1. 서론
소방의 방재계획상 피난 및 소화활동은 인명피해를 최소화할 수 있는 가장 중요한 요소이다. 특히 안전한 피난을 위해 화재 연소생성물인 열, 연소가스와 공기의 유입으로 인한 연기의 제어가 필수적이다.
소화시설 중 화재공간 및 비화재공간을 직간접으로 가압이나 배기하여 연소생성물의 거동을 제어하여 소화활동 및 피난로를 확보하기 위한 설비로 소방에서는 제연시스템이 있으며, 이는 부속실제연과 거실제연으로 구분할 수 있다.
거실제연설비는 건축 및 설비적인 경제적 이유로 공조설비와 겸용으로 주로 적용되므로 본 연구에서는 공조설비와 겸용으로 하는 거실제연시스템을 대상으로 하였다. 거실제연시스템을 환경설비인 공조설비와 겸용 시 설계자 의도, 경제성, 건물적 특성으로 고려하여 덕트 및 송풍기를 겸용이나 별도로 사용할 것을 결정한다. 제연시스템을 환경설비인 공조설비와 겸용으로 적용하는 경우 일반적으로 공조설비와 제연설비의 덕트는 겸용으로 사용하며, 송풍기의 제원은 소방과 공조에서 용량이 다르므로 설비별로 선정하여 사용한다. 이는 공조 시와 제연 시 확보하여야 하는 풍량과 풍속이 다르기에 덕트 및 부속류 등에서 유체의 저항이 상이하기 때문이다.
특히 거실제연설비의 송풍기는 건축환경, 설비적 특성을 고려하여 선정되어야 한다. 그러나 건축환경 및 설비적 특성을 고려하지 않은 덕트의 마찰손실, 분기 및 부속류 손실 등을 고정값을 적용하거나 적용하지 않는 것이 일반적이다. 이런 경우 정압이 부족한 송풍기를 선정하는 경우가 발생할 수 있다. 실제 현장에서도 이와 같은 문제점이 발생하고 있어 이에 대한 보완이 절실히 요구되는 실정이다.
그러므로 본 연구에서는 거실제연의 공조겸용시스템에 대한 덕트경로의 일반적인 정압계산과 세부적인 정압계산의 저항을 우리나라 계산법과 해외 계산법을 각각 적용하여 비교⋅분석하여 제연의 성능확보를 위한 압력손실 계산을 검토, 실질적인 제연설비의 기준을 제안하였다. 특히, 해외 계산법은 HVAC System Duct Design에 의한 계산법과 공조시뮬레이션 프로그램의 대표적인 CONTAM을 이용한 2가지 방법을 적용하였다.
2. 덕트 경로에 대한 압력 손실 계산식
일반적인 손실계산은 덕트의 한부분의 직관손실을 구하고 직관손실을 이용하여 전체 직관 손실과 부속손실을 구하며, 취입구 및 취출구의 고정값을 적용하는 방식이다. 세부적인 손실계산은 덕트의 규격별 직관손실을 구하고, 부속류, 분기부 각각의 손실을 구하는 방식이다.
다음은 덕트 경로에 대한 압력손실 계산을 위한 기본식으로 덕트의 직관 손실과 부차적 손실에 대한 계산식이다(Park et al., 2008).
1) Duct 마찰손실선도를 이용한 계산
2) >Darcy-Weisbach 공식을 이용한 계산
ΔP: 직관의 마찰손실 압력(Pa)
λ: 관마찰 계수(무차원), L: Duct의 길이(m)
D: Duct의 직경(m), V: 풍속(m/s)
g: 중력가속도, ρ: 공기의 밀도
3) 상당 지름
a: 긴변, b: 짧은변
4) Duct의 국부저항(부차적 손실, minor loss)
ΔP: Fitting류의 마찰손실 압력(Pa)
ζ: 국부저항계수(무차원), V: 풍속(m/s)
g: 중력가속도, ρ: 공기의 밀도
위 식을 이용하여 덕트경로에 대한 압력손실을 구하며, 즉, 각각의 덕트의 규모와 각 부분의 덕트 부속류에 대한 손실을 계산한다.
주손실을 계산 시 덕트는 드라이 에어리어에서 공기를 흡입하는 부분으로부터 송풍기의 흡입구를 거쳐 풍량을 공급해야하는 거실, 복도 등 말단까지 경로를 구성하며, 일반적으로 덕트경로 말단으로 갈수록 덕트의 규모는 작아진다.
덕트의 규모에 따라 저항이 다르게 적용되므로 각각의 저항을 구하여야 한다. 그리고 부속손실인 굴곡이 되는 부분의 엘보, 분기부, 축소 및 확대부의 저항이 계산되어야 한다.
덕트 경로에 대한 압력손실이 적합하게 적용되지 않았을 경우 제연에 대한 성능을 기대하기 어려울 것이다.
3. 덕트저항 설계의 분석 및 대책
3.1 덕트저항에 의한 압력 분석
일반적인 손실계산은 덕트의 구간별에 대한 전체 저항(압력손실)을 구하는 것이 아닌 직관손실에 대한 상대적 손실(압력손실)을 구하여 산정하기 때문에 유체에 대한 저항을 정확히 산정하기가 어려우며, 이로 인하여 제연시스템의 성능을 확보할 수 없다. 또한 제연설비의 덕트의 경로를 변경하는 경우 덕트의 직관 길이에 대한 반영 외에는 덕트의 굴곡 및 부속류의 추가 등을 고려하기가 거의 불가하다.
즉, 전체 덕트의 직관손실이 주덕트의 크기로만 산정되기 때문에 주덕트의 저항으로만 산정된 저항은 전체의 저항을 정확하게 계산할 수 없으므로 대부분 압력손실의 계산은 부족하게 된다.
부족한 압력손실 계산에 대한 예를 들자면 ‘급기가압제연설계’의 저자는 덕트의 시스템 효과에 대한 누락으로 정압이 부족할 경우를 다음과 같이 기술하고 있다. Duct 시스템의 압력손실이 정확하게 계산되고 나서, 설계자가 송풍기를 선정함에 있어 시스템 곡선 A상의 ①에서 운전되도록 송풍기 규격을 결정하면 송풍기와 Duct의 연결부에 의한 송풍기 성능의 오차, 즉 Duct 시스템 효과가 누락된다. 먼저 계산된 Duct계통의 압력손실에 Duct 시스템 효과인자를 더하여 새로운 시스템곡선에 제연시스템 효과가 포함된 ‘가상’시스템 곡선 B와 송풍기 성능 곡선 사이의 교점인 ④에서 송풍기가 운전되며, 시스템 송풍량은 ①에서 ④의 차이만큼 부족하게 나타난다. 시스템 성능을 만족시키려면 ②에서 시스템이 운전되도록 새로운 성능곡선을 가진 송풍기를 선정하거나 송풍기의 회전수를 증가함으로써 얻어진다.
부족한 저항(압력손실)을 산정하여 선정된 송풍기는 필요한 풍량을 원하는 장소에 도달시킬 수 없다(Park et al., 2008).
그러므로 송풍기의 정압 산정 시 덕트의 구간별로 압력손실을 구하고, 덕트의 국부저항을 구하여 송풍기의 제원을 결정하므로 제연시스템이 화재로 인하여 작동하였을 때 원하는 장소에 적당한 풍량을 공급할 수 있을 것이다.
3.2 제연시스템의 정압결정 요소 분석
제연시스템에서 압력손실의 요소로는 직관덕트의 손실, 덕트의 굴곡경로에 의한 손실, 덕트의 확대 및 축소에 의한 손실, 소음챔버⋅디퓨져⋅댐퍼 등의 부속류의 손실, 분기에 의한 손실 등이 있다.
압력손실은 흡입측 저항과 토출측 저항의 합에 의해 결정된다.
아래와 같은 제연 덕트설계 순차도에 의한 압력손실을 검토하고 설계 시 적용하여 제연시스템의 효율을 높일 수 있을 것이다.
-
① 부하계산(풍량계산)
제연구역을 나누고 복도 및 거실에 대한 제연설비의 화재안전기준(NFSC 501)에 의거하여 풍량을 산정한다. -
② 송풍기의 설치위치
송풍기의 위치설정은 시스템 효과를 고려한 덕트구성을 하기 위해 팬실의 면적 확보가 중요하다. -
③ 취출구 및 흡입구
루버에 대한 풍속을 고려한 압력손실계산이 필요하며, 디퓨져는 압력손실이 크므로 사용을 지양해야 하나 공조겸용 시 디퓨져의 사용은 불가피하므로 디퓨져에 대한 압력손실 감소 대책이 필요하다. -
④ 덕트경로
덕트의 경로 계획 시 굴곡 부위가 발생하여 직각부위는 터닝베인을 적용하고 완만한 부위는 스플릿을 적용하여 압력손실을 감소시켜야 하며, 터닝베인이나 스플릿을 설치⋅시공 시 정확한 경로를 만들어 주어야 한다. -
⑤ 댐퍼, 분기 등 부착적 손실
부속류 손실로 댐퍼나 소음챔버 등에 의한 압력손실을 산정하고, 분기에 대한 압력손실을 산정한다. -
⑥ 덕트의 치수
주덕트 및 분기덕트, 디퓨져에 연결되는 후렉시블 등에 대한 규격별 저항을 산정한다. -
⑦ 여유율 및 안전율을 고려한 제연시스템의 전체 저항을 산정한다.
위에서 설명한 ①∼⑥의 압력손실에 제품 누기 및 시공상에서 발생하는 누기, 부속류에 대한 실험적인 및 이론적인 수치에 대한 여유율을 더하여 주며, 시스템 설비의 안전율을 가산하여 준다. ⑧ 송풍기 사양결정
제연설비는 송풍기의 규정 풍량 및 정확한 정압을 가져야만 화재 시 피난을 위한 안전한 통로를 확보할 수 있으므로, 제연시스템의 압력손실을 덕트의 크기와 풍량, 부속류의 손실, 확대 및 축소, 디퓨져에서의 압력손실 등을 고려하여 정압을 계산하여야 한다.
덕트의 마찰손실 및 부속류 손실 등에 의해 송풍기의 토출용량이 크더라도 정압이 부족하면 필요한 풍량을 급기 및 배기할 수 없다. 즉, 제연설비의 설계 시 덕트의 마찰손실 및 부속류 손실, 국부저항 등이 제대로 고려되지 아니한 압력손실의 계산은 적절한 정압을 확보할 수 없으며 이로 인하여 화재예상구역에 필요한 급기 및 배기풍량을 공급할 수 없다.
4. 연구 적용 모델
4.1 연구에 적용한 모델
하나의 공간에서 상호제연을 하는 방식을 적용하였으며, 급기에 대한 정압산정을 진행하였다. 공조겸용 시 급기구로는 보통 원형 팬 디퓨져의 규격을 보통 N 250을 많이 사용하고 있기에 본 연구에서도 원형 팬 디퓨져를 적용하였다. 화재안전기준에서는 급기구의 경우 법적풍속이 5 m/s로 원형 팬 디퓨져로는 법적인 풍속을 확보하기 어려우므로 제연방식을 상호제연으로 적용하여 Zone의 경계면의 속도를 법적 풍속 이하가 되도록 구성하였다.
또한, 제연의 급기⋅배기 시스템에서 급기시스템을 대상으로 연구를 진행하였다. 이는 화재 시 공기의 온도에 따라 압력손실이 변화를 가지는데 20 °C에서 보정계수가 1이며, 공기의 온도 100 °C에서는 0.8, 140 °C에서는 0.75로 온도에 따라 압력손실의 차이를 보인다(Park et al., 2008).
현재 제연시스템의 급기와 배기 시 온도는 20 °C를 기준으로 계산한다. 하지만 배기 시에는 화재에 의한 높은 온도의 공기를 배출하므로 화재 시 배기되는 공기온도는 기준온도 보다 높아 배기시스템에서는 온도와의 상관관계에 의해 압력손실에 영향을 준다. 그러므로 정확한 정압관계를 산출하기 위해서는 급기시스템을 대상으로 하는 것이 연구를 위해 더 효율적이다.
5. 송풍기의 압력손실 계산
제연시스템의 일반적인 압력손실 계산과 세부적인 손실계산을 구하여 비교⋅분석하였다. 세부적인 손실계산은 해외설계지침의 압력손실 계산 및 CONTAM로 압력손실 계산을 하고, 제연시스템의 성능을 확보를 위한 정압에 대한 비교 및 분석을 한다.
5.1 압력손실 계산 조건
일반적인 압력손실 계산은 직관을 이용한 간이 수계산으로 해석하며, 주덕트 저항을 이용한 손실계산과 취출구 및 인입구, 댐퍼의 압력손실은 고정된 손실값으로 적용하며, 부속류 및 분기손실은 주덕트 저항에 대한 비율로 산정한다.
세부적인 압력손실 계산에서는 해외지침과 공조시뮬레이션을 수행하며, 해외지침은 구간별 저항을 적용한 수계산으로 해석하였다.
해외서적인 HVAC SYSTEMS DUCT DESIGN에 의한 Table을 참고로 하여 손실계산을 수행하며, 디퓨져에 대한 손실은 디퓨져 카달로그를 이용한다.
공조시뮬레이션은 CONTAM 3.1 통한 손실계산을 수행하며, 급기가압 제연기술, Fundamentals Handbook, HVAC SYSTEMS DUCT DESIG, 디퓨져의 저항 계산은 디퓨져 카달로그를 이용하였다.
5.2 급기시스템의 압력손실 계산
5.2.1 일반적인 압력손실 계산
- 필요풍량(Q) = 50,000 m3/h
Table 1에 의해 정압이 계산되며 이는 주덕트의 단위저항을 구하고 덕트 전체길이에 단위저항을 곱하여 산정하며, 부속손실은 덕트저항의 50%로하며, 그릴저항, 인입구 저항, 댐퍼저항은 고정값을 사용하여 계산한다.
Table 1
Blower Specifications of Typical Pressure Loss Calculation
| Assort-ment | Air volu. (m3/h) | Static pre. (mmAq) | Power (KW) |
|---|---|---|---|
| Result | 50,000 | 43 | 12.89 |
Table 2
Typical Pressure Loss Calculation Unit: mmAq
| Ha | Length of the duct | resistance per meter | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 12.58 | 74 m | 0.17 | ||||
| Hb | Hc | Hd | Hf | He | ||
| 6.29 | 5 | 5 | 10 | 3.9 | ||
Table 3
Blower Specifications by International Guidelines
| Assort-ment | Air volu. (m3/h) | Static pre. (mmAq) | Power (Kw) |
|---|---|---|---|
| Result | 50,000 | 235 | 70.39 |
- 동력계산
- 정압(H)계산
주덕트: 1,300×750 (상당경: 1,069 mm)
[Ha: 덕트저항, Hb: 부속저항, Hc: 그릴저항, Hd: 인입구저항, He:댐퍼저항 Hf: 안전율(10%)]
5.2.2 해외 지침에 의한 압력손실 계산
HVAC SYSTEMS DUCT DESIGN(SMACNA)의 국외서적의 예시에 의한 압력손실 계산으로 Table 4에 의해 정압이 계산되며 이는 덕트의 규격마다 단위저항을 구하고 덕트 규격의 길이마다 각 단위저항을 곱하여 덕트의 저항을 구한다.
Table 4
Pressure Loss Calculated by International Guidelines
부속저항, 즉 fitting류는 속도에 따른 국부저항값을 이용하여 손실 계산을 한다.
- 동력계산
제연시스템의 정압은 수계시스템의 양정과 같은 의미를 가진다. 정압이 부족하면 송풍기의 힘이 부족한 것과 마찬가지이다. 이에 덕트경로 설계에 대한 전체적인 정압계산이 필요하다.
5.2.1 일반적인 압력손실 계산에서 Table 2의 계산을 보면 부속저항을 주저항의 50%로 계산되며 취출구 및 취입구, 댐퍼저항 등을 고정 값으로 적용하여 실제 시스템에서는 전혀 맞지 않는 정압은 필요한 장소에 적합한 풍량을 이송하지 못하여 피난 실패 등의 결과를 가져올 것이다.
Table 4는 공기를 유입하고 송풍기를 거쳐 각 분기점의 부속류, 덕트의 길이, 확대, 축소 등 덕트경로의 모든 변화요소에 대한 정압을 계산하여 실제 제연환경에서 발생할 수 있는 저항에 대응하기 위한 제연시스템을 구성할 수 있다.
5.2.3 공조 시뮬레이션을 이용한 압력손실 계산
공조 시뮬레이션은 Table 5 국외 자료에 의한 압력손실 계산의 손실값을 이용하여 CONTAM의 자료로 사용하여 시뮬레이션을 수행한다.
Table 5
Blower Specifications Calculated Using the CONTAM
| Assort-ment | Air volu. (m3/h) | Static pre. (mmAq) | Power (KW) |
|---|---|---|---|
| Result | 52,000 | 190 | 60.13 |
Table 6
Compare the Calculating Pressure Loss
- 동력계산
6. 제연시스템 결과값 분석
6.1 일반적인 압력손실 계산과 세부적인 압력손실 계산의 비교분석
제연설비의 일반적인 압력손실과 세부적인 압력손실 계산에서 결과를 분석하면 정압과 전력의 차이가 매우 큼을 알 수 있다.
- 일반적인 압력손실 계산
1) 덕트경로나 fitting류 등에 의한 압력손실이 주저항의 상대적인 크기만을 적용하여 적합한 정압의 크기가 고려되지 않았다.
2) 그러므로 일반적인 계산식의 경우 정압이 부족하여 원하는 장소까지 필요한 풍량을 공급하는 것이 어렵다고 볼 수 있다.
- 해외지침에 의한 압력손실 계산
1) 전체전인 덕트 경로와 각 부위별 발생하는 저항요소를 고려하여 정압을 산출하였기에 원하는 장소까지 필요한 풍량을 공급하여 제연시스템의 신뢰성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- CONTAM에 의한 압력손실 계산
1) 해외지침에 의한 압력손실과 마찬가지로 전체 손실을 각 부위별 발생하는 저항을 고려하여 산출된 값으로서 제연시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.
2) 해외지침에 의한 압력손실 계산과 차이를 보이는 것은 CONTAM 시뮬레이션의 자체적으로 적용된 값과 속도와 누설 등 복합적 요인이 고려되어 있기 때문이다.
제연설비는 피난을 위한 설비로서 송풍기의 제원은 제연설비의 성능과 직접적인 관계가 있다.
일반적인 손실계산과 세부적인 손실계산을 비교하여 아래와 같은 결과를 도출하였다.
세부적인 손실계산에서 Table의 수계산과 시뮬레이션에 의한 계산 값의 초기값을 50,000 CMH로 적용하여 계산하였으나, 시뮬레이션에서 결과값이 52,000 CMH되었다. 풍량의 차이는 덕트누설이나 정압에 의한 손실분 및 fitting류에 의한 손실로 발생한다.
실험의 조건에서 일반적인 압력 손실계산이나 해외지침에 의한 압력손실계산에서는 누설풍량에 대한 적용을 하지 않는 조건으로 계산하였다. 이는 이 연구는 정압을 비교하기 위한 것에 중점하여 댐퍼의 누설 풍량을 제외하더라도 크게 영향을 받지 않기에 고려하지 않았다.
예를 들어 누설량에 대한 계산을 한다면 UL555S의 방연댐퍼 누설량에 대한 표를 참고할 수 있다. 차압 1000 Pa, Class 2 기준으로 하면 댐퍼의 크기가 750×350이므로 댐퍼의 누설량은 약 100 CMH정도 일 것이다. 하지만 국내의 댐퍼 제작은 UL기준을 적용하기에는 성능이 부족하며 대안으로 Air Damper를 사용하여 성능을 확보할 수 있으리라고 본다.
특별피난계단의 계단실 및 부속실제연설비의 화재안전기준에서 급기 송풍기 선정 시 여유율을 적용하는 것과 같은 의미이며, 거실제연 송풍기 선정 시에도 고려되어야 할 사항이다.
일반적인 압력손실 계산에서 정압은 43 mmAq세부적인 압력손실 계산에서는 각각 235 mmAq와 190 mmAq이다.
1) 일반적인 압력손실계산
① 정압을 산정하기 위한 일반적인 계산은 덕트의 직관손실이나 전체저항에 몇 %를 적용하고 있어 제연시스템에서 필요한 정확한 정압을 계산할 수 없다.
2) 세부적인 압력손실계산
② 해외지침에 의한 압력손실 계산과 CONTAM에 의한 압력손실 계산은 전체손실을 각 부위별 발생하는 저항을 고려하여 산출된 값으로서 제연시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.
③ 두 압력손실 계산값의 차이는 속도에서 발생한다. 수계산에 의한 속도와 CONTAM에 의한 속도가 차이가 나기 때문에 손실값에 차이가 발생한다. 덕트 경로에서 한 구역을 비교해보면 송풍기 1차 측 덕트내 속도는 해외지침에 의한 압력손실 계산에 의한 수계산에서는 14.3 m/s이며, CONTAM의 시뮬레이션에서는 13.9 m/s가 되어 정압의 산정되는 과정에서 차이가 난다.
④ 두 방법에서 풍량의 차이는 CONTAM에서 풍량의 누설량 및 손실량을 고려하기 때문이다.
7. 결론
본 연구는 제연시스템에서 송풍기와 덕트경로에 대한 정압관계를 연구하여 제연시스템의 효율성을 제고하고자 하였다. 제연시스템에서 발생하는 압력손실에 대해 송풍기의 정압이 적게 산정될 경우, 피난 및 소화활동을 실패에 이르게 할 수 있다.
연구 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 일반적인 압력손실 계산은 부속손실을 주손실의 상대적인 비율로 산정하기 때문에 필요한 정압을 확보하기가 어려울 것이라는 점을 확인하였다.
2) 세부적인 압력손실 계산은 전체 압력손실을 각각 부위별로 발생하는 저항을 고려하여 산정하기 때문에 필요한 정압을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.
3) 또한 건축 현장에서의 덕트 경로의 변화, fitting류의 추가 및 차감, 분기부의 추가 등이 발생할 수 있으므로, 건축 현장의 환경을 적용하기 위해서는 일반적인 압력손실 계산 방법은 지양하고 세부적인 압력손실 계산을 실행하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
4) 제연시스템의 성능확보는 건축 및 주변 환경과 밀접한 관계가 있다. 그러므로 제연시스템의 성능을 확보하기 위해서는 우선적으로 환경 및 설비상항을 고려하여 설계되어야 하며, 설계에 의한 정확한 시공과 Testing에 의한 보정작업 (TAB)을 수행하여 건축 환경에 적합한 제연 성능을 확보하는 것이 중요하다.
5) 본 연구에서는 송풍기의 정압관계를 도출하고자 하였으며 송풍기의 정압으로 인한 덕트의 문제점에 대하여는 연구의 범위에서 제외하였다. 송풍기의 정압이 높을 경우에 급기와 배기측에서 덕트의 변형이 발생할 수 있기 때문에 정압과 덕트 크기 및 가로⋅세로비의 관계에 대하여도 연구가 요구된다.
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