문제 )
Normal Stack Effect와 Reverse Stack Effect에 의한 기류이동을 도시하여 비교하고, Normal Stack Effect 조건에서 화재가 중성대 하부와 상부에 발생했을 때 각각의 연기흐름을 도시하고 설명하시오.
답안 )
1. Stack Effect(연돌효과)의 개요 및 비교
Stack Effect (연돌효과)란, 건축물 내부와 외부의 온도차에 의해 발생하는 밀도차로 인해 수직 개구부(계단실, 승강로 등)를 통해 공기가 이동하는 현상을 말합니다.
이는 고층 건물에서 특히 두드러지게 나타나며, 건물의 환기 및 화재 시 연기 이동에 큰 영향을 미칩니다.
1.1. Normal Stack Effect (정상 연돌효과)
- 발생 조건 : 건물 내부 온도 > 외부 온도 (주로 겨울철 또는 냉방 가동 시)
- 기류 이동 :
- 건물 하부: 외부의 찬 공기가 낮은 압력으로 인해 건물 내부로 유입됩니다. (흡입)
- 건물 상부: 내부의 따뜻한 공기가 높은 압력으로 인해 외부로 유출됩니다. (배출)
- 중성대 (NPL) : 건물 내부의 압력이 외부와 같아지는 지점이 형성됩니다. 이 지점을 경계로 상부는 양압, 하부는 음압이 됩니다.
- 특징 : 화재 시 연기가 수직 개구부를 통해 건물 상층부로 빠르게 확산되는 주요 원인이 됩니다.
1.2. Reverse Stack Effect (역 연돌효과)
- 발생 조건 : 건물 내부 온도 < 외부 온도 (주로 여름철 또는 난방 미가동 시)
- 기류 이동 :
- 건물 하부: 내부의 찬 공기가 높은 압력으로 인해 외부로 유출됩니다. (배출)
- 건물 상부: 외부의 더운 공기가 낮은 압력으로 인해 건물 내부로 유입됩니다. (흡입)
- 중성대 (NPL)건물 내부의 압력이 외부와 같아지는 지점이 형성됩니다. 이 지점을 경계로 상부는 음압, 하부는 양압이 됩니다.
- 특징 : 화재 시 연기가 수직 개구부를 통해 건물 하층부로 확산될 수 있으며, 외부 고온의 공기 유입으로 인해 화재의 성장이 촉진될 수 있습니다.
2. Normal Stack Effect 조건에서의 화재 시 연기 흐름 분석
Normal Stack Effect (정상 연돌효과)가 작용하는 조건(내부 > 외부)에서 화재가 발생했을 때, 연기 흐름은 화재 발생 위치가 중성대(NPL)에 비해 어디에 위치하는지에 따라 달라집니다.
2.1. 화재가 중성대(NPL) 하부에 발생했을 때
- 발생 위치 : 중성대(NPL)보다 낮은 층
- 연기 흐름
- 화재 연기는 부력에 의해 상승합니다.
- 화재층은 Stack Effect에 의한 음압 영역(P내 < P외)에 속하므로, 연기는 수평 개구부 (출입문, 창문 틈 등)를 통해 외부의 찬 공기를 흡입하면서 내부로 퍼집니다.
- 수직 개구부(계단실, 승강로)로 유입된 연기는 Stack Effect에 의한 강한 상승 기류를 타고 건물 상층부로 급속히 확산됩니다.
- 최종적으로 상층부의 양압 영역(P내 > P외)에서는 연기가 수평 개구부를 통해 외부로 배출됩니다.
- 결론 : 연기가 건물 하부에서 상부로, 특히 수직 개구부를 통해 빠르게 전파됩니다.
2.2. 화재가 중성대(NPL) 상부에 발생했을 때
- 발생 위치 : 중성대(NPL)보다 높은 층
- 연기 흐름
- 화재 연기는 부력에 의해 상승하려는 힘을 받습니다.
- 화재층은 Stack Effect에 의한 양압 영역($P_{내} > P_{외}$)에 속합니다.
- 연기는 수평 개구부를 통해 건물 외부로 배출되려는 경향이 강해집니다.
- 수직 개구부로 유입된 연기는 Stack Effect의 상승 기류를 따라 상층부로 계속 상승하기도 하지만, 동시에 강한 배출 압력으로 인해 외부로의 유출이 활발해집니다.
- Stack Effect로 인해 하층부로의 연기 하강은 억제됩니다.
- 결론 : 연기가 주로 화재층 및 그 상층부에서 외부로 배출되려는 경향을 보이며, 하층부로의 확산은 상대적으로 적습니다.
3. 소방 대책
Stack Effect는 화재 시 연기 확산의 주요 동력이 되므로, 이를 제어하는 것이 매우 중요합니다.
- 중성대 형성 방지 : 출입문 등에 에어커튼 또는 회전식 도어를 설치하여 내부-외부 공기 교류를 차단합니다.
- 제연 설비 : 계단실, 승강로 등에 가압 제연 설비를 설치하여 수직 개구부를 양압으로 유지함으로써 연기 유입을 차단합니다.
- 자동 폐쇄 장치 : 방화문, 댐퍼 등의 폐쇄 성능을 강화하여 연기의 수평/수직 확산을 지연시킵니다.
- 배연 설비 : 화재층에서 발생하는 연기를 효과적으로 외부로 배출할 수 있는 배연 설비를 설치하여 내부 압력을 낮춥니다.