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용희 방
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. 11 pp , ISSN / eissn 최상곤유한대학교건축설비프랜트공학과 A Study on the Smoke control Design parameter of Large Volume space by Fire Dynamic Simulation Sang-Gon Choi Department of Building services & Plent, Yuhan University 요약최근소방설계에서 성능위주설계 가도입되면서설계단계에서부터현장에서화재에의한최소한의피해를목적으로다양한노력을기울이고있다. 그러나성능위주의설계를위한다양한노력에도불구하고설계엔지니어들에게제연설비의화재안전기준에서제시하는법령기준이각설계인자의최소설정한계를제시하는가이드가된다. 이러한법령기준은최소한의기준을제공하는것이기때문에다양한상황의건물과더다양한변수를고려해야하는설계엔지니어들에게세밀한가이드를제공할수는없기때문에복합적인상황에서어떤인자가화재시안전에더영향을많이미칠것인지미리인지하고상황에따라인자들을상호조절할수있는설계정보가필요하다할것이다. 본논문에서는대공간에서거실급배기방식을사용하고제연경계에의하여구획이되어있는경우, 배연량을법정배연량으로고정한상태에서거실제연설계에가장영향을많이미칠것으로판단되는두가지인자인제연경계의높이와급기량을대상으로미 NIST 에서제공하는화재시뮬레이션 (Fire Dynamic Simulation) 코드를이용하여설계인자들에대한합리적인설계를위한정보를제공하기위한연구를수행하였다. 성능위주설계를위해초기설계에제연경계의높이를최대한계로설계한후시뮬레이션등의다양한방법을통한합리적인풍량결정이이루어져야할것으로판단된다 Abstract Performance-oriented design has been introduced in fire protection design, and various efforts have been made to minimize the damage caused by fire in the design stage. We conducted a study to provide information for reasonable design factors using a Fire Dynamic Simulation code provided by the NIST on boundary width and amount of supply. This paper shows that using a living-room air-supply system in a large space and dividing the space by a ventilation boundary are the two factors that are considered to have the greatest influence on the design of the living room ventilation. The results show that for performance-based design, the width of the ventilation boundary is designed to be the maximum limit in the initial design. It is judged that reasonable air volume determination should be made through various methods. Keywords : Fire Dynamic Simulation, FDS, Performance oriented design, Hight of smoke boundary, Fire protection design 1. 서론 최근소방설계에서 성능위주설계 가도입되면서설 계단계에서부터현장에서화재에의한최소한의피해를목적으로다양한노력을기울이고있다. 화재시인체에치명적인영향을미치는연기를제어하기위한배연또 * Corresponding Author : Sang-Gon Choi(Yhan Univ.) Tel: toolo007@yuhan.ac.kr Received August 8, 2018 Revised (1st August 28, 2018, 2nd September 19, 2018) Accepted November 2, 2018 Published November 30,

2 한국산학기술학회논문지제 19 권제 11 호, 2018 는제연방식또한다양한연구와제안이이루어져왔다. 그러나성능위주의설계를위한다양한노력에도불구하고설계엔지니어들에게제연설비의화재안전기준 (NFSC501) 에서제시하는법령기준이각설계인자의최소설정한계를제시하는가이드가된다. 이러한법령기준은최소한의기준을제공하는것이기때문에다양한상황의건물과더다양한변수를고려해야하는설계엔지니어들에게세밀한가이드를제공할수는없다. 때문에복합적인상황에서어떤인자가화재시안전에더영향을많이미칠것인지미리인지하고상황에따라인자들을상호조절할수있는설계정보가필요하다. 특히, 대형쇼핑몰이나백화점과같은판매시설에서나타나는대공간의경우한층또는여러층에걸쳐거실전체가하나의공간에포함되기때문에방화셔터를이용하여크게방화구획을하고제연경계를이용하여존 (Zone) 을나누어 거실제연 을하게된다. 거실제연의경우는화재존에서배연을하는동시에주변존에서급기를하는방식으로동작하게된다. 이때연기감지기가동작한존이외의다른존의연기감지기가동작하게되면제연제어의충돌로인하여배연과급기모두가정지되는오동작을일으킬수있다. 따라서화재존의경계를넘어다른존에연기가유입되는것을최대한방지하여야한다. 연기의유출을막기위한설계인자는배연량, 제연경계의높이, 급기량이된다.[1] 이들중가장영향이큰배연량의경우는공기조화를위한설비를공유한다는점에서손쉽게증가시킬수없다. 때문에본논문에서는대공간에서배연량을법정배연량으로고정한상태에서거실제연설계에가장영향을많이미칠것으로판단되는두가지인자인제연경계의높이와급기량을대상으로연구를수행하였다. 연구는미 NIST에서제공하는화재시뮬레이션 (Fire Dynamic Simulation) 코드를이용하여설계인자들에대한합리적인설계를위한정보를제공하기위한연구를수행하였다. 모델정보를정리하여나타내었다. 건물모델은실제설계된건물을그대로모사하도록 하였으며좌우측과전면은벽으로막혀있고후면측에는 방화셔터가내려와있는것을가정하여막혀있는것으로 하였다. 좌우측면에계단으로이어지는출입문의경우는 상시닫힘상태로이또한모델에삽입하도록하였다. 각존간의분리는제연경계로최초 600mm 높이의얇은 벽으로구성하도록하였다. Table 1. Floor information Floor Area (m 2 ) Hight(m) A Zone B C D total 2,829 D zone A zone B zone C zone Fig. 1. Floor plan 2.2 급배기모델 본연구에서는시뮬레이션을위하여 FDS Code의 Large-eddy simulation(les) 을적용하였다. LES는질 량, 운동량및에너지에대한이동방정식에매개변수화 된폭을 low-pass filter로적용하여유도하게되며, 공기 유동에관한운동량전달방정식은다음의식 (1) 과같이 나타낼수있다.[2] 2. 모델링 (1) 2.1 건물모델화재시뮬레이션 (FDS) 을위하여실제로설계된 A백화점을대상으로기준층에방화셔터와벽으로둘러싸인대공간에대한모델을구축하였으며, Fig.1과 Table 1에 여기서, 는속도벡터, 는 wavenumber, H 는밀도에 의한총압력, 는압력섭동, 는대기밀도, 는외력벡터, 는점성응력이다. 238

3 기본적인공기유동은공조를목적으로설치된급배기구를통하여각존별로화재상황에맞추어제연동작에따라급기와배기상황에따라유동하는것으로하였다. 제연동작을위하여각존별 55,000CMH의풍량을급기또는배기할수있도록하였으며, Table 2에각급배기구의풍량을정리하여나타내었다. Table 2. Air distribution A Zone B Zone C Zone D Zone Zone Air volume (m 3 /h) Number of diffuser Supply Exhaust Supply Exhaust Supply Exhaust Supply Exhaust 급기구와배기구는 460mm 원형디퓨져로구성하였으며, 등간격으로배치된실제위치에부착된것으로하였다. 화재시해당존의급기구는폐쇄되고배기구에서만해당의풍량을배연하고주변존에서는배기구를폐쇄하고급기만을할수있도록하였다. 의발생량, 단위체적당화학반응에따른 Species 의발생량을나타낸다. 화학반응을결정하기위하여 Simple Chemistry model을사용하였으며 [3] Table 3에화재-연기모델의정보를정리하여나타내었다. 화재-연기모델은대상이백화점임을고려하여섬유인나일론이화원이되는경우를가정하였다. 시뮬레이션시작과동시에화재가시작되어정육면체인화원으로부터바닥을제외한 5면에서일정량의열과연기를방출하도록하였다.[4] 화재는 Table 2의상태에서더이상발달하지않는것으로하였으며, 시뮬레이션시간동안소화되지도않는것으로설정하였다. Table 3. Fire model information Spec. Shape a hexahedron m 3 Heat Chemical Reaction Heat Release Rate 2.5 MW Critical Flame Temp Fuel Composition Nylon Carbon atoms : 1.0 Hydrogen atoms : 1.8 Oxygen atoms : 0.17 Nitrogen atoms : 화재 - 연기모델 일반적으로화재에의해발생되는연기는매우다양한가스가혼합된다. 이러한혼합가스는각각을개별로추적하기에는너무많은시간과자원을소모하게된다. 따라서화재에서발생되는연기를하나의묶음으로간주하여 lumped species로가정하는방법을사용하게된다. lumped species이용하여연기를단일 species로구성된방정식으로나타낼수있으며, 화재-연기모델을위한질량및 Species 이동에관한방정식을다음의식 (2) 에나타내었다.[2] (2) 여기서, 는 Species mixture, 는속도벡터, 는확산계수, 는단위체적당증발에따른 Species 3. 시뮬레이션 3.1 시뮬레이션조건시뮬레이션을위하여앞서모델구성에서언급된경계조건이외의시뮬레이션에사용된초기경계조건과격자의정보를 Table 4에나타내었다. 시뮬레이션을일반적인환경에서수행할수있도록초기경계조건을설정하였다.[5][6][7] 시뮬레이션의수행은초기경계조건을만족하여수렴이되는것을확인한후시뮬레이션조건에따라변경하여수행하도록하였다.[8] 시뮬레이션조건의설정은실험계획법의이원배치법을적용하기위하여두가지인자인제연경계의높이와급기풍량의수준을선정하도록하였다. 우선급기풍량은 0 CMH에서배연풍량의고정값인 55,000 CMH를 3수준으로나누도록하였다. 제연경계의높이는제연경계에의해연기가완전히막히는높이를찾기위한한계확인시뮬레이션을통하여결정하도록하였다. 그러나시뮬레이션결과제연경계의 239

4 한국산학기술학회논문지제 19 권제 11 호, 2018 높이가 2m가되어도연기는주변존으로넘어가는것을확인할수있었다. 천정고가 3.6m이기때문에대피공간의높이가 1.6m로대피로확보에문제가생기기때문에더이상제연경계의높이를높이는것은무의미하여 0 2m를 4수준으로나누어적용하여, Table 5에시뮬레이션조건을정리하여나타내었다. Table 4. Boundary Condition Wall Heat Air Mesh Smooth Wall Spec. Fixed Temp. TMPA Radiative Emissivity : 0.9 Convective calculated Initial Temp. 20 Initial Pressure 101 kpa Initial wind None co concentration 0 Cell Size m 3 Number of cell 1,128,000 Table 5. Simulation Condition Smoke control Delimitation Design of Experiment Fire zone Surrounding Zone Air Volume Height of smoke boundary Air Volume Height of smoke boundary Condition A zone Smoke Exhaust B zone Air Supply SA 55,000 m 3 /h EA 55,000 m 3 /h 0.6, 1, 1.5, 1.7, 1.9, 2m EA 55,000 m 3 /h SA 0 m 3 /h SA 27,500 m 3 /h SA 55,000 m 3 /h 0.6 m 1 m 1.5 m 2 m 시뮬레이션은실험계획법에따라결정된시뮬레이션의조건에따라배연풍량을 55,000 CMH로고정한상태에서제연경계의높이를 Table 5에제시한 4수준 (0.6, 1, 1.5, 2m) 으로각각변화시키는동안급기풍량을 Table 5에제시한 3수준 (0, 27500, m 3 /h) 으로변화시켜그결과를분석하도록하였다. 앞서언급한것과같이연기가제연경계를넘어가게되면주변존의연기감지기가동작하여연기가넘어간존에화재가발생한것으로인식된다. 이에따라화재가발생하지도존에배기가동작하고정작화재가발생한존에는급기가되는제어동작을하게된다. 이러한주변존에연기가넘어가서발생하는제어동작으로실제로화재에의해동작하던제어동작에충돌을일으켜모든제연제어가정지하는오동작을발생시킬수있다. 따라서실험계획법을이용한결과분석에사용하는결과값은제연경계를연기가넘어서는시간을대상으로하였다. 다만, 실제설치된자동제어가그대로적용이되면연기가주변존으로넘어가연기감지기가동작하는순간의도하지않은동작을하게되기때문에시뮬레이션에서는 Table 5의조건을시뮬레이션이끝나는시간까지유지하도록하였다. 시뮬레이션시간은재실자의피난시간을고려하여실시간 300초 (5분) 동안의결과를얻을수있도록수행하였다. 3. 결과분석우선모델의구성과동작을확인하기위하여 Fig. 2에 A 존에서화재가발생하여 A 존에 55,000 CMH를배기하고 B 존에서 55,000 CMH를급기하는경우 100초가경과된상태에서시뮬레이션의결과를나타내었다. 그림 a의결과는높이 3.5m의천정부근에서평면의속도분포를나타낸것이다. 화재지점에발생하는열과압력에의해발생하는기류에의해최대풍속약 3.5m/s로부터주위로퍼져나가는것을확인할수있다. 또한, 배기구급기구주위에서흡입또는토출에의하여수직방향속도의영향으로약 0.5m/s이하의평면의속도분포가나타나적절하게속도분포가나타나고있음을알수있다. 그림 b에는높이 3.5m의천정부근에서평면의온도분포를나타낸것이다. 화심주변의온도약 80 이고 A존과 B존을나누는제연경계에의해 A존은약 40 로온도가상승하고 B존은제연경계에가까운쪽부터약 40 에서약 28 정도까지거리에따른온도분포를볼수있다. 그림 c에는일산화탄소의부피율 (Volume fraction) 을나타내었다. 일산화탄소의경우는대피공간의호흡선인높이 1.5m를대상으로평면분포를나타내었다. 결과에서보이는것과같이 A존의경우는천정부근에집중되는 240

일산화탄소가배기구를통하여배출되고 B존의경우에는급기구에서토출되는공기에의하여상부에집중된일산화탄소가유인되어내려오는것을확인할수있다. 이러한결과들은화재로인하여천정으로수직상승하는열과기류가적절히주변으로확산되고있으며, 대표적인오염물질인일산화탄소가적절히이동하고있다는것을나타내고있어, 모델이정상적으로작동하는것을알수있다. a. Smoke boundary height 0.

6 m a. Velocity distribution at hight 3.5m 0.5 0 b. Result of smoke movement at 11.4sec incase of smoke boundary hight at 1 m 80 60 c. Result of smoke movement at 29.

5m Fig. 2. Result of basic simulation at 100sec 20 8.4 1 0-4 6. 7 10-4 5. 0 10-4 3. 4 10-4 9. 3 10-5 8. 4 10-5 Fig. 3에실험계획법을위한인자의수준을결정하기위한한계실험시뮬레이션의결과를나타내었다.

5 일산화탄소가배기구를통하여배출되고 B존의경우에는급기구에서토출되는공기에의하여상부에집중된일산화탄소가유인되어내려오는것을확인할수있다. 이러한결과들은화재로인하여천정으로수직상승하는열과기류가적절히주변으로확산되고있으며, 대표적인오염물질인일산화탄소가적절히이동하고있다는것을나타내고있어, 모델이정상적으로작동하는것을알수있다. a. Smoke boundary height 0.6 m b. Smoke boundary height 1.5 m c. Smoke boundary height 2.0 m Fig. 3. Result of smoke boundary limit test a. Result of smoke movement at 8.1sec incase of smoke boundary hight at 0.6 m a. Velocity distribution at hight 3.5m b. Result of smoke movement at 11.4sec incase of smoke boundary hight at 1 m c. Result of smoke movement at 29.6sec incase of smoke boundary hight at 1.5 m d. Result of smoke movement at 162sec incase of smoke boundary hight at 2 m b. Temperature distribution at hight 3.5m c. co concentration at hight 1.5m Fig. 2. Result of basic simulation at 100sec Fig. 3에실험계획법을위한인자의수준을결정하기위한한계실험시뮬레이션의결과를나타내었다. A 존에서화재가발생하여 A 존에 55,000 CMH를배기하고 B 존에서 55,000 CMH를급기하는경우제연경계의높이에따라 300초가지난시점의결과를나타내었다. 결 0 CO Fig. 4. Result of smoke movement 과에서보이는바와같이 300초가경과된시점에서제연경계의높이가 2m가되어도주변존인 B 존으로연기가넘어가는것을알수있다. 따라서동일조건에서연기가완벽하게제연경계를넘지않는제연경계의높이는 2m이상이지만층고가 3.6m이고최소한의피난공간을고려하면제연경계의높이는 2m가한계라고판단되므로, 제연경계의상한을 2m로하고하한을법적한계인 0.6m로선정하도록하였다. 다음 Table. 6에실험계획법에따라시뮬레이션을수행하여 A 존에서발생한연기가 B 존으로제연경계를넘어서는시간을나타내었다. Fig.4에는법정최소설치조건인화재발생존인 A 존에 55,000 CMH를배기하고주변존인 B 존에서 55,000 CMH를급기, 제연경계최소높이인 0.6m를설계하는경우화재발생후 8.1초만에 1m인경우는 11.4초, 1.5m인경우 29.6초, 2m인경우 241

6 한국산학기술학회논문지제 19 권제 11 호, 2018 Table 6. Simulation Result 0 CMH CMH CMH 0.6m 7.5 Sec 7.7 Sec 8.1 Sec 1m 10.5 Sec 10.9 Sec 11.4 Sec 1.5m 12.3 Sec 27.3 Sec 29.6 Sec 2m 36.9 Sec 74.1 Sec Sec Fig. 5. Main effect of smoke boundary 정하기위한사전정보가있어야한다는것이다. 이를위하여 Fig. 5과 Fig. 6에각인자의변화에따른연기가제연경계를넘어가는시간에미치는영향을나타내었다. Fig. 5 결과는제연경계의높이가 1.5m에이르기까지는상대적으로연기가제연경계를넘는시간을지연시키지못하지만, 2.5MW의화재시 1.5 ~ 2m 구간에서폭 10cm 당약 14초정도의시간지연이나타나상대적으로영향력이높아지는것을알수있다. 다만, 화재의크기가커짐에따라연기의발생이더많아지기때문에제연경계의영향이높아지는구간이 1.5 2m에서한계인 2m에더가깝게높아질것으로판단된다. 따라서초기설계에서경계의높이는피난공간을확보할수있는최대높이로설정해야한다는것을알수있다. Fig. 5 결과는급기풍량이 CMH 증가당약 7.2초의시간이지연되는선형적인영향을미치는것으로나타났다. 그러나이결과는일반화할수없어풍량을초기설계값인법정풍량이상으로변경하려면각각의경우에따라정확한값을구하기위한추가적인시뮬레이션등의방법이필요할것으로판단된다. 이러한결과들로부터기존의설계방식인법정제연경계의최소높이인 0.6m를초기제연경계의높이로선정하여적용하던것에서, 피난공간확보를위한최소의높이만을남겨두고제연경계의높이를결정한후시뮬레이션등의방법을통하여풍량을결정해야한다는것을나타낸다. Fig. 6. Main effect of air volume 162초에연기가제연경계를넘어가는것을알수있다. 이러한결과는배기풍량을현재최대한계로설정된 55,000 CMH 이상으로높이거나, 가압제연을위하여급기를현재최대한계로설정된 55,000 CMH 이상으로높이고이에따른제연경계의높이를결정하여야한다는의미가된다. 이는모든설계대상건물에따라 Case by Case로성능위주설계를위한시뮬레이션을수행하여야한다는의미이다. 그러나모든경우에따라시뮬레이션을수행하여결과의값을반영하기는어려운현실이고, 초기설계를바탕으로시뮬레이션을수행하여야하는프로세스상, 우선초기설계를위한설계정보가필요함을알수있다. 즉, 설계자가초기에법정풍량이상을감당할수있는배기또는급기용팬을선정할것이냐아니면제연경계의높이를높여서적용할것이냐에대한결 4. 결론대공간에서거실급배기방식을사용하고제연경계에의하여구획이되어있는경우, 배연량을법정배연량으로고정한상태에서거실제연설계에가장영향을많이미칠것으로판단되는두가지인자인제연경계의높이와급기량을대상으로화재시뮬레이션 (Fire Dynamic Simulation) 코드를이용하여설계인자들에대한연구를수행하였다. 결과들로부터다음과같은결론을얻을수있었다. 1. 법정최소한계를적용하는경우, 대공간에적용한거실제연의성능을제대로발휘하기어려우며올바른제연을위하여시뮬레이션등의다양한방법을통하여성능위주의설계를하여야한다는것을알수있다. 242

2. 대공간의거실급배기방식의초기설계에는제연경계의높이는가능한최고한계높이로설계하고이를바탕으로성능위주설계를위한배기풍량과급기풍량을결정하는것이합리적이라는것을알수있다. 3. 풍량의경우는결과들로부터알수있는것과같이풍량의증가에따라시간지연이거의선형적인증가를보인다. 다만, 풍량 10000 CMH당지연시간 7.

7 2. 대공간의거실급배기방식의초기설계에는제연경계의높이는가능한최고한계높이로설계하고이를바탕으로성능위주설계를위한배기풍량과급기풍량을결정하는것이합리적이라는것을알수있다. 3. 풍량의경우는결과들로부터알수있는것과같이풍량의증가에따라시간지연이거의선형적인증가를보인다. 다만, 풍량 CMH당지연시간 7.5초이렇게일반화하기에는어렵기때문에풍량의결정을위하여서는시뮬레이션을실시하는것이합리적이라고할것이다. [7] Hyungkyou Ryu, Sanghwan Bae, Byungseok Lee, Simulation Study of Smoke Control Accordance with Zoning in the Atrium Space of High-rise Buildings, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering Vol.26 No.7, pp , DOI: [8] Gwon-Hyun Ko, Numerical Analysis on Flow Characteristics in the Pressurized Air Supply Smoke Control System, Fire Sci. Eng., Vol. 31, No. 4, pp , DOI: 최상곤 (Sang-Gon Choi) [ 정회원 ] 이러한결론으로부터일반적으로법정최소한계를적용하여설계하던대공간의거실제연설계에서, 성능위주설계를위해초기설계에제연경계의높이를최대한계로설계한후시뮬레이션등의다양한방법을통한합리적인풍량결정이이루어져야할것으로판단된다. 또한자동제어에의한연기감지기와연동되는제연동작에대한연구가수행되어져야할것으로판단된다. < 관심분야 > 기계설비, 소방설비 1999 년 2 월 : 경원대학교건축설비학과 ( 공학석사 ) 2003 년 2 월 : 경원대학교건축설비학과 ( 공학박사 ) 2001 년 3 월 ~ 2006 년 2 월 : 바스코리아 ( 주 ) 연구소연구원 2007 년 3 월 ~ 현재 : 유한대학교건축설비플랜트공학과교수 References [1] Mi-Seon Kim and Eun-Seon Baek, A Study on Improvenment of Livingroom Smoke-control System using the FDS, Fire Sci. Eng., Vol. 31, No. 4, pp , DOI: [2] McGrattan, K.B., Hostikka, S., Floyd, J.E., Klein, B.W.Fire Dynamics Simulator(V5) Technical Reference Guide 3: Validations, NIST, [3] McGrattan, K.B., Klein, B.W., Hostikka, S., Floyd, J.E. (2007) Fire Dynamics Simulator (Version 5) User's Guide, NIST [4] John H. Klote, Smoke Control, pp , SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, NFPA, Massachusetts, [5] Dejoan, A. Jang, Y.J., Leschziner, M.A. Comparative LES and Unsteady RANS Computaꠓtions for a Periodically-Perturbed Separated Flow Over a Backward-Facing Step, Journal of Fluids Engineering (ASME), 127, pp DOI: asme.org/article.aspx?articleid= [6] Cooper, L.Y. Franssen, J.M. A Basis for Using Fire Modeling wih 1-D Thermal Analyses of Partitions to Simulate 2-D and 3-D Structural Performance in Real Fires, Fire Safety Journal, 33(1999) pp , DOI: / S (99)

인문사회과학기술융합학회

인문사회과학기술융합학회 Vol.5, No.5, October (2015), pp.471-479 http://dx.doi.org/10.14257/ajmahs.2015.10.50 스마트온실을 위한 가상 외부기상측정시스템 개발 한새론 1), 이재수 2), 홍영기 3), 김국환 4), 김성기 5), 김상철 6) Development of Virtual Ambient Weather Measurement