Fire Science and Engineering, Vol. 34, No. 4, pp. 29-35, 2020 DOI: https://doi.org/10.7731/kifse.5e35cd22 ISSN : 2508-6804 (Online) ISSN : 1738-7167 (Print) [Research Paper] 임근주 박상천 백은선 * 동신대학교소방학과대학원생, * 동신대학교소방학과교수 Performance Analysis of the the Single Alarm Detector in the Rooms of Single Houses by Computer Simulation Geun-Joo Lim Sang-Cheon Park Eun-Sun Baek * Graduate Student, Dept. of Fire Fighting, Dongshin Univ., * Professor, Dept. of Fire Administration, Dongshin Univ. (Received April 27, 2020; Revised June 18, 2020; Accepted June 22, 2020) 요 약 본연구는단독주택에설치된단독경보형감지기의성능을조사하기위해수행되었다. 1 층주택 2 개및 2 층주택이포함된세가지유형의주택을대상으로실험을실시하였다. 주거공간에서경보음발생에따른음압레벨을예측하기위해컴퓨터시뮬레이션프로그램을사용하였다. 시뮬레이션에적용된음원의특성을직접측정하여입력데이터로사용했다. 시뮬레이션결과, 부엌과거실에서의음압레벨이탐지기의경보음이발생했을때기준을충족시키는것으로나타났다. 그러나침실에서의음압레벨은미국화재방지협회기준인 75 db(a) 보다최소 20 db(a) 낮을것으로예상되었다. 따라서주택내부의침실공간에서충분한음압레벨을유지하기위한계획을수립해야하며, 관련표준을제정하여화재시안전한대피를보장하기위한노력이필요하다. ABSTRACT This study was conducted to examine the performance in the space for a single alarm type detector installed in a single house. Three types of houses were used, including two types of one-story and two-story houses. A computer simulation program was used to predict the sound pressure level in response to the occurrence of an alarm sound in a residential space. The characteristics of the sound source applied to the simulation were directly measured and used as input data. As a result of simulation, it was found that the sound pressure level in the kitchen and living room generally met the standard when the alarm sound of the detector occurred. However, the sound pressure level in the bedroom was predicted to be at least 20 db (A) lower than the American Fire Protection Association standard of 75 db (A). Therefore, a plan should be prepared to maintain a sufficient sound level in the bedroom space inside the house, and efforts will be needed to ensure safe evacuation in case of fire by establishing relevant standards. Keywords : Sound attenuation, Single alarming detector, Computer simulation 1)1. 서론 주거공간에서발생된화재는 2019년기준 10,661건이었으며, 그중단독주택에서 5,822건으로가장많은비율을차지하고있다. 현재일정규모이상의공동주택등에있어서는자동화재탐지설비와스프링클러설비의설치등을의무화하고있다. 이에따라화재초기에화재를감지및경보하고, 자동소화시스템이구축되어있기때문에화재피해를 경감할수있으며, 주기적으로자체점검제도등을통하여유지관리되고있다. 그러나단독주택에서는 2017년 2월부터주택용소화설비가의무적으로설치하는것외에는화재예방을위한소방시설에대한설치기준이없다 (1). 일반적인단독주택의경우자동식소화시스템이구축되어있지않고소화기와단독경보형감지기가유일한소방설비있기때문에그성능에대한평가는주택에서의소방안전을위해매우중요한사항이라할수있다. Corresponding Author, TEL: +82-61-330-3561, FAX: +82-61-330-3569, E-Mail: bes7009@dsu.ac.kr c 2020 Korean Institute of Fire Science & Engineering. All right reserved. 29
30 임근주 박상천 백은선 주거공간에서의단독경보형감지기는대체적으로열또는연기가발생할가능성이높은주방부근에설치되는경우가많다. 화재와같은상황이발생할경우감지기가작동하게되는데, 침실과같이주방과거리가떨어져있고문으로구획되어있는경우에는경보기의성능이적합하는지에대해서는의문이다. Jo (2) 는최근의화재통계의주택화재발생현황을이용하여주택화재의화재발생빈도와사망율과의관계를분석하고단독경보형감지의설치현황및문제점을검토하고단독경보형감지기의음향특성을실험을통해문제점을고찰하였다. Choi 등 (3) 은주택에서화재로인한인명피해경감을위한화재경보기를제안하고피난시뮬레이션을통하여피난개시시간과재실자의안전한피난소요시간과의관계를분석하였다. 위의연구에서는방송설비와피난의관점에서진행된연구로서의가치를가지고있다. 그러나아직까지단독경보형감지기의경보음과각실에서의음압레벨에대한분석이유효한지그성능에대한평가는미흡하고주택용소방시설의설치기준에관한사항은시 도의조례로정한다로되어있어국가화재안전기준 (NFSC) 은없다. 관련된유사한연구로는 Baek 등 (4) 이감지기의발생음특성을대상으로주파수특성과발생음의내용및크기등감지기자체의성능을분석하였다. Baek 등 (5) 은측정을통해감지기의발생음레벨의기준만족여부를분석하였으며, 특히전원의전압변화에따른발생음레벨의변화에주목하고있다. 또한 Lee (6), Roh (7) 의연구는공동주택의복도, 계단등공용공간에설치된장치를대상으로개별실에서의레벨을분석하고있다. 본연구는단독주택에사용되는단독경보형감지기의음향특성이실내공간에서화재피난음향특성으로적절한지를분석하고자하였다. 음향예측소프트웨어를사용하여시뮬레이션을실시하였으며, 단독주택의유형을구분하여유형별로대상이되는각주거공간에서경보음레벨의적합성을평가하였다. 2. 단독경보형감지기의음향성능기준 비상경보설비및단독형감지기의화재안전기준 (NFSC201) 에서 단독경보형감지기 란화재발생상황을단독으로감지하여자체에내장된음향장치로경보하는감지기를말한다 (8). 감지기의형식승인및제품검사의기술기준 (KOFEIS 0301) 에서는 단독경보형감지기 란화재에의해서발생되는열, 연기또는불꽃을감지하여작동하는것으로서수신기에작동신호를발신하지아니하고감지기가단독적으로내장된음향장치에의하여경보하는감지기를말한다. 이는미국방화협회 (NFPA) 의연기감지경보기 (Smoke alarm) 와개념이유사하다 (9). 소방청고시제2017-5호 (2017.12.6) 에감지기의검정기술기준을규정하고있으며, 제5조의2( 단독경보형감지기의일반기능 ) 에단독경보형감지기의음향기능을설명하고있 Table 1. Single Alarm Detector used for Test No. 1 2 3 4 photo No. 5 6 7 - photo - 다. 세부내용을보면, 화재경보음은감지기로부터 1 m 떨어진위치에서 85 db이상으로 10 min 이상계속하여경보할수있어야한다. 검정기술기준에서규정하고있는것은기기자체의성능에대하여다루고있으므로, 기기설치에따른공간의특성은고려하고있지않다. 단독주택과같이단독경보형감지기만설치된공간에서기준에만족하는기기가설치되었다하더라도, 공간의특성이달라지면주거의특성상벽과문으로구분된각실에서는화재에대한감지가충분하지않을가능성도존재하게된다. 따라서경보기사용으로인한공간내의성능의적합성을확인하는것은안전을위해중요한사항이며, 성능기준을보다합리적으로수립하기위한자료가필요한상황이다. 3. 단독경보형감지기의음향특성측정 3.1 측정대상단독경보형감지기를사용하여주거공간에서의시뮬레이션을수행하기위해실제사용하는감지기에대한음향성능을실측하여사용하였다. 측정에사용된감지시는시중에서상용되고있는 7개를대상으로하였으며, Table 1과같다. 실험에서사용한단독경보형감지기의발생음에대한 on/off 패턴은 Table 2와같으며, 경보음과음성안내가혼합된형태로구성되어있다. 3.2 측정방법소방청고시검정기술기준에준하여감지기의음향성능을측정하였다. 감지기의음향성능은입력되는전압에따라달라질수있으므로일정한전압이되도록디지털파워서플라이를사용하여전압을공급하였다. 측정기기는소음분석기 (SVANTEK사의 SVAN945A) 를이용하여감지기에서발생하는경보음의음압레벨을측정하였다. 측정시감지기를실험실의바닥판위에설치하고감지기로부터수직으로 1 m 이격된위치에서 60 s 동안발생하도록하였다. 감지기의경보음은연기감지용테스트가스 (Smoke detector 한국화재소방학회논문지, 제 34 권제 4 호, 2020 년
31 Table 2. Sound Pattern of Single Alarm Detector No. Sound Pattern On/Off Time (s) Alarm / Voice Guidance 1 1.7 0.7 0.7/0.6 2 3.2 0.2 0.5/0.8 3 4.2 1.1 0.6/0.9 4 4.2 1.0 0.4/1.5/0.9 5 4.2 1.0 0.8/0.7 6 2.9 2.0 2.0/0.9 7 4.0 0.4 0.6./0.9 Figure 1. Schematic diagram of sound pressure level measurement according to voltage change. tester) 를이용하여, 실제상황을고려하여측정환경을조성하였다 (Figure 1). 3.3 스펙트럼특성단독경보형감지기에서발생하는경보음을측정한결과 Figure 2와같은스펙트럼특성으로나타났다. 측정된주파수특성을살펴보면저주파수대역에서낮은음에너지를보이고있으며주파수에따라점차에너지가증가하여 1 khz 에서 4 khz 대역부근에서가장높은에너지를보이고있다. 감지기의종류에따라음에너지는많은차이를보이고있으나본연구에서컴퓨터시뮬레이션입력을위한음향특성을결정하기위해서는전체적인스펙특럼특성이유사하여평균값을사용하는것이각실내에서의음압레벨을예측할때용이할것으로판단된다. 특히, 감지기는입력되는전원의전압이낮아질경우파워레벨이낮아질수있어, 공간에서측정되는음압레벨은더낮아질소지가있음을주의해야한다. Fire Sci. Eng., Vol. 34, No. 4, 2020
32 임근주 박상천 백은선 Figure 2. Spectral characteristics of sound pressure level measured at 1m when the alarm sound of the detector occurs. Figure 4. Detector location ( ) and masturbation point location ( ) for Type 2 house. Figure 3. Detector location ( ) and masturbation point location ( ) for Type 1 house. 4. 실내공간에서의음향시뮬레이션 a) Floor plan of 1 st floor 4.1 개요실내의음장을분석하고음압레벨을비롯한각종음향인자의예측및계산을위하여최근에는기학음향학에기초를둔컴퓨터시뮬레이션을이용한다. 본연구에서는 Odeon ver.14.0을이용하여주거공간에서단독경보형감지기의경보음발생시각실에서의음압레벨에대한예측을실시하였다. ODEON은 1984년덴마크공대에서개발한프로그램으로서음선추적법 (Ray tracing method) 및영상음원법 (Image source method) 을사용하는혼합모델 (Hybrid model) 을적용하여사용된다. 이러한컴퓨터시뮬레이션에의한방법은파동성에기초하여정확한결과를확신할수는없지만, 가상의다양한모델에대한검토를가능하게하여저비용으로높은효율을기대할수있다. 특히컴퓨터시뮬레이션의특성상 3차원모델의구체성에따른정확도의차이가발생하지만, 본연구에서대상으로하는주거공간은상대적으로복잡한모델이아니기때문에모델의구체성에의한정확성차이는크지않을것으로사료된다 (10). b) Floor plan of 2 nd floor Figure 5. Detector location ( ) and masturbation point location ( ) for Type 3 house. 시뮬레이션을위해적용된주거공간은 3 가지형태의주택을대상으로하였으며, 1층단독주택 2 종류 (Type 1, Type 2) 및 2층단독주택 1 종류 (Type 3) 이다 (Figure 3~Figure 5). 한국화재소방학회논문지, 제 34 권제 4 호, 2020 년
33 Table 3. Sound Absorption Ratio by Frequency for Each Finishing Material Building Element Floor Ceiling Wall Others Material Reinforced flooring Gypsum board + wall paper1 Gypsum board + wall paper2 시뮬레이션을위해주택내부에사용하는마감재의종류는 Table 3과같이부위별로동일한것으로적용하였다. 측정값을 1/1 옥타브밴드로수치화한값은 Table 4와같으며, 7개의대상기기에대한산술평균값을계산하였다. 시뮬레이션을위해서는음원의파워레벨이입력되어야하며, 음압레벨을사용하여파워레벨을계산하여사용하였다. 특정기기의음원특성이과도하게반영되지않도록하기위해평균값을적용하였다. 4.2 시뮬레이션결과 1/1 Octave Frequency Band (Hz) 125 250 500 1 k 2 k 4 k 0.20 0.15 0.13 0.11 0.09 0.06 0.28 0.35 0.30 0.38 0.50 0.65 0.35 0.65 0.78 0.76 0.70 0.62 Door 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 Balcony window 0.07 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 Window 0.01 0.02 0.02 0.02 0.03 0.04 Table 4. Sound Power Level (dba) Calculated using Sound Pressure Level and Sound Pressure Level Measured at 1 m when an Alarm Sound Occurs No. 1/3 Octave Band Frequency (Hz) 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 1 26 27 28 47 63 79 73 57 2 24 13 24 41 53 68 90 60 3 30 33 48 52 49 76 64 59 4 17 13 23 52 77 74 73 61 5 17 12 19 37 48 68 81 50 6 21 18 26 42 61 76 69 47 7 25 31 46 47 56 61 78 51 Average SPL 22.8 21.0 30.6 45.4 62.1 71.7 76.2 55.0 PWL 30.0 29.0 38.6 53.4 70.1 79.7 84.2 63.0 Table 5. Predicted Sound Pressure Level (dba) for Each Room in House Type 1 Room 한점음원은음원과의거리가 2배가되면약 6 db이감쇠된다. 그러나실내환경은자유음장과달리반사음으로인한효과로인해자유음장에비해덜감쇠되는특성이있다. 주거공간에서실내환경의특성은벽과문으로인해공간이차단되는특성이있고, 경보음발생시더많은투과손실이발생됨으로인해감지기와멀리떨어진실내에서는그레벨이상당부분낮아질수있게된다. Type 1의각실내공간에서는감지기와가장가까운실인부엌에서예측된값은 77.3 db(a) 로나타났다. 거실에서는 72.5 db(a) 로예측되어부엌대비약 5 db(a) 더낮게나타났다. 침실 1과 2에서는각각 48.6 db(a), 50.8 db(a) 로나타나거실보다 20 db(a) 이상더낮게예측됨을알수있다. 이는부엌과거실사이에는아무런벽이없으나, 침실입구에는출입문이있어투과손실이더욱많이나타남을알수있다. NFPA 72( 미국방화협회 ) 에서제시하는취침지역음압레벨기준 75 db(a) 이며, 시뮬레이션결과침실에서의경보음레벨이기준값보다는매우낮게나타남을알수있다. 4.2.2 단독주택 Type 2 Freq.(Hz) 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k Leq 1 Kitchen 31.6 30.9 32.7 50.9 67.3 70.4 74.3 53.4 77.3 2 Livingroom 30.8 30.1 29.8 49.4 65.8 65.2 68.9 46.9 72.5 3 Bedroom1 24.0 23.3 16.5 35.4 46.8 37 41.8 18.8 48.7 4 Bedroom2 27.1 26.5 18.9 38 49.2 38.5 43.1 19.7 50.8 단독주택 Type 2는 Type 1과같이단층으로구성된단독주택이지만, 부엌의위치가주택의중앙부위에있어 Type 1 에비해감지기와침실의이동거리는상대적으로짧은공간이다. Table 6은각실에서음압레벨분포를예측한결과이다. Type 1의경우와유사하게부엌및거실에서의음압레벨은다소높게나타나지만, 침실에서의음압레벨은 20 db(a) 이상더낮게나타남을알수있다. 각공간에서의절대값은 Type 1에비해높게나타나지만, 침실에서의예측값은 NFPA 72의기준을만족하지못하는것을알수있다 (Figure 6). 4.2.1 단독주택 Type 1 단독경보형감지기의음향파워레벨 (PWL) 을적용하여단독주택 Type 1의각실에서음압레벨분포를예측하였다 (Table 5). 일반적인상황에서음압레벨은거리가멀어짐에따라낮아지게된다. 특히자유음장의경우공간의한점에위치 4.2.3 단독주택 Type 3 Type 3 주택은앞의두가지유형과는달리 2층으로이루어진단독주택이다. 감지기는 1층에있는부엌에설치되어있으며, 경보음발생시 1층및 2층각실에서음압레벨을예측한결과는 Table 7과같다. 2층으로구성된공간이기때문에경보음이 1층에서발 Fire Sci. Eng., Vol. 34, No. 4, 2020
34 임근주 박상천 백은선 Table 6. Predicted Sound Pressure Level (dba) for Each Room in House Type 2 Room freq.(hz) 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k Leq 1 Kitchen 36.7 35.9 39.2 57.3 73.8 77.8 82 61.1 84.8 2 Livingroom 35.8 35.1 37.1 56.0 72.4 74.1 78.0 56.5 81.1 3 Bedroom1 28.5 27.8 22.7 41.5 52.8 43.5 48.6 25.7 55.0 4 Bedroom2 30.4 29.8 23.6 42.6 54.1 44 48.8 25.7 55.9 Table 7. Predicted Sound Pressure Level (dba) for Each Room in House Type 3 Room freq.(hz) 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k Leq 1 Kitchen 33.7 32.9 36.6 54.6 71.1 74.2 78.1 57.2 81.1 2 Livingroom 30.1 29.4 32.3 51.4 67.8 69.1 72.6 50.4 76.0 3 Bedroom1 19 18.3 11.6 32 43.7 29.1 33.6 9.6 44.5 4 Bedroom2 22 21.2 17.6 37.4 48.9 36.6 41.3 17.2 50.1 5 Bedroom3 18.5 17.6 12.9 33.9 45.4 30.3 34.5 9.0 46.1 생하면, 앞의두유형의주택에서보는것처럼멀리떨어진공간에서매우낮아질것임을알수있다. 특히 2층은층이분리되어있기때문에상당히낮아질것으로생각되어진다. 예측결과를보면 2층의침실에서보다 1층의침실 (1) 에서음압레벨이더낮게나타났다. 이와같은결과는층이달라지는것보다경보음의전달경로에문과같은장애물이있는지의여부가각실에서의음압레벨형성에절대적인영향을줄수있음을보여주는것이다. 예측된결과는대상이되는모든침실에서 NFPA 72의기준을만족하지못하는것으로나타났다. 4.2.4 주택유형별경보음레벨비교단독주택의유형에따라단독경보형감지기의경보음발생시부엌, 거실및침실에서예측한음압레벨을비교하였다 (Figure 6). 감지기는부엌에설치되어있으므로주거공간내부에서거리가가장근접한부엌과거실에서의음압레벨이상대적으로높게나타남을알수있다. 거실은전달경로상방해가되는경계가없기때문에부엌에서의레벨값에비해감쇠가적게일어남을알수있다. 반면, 침실에서의음압레벨은부엌에서의거리에따른감쇠도있지만, 전달경로상출입문이존재하기때문에그감쇠정도는거실에비해매우크게나타남을알수있다. 대체적으로거실에비해 20 db(a) 이상낮게나타나는데, 이값은 NFPA 72에서제 시하는수면공간에서의기준값인 75 db(a) 을만족하지못한다. 대상으로하는단독주택은 1층및 2층으로구성된주택을대상으로하였으며, 층의구분과크게관계없이전달경로상에출입문이실내에서의음압레벨에결정적인영향을주고있음을알수있다. 주거공간에서침실의출입문은필수적으로사용되어야하므로, 각실에서의경보음에대한음압레벨기준을만족시키기위해서는별도의노력이필요함을알수있다. 5. 결론 본연구는단독주택에서설치되는단독경보형감지기에대한공간내에서의성능을살펴보기위하여진행되었다. 주택의유형은 1층으로구성된두개의유형과 2층주택을포함하여세개의주택평면을활용하였다. 주거공간에서의경보음발생에따른음압레벨을예측하기위해컴퓨터시뮬레이션프로그램을이용하였으며, 시뮬레이션에적용된음원의특성은실제사용되고있는감지기의경보음을직접측정하여입력자료로사용하였다. 컴퓨터시뮬레이션을통해주택내부공간에서의음압레벨을예측및분석한결과다음과같은결론을도출하였다. 단독경보형감지기는화재발생시안전한대피를위해 Figure 6. Predicted Sound Pressure Level (dba) in Each Indoor Space by House Type. 한국화재소방학회논문지, 제 34 권제 4 호, 2020 년
35 중요한역할을하는기구이다. 그러기에실내에거주하는사람이경보음을인지할수있도록충분한음압레벨을발생해야한다. 우리나라의기준은감지기의자체성능에초점을맞추고있고, 각실에서의음압레벨에대한기준이없어미국방화협회기준인 NFPA 72를분석기준으로활용하였다. 감지기의경보음발생시부엌및거실에서의음압레벨은대체적으로기준을만족하는것으로나타났다. 그러나, 침실에서의음압레벨은기준값인 75 db(a) 보다 20 db(a) 이상낮은값으로예측되었다. 이러한결과는화재발생시침실에거주하는사람들의안전에치명적인결과를초래할수있는것이다. 이에따라주택내부침실공간에서충분한경보음레벨이유지될수있는방안이마련되어야할것이며, 관련기준이제정됨으로써화재시안전한대피가가능하도록노력이필요할것이다. 단, 본연구에서활용한감지기는 7개의측정값을평균하여사용하였기때문에경보음의파워레벨에따라침실에서의음압레벨이달라질수있다. 그럼에도불구하고평균적인값이기준값을만족시키지못하는것에착안하여감지기의성능에대한개선책이마련되어야할것이다. 또한, 본연구를위해감지기의입력전앖을일정하게유지하여실험하였으나실제사용시감지기의입력전압이사용시간의증가에따라낮아질우려가있고, 그에따라파워레벨이낮아질수있기때문에성능을일정하게유지하기위한방안도함께고려되어야할것이다. References 1. National Fire Agency, Act on the Installation, Maintenance and Safety Management of Firefighting Facilities, Law No. 11690. 2. D. H. Jo, Experimental Study on the Acoustic Characteristics of Single Alarm Detector, Master s Thesis, Dongshin University (2013). 3. Y. S. Choi, H. K. Jeon and Y. S. Bak, The Analysis of Evacuation Safety by Smoke Alarm in Housing Fire, Journal of Korean Institute of Fire Science and Engineering, Vol. 25, No. 6, pp. 73-82 (2011). 4. G. J. Baek, E. S. Baek, H. Shin, H. G. Kim and C. Kook, Experimental Study on the Sound Characteristics of the Solo Alarming Detector, Autumn Conference of Korean Society for Noise and Vibration Engineering, pp. 788-789 (2012). 5. E. S. Baek and H. K. Park, Acoustical Characteristics of the Single Alarm Detector in Terms of Sound Pattern, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 29, No. 6, pp. 745-752 (2019). 6. M. J. Lee, M. O. Yoon and M. J. Kim, An Study on the Sound Attenuation and the Improvement in Hearing Condition of Fire Alarm Device in Apartment Buildings, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 16, No. 6, pp. 593-601 (2006). 7. H. K. Roh and J. S. Im, A Numerical Study on the Attenuation of Fire Alarm Sound, J. Korean Soc. Hazard Mitig., Vol. 12, No. 4, pp. 149-154 (2011). 8. NFSC 201, Fire Safety Standards for Emergency Alert Systems and Single Alarm Detectors, National Fire Agency (2017). 9. NFPA 72, National Fire Alarm and Signaling Code, National Fire Protection Association (2016). 10. C. J. Park and C. H. Hann, Effects of the Complexity of 3D Modeling on the Acoustic Simulations and Auralized Sounds, The Journal of the Acoustical Society of Korea, Vol. 30, No. 1, pp. 22-32 (2011). Fire Sci. Eng., Vol. 34, No. 4, 2020