층화(Smoke Stratification) 현상의 이해

국가화재평가원

현암 대리

 

현대화 사회에서는 층고가 높은 건축물이 지속적으로 증가하면서, 고층 건축물 (물류, 부품 창고, 아트리움 등) 에서 발생하는 화재 시 연기의 층화 현상은 중요한 이슈가 되고 있습니다. 이로 인한 문제점 및 대안 방안에 대해 작성하고자 합니다.

 

층화현상 발생 과정

우선 층화(stratification)를 이해하기 위해서는 과정에 대한 이해가 필요합니다.  먼저 발화지점에서의 열이 연기의 기체성분을 팽창시켜(V,↑) 주변 공기 보다 밀도를 낮아지게(ρ,↓) 합니다. 따라서 가벼워진 연기층이 부력이 생겨 상승 기류를 통해 상승하게 됩니다. 이 때, 두 가지 과정을 통해 열을 잃게 되는데 , 첫 번째로는 상승한 기체가 팽창함에 따라 열을 잃고 냉각하게 됩니다. (부피가 팽창함에 따라, 분자 간 충돌의 감소로 열전달량이 감소)  두 번째과정으로는 주변 대기가 연소 흐름에 유입되면서 기체를 냉각시킵니다.

이와 같은 과정이 지속되어 연기가 주변온도와 동일해지면 연기는 부력을 상실하여 상승 기류를 멈추게 되고 천장 제트와 같이 수평으로 퍼지게 됩니다.

 

층화로 인해 발생할 수 있는 문제점

아래 그림은 층화 현상을 개략적으로 표현한 그림인데, 다음과 같이 연기층이 천장이 닿기 전에 수평으로 퍼져서 진행됩니다. 따라서 층화가 발생할 수 있는 조건에 해당하는 공간에 감지기의 형식 및 배치를 고려하지 않는다면 감지 지연이 발생하여 초기 대응에 실패할 확률이 매우 높아집니다. 또한 연기가 일반 천장 제트의 형태 보다, 다른 구획으로 빠르게 이동하기 때문에 화재를 인지하고 피난을 하는데 있어서도 문제가 발생할 수 있습니다.

 

예상 층화 생성구역 내 적절한 방안

대형 개방 공간의 경우 층화가 발생하기 유리한 조건으로, 이와 같은 공간에서는 스팟형 감지기의 경우 감지기의 부착된 지점까지 열, 연기 입자가 전달되지 않아 초기대응에 문제가 될 수 있습니다. 따라서 감지기의 적정성을 만족시키기 위해서는 연기의 상승과 분산 각도를 고려하여 기존의 광전식 분리형 감지기 설치 높이 외에 추가로, 예상 층화 발생 높이 내 광전식 분리형 감지기를 추가로 설치하는 것이 권고됩니다. (아래 그림 참고)

추가로 설치하는 광전식 분리형 감지기의 경우, 뒷 페이지에 언급되는 선형적 온도구배에서의 층화 예상 높이값을 계산한 후 설치하는 것이 좋을 것이라 판단됩니다.

 

연기 층화 조건 Technical data

층화가 발생되는 시점 및 높이를 도출할 수 있는 계산식 (*NFPA 72 참고)

NFPA 72에서는 두 가지 경우로 층화가 발생할 가능성을 평가하기 위한 계산 방법이 제시됩니다.

(ⅰ) 일정한 고도에서 이산적인 온도구배가 발생되는 공간

(ⅱ)  선형적인 온도구배가 진행되는 공간

(ⅰ) 조건에서 층화가 발생하는 조건의 계산식         ????c=플룸 중심축 온도(℃), Qc=복사열(HRR 70%의 값(kw)), z=가연물로 부터 천장까지의 높이(m)   다음 식은 화재플룸 중심선 온도와 주변온도의 상관관계를 적용하여 층화의 가능성을 평가할 수 있다는 것을 설명하고 있습니다. 플룸의 중심선 온도가 주변 온도와 같아진다면, 플룸은 더 이상 부력을 가지지 않게 되어 상승 운동량을 잃게 되고 수평의 천장제트의 형태를 띄게됩니다.

(ⅱ) 조건에서 층화가 진행되는 높이를 도출할 수 있는 계산식       Zm=층화가 발생하는 높이(m), △????0=감지기 주변온도와 주위온도의 차((℃), Qc=복사열(HRR 70%의 값(kw)), z=가연물로 부터 천장까지의 높이(m)   선형적인 온도구배가 진행되는 공간에서의 축대칭화재에서 층화가 발생하는 높이는 다음 식을 통해 구할 수 있다.

 

 

연기 층화 높이 관련 Tool 활용

화재 시 건물 내 온도변화는 난방 및 냉각 시스템 등 건물의 내부의 다양한 요인으로 다양한 형태를 띌 수 있습니다. 이 중에서도 일반적으로 연소가 발생하는 상황에서 나타나는 ‘선형적온도구배’ 내에서의 층화 발생 높이에 대한 값을 구할 수 있는 Tool을 활용할 수 있습니다.

관련 Tool 을 활용하고자 한다면,

Website주소 http://tool.kfsl.co.kr/index.php/login

* guest로 로그인 - 화재안전 계산Tool – 연기제어 – ’연기 층화 높이’ 에서 사용 가능합니다.

[tool 내 층화 높이 관련 input값]

 

input값에 필요한 data는 △????₀=감지기 주변온도와 주위온도의 차(℃), Q_c=복사열(HRR 70%의 값(kw)), z=가연물로 부터 천장까지의 높이(m)입니다.

 

 

층화 높이 결과값 산출

 

 

 

앞선 input 값을 대입하고 ‘계산’ 을 누르면 다음과 같이 자동 계산되어 결과값에 정리되어 나타납니다.

이와 같이 산출된 연기층 층화 높이 데이터 값은 감지기 추가 배치의 필요성, 배연/ 제연설비의 설계 위치 고려 등으로 활용될 수 있으니 유용하게 활용해주시면 감사하겠습니다.

 

 

-본 칼럼은 국가화재안전저널 제 26호에 기고된 글입니다.