서 론
재료 및 방법
대상 시설
전산 유체 역학(CFD)
CFD 모델 검증
배연 시 배기팬 용량 평가를 위한 case 선정
배기 팬 용량 평가를 위한 기준
결과 및 토의
공동구의 각 구간별 화재 위치에서의 임계풍속 및 목표 풍속 설정
환기구 위치에 따른 배기팬 용량 평가
환기구 주변의 구조 형태에 따른 배기팬 용량 평가
결 론
서 론
지하 공동구는 도시 생활에 근간이 되는 시설물들을 공동으로 수용하기 때문에 화재, 폭발 등의 재해 발생 시 해당 공동구에 대한 피해뿐만 아닌 극심한 경우 도시의 기능을 정지시킬 수 있다. 2000년에 발생한 여의도 공동구 화재에서는 인근 지역으로의 전력 공급이 중단되어 방송, 금융, 주거시설에 문제가 발생하였으며 총 32억 원의 피해 금액이 발생하였다(KFPA, 2000). 2018년도에 발생한 kt 아현지사 지하 공동구 화재에서는 서울 및 인근 경기도 지역까지 인터넷, 통신, 의료 시스템이 차질을 빚었으며 약 75억 원의 피해 금액이 발생하였다(Lee et al., 2020). 해외 사례로는 2014년도에 대만 가오슝에서 발생한 가스폭발로 인한 화재 사고는 6km에 달하는 도로를 붕괴시켰으며(Chen et al., 2016), 2015년 영국 홀본에서 발생한 공동구 화재 사고로 인해 5,000명의 시민이 대피하였으며, 전력 및 가스 공급이 중단되었다(Jung et al., 2022). 이처럼 지하 공동구 화재 발생에 따른 직간접적 피해는 사회 전반에 매우 큰 영향을 미치므로 화재 발생 시 피해를 최소화하기 위한 지하 공동구 환경관리 및 안전 대책 마련이 필요하다.
지하 공동구에서 발생하는 화재는 주로 전력구나 통신구에서 시작되었다(Kim and Min, 2023). 전력구의 열이 외부로 원활하게 배출되지 않으면 누적된 열에 의해 전력구의 효율이 저하되고, 심할 경우 화재를 발생시킨다(Kim et al., 2023). 또한 유입된 빗물은 습도를 높여 결로를 발생시키고, 이는 케이블 연결부분의 부식을 유발하여 누전과 화재의 원인이 된다(Lee et al., 2022). 지하 공동구는 터널형 밀폐 구조로 이루어져 있으며 전선 등의 가연물들이 수평적으로 배치되어 있어 화재가 발생하였을 경우 연기와 화염이 빠르게 확산되며 열기가 내부에 그대로 축적되면서 내부 온도가 1,000℃ 이상 상승하게 된다. 게다가 밀폐된 공간에서의 연소는 연기와 유독가스를 다량으로 발생시킨다. 지하공간에 가득한 고온의 유독가스, 연기 등은 소방대의 내부 진입을 불가능하게 하고, 이는 진압 시간을 증가시켜 인명 및 재산피해와 같은 추가 피해의 범위를 증가시킨다(Lee, 2020).
화재 발생 시 초기 대응을 위한 최대 장애 요인은 연기와 유독가스에 의해 화재 위치로의 접근이 어렵기 때문에(Lee, 2010) 고온의 연기와 유독성 가스 등을 효율적으로 배출하여야 소방대원의 접근이 쉬워져 피해 확산을 방지할 수 있다. 지하 공동구의 환기 시스템은 평상시에 온습도 조절을 통한 결로 방지, 유해가스 배출, 세균류 번식 예방 등과 같은 내부 환경 조절에 사용된다(MOLIT, 2016). 하지만 화재 발생 시에는 연기 및 유독성 가스를 배출하는 데 가장 큰 역할을 담당하고 있다. 따라서 환기 시스템을 이용하여 공동구 내 화재 및 연기를 신속하게 배출, 소방대원의 빠른 진입을 위한 적정 배연을 위해 환기 시스템 작동 시 공동구 내부의 열 및 연기의 확산 분포를 분석할 필요가 있다.
한편, 지하 공동구 화재 예방 및 내부 환경 유지를 위해 공동구 설치 및 관리지침(MOLIT, 2015)에서는 공동구 내 온도·습도 유지, 유해가스 배출을 위해 환기 설비의 설치를 명시하고 있다. 또한 설계 시공단계에서부터 환기 방식, 환기구 위치 및 부대설비 수용계획을 고려하고, 설치하도록 법적으로 규제하고 있다. 이와 마찬가지로 공동구 설계기준(MOLIT, 2016)에서는 ‘공동구 내 최소 유속은 2.5 m/s로 유지해야 함’, ‘화재를 대비하여 250℃에서 60분 이상 가동될 수 있도록 해야 함’과 같은 내부 환경 유지를 위한 규정을 제시하고 있다. 하지만 공동구 내에서 화재가 발생한 이후 배연을 위한 환기설비 운영 정책 및 적정 용량 등과 같은 규정은 미비한 상태이다(Lee, 2010).
또한, 터널, 지하 주차장과 같이 지하 공동구와 비슷한 구조적 특징을 가지고 있는 건축물과 달리 공동구를 대상으로 한 화재 발생 후의 대응을 위한 환기 시스템의 운영 정책은 부족하다. 도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리 지침(MOLIT, 2024)에서는 터널에서 발생한 화재에 대하여 화재강도, 터널의 길이에 따른 제연용 환기설비의 용량 설계 방식을 통해 효과적인 제연을 제시하고 있다. 마찬가지로 경상남도 공동주택 지하 주차장 화재 예방 가이드라인(MOLIT, 2024)에서는 지하 주차장에서의 화재 발생 시 배연이나 제연을 위한 규정을 제시하고 있다. 따라서 지하 공동구를 대상으로 한 적정 배연을 위한 환기설비의 용량에 관한 설계가 필요하다.
지하 공동구 내의 화재를 모의하기 위한 연구들 중 상사 실험 등을 이용하는 것은 시간, 비용 등이 많이 소모되기 때문에 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 화재 발생 시 유동 현상, 온도 분포 및 화재 가스의 확산을 분석하는 연구가 많이 수행되었다(Kim et al., 2003; Liang et al., 2019; Mi et al., 2020; An et al., 2020). 하지만 기존 선행연구들에서는 길이가 200 m 이하의 단거리 구간을 대상으로 한 시뮬레이션을 수행하였으며, 지하 공동구 내의 구배, 공동구 내부의 기둥 등 구조적 특징에 따른 온도의 확산 분포에 관한 연구는 부족하였다. 또한 배기팬을 이용하여 공동구 내부의 환경을 조절하기 위한 다양한 연구가 수행되었다. Jin et al. (2014)은 지하 공동구 내 배기팬 설계기준인 공동구 내 최소 유속 2.5 m/s에 따른 배기팬 용량을 설계하였으나 화재 발생에 따른 배기팬 용량은 설정하지 않았고, Kim et al. (2017)은 화재에 따른 환기팬의 배연성능 만을 평가하여 적정 배연을 위한 배기팬 용량에 관한 연구는 부족하였다. Cho et al. (2023)은 장거리 구간 지하 공동구에서의 화재 발생 시, 구간별 배기팬의 배연 성능을 판단하였으나, 적정 배연을 위한 배기팬의 용량을 제시하지는 않았다. 따라서 본 연구에서는 지하 공동구 내부 화재 발생 시 환기 시스템의 사용 여부에 따른 열 및 연기의 확산 분포에 대하여 모의하였으며, 효과적인 배연을 위한 배기 팬의 적정 용량을 선정하였다.
본 연구에서는 화재 발생 시 지하 공동구의 적정 배연을 위한 배기팬 용량 설계를 위하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 청주시 청원구 오창읍에 위치한 지하 공동구의 각 구간별 화재 발생 상황을 모의하였다. 화재는 화재 성장의 기준의 되는 1 MW 규모로 하였으며, 화재가 충분히 확산된 상황을 가정하였다. 각 구간별 화재 위치에 따른 임계풍속을 계산하였으며, 배기 팬의 용량이 임계풍속의 110%가 넘길 수 있도록 배기팬의 용량을 설계하였다.
재료 및 방법
대상 시설
대상 공동구는 충청북도 청주시 청원구 오창에 위치한 지하 공동구이다. 전체 길이는 2,426 m로 수도구, 통신구, 전력구로 나누어져 10 m부터 35 m까지의 깊이로 설계되었다(Figure 1). 터널에서 화재 시 터널의 형태와 경사에 따라 연기의 유동 특성이 변화한다(Kim et al., 2008). 본 연구에서는 환기구 #6~#10까지의 영역을 대상으로 수치 해석을 진행하였다. 환기구 #6~#10까지의 영역은 대상 공동구 내에서 구배가 가장 심한 구역으로 환기구 #6~#7구간 사이에는 계단실이 존재하며, 환기구 #7 이후 구간은 전력구(Electricity cable line), 수도구(Water pipe line), 통신구(Telecommunication line)가 단일 상구배로 되어있다. 또한 환기구 #6 ~#7 구간의 경우 통신구와 수도구가 일부 구간 복선으로 이루어져 있어 다른 구간에 비해 복잡한 형태로 이루어져 있다. 검토 대상의 구배는 Figure 2와 같다.
환기 설비로는 총 10개의 입기구와 9개의 배기구가 교대로 설치되어 있으며, 입기구환기를 통하여 내부의 공기를 외부로 배출시킨다. 배기팬의 가동은 하절기에는 온습도 센서에 측정된 값을 기준으로 내부 온도가 25℃, 상대 습도가 80% 이상일 경우에 #6, #8, #10, #12 배기팬이 모두 작동하여 환기를 수행하고, 동절기에는 환기팬의 작동 없이 자연환기를 통한 환기를 원칙으로 한다.
전산 유체 역학(CFD)
전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 유체 흐름, 열, 전도 및 화학 반응을 분석할 수 있는 수치 해석 도구이다. CFD는 비선형 미분 방정식인 Navier-stoke 방정식을 지배 방정식으로 사용하며, 유한 차분법을 통해 수치 해석을 모의한다. 식 (1), (2), (3)은 Navier-stoke 방정식을 지배 방정식으로 한 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식이다.
여기서, 𝜌는 밀도, 는 유속, 는 압력, 는 스트레스 텐서, 는 외력, 은 질량, 는 전도도, 는 온도, 는 엔탈피, 는 시간 는 확산 는 엔탈피 증가이다.
본 연구에서는 공동구에서 화재가 발생했을 때 적절한 배연를 위한 배기팬 용량 설정을 위해 Fluent(버전 19.2, ANSYS Inc.) 프로그램을 사용하여 3D 격자를 설계하였다. 또한, 해석 대상에 대한 현장 조사를 통해 LiDAR 측정 자료를 CAD로 변환하였다. 해석 대상의 유동에 영향을 줄 수 있는 형상에 대한 검토를 통해 구성된 3차원 CAD를 바탕으로 해석 영역을 수치 해석에 적합한 격자로 구성하였으며 모든 영역에 걸쳐 고품질의 육면체 격자를 적용하였다. 격자는 6면체 격자를 이용하여 약 80만 개의 cell로 구성하였으며 최소 skewness는 0.72였다. 지하 공동구 내부의 공조시스템을 동일하게 구현하였으며, 화재 발생 모사를 위해 Figure 3과 같이 각 환기구 위치와 환기구 사이에 2개소를 균등하게 분할하여, 총 16개소 위치에 대하여 화원 적용을 위한 별도의 cell zone을 구성하였다. CFD 경계조건은 비 화재 시 평시 운전 상황에 대한 현장 조사 결과를 바탕으로 수치 해석에 필요한 조건을 적용, 측정 결과와 비교하여 계절 변화에 따른 상시 유동 조건을 반영할 수 있도록 입력값을 선정하였다. 온도 경계조건은 외기의 경우 각 계절의 대표 온도(하절기: 32℃, 동절기 0℃)를 적용하고 벽면은 지중온도(하절기: 15℃, 동절기 8℃)를 적용하였으며 유동 경계조건은 각 계절 평시 운영 조건에 따라 측정한 유속을 반영하는 입,출구부 압력, 유량 조건을 적용하였다(Cho et al., 2023). 또한 화재 발생에 따른 복사 해석은 반영되지 않았다.
Figure 3.
Location of fire sources by divide each section into three parts (a) Vent #6~7 (Water pipeline and telecommunication line) (b) Vent #7~8 (Water pipeline and telecommunication line) (c) Vent #8~9 (Water pipeline and telecommunication line) (d) Vent #9∼10 (Water pipeline, telecommunication line and electricity cable line)
CFD 모델 검증
본 연구에서 사용된 모델은 Park et al. (2022)에서 검증된 모델을 사용하여 연산하였다. 해당 모델은 배기 팬의 작동에 따른 실험 내부 유속과 실제 내부 유속 값의 비교를 통해 모델을 검증하였다. 지하 공동구 #6 배기팬의 가동에 따른, Standard k-epsilon, RNG k-epsilon, Realizable k-epsilon, Standard k-omega, SST k-omega 모델에서의 내부 유속을 측정하였고, 현장 실험 유속과 비교하여 가장 정확도가 높은 모델을 이용하였다. 내부 유속을 검증한 결과, R2 = 0.96, RMSE = 0.13의 높은 정확도를 나타낸 Standard k-epsilon 모델을 이용하였다(Figure 4). 다음으로 지하 공동구의 하절기와 동절기의 배기팬 가동을 고려한 각 배기구에서의 온도에 대하여 모델 경계조건 입력값에 대한 검증을 수행하였다. 하절기 환기팬 작동 조건과 동절기 배기팬 미 작동 조건에서 각 공동구 구간의 배기구 위치에 대한 현장 측정 및 시뮬레이션 연산 결과는 각각 0.47~4.06℃, 0.0~1.7℃의 차이를 나타내었다(Table 1). 하절기의 경우 배기구에서의 온도가 다른 구간과 비교하여 높으면 고온의 외부 공기가 유입되는 것을 의미하며, 동절기의 경우 배기구에서의 온도가 다른 구간과 비교하여 낮으면 저온의 외부 공기가 유입되는 것을 의미한다. 따라서 본 연구의 시뮬레이션 모델은 유속과 온도의 실측값과 연산 값의 오차가 각각 0.5 m/s, 4.06℃ 이내로 현장 측정치와 유사하다고 판단된다.
Table 1.
Average measured indoor air temperature and computed air temperature depending on season
배연 시 배기팬 용량 평가를 위한 case 선정
본 연구에서는 화재 발생 시 유동 해석을 위해 계절별(하절기, 동절기) 팬의 작동 유무에 따른 4가지의 경우에 대하여 수행하였다. 적정 배연을 위한 배기팬의 용량을 설정하기 위해 각 구간(#6~#10)에 대하여 구간별 지점에 따른 연기의 유동 경향을 평가하고, 기존 배기 팬의 성능을 평가하였다. 각 환기구 위치와 환기구 사이의 분할된 2개소의 위치에서 각각 화재가 발생하였다고 가정하고 시뮬레이션을 수행하였고 화재의 연기 확산 경향은 온도 확산 경향과 유사함을 가정하였다. 화재가 발생한 경우, 화재로 인해 발생한 공기가 가장 근접한 배기구를 통해 배출될 수 있도록 환기 계획을 수립하였으며, 내부 인원의 대피, 소방대원의 빠른 진입을 위한 배기팬들 간의 성능 간섭을 배제하기 위해 배연 요구 구간에 가장 인접한 1개만 작동을 계획하였다. 화재 상황에 대한 환기 시스템의 운영을 평가하기 위해 화재의 성장 기준이 되는 1 MW 규모로 한하였으며, 화재가 충분히 확산된 상황인 정상상태를 가정하였다(Choi, 2008). 즉, 화재의 확산은 고려하지 않았으며, 화재의 배연을 위한 환기 시스템의 역할을 대상으로 본 연구를 수행하였다.
배기 팬 용량 평가를 위한 기준
화재 발생 시 적정 배연을 위한 배기 팬의 용량을 평가하기 위해 적정 기준을 설정하였다. 일반적으로 터널에서 화재 발생 시 열 기류가 급격히 상승하므로 종 방향 기류가 작은 경우에 반대 방향으로 역류하는 현상인 Back layering이 발생한다. Back layering 현상을 방지하기 위해 화재 발생 시 성층화를 유지하면서 연기류의 역류 현상을 억제하기 위한 최소풍속을 임계풍속이라고 하며 본 연구에서는 임계풍속을 기준으로 배기팬의 용량을 설정하였다. 임계풍속은 화재 강도, 터널 높이, 터널 단면적에 영향을 받을 뿐만 아니라, 터널 폭과 화원 폭의 비, 도로상에서 화재의 높이, 터널 구배, 단면 형상에 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리 지침(MOLIT, 2024)에서는 임계풍속을 식 (4), (5), (6)으로 정의하였다. 배기 팬의 용량 설정은 해당 구간에서 기류가 임계풍속의 110%를 넘길 수 있도록 배기구의 면 풍속을 0.1 m/s씩 증가시켜 목표를 만족하도록 배기 팬 용량을 설정하였다. 또한 각 구간별 유속이 가장 작은 구간에서 발생한 화재를 대상으로 기존 배기 팬과 신규 배기 팬으로 배연을 수행할 경우, 배연되는 열의 온도 분포를 분석하여 해당 배기 팬의 용량을 검증하였다.
여기서, 는 임계풍속, 는 터널경사보정계수, 는 임계 Froude 수(=4.5), 는 중력 가속도, 는 화점에서 터널 천장까지의 높이(혹은 대표직경), 는 화재강도, 𝛽는 보정계수, 는 공기 초기 밀도, 는 초기 공기온도, 는 정압비열, 는 터널 단면적, 는 화점 온도, 는 터널 종단경사 이다. 공동구 구간의 높이는 모든 구간에서 2.1 m이며 보정계수𝛽는 도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리 지침(MOLIT, 2024)에서 제시한 0.5를 적용하였다.
결과 및 토의
공동구의 각 구간별 화재 위치에서의 임계풍속 및 목표 풍속 설정
각 화재 구간에서의 임계풍속과 목표 풍속은 Table 2와 같다. 각 구간의 임계풍속은 식(4), (5), (6)에서 확인할 수 있듯이 각각의 화재 위치에서의 따른 터널 단면적과 터널 종단경사에 영향을 받는다. 화재 위치 6-1-0, 6-2-0, 7-0, 8-0에서의 임계풍속 및 목표 풍속은 설정하지 않았다. 이는 해당 화재 위치가 배기구가 설치되어 있는 구간까지 이어져 있어 임계풍속 계산 시 터널 단면적()이 과도하게 크게 측정되어 임계풍속 계산에 적절하지 못하고, 해당 위치의 화재로부터 발생한 연기는 대부분 바로 앞의 환기구로 배연된다고 판단하였기 때문이다.
Table 2.
Critical wind speed and target wind speed in fire section
환기구 위치에 따른 배기팬 용량 평가
#6번 배기팬의 경우 대상 구간의 #6번, #7번 환기구 사이에서 발생한 화재에 대하여만 고려하였다. Table 3은 배기구의 면 풍속에 따른 환기구 #6번과 #7번 사이의 화재 위치에서 발생한 화재에 관하여 목표 풍속 및 위치 풍속을 나타낸다. 본 연구에서는 각 화재 위치에서의 목표 풍속을 만족시키는 최소한의 배기팬 용량을 설계하고자 하였다. 6-1, 6-2, 6-3구간의 경우 각 구간에 대하여 단면적, 구배, 중앙 벽의 유무 등 구조적 차이가 있어 각 화재 위치에서의 위치 풍속은 상이한 결과를 나타내었다. 따라서 배기팬의 면 풍속을 0.1 m/s씩 증가시켜 모든 화원에서 목표 풍속을 만족할 경우의 배기팬 용량을 설정하였다. #6번 배기팬의 면 풍속이 5.8 m/s일 때, 동절기의 경우 각각의 화재 위치에서의 목표 풍속을 만족하였으나, 하절기의 경우 화재 위치 6-2-2에서의 위치 풍속이 1.631 m/s로 목표 풍속을 만족하지 못하였다. 이는 6-1 구간과 6-2 구간 사이의 중앙벽이 설치되어 있어 이로 인한 난류가 발생하여 풍속이 작아지기 때문이다. 따라서 면 풍속을 5.9 m/s로 증가시켰고 위치 풍속이 1.704 m/s로 목표 풍속을 만족시켰다.
Table 3.
Velocity at fire location and target velocity according to fire location in fire section #6
신규로 선정한 배기팬의 용량 검증을 위해 화재 발생 시 기존 팬과 신규 팬의 배연에 따른 연기의 온도 분포를 비교·분석하였다. 위치 풍속이 가장 작은 구간은 배기팬의 영향이 가장 적은 구간으로 화재 발생 시 배연에 가장 취약한 구간이다. 따라서 해당 구간을 대상으로 신규 배기팬의 용량 검증을 수행하였다. 6번 구간의 경우 하절기 화재 위치 6-2-2 에서의 위치 풍속이 1.631 m/s로 가장 작았다. Figure 4에서는 화재 발생 시 위치 풍속이 가장 작은 구간에서 기존 배기팬의 작동에 따른 온도 분포를 통해 연기가 어떻게 배출되는지 나타낸다. 또한 기존 배기팬과 신규 배기팬의 작동에 따른 #6번 배기구로부터 #10번 배기구 사이 구간의 온도 분포를 비교하여 신규 배기팬의 배연 성능을 나타냈다. 기존 팬 작동 시 화재 위치 6-2-2 에서의 연기 흐름을 분석 한 결과, 연기가 #6번 배기구가 아닌 #5번 환기구까지 이어져 기존 배기팬의 용량이 부족하였다. 하지만 신규 팬을 적용한 결과 연기 대부분이 #6번 배기구로 배연되었다. 따라서 신규 적용 팬이 연기 배연에 효과적이었다(Figure 5).
#8번 배기팬의 경우, 배기구 전후 구간인 7번 구간부터 8번 구간에서 발생한 화재로부터의 배연에 모두 영향을 미치므로, 배기팬의 배연 용량 평가를 위해 7-1부터 8-2구간에서 발생한 화재를 모두 고려하였다. Table 4의 목표 풍속 및 위치 풍속을 확인한 결과, #8번 배기팬의 면 풍속이 7.8 m/s일 때, 하절기의 모든 화재 위치에서의 목표 풍속을 만족하였으나, 동절기의 경우 화재 위치 8-1에서 발생한 화재의 위치 풍속이 1.409 m/s로 목표 풍속인 1.412 m/s를 만족하지 못하였다. 따라서 면 풍속을 7.9 m/s로 증가시켰고 이는 동절기와 하절기 모든 화재 위치에서의 목표 풍속을 만족시켰다.
Table 4.
Velocity at fire location and target velocity according to fire location in fire section #8
신규로 선정한 배기팬의 용량 검증을 위해 위치 풍속이 가장 작은 구간에 대하여 화재 발생 시 기존 팬과 신규 팬의 배연에 따른 연기의 온도 분포를 비교·분석하였다. #7~8번 구간의 경우 동절기의 화재 위치 8-1에서의 위치 풍속이 1.409 m/s로 가장 작았다. 이는 환기구 #8번 ~ 9번 사이의 오목하게 형성된 구간으로 인해 #9번 환기구로부터 입기된 공기의 영향이 적기 때문이다. 기존 팬 작동 시 화재 위치 8-1에서의 연기 흐름을 분석한 결과, 연기가 #8번 배기구로 배연되는 것이 아닌 9번 환기구로 이어졌다. 하지만 신규 팬을 적용한 결과 연기 대부분이 #8번 배기구로 배연되었다. 따라서 신규 적용 팬이 연기 연기배출에 효과적이었다(Figure 6).
환기구 주변의 구조 형태에 따른 배기팬 용량 평가
7-0 위치는 급기구 위치로서 화재 발생 시 고온의 연기가 급기구로 역류하는 문제를 발생시킬 수 있는 특이 구간이다. 배기구를 통해 배연하는 일괄적인 운영을 위해 7-0 위치에서의 화재 발생 시 #6번 배기구와 #8번 배기구 중 적절한 한 개의 배기 팬을 작동하여 배연 하여야 한다. 환기구 #6번~7번, 환기구 #7번~8번 구간의 구배를 검토하였을 때, 구간의 경사 구배와 구조적 형상의 복잡한 구역의 #6번의 배기구보다 구배가 낮은 #8번 배기구를 사용하여 배기를 하는 것이 적절하다고 판단하였다. 이에 #8번 배기구에 신규 적용 팬의 용량을 적용하여 7-0 위치에서 화재가 발생하였을 경우, 기존 배기팬과 신규 배기팬의 배연에 따른 연기의 온도의 분포를 통해 배연이 적절히 이루어지는지 평가하였다. Figure 7은 7-0 위치에서 화재 발생 시 기존 팬을 사용하여 온도 분포를 통한 연기가 어떻게 배연되는지 나타낸다. 하절기에 기존 배기팬을 적용하였을 경우 #8번 배기구의 용량이 부족하여 연기가 #8번 배기구, #9번 환기구까지 이어졌다. 하지만 신규 팬을 적용한 후 온도 분포를 확인 한 결과(Figure 8), 연기가 #6번 배기구 #9번 환기구로 이어지지 않고 #8번 배기구를 통해 배연되었다. 동절기에 기존 배기팬을 적용하였을 경우, 발생한 연기가 #7번 환기구를 통해 유입된 저온의 공기에 의해 경사구배가 큰 #6~7번 구간으로 이동하여 #6번 배기구를 통해 배연되었으며, #6번 배기구의 용량이 부족해 배연되지 못한 연기가 #5번 환기구까지 퍼졌다(Figure 7). 하지만 신규 팬을 적용한 후 온도 분포를 확인 한 결과(Figure 8), 연기가 #6번 배기구가 아닌 #8번 배기구를 통해 배연되었다. 따라서 신규 적용 #8번 배기팬이 7-0에서 발생한 화재의 연기 배연에 효과적이었다.
결 론
본 연구에서는 지하 공동구에서 화재가 발생하였을 경우 각 적정 배연을 위한 배기팬의 용량을 설계하였다. 각 구간(#6~#10)에 따른 임계풍속을 계산하였으며, 임계풍속의 110%를 넘기는 목표 풍속을 설정하였다. 전산 유체역학을 이용하여 배기팬의 면풍속에 따른 각 화재 위치에서의 위치 풍속이 설정한 목표 풍속보다 크도록 배기팬의 용량을 설정하였다. 또한 기존 배기팬과의 비교를 통해 신규로 적용한 배기팬의 배연 성능을 평가하였다.
(1)#6번 배기구를 통해 배연을 수행한 결과 배기구의 면 풍속이 5.9 m/s일 경우 모든 화재 위치에서의 목표 풍속을 만족하였다. 또한 기존 배기팬은 통한 배연은 연기가 5번 구간까지 퍼지는 현상이 일어났으나 신규 배기팬을 적용하였을 경우에는 연기 대부분이 #6번 배기구를 통해 배연되었다.
(2)#8번 배기구를 통해 배연을 수행한 결과 배기구의 면 풍속이 7.9 m/s일 경우 모든 화재 위치에서의 목표 풍속을 만족하였다. 또한 기존 배기팬은 통한 배연은 연기가 #9번 구간까지 퍼지는 현상이 일어났으나 신규 배기팬을 적용하였을 경우에는 연기 대부분이 #8번 배기구를 통해 배연되었다.
(3)구조적 특이 구간인 7-0 위치에서의 화재는 #8번 배기구를 통해 배연되어야 한다고 판단하였다. 따라서 #8번 배기팬을 통해 배연을 수행한 결과 기존 팬을 이용하였을 경우에는 연기가 하절기 #9번 환기구, 동절기 #6번 배기구까지 이어졌으나, 신규 팬을 적용한 결과 연기 대부분이 #8번 배기구를 통해 배연되었다.
본 연구에서 설계한 배기팬의 용량은 지하공동구의 화재 발생 시 적정 배연을 통해 피난민의 대피와 소방대원의 초기 진입을 가능하게 하여 화재로 인한 피해를 최소화할 수 있다. 또한 화재 발생 후의 화재 피해 최소화를 위한 운영 정책으로도 활용될 수 있을 것이다.
