1. 연구배경 및 목적
최근 도시화 및 교통 인프라 확장에 따라 지하 연결통로 및 지하상가와 같은 다양한 형태의 지하 통로 공간이 증가하고 있다. 이러한 공간은 양측 벽면에 의해 구획된 선형 구조적 특성을 가지며, 화재 발생 시 연기와 열이 공간의 장축 방향을 따라 집중적으로 확산되는 경향을 나타낸다(Zhao et al., 2015). 화재 시 발생한 연기는 부력에 의해 상승한 후 천장면을 따라 천장제트 형태로 확산되며, 벽면과의 상호작용에 따라 유동 구조가 변화한다(Alpert, 1975; Heskestad and Delichatsios, 1979). 특히 지하 통로 공간과 같이 양측 벽면에 의해 연기층 확산이 제한되는 구조에서는 종방향 유동이 지배적으로 형성되어 장거리 연기 이동 및 빠른 수평확산 특성을 보인다(SP Technical Research Institute of Sweden, 2015).
이와 같은 지하 통로 공간은 일반 실내 공간 및 대형 터널과는 규모와 기하학적 조건이 상이하므로, 해당 공간 특성을 반영한 연기 유동 거동 분석이 필요하다. 이에, 국내에서는 1 m (깊이) × 4.6 m (폭) × 1.1 m (높이)의 복도 축소모형 실험을 통해 화원 열방출률 및 수평거리에 따른 고온가스층의 온도 특성을 분석하고, Alpert 및 Heskestad의 이론식을 이용한 복도 공간의 온도 예측 한계를 검토하여 화원으로부터의 수평거리가 증가함에 따라 천장부 온도가 감소하는 경향을 확인하였으며, 일부 조건에서는 실험온도가 이론식 대비 약 10~25% 높게 나타난 것을 확인하였다(Sim et al., 2023). 또한, 대규모 복도 공간을 모사한 실험을 통해 천장제트의 수평거리별 온도 감쇠 특성을 기존 이론식과 비교⋅분석하고, 시뮬레이션을 활용하여 유속 특성을 검토하여 천장면 인근의 최고온도가 화원 직상부에서 약 80~120 ℃ 범위로 형성되었으며, 수평거리 증가에 따라 약 30~60% 수준의 온도 감소 특성을 나타내는 것을 확인하였다(Kim, Kwon, and Kweon, 2025).
국외에서는 터널 공간의 자연배기 조건에서 천장제트의 온도 및 유속 특성을 영역별로 구분하여 예측 방법을 고찰한 연구를 통해 터널 장축 방향으로의 종방향 유동 형성 및 온도분포가 2배가량 높아지는 경향을 확인하였고(Oka and Oka, 2019), Richardson 수를 기반으로 천장제트의 무차원 두께 예측식을 도출하고 축소모형 실험을 통해 온도와 속도에 관한 이론식과 실험 결과를 비교하여 천장제트 온도 예측 시 일부 조건에서 이론식 대비 약 15% 이내의 오차범위를 나타내는 것을 확인하였다(Li et al., 2011). 그러나 기존 연구들은 대부분 화원을 공간 중앙부 또는 벽면에서 일정 거리 이격된 위치에 고정하여 수행되었으며, 주로 천장제트의 온도 감쇠 특성 또는 유속 특성 분석에 초점을 두고 있어 화원 위치 변화에 따른 비대칭 연기 유동 특성과 연기층 도달시간 변화를 종합적으로 분석한 연구는 부족하다.
벽면 인접 화원은 직상부 천장온도가 중앙부 화원 대비 공기혼입의 제한으로 인해 화염 길이 및 온도분포가 증가한다(Yanagisawa et al., 2008). 또한, 천장 높이는 플룸 상승 및 연기층 형성 과정에 영향을 미쳐 연기 확산 범위와 온도 분포를 변화시키는 주요 변수로 작용한다(Zukoski et al., 1981). 따라서 화원 위치 및 천장 높이를 변수로 한 연기 확산 특성에 대한 체계적인 검토가 필요하다. 또한 화재 시 연기층의 형성 및 전파 특성은 천장부 온도 분포와 밀접한 관련이 있으며, 온도 계측데이터는 연기층의 이동속도, 천장제트 도달시간 및 연기층 발달 특성을 정량적으로 평가할 수 있는 주요 지표로 활용될 수 있다.
이에 본 연구에서는 지하 통로 공간을 모사한 실험체를 대상으로 화원 위치(벽면 인접 및 중앙부)와 천장높이를 변수로 설정하여 온도 분포 및 연기 확산 거동을 실험적으로 분석하였다. 특히 동일 발열조건에서 벽면 인접 화원의 직상부 천장온도와 중앙부 화원의 온도 차이, 수평 유동거리 증가에 따른 온도 감소율 및 연기층 도달시간의 변화를 정량적으로 분석하였다. 또한 벽면 인접 화원에 따른 비대칭 유동 특성과 천장높이에 따른 연기 확산 특성을 온도 계측데이터 기반으로 정량적으로 고찰하고자 하였다.
2. 지하통로공간 실험 개요
2.1 실험체 개요
2.2 실험 환경 및 수행 방법
실험 당시 외기온도는 약 29 ℃ 수준이었으며, 실험 시작 전 실험공간의 셔터를 모두 폐쇄한 상태에서 실험을 수행하였다. 또한 실험 종료 직후에는 내부 연기 및 열기의 배출을 위하여 셔터를 개방하였다. 자연환기의 영향은 최소화된 조건에서 실험이 수행되었다.
연료 트레이는 발열속도를 조절할 수 있도록 규격화된 사각용기를 사용하였으며, 트레이 면적은 A = 0.1 m2, 0.2 m2, 0.4 m2 조건으로 구성하였다. 각 조건에서는 면적 0.1 m2당 2 L의 에탄올 연료를 주입하였고, 시간은 모든 조건에서 약 10분 수준으로 유사하게 유지되도록 하였다.
본 실험은 각 케이스별로 기본적으로 1회씩 수행하였으며, 반복실험은 실시하지 않았다. 다만, 실험 종료 후 계측데이터를 검토하는 과정에서 온도 변화 경향에 비정상적인 거동이 나타나거나, 실험 시작 및 종료 시점에서 계측상의 문제가 발생한 것으로 판단된 일부 케이스에 대해서는 동일 조건으로 재실험을 수행하였다.
2.3 측정 항목
본 실험의 측정 항목은, 화원의 중량감소속도, 천장면의 수평 온도 분포이며, 측정 간격은 0.5 s로 하였다.
2.3.1 중량감소속도
화원의 발열 속도를 산정하기 위해서는 시간에 따른 중량 감소 속도의 측정이 필요하다. 이에 본 실험에서는 연료 트레이 하부에 전자저울을 설치하여 1 s 간격으로 중량 감소 속도를 측정하였다. 또한, 연료 트레이의 복사열로 인한 전자저울의 측정오차를 최소화하기 위해 연료 트레이와 전자저울 사이에 방화 석고보드를 설치하였으며, 실험 시작 전 영점(0점) 보정을 수행하였다.
2.3.2 천장면 수평 온도 분포
천장면의 수평 온도 분포는, Fig. 3에서 나타낸 바와 같이, 천장면으로 부터 0.05 m 아래에 X축 방향으로 2.0, 2.5 m 간격으로 9개, Y축 방향으로 5줄의 열전대를 설치하여 측정하였다.
2.4 실험 조건
Table 1에 실험 조건을 나타내었다. 실험 화원으로는 반복 실험이 용이하고 연료 트레이 면적 조절을 통해 발열속도 제어가 가능한 에탄올을 사용하였다. 실험 조건은 화원 위치(앞의 Location 1, Location 2), 화원을 설치한 가설 스탠드 상단으로부터 천장까지의 높이(이하 천장높이), 그리고 연료 트레이 크기를 변수로 설정하였으며, 총 18개 조건(Case)으로 구성하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 발열속도
발열속도 Q (kW)는 실험 결과에 따라 화원의 크기에 상관없이 준정상 상태에 도달하는 250-400초의 평균 발열속도를 사용하였고, 본 실험의 경우 각각의 트레이 면적 0.1, 0.2, 0.4 m2에 대해 71, 150, 335 kW의 값이 나타나는 것을 확인할 수 있었다(Kim et al., 2024; Kim, Kwon, Kang et al., 2025).
3.2 시간별 온도분포
Fig. 4에는 시간에 따른 온도 분포를 나타내었다. 공간적 특성과 측정 위치에 따른 영향을 고려하여, 화원으로부터 동일한 Y축(Fig. 3의 Y = 2.5 m) 상에 위치한 측정 지점의 온도 분포 결과만을 확인하였다.
시간별 온도 분포의 분석 결과, 유동 거리가 멀어질수록 온도가 상승하는 시간이 늦어지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 천장류가 각 위치에 도달한 후에 온도가 상승하기 시작하기 때문으로 보인다(Klote, 1984). 또한, 중앙부 화원과 벽면 인접 화원의 경향을 비교한 결과에서는, 벽면에 인접한 화원일수록 화원근방의 온도가 2배가량 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 벽면 인접 화원의 경우, 벽면에 의해 플륨의 공기 유입(공기 혼입)이 제한되면서 고온가스의 희석 효과가 감소하고, 화염 및 플륨이 보다 집중된 상태로 상승했기 때문으로 판단된다(Yanagisawa et al., 2008).
또한 벽면은 화염의 횡방향 확산을 제한하여 화염 길이를 증가시키고, 천장 부근에서 고온가스의 축적을 유도한다. 이로인해 동일한 발열속도 조건에서도 중앙화원보다 화원 직상부의 온도가 더 높게 나타난 것으로 보인다(Kevin and David, 2020). r = 7 m 구간에서는 중앙화원과 벽면인접화원의 온도가 유사하게 나타났다. 이는 화원 직상부에서 플륨으로의 공기 혼입이 제한되면서 벽면인접화원의 온도가 상대적으로 높게 형성되지만, 화원으로부터 거리가 증가함에 따라 연기층이 천장면을 따라 확산되며 주변 공기에 의해 희석되었기 때문으로 보인다(Heskestad and Hamada, 1993).
3.3 연기층 확산에 의한 수평온도분포(무차원 온도)
Fig. 5는 천장높이(H = 1.5, 3.0, 4.5 m)에 대해 Eqs. (1), (2)에 따라 무차원화한 실험 온도상승값(ΔT*)과 무차원 거리(r/H)의 관계(Zukoski et al., 1981; Tanaka, 2020)를 기존 천장제트 상관식인 Alpert 및 Heskestad의 무차원온도에 대한 제안식(Eqs. (3), (4))과 비교하여 나타낸 것이다(Alpert, 1972; Heskestad and Delichatsios, 1979).
여기서, ∆Ts*는 연기층의 무차원 온도[-], ∆Ts는 상승온도[℃], T0는 외기 온도[℃], Q*는 무차원 발열속도[-], Qf는 화원 발열속도[kW], cp는 정압비열[J/kg℃], ρ∞는 외기밀도[kg/m3], g는 중력가속도[m/s2], H는 천장높이[m]를 의미한다.
여기서, ∆T*AL는 Alpert에 의한 무차원 온도 제안식[-], ∆T*HD는 Heskestad에 의한 무차원 온도 제안식[-], r은 화원에서 부터의 연기층의 유동거리[m]를 의미한다.
무차원온도의 분석 결과, 전체적으로 모든 조건에서 화원 인근 영역(r/H<2)에서는 상대적으로 높은 온도를 보였으나, 거리 증가에 따라 온도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 화재 플륨이 천장면에 충돌한 이후 천장제트 형태로 확산되는 과정에서 주변 공기와 혼합되면서 열손실이 발생하였기 때문으로 사료된다(Watanabe and Tanaka, 2005).
또한, 실험결과는 전반적으로 Alpert 및 Heskestad 상관식과 유사한 감소 경향을 나타내었으나, 대부분의 측정값이 기존 상관식보다 높은 영역에 분포하는 특징을 보였다. 특히 r/H가 2 이상의 영역에서는 실험값이 상관식 대비 비교적 완만한 감소 특성을 나타내었으며, 일부 조건에서는 ΔTs*가 일정 수준 유지되는 경향도 확인되었다.
또한, 화원의 위치에 따른 결과에서는 중앙화원(Middle Fire)의 경우 플륨이 천장 중심부에 도달한 후 양측 방향으로 비교적 대칭적으로 확산되기 때문에, 온도 감소 경향이 비교적 안정적으로 나타난 반면 벽면인접화원(Wall Fire)은 벽면에 의해 플륨의 횡방향 공기 혼입이 제한되면서 화원 인근에서 상대적으로 높은 ΔTs* 값을 나타내었다. 특히 H = 1.5 m 조건에서는 벽면인접화원의 일부 측정값이 동일 r/H 조건의 중앙화원보다 높게 형성되는 경향이 뚜렷하게 나타났으며, r/H가 증가함에 따라 두 조건 간 차이는 점차 감소하였으며, 화원으로부터 먼 영역에서는 유사한 온도 분포를 보였다.
3.4 천장면 연기층의 도달시간
전체적인 수평 온도 분포 경향에서는 중앙화원과 벽면인접화원 간의 차이가 크게 나타나지 않았으며, r/H 증가에 따라 두 조건 모두 유사한 감소 경향을 보였다. 이는 벽면효과가 온도분포 자체보다는 천장제트의 유동 특성 및 확산속도에 보다 큰 영향을 미칠 가능성을 시사한다. 이에 따라 이후 절에서는 연기층의 도달시간 특성을 추가적으로 분석하였다.이는 벽면효과가 온도분포 자체보다는 천장제트의 확산속도에 보다 큰 영향을 미칠 가능성을 시사한다. 이에 따라 본 절에서는 유속분포의 검토를 위한 전 단계로써, 온도계측 데이터를 이용한 연기층의 도달시간 특성을 추가적으로 분석하였다.
Fig. 6은 천장높이(H = 1.5, 3.0, 4.5 m)에 따른 천장면 연기층의 도달시간과 무차원 거리(r/H)의 관계를 기존 천장유량 기반 도달시간 예측식(Eq. (5))과 비교하여 나타낸 것이다(H.W. Kim et al., 2025). 또한, 실험에서의 도달시간은 기존연구에서 예측된 결과에 따라, 초기 온도 대비 0.4 ℃ 상승한 시점으로 하였다(Mizuochi et al., 2009).
여기서, cj는 천장류의 공기혼입 계수(= 0.1) [-], tc는 연기층의 도달시간[s], ρc는 연기층 밀도[kg/m3], α는 화원의 화재성장률[kW/sn], Zc는 연기층 두께(= 0.1 H; Matsushita et al., 1998), rc는 연기층의 유동거리[m]를 의미한다.
도달시간의 분석 결과, 모든 조건에서 r/H가 증가함에 따라 도달시간이 늦어지는 경향을 보였는데, 이는 도달시간이 화재 플륨이 천장면에 도달한 이후 천장제트 형태로 확산되면서 측정 위치까지 이동하는 시간을 의미하기 때문이다.
또한, 화재규모가 증가할수록 도달시간은 빨라졌으며, 실험 결과를 기존 연구에서 제안된 천장유량식 기반 도달시간 예측식과 비교한 결과에서는 전체적인 경향은 유사하게 나타났으나, 대부분의 실험에서의 도달시간은 기존의 예측식 보다 빠른 경향이 나타났다.
특히 화원으로부터 멀어질수록 예측식과 실험값 간 차이가 점차 증가하였으며, 기존 예측식이 실제 연기층 도달시간을 다소 과대평가하는 것으로 나타났다. 이는 기존 예측식이 개방형 공간에서의 천장제트 유동을 기반으로 제안된 반면, 본 연구 대상 공간은 양측 벽면에 의해 유동이 제한되는 구조이기 때문으로 판단된다.
화원의 위치변화에 따른 결과에서는, 중앙화원(Middle Fire)의 경우 플륨이 천장 중심부에 도달한 후 비교적 대칭적으로 확산되므로 도달시간의 분포가 상대적으로 안정적으로 형성되었다. 반면 벽면인접화원(Wall Fire)은 벽면에 의해 플륨과 천장제트 유동이 종방향으로 집중되면서 초기 구간에서 중앙화원보다 연기층의 도달시간이 더 빠른 경향을 보였다. 특히, 일부 조건에서는 벽면인접화원의 도달시간이 중앙화원 대비 약 1.2~1.5배 빠르게 나타났다. 그러나 거리 증가에 따라서는 벽면인접화원은 유동 저항 및 국부 재순환의 영향이 증가하면서 도달시간의 증가폭이 상대적으로 큰 경향을 보였는데, 벽면효과에 의해 초기 플륨 상승은 강화되지만, 천장면 확산 과정에서는 유동 감쇠 및 천장제트 유속 감소가 상대적으로 크게 발생하였기 때문으로 사료된다(Adam and Josef, 2022). 또한, 천장높이가 증가할수록 연기층의 도달시간이 증가하는 경향을 보였으며, H = 1.5 m 조건에서는 플륨이 짧은 거리 내에 천장면에 도달하므로 도달시간의 증가율이 상대적으로 완만하였으며, 다른 조건들과 비교하였을 때, 동일한 r/H 조건에서도 비교적 빠른 도달시간을 나타내었다. 반면 H = 3.0 m 및 H = 4.5 m 조건에서는 플륨으로부터 천장까지의 거리가 증가함에 따라 측정값의 산포도 증가하였다.
종합적으로 본 연구 결과는 지하 통로 공간과 같이 연기의 유동이 제한되는 공간에서의 연기층 확산 특성이 기존 개방형 공간 기반 천장제트 예측식과 차이를 나타낼 수 있음을 보여준다. 특히 본 실험에서는 벽면에 의해 종방향 유동에 집중되면서 도달시간이 기존 예측식 대비 더 빠른 경향을 보였다. 또한, 벽면인접화원에서는 초기 도달시간이 중앙화원보다 빠르게 형성되는 반면, 화원으로 부터 먼 영역일수록 도달시간이 느려지는 경향을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 벽면효과에 따른 유속 감쇠 메커니즘을 반영할 수 있는 예측모델에 대한 추가 연구가 필요하다.
또한 이러한 결과는 지하 연결통로와 같은 공간에서 화원의 위치가 연기감지기 작동시간 및 제연설비 성능에도 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 특히 벽면인접화원은 기존 예측식과 다른 경향을 나타냄에 따라, 기존 화재안전설계 기준만으로는 이와 유사한 공간에서의 연기 및 열거동 특성을 반영하기 어렵다. 따라서 공간 형상 및 벽면효과를 고려할 필요가 있으며, 향후 설계에 적용 가능한 예측모델 구축을 위해 실험결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통한 유속 및 연기 거동에 대한 추가적인 검토가 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 지하 연결통로와 유사한 공간을 대상으로 화원 위치(중앙화원, 벽면인접화원) 및 천장높이를 변수로 설정하여 천장면 온도분포와 연기층 확산 특성을 실험적으로 분석하였다. 연구 결과는 다음과 같다.
(1) 시간별 온도분포 분석 결과, 화원으로부터의 거리가 증가할수록 온도 상승 시점이 지연되는 경향을 나타내었으며, 벽면인접화원은 중앙화원 대비 화원 직상부에서 약 2배 높은 온도를 나타내었다. 또한 r = 7 m 이후 구간에서는 중앙화원과 벽면인접화원의 온도 차이가 감소하는 경향을 보였다.
(2) 무차원 온도분포 분석 결과, 중앙화원과 벽면인접화원 두 조건 모두 연기층의 유동거리의 증가에 따라 ΔT가 감소하는 경향을 나타내었으며, 대부분의 실험값은 기존 Alpert 및 Heskestad 상관식보다 높은 영역에 분포하였다. 특히 벽면인접화원은 벽면효과에 의해 화원 인근에서 중앙화원보다 상대적으로 높은 ΔT를 나타내었으나, 화원으로부터 먼 영역 에서는 두 조건 모두 유사한 감소 경향을 보였다.
(3) 연기층 도달시간 분석 결과, 모든 조건에서 r/H 증가에 따라 도달시간이 증가하는 경향을 나타내었으며, 화재규모가 증가할수록 도달시간은 감소하는 경향을 보였다. 또한 대부분의 실험값은 기존 예측식보다 빠르게 나타났으며, 벽면인접화원의 도달시간은 중앙화원보다 초기 구간에서 약 1.2~1.5배 빠른 경향을 보였다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
