A Study on the Development of Fire Alarm System with Evacuation Lighting and Voice Alarm Functions

피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템 개발에 관한 연구

Abstract

This study investigated the development of a fire alarm system with evacuation lighting and voice alarm functions. The performance of a fire detector and system with independently built-in evacuation lighting and voice alarm functions was confirmed for early recognition of fire and to allow visibility of the evacuation route in the event of fire. This new system satisfied model recognition and product testing technological standards with 1.62 lx average illumination, 89.7 dB average sound and 86.1 dB average voice. From additionally testing the evacuation performance of this new system, it was confirmed that the evacuation time decreased by 63.08% to 67.82% under the experimental conditions compared to conventional systems. The new system can minimize fire damage by setting off voice alarms to prevent failure of fire recognition and by flashing emergency lighting to secure the minimum required visibility range for evacuation. Therefore, it is considered that it will be utilized as a fire alarm system with appropriateness and usefulness by considering people with hearing or visual impairment.

본 논문은 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템 개발에 관한 연구이다. 기존 화재감지기에 화재시 피난성능향상을 위해 가장 중요한 화재조기인지 및 피난시야확보가 가능하도록 피난조명 및 음성경보 기능을 자체적으로 내장한 화재감지기 및 시스템을 개발하여 성능을 확인하였다. 개발된 시스템의 경우 평균조도가 1.62 lx, 평균음향 89.7 dB, 평균음성 86.1 dB로 형식승인 및 제품검사 기술기준을 만족하는 것으로 나타났다. 추가적으로 개발된 시스템을 이용한 피난성능실험결과 본 실험조건에서 기존시스템보다 63.08%에서 67.82%까지 피난시간이 단축되는 것으로 나타났다. 개발된 시스템의 경우 자체 음성경보를 통해 화재인지 실패를 방지하고, 비상조명 점등을 통해 최소한의 피난을 위한 가시거리를 제공함으로써 화재피해를 최소화할 수 있고, 화재취약계층인 청각장애인 및 시각장애인까지 고려함으로써 당위성 및 효용성을 갖춘 화재경보시스템으로 활용될 것으로 생각된다.

1. 서론

소방청 국가화재정보센터 E-화재통계에 따르면 2017년총 44,718건의 화재가 발생하였고, 인명피해는 2,179명(사망 345명, 부상 1,852명)으로 나타났다. 화재로 인한 인명피해 중 사망자 수의 경우 주거공간화재에서 201명으로 전체 사망자수의 58.3% 차지하면서 가장 높게 나타났고, 그 다음으로 비주거 공간 80명(23.2%), 자동차 및 철도차량 31명(9.0%), 임야 20명(5.8%), 기타 10명(2.9%), 위험물 및 가스 제조소등 2명(0.6%), 선박 및 항공기 1명(0.3%) 순으로 나타났다⁽¹⁾. Figure 1은 사망자 수가 가장 높게 나타난 주거공간화재(이하 ; 주택화재)를 시간대별로 세부적으로 분석한 것이다. 시간대별 화재발생률은 12∼18시 사이 33.1%로 가장 높게 나타났고, 그 다음으로 18∼24시 사이 27.5%, 6∼12시 사이 24.2%, 0∼6시 사이 15.2%로 순으로 활동량이 많은 오후 시간대에 화재발생률이 높게 나타났다. 반면, 사망자 발생률은 0∼6시 사이 28.4%로 가장 높게 나타났고, 그 다음으로 18∼24시 사이 26.9%, 6∼12시 사이 25.9%, 12∼ 18시 사이 18.9%로 순으로 휴식 및 취침이 이루어지는심야 및 야간에 사망자발생률이 높게 나타났다. 특히, 심야시간인 0∼6시 사이 화재발생률 대비 사망자발생률이 크게 증가되는 것을 확인할 수 있었다⁽¹⁾.

Figure 1. Fire rate and death rate by time in housing fire.

이와 같이 심야 및 야간 주택화재로 인한 사망자 발생률이 높은 원인을 분석해보면 휴식 및 취침 중 화재가 발생할 경우 조속한 화재인지가 불가능하고, 취침 소등으로 인한 암흑화 및 화재로 인한 패닉 등 다양한 원인에 기인한 것으로 생각된다. 또한, 화재로 인해 주택 내 전기설비의 전원이 차단될 경우 한치 앞도 볼 수 없는 최악의 상황에노출되면서, 피난을 위한 최소한의 시야도 확보할 수 없기 때문에 피난실패 가능성이 더욱 높게 나타날 수 있다. 게다가 ｢화재예방, 소방시설 설치 ․유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령｣⁽²⁾ 별표 5에 의거하여 비상방송설비 설치대상에서 제외되는 주택의 경우 화재경보방식 대부분이 복도에 설치된 경종을 통해서만 화재발생을 알리기(3) 때문에 실내거주공간까지 화재경보전달의 효용성 문제가 제기되고 있다. 즉, Lee^(4-6), Roh⁽⁷⁾의 기존 연구논문에 의하면 실내는 방화문 및 각종 문으로 인한 구획 및 쾌적한 주거 환경을 위한 차음기능 등으로 인해 화재경보음이 크게 감쇄되는 것으로 나타났다. 특히, 취침 중 화재경보인지는 낮보다 어렵기 때문에 조속한 화재인지를 위한 대책이 강구되어야 한다. 또한, 현재 주거공간에 적용되고 있는 화재경보시스템의 경우 화재취약계층인 청각장애인 및 시각장애인을 고려한 화재경보시스템은 미비한 실정이다. 이에 따라 주택화재의 피해경감을 위해서는 실용적이며, 효용성 및 당위성을 확보하고, 화재취약계층까지 고려할 수 있는 화재경보시스템의 개발이 필요하지만 대부분 사물인터넷(IoT) 등의첨단기술 구현에 주목을 두고 기본적인 성능개선에 대한 연구는 부족하다. 즉, 현재 건축물의 화재피해저감을 위해 적용되고 있는 소방설비 중 가장 많이 설치되어 사용 중에 있는 화재감지기의 성능개선을 통해 화재안전측면에서 인명피해 저감이라는 가장 필수적인 화재안전 대책을 강구할 수 있으나, 현재 화재감지기는 단순 화재감지용으로 사용될 뿐 그 이상의 성능개선이 되고 있지 않다.

따라서 본 연구에서는 화재 시 피난성능향상을 위해 가장 필수적인 기능인 피난조명 및 음성경보 기능을 자체적으로 내장한 화재경보시스템을 설계 ․제작하고 그 성능을 확인하였다.

2. 개발 시스템 개요

Figure 2는 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 기존 화재경보시스템의 경우 화재 시 작동된 화재감지기의 상태를 알리는 작동표시용 LED가 점등되지만, 점등된 LED를 통한 피난시야확보는 불가능하며, 단독경보형감지기를 제외한 기존 시스템으로 연결되는 화재감지기의 경우 음향(음성)기능을 내장하고 있지 않기 때문에 화재 시 자체경보 기능은 전무하다. 반면, 본 연구에서 개발한 화재경보시스템의 경우 화재시 피난성능향상을 위한 필수요소인 조기화재인지 및 피난시야확보가 가능하도록 화재감지기에 피난조명 및 음성경보 기능을 자체적으로 내장하도록 설계하였다. 화재가 발생하면 수신기에서는 설정된 온도 또는 연기 농도의 감도조건에 작동된 감지기를 통해 화재발생위치를 확인하고, 중계기를 통해 해당 감지기에 출력신호를 송출하면, 감지기는 자체 내장된 피난조명용 고휘도 LED가 점등되어 최소한의 피난시야를 제공하고, 동시에 내장된 스피커를 통해 자체적인 음성경보를 실시하여 피난개시를 알리게 된다. 추가적으로 기존 아날로그식 주소형 시스템에 적용된 전력선 통신 기술을 새롭게 설계하여, 작동된 감지기를 기준으로 동일 경계구역 내에 루프(loop)상 연결된 10개의 감지기들이 동시에 자체 내장된 피난조명점등 및 음성경보가 이루어지도록 시스템적으로 연동기능을 부여하였다. 본 연구에서는 감지기 작동 시 전력소모 증가문제를 고려하여 경계구역 당 동시 작동개수를 작동감지기를 제외한 10개로 제한하여 설계하였다.

Figure 2. Conceptual diagram of fire alarm system.

3. 시스템 설계 및 제작

Figure 3은 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템의 시스템 블록도 및 개발된 시제품을 나타낸 것이다. Figure 3(a)은 화재감지기의 블록도로서 주소 설정부, 감지부, 음성경보부, 피난조명부, 메인부, 충전부, 데이터 전송부로 총 7개의 파트로 구성되어 있다. Figure 3(b)은 중계기의 블록도로서 출력부, 표시부, 입력부, 메인부, 통신부, 전원부로 총 6개의 파트로 구성되어 있다. Figure 3(c)은 화재수신기의 블록도로서 기존 T사의 R형 모듈은 그대로 사용하였고, 추가적으로 표시부(GUI), 메인모듈, 전원 모듈, 인터페이스 모듈은 새롭게 수정하였다. Figure 3 (d)은 개발된 시제품의 사진을 나타낸 것으로 중계기와 수신기의 경우 기존의 케이스 및 금형은 그대로 사용하였고, 감지기의 경우 피난조명 및 음성경보를 위해 3D 프린터(Replicator Z18, Makerbot Co., USA)를 이용하여 케이스를 새롭게 설계·제작하였다. 또한, 개발된 감지기는 아날로그식 열 ․연기감지기로써 국내에서 가장 보편적으로 사용되는 공칭감지온도 35∼75 ℃ 온도범위를 가지는 아날로그식 정온식감지기와 공칭감지농도 0∼15% 연기농도범위를 가지는 아날로그식 광전식감지기로 설계 ․제작하였다. 개발된 중계기는 입력 4, 출력 4의 아날로그식 중계기로 설계 ․제작하였고, 개발된 수신기는 아날로그식 GR형 복합식수신기로 설계 ․제작하였다.

Figure 3. System block diagram and prototype.

평상시 감지기의 데이터가 중계기를 거쳐 수신기로 들어오게 되며, 수신기에서는 감지기로부터 들어오는 온도또는 연기 데이터를 분석하여, 설정된 화재경보 온도 또는 연기농도가 되었을 때, 중계기를 통해 감지기의 피난조명 및 음성경보 기능을 구현하도록 설계하였다. Figure 4는 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템의 수신기와 통신이 이루어지는 감지기 및 중계기의 프로토콜 및 신호파형의 예를 나타낸 것이다. Figure 4 (a)는 감지기의 프로토콜을 나타낸 것으로 총 11 byte (121 bit)의 크기를 가지도록 설계하였고, # (1 byte)는 감지기 통신설정(Rx, Tx), G (1 byte)는 통신명령 시작, AD (2 byte) 주소설정, C(1 byte)는 제어설정(열/연기 설정, 음성출력 ON/OFF 설정등), TSD (3 byte)는 온도 또는 연기 데이터, CS (2 by te)는 데이터 확인(Data checksum), 0x0D (1 byte)는 데이터 종료로 설정하였다. 또한, 1 byte당 11 bit로 구성하여 Start 1 bit는 시작을 알리는 Low pulse (45 μs), Data 8 bit는 1을 나타내는 High pulse (45 μs)와 0을 나타내는 Low pulse (45 & mu;s), end 2 bit는 끝을 알리는 High pulse (45 μs + 45 μs = 90 & mu;s)로 설정하였다. Figure 4 (b)는 중계기의 프로토콜을 나타낸 것으로 총 8 byte (80 bit)의 크기를 가지도록 설계하였고, $(1 byte)는 중계기 통신설정(Rx, Tx), G (1 byte)는 통신명령시작, AD (2 byte) 주소선택, C (1 byte)는 제어 설정(감지기비상조명 및 음성경보 ON / OFF 설정, 화재 LED ON /OFF 설정 등), CS (2 byte)는 데이터 확인(Data checksum), 0x0D (1 byte)는 데이터 종료로 설정하였다. 또한, 1 by te당 10 bit로 구성하여 Start 1 bit는 시작을 알리는 Low pulse (45 μs), Data 8 bit는 1을 나타내는 High pulse (45 μs)와 0을 나타내는 Low pulse (45 μs), End 1 bit는 끝을 알리는 Highpulse (45 μs)로 설정하였다. Figure 4 (c)는 감지기 프로토콜중 AD (2 byte) 주소설정부의 신호파형 예를 나타낸 것으로첫 번째 1 byte는 십의자리 두 번째 1 byte는 일의 자리를 나타낸 것이다. 먼저, 십의 자리 신호파형은 00000110011로 이중 Start bit (0)와 End bit (11)를 제외하면 00001100의 주소 데이터가 되고, 이 데이터를 역으로 표현하면 00110000이 된다. 여기서 첫 번째 0을 제외하면, 0110000으로 ASCII code 값에 의거하면 “0”이 된다. 일의 자리 신호파형은01100110011로 십의 자리와 동일하게 계산과정을 거치면ASCII code 값에 의거하여 “3”이 된다. 그 후 ASCII code & ld quo;0&rd quo;과 “3”을 그대로 16진수 형태인 0x03으로 설정하고, 이것을 다시 10진수 형태로 바꾸면 감지기 주소는 “3”이 된다. 이와 같은 동일한 원리로 TSD (3 byte)의 온도 또는 연기 데이터를 구하게 된다. Figure 4 (d)는 중계기 프로토콜중 C (1 byte) 제어설정부의 신호파형 예를 나타낸 것이다. 전체 0111011001의 데이터 중 Start bit (0)와 End bit (1)를 제외하면 11101100의 제어데이터가 되고, 이 데이터를 역으로 표현하면 00110111이 된다. 여기서 첫 번째 0을 제외하면, 0110111로 ASCII code 값에 의거하면 “7”이 되고, &ld quo;7&rd quo;을 그대로 10진수 “7”로 인식하고 2진수로 변환하면 0111이 된다. 0111을 뒤에서부터 분석하면 첫 번째 “1”은 피난조명 ON (“0”이면 OFF 이하 동일) 두 번째 “1”은 음성경보ON, 세 번째 “1” 화재 LED ON, 네 번째 “0” 감지기의 감도값 보정 OFF 설정을 의미한다.

Figure 4. Protocol and waveform example.

4. 시스템 성능실험

4.1 감도시험기를 이용한 성능실험

Figure 5는 개발된 시스템의 감도성능실험에 사용한 정온식감도시험기와 광전식감도시험기를 나타낸 것으로 정온식감도시험기와 광전식감도시험기를 이용하여 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에 의거한^(6,7) 감도 성능실험을 진행하였다. 아날로그식 정온식감지기의 감도시험기준은 공칭감지온도범위의 각 온도에서 2 ℃/min 이하로 일정하게 직선적으로 상승하는 풍속 1 m/s의 수평기류를 공칭감지온도의 최저온도에서 최고온도까지 가하는 경우 온도에 대응하는 화재정보신호를 발신하여야 하며, 이때, 허용오차는 하한값은 ± 2.5 ℃, 직선상승중의 값과 상한값은± [기류온도값 × 0.15 (이 값이 10 ℃를 초과하는 경우 10℃로 함)] ℃ 이내로 규정^(8,9)하고 있어 동일한 방법으로 실험을 진행하였다. 아날로그식 광전식감지기의 감도시험기준은 풍속 20∼40 cm/s의 기류에 공칭감지농도의 최저 농도값에서 최고 농도값에 도달할 때까지 1 m 감광율로 분당 2.5% 이하의 일정한 간격으로 직선상승하는 연기기류를 가할 때 연기농도에 대응하는 화재정보신호를 발신하여야 하며, 이때, 허용오차는 하한값은 ± 2%, 직선상승중의 값과상한값은 ± [기류농도값 × 0.15 + 2]% 이내로 규정⁽⁸⁾하고 있어 동일한 방법으로 실험을 진행하였다.

Figure 5. Photograph of sensitivity testers.

Figure 6은 감도시험기를 이용한 개발된 시스템의 성능실험의 결과를 나타낸 것이다. Figure 6 (a)는 아날로그식정온식감지기의 감도실험결과로써 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 요구하는 감도시험기준인 허용오차 범위 하한값은 ± 2.5 ℃, 직선상승중의 값과 상한값은± [기류온도값 × 0.15 (최대 10 ℃)] ℃ 이내⁽⁸⁾를 만족하는 것으로 나타났다. Figure 6 (b)는 아날로그식 광전식감지기의 감도실험결과로써 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 요구하는 감도시험기준인 허용오차 범위 하한값은 ± 2%, 직선상승중의 값과 상한값은 ± [기류농도값× 0.15 + 2]% 이내(8)를 만족하는 것으로 나타났다.

Figure 6. Results of performance experiment.

4.2 기존 시스템과 작동성능 비교실험

Figure 7은 기존 시스템과 개발된 시스템의 작동성능을 비교한 것으로 기존 시스템에 적용되는 정온식감지기 49개와 개발된 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 아날로그식 정온식감지기 49개를 이용하여 각각 회로를 구성한 후,소등 후 주변조도 0 lx 상태에서 실험의 편리성을 위해 열풍기를 이용하여 경계구역 당 1개씩 감지기를 작동시켜 성능을 비교·분석하였다. 이때, 회로구성은 총 5개의 경계구역으로 설정하였고, 1, 2, 3, 4 경계구역은 감지기 각 10개씩, 5 경계구역은 9개로 구성하여 작동성능을 확인하였다. Figure 7 (b)은 1 경계구역의 감지기 1개를 작동시켰을 때, 기존 시스템과 개발된 시스템의 성능차이를 나타낸 것으로 기존 시스템의 경우 설정온도에 작동된 감지기의 작동표시용 LED가 점등되지만, 피난에 활용하기에는 가시도가 떨어진다. 하지만, 개발된 시스템의 경우 설정온도에 작동된감지기가 피난조명용 LED를 작동시키고, 이어서 동일 경계구역의 10개의 감지기가 동시에 피난조명용 LED가 점등되는 것을 확인할 수 있었고, 피난을 위한 최소한의 빛을제공하여 감지기를 이용한 피난활용이 가능할 것이다. Figure 7 (c)은 2 경계구역의 감지기 1개를 순차적으로 작동시켰을 때를 나타낸 것으로 마찬가지로 기존 시스템의 경우 감지기의 작동표시용 LED가 점등되지만 가시도가 떨어진다. 반면, 개발된 시스템의 경우 추가로 2 경계구역에 설치된 10개의 감지기가 피난조명용 LED를 점등시켜 총 20개의 감지기가 점등되었고, 피난에 활용할 수 있을 정도의 가시도를 제공하는 것을 확인할 수 있었다. Figure 7 (d)는 추가로 5 경계구역까지 감지기를 작동시킨 것으로 개발된 시스템의 경우 설치된 감지기 모두 피난조명용 LED를 점등시키는 것을 확인할 수 있었다.

Figure 7. Comparison of conventional system and development system.

4.3 조도측정실험

Figure 8은 개발된 감지기를 이용한 조도측정실험을 나타낸 것으로 현재 국내 기준에는 감지기 조도시험에 대한 규정이 없기 때문에 피난유도등의 조도시험기준을 응용하여 진행하였다. 유도등의 형식승인 및 제품검사의 기술기준 제23조 조도시험에 의거⁽¹⁰⁾하면, 거실통로유도등은 바닥면으로부터 2 m 높이에 설치하고 주위조도가 0 lx인 상태에서 점등되었을 때, 유도등의 중앙으로부터 0.5 m 떨어진 위치의 바닥면 조도가 1 lx 이상 되도록 규정하고 있다. 이에 따라 Figure 8 (a)과 같이 조도측정 실험장치를 제작하여 설치한 후, Figure 8 (b)과 같이 주위조도 0 lx인 상태에서 감지기를 작동시키고, 조도계(ANA-F12, Tokyo Photoelectricco., Japan)를 이용하여 10분 동안 감지기 피난조명의 조도를 측정하였다.

Figure 8. Illuminance measurement experiment.

Table 1은 조도실험의 결과를 나타낸 것으로 유도등 중앙 바닥 0 m를 기준으로 좌 ․우측 0.5 m 바닥지점의 평균조도가 1.62 lx로 측정되면서, 유도등의 형식승인 및 제품검사의 기술기준인 중앙으로부터 0.5 m 떨어진 위치의 바닥면 조도가 1 lx 이상을 만족하는 것으로 나타났다.

Table 1. Results of Illuminance Measurement Experiment

4.4 음향(음성)측정실험

Figure 9는 개발된 감지기를 이용한 음향(음성)측정실험을 나타낸 것으로 단독경보형 감지기의 음향측정시험기준을 응용하여 진행하였다. 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준 제6조(부품의 구조 및 기능)에 의거⁽⁸⁾하면, 감지기에 내장하는 음향(음성제외)장치는 무향실내에서 정위치에 부착된 음향장치의 중심으로부터 1 m 떨어진 지점에서 70 dB 이상이여야 한다. 다만, 단독경보형의 화재경보용으로 사용되는 음향장치는 1 m 떨어진 거리에서 85 dB 이상 되도록 규정하고 있다. 이에 따라 Figure 9 (a)의 음향측정 실험장치와 Figure 9 (b)의 지시소음계(TES-1350A, TESelectrical electronic Co., Taiwan)를 이용하여 Figure 9 (c)와 같이 음향측정 실험장치 내부에 감기기를 정위치한 후 감지기 작동 시 발생되는 음향(“삐-삐-삐”) 및 음성(&ld quo;화재발생&rd quo;)을 1 m 떨어진 지점에서 지시소음계를 이용하여 10분 동안의 음압을 측정하였다.

Figure 9. Acoustic (voice) measurement experiment.

Table 2는 음향측정실험의 결과를 나타낸 것으로 감지기중심으로부터 1 m 떨어진 거리에서 평균음향은 89.7 dB, 평균음성은 86.1 dB로 측정되어, 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에 의거한 1 m 떨어진 거리에서 음향 85 dB 이상을 만족하는 것으로 나타났다.

Table 2. Results of Acoustic Measurement Experiment

4.5 피난성능실험

추가적으로 개발된 시스템을 이용한 피난성능을 가시적으로 확인하기 위해 피난성능실험을 진행하였다. Figure 10은 피난성능실험을 위해 구축한 피난성능 실험모형을 나타낸 것으로 T사 2층 사옥에 63 m (층고 3 m) 거리의 피난성능 실험공간을 암막커튼 등을 이용하여 복도형태로 공간구획을 실시하였다. 또한, 화재로 인해 전기설비의 전원이 차단된 최악의 상황조건을 가정하여, 소등과 함께 외부 간판및 방범 등을 통해 들어오는 빛을 완전히 차단하기 위해 창문도 모두 암막처리를 실시하여 암흑화 상태인 조도 0 lx상태로 진행하였다. 또한, 기존 시스템과 개발된 시스템을 비교대상으로 하여 T사 사옥에 기 설치되어 있던 일반형열감지기와 동일한 위치에 개발된 아날로그식 주소형 열감지기를 설치하였고, 추가적으로 실험의 안전성 등을 위해코너라인 및 시작라인에 감지기를 추가로 설치하였다. 실험은 주택화재의 사망자발생률은 가장 높은 심야 0시에 실시하였고, 실험은 총 10명의 피실험자를 대상으로 기존 시스템과 개발된 시스템을 비교하는 방식으로 진행하였다. 1차 실험의 경우 건물에 익숙하지 않은 상태를 가정하여 보통걸음으로 이동하도록 하였고, 2차 실험의 경우 건물에 익숙한 상태를 가정하여 빠른걸음(안전상 뛰는 것은 제외함)으로 이동하도록 하였다. 이때, 피난개시의 시작은 감지기 현장점검기를 이용하여 시작지점의 감지기를 인위적으로 작동시켜 경보가 울리면 피난을 시작하였다.

Figure 10. Evacuation performance experiment.

Table 3은 피난성능실험결과를 나타낸 것이다. 보통걸음으로 이동한 1차 실험의 경우 기존 시스템을 이용한 평균피난시간은 144.10 s, 개발된 시스템을 이용한 평균피난시간은 53.20 s로 개발된 시스템을 이용할 경우 기존 시스템대비 평균 63.08%의 피난시간이 단축되는 것으로 나타났다. 빠른걸음으로 이동한 2차 실험의 경우 기존 시스템을 이용한 평균피난시간은 118.40 s, 개발된 시스템을 이용한 평균피난시간은 38.10 s로 개발된 시스템이 기존 시스템 대비 평균 67.82% 피난시간이 단축되는 것으로 나타났다. 실험결과 1차 실험의 경우 암흑화된 상태에서 기존 시스템을 이용한 피난의 경우 한치 앞도 안 보이는 상황에 직면하게 되고, 익숙한지 않은 공간이기 때문에, 구획된 커튼에 의존하여 모든 피실험자가 조심스럽게 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 개발된 시스템의 경우 감지기에 자체 내장된 피난조명이 점등되면서 피난을 위한 최소한의 시야가 확보되어 구획된 커튼에 의존하지 않고 스스로 피난하는데 큰 지장이 없는 것으로 나타났다. 2차 실험의 경우 동일한암흑화 조건이었지만, 1차 실험을 통해 피실험자가 피난성능 실험모형에 익숙해져 있는 상태가 되어 기존 시스템을 이용한 피난시간에서도 시간단축이 발생된 것으로 생각된다. 즉, 1차 실험과 동일하게 구획된 커튼에 의존하여 피난하게 되지만, 반복적인 실험을 통해 무의식적으로 피난경로(직진, 코너 등)가 익숙해져 이동시간이 감소되는 것으로 나타났다. 반면, 개발된 시스템의 경우 1차 실험과 마찬가지로 감지기의 피난조명이 점등되면서 피난을 위한 최소한의 조도가 확보되었기 때문에 구획된 커튼에 의존하지 않고 빠른걸음을 이용한 피난이 가능하기 때문에 더욱 시간이 단축되었다.

Table 3. Results of Evacuation Performance Experiment (CS: Conventional System, DS: Development System, RRET: Reduction Rate of Evacuation Time (CS-DS) / CS × 100)

하지만, 본 실험의 경우 개인적인 피난 특성의 차이와 공간을 구축하면서 어느 정도 익숙해진 상태에서 피실험자들이 실험을 진행하였기 때문에 본 실험 조건에서는 이상과 같은 결과가 나타났다. 즉, 불특정 다수인이 존재하는 다중이용업소 등과 같이 건축물에 익숙하지 않은 상태에서 실제 화재가 발생하여 암흑화가 되었을 경우 본 개발 시스템을 이용한 실제 피난시간은 차이가 나타날 수 있을 것이다.

Figure 11은 피난성능실험을 진행하는 동안 촬영한 사진을 나타낸 것이다. 기존 시스템의 경우 암흑화된 상태에서 감지기가 작동하더라도 Figure 11 (a)과 같이 아무것도 보이지 않는 상황에 직면하게 되지만, 개발된 시스템의 경우 암흑화된 상태에서 감지기가 작동하게 되면 연동된 감지기들이 동시에 피난조명을 점등시키기 때문에 피난을 위한 최소한의 빛을 제공하여 주위의 사물을 충분히 인식하면서 피난이 가능한 것을 확인할 수 있었다.

Figure 11. Photograph of evacuation performance experiment.

Figure 12는 피난성능실험 시 3 m 층고에 설치된 개발된 감지기가 피난조명을 점등하였을 때 직하부에서 조도계를 이용하여 조도를 측정한 사진이다. 바닥으로부터 1.5 m 높이에서 3.35 lx, 1.0 m 높이에서 1.98 lx, 0.5 m 높이에서 1.28 lx, 바닥 0 m 지점에서 1.02 lx로 측정되었다. 이와 같이 피난을 위한 최소한의 조도가 확보됨으로 인해 기존 시스템보다는 효율적인 피난이 가능하다.

Figure 12. Photograph of illuminance measurement.

5. 결론

본 논문은 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템 개발에 관한 연구로써 건축물 내에 가장 많이 설치되는 소방설비인 감지기에 화재 시 피난성능향상을 위해 가장 필수적인 피난조명 및 음성경보 기능을 내장한 화재경보시스템을 개발하여 성능을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 감도시험기를 이용한 성능실험결과 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 요구하는 감도시험기준의 허용오차 범위 이내를 만족하는 것으로 나타났다. 기존 시스템과 개발된 시스템의 작동성능 비교실험결과 기존 시스템에 사용되는 감지기의 경우 작동된 감지기만 작동표시용LED가 점등되지만, 개발된 시스템의 감지기의 경우 작동된 감지기 뿐만 아니라 동일경계구역 내에 설치된 10개의 감지기가 피난조명용 고휘도 LED를 점등시키는 것을 확인할 수 있었다.

2) 개발된 시스템의 조도측정실험결과 감지기의 중앙으로부터 0.5 m 떨어진 위치의 바닥면 평균조도가 1.62 lx로,유도등의 형식승인 및 제품검사의 기술기준인 바닥면 평균조도 l lx 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 음향 및 음성 측정실험결과 감지기의 중심으로부터 1 m 떨어진 거리에서의 음향은 평균 89.7 dB, 음성은 평균 86.1 dB로, 감지기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준인 음향 85 dB 이상을 만족하는 것으로 나타났다.

3) 개발된 시스템을 이용한 피난성능을 확인한 결과 본 실험조건에서는 보통걸음으로 이동한 1차 실험의 경우 기존 시스템을 이용한 피난시간보다 개발된 시스템을 이용한 피난시간이 평균 63.08% 단축되었다. 빠른걸음으로 이동한 2차 실험의 경우 기존 시스템을 이용한 피난시간보다 개발된 시스템을 이용한 피난시간이 평균 67.82% 단축되는 것으로 나타났다.

기존 시스템의 경우 화재가 발생하더라도 감지기 자체적인 피난조명 및 음성경보 기능이 없기 때문에 방화문 및 각종 내부 공간구획 등에 의해 화재경보가 재실자에게 정확히 전달되지 않을 경우 화재조기인지 실패로 인명피해가 크게 증가할 것이다. 하지만 개발된 시스템의 경우 피난조명 및 음성경보 기능을 감지기가 자제적으로 내장되어 있어, 동일 경계구역내에 설치된 감지기들이 연동기능을 통해 동시에 피난조명점등 및 음성경보를 실시하여 조기에 화재사실을 알리게 되고, 화재로 인해 전기설비의 전원이 차단되어 암흑과 같은 최악의 상태가 되더라도 피난을 위한 최소한의 가시거리를 제공함으로써 효율적인 피난이 가능할 것으로 생각된다. 특히, 화재취약계층인 청각장애인및 시각장애인도 고려한 시스템이기 때문에 화재경보설비의 효용성 및 당위성을 가질 수 있다.

따라서 주택뿐만 아니라 고시원, 노래방, 단락주점 그리고 노인요양병원 등에 본 시스템이 우선 적용될 경우 기존 시스템보다는 피난성능향상에 크게 기여하여 인명피해를 최소화할 수 있는 시스템으로 활용 가능할 것으로 생각된다.