Vertical Temperature Distribution Property of Hot Current in an Inclined space Connected to an Underground Space

현우 박; 승구 강

doi:10.9798/KOSHAM.2025.25.1.91

Abstract

This study investigates the temperature distribution property of a hot current in an inclined space connected to a fire room (underground space). A series of experiments were conducted by varying key parameters, including the heat release rate and the width and angle of the inclined space. Consequently, insights into the temperature distribution of the hot current in the inclined space were obtained. Additionally, a quantitative analysis was performed to evaluate the temperature rise distribution of the hot current in the region between the ceiling and the point where the temperature rise reached 20% of its maximum value ∆T _(r^*)max.

Keywords: Inclined Space, Vertical Temperature Distribution, Hot Current, Nondimensionalization, Formulation

요지

본 연구에서는 화재실과 연결된 경사 공간에서의 열 기류에 열 방출률과 경사 공간의 조건(경사각도 및 폭)이 미치는 영향을 검토하기 위해 모형 실험을 실시하였다. 그 결과, 경사 공간에서 열 기류층의 온도성상에 대하여 파악할 수 있었고 열 기류층 최고온도 ∆T _(r^*)max의 20%의 영역 내 수직방향으로의 온도분포에 대하여 정량적 검토를 실시하여 간이적으로 산정할 수 있는 방법을 제시하였다.

핵심용어: 경사 공간, 수직온도분포, 열 기류, 무차원화, 공식화

1. 서 론

서울특별시 소방재난본부에서 발표한 건물 지하 전기차 화재안전진단 및 안전대책(2024)에서는 최근 10년간(2013년~2022년) 국내 건축물의 주차장 중 지하층(이후, 지하 공간이라고 함)에서 발생한 화재는 6,133건 중 1,399건으로 전체 주차장 화재에서 지하 주차장 화재는 20% 선에서 증가와 감소를 반복하고 있다.

지하 공간에서 화재가 발생하는 경우, 생성된 연기는 부력 등의 영향으로 상부로 확산하게 되며 일반적으로 건물 내부(계단실, 승강기의 승강로 및 덕트 관통부의 누설 부분 등)로의 확산과 지하 공간에서 상하 공간을 연결하는 통로(이후, 경사 공간)로의 확산을 예상할 수 있다. 특히, 후자의 경사 공간은 지상과 지하 공간을 직통으로 연결하고 있어 피난자의 피난로로 사용될 뿐만 아니라 화재 진압 시 빠르게 진입할 수 있는 경로로 소방 활동에 사용될 가능성이 있다. 행정안전부에서 발표한 최근 10년간 화재 분석(2023)에 의하면 건축물에서 화재 시 발생한 연기로 인한 사망 비율은 전체의 40%, 부상 비율은 31%를 차치한다. 그만큼 연기에 지속적으로 노출되면 질식 등 인명피해를 초래할 수 있기 때문에 경사 공간은 열 기류의 동적 특성을 분석하고 피난 및 소방 활동의 효율성을 높이기 위해 중요한 연구 대상이다.

Matsushita et al. (2003)의 연구에 따르면 경사 공간은 수평적인 공간에 비하여 연돌효과의 영향을 받아 다른 열 기류 성상을 나타내고, Oka et al. (2013) 및 Oka and Imazeki (2015)의 연구에서는 경사 터널에서 연돌효과 등을 고려하여 천장 부근의 열 기류의 최고온도 및 수직온도분포를 예측할 수 있는 산정식을 구축하였다.

한편, 본 연구와 같이 건축물의 경사 공간을 대상으로 한 이전 연구로는 Park et al. (2021)의 연구에서 경사 공간에서 천장 부근 열 기류의 최고온도를 예측할 수 있는 산정식을 구축하였고, Park (2022) 및 Park (2023)의 연구에서는 경사 공간의 기하학적인 형상(종횡비)이 열 기류에 미치는 영향과 화재실과 경사 공간 사이에 위치하는 개구부에서 경사 각도의 조건이 실효개구면적에 미치는 영향에 대하여 파악하였지만 열 기류의 수직온도분포에 관한 검토는 아직 부족한 상태이다.

여기서, 열 기류의 수직온도분포는 건축물의 연기제어설계 측면에서 연기층의 높이 또는 유량 등의 산출 시 필요한 요소로써 본 연구에서는 경사 공간에서의 열 기류 층의 수직온도분포에 대해서 정량적으로 검토하여 지하 공간에서의 연기 제어 또는 피난 설계에 활용 가능한 데이터 및 경사 공간 화재 안전 설계를 위한 실질적 데이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

2. 실험 개요

2.1 모형개요

Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 실험에서는 Park (2023)의 연구와 동일하게 폭, 길이 및 높이가 1,500 mm의 화재실 모형을 사용하였고 화원은 화재실 중앙에 바닥 면으로부터 90 mm의 위치에 설치하고 각 변의 길이를 200 mm로 하였다. 한편, 경사 공간의 모형은 길이를 1,800 mm, 폭을 300 mm, 450 mm, 600 mm로 설정하고 경사 각도는 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제15조 제3항, 주차장법 시행규칙 제6조 제6항 및 안전행정부고시 제 2014-28호 제7조를 참고하여 최대 30°로 하고 4가지 패턴(0°, 10°, 20°, 30°)을 설정하였다. 그리고, 어느 조건에서도 경사 공간 천장에서 바닥 면까지의 수직거리가 600 mm가 되도록 설정하였다. 연료는 프로판 가스를 사용하였다.

Fig. 1

Overview of experiment model [Unit: mm]

2.2 측정항목

Fig. 1에 나타낸 바와 같이 화재실 2개소(T_a, T_b) (천장 면 밑 25 mm부터 100 mm 간격), 개구부 1개소(T_op) (천장면 밑 40 mm부터 70 mm 간격)에서는 φ0.32 mm의 K-type 열전대, 경사 공간 4개소(T_s1 ~ T_s4) (천장 면에서 10 mm 간격 35점, 350 mm부터 20 mm 간격 10점, 550 mm부터 25 mm 간격 1점)에서는 φ0.2 mm의 K-type 열전대를 이용하여 수직방향의 온도를 측정하였다.

2.3 실험조건

실험 조건은 Table 1과 같이 열 방출률 HRR, 경사 공간의 각도 θ , 폭 B_sw을 조건으로 총 24개로 하였다.

Table 1

Experimental Conditions

Heat Release rate HRR [kW]		8, 16
Inclined Space	Angle θ [°]	0, 10, 20, 30
Inclined Space	Width B_sw[mm]	300, 450, 600

3. 실험결과 및 고찰

본 연구의 실험 결과는 정상상태(1,000초를 기준으로 30초 평균값)에서의 데이터를 이용하였다.

3.1 수직온도분포

3.1.1 화재실과 경사 공간 사이의 개구부

Fig. 2에 대표 조건으로써 열 방출률 HRR = 16 kW (열 방출률 HRR = 8 kW의 기본적인 실험 결과의 경향은 HRR = 16 kW와 동일), 경사각도 θ = 0°, 30°에서의 수직방향의 상승온도 ∆T의 결과를 나타낸다. 여기서, 수직방향의 상승온도 ∆T는 (T-T_∞)로 하였고 화재실의T_a와 T_b의 평균온도이다. Fig. 2로부터 화재실의 열 기류층 온도는 경사공간의 각도 θ 및 폭 B_sw이 커질수록 감소하는 경향이 확인 되었다.

Fig. 2

Vertical Temperature Distributions (Fire Room) (HRR = 16 kW)

Fig. 3은 대표 조건으로써 열 방출률 HRR = 16 kW (열 방출률 HRR = 8 kW의 기본적인 실험 결과의 경향은 HRR = 16 kW와 동일)에서 화재실과 경사 공간 사이에 위치하는 개구부에서의 수직방향의 상승온도 ∆T이다. 여기서 상승온도 ∆T는 수직 방향의 상승온도분포 경향에 주목하여(T-T_min)로 하였다. 개구부에서의 수직방향의 상승온도분포 성상은 Fig. 2에서 높이 0~600 mm에서의 상승온도분포와 거의 비슷한 경향을 확인 할 수 있다.

Fig. 3

Vertical Temperature Distributions (Opening between the Fire Room and Inclined Space) (HRR = 16 kW)

3.1.2 경사 공간

Fig. 4에 대표 조건으로써 열 방출률 HRR = 16 kW (열 방출률 HRR = 8 kW의 기본적인 실험 결과의 경향은 HRR = 16 kW와 동일), 경사 공간의 폭 B_sw = 300 mm, 600 mm에서의 수직방향의 상승온도 ∆T를 나타낸다. 여기서 상승온도 ∆T는(T-T_min)로 하였다. 그 결과, 각각의 조건의 수직 방향의 상승온도분포에서 화재실과 경사 공간 사이에 위치하는 개구부를 기점으로 한 유동거리 r 이 증가할수록 열 기류층의 최고온도 및 두께가 작아지는 경향이 보이며 이것은 경사 공간의 각도 θ 및 폭 B_sw이 커질수록 현저하게 나타나는 것으로 확인된다.

Fig. 4

Vertical Temperature Distributions (Inclined Space) (HRR = 16 kW)

3.2 경사 공간에서의 열 기류 성상

본 연구에서 대상으로 하는 건축적 관점에서의 경사 공간과 Oka and Imazeki (2015)의 연구 대상인 토목적 관점에서의 경사 공간(터널)의 차이점을 명확히 하기 위한 비교 검토를 실시한다. 비교 조건은 Table 2와 같다.

Table 2

Conditions of Comparison

	Inclined Space (This study)	Tunnel
Aspest ration (n)	n= 1 B_sw = 600 mm, H= 600 mm)	n= 1.67 B_sw = 750 mm, H= 450 mm)
Angle θ [°]	0, 10	0, 10

Fig. 5는 종축은 무차원 높이, 횡축은 무차원 온도이며 무차원 유동거리에 따른 수직 방향의 온도분포를 나타낸다. 각각의 무차원화는 Oka and Imazeki (2015)의 연구를 참고하여 하기와 같이 실시하였다.

Fig. 5

Comparison between Inclined Space and Tunnel

• 무차원 높이z* =z/H
• 무차원 온도T* = ∆T/ ∆T_max
• 본 연구 경사 공간 무차원 이동 거리 r^* =r/H
• 기존연구 경사 공간 무차원 이동 거리 x* =x/H

여기서, z = 수직 방향의 온도 측정 높이[mm], H = 천장 높이[mm], r = 본 연구에서 화재실과 경사 공간 사이에 위치하는 개구부를 기점으로 한 유동 거리[mm], x = 기존 연구의 터널에서 화원 상 열 기류 최고온도지점을 기점으로 한 유동 거리[mm], ∆T=T-T_min[K], T_max[K]는 ∆T에서 최고상승온도를 의미한다.

Fig. 5의 결과로부터 본 연구에서 대상으로 하는 경사 공간은 터널에 비하여 각각의 무차원 유동거리에서 무차원높이 z* 방향으로의 무차원온도T* 감소 경향이 완만한 것으로 나타났다. 이러한 차이를 보이는 주된 원인으로는 본 연구의 경사 공간의 경우 화재실 상부에 축적된 열 기류가 한 방향으로 유동하는 반면, 터널에서는 열 기류가 화원 상에서부터 3차원 방향으로 확산된 후 측면 충돌에 의해 1차원 방향으로 확산하는 점과 본 연구의 경사 공간과 비교하여 양방향에서 외기가 유입되는 점이 원인으로 판단된다.

3.3 열 기류층에서 수직 방향의 상승온도

다음으로, 본 연구의 경사 공간에서 천장을 기점으로 한 수직방향의 온도성상에 대하여 검토하기 위해 무차원화를 실시하였다. 무차원화는 Oka and Imazeki (2015)의 연구를 참고하여 온도는 Eq. (1), 높이는 Eq. (2)를 이용하여 무차원화를 실시하였다.

(1)

T(r*)′*=ΔT(r*)ΔT(r*)max

(2)

d*=dHs(op)

여기서, ∆T _(r^*) =T _(r^*) -T_∞[K], ∆T _(r^*)max[K]는 ∆T _(r^*)에서 최고상승온도, d = 천장 면으로부터 온도계측위치[mm], H = 천장 높이[mm], H_s(op) = 화재실과 경사 공간 사이에 위치하는 개구부에서의 열 기류 두께[mm]를 의미한다.

Figs. 6 및 7에 대표 조건으로써 경사 공간의 폭 B_sw = 300 mm (종횡비n = 0.5), 600 mm (종횡비n = 1), θ = 0°, 30°에서의 경사 공간 내 열 기류의 무차원온도T _(r^*)^’*를 무차원 유동거리 r^*에 대하여 정리한 결과를 나타낸다(단, 종축은 d*, 횡축은1-T _(r^*)^’*으로 표시한다).

Fig. 6

Formulation of Temperature Distribution Rise of Ceiling Jet (B_sw = 300 mm (n = 0.5))

Fig. 7

Formulation of Temperature Distribution Rise of Ceiling Jet (B_sw= 600 mm (n = 1))

Figs. 6 및 7의 결과로부터 열 방출률 HRR의 조건이 다르더라도 수직방향의 온도분포성상은 거의 일치하는 경향을 보였다. 한편, 각각의 무차원 유동거리에서의 온도분포는 경사각도 θ 및 폭 B_sw의 조건이 다른 경우에는 온도성상에 차이가 나타나는 것으로부터 경사 공간의 기하학적 형상이 온도성상에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 한편, 연기제어설계에서는 임의의 위치에서 열 기류의 온도정보가 필요하기 때문에 Eq. (3)과 같은 회귀식을 이용한다. 본 연구에서는 Figs. 6 및 7의 결과로부터 최대한 하부층의 온도를 고려하지 않기 위하여 최고상승온도 ∆T _(r^*)max의 20% 이상이 되는 부분을 열 기류층으로 정의한다. 또한 이 부분은 Oka and Imazeki (2015)의 연구에서 정의한 열 기류층 두께(최고온도로부터 1/e (약 37%)까지)를 포함한다.

(3)

1−T(r*)'*=αd*2−βd*

여기서, Eq. (3)을 변형하면 Eq. (4)와 같이 나타낼 수 있다.

(4)

1−T(r*)'*=αd*(d*−βα)

Eq. (4)에 나타낸 바와 같이 회귀곡선의 형태를 결정하는 지배적 요소는 계수α와 βα 이며, 여기서 α는 열 기류의 온도감소가 크거나 이차곡선에 가까운 형태로 되는 경우에 값이 커지게 되고 계수βα는 열 기류의 두께가 두꺼울수록 값이 커지는 경향을 나타낸다. 또한, Eq. (4)의 회귀식은 최고상승온도 ∆T _(r^*)max의 20% 이상이 되는 부분에서의 수직온도분포와 거의 일치하는 경향을 보인다.

Fig. 8에 Eq. (4)의 계수 α 및 βα를 각각의 경사각도 θ 에서 경사 공간의 폭B_sw별로 무차원 유동거리 r^*에 대하여 정리한 결과를 나타낸다. 그 결과, 각각의 경사각도 θ 에서 계수 α및 βα는 무차원 유동거리 r^*와의 상관관계가 확인되었으며 경사 공간의 폭 B_sw에 의한 영향은 거의 없는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8

Coefficient α and β/α

4. 결 론

본 연구에서는 건축적 관점에서 지하 공간과 외부를 연결하는 경사 공간에서 열 기류층의 수직방향 온도분포 성상에 대하여 정량적 검토를 실시하였다. 그 결과를 하기와 같이 정리한다.

1) 수직온도분포 화재실과 경사 공간 사이에서 상부의 열 기류층의 온도는 경사 각도와 폭이 증가할수록 감소하는 경향이 확인되었다.
2) 열 기류층 수직방향의 상승온도 열 기류층 최고상승온도의 20% 이상이 되는 부분을 대상으로 한 검토에서 Eq. (4)의 관계를 이용하였으며 각각의 경사각도 조건에서 계수 α 및 βα와 무차원 유동거리의 상관관계를 명확히 하고 임의의 위치 및 높이에서의 온도를 산정하는 방법을 구축하였다.

본 논문은 건축물 지하 공간의 경사 공간을 대상으로 연기 제어 설계와 피난 안전성을 향상시키기 위한 기초 데이터를 제공하였다. 향후 연구에서는 경사 공간의 열 기류 성상과 생성되는 가스 농도 등의 변수를 추가하여 연구를 확장할 예정이다.