제연구역 풍량제어를 위한 이중모드댐퍼 개발 연구
A Study on the Development of Dual Mode Damper for Flow Control of Smoke Control Room
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Abstract
본 연구에서는 기존 제연설비의 문제점 개선, 화재안전기준의 충족, 제연설비의 성능극대화를 위해 제연구역의 출입문 개폐상황에 따라 화재모드와 피난모드로 구분하고, 이들 모드에 따라 송풍기의 풍량을 달리 제어하여 제연구역의 풍량을 제어할 수 있는 이중모드댐퍼 개발하였으며, 개발 댐퍼의 기능을 검증하기 위해 성능시험을 실시하였다. 화재모드의 경우, 제연구역의 풍량 제어는 송풍기 설계풍량의 약 55% 정도만으로도 화재안전기준에서 요구하는 허용차압을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 피난모드의 경우, 제연구역의 풍량 제어는 송풍기의 설계풍량 90.5%가 사용됨으로써, 제연구역의 풍량제어에 이중모드댐퍼의 유용함이 입증되었다. 이중모드댐퍼에 대한 원천기술을 확보하였다.
Trans Abstract
In this study, the fire mode and evacuation mode were classified according to the door opening and closing situation of smoke control room in order to improve the problems of the existing smoke control systems, satisfy of the fire safety standards and maximize the performance of smoke control systems. The dual mode damper was developed to control flow in smoke control room by controlling flow of fan according to these modes. The development damper was tested for their performance. For fire mode, the flow control of smoke control room was able to maintain the allowable pressure differential required by the fire safety standard by only about 55% design flow of fan. For escape mode, the flow control of smoke control room is verified by using the design flow 90.5% of fan, so that the dual mode damper is useful for flow control of smoke control room. In addition, the study has acquired the original technology for a dual mode damper.
1. 서론
건축물의 소방방재계획 첫 번째 목적은 인명안전이며, (초)고층⋅대규모⋅다용도⋅복합 건축물 및 지하가, 지하철 등의 화재에서 수많은 희생자가 나올 때면 반드시라고 해도 좋을 만큼 주요사인이 연기이다.
인명안전을 위해 연기확산⋅침입 등의 연기이동을 효과적으로 제한할 수 있는 연기이동의 제어수단과 기술적 대책을 법적으로 요구하고 있으며, 연기이동을 제어하기 위해 소방법에서는 지하 3층, 지상 11층 이상의 건축물에 제연구역(특별피난계단의 계단실, 부속실 및 비상용승강기의 승강장)을 설치하고, NFSC 501A(MPSS, 2016)에서는 이들 구역에 화재안전기준 제연설비를 설치하고 성능을 확보⋅유지하도록 규정하고 있다. 제연설비 성능(차압, 방연풍속, 과압방지 등)은 제연구역(Smoke Control Room)의 압력에 의해 결정되고, 압력은 송풍기에 의해 제연구역으로 공급되는 풍량에 따라 결정되며, 풍량은 화재 시 재실자의 피난에 의한 출입문의 개폐여부에 따라 크기와 조건(MPSS, 2016)이 각기 달라진다.
기존 제연설비에서는 볼륨댐퍼(Volume Damper)와 자동차압댐퍼에 의한 풍량제어로 제연설비의 성능을 확보⋅유지하고 있다. 하지만 기존 제연설비의 성능은 제연구역의 출입문이 닫힌 상태에서 TAB 시 볼륨댐퍼의 개구율을 평균 70% 정도 고정⋅사용하고 있기 때문에 송풍기의 설계풍량을 100% 사용하지 못하고 60~70% 정도만 사용하고 있다. 따라서 송풍기의 설치위치에 따라 제연구역의 차압(=제연구역 압력-화재실 압력, 40 Pa~110 N)이 너무 과대(100 Pa 이상)하게 형성되거나 상당히 부족(10 Pa 정도)하게 형성되고 있고, 화재 시 재실자의 피난에 의한 제연구역 출입문의 일시적인 개방에 따라 화재층의 제연구역에 차압형성을 위해 방연풍속(0.5~0.7 m/s)을 형성시키면 이로 인해 비개방층의 제연구역에는 차압(28 Pa)이 형성되지 않는 경우가 대부분이다.
볼륨댐퍼에는 과압방지기능이 없고 차압에 의한 풍량조절이 되지 않기 때문에 비개방층 제연구역의 차압유지를 위해 자동차압댐퍼는 개방상태로 유지되어 제연구역은 과압(60 Pa 이상)으로 출입문을 열 수 없어 피난을 할 없거나 출입문의 일시적인 개방에 따른 방연풍속으로 인한 과압으로 출입문이 닫히지 않아 연기를 확산⋅침입시키고 있다. 따라서 볼륨댐퍼와 자동차압댐퍼만으로는 제연구역의 차압변화에 의한 풍량조절과 제연구역 출입문의 일시적인 개방에 따른 방연풍속의 조절이 어렵고 제연설비의 성능을 확보⋅유지하는 데에는 한계가 있다.
발전설비 등의 배관시스템이나 공기조화설비 등에서 유량제어을 위해 공기구동밸브(Air Operating Valve)나 모터구동밸브(Motor Operating Valve)를 이용하여 유체흐름을 차단 또는 조절하고 있다. 이들 밸브는 배관이나 풍도에서 밸브 전후 단의 차압(=밸브 전단의 압력-밸브 후단의 압력)변화에 의해 공기압이나 전기적인 힘에 의해 작동되어 공정제어와 계통 차단의 목적으로 폭 넓게 사용되고 있다(Chung et al., 2004). 특히, 이들 밸브는 원자력발전소의 배관이나 풍도에 설치되어 방사성 물질의 외부 누출 차단 및 유체의 흐름을 차단하거나 제어하는 중요한 기기로서 원자력발전소의 안전성 확보를 위해 차압변화 및 이를 응용한 다수의 연구가 수행되었다.
배관이나 풍도의 차압변화에 따라 공기구동밸브나 모터구동밸브를 작동시켜 유체흐름을 차단 또는 제어하는 기존 연구(Kim et al., 1999; Cho et al., 2005; Lee, 2017a)와는 달리 본 연구에서는 기존 제연설비의 문제점(차압의 불균일, 방연풍속 부족 등) 개선, 화재안전기준의 규정 충족, 제연설비의 성능극대화를 위해 제연구역의 출입문 개폐상황에 따른 제연구역의 차압변화에 따라 화재모드와 피난모드로 구분하고, 이들 모드에 따라 송풍기의 풍량을 달리 제어하여 제연구역의 풍량을 제어할 수 있는 이중모드댐퍼(Dual Mode Damper)를 저자의 선행연구인 Lee and Yoo(2014)와 Lee(2017)의 연구를 바탕으로 개발하였으며, 개발 댐퍼의 기능을 검증하기 위해 성능시험을 실시하였다.
2. 해석 및 설계
2.1 프로세스 및 알고리즘
이중모드댐퍼에 의한 제연구역의 풍량제어 프로세스 및 알고리즘은 Fig. 1과 같이 N층 건물의 임의 층에서 화재가 발생하여 재실자의 피난이 이루어져 제연구역의 출입문이 개폐되면, 출입문의 개폐에 따라 이중모드댐퍼의 컨트롤러에서는 제연구역의 차압(ΔP)이 40 Pa~110 N이면 화재모드(A)로 인지하고, 차압 40 Pa 이하면 피난모드(B)로 인지하게 된다. 이때 건물 각 층 제연구역의 자동차압댐퍼의 컨트롤러와 이중모드댐퍼의 컨트롤러는 서로 연동되어 제어된다(Lee, 2017).
Process and Algorism for Flow Control of Dual Mode Damper
화재모드(A)인 경우, 제연구역의 차압은 1차 댐퍼를 수동으로 조절하여 40 Pa~110 N이 되도록 설정하고, 피난모드(B)인 경우에는 댐퍼의 컨트롤러에 의해 댐퍼날개의 개방각도가 조절되어 송풍기의 풍량을 제어하게 된다. 또한 화재모드(A)일 경우, 제연구역의 출입문은 닫힌 상태이지만 출입문 등의 틈새로 연기가 침입하지 못하도록 제연구역의 압력을 화재실보다 높게 차압이 유지될 수 있도록 송풍기의 풍량을 제어하게 되고, 피난모드(B)일 경우, 재실자가 피난으로 출입문이 개방되면 화재모드(A) 때 유지했던 제연구역의 압력은 급속하게 떨어지게 되므로 피난층의 제연구역에는 방연풍속(0.5~0.7 m/s)의 유지와 출입문 비 개방층의 제연구역에는 28 Pa의 차압이 유지될 수 있도록 송풍기의 풍량을 제어하게 된다.
2.2 작동 메커니즘
이중모드댐퍼의 날개개폐는 Fig. 2에서와 같이 액추에이터(Actuator)로부터 구동장치(Driving System)에 전달되는 회전체(Gear)의 회전대우에 의해 회전운동으로 개폐되도록 하였다.
Action Mechanism for Flow Control of Dual Mode Damper
Fig. 2에서 댐퍼의 작동시간 t에 대해 댐퍼날개가 개폐되는 각도를θ라고 할 때, 구동장치와 댐퍼날개에 발생하는 각속도ω (rad/sec)와 각가속도 α (rad/sec2)라고 하면 각운동량 Mω(N-m)는 Eq. (1)과 같다(Kang and Son, 1981). Eq. (1)에서 r은 회전체의 반경(m)을 의하고, I 는 회전체의 관성모멘트(kg-m2)를 의미한다.
건축물 화재에서 연기의 침입⋅확산을 일으키는 연기이동력(굴뚝효과, 부력, 바람 등)에 의존되고, 일반적으로 연기를 이동시키는 힘은 건물의 실내외 온도차에 의한 굴뚝효과에 의한 압력(ΔPso) 의 영향이 가장 크다(Lee, 2017a). Eq. (2)에서ΔPso=실내와 실외와의 압력차(Pa), To=실외온도(K), Ts=실내온도(K), h = 중성면으로부터의 거리(m)를 의미한다.
Eq. (2)의 압력(ΔPso)는 댐퍼날개의 압력(ΔP)으로 작용하고, 압력은 댐퍼날개의 각운동량(Eq. (1)) Mω 으로 나타나게 된다.
2.3 모델링 및 운동해석
이중모드댐퍼의 프로세스 및 알고리즘과 작동 메커니즘을 바탕으로 제연구역의 풍량제어를 위한 이중모드댐퍼로서 기능과 역할을 할 수 있도록 각 요소를 Fig. 3과 같이 모델링하였다(Lee and Yoo, 2014).
Modeling of Dual Mode Damper
댐퍼날개의 각운동량을 결정하기 위해 운동해석을 하였고, 운동해석은 Fig. 3의 모델링을 이용하여 Solidwork(Matt, 2010)를 사용하였다. Fig. 3의 댐퍼날개에 작용하는 압력 (ΔP)은 압력변화 가장 심한 겨울철(T0 = 2°C, Ts=-18°C)일 때 61층(185m) 초고층 건축물의 굴뚝효과를 계산하여 적용하였다. 중성면을 건물높이의 중간높이라고 가정하면, Eq. (2)로부터 최상층에 작용하는 굴뚝효과는 160 Pa로 Table 1과 같다. 댐퍼날개를 개방할 때 댐퍼에 작용하는 저항력은 굴뚝효과 압력과 송풍기의 압력이 모두 작용하는 것으로 하여 운동해석을 하였다.
Conditions of Motion Analysis
운동해석의 조건은 Table 1과 같고, 댐퍼날개가 개방되는 시간은 KS B 6266 (KATS, 2010)에 따라 18 sec로 설정하였다. Table 1 해석조건으로부터 Solidwork로 동적 시뮬레이션을 실시한 결과 댐퍼날개의 최대 각가속도(α)는 약 17.8 sec에서 0.0000364 (rad/sec2)로 Fig. 4와 같다. 댐퍼의 개방시간은 Table 2의 시험조건의 18sec에 비해 0.01%의 편차를 갖는다.
Angular Acceleration of Damper Blade
Conditions of Performance Test
댐퍼날개의 최대 각운동량(Mω)은 Fig. 5와 같이 각속도와 같은 분포를 나타내고 있으며, 최대 각속도는 약 17.8 sec에서 36.76E+3 (N-m)로 나타났다. 이때 각운동량은 액추에이터의 선정과 구동장치를 설계하는데 필요한 설계인자로 활용된다.
Angular Momentum of Damper Blade
3. 시작품 개발
이중모드댐퍼의 프로세스 및 알고리즘, 작동 메커니즘, 모델링 및 운동해석을 바탕으로 도출된 엔지니어링 데이터를 바탕으로 Fig. 6과 같이 시작품을 개발하였다. 개발 댐퍼는 화재모드(A)일 경우, 제연구역의 차압이 유지될 수 있도록 화재모드용 댐퍼날개(Fig. 6의 A)를 수동으로 조절하여 송풍기의 풍량을 제어할 수 있도록 하였고, 피난모드(B)일 경우, 방연풍속과 출입문 비 개방층의 제연구역 차압을 유지해야 함으로 화재모드(A) 때 수동으로 유지했던 댐퍼날개의 개구율에 피난모드용 댐퍼날개(Fig. 6의 B)가 자동으로 개방되어 송풍기의 풍량을 제어할 수 있도록 개발하였다.
Proto-Type of Dual Mode Damper
4. 성능시험 및 고찰
개발된 이중모드댐퍼의 기능을 검증하기 위해 성능시험을 하였다. 성능시험의 조건 및 방법 등은 자동차압과압조절형댐퍼의 성능시험 기술기준(KFI, 2015)에 따라 실시하였고, 시험조건은 Table 2와 같다.
Fig. 7은 댐퍼성능시험의 계통 및 장치구성을 나타낸 것이며, 성능시험에서는 1차 화재모드인 경우를 가정하여 화재모드용 댐퍼날개는 기존 제연설비의 볼륨댐퍼의 개구율과 같게 마찰손실 등을 고려하여 개구율을 60% 정도 수동으로 개방⋅고정하였고, 제연구역의 차압변화에 의해 피난모드로 바뀌면 피난모드용 댐퍼날개는 100% 자동 개방되도록 하여 시험하였다.
Performance Test of Dual Mode Damper
4.1 화재모드
화재모드에서는 제연구역의 차압과 차압유지를 위해 송풍기의 설계풍량이 어느 정도 사용되는지 검증하기 위한 이중모드댐퍼의 풍량을 시험하였다.
제연구역의 차압은 Dwyer Co.의 차압계(0~1,000 Pa)를 이용하여 제연구역과 옥외와의 압력차를 측정하였으며, Fig. 8과 같이 결과를 얻었다. 시험결과 차압은 평균 49.6 Pa로 NFSC 501 A에서 요구하는 허용차압(40 Pa~110 N)의 범위를 만족한다.
Pressure Differential of Smoke Control Room at Fire Mode
이중모드댐퍼의 풍량은 TSI Inc.의 Hood Flow Meter(No. 8371, 0~3,500 m3/s)를 이용하여 풍도 및 차압댐퍼의 토출풍량을 측정하였으며, Fig. 9와 같이 결과를 얻었다. 시험결과 평균 차압 49.6 Pa을 유지하는데 필요한 이중모드댐퍼의 토출풍량은 평균 4.99 CMS로 송풍기 설계풍량의 54.4%(댐퍼 풍량 4.99 CMS/송풍기 풍량 9.16 CMS) 정도가 사용된 것으로 나타났고, 송풍량 54.4% 정도만으로도 NFSC 501A에서 요구하는 제연구역의 허용차압의 평균값인 약 50 Pa의 차압을 얻을 수 있다. 따라서 시험장치의 경우, 피난모드를 고려하지 않는다면 댐퍼의 개구율은 약 55% 정도만을 개방해도 제연구역의 차압을 유지할 수 있을 것으로 본다.
Flow of Dual Mode Damper at Fire Mode
4.2 피난모드
피난모드에서는 재실자의 피난으로 인해 제연구역의 압력이 급속하게 떨어져 연기가 침입하는 것을 방지를 위한 방연풍속, 방연풍속을 공급하기 위해 피난모드용 댐퍼날개가 개방되는 시간 및 방연풍속이 유지될 때 송풍기 설계풍량의 사용정도를 검증하기 위한 이중모드댐퍼의 풍량을 시험하였다.
이중모드댐퍼의 동작시간은 Casio Co.의 Stop Watch를 이용하여 댐퍼날개가 90° 개방되는 시간을 측정하였으며, Fig. 10과 같이 결과를 얻었다. 시험결과 댐퍼가 90° 개방되는데 걸리는 시간은 평균 17.8 sec로 운동해석 시뮬레이션으로부터 구해진 작동시간과 같고, Table 2의 시험조건의 18 sec보다 0.01%의 편차를 갖는다.
Operating Time of Damper at Escape Mode
이중모드댐퍼의 풍량은 화재모드에서와 같이 TSI Inc.의 Hood Flow Meter(No. 8371, 0~3,500 m3/s)를 이용하여 풍도 및 차압댐퍼의 토출풍량을 측정하였으며, Fig. 11과 같이 결과를 얻었다. 시험결과 이중모드댐퍼의 토출풍량은 평균 8.29 CMS로 송풍기 설계풍량의 90.5% (댐퍼풍량 8.29 CMS/송풍기 풍량 9.16 CMS) 정도가 사용된 것으로 나타났다.
Flow of Dual Mode Damper at Escape Mode
방연풍속은 Testo Co.의 Flow Meter(0~100 m/s)를 이용하여 출입문(2.1 × 0.9 m)을 개방한 상태에서 측정하였으며, Fig. 12와 같이 결과를 얻었다. 시험결과 방연풍속은 평균 0.69 m/s로 NFSC 501A에서 요구하는 방연풍속(05~0.7 m/s)의 범위를 만족한다.
Velocity of Smoke Defence at Escape Mode
이중모드댐퍼의 토출풍량은 8.29 CMS로 송풍기 설계풍량의 90.5% 정도가 사용되었지만, 평균 0.69 m/s의 방연풍속을 얻음으로써 만족스러운 결과를 얻었다고 볼 수 있다. 또한 댐퍼의 토출풍량은 송풍기의 설계풍량 100% 모두를 사용하지는 못했지만 이중모드댐퍼에 의한 풍량제어는 효과적이라고 볼 수 있다.
5. 결론
기존 제연설비의 불규칙한 성능개선과 제연설비의 성능(차압, 방연풍속, 보충량 등)을 유지⋅확보할 수 있도록 제연구역의 출입문 개폐 상황에 따른 차압변화를 기준으로 화재모드와 피난모드로 구분하고, 이들 모드에 따라 송풍기의 풍량을 달리 제어하여 제연구역의 풍량을 제어할 수 있는 이중모드댐퍼를 개발하였으며, 개발된 이중모드댐퍼의 기능을 검증하기 위해 성능시험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 이중모드댐퍼의 프로세스 및 알고리즘, 작동 메커니즘, 모델링 및 운동해석, 성능시험방법 등을 정립함으로써 댐퍼의 원천기술을 확보하였다.
(2) 화재모드의 경우, 제연구역의 풍량 제어는 송풍기 설계풍량의 약 55% 정도만으로도 화재안전기준에서 요구하는 허용차압을 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
(3) 피난모드의 경우, 댐퍼의 개방시간은 설정시간에 0.01% 편차로 빠른 응답을 보여주었고, 방연풍속은 평균 0.69m/s로 만족스러운 결과를 얻었다. 제연구역의 풍량 제어는 송풍기의 설계풍량 90.5%가 사용됨으로써 제연구역의 풍량제어에 이중모드댐퍼의 효용성이 입증되었다.
(4) 이중모드댐퍼가 상용화된다면 제연설비의 성능 극대화가 가능할 것으로 보며, 연기의 침입⋅확산을 방지하여 피난안전성을 확보하고 인명과 재산피해를 최소화할 수 있을 것으로 본다.