1. 서 론

1970년대 이후 국내 산업의 발전은 경제 성장의 원동 력이 되어 내수 생산과 소비가 급격한 증가를 가져왔다. 이 과정에서 오물, 폐품 등 쓰레기가 다량으로 발생하게 되었고, 정부는 가장 단순하고 간단한 매립이라는 방식을 채택하여 처리하였다. 최근 들어 매립지는 악취, 위생 등 으로 기피하는 장소가 되어 주민민원으로 부지선정 및 확 보가 매우 곤란하며, 환경적으로는 토양 및 지하수 오염 등으로 인해 어려 문제점을 야기한다. 환경에너지시설로 서 쓰레기소각장은 우리나라의 지리적 특성을 고려해 볼 때 입지가 반드시 필요한 고립형 내수시설이다. 1990년 대부터 정부 및 지방자치단체는 대형 쓰레기 소각장을 건 설하여 쓰레기 처리와 더불어 에너지재생을 병용하고 있 다. 그러나 소각(燒却)이라는 처리단계는 동일한 장소에 다량의 가연물질과 화기가 공존하여 화재위험성을 높이는 요인이 된다. 지난 2017년 6월 청주 광역소각시설 및 2015년 9월 영천 도남공단 쓰레기 소각시설에서의 화재 사고 사례에서 볼 수 있듯이 한번 발생한 사고는 대형화재 로 이어지게 되어 인명피해와 더불어 막대한 재산피해를 초래하게 된다. 따라서 환경에너지시설은 건립 후 철저한 예방활동을 통한 안전관리와 적절한 사고대응을 통한 피 해저감도 중요한 요소이며, 관련 시설의 설치단계에서부 터 다양한 검토를 통한 안전성을 확보하여 공급하는 방법 도 고려되어야 하나 아직까지는 미흡한 실정이다.

본 연구에서는 환경에너지시설의 설치 이전, 즉 계획 및 설계 단계에서의 분석 및 검토에 초점을 맞추어, 환경에너 지시설 내에서 위험요소로 인해 발생할 수 있는 다양한 안 전사고 중 화재가 미치는 영향을 화재 및 피난 시뮬레이션 을 통해 검증하고자 하였다[1],[2],[3].

2006년 1월 ‘소방공사업법 제11조(설계)’의 개정과 2015년 6월 ‘화재예방, 소방시설 설치유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 제15조의3(성능위주설계를 하여야 하 는 특정소방대상물의 범위)’가 신설되면서 성능위주설계 (Performance Based Fire Protection Design)에 대한 기준이 마련되었다[4]. 성능위주설계란 특정소방대상물 의 용도, 위치, 구조, 수용 인원, 가연물(可燃物)의 종류 및 양 등을 고려한 공학적인 방법을 이용하여 화재안전의 목적을 성취하기 위한 문제를 해결하는 설계기법으로 흔 히 법규위주설계(또는 사양설계)와 대별된다. 어떠한 대 상물에 실제 적용하여 타당성을 확보하기 위해서는 물리 적, 시간적으로 실현 가능성이 낮기 때문에 이를 해결하기 위한 방법으로 시뮬레이션을 활용하는 것이 일반적이다.

본 연구에서 시뮬레이션 프로그램은 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 FDS(Fire Dynamics Simulator)[5]를 활용하여 화재로 인한 영향 및 해석을 검토하였으며, 미국 Thunderhead Engineering Consultants, Inc.의 Pathfinder를 통해 재실자의 피난 경로를 분석하였다.

성능위주설계방법에서는 화재 및 피난 안정성 평가방 법을 위험론적 분석방법(Risk-Based Analysis)과 결정 론적 분석방법(Deterministic Analysis)으로 구분하고 있으며, 이번 연구에서는 사고의 발생빈도를 고려하지 않 은 결정론적 방법으로 분석, 평가하여 결과를 유추하고 향 후 진행될 위험론적 분석방법을 통한 연구를 통해 2가지 방법에 대한 결과를 비교하여 화재모델링의 신뢰성을 제 고하고자 한다.

2. 수치해석

화재 및 피난 안전성을 평가하기 위해서는 ‘소방시설 등의 성능위주설계방법 및 기준’의 별표1에서 정하는 ‘시나리오 적용 기준’ 중 ‘인명안전 기준’과 ‘피난가능시간 기준’[6]에 근거하여 해석하였으며, 그 외 구체적인 평가방법에 대해서 는 SFPE(미국소방기술사회, Society of Fire Protection Engineers)에서 제시하는 기준[7]을 활용하였다.

2.1 판정기준

화재 및 피난 시뮬레이션의 시나리오는 가장 피해가 클 것으로 예상되는 시나리오를 기준으로 작성하였으며, 소 방시설 등의 성능위주설계방법 및 기준’에서는 인명안전 기준에 따라 호흡한계선, 열에 의한 영향, 가시거리에 의 한 영향, 독성에 의한 영향으로 판정하며 각각의 기준은 <Table 1>과 같다.

2.2 화재 및 피난 시뮬레이션 분석방법

화재시뮬레이션은 화재실에서 시간경과에 따른 온도상 승과 온도분포와, 연기 및 연소생성물에 의한 가시거리의 확보 수준, 독성가스의 증가량의 관계를 검토하였다.

본 연구의 대상은 산업(공업)시설로서 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’의 피난가능시간 기준에 따르 면 거주자는 건물의 내부, 경보, 탈출로에 익숙하고, 항상 깨어 있는 조건에 해당되므로 지연시간이 발생하지 않는 다. 따라서 화재감지기의 감지시간을 지연시간으로 고려 하여 1분 미만(W1)을 적용하였다. 또한 피난시뮬레이션 은 공업용도의 산업시설의 수용인원을 적용하여 피난가능 시간 기준에 적합여부를 평가하여 분석하였다.

3. 수치해석 결과 및 분석

3.1 전기실 화재 시뮬레이션 설정

본 연구의 대상모델로 이용된 환경에너지시설 중 전기 실을 포함하고 있는 층은 44.1×48.0×4.8 m 규모로서 중앙제어실(전자기기실)과 전기실이 주요 부분을 차지하 고 소규모의 부속실 등으로 구획되어 있다. 해당 층의 출 입구(피난구)는 6개소이며, 크기 900×2100㎜(W×H) 으로 갑종방화문으로 마감되었다. 이 중 화재실(전기실)은 수평피난 방법은 Route 1(P-02 또는 P-03 ⇒ P-06) 과 Route 2(P-02 또는 P-03 ⇒ P-04 ⇒ P-05)의 방 법을 이용하게 된다.

수치해석을 위하여 전체 공간을 0.3×0.3×0. 3m의 격 자(Grid)를 178,934개로 세분화하여 전산데이터의 정확 도를 높이고자 설정하였다.

화재로 인해 발생되는 영향을 분석하는 지표가 되는 도 (연기)분포, 가시거리, 독성가스 등은 인명안전평가 기준 에 따른 연기 호흡선(대피자 호흡선)에 따른 바닥으로부 터 1.8 m 상부의 위험도를 분석하였다.

화재시나리오는 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준 별표 1’에 따라 가장 피해가 클 것으로 예상되는 시나 리오 3가지(시나리오1+시나리오5[나]+시나리오6[나]) 를 적용하였다. 출화 전 실내온도는 20 ℃이며 화재 원인 은 전자기기 과열로 Red Oak(CH1.7O0.72N0.01)가 발 화하여 화재화원(최대 발열량)이 3,300 kW까지 발달하 게 되고, 일산화탄소와 연기 발생률은 각각 0.004 kg/kg. 0.015 kg/kg으로 설정되었으며 공기조화기로 인한 유량 의 출입은 없는 것으로 가정하였다. 보수적인 측면에서 최 악의 화재조건으로 설정하기 위하여 소방시설이 작동하지 않는 것으로 하였다. Figure 1

3.2 전기실 화재 시뮬레이션 결과

화재시뮬레이션의 결과값을 분석하기 위한 척도로서 연기호흡선을 고려한 온도에 의한 영향과 연기밀도에 대 한 척도로서 가시거리, 자립피난능력에 영향을 주는 독성 가스에 대하여 인명안전 기준과 비교하여 분석하였다.

먼저 호흡안전선(바닥으로부터 1.8 m)에서 60 ℃를 기준으로 노출에서부터 확산형태(온도분포)를 파악하였 다. 그 결과 화재실 내 피난구 P-02, P-03은 각각 380 초, 388.3초 이후 거주 및 피난 한계온도에 노출되어 상승 하는 것으로 나타났다. 또한 화재가 발생한 해당 층에서 1차 안전구역(복도)과 연결된 P-06까지는 388.3초, 2 차 안전구역(계단실)과 연결된 P-05까지는 1,200초 이 후 한계온도에 도달하는 것으로 나타났다[Figure 2].

가시거리(가시도)는 화재 시에도 건축물에 익숙하지 않은 사람이 연기가 발생하여 시야에 장애를 받더라도 유 도등(피난구 유도등, 통로유도등)을 확인할 수 있는 거리 에 근거한 10 m를 기준으로 하였으며, 그 결과 화재실 내 피난구 P-02, P-03은 각각 333.8초, 338.3초 초 이후 허용 가시거리 한계에 노출되어 상승하는 것으로 나타났 다. 또한 화재가 발생한 해당 층에서 1차 피난안전구역(복 도)과 연결된 P-06까지는 412.3초, 2차 피난안전구역 (계단실)과 연결된 P-05까지는 492.8초 이후 허용한계 거리에 도달하는 것으로 나타났다[Figure 3].

사람이 피난하는 동안 노출되는 연기독성의 측정값인 일산화탄소의 농도를 1,400 ppm을 기준으로 하였다. 물 론, SEPE Handbook[7]에서는 거주자가 1,000 ppm까 지 30분 이상 견딜 수 있는 것으로 보고되고 있지만 국내 기준을 우선으로 하였다. 그 결과, 화재실 내 피난구 P-02, P-03과 1차 안전구역(복도)과 연결된 P-06, 2 차 안전구역(계단실)과 연결된 P-05의 모든 지점에서 시 뮬레이션 설정 1,200초 동안 일산화탄소 허용농도 한계 까지 노출되지 않는 것을 확인할 수 있었다.[Figure 4].

3.3 전기실 피난 시뮬레이션 설정

해당 건물의 층에는 ‘소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준’에 근거하여 상주인원을 화재실(전기실) 및 중앙 제어실이 각각 3명, 5명이었으며, 견학홀에서는 최악의 조건가정 상 시설견학 중 발생한 화재사고로 비상주인원 30명이 입실한 조건에서 Pathfinder를 활용하여 피난 시 뮬레이션을 실행하였다[8]. 대피인원의 특징과 이동속도 는 SFPE에서 제시하는 기준을 적용하였으며, 지연시간은 앞서 <Table 2>에서 제시한 1분으로 하였다. 피난경로는 Route 1.과 Route 2.로 구분하여 확보하였으나, 해당 층 은 환경에너지시설 건물 중 3층에 위치하고 있기 때문에 Route 1을 제외한 Route 2 방향만을 시뮬레이션으로 계 획하였다.

3.4 전기실 피난 시뮬레이션 결과

피난소요시간은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

여기에서 피난소요시간(E_t)은 화재감지시간(D_t)과 통보시간(N_t), 피난개시지연시간(P_t), 시뮬레이션시간 (S_t)을 합산한 시간으로 나타낸다.

화재발생 후 20초가 넘어선 시점에서 화재실 내 상주인 원이 1차 피난안전구역(복도)으로 피난이동되었으며, 약 80초가 소요되는 시점에서 2차 안전구역(부속실 또는 계 단)으로의 이동을 확인할 수 있었다. 화재층 내 모든 재실 자가 해당 층을 벗어나는 시점은 93.4초가 소요되었다. 각 출입구 지점에서의 피난소요시간(RSET)은 화재시뮬레 이션에서 얻어진 데이터 기초로 인명안전 기준에 적합한 피난허용시간(ASET)과 비교하여 화재 및 피난 안전성을 비교, 검토하였다. 그 결과, <Table 3>에 나타낸 바와 같 이, 각 구획실의 출입구에서의 피난소요시간은 피난허용 시간을 하회하는 것을 확인할 수 있었기에 환경에너지시 설의 전기실에서의 화재 시 화재 및 피난 안전성을 확보할 수 있는 것을 검증할 수 있었다[8].

4. 결론

현대사회의 요구에 의한 생산과 소비의 증대는 쓰레기 라는 잔유물을 유발하게 되며, 이를 처리하기 위한 환경에 너지시설은 국내환경을 고려할 때 매우 중요한 시설이다. 그러나 가연물질의 다량 보유 및 화기원의 사용으로 인한 위험성을 고려하지 않을 수 없다.

본 연구에서는 환경에너지시설의 화재위험성으로부터 운영의 안전성 및 대응력을 확인하기 위하여 화재 및 피난 시뮬레이션을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 확인할 수 있었다.

첫째, 국내의 ‘소방시설 등 성능위주설계 방법 및 기준’ 에서 제시하는 인명안전 기준을 FDS 화재시뮬레이션을 통해 비교한 결과, 온도분포, 가시거리, 일산화탄소에 의 한 독성 기준이 확보되는 것을 알 수 있었다.

둘째, 피난시뮬레이션 프로그램인 Pathfinder를 통해 화재 진행 및 확대에 따른 재실자의 피난시간을 확인한 결 과, 피난소요시간(RSET)이 피난허용시간(ASET)의 범 위 내에 있었기에 화재 시 대상시설의 피난대응 능력이 확 보됨을 확인할 수 있었다.

본 연구의 대상인 환경에너지시설은 건축물의 규모가 비교적 대형대상물(특정소방대상물 1급 이상)에 해당하 는 경우는 미미하지만, 위험성이 높은 대상으로 특별한 안 전관리가 필요하다. 따라서 향후 연구에서는 각 구획실 별 화재에 따른 화재 및 피난 안전성 검토에 대한 분석과 구 획실 동시화재 위험발생조건 등을 고려한 결정론적 측면 에서의 안전성 검토뿐만 아니라 발생빈도를 고려한 위험 론적 방법 대상공간의 용도 조건 등 다양한 사례분석이 필 요할 것으로 사료된다.