▲삼성건설 건축기전팀/기술기획파트 권순평 과장(소방기술사/미국소방기술사)

    
1. 소개
 
이번 연재에서는 성능위주소방설계(performance based design, 이하 pbd)에 필수적인 배경이 되어야 할 화재역학(fire dynamics)에 대해 간단히 언급해 보기로 한다. 지난 20여 년 동안 방화공학분야의 과학자와 엔지니어들은 화재의 시작, 성장, 전파 그리고 화재에 의해 발생되는 부산물들, 그리고 이러한 화재를 방호하기 위한 수동적(passive) 또는 능동적(active)인 방화시스템에 대한 연구에 힘을 쏟아왔다. 이러한 노력들이 모여서 현재 화재역학(fire dynamics), 방화시스템공학(fire protection system engineering)등으로 명칭 되는 미국이나 유럽 등 선진국의 방화공학분야가 태동되고 발전되어 온 것이다.

성능위주소방설계를 수행하기 위해서는 이러한 화재역학적 지식이 필수적임은 자명한 것이다.
 
화재역학 기본서로는 여러 책자가 있으나 그 중 널리 교재로 이용되고 많이 읽혀지는 서적중의 하나로 영국 edinburgh 대학의 drysdale 교수가 집필한 “introduction to fire dynamics”이라는 서적으로 화재역학 분야의 입문서로 많이 읽혀지고 있다.

pbd를 수행함에 있어서 엔지니어는 특히 화재에 대한 일차적인 고려 즉 화재시나리오를 선정하는 데 있어서 화재역학적 지식을 client에게 설명해야 일이 많을 것이다. 이점이 법규위주의 설계와 pbd의 접근방식에서 근본적으로 차이를 보이는 첫 번째 시작일 것이다.
 
2. 화재의 분류(classification of fire)
 
화재를 분류하는 일반적인 방법으로는 연소형태(type of combustion process), 성장률(growth rate), 환기형태(ventilation), 그리고 성장단계(fire stage)별로 나누는 것이 일반적이다. pbd에 있어서 선정된 화재시나리오는 고려되는 방화시스템과 상호 대치되는 관계이다. 즉 선정된 화재시나리오에 의한 위험을 cover할 수 있는 방화시스템을 고려하는 것이 pbd의 핵심사항인 것이다.
 
2-1. 연소형태(type of combustion)
 
연소형태를 나누는 일반적인 방법은 연소전단계(pre-combustion), 훈소연소단계(smoldering combustion), 불꽃연소단계(flaming combustion)로 나누는 것이다.
연소전단계란 연료를 발화온도까지 예열시키는 단계를 말하며, 이 단계에는 여러 가지 열분해 물질(pyrolysis products)이 연료로부터 방출되기 시작한다.

훈소연소는 작열연소(glowing combustion)라고도 하며 화재가 본격적인 단계에 이르기 전인 초기단계를 말하며 이때는 주변의 산소농도에 크게 영향을 안받는 속불형태의 연소가 일어나게 된다. 훈소연소 상태에서는 화염온도가 불꽃연소를 유지하기에는 미흡한 상태이다.

다음 순서로는 불꽃연소(flaming combustion) 단계가 되는 데 연소과정에서 생성되는 에너지가 화염을 동반하는 연소를 일으키는 데 충분하고 화재의 온도도 높게 유지되는 연소단계를 말한다. 즉 불꽃으로부터의 연료로의 에너지 feedback이 연소를 계속하여 유지시키는 데 충분하여 활발히 화염을 동반하며 연소하는 상태를 말한다.

물론 이러한 연소의 형태는 명확히 독립적으로 나타나는 것이 아니라 하나의 화재에 각 상태가 어느 정도는 혼재되어 진행된다.

연소에 의한 불꽃의 종류로는 확산(diffusion)과 예혼합(pre-mixed) 화염으로 구분 할 수 있다. 확산화염은 연료가 열분해 되어 vapor형태로 산소와 혼합되어 연소되어 가는 형태로 대부분의 일반적인 화재의 형태가 이러한 확산화염에 해당된다. 다른 하나인 예혼합화염은 일반적인 건물화재 보다는 산업공장 등에서 일어날 수 있는 형태로 연료가 미리 산소와 혼합되어 있는 상태에서 점화되어 확산화염보다 훨씬 급격한 연소가 이루어지는 상태를 말한다. 폭발현상이 예혼합 연소의 전형적인 형태이다.
 
2-2. 화재성장률에 따른 분류(fires characterized by growth rate)
 
화재성장률은 화재의 심각성에 많은 영향을 미치는 요소이다. 예를 들면 화재의 성장이 느리면 감지시스템이 늦게 작동되어 결과적으로 화재를 진압하는 데 소요되는 소화시스템의 성능이 더욱 향상되어야 하거나 또는 화재감지 시스템의 민감도를 증가시켜야 화재안전성을 확보할 수 있을 것이다. 반대로 화재의 성장이 매우 빠르면 감지시스템의 민감도가 반대의 경우보단 덜 중요하게 작용된다.
 
2-3. 환기형태에 의한 화재분류(fires classified on the basis of ventilation)
 
화재는 또한 연소 시 필요한 산소와의 관계에 따라 연료지배형(fuel-controlled fire)과 환기지배형(ventilation-controlled fire) 화재로 나눌 수 있다.

화재가 외기와 많이 오픈 되어 있거나 화재초기 시 연소에 필요한 산소요구량이 많지 않을 경우 화재 양상은 연료자체의 성격에 의해 지배되는 양상을 띠게 된다. 이러한 상태의 화재를 연료지배형 화재라고 한다.

반대로 화재가 외기와 충분히 접하지 못한 상태 또는 화재사이즈가 커져서 산소요구량이 많을 경우에 상대적으로 충분한 양의 산소가 확보되지 못할 경우 화재는 환기요소에 지배 받게 되는 데 이러한 경우를 환기지배형 화재라고 한다.

화재성장단계(fire stage)에 따른 분류는 초기단계(incipient stage), 화염생성단계(flame production), 훈소단계(smoldering)로 나눌 수 있다.
 
3.  kpc에 대한 개념(the concept of  kpc )
화재의 첫 번째 단계라고 할 수 있는 점화가 일어나기 위해선 점화원에서 나오는 에너지가 충분하여야 하고 또한 그로 인해 점화될 물질에서 충분한 양의 증기가 발생되어야 한다. 연료의 물리적 성질 중에서 이런 점화성질(inability)에 깊게 연관되는 상수는 열전달계수(thermal  k, conductivity), 밀도(p , density), 열용량계수(c, thermal capacity)가 있다.

점화원으로부터 연료가 될 물질에 열이 가해지면 에너지가 물질표면에서 내부로 전달되게 된다. 여기에 관여되는 물리적 상수가 열전도도, k , 이다.
 
열전도도에 대한 실제적인 예를 들면 스티로폼 컵과 금속제 컵을 들고 있을 때 느낌의 차이를 들 수 있다. 이 경우 손과 컵들의 온도는 모두 동일하게 상온 부근일 것이다. 그러나 손이 느끼는 감각은 스티로폼 컵을 들고 있을 때와 철제컵을 들고 있을 때와 확연히 틀릴 것이다. 그 이유는 스티로폼 컵의 경우 열전도도가 적어 손으로부터 열을 많이 흡수하지 못해 손이 따뜻한 기운을 계속 느낄 수 있는 반면 철제컵의 경우는 큰 열전도도로 인하여 손으로부터 많은 양의 열을 흡수하게 되어 피부가 서늘한 기운을 느끼는 것이다. 열전도도와 밀도와의 관계를 살펴보면 일반적으로 밀도가 높은 물질이 큰 값의 열전달 계수를 가지고 있다. 예를 들면 철의 밀도는 목재의 밀도보다 훨씬 높고 열전달계수 또한 철이 훨씬 높은 것이다.

열용량계수가 높다는 것은 에너지를 흡수할 수 있는 공간이 높다는 것을 의미한다.

그러므로   kpc를 종합해 보면 작은 값의   kpc를 가지고 있는 물질은 큰 값의  kpc 를 가지고 있는 물질보다 같은 크기의 에너지원에 대해 쉽게 점화된다. 스티로폼은 나무에 비해서 훨씬 작은  값을 가지고 있고 그 결과 같은 에너지원에 대하여 훨씬 짧은 시간에 점화되는 것이다.

즉 어떤 물질의  값은 그 물질의 점화용이성을 판단하는 데 간단하고도 정확한 기준이 될 수 있는 것이다.

간략히 정리하면 다음의 표1]과 같다.
 


4. 온도와 연관된 주요사항(key considerations relative to temperature)
 
화재를 일으킬 수 있는 점화의 원인이 될 수 있는 화염, 스파크(spark) 등의 온도는 표2]에서 보는 바와 같이 대부분 물질의 점화온도(ignition temperature)보다 높다. 그러나 높은 온도의 점화원이 반드시 연소물질의 점화를 유발하는 것은 아니다. 점화가 되고 안되고의 여부에는 온도 외에 시간이라는 변수가 들어간다. 통상 예를 들어 아무리 높은 온도의 점화원이라 하더라도 연소물질과의 접촉시간이 짧으면 점화가 안될 것이다. 성냥불의 온도가 높더라도 아주 짧은 시간 동안 접촉하면 인체가 뜨거운 느낌을 크게 가지지 못하는 것과 같은 원리인 것이다.

또 다른 변수로는 연료가 되는 물질의 표면적과 무게를 들 수 있다. 예를 들어 종이, 사전, 그리고 합판은 근본적으로 같은 나무라는 물질로 만들어진 것이다. 그러나 점화의 용이성은 각각 큰 차이를 나타내게 되는 것이다.
 
표2]

5. 열방출률(heat release rate)의 역할
 
화재 시 물질이 연소되는 현상에서 중요 시 다루어야 할 부분은 화재가 성장되는 속도와 방출되는 에너지의 합 즉 화재의 크기이다. 화재성장률은 연소물질이 가지고 있는 화학적인 성질과 물리적인 형태(configuration)에 크게 좌우된다.

연소물질의 물리적인 형태를 정의하는 방법중의 하나는 표면적과 중량과의 비율을 고려하는 것이다. 앞에서와 같이 나무를 예를 들면 합판은 같은 무게의 종이보다 연소의 속도가 훨씬 느릴 것이다. 화재의 크기는 기본적으로 탈 수 있는 물질의 총량, 즉 화재하중(fire load)에 좌우된다. 화재하중은 고려되는 장소에 있는 가연물의 총량으로 표현된다. 단위는 [가연물의 무게/고려되는 장소의 면적] 이다.

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