열감지기의 부착높이와 적용면적에 따른 작동시간 특성 분석 = Effect of Mounting Height and Coverage Area on the Activation Time of Heat Detectors

국문 초록 (Abstract)

이 연구는 실제 화재 실험에서 요구되는 공간적·경제적 제약을 극
복하고, 천장 높이가 화재감지기 작동시간에 미치는 영향을 정량적으
로 규명하기 위해 수행되었다. 이를 위해 화염·열·연기 확산의 물리적
거동을 정밀하게 표현할 수 있는 FDS(Fire Dynamics Simulator) 기
반 PyroSim 시뮬레이션을 활용하였다. PyroSim은 복잡한 FDS 입력
을 효율적으로 처리하는 3차원 모델링 도구로, 이 연구에서는 이를 통
해 실제 실규모 실험으로 구현하기 어려운 8 m 미만의 고천장 물류창
고 환경을 재현하고 차동식·정온식 열감지기의 반응 특성을 분석하였
다. 화재 시나리오는 목재 팔레트의 HRR(Heat Release Rate) 성장곡
선을 기초로 구성하였으며, 화재 성장 단계에서 발생하는 열과 연기가
감지기에 전달되는 시간·온도 변화를 중심으로 반응성을 평가하였다.
정확한 감지기 입력인자 확보를 위해 국내에서 주로 사용되는 차동
식스포트형 감지기 2종과 정온식스포트형 감지기 1종을 대상으로 형
식승인 기준에 준하는 감도시험을 수행하였다. 또한 이 연구에 적용된
감지기 제조사의 실험설비 Plunge Test 장치를 활용하였고, 온도상승
률·유속이 제어된 조건에서 작동시간, 작동온도, RTI를 실측하였다.
그 결과 차동식 감지기의 RTI는 약 90.7 (m·s)1/2, 정온식은 약 47.6
(m·s)1/2로 도출되었으며, 이는 PyroSim 시뮬레이션의 주요 입력값으
로 적용하였다.
시뮬레이션은 부착높이가 감지기 작동 특성에 미치는 영향을 확인
하기 위해 2.5 m에서 7.5 m까지 0.5 m 간격으로 구성하였다. 분석결
과, 모든 감지기 유형에서 천장 높이가 높아질수록 작동시간이 지연되
고, 차동식스포트형 감지기의 경우 2.5 m에서 작동시간은 123.2초였으
나, 7.5 m에서는 203.9초로 약 80.7초 지연되었고 작동온도는 약 6.3
℃ 낮아졌다. 정온식스포트형 감지기 역시 작동온도 70 ℃ 기준으로
2.5 m에서 142.3초, 7.5 m에서 219.4초로 약 77.1초 지연되었다. 이러
한 결과는 천장이 높을수록 상승 열기류 및 연기층의 도달이 지연되
고 상부 공기층의 열 손실이 커지기 때문에 감지기의 작동 반응이 늦
어졌음을 보여준다.
현행 NFPC 203 및 NFTC 203은 감지기 설치 시 면적 기준만을 제
시하는 규범위주설계 방식을 유지하고 있어, 고천장 구조에서 나타나
는 작동지연 특성을 충분히 반영하지 못하고 있다. 이 연구 결과는
이러한 한계점을 검증한 것으로, 단순 면적 기준 적용이 화재 경보의
신뢰성과 피난 안전성 확보에 불리하게 작용할 수 있음을 보여준다.
이에 이 연구는 천장 높이별 감지기 작동시간의 정량적 차이를 근
거로, 고천장 구조물의 조기경보 성능을 향상시키기 위한 성능기반 설
계접근의 필요성을 제안한다. 구체적으로는 천장 높이와 열류 전달 특
성을 반영한 세분화된 설치 간격 설정, 고감도 및 고속 반응형 감지기
의 도입, 그리고 복합 감지 설계 전략을 제시하였다. 향후 연구에서는
가연물 종류, 화재 성장속도, 환기 조건 등 다양한 환경 인자를 포함
한 추가 시뮬레이션을 통해 고천장 및 특수 구조물에 대한 과학적·성
능기반 감지기 설치 기준을 도출하는 것이 필요하다. 이러한 연구는
화재감지기의 효율성 검증과 조기경보 신뢰성 향상에 기여함으로써,
실무적 설계 기준의 개선과 소방안전성 확보에 중요한 기초자료로 활
용될 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was conducted to overcome the spatial and economic constraints inherent in full-scale fire tests and to quantitatively investigate the impact of ceiling height on the activation time of fire detectors. To this end, PyroSim, a 3D modeling tool based on the Fire Dynamics Simulator (FDS) capable of precisely representing the physical behavior of flame, heat, and smoke spread, was utilized. This study employed PyroSim to reproduce a high-ceiling warehouse environment of less than 8 meters, a condition difficult to implement in physical experiments, and analyzed the response characteristics of rate-of-rise and fixed-temperature heat detectors. Fire scenarios were constructed based on the Heat Release Rate (HRR) growth curve of wood pallets, and responsiveness was evaluated focusing on the temporal and thermal variations in the transfer of heat and smoke to the detectors during the fire growth stage. To ensure accurate input parameters for the detectors, sensitivity tests complying with type approval standards were conducted in parallel. To ensure the accuracy of detector input parameters, sensitivity tests complying with type approval standards were conducted on two types of rate-of-rise spot detectors and one type of fixed-temperature spot detector widely used in Korea. Furthermore, a plunge test apparatus provided by the manufacturer was utilized to empirically measure the activation time, activation temperature, and Response Time Index (RTI) under controlled conditions of temperature rise rate and airflow velocity. As a result, the RTI was determined to be approximately 90.7 (m·s)1/2 for the rate-of-rise detector and 47.6 (m·s)1/2 for the fixed-temperature detector and these values were applied as primary input variables for the PyroSim simulation. The simulation was configured with mounting heights ranging from 2.5 m to 7.5 m at 0.5 m intervals to verify the effect of installation height on detector operational characteristics. The analysis revealed that activation times were delayed as ceiling height increased across all detector types. In the case of the rate-of-rise spot detector, the activation time was 123.2 seconds at 2.5 m, but delayed by approximately 80.7 seconds to 203.9 seconds at 7.5 m, with the activation temperature decreasing by about 6.3 Similarly, the fixed-temperature spot detector exhibited a delay of approximately 77.1 seconds, shifting from 142.3 seconds at 2.5 m to 219.4 seconds at 7.5 m based on a set point of 70 ℃. These results indicate that the delayed response is attributed to the retarded arrival of the rising thermal plume and smoke layer, as well as increased heat loss in the upper air layer as the ceiling height increases. Current NFPC 203 and NFTC 203 standards maintain a prescriptive design approach that suggests only area-based criteria for detector installation, thereby failing to adequately account for the activation delay characteristics observed in high-ceiling structures. The findings of this study empirically verify these limitations, demonstrating that the application of simple area-based criteria can adversely affect the reliability of fire alarms and the assurance of evacuation safety. Accordingly, based on the quantitative disparities in detector activation times by ceiling height, this study advocates for the necessity of a Performance-Based Design(PBD) approach to enhance the early warning performance of high-ceiling structures. Specifically, it proposes refined installation spacing strategies that reflect ceiling height and heat transfer characteristics, the introduction of high-sensitivity and fast-response detectors, and integrated detection design strategies. Future research is imperative to establish scientific and performance-based detector installation standards for high-ceiling and special structures through comprehensive simulations that include diverse environmental factors such as combustible types, fire growth rates, and ventilation conditions. Such research will serve as fundamental data for improving practical design protocols and securing fire safety by contributing to the verification of fire detector efficiency and the enhancement of early warning reliability.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 방법 및 범위 3
• 3. 연구 구성 및 흐름 5
• II. 선행연구 분석 9
• 1. 차동식 감지기 9
• 2. 정온식 감지기 12
• 3. 선행연구 종합분석 및 차별성 15
• III. 이론적 고찰 19
• 1. 주요국가의 감지기 설치기준 19
• 가. 한국 19
• 나. 미국 22
• 다. 영국 27
• 라. 일본 32
• 마. 감지기 설치기준의 국가 간 비교 33
• 2. 감지기 작동원리 35
• 가. 차동식스포트형 감지기 35
• 나. 정온식스포트형 감지기 38
• 3. 화재 시뮬레이션 40
• 가. 화재 확산 모델링 기법 40
• 나. PyroSim 구조 41
• IV. 연구 방법 43
• 1. 연구모델 43
• 2. 장치물성 측정을 위한 실험 46
• 가. 실험 장치 및 대상 46
• 나. 실험 감지기 종류 55
• 다. RTI 산정 및 실험결과 58
• 3. 시나리오 구성 65
• 가. 차동식스포트형 감지기 65
• 나. 정온식스포트형 감지기 70
• 4. 시뮬레이션 입력조건 75
• 가. 차동식스포트형 감지기 75
• 나. 정온식스포트형 감지기 79
• V. 연구결과 및 분석 88
• 1. 연구결과 분석 88
• 가. 차동식스포트형 감지기 88
• 나. 정온식스포트형 감지기 106
• 2. 종합분석 및 개선방안 123
• 가. 종합분석 123
• 나. 개선방안 127
• VI. 결론 132
• 1. 연구의 의의 및 요약 132
• 2. 연구의 한계와 향후 과제 134
• 참고문헌 139
• 국문초록 144