A Study on Fire Dynamics Simulation on the Arrangement of Aero System in the Residential

주거공간 에어로 시스템 배치에 관한 화재시뮬레이션 연구

Abstract

Purpose: The called Aero System is important to find the well detected place in the livingroom or bedroom so, it needs to the confirmation through the Fire Dynamics Simulation Method: A fire simulation of a residential space of 59 m² was performed, and in order to find the point where the fire environment was exposed quickly, measuring points were installed at 0.6 m and 1.5 m in height for each bedroom and living room, and the point where the fire was quickly detected was confirmed. Result: It was confirmed that the temperature and carbon monoxide sensor set at a point of 1.5 m was quickly detected at the reference value. Conclusion: The Fire detection would be relatively quick if the product in which the fire extinguishing module and the AQI module were separated was installed on the wall.

연구목적: '에어로 시스템'이란 제품을 개발하였으며, 화재 특성상 신속한 감지가 무엇보다 중요함으로 개발하고 있는 제품을 주거 공간 어느 지점에 배치를 하였을 때 신속하게 감지를 할 수 있는지 화재 시뮬레이션을 통해 확인하고자 하였다. 연구방법: 18평형의 주거 공간에서 화재시뮬레이션을 수행하였으며, 화재 환경이 빨리 노출되는 지점을 찾고자 침실, 거실 별로 측정점을 높이 0.6m, 1.5m 지점으로 설치하여 빨리 감지 되는 지점을 확인하였다. 연구결과: 대부분 1.5m 지점으로 설정한 온도 및 일산화탄소 센서가 기준 치에 빨리 감지 되는 지점을 확인하였다. 결론: 소화모듈과 AQI모듈이 분리된 제품을 벽에 부착형으로 설치할 경우 화재 감지가 상대적으로 빠른 것으로 확인되었다.

서론

주거공간의 ‘삶의 질’을 개선하고자 쾌적하고 안전한 삶을 지향할 수 있도록 주요 요소인 ‘화재 예방’과 ‘실내공기질 향상’을 융합한 연구를 진행해왔으며, Choi et al.(2020) 등이 실내공기질 측정을 통한 화재감지를 가능한 것으로 보고 하였다. 2016~2020년 5년간 약 3만건의 화재 중 주거시설의 화재가 12400여건으로 화재 발생비율이 40% 이상으로 높은 반면 아직까지 소화기와 비화재보 등에 대한 문제점으로 예방과 대응적인 측면에서 개선되지 못하고 있는 실정이다. 소화기인 경우 전반적으로 주거공간과 어울리지 못해 신발장과 같은 곳에 방치되고 있어 패닉과 같은 상황에 소화기 사용이 어렵다. 화재 감지기는 오작동이 잦아 수신기 전원을 끄게 되는 사례가 빈번하며, 이는 화재 발생 시 대형으로 인적, 물적 피해를 초래하게 된다.

따라서 주거공간의 화재 피해를 저감하고자 디자인 적인 측면이 고려된 조기 화재 감지 및 화재 진압을 위한 ‘에어로 시스템’이란 제품을 개발하였다. 디자인이 반영되기 위해선 소화기의 경량화가 필요했고 이에 대해 고체에어로졸 소화약제를 적용하였다. 최근 미세먼지와 공기질 지수 등을 반영한 공기질 측정기에 대한 수요가 증가하고 있으며, 신규 건축물인 경우 빌트인으로 적용되기도 한다. 이에 따라 공기질 측정 센서를 활용한 화재 감지 알고리즘을 적용하여 조기 화재를 감지할 수 있으며 최종적으로 최적의 디자인을 반영하고자 하였다.

화재 특성상 신속한 감지가 무엇보다 중요하며 개발하고 있는 제품이 주거 공간 어느 지점에 배치를 하였을 때 신속하게 감지를 할 수 있는지 화재 시뮬레이션을 통해 확인하고자 하였다.

조기화재 감지 및 화재 진압 시스템

구성 요소

Fig. 1과 같이 제품 구성 요소는 고체 에어로졸 소화약제 기반의 소화모듈과 공기질 측정 센서가 탑재되어 레이들로 구성된 AQI 모듈, 공기질 측정 센서를 송신하는 앱(Application)으로 구성되어 있다. 아울러 조기에 화재를 감지하고 신속한 화재 진압을 위해 사용자 위주의 제품을 개발하고자 친숙성과 실내 공간과의 조화로움 위주의 디자인 연구를 진행하였다.

Fig. 1. The component of Aero System

디자인 선정

디자인 스케치를 바탕으로 총 5개의 디자인을 선정하여 사용 편의성에 대한 연구를 진행하고 있다. Fig. 2와 같이 A~C 타입인 경우 AQI 모듈과 소화 모듈이 일체형으로 디자인이 되었으며, D~E 타입은 AQI 모듈이 분리되어 벽에 부착형으로 주거 공간 내 협탁 및 책상에 배치하도록 계획하고 있어 화재 시뮬레이션을 통해 배치에 관한 적정성을 연구하고자 하였다.

Fig 2. Aero system design

제품 배치에 관한 연구

Ryu(2014) 연구에서 적합한 위치와 적응성을 고려한 감지기의 선택은 피난개시를 최소화시켜주는 것을 확인할 수 있었다. 화재를 감지하는 AQI 모듈은 구획실 실험(ISO 9705) 을 통해 CO 센서가 우선적으로 화재 발생 상황을 판단할 수 있을 것으로 확인하였으며, 이에 따라 CO 센서가 중심이 된 조기 화재 감지 알고리즘을 개발하였다. 제품을 배치할 수 있는 예상 구간은 협탁과 책상이며, D, E 타입은 벽에 부착이 가능하다. 따라서 디자인을 반영하였을 때 주거시설의 유효한 배치를 고려하고자 Fig. 3과 같이 18평형의 주거 공간 화재시뮬레이션을 수행하였으며, 화재 환경이 빨리 노출되는 지점을 찾고자 하였다.

Fig. 3. Fire simulation modeling

연구 방법

화재시뮬레이션 입력조건

화재시나리오

화재시뮬레이션 입력조건으로 Table 1과 같이 침실 및 거실에 대한 화재 발생 상황을 가정하기 위해 각각 침대 매트리스와 소파를 화원으로 설정하며 유속이 없는 조건이다.

Table 1. Selection of fire

측정점 설정

측정점은 Fig. 4와 같이 협탁과 책상, 모서리, 벽 부착을 가정으로 A~H는 0.6m, A-1~H-1은 1.5m로 설정하여 일체형과 부착형의 배치 지점으로 측정점을 설정하였다. CO 센서와 온도 센서를 통해 반응 시간을 분석하여 CO 200ppm, 온도 60°C가 빨리 노출되는 지점을 파악하고자 하였다.

Fig. 4. Fire simulation modelling

분석 기준

아래 Table 2와 같이 일산화탄소는 200ppm을, 온도는 60°C가 되는 지점을 기준으로 화재 환경에 빨리 노출되는 지점을 분석하였다.

Table 2. Detection criterion

결과

Table 3에 따라 침실인 경우 온도가 60°C에 노출되는 순서는 A-1(119초), C(127초), G-1(128초), D-1(130초), F-1(130초) 순으로 되어 있으며, 일산화탄소가 200ppm에 도달하는 순서는 A-1(142초), C-1(145초), F-1(146초), H-1(146초), E-1(150초) 순이다.

Table 3. The result of fire simulation (Unit : s)

거실인 경우 온도가 60°C에 노출되는 순서는 H-1(97초), B-1(99초), A-1(100초), G-1(100초), C-1(100초) 순이며, 일산화탄소가 200ppm에 도달하는 순서는 H-1(110초), G-1(116초), B-1(126초), C-1(126초), A-1(217초) 순이다.

Fig. 5와 같이 침실인 경우 A-1, 거실인 경우 H-1 지점에서 온도 및 일산화탄소의 전파 속도가 제일 빠르며, 그래프에서도 상대적으로 값이 크다는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. The result of fire simulation(graph)

결론

에어로 시스템 개발에 관한 실화재 실험을 수행함으로써 CO 센서가 화재를 우선적으로 감지할 수 있는 점을 확인했고, 디자인을 반영한 CO 센서 중심의 화재 조기 감지 알고리즘 통해 제품을 개발했다. 연기 및 열에 대한 조기감지가 중요한 화재의 특성상, 거실 및 침실등 거주빈도가 높은 공간에 대한 화재 시뮬레이션을 수행하여 제품 배치의 적정성을 연구하였다. 화재 시뮬레이션을 통해 수직거리 0.6m보다 1.5m에서 단시간안에 CO 및 온도의 측정기준으로 도달한 것으로 확인되었으며, 이는 화재 발생 시 상승기류로 상대적으로 높은 위치에 열과 연소생성물이 전파가 빠른 것으로 판단된다. 따라서, AQI모듈이 분리된 D, E Type의 제품이 벽에 부착형으로 설치할 경우 화재 감지가 상대적으로 빠른 것으로 확인되었다. 아울러 화재 시뮬레이션 연구와 더불어 추후 실화재 실험을 통해 조기화재 감지 알고리즘을 적용한 에어로 시스템의 개발 고도화 진행이 기대된다.