제연설비의 연기 배출량에 대한 공기 유입량 적정성에 관한 연구 = A Study on the Adequacy of Air Inflow Relative to Smoke Exhaust Flow Rate in Smoke Control Systems

국문 초록 (Abstract)

현대의 건축물은 초고층화·대형화·지하화로 인해 건축물의 구조가 점차 복잡해지고 있으며, 밀폐형 구조와 다양한 실내 마감재, 복잡한 전기·기계 설비 등으로 구성되어 있다. 이러한 특성으로 인해 화재 발생 시 연기와 화열(Heat of Fire)이 급격히 확산되고 자연 배출이 어려우며, 개방공간이 작고 피난 동선이 복잡한 구조에서는 연기가 빠르게 확산되어 피난 동선을 차단하는 특성을 가진다.
연기는 단순한 가시도 저하뿐만 아니라 고온과 유독가스를 동반하여 인간의 인지능력 저하 및 방향감각 상실을 유발한다. 화재 초기 단계에서 연기의 확산을 효과적으로 제어하지 못할 경우 건축물 전체 공간이 유해 환경으로 전환되어 대규모 인명 피해로 이어질 수 있으므로, 연기를 제어하는 제연설비(Smoke Control System)의 중요성이 크게 부각되고 있다. 제연설비의 목적은 단순한 연기제어에 국한되지 않고, 화재 발생 시 인명 구조 및 안전한 피난을 가능하게 하며 건물 내부의 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 있다. 또한 구조대의 신속한 진입과 화재 확산 억제를 통해 피난자의 피난허용시간(ASET)을 최대한 확보하는 것을 목표로 한다.
현재 화재안전기술기준(NFTC 501) 2.5.7에서 “예상제연구역에 대한 공기 유입량을 배출량의 배출에 지장이 없는 양으로 해야 한다”(2022. 11. 개정)라고 명시되어 있으나, 설계사가 설계할 때 제연구역의 연기 배출량에 따른 공기 유입량에 대한 정량적 기준은 명확한 기준이 없는 실정이다. 해외 사례를 살펴보면 NFPA 92에서는 제연구역에서의 공기 유입량은 배출량보다 적게 공급되어야 한다는 이유로 제연구역이 양압 상태가 되는 것을 방지하기 위해 연기의 확산을 방지하도록 배출량의 85~95% 수준을 권장하고 있다. 또한 유럽 기준(EN 12101-6)에서는 압력차 시스템을 필수로 적용하고, 누설 공기량 및 덕트 유량 설계 압력차를 유지하면서도 출입문 개방 시 작동 가능한 수준을 요구하고 있다. 비록 정량적 수치는 명시되어 있지 않으나, 압력차 설계를 위한 공기 유입량 산정과 유입 경로 확보를 필수 요소로 규정하고 있다.
그러나 국내에서는 제연구역에서 공기 유입량 변화에 따른 배출량의 상관관계에 대한 기준이 명확하지 않다. 이에 본 연구에서는 거실제연설비를 대상으로 연기 배출량에 대한 공기 유입량의 적정성을 분석하였다. 1단계에서는 CONTAM 시뮬레이션을 활용하여 단독제연방식과 상호제연방식에 대하여 비교·분석하였다. 2단계에서는 단독제연방식의 현장 실증실험을 통해 공기 유입량 변화에 대한 제연구역에서의 배출량 변화 및 제연구역과 인접 비제연구역과의 차압에 상관관계를 비교·분석하였다. 3단계 현장 실증실험 데이터를 활용한 화재 시뮬레이션을 수행하여 피난허용시간(ASET)을 비교 분석함으로써 제연구역에서의 효율적인 성능 확보를 위한 공기 유입량과 배출량에 대한 정량적 비율의 근거를 제시하였다.
본 연구는 제연구역에서의 연기제어에 공기 유입량과 배출량의 상관관계를 정량적으로 제시함으로써, 향후 제연구역에서의 실질적인 적용 가능성을 제고하고 설계기준 및 지침 개선을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I 서 론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 국내·외 기준 4
• 2.1 국내 기준 4
• 2.2 국외 기준 6
• 3. 연구범위 및 방법 8
• II 이론적 고찰 9
• 1. 연기제어 9
• 2. 구획실 화재 13
• 2.1 화재의 성장 13
• 2.2 구획실의 유동역학 15
• 2.3 구획실의 배연 18
• 3. 제연설비 21
• 3.1 배연과 제연의 구분 21
• 3.2 급·배기의 균형 22
• 3.3 동일실 급·배기방식 23
• 3.4 공기 유입량의 적정성 24
• 3.5 기계식 제연설비 25
• 3.6 플러그홀링(Plugholing) 26
• 3.7 제연설비 계산서 작성 29
• III 실험 및 분석 45
• 1. 실험 수행절차 45
• 2. 실험대상 선정 47
• 2.1 단독제연방식 47
• 2.2 상호제연방식 48
• 3. CONTAM 시뮬레이션 결과 분석 51
• 3.1 단독제연방식 58
• 3.2 상호제연방식 71
• 4. 현장 실증실험 결과 분석 84
• 4.1 단독제연방식 84
• 4.2 결과 분석 93
• 5. 화재시뮬레이션 결과 분석 94
• 5.1 화재시뮬레이션 도구 94
• 5.2 화재시뮬레이션 수행방법 96
• 5.3 화재시뮬레이션 결과 분석 111
• IV 결과 및 고찰 113
• 1. CONTAM 시뮬레이션 113
• 2. 현장 실증실험 116
• 3. 보정계수값 검증 분석 118
• V 결론 123
• References 125