2.1 설계 대상 모델 건축물

시스템 구성 요소의 실제적 동작을 고려한 급기가압 제연시스템 유동장 분석을 위한 대상 모델 건축물은 Fig. 1과 같이 지상 10층의 건물이고 분석범위는 특별피난계단 1식을 중심으로 하는 계단실, 부속실 및 급기가압 제연시스템을 포함한다. 본 연구에서는 부속실만 단독으로 제연하는 경우를 대상으로 하였다. 급기가압 제연시스템은 송풍기, 풍도 및 자동차압급기댐퍼로 구성된다. 송풍기는 10층의 위층인 옥상층에 설치된 것으로 설정하였다. 옥내로부터 부속실로 연기의 침투를 막기위한 차압은 국내 화재안전기준의 최소차압 40 Pa과 개방력 110 N을 고려하여 설정치를 50 ± 10 Pa로 설정하였다.

Fig. 1

Schematic Diagram of Model Building

2.2 풍량, 압력 및 송풍기 설계

2.2.3 송풍기 사양 선정

공기의 급기 시스템에서는 송풍기의 총 공급풍량과 급기유로의 압력손실이 도출되면, 여러 송풍기 모델의 성능곡선을 검토해서 도출된 결과를 만족하는 송풍기를 선정하게 된다. 본 연구에서와 같은 급기가압 제연시스템에서는 누설량과 보충량의 합에 의해서 산정된 송풍기의 설계 풍량과 송풍기 급기유로의 압력손실에 의해서 산정된 송풍기의 설계 정압을 바탕으로 급기가압 제연시스템에서 사용되는 송풍기의 사양을 선정한다. 송풍기 성능곡선에서 송풍기의 풍량과 정압이 모두 만족되는 교점의 여부를 검토하여 송풍기 사양을 선정할 수 있다. Fig. 2는 실제 판매되고 있는 송풍기의 성능곡선을 기반으로 풍량과 정압의 교차점을 나타낸 것으로서, 본 연구에서 검토한 10,317 CMH의 송풍기 풍량과 941 Pa의 송풍기 정압을 만족하는 송풍기 사양 선정과정을 보여주고 있다.

Fig. 2

Selection of Fan

3.1 네트워크 모델 기반 유동해석 프로그램

본 연구에서는 시스템 구성 요소의 실제적 동작을 고려한 급기가압 제연시스템의 운전특성을 분석하기 위해서 네트워크 모델에 기반한 CONTAM 3.4 프로그램(NIST, 2020)을 사용하였다. CONTAM 프로그램은 각 구획실을 각각의 결점으로 상정하고, 각 구획실간 공기유동 저항과 생성 압력 및 유량 등의 변수에 대한 대수 연립방정식을 행렬식 수치해법에 의해 계산한다.

3.2 송풍기 모델링

본 연구에서는 급기가압 제연시스템에서 송풍기 운전특성에 의해 변동하는 시스템 압력손실과 생성유량을 도출하기 위해서 송풍기 모델로서 Fan Performance Curve 모델을 채택하였다. Fan Performance Curve 모델에서는 동일한 회전수에서의 송풍기 성능곡선을 입력하고, 입력한 성능곡선에 따라 급기유량과 시스템 압력손실이 결정되도록 한다.

Fig. 3은 Fig. 2에서의 풍량과 정압 교차점을 포함하는 송풍기 성능곡선을 CONTAM 프로그램에 입력한 결과 그래프를 보여주고 있다.

Fig. 3

Fan Curve of CONTAM

3.3 자동차압급기댐퍼 모델링

자동차압급기댐퍼는 댐퍼날개가 완전히 닫혀있는 경우와 댐퍼날개가 가동하여 열려있는 경우에 대해 각각 댐퍼 전후의 압력차와 유량의 관계를 도출할 수 있는 모델이 필요하다.

3.4 출입구 모델링

구획실 사이 출입구는 누설량과 차압의 일반적인 관계식인 Eq. (6)을 사용하여 정의할 수 있다.

Eq. (6)에서 Q 는 누설량, C 는 출입문 유동계수, A_D 는 누설면적, ΔP 는 차압을 의미한다.

출입구 유동계수는 0.65를 적용하였으며 출입구의 면적은 2.0 × 0.9 m로 설정하였다. 출입구가 닫혀있는 경우 국내 화재안전기준을 적용하여 누설면적은 0.011 m²으로 적용하였다.

3.5 급기가압 제연시스템에 대한 전처리 작성

본 연구의 해석대상인 특별피난계단 1식에 대한 CONTAM 해석의 주요 전처리 구성은 Fig. 4와 같다. 그림은 한 개층의 구성도로서 주요 구획실은 Zone으로 설정하고 각 구획실간 출입구, 풍도 및 급기댐퍼는 각각 CONTAM의 Airflow Path, Duct Flow, Duct Junction 기능을 이용하여 처리하였다.

Fig. 4

Floor Plan of Simulation Model

4.1 수치해석 수행 조건

본 연구에서는 건축물에서 급기가압 제연시스템이 운전되는 기본 조건으로 Table 1과 같이 다음의 3가지 경우를 상정하였고, 각각의 조건에 대해 수치해석을 수행하였다. 첫 번째는 화재발생 신호가 감지되어 급기가압 제연시스템의 송풍기가 가동되는 초기상태이다. 이때에는 풍도로 급기공기가 공급되고 있으나 아직 급기댐퍼가 가동되지 않고 댐퍼날개가 열리지 않아서 부속실내 압력이 충분히 상승되지 않은 상태이다. 두 번째는 급기댐퍼가 가동되고 댐퍼날개가 열리면서 본격적으로 급기가압 제연시스템이 작동되는 상태에서 모든 층의 부속실 내 출입문이 닫혀있는 상태이다. 이때에는 모든 층에서 부속실과 옥내간 설정차압이 형성되도록 자동차압급기댐퍼가 누설량을 공급하며 운전하게 된다. 세 번째는 재실자의 피난과정에서 출입문이 개방되는 상태이다. 이때에는 출입문이 개방된 층에 위치한 자동차압급기댐퍼의 날개가 완전히 열리고 부속실로 보충량이 공급되어 방연풍속이 형성되게 된다. 본 연구에서는 6층의 출입문이 개방되는 것으로 설정하였다.

Table 1

Case of Numerical Analysis

4.2 수치해석 결과 및 검토

Fig. 5는 각 해석조건에 대해서 각 층별로 옥내와 부속실간 형성되는 차압을 보여주고 있다. Case 1의 경우 화재초기에 급기가압 제연시스템의 송풍기가 가동되어 풍도에는 급기공기가 공급되고 있으나 급기댐퍼가 가동되지 않아 댐퍼날개가 닫혀있는 상태로서 댐퍼날개의 틈새로 급기공기 중 일부가 부속실로 누설되면서 이로 인해 부속실 압력이 상승하게 된다. 이때 부속실 압력은 풍도에 형성되는 압력과 급기댐퍼 날개틈새 조건 등에 영향을 받게 된다. 댐퍼날개가 닫혀있고 날개틈새를 통해 누설되는 풍량이 크지 않기 때문에 부속실에 형성되는 압력 역시 높지 않으며 10층에서는 약 18 Pa 정도의 압력이 형성된다. 또한 송풍기가 옥상층에 설치되었고 이로 인해 풍도내 압력이 아래층으로 갈수록 점차 작아지기 때문에 부속실 압력도 선형적으로 줄어들고 있음을 알 수 있다. Case 2의 경우 급기댐퍼가 가동되고 댐퍼날개 개도가 조절되면서 각 층에서의 옥내와 부속실간 차압이 설정차압 구간으로 유지되는 상태의 결과를 보여주고 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 댐퍼날개 개도 상태는 급기댐퍼 모델링에서의 손실계수를 조절함으로써 구현된다. 수치해석에서는 각 층 부속실의 압력이 약 49~53 Pa 정도로 형성되었다. Case 3의 경우 6층 출입문이 개방된 상태에서의 각 층 부속실 차압을 보여주고 있다. 10층에서 7층까지는 옥상층에 설치된 송풍기에서 급기공기가 공급되고 급기댐퍼 날개 개도를 조절해서 옥내와 부속실간 차압이 설정차압 구간안에 유지된다. 그리고 6층은 부속실 출입문이 개방되면서 출입문으로 방연풍속 이상의 풍량이 유출되고 부속실의 압력도 약 5 Pa 정도로 낮게 형성된다. 그런데 이때 6층 부속실 출입문으로 대부분의 송풍기 급기유량이 유출되기 때문에 5층 이하의 부속실에는 누설량으로 공급되어야 하는 급기유량이 부족하게 되며, 이로 인해서 그림에서와 같이 5층 이하 부속실에서의 압력은 약 3~9 Pa 정도로 낮게 형성된다. 즉 부속실 출입문이 열리는 층의 아래에 위치한 층에서는 부속실로 공급되어야 하는 적정 급기유량에 비해 크게 감소한 유량이 공급되고 차압 역시 감소하면서 부속실 내부로의 연기침투를 막기 곤란할 수 있다.

Fig. 5

Distributions of Pressure in Lobby

Fig. 6은 자동차압급기댐퍼의 날개 개도 상태를 모사하기 위해 설정하는 Duct Terminal 모듈의 손실계수(C_D)에 대한 적용수치를 보여주고 있다. Case 2의 경우 10층에서 손실계수로 2,500을 적용하였으며, 아래층으로 갈수록 풍도의 압력이 하강하고 이에 따라 급기댐퍼 날개를 더 열어야 하므로 그림에서와 같이 선형적으로 손실계수가 줄어든다. Case 3의 경우 Case 2에 비해 급기유로의 압력손실이 줄어들게 되고 따라서 10층 풍도의 압력도 하강하면서 10층 부속실 압력을 설정압력으로 유지하기 위해 급기댐퍼 날개가 Case 2에 비해서 더 열려야 한다. Case 3에서는 10층에서의 손실계수로 1,400을 적용하였으며, 6층 이하에서는 급기댐퍼가 완전히 열려있는 상태로서 손실계수로 0.001을 적용하였다.

Fig. 6

Distributions of C_D

Fig. 7은 각 해석조건에 대해서 각 층 높이의 풍도에서의 압력값을 보여주고 있다. Case 1의 경우 10층 높이의 풍도 내부에 약 628 Pa 정도의 압력이 형성되고 아래 층으로 내려오면서 선형적으로 하강하여서 1층 높이의 풍도 내부에는 약 137 Pa 정도의 압력이 형성된다. Case 2의 경우에는 Case 1에 비해 각 층의 풍도에서 각 부속실로 더 많은 급기공기가 유출되기 때문에 풍도 내부 압력이 Case 1에 비해 적게 된다. 10층 높이의 풍도 내부에 약 562 Pa 정도의 압력이 형성되고 1층 높이의 풍도에서는 약 103 Pa 정도의 압력이 형성된다. Case 3의 경우 출입문이 개방된 6층에서 방연풍속 이상에 해당하는 다량의 급기공기가 유출되기 때문에 다른 조건에 비해 크게 낮은 풍도내 압력이 형성된다. 특히 6층 하부의 풍도에서는 10 Pa 이하의 압력이 형성되는 것을 알 수 있다.

Fig. 7

Distributions of Pressure in Duct

Fig. 8(a)와 Fig. 8(b)는 각 해석조건에 대해서 각 층별로 풍도에서 급기댐퍼를 통과하여 부속실에 공급되는 급기풍량을 보여주고 있다. Case 1의 경우 모든 급기댐퍼가 닫혀 있어서 댐퍼날개 틈새로 누설되는 풍량이 10층에서는 약 144 CMH 정도가 급기되며 1층에서는 약 66 CMH 정도가 급기된다. Case 2의 경우 모든 층의 급기댐퍼가 가동하면서 각 층에서의 옥내와 부속실간 차압이 설정차압 구간으로 유지되도록 하기 위해서 누설량 정도의 유량이 급기되도록 하는 상태이다. 앞에서 기술한 바와 같이 Case 2의 경우 각 층의 옥내와 부속실간 차압이 약 49~53 Pa 정도로 형성되고 있고, Fig. 8(a)에서와 같이 각 층의 부속실에 공급되는 급기풍량은 약 274~285 CMH가 된다. Case 3의 경우 6층 출입문이 개방되면서 6층의 급기댐퍼가 완전히 열리고 6층 부속실로 보충량 이상의 급기유량이 공급되는 상태이다. 수치해석에서는 6층 부속실로 약 10,561 CMH 정도의 풍량이 공급되었고 출입문의 면적을 고려하면 약 1.63 m/s의 방연풍속이 형성됨을 알 수 있다. 이와 같이 6층 부속실로 송풍기의 급기유량 중 대부분이 유출되기 때문에 5층 이하 부속실로 급기되는 유량은 5층 이하 부속실의 압력을 유지하기에는 매우 부족하게 됨을 알 수 있다.

Fig. 8

Distributions of Flow Rate through Damper

Fig. 9는 각 해석조건에 대해서 송풍기의 운전점을 보여주고 있다. 급기가압 제연시스템 설계 과정에서 송풍기 운전점으로 10,317 CMH / 941 Pa을 선정하였으며, 각 해석조건에 대한 급기유로의 실제 압력손실이 반영되면서 송풍기 성능곡선 상의 다른 지점이 실제 운전점으로 도출되었다. 송풍기 운전점은 Case 1의 경우는 11,943 CMH / 728 Pa이 되고, Case 2의 경우는 12,281 CMH / 668 Pa이 되며, Case 3의 경우는 13,459 CMH / 414 Pa이 된다.

Fig. 9

Operation Points of Fan