공동주택의 피난안전성 강화를 위한 배기시스템 활용 방안 연구
Application Plan of Exhaust Systems in Strengthening Evacuation Safety in Apartment Houses
Article information
Abstract
요 약
공동주택은 과학의 발전과 도시의 랜드마크적 상징성으로 점점 고층화 고밀화되어 가고, 입주민의 삶의 질 향상을 위해 각종 편의시설과 안전시설도 함께 발전되어 가고 있다. 그러나 통계자료에 의하면 공동주택은 사고 발생 대비 사상자가 높은 비중을 차지하고 있으며, 사상자의 주요 피해 원인은 심야 시간에 수면 상태에서 화재를 늦게 인지하여 연기에 의하여 많은 인명피해가 발생하고 있다. 공동주택에서 재실자의 연기피해를 최소화하기 위하여 실내에 별도의 배연 시설을 설치하는 것이 가장 최선의 방법이지만, 입주자의 경제적 부담을 줄이면서 현재 설치된 시설물을 활용하여 연기피해를 최소화하는 것이 공학적 입장에서 유용한 조치라고 판단된다. 검토 결과 전열교환환기방식과 주방공용배기방식을 선정하여 화재 시뮬레이션을 통하여 실증 여부를 검증하였다. 검증결과 피난허용시간(ASET)이 25층은 27 s, 35층은 30 s, 50층은 35 s가 향상되었다.
Trans Abstract
ABSTRACT
Apartment buildings are becoming taller and more densely populated with the advancements in science and the development of cities, Consequently, various amenities and safety facilities are being developed to improve the quality of life for residents. However, according to statistics, the number of casualties in apartments accounts for a high proportion of accidents, and the leading cause of the casualties is smoke emitted from fires while sleeping at night. Although it is best to install separate indoor facilities in apartments to minimize smoke damages to occupants, it is useful to minimize the smoke damages by utilizing the installed facilities while reducing the financial burden of occupants. Based on the review, the heat exchanger ventilation system and the kitchen collective exhaust system were selected, and the feasibility of these systems was verified through fire simulation. From the verification results, the available safe egress time improved by 27, 30, and 35 s on the 25th, 35th, 50th floors, respectively.
1. 서 론
우리나라의 주거시설은 전통적인 한옥 중심의 가옥구조에서 현재는 공동주택이 대표적인 주거시설이 되었으며, 2016년 인구주택 총조사에 의하면 전체 주택 중에서 아파 트의 비중은 59.9%이지만 연립과 다세대주택을 포함한 공동주택의 비중은 74.5%를 차지하여 우리나라 국민의 2/3가공동주택에 거주하고 있다. 공동주택은 인구의 도시집중과건축기술의 발달로 고층화, 대형화, 복잡화되어 현재는 30층이 넘는 초고층 공동주택의 건축도 계속 증가하는 추세 에 있다. 공동주택의 고층화는 입주자의 안전성과 쾌적성을 최우선으로 고려하여야 한다. 그중에서도 안전성은 자연적 또는 인위적 위험으로부터 입주자를 보호하기 위하여 가장 중요한 요소이며 이런 안전성 중에서 입주자에게 가장 위협적인 위험요소는 화재위험이라 할 수 있다. 국내 화재발생 현황을 보면 공동주택에서 화재발생은 전체 화재대비 26%정도이지만 사망자 발생율은 전체 사망자 대비 46% 수준으로(1), 실질적인 인명안전설계가 아직도 미흡한 실정이라고 할 수 있다. 이에 본 논문에서는 공동주택의 화재위험성을 통계적으로 분석한 후 인명피해를 줄이는 방안을 모색하여 시뮬레이션을 통하여 적용 가능 여부를 검토하고자 한다.
2. 본 문
2.1 공동주택의 화재위험성(1,2)
공동주택의 화재 위험성을 정량적으로 평가하기 위하여 화재 통계자료를 분석하였다.
분석 결과, 화재 발생 주요 요인으로 부주의에 의한 화재 발생이 가장 높게 나타났으며, 부주의한 주된 요인은 담배꽁초가 가장 높고, 다음으로 주방에서 음식물 조리 중 화재가 높게 나타났다.
화재 시 사상전 인적상태로는 수면 중의 상태가 34%로 가장 높고 물적 상태로는 연기로 인한 피난 불가의 상태가 가장 높게 나타났으며, 2015년부터 2019년까지 사상전 인적 및 물적 상태는 Table 1과 같다.
Material and Human Condition Before One's Death and Hurt (2015∼2019 year) (Unit: Number of Cases)
화재 시 사상원인으로는 연기 및 열에 의한 사상 건수가 87%로 가장 높게 나타났으며, 2015년부터 2019년까지 주요 사상 원인별 분류는 Table 2와 같다.
Cause of One's Death and Hurt (2015∼2019 year) (Unit: Number of Cases)
화재 현황을 통계적으로 분석한 결과 화재 시 인명피해의 주요 요인은 야간에 화재가 발생 되었을 때 재실자가 수면 상태에서 화재를 늦게 인지하여 발생되는 연기에 의하여 피난로를 확보하지 못하여 연기 및 열에 의하여 사상자가 많이 발생되는 것으로 분석되었다.
2.2 공동주택의 피난안전성 강화
2.2.1 공동주택의 피난안전 방안
공동주택에서 화재 발생시 인명피해를 줄이는 방법은 재실자가 화재 최성기에 도달하기 전 골든타임내에 실내에서 대피하여 안전구역으로 피난하는 것이다. 특히 심야 시간에 화재가 발생되면 재실자는 수면중의 상태로 화재를 늦게 인지하여 발생되는 연소 가스에 의하여 피난안전을 확보하지 못하기 때문에 화재 발생시 연기에 의한 피난시간을 최대한 확보하는 것이 재실자의 피난 안전성을 강화하는 방법이다.
공동주택의 연기에 의한 화재피해를 방지하기 위하여 세대 내에 배연 시설을 새롭게 설치하는 것이 가장 좋겠지 만, 기존에 설치된 환기 또는 배기시설을 활용하여 배연 성능을 일정 부분 확보할 수 있다면 기기의 효율성이나 경제성 면에서 훨씬 의미있는 일이라고 판단된다. 따라서 현재 공동주택 내에 설치된 환기 및 배기시설을 활용한 연기배출을 통해 재실자의 피난허용시간(ASET)을 확대하고자 한다.
2.2.2 공동주택의 환기설비
공동주택은 ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣에 의하여 신축 또는 리모델링하는 주택에 대하여 100세대 이상의 공동주택의 경우에는 시간당 0.5회 이상의 환기가 이루어질 수 있도록 자연환기설비 또는 기계환기설비를 설치하여야 하며, 현재 공동주택에 주로 적용되고 있는 환기 방식은 기계환기방식을 많이 사용하고 있다.
자연환기방식은 건물 외벽체 부근에 급기구 및 배기구를 설치한 후 건물 내부와 외부의 온도차에 의한 압력차와 풍압에 의한 기류이동을 이용하여 환기하는 방식이다. 자연환기방식은 외기의 온도, 바람의 속도와 방향 등에 의하여 많은 영향을 받는 특성으로 실내에 필요 환기량을 일정하게 유지할 수 없고, 화재시 연기를 자연배출구를 통하여 배출하고자 할 때 외부에서 역풍이 유입되면 실내 화재 발생 장소에 산소를 공급하게 되어 역으로 화재를 확산시킬 위험이 있기 때문에 자연배출구는 연기배출구로 활용하는 대상에서 제외하였다.
기계환기방식은 건물 외벽체에 급기팬과 배기팬을 설치한 후 기계력을 이용하여 환기하는 방식이다. 기계환기방식은 외기의 조건에 영향을 받지 않고 실내에 필요한 환기량을 일정하게 유지할 수 있으며 급기와 배기를 본래의 목적에 맞게 제어가 가능한 방식이다. 또한 공동주택 등과 같이 실내 난방이 이루어지고 있는 공간에서 실내 환기를 할 때 실내의 배기되는 폐열을 외부의 급기되는 신선 공기에 예열로 활용함으로써 에너지를 절감하면서 환기를 할 수 있다는 장점이 있다(3). 공동주택에 적용되고 있는 기계환기방식은 기계1종 환기의 열회수방식과 기계2종 환기의 바닥열방식을 사용하고 있는데, 바닥열방식은 배기를 자연배기로 하는 2종 환기방식으로 화재시 연기배출에 제약적인 요건들이 많이 있기 때문에 검토대상에서 제외하고, 급기 및 배기를 기계적으로 하는 1종 환기방식의 전열교환환기방식을 중심으로 연기배출을 검토하고자 한다.
전열교환환기방식의 용량은 필요 환기량에 최대 풍량과 정압손실 및 여유율을 감안하여 선정한다. 공동주택의 대표적인 평형인 84 m2을 기준으로 전열교환기의 용량을 계산하면 다음과 같다.
2.2.3 공동주택의 배기설비
공동주택은 ｢주택건설기준 등에 관한 규정｣에서 주택의 부엌ㆍ욕실 및 화장실에는 바깥의 공기에 면하는 창을 설치하거나 배기설비를 설치하도록 하고 있으며, ｢주택건설기준 등에 관한 규칙｣에서 부엌에 설치하는 배기구에는 전동환기설비를 설치하도록 규정하고 있다. 현재 공동주택에 주로 적용되는 주방배기방식은 세대별 단독배기방식(단독배기방식)과 공용배기방식으로 구분되며, 공용배기방식은 작동방식에 따라 개별 배기덕트형 배기방식(개별배기방식)과 공용 배기덕트형 배기방식(공용배기방식)으로 구분되는데, 단독배기방식은 실내의 오염물질을 배출할 때 각 세대에 설치된 배출구를 통하여 세대별로 직접 옥외로 배출하는 방식으로 화재 시 연기를 외부로 배출할 때 기압 및 외기조건에 따라 배출 효과가 영향을 받을 수 있어 검토 대 상에서 제외하였다.
개별배기방식은 세대마다 내장형 전동기 및 송풍기가 장착된 레인지후드로 풍량을 조절하여 배기하는 방식으로 화재 시 연기를 공용 PD 내로 배출하게 될 때 각층 세대에 연기의 역류 방지를 위한 중앙통제장치가 결여되어 인접 세대에 화재 피해를 확산할 우려가 있어 검토 대상에서 제외하였다.
공용배기방식은 세대마다 송풍기는 없고 정풍량댐퍼 및 역류방지 전동댐퍼가 설치된 레인지후드로 옥상에 설치된 한 대의 정정압 환기장치로 여러 세대를 제어하는 배기 방식으로 화재 시 연기를 정정압 환기장치를 이용하여 배출하면서 관리시스템으로 중앙콘트롤이 가능한 방식으로 연기 배출시설로 검토하고자 하였다.
주방공용배기방식의 공용 배기팬의 용량 산정은 레인지후드의 배기량에 동시 사용율과 부하손실 등을 감안하여 층별 세대수에 의하여 산출하며, 주요 층수별 배기량은 Table 3과 같다.
Calculate the Capacity of the Roof Pan (Unit: m3/h)
배기용량(Q) = 세대수 × 세대당 주방배기량 × 동시 사용율 × 부하손실(5)
세대당 주방배기량: 주방 필요 환기량 193 m3/h + α≒ 200 m3/h
동시 사용율: 취사용 도시가스 동시 사용율 적용
부하손실: 30% 적용
2.3 공동주택내 제연 겸용 설비
2.3.1 제연겸용 전열교환환기방식
전열교환환기방식은 개방형 디퓨져를 각 방에 설치하여 세대 내 전실을 전체 가동 및 정지하는 전실환기방식과 조절형 디퓨져를 각 방에 설치하여 각 실별로 가동 및 정지하는 실별환기방식으로 구분된다. 전열교환환기방식을 제연 겸용으로 활용하기 위하여 실내에서 화재가 발생되었을 때 화재실에서는 환기가 작동되고 다른 실에서는 환기가 작동되지 않아야 한다. 실별환기방식은 환기 운전 및 환기 풍량 조절이 실별로 가능하기 때문에 제연 겸용으로 활용이 가능하고, 전실환기방식도 각 실에 모터댐퍼를 부착하여 콘트롤하면 실별 환기가 가능하여 제연 겸용으로 활용이 가능하다.
제연겸용 전열교환환기방식을 구성하기 위하여 화재감지시스템과 제어반을 추가 설치하는 것으로 한다. 화재감지 시스템은 기존에 설치된 연기감지기의 센서를 이용하거나 CO 또는 CO2 감지기를 별도로 설치하여 화재를 감지하도록 한다. 제어반은 화재감지기에서 신호가 감지되면 화재실 배기구와 환기유닛이 연동하여 연기를 배출하도록 제어하는 중앙콘트롤 역할을 수행한다.
제연겸용 전열교환환기방식의 작동은 평소에는 환기유닛을 통하여 실내의 오염된 공기와 신선한 외기를 열교환하여 실내에 신선한 공기를 공급한다. 화재시에는 화재감지기에 의하여 화재가 감지되면 화재발생 구역의 배기구만 개방되고 다른 구역의 배기구는 차단하여 발생된 화재연기를 환기유닛의 바이패스 기능을 이용하여 외부로 배출한다. 제연겸용 전열교환환기방식의 환기 및 화재 시 동작 개요는 Figure 1과 같으며 작동 방법은 Table 4와 같다.
Operation of heat exchanger ventilation system using both smoke emission facilities.
Method of Operation of Heat Exchanger Ventilation System using Both Smoke Emission Facilities
2.3.2 제연겸용 주방공용배기방식
주방공용배기방식의 옥상층에 설치된 공용의 루프팬은 상시 저속 회전하여 AD 내부를 음압 상태로 유지하고 있으며, 재실자가 레인지후드의 풍량을 선택하면 덕트에 설치된 모터댐퍼가 개방되고, 기계실에서는 댐퍼 개방에 따른 압력 불균형(차압)을 감지하여 초기 음압 상태로 복귀하기 위해 팬 회전수를 비례 제어함으로써 배기 풍량을 확보하는 방식이다. 이 방식은 각 세대의 배기 풍량을 중앙기계실에서 비례 조절하여 운전하는 특성으로 실별 배기가 가능하여 제연겸용으로 활용하고자 한다.
제연겸용 주방공용배기방식을 구성하기 위하여 화재감지기, 배기구, 방화댐퍼, 플렉시블덕트, 방연댐퍼, 제어반 등을 설치하며 주요 기능은 다음과 같다.
화재감지기는 실내에서 화재 발생을 감지하기 위하여 설치하는 시설로서 기존에 설치된 연기감지기의 센서를 이용하거나 CO 또는 CO2 감지기를 별도로 설치하여 화재를 감지하도록 한다. 배연구는 화재 발생 시 배연 통로의 역할을 하는 그릴창으로 화재 발생 시 화재 플럼이 상부층으로 집적되는 것을 감안하여 주방의 천정면에 부착하도록 한다. 방화댐퍼는 기존 주방에 설치된 댐퍼와 동일하게 철판(t = 1.6 mm 이상)으로 퓨즈 용융온도는 103 ℃에서 작동(6)하는 것으로 한다. 방연댐퍼는 평소에는 닫혀있는 상태로 기밀을 유지하여야 하며, 화재 시에는 화재 발생층만 댐퍼 가 개방되고 나머지 세대는 기밀을 계속 유지하여 연기 역류 등이 발생되지 않도록 하여야 한다. 제어반은 실내에서 화재 발생시 화재감지기에서 신호가 감지되면 방연댐퍼 및 옥상루프팬과 연동하여 연기를 배출하도록 제어하는 중앙콘트롤 역할을 수행하도록 한다.
제연겸용 주방공용배기방식의 작동은 평소에는 조리과정에서 발생하는 연기 및 취기 등을 레인지후드와 배기덕트를 이용하여 옥외로 배출한다. 화재 시에는 화재층의 방연댐퍼는 100% 개방되고, 다른 층은 배기 및 배연기능을 정지한 후 옥상 루프팬의 최대 풍량으로 화재층의 연기를 단독으로 배출하도록 한다. 연기를 배출한 이후에는 배기 및 배연 측 모터댐퍼를 완전히 폐쇄한 후 옥상층에서 워터제트 등을 이용하여 공동덕트 내부를 청소하고, 청소후에는 공용 루프팬을 최대로 가동하여 청소 용제가 세대로 역류되지 않도록 주의하여 운전한다. 제연겸용 주방공용배기방식의 환기 및 화재 시 동작 개요는 Figure 2와 같으며 작동 방법은 Table 5와 같다.
Operation of kitchen collective exhaust system using both smoke emission facilities.
Method of Operation of Kitchen Collective Exhaust System using Both Smoke Emission Facilities
3. 시뮬레이션 구현
3.1 시뮬레이션 대상
시뮬레이션에 적용되는 공동주택의 평형은 가장 보편적인 84 m2를 대상으로 설정하며, 적용 모델은 한국토지주택공사의 ○○지구로서 분양면적 84 m2의 두세대 조합 계단형 아파트를 대상으로 한다. 시뮬레이션에 적용되는 공동주택의 층수는 고층, 준초고층, 초고층으로 구분되는 25층, 35층, 50층을 기준으로 설정(7)하였다. 시뮬레이션 대상 평면도와 화재 발생에 따른 점검 포인트는 Figure 3과 같다.
Simulation building floor plan.
3.2 시뮬레이션 수행조건
시나리오는 공동주택에서 화재 발생 시 ｢세대내 유입 공기 배출시설이 없을 때 피난 안전성｣과 ｢제연겸용 전열교환환기방식과 주방공용배기방식을 배출시설로 활용하였을 때 피난 안전성｣에 대하여 설정하였으며, 시나리오 설정 현황은 Table 6과 같다.
Scenario Settings
화재발생 위치는 공동주택은 화재가 주방에서 가장 많이 발생되고 있기 때문에 주방화재를 대상으로 하였다. 급기량은 출입문이 닫혀있을 때는 누설량으로 출입문이 열려있을 때는 보충량을 기준으로 하며, 배기량은 제연겸용 전열교환환기방식과 제연겸용 주방공용배기방식을 같이 작동하였을 때 배기량에 안전율을 감안하여 수행하였다. 시뮬레이션에 필요한 급기량과 배기량의 선정 현황은 Table 7과 같다.
Supply Volume and Exhaust Volume (Unit: m3/h)
검증을 위하여 화재 시뮬레이션으로 파이로심(Pyrosim)과 피난 시뮬레이션으로 패스파인더(Pathfinder)를 사용하여 수행하였다. 파이로심(Pyrosim)은 미국 National Institute of Standards and Technology (NIST) 산하 건축화재연구소 Building and Fire Research (BFRL)에서 개발한 화재프로그램으로, 입력사항을 수작업으로 준비하는데 필요한 시간의 일부만을 이용하여 신뢰성 있는 모사를 만들어 내는 기능을 제공해 준다. 패스파인더(Pathfinder)는 미국의 Thunderhead Engineering 에서 개발한 건물의 피난 소프트웨어로 보행자의 인체치수 및 보행속도 등을 고려하여 3D 시각화를 포함한 정보를 제공해 준다.
제연겸용 환기 및 배기 시스템의 실제적 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션 수행조건은 Table 8과 같다.
Conditions for Performing Simulation
3.3 화재시뮬레이션 결과 분석
시뮬레이션 결과 피난완료시간(RSET)은 배연 시설이 없을 때와 배연 시설을 설치할 때 37 s로 동일하게 나타났지만, 피난허용시간(ASET)은 배연 시설이 없을 때 4분이었으나 배연 시설로서 전열교환환기방식과 주방공용배기방식을 사용하였을 때 25층은 27 s, 35층은 30 s, 50층은 35 s 정도가 연장되었다.
피난완료시간(RSET)이 낮게 나타난 것은 화재실에서 피난 지연시간(2 min∼4 min)은 감안하지 않고 감지기 지연시간 26 s만 감안하여 시뮬레이션을 수행한 결과이며, 특히 재실자가 수면이나 음주 등의 상태에 의한 피난 지연시간 을 시뮬레이션에 임의로 반영할 수 없어서 낮게 나타난 결과로 분석된다.
공동주택내 화재 피해를 줄이기 위하여 피난완료시간(RSET)을 정확히 산출하여 화재 안전성을 강화하는 것도 중요하지만, 피난허용시간(ASET)을 현재 공동주택내에 설치되고 있는 시설물을 이용하여 조금이나마 연장할 수 있다면 공동주택의 화재 안전성 강화를 위하여 의미있는 일이라고 생각된다. 시뮬레이션의 주요 결과는 Table 9와 같으며, 화재 시뮬레이션 결과는 Figure 4이며 피난 시뮬레이션 결과는 Figure 5와 같다.
Simulation Results
Perform fire simulation (Smoke propagation over time).
Perform evacuation simulation.
4. 결 론
공동주택에서 화재 발생시 인명피해를 줄이기 위하여 연기배출로 활용 가능한 전열교환환기방식과 주방공용배기 방식에 대하여 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 검증 결과 공동주택내에 제연겸용 환기 및 배기 시스템을 적용 하였을 때 예상되는 개선 효과는 다음과 같이 나타났다.
첫째, 재실자의 피난허용시간(ASET)을 증가시켜 준다. 공동주택내에 배출시설을 활용할 때 피난허용시간(ASET)이 25층은 27 s, 35층은 30 s, 50층은 35 s 정도가 연장되어 재실자의 피난 안전성을 증진시켜 준다.
둘째, 화재 초기 골든 타임(Golden time)을 확보할 수 있다. 공동주택 내에 배출시설을 활용하여 30 s 정도의 피난허용시간(ASET)을 연장할 수 있다면 결코 짧은 시간이라고 간과할 수 없는 소중한 시간으로 화재시 재실자의 인명피해를 줄이는 골든타임을 확보하는데 많은 도움이 될 것으로 생각된다. 공동주택 세대 내에서의 피난시간이 30 s 이내임을 감안하면 이러한 피난허용시간의 추가적인 확보는 피난안전에 기여하는 바가 크다고 볼 수 있다.
본 연구에서는 공동주택의 제연성능 강화를 위하여 기존에 설치된 환기 및 배기 시스템을 활용하여 연구를 진행하였다. 앞으로 공동주택 층수에 적합한 환기 및 배기 시스템 등을 후속적으로 연구하여 현장에 적용한다면 공동주택에서 화재 발생시 연기피해에 의한 사상자를 줄이는 데 많은 도움이 될 것으로 생각된다.