기호 설명
t : Time
ρ : Density
u : Velocity
p : Pressure
g : Acceleration of gravity
fb : External force vector
hs : Sensible enthalpy
q'" : Heat release rate per unit volume
qb'" : Heat release rate of particles
T : Temperature
W : Molecular weight
R : Universal gas constant
q" : The conductive, diffusive, and radiative heat fluxes
mb'" : The production rate of species by evaporating particles
그리스 문자
τij : Viscous stress tensor
ε : Dissipation rate
υα : Stoichiometric coefficient
1.서 론
1.1.연구배경 및 목적
주5일 근무제 정착과 국민소득 증가로 삶의 질과 소득수 준이 향상됨에 따라 여가활동을 즐기기 위한 방안으로 여객 선을 이용한 해양관광산업이 빠른 속도로 성장하고 있다. 이를 증명하듯 지난 10년간 국내 연안여객선 이용승객수가 2004년 1,064만 명에서 2013년 1,606만 명으로 50.9 % 증가하 였다(KSA, 2014). 여객선 이용 증가와 더불어 여객선에서 발 생한 사고 또한 증가하고 있다. 해양수산부에 따르면 2010년 이후 매해 22건 이상씩 충돌, 좌초, 화재폭발과 같은 해양사 고가 발생하고 있으며 특히 여객선을 비롯한 선박에서 발생 한 재난 중 2015년에 발생한 화재의 경우 115건으로 이로 인 해 약 110억 원의 재산피해를 입었다(MOF, 2014).
선박은 해상이라는 특수한 환경에 위치하며 구조가 복잡 하고 구획이 협소하여 외부로부터 지원을 받기 쉽지 않고 구조활동이 어렵다. 또한 Hwang(2011)의 연구에 따르면 선박 은 내부와 외부간의 자연스러운 환기가 발생하기 어려운 고 기밀성 구조로 기계식 환기시스템을 이용하여 선내 실내공 기를 순환시킨다. 하지만 이러한 구조로 인해 화재발생 시 환기시스템의 급·배기방식을 적절하게 적용하지 못할 경우 공조시스템에 의해 연기가 선내전체로 쉽게 확산될 수 있 다. 확산된 연기로 인해 피난활동시 가시거리 저하와 유독 가스 흡입을 야기할 수 있으며, 이로 인해 대규모 인명피해 가 발생할 수 있다. 화재 시 연기로 인한 피해가 클 수 있기 때문에 선박의 경우 『선박방화구조기준』 (MOF, 2015)의 제 16조(중앙홀의 통풍)에서는 중앙홀에서는 10분 이내에 공용 실의 총용적에 상당하는 용적의 공기를 환기할 수 있는 배 기식기계통풍장치를 설치해야한다고 규정하고 있으며, 또한 제 17조(계단위벽의 통풍)에서도 여객정원이 36인을 초과하 는 선박의 계단에서는 적합한 통풍장치를 설치하도록 하고 있다. 하지만 선박의 경우 통풍장치의 개념으로 설치의 필 요성에 대하여 언급하고는 있지만, 제연방식이나 배연량, 배 연구 면적 등과 같이 구체적으로 규정하고 있는 육상건물을 대상으로 하는 『제연설비의 화재안전기준』 (NEMA, 2013)에 비해 기준이 미흡한 실정이다. 선박화재 시 실질적으로 연 기제어성능을 확보하기 위해서는 환기시스템 유무에 따라 화재거동을 예측하고, 열 및 연기거동을 분석하여 연기제어 를 위한 급·배기시스템 작동방식 제안과 같은 현실적이고 구체적인 방안이 마련되어야 한다.
그러므로 이 연구는 선박 거주구역 내 화재발생 위치와 급·배기시스템의 작동방식에 따른 연기거동 특성을 고찰하 여 배연성능향상을 위한 효과적인 급·배기시스템 운전방안 의 제안을 목적으로 한다.
1.2.기존연구고찰
육상의 경우 화재발생 시 연기거동특성을 분석하고 효과 적인 연기제어방법을 제안한 연구는 다수 찾아볼 수 있었 다. Kim and Kwon(2011)은 대형공간에서 화재 시 화재시뮬레 이션프로그램인 FDS를 이용하여 한 방향에서만 급기를 실 시할 경우에 비하여 화재가 발생한 곳의 인접구역에 동시에 급기를 실시하는 것이 연기의 확산속도를 줄일 수 있다는 것을 보여주었다. 그리고 Kim and Choi(2008)은 지하철 역사 를 축소모델로 제작하여 연기확산실험을 수행한 뒤 연기유 동 측면에서 구획되어 있다고 판단할 수 없는 경우 급기를 배제하고 전 구역을 배기모드로 적용하는 것이 연기에 의한 피해를 감소시킬 수 있다는 연구를 수행한 바 있다.
선박화재와 관련된 연구로는, 제연설비가 작동하지 않은 경우 선박화재 시 연기가 피난자에게 미치는 피해에 주목하 고 가상모의실험을 통하여 가시율에 따른 생존율을 측정하 여 선박화재 시 연기를 제어하여 가시율이 높을수록 생존율 을 높일 수 있다는 사실을 확인한 Hwang et al.(2009)의 연구 와 선박화재와 같은 재난으로 인하여 정전상황 발생 시 일 반승객의 행동특성을 파악한 연구로 정상조명조건 대비 정 전조건일 때 상향이동이고 피난유도기기구가 없는 경우 이 동시간이 226.5 %(92.2초)가 더 소요된 것을 확인하였으며 이 를 통해 화재발생 시 가시도 저하로 시야확보가 힘들 시 피 난활동이 쉽지 않은 것을 밝힌 Hwang et al.(2016)의 결과를 찾아볼 수 있었다. 또한 Kim(2013)과 Kim et al.(2015)은 화재 시뮬레이션 프로그램 FDS를 이용하여 환기구가 연기확산에 미치는 영향에 대해 분석하였고, 선박의 복도폭 및 천장높 이의 개선이 선박화재 시 인명안전에 상당히 도움이 된다는 결과를 도출하였다.
그러나 선박의 경우 구조적, 설비적 특성상 화재발생 시 연기로 인한 피해를 입을 가능성이 육상건물에 비해 상대적 으로 큼에도 불구하고 선박화재 시 환기시스템을 고려하여 연기거동 제어방법과 관련된 연구는 많지 않은 실정이다.
2.선박화재특성
선박화재의 경우 육상에서 발생하는 화재와 달리 다음과 같은 특징을 가진다. 첫째, 선박은 부두에 접안하거나 항구 에 정박하고 있는 경우를 제외하고 운항 중 해상에 고립되 어 있기 때문에 화재 시 외부로부터 지원을 받아 화재를 진 압하기 힘들며 선박 내에서 자체적으로 대응을 해야 한다. 둘째, 선박은 운항을 위한 연료유나 윤활유와 같은 인화성 물질을 사용하고 있기 때문에 화재발생 시 단시간에 대규모 화재로 진전될 가능성이 크다. 셋째, 선박은 선박자체에 기 계식 환기시스템으로 급기(Supply air)모드와 배기(Exhaust air) 모드를 작동시켜 실내공기를 순환시키는데 이로 인해 화재 발생 지점에서 유출된 연기는 빠른 시간 내에 선박 전체로 확산될 수 있다.
선박 내의 화재가 발생할 수 있는 구역은 크게 거주구역, 기관구역, 화물구역이 있으며 구역에 따라 발화요인과 발생 장소가 다양하고 화재발생 원인과 진압 요령이 다르다. 거 주구역의 경우 승선자의 흡연, 전열기의 과부하로 인한 전 기화재와 같이 선원이나 여객의 부주의로 화재가 발생할 수 있는 가능성이 크며, 또한 거주구역에는 침구 및 직물류, 가 구 등과 같은 다양한 가연성 물질로 인해 빠른 시간 내에 화 재가 확산되어 대형화재로 확대될 수 있기 때문에 모든 선 박은 자체 용도와 구조특성 등을 고려한 화재진압 매뉴얼을 갖추고 있다. 예를 들면 Yoon et al.(2011)이 제시한 Fig. 1의화 재진압 프로세스에서는, 선박에서 화재가 발생하면 비상 소 화부서 배치표에서 정한 집결장소에 집결한 후 승무원은 각 자 맡은 임무를 수행하는데, 첫 번째 순서로 비상정지버튼 을 눌러 통풍장치를 차단하고 외부로 통하는 문은 모두 닫 도록 하고 있다.
3.선박의 급·배기방식에 따른 연기거동 해석
3.1.대상선박의 개요
이 연구에서는 선박 거주구역에서 화재 시 급·배기방식이 연기확산에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 해기사가 되고 자 하는 학생들의 승선실습 교육을 목적으로 2005년 12월에 건조된 운항실습선을 연구대상으로 연구를 수행하였으며, Fig. 2와 Table 1에 운항실습선의 외관과 전반적인 개요를 나 타내었다.
3.2.시뮬레이션 툴
급·배기방식에 따른 화재 및 연기거동해석 툴로는 미국 국립 표준연구소(NIST, National Institute of Standards and Technology) 가 개발한 FDS(Fire Dynamic Simulator, Ver. 6.0.1)(McGrattan et al., 2014a)프로그램을 사용하였으며, 모델링은 Pyrosim 2014 를 활용하였다. FDS는 화재전용 시뮬레이션 툴로 화재로 인 한 열과 연기의 거동을 해석하기 위하여 난류모델, 연소모 델, 복사모델 그리고 가시도 모델을 사용하며 관련된 지배 방정식과 연소반응식은 다음과 같다(McGrattan et al., 2014b).
3.3.시뮬레이션 모델링
이 연구에서는 선박 거주구역내의 화재 시 급·배기방식에 따른 배연성능을 예측하기 위하여 실습선의 Main deck 중 Fig. 3에 표시한 영역을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 해석대상영역의 모델링을 비롯하여 급·배기구의 위치, 크기 그리고 용량은 실제 실습선의 설계도면 값을 반영하였으며 해석구역의 급기구와 배기구의 총 용량은 각각 2225 m3/hr, 3550 m3/hr이다(Cho, 2007).
3.4.연기거동 해석을 위한 화원위치와 시나리오
Table 2에서 볼 수 있듯이 화원의 위치와 급·배기작동방식 에 따라 3가지 케이스로 나누어 연기거동 해석을 진행하였 다. Case 1은 급·배기시스템이 모두 작동하는 곳에서, Case 2 는 배기시스템만 작동하는 곳에서 그리고 Case 3은 급기시 스템만 작동하는 곳에서 화재가 발생한 경우이다. 화원의 크기와 열 방출량은 각각 0.5 m × 0.5 m, 50 kW로 설정하였으 며, 바닥으로부터 1.5 m지점에 측정점 ❶, ❷, ❸, ❹를 두어 가시거리 값을 측정하였다. 선박의 경우 화재시뮬레이션 시 인명안전기준을 따로 찾아볼 수 없었기에 소방방재청에서 제시한 기준(NENA, 2015)인 가시거리 값 5 m를 기준으로 화 재위험성을 평가하였다.
급·배기방식에 따른 연기거동 해석을 위하여 각 케이스 별로 Table 3에 정리한 것과 같이 4가지 시나리오를 적용하 였다. 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경우는 각 케이스에서 Fig. 3 에 제시한 해석영역 내 급·배기시스템이 모두 작동하지 않 는 경우이며, 시나리오 Exh_Sup의 경우는 급·배기시스템이 모두 작동하는 경우, 시나리오 Exh는 배기시스템만 작동하 는 경우이며 마지막으로 시나리오 Sup는 급기시스템만 작동 하는 경우이다.
3.5.연기거동 해석 결과
3.5.1.Case 1의 시나리오별 결과
Fig. 4는 Main deck의 해석대상구역 중 급·배기시스템이 모두 작동하는 곳에서 화재발생 시 Ⓐ-Ⓑ 구역 복도의 연기 확산모습이다. 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경우 발화 후 40초 에 연기확산이 시작되고 있으며, 80초에는 연기가 복도 상층 부에 가득차고 있는 현상을 관찰할 수 있다. 시나리오 Exh_Sup의 경우 처음에는 화재가 발생한 장소에 위치한 배 기구를 통해 연기가 배출되어 발화 후 40초까지는 청결층이 유지되지만 시간이 지날수록 연기가 Ⓑ구역으로 연기가 쏠 리며 발화 120초 후에는 연기가 복도에 확대되어 가득 찬 것 을 알 수 있다. 그리고 시나리오 Exh의 경우 화재발생 구역 에 배기시스템이 작동하지만 배기구를 통한 연기배출속도 보다 연기확산속도가 빠르기 때문에 시간이 지날수록 연기 가 복도에 가득 차는 것을 알 수 있다. 마지막으로 시나리오 Sup의 경우 80초에 복도의 연기확산모습을 보면, 화재발생 위치 상 급기구를 통해 공급되는 공기로 인하여 Ⓑ구역으로 연기가 쏠리는 현상을 볼 수 있다.
Fig. 5는 Ⓐ-Ⓑ 구역과 뒤쪽으로 연결되어 있는 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도의 연기확산 모습이다. 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경우 발화 후 100초에 연기확산이 시작되고 있는 모습을 볼 수 있 으며 140초에 복도 전체로 확산되는 모습을 볼 수 있다. 시 나리오 Exh_Sup의 경우 화재발생 시 급기의 영향으로 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도까지 연기가 확산되지 않은 것을 알 수 있다. 그리 고 시나리오 Exh의 경우 발화 후 100초부터 연기확산이 시 작되어 발화 후 140초에는 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도까지 연기가 가득 차 시나리오 Nop_Exh_Sup와 비슷한 양상으로 연기가 확산되 고 있는 것을 볼 수 있다. 마지막으로 시나리오 Sup의 경우 급기의 영향으로 처음에는 청결층이 유지되고 있지만 발화 후 200초에는 연기가 확대되어 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도까지 연기가 확산된 것을 알 수 있다. 연기확산모습을 통해 보면 배기모 드 보다 급기모드가 연기확산에 더 영향을 미치는 것을 확 인해 볼 수 있다.
Table 4는 Case 1의 시나리오와 측정점에 따른 허용가시도 값에 도달하는 시간으로 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경우 측정 점 ❶번과 ❷번 위치에서는 각각 98초, 89초에 허용가시도 값에 도달하지만 시나리오 Exh_Sup의 경우 청결층을 유지하 고 있어 허용가시도 값에 도달하지 않으므로 급·배기시스템 을 멈추는 것보다 작동 시키는 것이 가시거리를 확보하는데 도움이 되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 전체적으로 봤을 때 화재발생 위치 상 ❹번 위치에서 시나리오 Nop_Exh_Sup 와 Sup일 경우 62초에 허용가시도 값에 도달하므로 선내 재 실자는 최소 발화 후 62초 이내에 화재구역을 벗어나 안전 한 곳으로 대피할 필요가 있다.
3.5.2.Case 2의 시나리오별 결과
Fig. 6는 배기시스템이 작동하는 곳에서 화재발생 시 Ⓐ-Ⓑ 구역 복도의 연기확산모습이다. 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경 우 Case 1과 동일하며 시나리오 Exh_Sup의 연기확산모습을 살펴보면 급기시스템에 의한 영향으로 연기가 Ⓑ구역으로 쏠리고 있는 현상을 살펴볼 수 있다. 그리고 시나리오 Exh의 경우 Case 1과 마찬가지로 충분한 배기가 이루어지지 못하 여 연기가 복도 전체로 확산되는 모습을 볼 수 있다. 마지막 으로 시나리오 Sup의 경우 시나리오 Exh_Sup와 마찬가지로 급기시스템의 영향으로 Ⓑ구역으로 연기가 쏠리지만 연기 가 급기로 가해진 압력 이상으로 확대 되며 약 100초에는 복 도 전체에 가득 채운 것을 관찰할 수 있다.
Fig. 7은 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도의 연기확산 모습이다. 시나리오 Exh_Sup의 경우 화재가 발생하고 Ⓑ지점에 있는 계단으로 연기가 배출되어 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도에는 청결층이 유지되고 있 는 것을 확인해 볼 수 있다. 그리고 시나리오 Exh의 경우 연 기가 계단으로 배출되어 발화 후 100초까지는 연기확산이 진행되지 않다가 시간이 지날수록 배출량 이상으로 연기가 발생하여 200초에는 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도에도 연기가 가득차게 되는 모습을 볼 수 있다. 마지막으로 시나리오 Sup의 경우 140초에서 연기확산모습을 보았을 때 급기시스템의 영향으 로 시나리오 Exh에 비하여 비교적 연기확산이 지연되고 있 지만 발화 후 200초 뒤에는 시나리오 Exh와 마찬가지로 복 도 전체에 연기가 확산된 모습을 확인할 수 있다.
Table 5에 정리한 내용과 같이 시나리오 Exh_Sup의 경우 측정점 ❶번, ❷번, ❸번 위치에서 허용가시도 값에 도달하 지 않으며 배기시스템만 작동하고 있는 시나리오 Exh는 각 위치에서 117초, 106초, 75초에 도달하기때문에 급기시스템 작동이 가시거리를 확보할 수 있는 시간 증가에 영향을 미 치는 것을 알 수 있다. 그리고 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경우 ❸번 위치에서 71초에 허용가시도 값에 도달하고 시나리오 Sup의 경우 ❹번 위치에서 73초에 허용가시도 값에 도달하 므로 전체적으로는 발화 후 최소 71초안에 화재가 발생한 구역의 계단을 통해 피난을 해야 할 것으로 예측되었다.
3.5.3.Case 3의 시나리오별 결과
Fig. 8은 Main deck의 해석대상 구역 중 급기시스템이 작 동하는 곳에서 화재발생 시 Ⓐ-Ⓑ 구역 복도의 연기확산모습 이다. Ⓐ-Ⓑ 구역 복도 뒤편에서 화재가 발생하였기 때문에 시나리오와 상관없이 Ⓐ-Ⓑ 구역에서는 발화 후 100초 뒤에 연기의 전파가 시작되는 것을 확인해 볼 수 있으며, 발화 후 140초 뒤에는 연기로 인해 가시도가 현격히 떨어진 것을 알 수 있다.
그리고 Fig. 9는 Ⓒ-Ⓓ 구역 복도의 연기확산모습으로 시나 리오 Exh_Sup와 Sup의 경우 급기시스템의 영향으로 화재 발 생 후 80초에는 연기가 복도의 양 끝까지 확산 된 것을 확 인해 볼 수 있으며 시나리오 Nop_Exh_Sup와 Exh의 경우도 유사하게 연기의 확산이 진행되고 있는 것을 확인해 볼 수 있다.
위치 별 가시거리 5 m에 도달하는 시간을 정리한 Table 6 을 보면 측정점 ❶번 위치에서는 시나리오 Nop_Exh_Sup의 경우 66초, 시나리오 Exh_Sup의 경우 64초, 시나리오 Exh의 경우 66초 그리고 시나리오 Sup의 경우 59초로 큰 차이를 확 인하기 힘들었다. 그리고 ❷번 위치와 ❸번 위치에서도 시 나리오 Sup일 경우 시나리오 Nop_Exh_Sup에 비해 최대 11초 에서 최소 6초 빨리 허용가시거리 값에 도달하는 것을 확인 할 수 있다. 이상의 결과로 부터 급기시스템이 있는 곳에서 화재가 발생하면 배기시스템작동과 상관없이 연기가 빠른 속도로 확산되어 가시거리 확보가 어려워 피난이 쉽지 않을 것으로 판단되었다.
4.결 론
이 연구는 선박 거주구역에서 화재 시 연기배출에 효과적 인 급·배기시스템 운전방안 제안을 목적으로, 대학교 실습선 을 대상으로 급·배기방식과 화재발생장소에 따라 연기의 거 동특성을 예측평가 하였다. 해석결과를 요약하면 다음과 같 다.
첫째, 급·배기시스템이 모두 작동하는 구역에서 화재가 발생한 경우(Case 1), 급·배기시스템을 중단하는 경우(시나리 오 Nop_Exh_Sup)보다 급·배기시스템을 작동시키는 경우(시 나리오 Exh_Sup)가 연기확산을 지연시키는데 도움이 되는 것을 알 수 있었다. 시나리오 Nop_Exh_Sup는 발화 후 최소 62초, 최대 98초에 허용가시도 값에 도달하지만, 시나리오 Exh_Sup의 경우는 최소 68초 또는 위치에 따라서 청결층을 유지하고 있기 때문에 급·배기시스템 작동이 피난시간 확보 에 도움이 되는 것을 확인할 수 있었다.
둘째, 배기시스템만 작동하는 곳에서 화재가 발생한 경우 (Case 2)도 급기시스템을 같이 작동시킬 때 복도에서 청결층 을 유지하였기 때문에 급기시스템을 함께 작동시키는 것이 연기제어에 효과적인 것으로 예측되었다.
셋째, 화재가 발생한 곳이 급기시스템만 작동하는 경우 (Case 3) 급기의 영향으로 발화 후 최소 64초 이내에 화재구 역을 벗어나 피난을 해야 하는 것으로 예측되었기 때문에 이 경우에는 급기시스템을 중단시켜 화재확산이 빠르게 진 행되는 것을 막아야 하는 것으로 판단되었다.
연구결과 화재의 발생위치와 급·배기시스템 각각의 유무 그리고 작동제어방법에 따라 연기 거동이 다름을 확인할 수 있었고 이를 통해 거주구역 화재 시 모든 통풍을 차단하는 기존방식은 효과적이지 않은 것으로 판단된다. 그러므로 선 박화재에 대비한 비상대응방안을 수립할 때는, 화재발생위 치 및 급·배기시스템에 근거한 성능위주의 연기제어방식을 예측평가하고 이를 대응매뉴얼화 함으로써 인적피해 최소 화를 위한 연기제어방법을 수립할 필요가 있다.
또한, 본 연구에서는 선실 화재를 가상하여 최초 화원과 열방출량을 목재 발화에 해당하는 50kW로 설정하였다. 그러 나 화원 종류와 열방출량의 크기에 따라 화재성장과 연기확 산 결과가 다르기 때문에, 본 연구의 한계를 극복하기 위해 향후 다양한 화원과 열방출량에 의한 효과를 비교검토할 계 획이다.
