s) 890 944
Maximum Concentration (ppm) 26.0 25.4
일산화탄소 센서는 약 425 s부터 610 s 사이에 최초 농도가 감지되어 653 s에서 990 s 사이에 최대 농도에 도달하는 것으로 나타났다. 실험을 통해 감지된 일산화탄소 농도는 최대 약 26 ppm까지로 도달하는 것을 확인하였다.
연기감지기 반응 결과, ASD-1에서 655 s에 연기 감지 농도 8.1 %/m으로 최초 예비경보를 나타내었고, 표준 실험 기준 거리에서는 766 s에 ASD-3이 반응하였다. 이때의 일산화탄소 농도는 CO-GA가 17 ppm, CO-S가 19.2 ppm으로 측정되었다.

4.2 실험 결과 고찰

표준 실험 기준(UL 268)을 준용하여 수행한 종이, 목재, 폴리우레탄 폼 화재 실험 결과, 아날로그식 연기감지기 및 다양한 제조사별 일반 연기감지기의 반응 특성을 확인한 결과 동일한 조건에서 유사한 반응을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 종이 화재 실험에서 실험 시간 240 s 이내에 전체 연기감지기가 화재로 반응하였으며, 화재 감지 속도는 연기감지기가 일산화탄소를 측정하는 실험 장치보다 빠르게 반응하였다. 표준 실험 기준 거리(5.4 m)에서 일산화탄소의 농도는 최대 약 45 ppm 이내로 측정되었다. 폴리우레탄 폼 화재 실험에서는 연기감지기가 화재경보를 발신하지 않았으며, 일산화탄소의 농도 또한 화점 위치에서 최대 30 ppm, 표준 실험 기준 거리에서는 약 25 ppm 이내로 측정되어 종이, 목재 화재 실험보다 낮게 측정되었다. 폴리우레탄 폼 화재에서는 짙은 흑색 연기가 다량으로 발생했음에도 불구하고 연기감지기가 화재로 감지하지 못하는 한계점이 존재하였다. 이는 광전식 연기감지기의 특성상 분진의 색상 따라 반응의 차이가 발생하며, Lee and Kim (2017)에 따르면 흑색 분진의 경우 흡광율이 높아 산란 현상이 감쇄되면서 연기감지기 연기 챔버의 수광부에서 산란광을 흡수하지 못하게 되어 발생하는 현상으로 판단된다.
또한, 표준 실험 기준(UL 268)을 준용하여 수행한 요리 방해 연기 실험 결과로, 실험 시간 1,500 s 동안 대부분의 일반 연기감지기는 화재로 반응하였으나 아날로그식 연기감지기는 예비경보가 나타났다. 측정된 일산화탄소 농도는 전기오븐 상단에 위치한 지점(0 m)에서 최대 40.7 ppm 이내로 측정되었으며, 약 350 s에서 560 s 사이에 최초로 농도를 감지하였다. 표준 실험 기준 거리인 3.0 m 지점에서는 425 s부터 610 s 사이에 최초로 농도가 감지되었으며, 990 s 이내에 최대 농도에 도달하는 것으로 나타났다. 감지된 농도는 최대 26 ppm으로 화원으로부터 거리가 멀어질수록 희석되어 측정 농도가 감소하는 것을 확인하였다. 일산화탄소가 최초로 측정된 시간에는 연기감지기의 연기 농도는 5 %/m 미만이었으며, 일산화탄소가 최대 농도로 측정된 시점에는 연기감지기가 예비경보를 발신한 시점과 유사하게 나타났다.
추가적으로, 일산화탄소 센서의 적용성을 확인하고자 연기감지기와 연동 가능한 일산화탄소 교차감지 모듈을 개발하였다. 이는 연기감지기의 비화재보 저감을 위해 신제품을 개발하는 다수의 연구와 달리, 현재 건축물에 설치된 일반 연기감지기를 교체하지 않고 일산화탄소 센서만 추가 설치하는 방안으로 모듈을 개발하고 시작품 제작하였다. 연기와 일산화탄소가 교차 감지가 될 수 있도록 연기감지기의 공칭 작동 농도 이상으로 감지가 되면 경보가 울리고, 이때 일산화탄소 센서 모듈이 작동하여 일산화탄소 농도를 감지한다. 평상시에는 우회(Bypass)하고, 화재 시에는 일산화탄소를 모니터링(Monitoring)하여 일산화탄소가 없으면 개방(Open)하고 일산화탄소가 있으면 폐쇄(Close)한다. 감지기는 주기적으로 초기화(Reset)되고 화재가 복구되면 다시 정상상태로 돌아가지만, 초기화가 3회 이상 되면 중계기 회로선을 개방하여 수신기에 선로 단선 에러(Error) 표시가 나타나는 방식이며, 화재 실험 적용을 통해 작동성과 감지 능력을 확인하였다.

5. 결 론

잦은 비화재경보를 발생하는 연기감지기의 한계점을 보완하기 위한 방안으로 일산화탄소 센서를 적용하여 화재 및 비화재 시 감지 효과성을 검토하고자 UL 268 기준을 준용하여 비화재보 실험을 수행하였으며, 일산화탄소 센서의 적용성을 확인하고자 연기감지기와 연동 가능한 일산화탄소 교차감지 모듈을 개발하였다. 이에 따른 실험 결과를 다음과 같이 정리하였다.
본 연구를 통해 기존 연기감지기의 비화재경보를 저감하기 위해 일산화탄소 센서를 이용한 교차감지 기술의 적용성을 확인하였으며, 실험을 통해 도출된 결과로 최적 교차감지 농도를 정립하였다. 요리 방해 연기 실험 결과를 토대로, 특정소방대상물 내부에 연기감지기를 설치하였을 때, 화원이 있는 위치에 설치된 경우 50 ppm, 화원에서 약 3.0 m 이상 거리에 있는 위치에 설치된 연기감지기의 경우에는 30 ppm을 기준 농도로 하여 연기감지기와 교차 감지한다면 비화재경보로 인한 손실을 저감할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 일산화탄소 센서는 수명이 최대 5년이고 센서의 유통단가가 연기감지기보다 높다는 한계점이 존재한다. 또한 기존 연기감지기가 설치된 선로에 교차감지 모듈을 추가 설치할 경우, 모듈 내 별도의 전원을 공급해야 하며, 기존 연기감지기의 유지관리보다 더 잦은 관리가 필요할 것으로 판단된다. 연기감지기의 근본적인 비화재경보를 해결하기 위한 방안으로 일산화탄소 센서를 적용하는 것은 효과적이라고 사료된다. 다만, 교차감지 모듈을 상용화하기 위해서는 경제성과 기술의 한계를 고려하여 적용 대상을 재검토할 필요가 있다고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 소방청 소방현장 활동지원 기술개발사업(1761002660)의 연구비 지원을 받아 수행되었습니다.

References

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