This study compares and analyzes the discharge status of smoke according to the method of installing a mobile blower in the event of a fire in an underground parking lot of an apartment using an evacuation simulation. An evacuation simulation was conducted on the situation in which the discharge of smoke in the event of a fire was discharged using a mobile blower to extinguish the smoke in the event of a fire by focusing on the part without smoke facilities in the underground parking lot. The results derived through experiments on the amount of smoke discharged using the natural exhaust method and the mobile blower in the underground parking lot are as follows. (1) In the event of a fire in an underground parking lot, the PPV (positive pressure ventilation) method, which has been mainly used in the field, should be used in a limited way. It can be an effective method if the exhaust port corresponding to the amount of the blower and the smoke exhaust is located nearby, or if the capacity of the apartment ventilation fan is designed to meet the 18CMH/㎡ of the National Fire Protection Association (NFPA) 88A or the 27CMH/㎡ standard standard for performance-oriented design evaluation and operation such as fire fighting facilities of the National Fire Protection Association (NFPA) 88A. (2) In the case of the additional mixing method (PPV+NPV) performed in the FDS experiment, smoke emissions increased by 5.1% compared to the NPV single method, and increased by 24.4% compared to the PPV single method.
1. 서 론
공동주택 지하주차장들이 활성화된 이면에는 지하주차장이 가지고 있는 고유한 문제점인 협소한 공간에 지나친 화재하중이 가해진다는 점, 밀폐된 구조로 인해 화재 확산 위험이 높다는 점, 전기차량의 증가와 전기차 충전구역의 지하 설치로 인한 전기화재의 위험성이 증대되고 있다는 점 등과 함께 배관, 전기설비, 기계실 등이 지하주차장과 연계되면서 발생하는 용도의 복합화로 인한 화재 위험성에 대해서는 상당부분 간과되고 있었다는 불편한 사실이 존재한다. 신연제(2023)은 40여년 전에 정립된 영국 BS5588-P4을 모태로 하는 제연설비기준은 지상건축물 내 인명대피에 중점을 두었기 때문에, 현재와 같이 발달된 지하주차장에 대한 정책적인 고려가 부족한 것이 현실이다[1]. 화재는 발생 시 인명 피해와 재산 피해를 가져올 뿐만 아니라, 많은 사회적 혼란과 경제적 손실을 초래한다. 배상환(2012)은 지하공간에서 발생하는 화재는 통로가 제한되고, 연기와 유독 가스의 배출이 어려워 대규모 인명・재산 피해로 이어질 가능성이 크다[2]. 지하공간은 도시의 인구 밀집화와 더불어 발생한 공간 부족 문제를 해결하기 위하여 지하주차장, 지하철, 쇼핑몰, 창고, 터널 등 다양한 용도로 점차 확대되고 있다. 배윤신(2011)은 이러한 공간의 증가와 함께 화재 위험성도 동시에 증가하고 있어 이에 대한 체계적인 안전대책이 요구되고 있다[3]. 특히, 일반 서민들이 일상적으로 접하는 지하공간인 지하주차장은 구조적 특성상 밀폐된 구획에 가까우며, 대형화 경향, 제한된 환기, 화재 시 유독가스의 빠른 축적 등의 성격을 가지고 있어, 장준영 외(2017)은 화재 시 대규모의 인명 피해와 재산 피해 확대가 우려되는 대표적인 지하공간 대상물이라 할 수 있다[4]. 윤해권(2018)은 1988년 서울 올림픽선수촌아파트 동별 지하주차장 도입을 시작으로 기존의 공동주택 지상주차장은 이제 녹지와 휴게공간으로 전환되고 있으며, 주차에 필요한 주 공간은 자연스럽게 지하로 이동하였다[5]. 이와 더불어 인구 집중화 및 세대별 보유차량 대수가 평균 1대 이상으로 증가함에 따라, 이러한 공동주택 지하주차장들은 점차 대형화, 복층화 되어가는 추세를 보이고 있다. 이렇게 공동주택 지하주차장들이 활성화된 이면에는 지하주차장이 가지고 있는 고유한 문제점인 협소한 공간에 지나친 화재하중이 가해진다는 점, 밀폐된 구조로 인해 화재 확산 위험이 높다는 점, 전기차량의 증가와 전기차 충전구역의 지하 설치로 인한 전기화재의 위험성이 증대되고 있다는 점 등과 함께 배관, 전기설비, 기계실 등이 지하주차장과 연계되면서 발생하는 용도의 복합화로 인한 화재 위험성에 대해서는 상당부분 간과되고 있었다는 불편한 사실이 존재한다. 최근 발생한 인천 청라동 전기자동차 화재는 이러한 위험요소들이 대표적으로 표출된 사례로 볼 수 있다. 지하 지하주차장의 낮은 층고로 인하여 소방차량 진입을 통한 공격적인 화재진압이 불가하고, 어렵게 도보로 진입한 소방대원들은 농연으로 인해 정확한 화점을 찾을 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위해 지하주차장에 설치되는 주요 소방시설인 제연설비의 중요성을 여러 매체에서 지적하고 있으나, 현행 소방 관련 법령에서는 지하주차장의 제연설비 설치에 대한 강제규정이 없어 건축법에서 규정하고 있는 환기설비로 이를 대체하고 있는 실정이다. 강경선(2023)은 환기설비는 자동차 매연 등 오염물질을 배출하고 외부의 공기를 급기하기 위한 설비로. 실질적인 화재 대응에는 한계가 존재한다[6]. 박원희(2007)은일부 지자체에서는 성능위주설계 대상 공동주택 건축물 심의 시 제연설비를 요구하고 있지만 강제규정이 아니어서 큰 실효성은 없는 실정이다[7].
이 연구의 대상을 지하주차장 중에서도 공동주택에 해당하는 대형 아파트 단지의 지하주차장에 초점을 맞추고자 한다. 이는 연구 주체인 세종소방서의 관할인 세종특별자치시가 가지는 특성에 기인한다. 세종특별자치시는 2012년 7월 1일에 행정중심복합도시로 출범하였으며, 북쪽은 농촌지역, 남쪽은 환상형 구조를 가지는 도심지역이라는 특성을 가지고 있다. 이중 세종소방서가 관할하고 있는 도심지역은 거주공간의 98%가 2012년 이후에 건설된 159개의 대형 아파트단지이며 80.5%가 지하주차장으로만 건설되었다현재 6개로 구분된 환상형 구조로 예정된 각 생활권역의 약 절반 정도만 건설과 입주가 진행된 상태로, 앞으로 지어질 아파트 단지들은 기존의 공동주택 보다 훨씬 대형화 복층화된 지하주차장을 시공하게 될 것이 확실시된다. 이러한 특성은 국내 여러 곳에서 개발되고 있는 3기 신도시 도심지역과 비슷한 양상이며, 이에 따른 지하주차장 화재 위험성 또한 유사한 요소를 공유하고 있는 측면이 있기 때문에 신도심 대형 아파트 지하주차장을 중심으로 연구대상을 결정하였다.
2. 본론
배연실험에 대한 반복적인 실험 등 추가 실험에 대한 한계를 극복하기 위하여 FDS((Fire Dynamics Simulator)를 수행하였다. FDS는 미국의 국립표준기술연구소 NIST (National Institute of Standards Technology)에서 개발한 모델로 3차원 공간의 화재해석이 가능하여, 실증실험에 대한 신뢰도 검증과 국내 성능위주설계 및 주요 건축물에 대한 화재위험성평가 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. FDS는 효율적인 계산을 위하여 작은 와류유동까지 직접 해석을 수행하는 DNS(Direct Numerical Simulation) 기법과 모든 스케일의 와류유동을 모델링된 계산방법으로 수행하는 RANS(Reynolds Average Navie-stoke Simulation) 기법의 중간 형태인 LES(Large Eddy Simulation)로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 가장 효율적인 LES 기법을 적용하여 FDS를 수행하였다.
2.1 시설개요
<Table 1> 와 같이 실험은 세종시 산울동에 위치한 아파트로 2024년 7월에 입주를 시작한 신규 아파트에서 실시하였다. 실험은 연기를 완전히 배출한 후 다른 실험을 진행해야 하는 특성상 하루에 완료하지 못하여 총 이틀에 걸쳐 진행하였다. 실험 첫째날은 맑은 날씨로 기온 28℃. 습도 54%였으나, 둘째날은 많은 비가 내렸으며 기온 25℃, 습도 96%로 습도가 엄청 높은 날씨였다. 기상상태가 비슷한 날에 실험을 진행하려고 하였으나, 아파트의 공사일정 등의 이유로 불가피하게 기상상태가 다른 날 실험을 진행하였다. 실험장소는 총 24개동으로 지하 2층, 지상 25층, 1,350세대로 이루어진 대단지이다. 지하주차장은 동과 동이 연결되어 있는 대형 주차장으로 총 면적은 67,491.93㎡, 주차대수는 2,051대이다. 아파트 지대의 단차로 인하여 경사로를 통해 지하주차장 구역이 여러 구역으로 나누어져 있다. 실험 구역은 지하 1층으로 면적 12,118㎡, 주차대수 379대인 곳에서 실시하였으며, 주차장 출입구의 폭은 7.5m, 높이는 3.55m이다.
실험구역은 [Figure 1]와 같은 구조로 크게 세 개 구역으로 나눌 수 있어 지하주차장 출입구를 기준으로 A부터 C까지 지정하여 실험을 진행하였다. 지하주차장 출입구는 A구역 아래측에 위치하고 있으며, 실험에 사용된 환기팬은 C구역에 설치되어 있다. 또한 C구역의 환기팬 좌측으로는 다른 지하주차장으로 갈 수 있는 경사로가 위치하고 있다.
실험 시 주차를 통제하여 B구역 구역은 주차된 차량이 없는 상태에서 실험을 실시하였으나, A구역과 C구역은 아파트 입주민과 하자보수 업체 등의 차량을 모두 통제할 수 없어 일부 주차된 상태에서 실험을 진행하였다.
2.2 입력값
FDS 수행 대상은 실증실험 장소로 앞서 언급한 기본 현황을 그대로 적용하였다. 천장의 높이는 데크플레이트 공법으로 높이가 3.5m, 3.8m로 나누어지는데 높은 수치인 3.8m로 설정하였다. 화원은 차량화재로 설정하였으며, 실증실험과 같은 지점에서 화재가 발생한 것으로 가정하였다. FDS 수행 시 요구되는 주요 입력인자 중 자동차 화재에 대한 연료 설정은 지하주차장 화재 위험성 평가에서 주로 적용되는 연료가 ‘Polyurethane GM21’을 확인하였으며, 선행 연구에서 화재실험을 통해 측정한 연소특성 정보인 <Table 2>를 인용하였다.
자동차 화재에 대한 열방출률(Heat Release Rate)은 지하주차장 화재 위험성 평가 시 차량화재를 구현하기 위해 설정되는 열방출률이 약 4~8MW인데, 국내 보고서 중 주차장 화재시나리오에 적용된 76건의 열방출률은 평균적으로 6.75MW를 적용하였다. 이때, 화재 성장률은 Medium (α=0.01176kW/s2) 또는 Fast(α=0.0469kW/s2)를 일반적으로 적용하였다(한호식 외, 2021). 따라서 [Figure 2] 와 같이 평균 열방출률 6.75MW, 성장률 Fast를 적용하여 실험을 수행하였다.
지하주차장의 바닥, 천장, 벽면은 ‘Concrete’로 설정하였으며, 차량의 형상은 ‘Steel’로 설정하였다. ‘Concrete’와 ‘Steel’에 대한 열적 물성치(Thermal Properties)는 <Table 3>는 선행 연구에서 제시된 값을 인용하였다.
FDS의 격자 크기는 LES 기법이 적용되는 경우 이 격자의 크기에 따라 수치해석의 정확도가 결정될 수 있다. 따라서 화재시뮬레이션 수행 시 격자 크기에 대한 검토는 계산결과를 논하기 이전에 반드시 거쳐야 되는 필수적인 과정이라 할 수 있다. 격자 민감도 분석은 특성 화재직경(characteristics fire diameter, D*)를 기준으로 시작되며, D* 내부에 포함될 수 있는 격자개수로 판단한다. 일반적으로 D* 내부에 10~20개 또는 4~16개가 포함될 수 있는 격자크기가 적절한 결과를 제공한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 화재 주변의 Characteristic length scale은 FDS User’s Guide의 6.3 Computational Meshes에서 사용한 MaCaffery의 연구 식으로 D*를 다음과 같이 계산하였다(윤해권, 2018).
위 식에 따라 D*를 계산하면 D* = 2.03m가 나온다. 격자의 한 변에 길이를 0.4m인 정육면체 형상으로 고려하면 아래와 같이 특성화재 직경에 약 5개가 포함되는 격자크기가 설정된다. 따라서 위에서 언급하였듯이 4~16개의 격자크기에 포함되므로 적절한 결과를 얻을 수 있다. 이 데이터를 가지고 본 연구에서 사용된 격자 개수는 약 100만개이다.
2.3 시나리오의 구성
FDS 수행 시나리오는 <Table 4>와 같이 총 4가지로 설정하였다. 스프링클러설비는 실증실험과 마찬가지로 최악의 상황을 가정하여 작동하지 않은 것으로 설정하였다. 첫 번째 Z Case는 배연을 하지 않은 기본 조건이다. 이는 다른 시나리오와 비교하기 위한 기본 시나리오이다. 두 번째 P Case는 <Table 4> 와 같이 Case인 PPV방식이며, 세 번째 N Case는 Case로 NPV방식이다. 마지막 시나리오인 PN Case는 실증실험에서 실험하지 못한 새로운 방식으로 PPV와 NPV를 혼합한 방식이다.
PN Case는 출입구 기준 화점 뒤에 송풍기 1대(45°)를 설치하는 것은 차이가 없다. 하지만 [Figure 2] 와 같이 지하주차장 출입구에 설치하는 송풍기 중 1대는 바닥에 설치하여 팬의 각도를 직각(90°)으로 한 후 주차장 내부로 신선한 공기를 불어 넣어주고(PPV), 1대는 바닥에서 2m 높이에 출입구 방향으로 설치(팬의 각도 90°)하여 연기를 배출하는(NPV) 방법이다.
3. 결과 및 분석
3.1 가시도
먼저 차량 1대 화재 시 연기의 발생량을 확인하기 위하여 0번 Case의 연기 거동을 확인하였다. [Figure 3]과 같이 배연을 하지 않은 상태에서 5분이 경과하자 화재가 발생한 B구역 전체에 연기가 확산되었다. C구역의 농도는 B구역에 비해 낮지만 전체로 확산되었으며, A구역은 외기로 인하여 약 50% 정도 확산되었다. 화재발생 10분이 되자 지하 1층 전체에 연기가 확산되었으며, 상부에 위치한 다른 주차장 구역까지 연기가 확산되었다.
차량화재 발생 10분 후 각 시나리오별로 배연을 실시한 경우 바닥에서 1m 높이의 가시도를 분석하였다. 그 결과 [Figure 2] 와 같이 PN Case의 가시성이 가장 좋았다. PN Case의 가시도는 4~5m로 소방청의 ‘소방시설 등 성능위주설계 평가운영 표준 가이드라인’ 중 화재 및 피난시뮬레이션의 시나리오 적용기준에 따른 허용가시거리 5m에 해당하는 가시거리이다.
N Case는 PN번 Case의 가시거리에는 미치지 못하지만, P Case에 비하면 좋은 결과가 나왔다. N Case의 가시거리는 C구역은 약 3~4m, A구역은 약 1~3m로 나타났다. 따라서 N Case의 경우에는 아파트 세대 직통계단을 통해 주차장 출입구 기준 화점 뒤로 진입하는 것이 가시도 확보에 좋을 것으로 보인다. P Case는 배연을 하지 않은 Z Case와 거의 비슷한 가시거리를 보였다. 화점 주변을 보면 오히려 Z Case보다 더 악화된 모습이다. 이는 주차장 내부로 송풍기를 작동하면서 연기의 교란과 와류가 발생하여 배연을 하지 않았을 때 보다 가시거리가 더 악화된 것으로 보인다. 추가로 송풍기 팬의 각도 변화에 따른 가시도를 확인하기 위하여 팬의 각도를 30°와 60°로 설정하여 가시도 분석을 실시하였다. 그 결과 30°의 가시도가 가장 짧았지만 아주 미세한 차이로 큰 변화는 없었다.
3.2 연기 배출량
실험구역을 살펴보면 [Figure 2] 와 같이 아래측에 지하주차장 출입구(Entrance)가 있으며, 상부 환기팬 옆에 다른 구역으로 연결되는 경사로(Passage 1)가 있다. 그리고 그 경사로 좌측에 또 다른 구역으로 연결되는 경사로(Passage 2)가 하나 더 위치하고 있다.
시나리오별 연기의 배출량을 비교하기 위하여 먼저 배연을 하지 않은 Z Case 조건에서 연기 배출량을 확인하였다. 그 결과 [Figure 2] 와 같이 주 출입구로 배출되는 연기량이 가장 많았으며, 다른 구역으로도 연기가 확산되는 것을 볼 수 있었다. 수치를 살펴보면, 화재발생 10분 경과 시 지하주차장 출입구로 배출되는 연기의 배출량은 약 0.003kg/s이며, 다른 주차장 구역의 출입구로 확산되는 연기량은 약 0.0005kg/s이다. 20분 경과 시에는 지하주차장 출입구의 연기 배출량이 약 0.006kg/s이며, 다른 주차장 구역의 출입구로 확산되는 연기량은 약 0.002kg/s로 나타났다.
시나리오별 연기의 배출량을 비교하기 위하여 먼저 배연을 하지 않은 Z Case 조건에서 연기 배출량을 확인하였다. 그 결과 [Figure 7] 와 같이주 출입구로 배출되는 연기량이 가장 많았으며, 다른 구역으로도 연기가 확산되는 것을 볼 수 있었다. 수치를 살펴보면, 화재발생 10분 경과 시 지하주차장 출입구로 배출되는 연기의 배출량은 약 0.003kg/s이며, 다른 주차장 구역의 출입구로 확산되는 연기량은 약 0.0005kg/s이다. 20분 경과 시에는 지하주차장 출입구의 연기 배출량이 약 0.006kg/s이며, 다른 주차장 구역의 출입구로 확산되는 연기량은 약 0.002kg/s로 나타났다.
Z Case의 결과값을 기준으로 각 시나리오별 연기 배출량을 비교하였다. PN Case 조건의 배출량이 가장 높았다. 자세히 살펴보면, PN Case는 P Case 보다 무려 24.4%나 연기 배출량이 많고, N Case에 비해 5.7% 효과적이다. 또한 기준값인 Z Case와 비교하면 5.4% 증가하였다.
N Case의 결과값은 예상과 달리 Z Case 기준 0.3% 감소되는 것으로 분석되었다. 이는 실증실험과는 조금 다른 결과지만 P Case에 비하면 18.7%나 좋은 효과라고 할 수 있다. 마지막으로 P Case의 경우 연기의 배출량이 배연을 실시하지 않을 때 보다 19%나 감소하였다. 이 결과값은 PPV방식으로 배연을 하는 경우 외부로 배출되는 연기의 배출량은 줄어들고 오히려 연기의 교란과 와류현상이 심해진다는 실증실험의 결과를 증명한 것이라고 볼 수 있다.
연기의 가동을 통한 가시도 분석과 출입구별 배출되는 연기의 양을 종합해보면, 가장 효과적인 배연방법은 혼합방식(PPV+NPV)으로 확인된다. 혼합방식(PPV+NPV)으로 배연을 실시하는 경우 바닥에서 1m 높이의 가시도가 가장 좋고, 출입구로 배출되는 연기의 배출량도 가장 많이 증가하였다. 실증실험에서 좋은 효과를 보인 NPV방식은 PPV방식보다 좋은 결과값을 얻을 수 있었으나, 연기의 배출량이 0.3% 감소되었다. 이 결과의 차이는 실증실험의 경우 연기가 실험구역에 가득차지 않은 상태에서 배연을 하여 FDS의 결과와 차이가 발생한 것으로 판단된다. 따라서 NPV 단일 배연방식은 화재 초기에 효과를 볼 수 있다고 생각된다.
4. 결론
이 연구는 피난시뮬레이션을 이용하여 아파트 지하주차장에서 화재 발생 시 이동식 송풍식를 설치하는 방법에 따른 연기의 배출량 상태를 비교ㆍ분석한 것이다. 아파트 지하주차장에서 제연설비가 없는 부분에서 착안하여 화재 시 연기의 배출을 이동식 송풍기를 활용하여 연기를 배출시켜 화재를 진압하는 상황에 대해 피난시뮬레이션을 실시하였다. 지하주차장에서 자연배기방식와 이동식 송풍기를 활용한 연기 배출량에 따른 실험을 통해 도출한 결과는 다음과같다
(1) 지하주차장 화재 시 그동안 현장에서 주로 사용하는 양압방식인 PPV(Positive Pressure Ventilation)방식은 제한적으로 사용해야 한다. 송풍기와 배연차의 급기량에 상응하는 배기구가 가까운 곳에 위치하거나, 아파트 환기팬의 용량이 NFPA(National Fire Protection Association) 88A의 18CMH/㎡ 또는 소방청의 ‘소방시설 등 성능위주설계 평가운영 표준 가이드라인’의 27CMH/㎡ 기준에 맞게 설계된 경우에는 효과적인 방법이 될 수 있다. 하지만 대형 아파트 지하주차장의 경우 배기구로 사용할 수 있는 지하주차장 출입구가 상당히 먼 거리에 위치하고 있고, 현재 아파트 환기팬의 용량 또한 작게 설계되어 양압방식 배연의 경우 오히려 연기를 교란시켜 시야확보에 어려움을 주게 된다. FDS 수행 결과 PPV방식에 비하여 연기 배출량이 약 18% 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 주차장 내부에 연기가 가득찬 경우 실증실험과 같이 아주 뛰어난 효과가 나타나지는 않았다. 그 이유는 이동식 송풍기의 용량이 17,343CMH로 주차장 내부에 가득찬 연기를 배출하는데 한계가 있는 것이다. 따라서 이동식 송풍기를 주차장 출입구에 추가로 설치하거나, 능력이 더 뛰어난 엔진식 송풍기를 설치하는 경우에는 배출 효과가 더 좋을 것으로 판단된다.
(2) FDS 실험에서 추가로 수행한 혼합방식(PPV+ NPV)의 경우 NPV 단일방식과 비교해보니 연기 배출량이 5.1% 증가했으며, PPV 단일방식과 비교하면 24.4%나 증가하는 것으로 나타났다. 바닥에서 1m 높이에서의 가시도에 대한 평가에서도 혼합방식(PPV+NPV)이 가장 좋은 결과를 나타내었다. 연기 배출 시 상층과 하층의 층이 형성되었는데 하층의 공기층은 내부로 이동하였고, 상층의 공기층은 출입구로 이동하였다. 이는 에너지 보존의 법칙으로 배출되는 연기의 양만큼 새로운 공기가 채워줘야 하기 때문이다. 따라서, NPV 단일방식은 자연급기형식으로 강제배기로 배출되는 양에 비하여 급기의 양이 부족하여 배출속도와 배출양이 작은 것으로 판단된다. 하지만 혼한방식(PPV+NPV)은 강제급기, 강제배기로 풍량이 같기 때문에 배출 능력이 단일방식에 비하여 뛰어난 것이다. 최적의 배연방법은 PPV방식과 NPV방식을 결합한 혼합방식(PPV+NPV)으로 나타났다. 혼합방식(PPV+NPV) 을 배연 전술로 활용할 경우 연기의 배출량도 증가하고, 진압대원의 가시성도 확보할 것으로 생각된다. NPV방식은 혼합방식(PPV+NPV)의 배출능력에 다소 미치지 못하지만, 현재 현장에서 많이 사용되고 있는 PPV방식에 비하면 뛰어난 배출능력과 가시성을 나타낸다. 또한 연기가 주차장에 가득차게 되는 최성기 상태가 아닌 경우에는 아주 적합한 방법이라 할 수 있다. 혼합방식(PPV+NPV)의 송풍기 설치방법이 설치 높이와 방향만 다르기 때문에 출입구의 환경, 소방서 여건, 현장 도착시간 등에 따라 적합한 방식을 선택 활용하면 될 것이다.