1.1 연구 배경 및 필요성

공항에서 수하물처리시스템(Baggage Handling System)이란 승객이 위탁한 수하물의 꼬리표를 읽어 항공편별로 자동분류 및 운송하는 출발 및 환승 시스템과 도착여객의 수하물을 수취대까지 신속하게 운송하는 도착시스템으로 구성된 복합자동물류 처리시스템을 말한다. 공항에서 승객의 위탁 수하물을 자동으로 분류, 운반, 추적, 검사하는 수하물처리시스템은 공항운영에서 매우 중요한 인프라 중의 하나로, 수하물이 적절한 시간 안에 정확한 항공편으로 이동되도록 보장하는 시스템이다. 수하물처리구역(BHS 구역)은 위탁 수하물을 체크인 카운터에서 보안검색장치 및 게이트로 이송하는 컨베이어밸트, X-ray, CT장비 등을 통해 위험물이나 금지물품을 탐지하는 보안검색장비와 일찍 도착한 위탁 수하물을 일시적으로 보관하고 탑재 시간에 맞춰 꺼내 사용하는 EBS (Early Baggage Storage), BHS구역에서 수하물처리작업을 위한 작업자 사무공간 및 작업차량 등 관련 지원시설으로 구성되어 있다(IATA, 1997; Horonjeff, 2001; Ashford, 2003; IATA, 2004a; IATA, 2004b; NFPA 415, 2022).

공항의 BHS구역은 ｢건축법 시행령｣ 제46조 제2항 제2호에 따르면 ‘물품의 제조⋅가공 및 운반 등(보관은 제외한다)에 필요한 고정식 대형 기기(器機) 또는 설비의 설치를 위하여 불가피한 부분’으로 방화구획을 완화하고 있다(KMGL, 2025). 그러나, 공항 전 구간에 걸쳐 컨베이어벨트 등으로 연결되는 대규모 공간인 BHS구역에서 화재가 발생할 경우 연소 확대 우려가 매우 커서 위험한 공간임에도 불구하고 BHS구역의 가연물 및 화재위험성에 대한 연구는 미미한 실정이다(SITA, 2012; Yildirim and Demirel, 2019; Zhang et al., 2024).

이에 본 연구에서는 BHS구역에 존재하는 예상 발화원, 가연물의 종류를 선정하고 가연물별 화재실증실험을 통해 가연물에 대한 열방출률, 복사열량 등 데이터를 비교⋅분석하여 수하물처리구역의 화재위험성을 판단하는 기초 연구를 진행하였다.

1.2 연구 범위 및 방법

연구의 범위는 다양한 공항시설 중 방화구획이 광범위하게 완화되는 수하물처리구역에 대해 화재위험성을 평가하는 것으로 한정하였다. 연구 방법의 Flow-chart를 Fig. 1에 나타내었다. 수하물처리구역 내부 가연물과 발화원을 조사하고, 주요가연물에 대해 화재 실증실험으로 콘칼로리미터를 이용하여 발열량 DATA를 도출하고 가연물의 연소속도 등을 확인하였다. 화재실증실험을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 수하물처리구역의 화재위험성을 정량적으로 평가하였으며, 보완 및 개선사항을 제안하였다.

Fig. 1

Research Method Flowchart

2.1 수하물처리구역의 소방시설 설치 현황

Fig. 2에 나타낸 바와 같이 공항의 BHS구역은 일반적으로 지하 1층, 지하 2층에 위치하며 ○○공항 제2여객터미널 컨베이어벨트의 총 길이는 약 77 km이다. LV1과 LV2의 BHS구역으로부터 LV3에서 LV5까지 연결되어있다. 지하 1층, 지하 2층, 지상 1~3층에 위치한 수하물처리구역과 지상 1층, 지상 3층에 위치한 수하물 위탁소, 수하물 수치대는 물품의 운반에 필요한 설비 설치를 위하여 불가피하게 면적별, 층별 방화구획을 계획하지 않고 하나의 방화구획으로 이루어져있다.

Fig. 2

Floor-by-Floor Baggage Handling System (BHS) Model

또한 Table 1에 나타낸 바와 같이 소방관계법령에 따라 소화기, 옥내소화전, 스프링클러, 자동화재탐지설비, 비상방송설비, 유도등설비, 비상콘센트설비, 무선통신보조설비 등이 설치되어 있다. 화재제어를 위해 가장 중요한 스프링클러설비의 경우 수하물 등의 수손피해 예방 및 동결방지를 위해 준비작동식 스프링클러설비로 적용되어 있으며 72 ℃용 일반형헤드가 설치되어있다(NFPA 13, 2025; NFPA 72, 2025).

Table 1

Firefighting System in BHS Area

2.2 발화원과 가연물

화재실증실험을 통한 검증을 수행하기 위해 BHS구역의 가연물 및 발화원을 선정하여 Fig. 3에 나타내었다. BHS구역에는 공항수하물 이송을 위한 컨베이어벨트, 트레이, 검색대 등 고정식 설비가 설치되어 있으며 천장면에 전선 트레이, 덕트 등 설비가 노출되어 있다. 또한, 수하물처리공간 내부에 작업자 대기실, 오배수 펌프실, EDS검색실 등이 구획되어 있으며, 차량통행을 위한 도로와 주차공간이 존재한다. 이러한 구조와 시스템 등에서 발화원이 될 수 있는 것들은 모터부의 과열, 케이블누전, 전원 접속부 단락, 기타 부주의가 있다.

Fig. 3

Potential Major Ignition Sources in BHS

해당 발화원과 가연물들의 연소를 통해 BHS구역에서 발생할 수 있는 열방출률과 복사열을 확인하였다. 열방출률(Heat Release Rate, HRR)이란 단위시간 당 연소에 의해 가연물이 방출하는 열에너지이며, kW 등으로 표현된다.

이때,

Q˙ : 열방출률 [kW]

m"˙ : 질량연소속도 [kg/s⋅m²]

A : 기화를 동반한 면적 [m²]

ΔH_c : 유효연소열 [kJ/kg]

HRR에 대해 Eq. (1)에 나타내었다. m"˙은 질량연소속도(kg/s⋅m²), A는 기화를 동반한 면적(m²), ΔH_c는 유효연소열(kJ/kg)이다. 유효연소열은 이론연소열의 반의어로서 사용되어지고 있다. 유효연소열은 불이 화염을 상승시키고 있는 부분에 적용되고, 이론연소열은 반응에 의한 기화연료의 단위질량 당 방출되는 화학에너지를 의미한다.

복사열이란 물체에서 방출된 전자기파를 물체가 열에너지의 형태로 흡수하는 것을 의미한다. 대류를 통해서 열이 전달되는 것이 아니라, 중간 공기나 진공과는 관계없이 공간을 통과하기 때문에 열전달이 순간적으로 일어난다. 화염에 의해 방출되는 열복사는 화염의 미래 상태를 결정하는 중요한 매개변수이며, 열복사 손실은 화재 진압으로 이어질 수 있다. 화재가 발생하면 화염으로부터 열복사가 생성된다.

3.1 개요

BHS구역에 존재하는 가연물 20종을 Fig. 4와 같이 선정하여 화재실증실험을 진행하였다. A1부터 A11까지는 소재와 사이즈, 규격 등을 다르게 BHS구역에서 선정한 가연물을 나타냈고, B1부터 B9까지는 추가 실험을 위한 캐리어(Suitcase)를 나타내었다. 실험에 사용된 가연물은 수하물처리구역에 주로 존재하는 바구니, 캐리어, 케이블(전원선), 모터, 컨베이어벨트이며 추가로 캐리어의 다양성을 확보하기 위해, EVA (천) 소재, PC 소재(폴리카보네이트), 알루미늄 소재를 크기별(소형, 중형, 대형)로 연소실험을 진행하였다. 소형은 기내용으로 20인치 이하, 중형은 22인치부터 26인치 내외, 대형은 30인치 내외의 크기이다.

Fig. 4

Twenty Combustible Material Samples for Fire Experiments in BHS Area

3.2 실험방법 및 측정장치

Fig. 5에 실험 장치이자 계측 장치인 Large Cone Calorimeter의 개략도를 나타내었다. 화재실증실험은 후드로부터 수직 아래 방향 중앙부 바닥에 석고보드를 배치하고 실험을 진행하였다.

Fig. 5

Layout of Fire Experimental Facility

석고보드는 가로 1.2 m × 세로 2.4 m × 두께 0.1 m이며, 석고보드 위에 가연물을 두고 화재실증실험을 실시하였다. 점화는 직경 30 cm의 점화용 용기 안에 헵탄 400 ml를 넣고 약 4~5분 정도 연소시켰고, 인위적 점화를 위해 점화용 용기는 가연물 바로 옆에 위치하여 화염이 가연물로 전이되는 상황을 재연하였다.

실험의 순서는, 실험시작 후 1분 경과 시점에서 연료 투입, 2분 경과 시점에서 점화, 열방출률이 10 kW/m² 또는 0 kW/m²가 되면 실험을 종료하였다. Large Cone Calorimeter를 활용하여 열방출률과 복사열을 측정하고 결과를 비교⋅분석하였다.

4.1 열방출률(Heat Release Rate, HRR)

열방출률에 대한 실험 결과를 Table 2에 나타내었다. 20개의 가연물 샘플은 모두 헵탄이 연소하면서 가연물이 동시에 연소 되었기 때문에 헵탄에 의한 급격한 HRR의 변화는 가연물 자체의 HRR로 보기 어렵다. 따라서 헵탄에 의한 HRR이 아닌 가연물 자체의 HRR을 Table 2에 나타내었다.

Table 2

HRR Result of Fire Experiment

A1의 경우 헵탄에 의한 연소가 734초까지 진행되었으며 이후 가연물 자체의 최대 열방출률은 1,712초에서 30.00 kW로 확인되었다. A2 또한 A1과 유사하게 헵탄에 의한 연소 후 가연물의 열방출량이 측정되었으며 490초에 212 kW로 측정되었다. A3의 경우 트레이 위에 있는 경우(A7, A8, A9)가 아닌 케이블에 발화원이 직접적으로 착화된 상황을 구현하였기 때문에 가연물이 모두 연소한 이후에도 헵탄이 지속적으로 연소하여 최대 열방출률(Peak_HRR)이 기록된 것을 알수 있다. A6, A7, A8, A9은 모터와 케이블로 헵탄에 의해 HRR이 최대값에 도달하였으며 이는 가연물의 표면과 헵탄 열방출률인 것을 알 수 있다. A10의 대형바구니의 경우 헵탄의 의한 연소 후 열방출률이 급격하게 상승하였으며 2,300초에 최대 565.70 kW까지 측정되었다. A11의 컨베이어밸트의 경우 케이블과 유사한경향을 보여 329초에 헵탄에 의한 연소로 최대 열방출률 59.18 kW이 확인되었다.

캐리어의 소재와 크기별 실험에서 헵탄에 의한 연소는 평균 292.75초로 A군의 11개의 샘플과 유사한 경향을 확인하였다. 캐리어 소형의 경우 B1 PC 소재는 126.66 kW, 알루미늄소재 B2는 헵탄에 의한 연소만 진행되고 겉면의 알루미늄을 제외한 손잡이 등만 연소된 것을 확인하였다. 또한 B3의 경우 B1보다 작은 최대 열방출률을 보였으며 이는 동일한 소재의 경우에도 2인치 이하의 차이에도 열방출률이 다르게 측정되는 것을 보여준다. 가장 큰 대형 캐리어의 경우 204.13 kW의 최대열방출률을 나타낸다. 중형 캐리어의 경우 동일한 소재에 다른 제조사별로 실험을 실시하였다. 헵탄에 의한 연소부분을 제외하면 3개의 그래프 모두 유사한 성상을 보여 구조있음을 알수 있다. B6은 176.57 kW, B7은 174.25 kW, B8은 163.18 kW의 최대 열방출률을 보였으며 평균 171.33 kW의 최대 열방출률을 확인하였다. 컨베이어밸트와 대형바구니 EVA소재의 대형 캐리어를 모두 연소시킨 B9의 경우 20번의 실험 중 가장 높은 최대 열방출률을 558.89 kW가 측정되었다.

20개의 실험 중 대표적으로 최대 열방출률이 가장 큰 2가지 A10과 B9을 Fig. 6에 나타내었고, 캐리어 소형 B군의 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 또한 동일한 소재의 각기 다른 제조사 캐리어 4개를 연소시킨 B5, B6, B7, B8을 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 6

Two Representative Experiments with the Highest Peak HRR among 20 Tests

Fig. 7

HRR Results of Small Suitcase Group B

Fig. 8

Results of Four Suitcases of the Same Material from Different Manufacturers

4.2 복사열량

열류속계는 가연물로부터 거리에 따른 변화를 확인하였고 1.0 m (HF 1), 1.5 m (HF 2), 2.0 m (HF 3) 씩 이격하여 설치하여 그 결과를 Table 3에 나타내었다.

Table 3

Heat Flux Results of Fire Experiment

A1, A3, A4, A6, A7, A8, A9, A11, B2의 경우 최대 복사열량은 거리가 가장 가까운 HF 1에서 측정되었으나 헵탄의 연소를 고려하면 실제 복사열량의 측정값은 0 kW/m²에 수렴할 정도로 작은 값이 측정되었다. A2과 A5의 PC 소재 중형 캐리어 실험은 헵탄이 연소한 후 가연물이 연소되는 시점부터 복사열량이 감소하는 추세를 보였다. 이에 가연물 자체의 최대 복사열량은 1.0 m에서 약 3.5 kW/m²로 확인되었으며 HF 2에서는 복사열이 측정되었지만 HF 3에서는 헵탄 연소외에는 확인되지 않았다. A10의 대형바구니의 경우 헵탄의 연소과정을 제외하고도 최대 복사열량이 약 18.0 kW를 기록한 것을 확인하였다.

캐리어의 특성별로 진행한 B군 실험에서는 B2를 제외하고 가연물 자체의 발열량을 확인할 수 있었다. B1의 경우 1.0 m 거리에서 2.2 kW/m²의 복사열량이 최대치로 기록되었다. B2의 경우 소재가 알루미늄으로 헵탄만 연소하고 가연물 자체에 대한 연소는 진행되지 않음을 알 수 있다. B3는 소형 크기의 PC 소재로 헵탄을 제외한 최대 복사열량이 1.0 m에서는 약 1.5 kW로 확인되었다. 그러나 이격거리 1.5 m (HF 2)와 2.0 (HF 3)에서는 가연물 자체의 복사열량이 0 kW/m²에 수렴하는 것으로 확인되어 소형 캐리어의 복사열은 1.5 m 이후 영향이 없는 것으로 판단된다. B4의 대형 캐리어의 경우 최대 복사열량은 7.87 kW/m²로 확인되었으며 HF 2에서도 가연물 자체의 복사열량이 측정었으나 HF 3의 경우 0 kW/m²에 가까운 수치를 보였다. B5, B6, B7, B8중형 사이즈의 캐리어의 경우 동일한 양상을 보였으며 HF 1의 위치인 1.0 m를 이격한 곳에서 최대 4.5 kW/m²의 복사열량을 확인하였으며 HF 2에서 3.0 kW/m²의 복사열량이 측정되었다. B9의 복합 가연물 실험에서는 최대 18.61 kW/m²의 복사열이 HF 1에서 측정되었으며 HF 2와 HF 3에서도 복사열이 측정되었다(Arup Research & Development, 1991).

20개의 실험 중 대표적으로 최대 복사열이 측정된 B9를 Fig. 9에 나타내었고, A군의 대표적 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 또한 동일한 소재의 각기 다른 제조사 캐리어 4개를 연소시킨 B5, B6, B7, B8을 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 9

Representative Experiments with the Highest Heat Flux among 20 Tests

Fig. 10

Representative Experiments’s Heat Flux Results of Group A

Fig. 11

Heat Flux Results of Small Suitcase Group B