일산화탄소 경보기의 내한성 특성 및 저온시험기준 적절성 분석
Cold-Resistance Characteristics and Adequacy of Low-Temperature Test Standards of Carbon Monoxide Alarms
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Abstract
본 연구에서는 일산화탄소 경보기의 내한성 특성 분석과 저온시험기준의 적절성을 고찰하기 위하여 국내외 기준을 대상으로 분석과 실험을 수행하였다. 분석 대상 국내외 기준은 가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준, KS C 6596, 영국의 BS EN 50291-1, 일본의 JIA E 001-07이다. 분석결과, 가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준은 –20 ℃, 1 H이고, KS C 6596은 –10 ℃, 2 H이며 영국의 BS EN 50291-1는 –10 ℃, 6 H, 일본의 JIA E 001-07은 0 ℃ 이하, 1 H이였다. 이 결과로부터, 가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준의 저온시험이 온도측면에서 가장 높은 내한성을 요구하는 것으로 나타났다. 또한 기준분석에서 도출된 저온시험기준으로 국내 2개 제조사 시료를 대상으로 실험을 실시하여 그 특성을 분석하였다. 실험결과, -20 ℃에서 1 H~4 H 노출한 실험에서 실험시료 모두 정상적으로 작동하였으며 –10 ℃의 6 H, 24 H노출 실험에서도 모두 정상작동하여 국내에서 인증된 일산화탄소 경보기는 매우 높은 내한성을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한 일산화탄소 경보기가 주로 설치되는 아파트 베란다의 기온 분석을 통하여 일산화탄소 경보기 저온시험기준의 적절성을 검토한 결과, 일산화탄소 경보기 저온시험기준의 내한성 엄격도가 높은 수준임을 알 수 있었다. 따라서 본 연구결과를 향후 저온시험기준 개정 시 참고자료로 활용하면 유용할 것으로 사료된다.
Trans Abstract
In this study, we considered domestic and international standards to experimentally evaluate and analyze the cold-resistance characteristics of carbon monoxide alarms and assess the suitability of low-temperature test standards. The analyzed standards include the technical standards for type approval and product inspection of gas leak detectors, specifically KS C 6596, Britain’s BS EN 50291-1, and Japan’s JIA E 001-07. We found that the technical standards specify a temperature of –20 °C for 1 h; those for KS C 6596 are –10 °C for 2 h; those for Britain’s BS EN 50291-1 are –10 °C for 6 h; and those for Japan’s JIA E 001-07 follow suit. We inferred that the low-temperature test of the technical standards for type approval and product inspection of gas leak detectors required the highest cold resistance. Furthermore, we experimented on samples from two domestic manufacturers, employing the low-temperature test standards deduced from the standard analysis to examine their characteristics. All test samples operated normally when subjected to a temperature of –20 °C for 1 to 4 h, and similarly maintained normal operation at –10 °C for 6 and 24 h. These findings indicate that the carbon monoxide alarms certified in Korea have a high cold resistance. Additionally, this study entailed a review of the low-temperature test standards for carbon monoxide alarms by analyzing the temperature conditions of apartment verandas, where these alarms are predominantly installed. Based on the results, the cold resistance tended to be high using the low-temperature test standards for carbon monoxide alarms. The findings of this research can serve as a valuable reference for future revisions of low-temperature test standards.
1. 서 론
가스누설경보기는 “소방시설 설치 및 관리에 관한 법률”(National Fire Agency, 2023a)과 “가스누설경보기의 화재안전기술기준”(NFTC 206, 2022)에서 정하는 규정에 따라 설치하고 유지/관리되어야 하는 설비이다. 이 가스누설경보기는 용어에서 알 수 있듯이 가스가 누설되면 이를 감지하여 경보하는 설비이다. 이 기준에 의하면 가스누설경보기는 ‘가연성가스 경보기’와 ‘일산화탄소 경보기’로 분류된다. ‘가연성가스 경보기’는 보일러 등 가스연소기에서 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG) 등의 가연성가스가 새는 것을 탐지하여 관계자나 이용자에게 경보하여 주는 것이라 정의하고 있으며 또한 ‘일산화탄소 경보기’는 일산화탄소(CO)가 새는 것을 탐지하여 관계자나 이용자에게 경보하여 주는 것이라 정의한다. 이 정의에서 볼 수 있듯이 가스누설경보기는 LPG, LNG, CO가스 등을 탐지하는 것을 말한다.
LPG, LNG는 누설되었을 때 폭발의 위험성이 있고, CO가스는 사람이 호흡을 하여 마시게 되면 일산화탄소 중독에 의해서 사망까지 갈 위험이 있다. 그 예로 지난 2018년 12월, 강릉펜션에서 숙박하던 학생들이 일산화탄소에 중독되어 사망하는 사고가 발생하여 전 국민이 안타까워하였다. 이 사건을 계기로 일산화탄소 경보기의 중요성이 부각되어 국가는 보일러에 ‘일산화탄소 경보기’설치를 의무화하였으며 이로 인해 경보기의 수요가 크게 증가하였다.
이처럼 인명안전에 매우 중요한 역할을 하는 가스누설경보기는 특정한 가스와 일정한 농도에서 경보를 발하도록 설계되고 제작되며 ｢가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(National Fire Agency, 2023b)｣(이하 기술기준)에서 정하는 성능시험을 만족하여야 하며, 이 기술기준을 만족한 제품이 유통되고 판매된다. 특히 보일러 등에 설치되는 일산화탄소 경보기는 설치되는 장소가 보일러 부근으로 보일러의 설치환경에 따라 그 영향을 받게 된다. 보일러는 아파트의 경우 베란다에 설치되고 있으며 이 베란다의 온도는 거주자가 주로 생활하는 실내 공간(거실, 방)에 비해 여름에는 매우 높거나 겨울에는 매우 낮게 되는 등 온도차가 심한 환경을 갖고 있다. 또한 보일러는 난방을 위하여 겨울철에 집중적으로 사용되고 있어 불완전연소 가스인 일산화탄소의 누출로 인한 중독사고의 위험이 상당히 높아질 우려가 있다. 그러므로 겨울철 일산화탄소를 탐지하는 일산화탄소 경보기의 역할이 중요하며 특히 저온 환경조건에서의 일산화탄소 경보기의 탐지 성능은 매우 중요하게 된다.
따라서 본 연구에서는 일산화탄소 경보기의 저온 환경조건에서의 동작 특성을 분석하고 ｢가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣내의 일산화탄소 경보기 저온시험 기준(이하 일산화탄소 경보기 저온시험기준)의 적절성을 고찰하기 위하여 국내외의 일산화탄소 경보기 기술기준을 비교⋅분석하였다. 분석 대상 기준은 국내의 일산화탄소 경보기 저온시험기준, KS C 6596 (Korean Standard, 2007)과 일본 JIA E 001-07 (도시가스용 가스경보기 검사규정) (JIA, 2007), 영국의 BS EN 50291-1 (가정용 일산화탄소 감지기) (European Standard, 2018)이다. 또한 이 기준 분석결과를 토대로 국내 시료를 대상으로 다양한 저온조건에서 온도 특성 실험을 수행하여 그 성능 특성을 확인하였다.
2. 국내외 저온시험 기준 분석
본 절에서는 일산화탄소 경보기 저온시험기준과 국내외의 저온시험기준을 비교하였다. 이는 기준 분석결과를 토대로 국내 시료를 대상으로 다양한 조건의 온도에서 특성 실험을 수행하고 하기 위함이다. 먼저 비교대상 기준은 KS C 6596 (Korean Standard, 2007)과 일본 JIA E 001-07 (JIA, 2007), 영국의 BS EN 50291-1 (European Standard, 2018)이다.
2.1 한국: 가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준
일산화탄소 경보기 저온시험기준 제21조(온도시험)는 다음과 같다. “통전상태로 내부온도가 (-20 ± 2) ℃인 항온기에 각각 1시간이상 놓아둔 다음 각각의 온도에서 제16조의 시험”을 실시한다. 여기서 제16조는 경보농도시험을 말하며 이는 일정농도의 가스를 가스누설경보기에 투입하여 작동시험과 부작동시험을 하는 것을 말한다.
2.2 한국: KS C 6596 (일산화탄소 감지기의 성능시험방법)
KS표준에도 일산화탄소 감지기에 대한 성능시험 기준을 갖고 있다. KS에는 온도 변동시험으로 실시되고 그 내용은 다음과 같다.
시험조의 온도를 50 ℃, 상온, -10 ℃의 순서로 차례로 조정한다. 안정화 시간은 제조자가 제시한 시간을 따르는 것을 원칙으로 하나 최소 2시간은 넘기도록 한다. 안정화 후, 감지기 헤드를 측정범위의 50%에 해당하는 시험가스농도에 노출시키고 각 온도에서 시험한다.
2.3 영국: BS EN 50291-1
영국은 BS EN 50291-1 기준으로 가정용 일산화탄소 감지기의 성능을 인증하고 있다. 이 기준에도 저온시험에 관한 규정을 두고 있다. 그 내용은 다음과 같다.
최소 6시간 동안 (-10 ± 1) ℃의 온도에 장치를 노출시키고 난 후 정해진 농도와 시간에 따라 작동시험과 부작동시험을 한다
2.4 일본: JIA 3 001-07 (도시가스용 가스경보기)
일본에서도 가스경보기에 규정을 갖고 제품의 성능시험을 실시하고 있으며 그 기준에 의하면 도시가스의 정의를 “도시가스의 가스누출을 검지하는 기능 또는 불완전 연소 배기가스를 검지하는 기능을 가진 기기로서 신호 및 경보를 발신하는 기능을 가진 기기”로 하고 있으며 저온기준은 다음과 같다.
통상적인 사용 상태에서 통전한 가스경보기를 넣은 시험조의 내부온도를 도시가스를 검지하는 부분은 10 ℃ 이하, 불완전연소 배기가스를 검지하는 부분은 0 ℃ 이하로 하여 1시간 유지한 후에 각각의 온도상태에서 규정된 시험으로 확인
일본에서는 도시가스와 일산화탄소(불완전연소 배기가스)의 저온시험을 구분하고 있다는 것을 알 수 있으며 도시가스 경보기는 10 ℃ 이하에서 1시간 노출하며 일산화탄소 경보기는 0 ℃ 이하에서 1시간 노출하여 타 기준과는 차별성을 가진다.
이상에서의 각 국의 일산화탄소 경보기에 대한 저온시험을 정리하면, 일산화탄소 경보기 저온시험기준이 –20 ℃ (1 H), KS C 6596에서는 –10 ℃ (2 H), BS EN 50291-1에서는 –10 ℃ (6 H), 일본 JIA E001-07은 도시가스 경보기는 10 ℃ 이하(1 H), 일산화탄소 경보기는 0 ℃ 이하(1 H)이다. 이 결과를 종합하면 한국의 일산환탄소 경보기 저온시험기준이 가장 저온에서 1 H이고 다른 기준은 –10 ℃에서 시험시간이 2 H~6 H임을 알 수 있다. 따라서 일산화탄소 저온시험기준이 온도측면에서는 국내외 타 기준에 비해 내한성이 가장 높다는 것을 알 수 있다.
3. 국내 기후환경 분석
2절에서는 일산화탄소 경보기 저온시험기준과 국내외 타 기준과의 저온시험을 상호 비교⋅분석해 보았으며 이 절에서는 국내 지역별 온도분석을 통하여 일산화탄소 저온기준의 적절성을 고찰하였다.
먼저 지역별 기온분석(실외)은 기상청 기상관측소의 측정값을 조사하여 국내 기온의 개략적 분포 특성을 분석하여 한국지역의 겨울철 기온이 어느 정도인지를 가늠하고자 하였다. 또한 일산화탄소 경보기가 주로 설치되고 있는 실내의 기온분석은 아파트 보일러실(베란다) 기온 분석 자료를 통하여 저온시험의 적절성을 분석하고자 한다.
Table 1은 최근 10년간(2013~2022년)의 국내 지역별 일평균 최저기온을 나타낸 것이다(Statistical Office, 2023). 최저기온은 대관령이 –19.7 ℃ 이고 그 다음은 철원, 제천 순이다. 대부분 강원도와 경북 산악지역이 기온이 낮게 나타났다.
Average Daily Minimum Temperature by Region in Korea
이상의 기상청 관측소에서의 국내 여러 실외 지역의 겨울철 온도분포를 살펴보면 일산화탄소 경보기 저온시험기준 –20 ℃와 대관령, 철원, 제천 등의 온도와 유사한 온도를 나타냄을 알 수 있다.
본 연구에서는 일산화탄소 경보기의 겨울철 저온 환경에서의 성능 분석과 그 성능기준의 적절성을 고찰하고자 하므로 실제 일산화탄소 경보기가 주로 설치되고 있는 베란다의 온도 환경 분석은 필수적이다.
Table 2는 공동주택에서의 베란다 실내온도 분석연구(Son et al., 2011)를 실시하여 계절별 아파트(진주, (위도 35°8”N, 경도 128°6”E)) 층별 베란다 3개동, 3개소(2층, 9층, 16층)의 30일 동안의 평균기온을 나타낸 것으로서 우리나라 4계절의 뚜렷한 온도변화를 알 수 있다. Table 2의 계절별 온도 차이가 큰 여름과 겨울의 기온 차는 약 14 ℃~15 ℃ 정도이고 겨울의 온도도 영상 10 ℃ 이상임을 알 수 있다. 이 연구대상의 아파트 지역이 한반도에서도 남쪽이고 햇볕이 잘 드는 아파트임을 짐작할 수 있다.
Mean Air Temperatures of Three Apartment Verandas at Three Different Floors in Four Seasons
일산화탄소 경보기의 저온시험에 대한 가혹성을 분석한다는 측면에서 볼 때, 남쪽지역보다는 북쪽지역의 베란다 온도 환경 분석이 일산화탄소 경보기 저온성능 분석에 좀 더 의미 있는 것이지만, 상기의 ‘공동주택에서의 베란다 실내온도 분석연구(Son et al., 2011)’외에는 다른 자료를 인용할 수 없는 점과 베란다라고 하는 것이 실내이고 한국의 영토가 위도 차이가 크지 않아 온도차이가 많이 나지 않다는 점 등을 고려하면 상기의 분석연구 자료로도 베란다 온도 분포는 충분히 예측 가능하리라 생각되며 본 연구의 목적인 일산화탄소 경보기 저온성능의 적절성 분석에도 적용 가능하다고 판단된다.
4. 실험 및 실험결과
상기 각 국의 기준비교 결과를 토대로 2가지 시험기준으로 분류하여 저온성능 실험을 수행하였다. 온도측면에서 가장 가혹성이 높은 일산화탄소 경보기 저온시험기준에 시간을 추가(+)하여 실험하는 방법과 KS기준의 저온온도에 시간을 추가(+)하여 실험하는 방법으로 실시하였다. 이는 일산화탄소 경보기 저온시험기준이 온도는 가장 낮으나 시험시간이 타 기준보다 낮은 점을 고려한 실험조건으로 가장 내한성을 강화한 실험이다. 또한 KS기준과 영국기준이 같은 온도 –10 ℃인 점을 참고하여 동일온도에서 실험시간을 추가(+)하여 실험기준을 결정하였다. 이러한 실험을 통하여 국내 기준으로 인증 받은 시료의 내한성을 확인하였다.
실험에 사용한 시료는 2개 제조사의 일산화탄소 경보기를 사용하였다. 일산화탄소 경보기는 공급전원에 따라 AC형과 배터리형으로 구분됨에 따라 이 2가지 유형, 각 2개씩을 실험시료로 사용하였다. 또한 ｢가스누설경보기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣내에서 같은 저온시험기준으로 성능을 확인하는 ‘가연성가스 경보기(LNG형)’도 동일 조건에서 실험을 실시하였다. 이는 ‘가연성가스 경보기’에 사용되는 센서는 일산화탄소 경보기의 가스센서와 다른 종류의 센서를 사용하기 때문에 상기 내한성 조건일 때 어떤 저온 성능을 나타내는지 확인하기 위함이다. 또한 실험조건은 일산화탄소 경보기 저온시험기준 제 21조에서 정한 바대로 실시하였다. 온도 챔버에서 일정온도/일정시간 동안 노출한 후 정상작동 여부를 확인하였다.
4.1 실험 시료
Figs. 1~3은 실험에 사용한 A사의 시료 사진이다. 시료는 일산화탄소 경보기인 CO-배터리형, CO-AC형, 가연성가스 경보기(LNG형) 각각 2개씩, 총 6개를 사용하였다.
Carbon Monoxide Alarm (Battery Type)
Combustible Gas Alarm (LNG Type)
Carbon Monoxide Alarm (AC Type)
Figs. 4~6은 실험에 사용한 B사의 시료 사진이다. 시료는 일산화탄소 경보기인 CO-배터리형, CO-AC형, 가연성가스 경보기(LNG형) 각각 2개씩, 총 6개를 사용하였다.
Carbon Monoxide Alarm (Battery Type)
Combustible Gas Alarm (LNG Type)
Carbon Monoxide Alarm (AC Type)
4.2 실험환경
Fig. 7은 저온실험 특성을 분석하기 위해 사용한 항온 챔버를 나타낸 것이다. Fig. 8은 실험에 사용한 표준가스를 나타낸 것으로 기술기준에서 규정한 가스를 그대로 준용하였다. 즉 LNG 등 가연성가스 경보기 실험에는 이소부탄, 메탄을 사용하였으며 일산화탄소 경보기는 일산화탄소를 사용하였다. 실험에 사용된 표준가스의 농도는 기술기준에서 정하는 농도로 실험하였으며 그 값은 Table 3과 같다. Table 3에서 1차와 2차는 기술기준 제 16조 ‘경보농도시험’에서의 불완전연소가스용 경보기에서 실시하는 1차 작동시험과 2차 작동시험을 의미한다.
Constant Temperature Chamber
Standard Gas
Standard Gas and Concentration Used in the Experiment
또한 실험의 온도는 앞 절에서 설명한 바와 2가지 온도 조건인 일산화탄소 경보기 저온시험 기준과 KS기준으로 실험을 실시하였으며, 실험시간은 일산화탄소 경보기 저온시험기준(-20 ℃, 1 H)에서 시간을 증가하여 2 H와 4 H로 저온실험을 실시하였다. 또한 KS (-10 ℃, 6 H)기준에서는 24 H를 추가하여 실시하였다. 그 후에 기술기준 제 16조에 따라 경보농도시험을 실시하여 작동 여부를 확인하였다.
4.3 실험결과
Table 4는 일산화탄소 경보기 저온시험기준(온도 –20 ℃, 1 H)과 같은 온도와 시간에서 우선 시험을 실시하고 또한 같은 온도에서 시간을 추가(2 H, 4 H)하여 실시한 실험결과이다. Table 4에서 1차와 2차는 기술기준 제 16조 ‘경보농도시험’에서의 불완전연소가스용 경보기에서 실시하는 1차 작동시험과 2차 작동시험을 의미한다. 일산화탄소 경보기의 경우 1차 작동시험이 0.025%에서 5분 이내이며 2차 작동시험은 더 높은 농도인 0.055%에서 1분 이내 작동하면 적합하다고 판정한다. 따라서 저농도인 1차 작동시험에서 1분 이내(즉 고농도인 0.055% 적합 작동 시간범위)에 작동하면 2차 작동시험은 생략하였다. 이는 저농도인 1차 작동시험에서 1분 이내에 작동하였으므로 고농도인 2차 작동시험인 1분 이내 조건을 이미 만족하였기 때문이다.
Low Temperature Test Results (at –20 °C, 1 H, 2 H, 4 H)
실험결과, 일산화탄소 경보기 저온시험기준(온도 –20 ℃, 1 H)과 2 H, 4 H 노출시간 조건 상태에서 A, B사 LNG형 모든 시료는 1분 이내인 10여초에서 작동하였다. 또한 일산화탄소 경보기 AC형과 배터리형 시료 3개는 1차 작동시험(농도: 0.025%)에서 1분 이내에 작동하였으나, B사의 AC형 일산화탄소 경보기 1개 시료는 1차 작동시험에서 5분을 경과하여 2차 작동시험을 실시하였으며, 역시 정상 작동하였다. 이 실험결과에서 –20 ℃에서 노출시간을 2 H, 4 H증가시켜도 경보기의 작동에는 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
Table 5는 KS의 저온시험(온도 –10 ℃, 최소 2 H)을 기준으로 시간을 추가(6 H, 24 H)하여 실시한 실험결과이다. Table 5에서도 1차와 2차는 기술기준 제 16조 ‘경보농도시험’에서의 불완전연소가스용 경보기에서 실시하는 1차 작동시험과 2차 작동시험을 의미한다.
Low Temperature Test Results (at –10 °C, 6 H, 24 H)
실험결과, 저온(온도 –10 ℃)상에서 6 H, 24 H를 노출한 실험에서 A, B사 LNG형 시료는 모두 1분 이내인 10여초에서 작동하였다. 또한 일산화탄소 경보기는 AC형과 배터리형 모두 1차 작동시험(농도: 0.025%)에서 1분 이내에 모두 작동하였다. 이 실험결과에서 –10 ℃에서 노출시간을 6 H, 24 H증가시켜도 경보기의 작동에는 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
상기의 2가지 저온조건에서의 실험결과로 부터 국내 가연성가스 경보기를 포함하여 일산화탄소 경보기는 현재의 일산화탄소 경보기 저온시험기준 보다 더 가혹한 조건에서도 본래의 성능을 유지하는 한다는 것을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 일산화탄소 경보기의 저온 환경에 대한 내한성 특성 분석과 일산화탄소 저온시험기준의 적절성을 분석하기 위하여 국내외 기준을 조사⋅분석을 수행하였으며 또한 이들 조사⋅분석에서 도출된 국내외 저온시험온도와 시간으로 국내 2개 제조사 시료를 대상으로 작동시험을 실시하여 그 특성을 분석하였다. 먼저 국내외 저온시험 규정을 요약하면 다음과 같다.
(1) 국내 KFI 규정: 기술기준내의 제21조(온도시험)에 저온시험을 규정하고 있다. 여기에는 ‘(-20 ± 2) ℃의 온도에서 1시간 노출’로 규정하고 있다.
(2) 국내 KS C 6596 규정: KS C 6596에서는 ‘–10 ℃에서 최소 2시간 노출’로 규정하고 있다.
(3) 영국 BS EN 50291-1규정: BS EN 50291-1규정에는 ‘최소 6시간 동안 (-10 ± 1) ℃의 온도에 장치를 노출’로 규정하고 있다.
(4) 일본 JIA E 001-07: 이 규정에서는 LNG와 일산화탄소 경보기의 저온시험을 구분하여 하고 있으며 LNG형은 10 ℃ 이하에서 1 H 노출하며, 일산화탄소 경보기는 0 ℃에서 1 H 노출로 되어 있다.
상기 국내외 기준 조사와 분석 결과, 국내의 일산화탄소 경보기 저온시험기준(–20 ℃)이 영국 규정(–10 ℃), 일본 규정(0 ℃ 이하), KS 규정(–10 ℃)보다 온도가 더 낮아 온도측면에서 볼 때, 가혹성은 더 높게 나타났다.
또한 국내 시료를 대상으로 국내외 기준에서 도출한 2가지 저온조건에서 실험한 결과, 일산화탄소 경보기는 현재의 일산화탄소 경보기 저온시험기준 보다 더 가혹한 온도 환경에서도 제 기능을 유지하는 우수한 내한성을 갖는다는 것을 확인 할 수 있었다. 국내외 기준에서 제시하는 온도와 시간보다 더 가혹한 조건에서도 국내 2개 제조사 모든 시료가 정상 작동하였다.
또한 일산화탄소 경보기가 주로 설치되는 아파트 베란다의 기온 분석을 통하여 일산화탄소 경보기 저온시험기준의 적절성을 검토한 결과, 일산화탄소 경보기 저온시험기준의 내한성 엄격도가 높은 수준임을 알 수 있었다.
따라서 본 연구결과를 향후 일산화탄소 경보기 저온시험기준 개정 시에 참고자료로 활용하면 유용할 것으로 사료된다.