1. 서 론

우리나라 도로터널은 총 1,659개가 있으며 이중에서 연장 1 km 미만의 터널은 1,336개로 전체의 80.0%를 차지하며(Lew, 2015), 도로터널의 방재등급은 터널연장과 위험도지수를 기준으로 등급이 분류되며, 터널의 제연설비는 방재등급 3등급(터널 연장 1 km 미만) 미만 터널에 의무적으로 설치되어야 한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016).

도로터널에서는 차량에서 발생되는 오염물질을 희석 또는 배기하기 위하여 신선공기를 급기하거나 오염공기를 배기하기 위하여 환기설비를 설치하며, 화재 시 유독가스를 외부로 최대한 빨리 내보낼 수 있도록 제연 설비를 설치한다. 도로터널의 제연설비는 화재로부터 발생한 연기에 직접적으로 닿기 때문에 내열 성능이 요구된다. 국외에서는 200~250°C 이상, 60~120분 이상의 내열성능을 요구하고 있으며(Lew, 2015), 우리나라에서는 화재에 노출이 우려되는 제연설비와 전원공급선 및 제트팬 사이의 전원공급장치 등이 250°C의 온도에서 60분 이상 운전 상태를 유지할 수 있도록 요구하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016). 이에 본 연구에서는 에어커튼 시스템을 도로터널에 제연설비로 사용하고자 250°C의 온도에서 60분 이상 작동하는지 송풍기 내열시험을 통해서 확인하였다.

에어커튼 시스템(국소제연설비)을 제트팬과 더불어 터널 제연설비로 활용하기 위하여, 본 연구팀에서는 성능검증을 위하여 2차선 도로터널에서 실물화재실험을 수행하였으며(Yoo et al., 2014), 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 노즐의 토출각도 및 토출량을 최적화하였다(Yang et al., 2014). 또한 철도터널 구난역 플랫폼에서 열차 화재 시 발생하는 유독가스가 구난역으로 유입되는 것을 차단하기 위해서 Fig. 1과 같이 실물화재실험(Park et al., 2018)과 시뮬레이션 분석 연구(Park et al., 2015)를 통하여 성능검증을 하였다. 기존 연구(Yoo et al., 2014)에서는 5 m 높이에 에어커튼 시스템을 설치하였으나 본 실험에서는 3 m 높이에 에어커튼 시스템을 설치하였다. 층고가 낮은 소단면의 경우에는 화재 시 불완전 연소로 인해 연기 발생률이 현저히 높아지게 되며, 수평 방향으로 고온의 농연 확산이 더 빨라지게 된다. 이에 따라 소단면 터널에 적용될 때의 성능 검증이 추가적으로 요구되었으며 본 연구에서는 실물화재 실험을 통하여 성능을 검증하였다.

Fig. 1.

View of a full-scale fire test in Rescue station platform (Park et al., 2018)

2. 시로코팬 내열 실험

2.1 시험장치 구성 및 시험조건

시로코 팬을 제연설비로 이용하고자 내열성능을 갖도록 하기 위하여 모터의 동선과 리드선이 맞닿는 위치에 이중 튜브를 사용하여 이중 절연하였으며, 테프론 내열 전선(UL 1330 #16) 및 고온용 내열 구리스(DSF-3000)를 사용하였다. 또한 모터의 전선 출구 부분에 내열 팩킹을 사용하고 내열 실리콘을 삽입하였다.

에어커튼 시스템에 사용되는 시로코 팬을 송풍기 전용 내열시험장치를 활용하여 내열성능을 검증하였다. ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016)’에 따라 250°C 이상의 온도에서 60분 이상 정상적으로 작동하는지 확인하였다. 풍속 및 풍량 등의 성능 저하는 고려하지 않았으며, 제어반의 전류가 0의 값으로 떨어지면 시험 중인 장비가 작동을 하지 않는다고 간주하였다.

내열시험장치는 Fig. 2와 같이 철판 및 내화보드 재질로 되어 있으며, 도넛 형태의 구조로 천장에서 전기 히터가 데운 뜨거운 공기를 설치된 시로코 팬이 밀폐된 공간에서 순환시키는 장치이며 Table 1의 성능을 갖는다. 제어반은 Fig. 3과 같은 형태이며 Fig. 4와 같이 시험장치 안에 설치된 시로코 팬으로 유입되는 공기의 온도(2지점)와 유출되는 공기의 온도(2지점)를 측정하기 위하여 온도계를 설치하였으며, 유입되는 공기의 평균값이 250°C을 넘을 수 있도록 전기 히터를 자동 제어 하였다.

Fig. 2.

Heat resistance test of the fan (during the experiment)

Fig. 3.

Control panel

Fig. 4.

Diagram of heat resistance test device

시로코 팬을 Fig. 6과 같이 내열시험장치에 설치하였으며, 실험은 Fig. 5와 같이 103분 동안 진행되었으며, 흡입측 온도가 실험시작 32분 후에 250°C가 되었으며, 이후 71분 동안 250°C 이상을 유지하였다. 실험 종류 후에 모터의 전선 출구 부분은 Fig. 7과 같이 베어링에 구리스가 검게 탄 자국이 남았으나 팬의 뒤틀림 등의 외관상 변형은 일어나지 않았다.

Fig. 5.

Temperature rise up graph

Fig. 6.

Preparation for test of sirocco fan

Fig. 7.

Motor wire outlets (after the experiment)

3. 실물화재 실험

3.1 시험장치 구성 및 시험조건

본 시험은 한국건설기술연구원 화재안전연구소의 터널실험동에 구축한 시험시설을 이용하여 진행하였으며, Fig. 8, 9와 같이 폭 11.5 m, 높이 7.5 m, 길이 40.0 m의 전형적인 반원형 2차선 도로터널의 내부에 본 시험을 위해 폭 9.5 m, 높이 3.5 m, 길이 30 m인 4각형 단면(승용차 전용 지하도로 단면)의 철판구조물 중간슬래브를 설치하고 여기에 에어커튼 시스템을 설치하였으며, 본 터널과 내부 터널은 Table 2와 같은 차이점을 갖는다.

Fig. 8.

Tunnel image

Fig. 9.

View inside the tunnel

반원형 터널과 4각 터널의 상부틈새는 연기 등 기류유동을 방지하기 위해 Fig. 10과 같이 천막재료를 이용하여 폐쇄시켰으며, 에어커튼 시스템의 반대쪽에는 시험조건을 유지하기 위하여 Fig. 11과 같이 개폐가 가능한 자연풍 조정용 이동천막을 설치하였으며, 시험 시 외기조건은 자연 상태의 온도(영하 3.5°C)를 기준으로 하고 터널 입구에 설치한 개폐장치(Fig. 11)를 이용하여 시험 시작 전에 통상적인 교통환기력(터널 입구 방향)에 의한 속도인 2 m/s를 풍속계로 측정하고 시험을 진행하였다. 시험 중에 화재와 에어커튼 시스템 작동에 의한 승압력은 고려하지 않았다.

Fig. 10.

Partition between slab gaps

Fig. 11.

Control switch to prevent natural wind

3.2 농연 에어커튼 시스템 사양 및 설치

에어커튼 구성용 단위 팬은 동력 2.2 kW인 모터를 구동력으로 이용하는 1,200 mm (길이) × 295 mm (높이) × 275.5 mm (폭)의 시로코 팬으로서 양흡입형으로 제작하였으며, 상세한 사양 및 제작도면은 Table 3, Fig. 12와 같다.

Fig. 12.

Fig. 12. Sirocco fan - plane & side view

3.3 성능측정용 계측기 및 설치

에어커튼 시스템의 성능확보 기준을 유해가스 차단유무로 설정하였으며, 측정항목은 에어커튼이 이루어지는 경계면을 중심으로 내부와 외부의 온도(°C), 일산화탄소(ppm) 농도를 비교하는 것으로 하였다. 온도와 일산화탄소 농도측정에 사용된 측정기기는 Table 4와 같은 사양을 갖는다.

풍속계는 시험 준비 단계의 시험조건 설정 시에만 사용하였으며, 온도(°C) 및 일산화탄소(ppm)를 측정하기 위한 센서를 설치한 데이터 트리를 Fig. 13과 같이 에어커튼의 분사단면을 기준으로 화원방향(농연이 발생되는 지점) 5.0 m, 화원 반대방향(외기에 접하는 지점) 3.0 m 되는 거리에 설치하였다. 온도(°C)는 K-Type 열전대를 사용하였으며, Fig. 14와 같이 각각의 데이터 트리에 5개씩(설치 높이: 3.5 m, 3.0 m, 2.5 m, 2.0 m, 1.5 m, 총 10개) 설치하였으며, 일산화탄소(ppm)는 센서와 본체 일체형으로서 각각의 데이터 트리에 1개씩(설치 높이 3.5 m, 총 2개) 설치하였다. 온도와 일산화탄소(ppm)는 1초 마다 데이터를 측정하여 저장하도록 설정하였다.

Fig. 13.

Instrument and sensor installed

Fig. 14.

Layout of instrument and sensor

3.4 성능시험 방법 및 절차

성능평가 기준은 유독가스 확산의 차단성능에 중점을 두었으며, 이를 위하여 에어커튼을 기준으로 화재지역과 외기지역의 온도, CO농도 측정치를 비교하였다. 성능시험 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 Table 5와 같은 순서로 2차례(3 MW급 액체햅탄 풀(Heptane Pool) 화재, 2,000 cc 승용차 화재)에 걸쳐 대규모 실물화재시험을 수행하도록 하였으며, 사용된 햅탄 풀(Pool)은 Fig. 15와 같이 직경 2 m의 철판으로 제작하였다.

Fig. 15.

Pool for fire test

3.5 실험 결과 및 분석

3.5.1 3 MW급 액체햅탄 풀 화재 성능시험 결과 및 분석(1차 실물화재시험)

에어커튼 내부(터널내부 화재 방향)의 일산화탄소 농도는 점화 후 약 150초인 시점에서 33 ppm으로 가장 높게 나타났으며, 약 200초 후에 햅탄 양이 감소되면서 농도에 다소 변동은 있었으나 점차 낮아지는 경향을 보였다(Fig. 18). 점화 후 약 250초 시점에서 에어커튼 외부 일산화탄소 농도가 일시적으로 10 ppm 까지 상승하였으나, 전반적으로 처음의 상태를 유지하여 에어커튼이 유독가스 차단효과가 있는 것으로 나타났다. 에어커튼 내부(터널내부 화재 방향)의 온도는 점화 후 약 180초 시점에서 49.8°C로 가장 높게 측정되었으며, 그 이후는 점차 낮아지는 경향으로 나타났다(Fig. 19). 에어커튼 외부(외기 방향)의 온도는 점화 후 약 200초 시점에서 9.4°C까지 상승하였으나 대체적으로 초기의 온도를 유지하여 에어커튼이 유독가스 차단효과가 있는 것을 확인하였다(Fig. 16, 17).

Fig. 16.

Combustion of fire source

Fig. 17.

Effect of air curtain

Fig. 18.

Changes to concentration of carbon dioxide depending on location

Fig. 19.

Changes to temperature depending on location

3.5.2 2000 cc 승용차 화재시험 결과 및 분석(2차 실물화재시험)

에어커튼 내부(터널내부 화재 방향)의 일산화탄소 농도는 점화 후 약 280초인 시점에서 58 ppm으로 가장 높게 나타났으며, 이와 동시에 플래쉬 오버 현상이 발생하여 소화 작업이 이루어지면서 급격히 낮아지는 경향으로 나타났다. 에어커튼 외부(외기 방향)의 일산화탄소 농도는 점화 후 약 300초 시점까지 에어커튼의 차단효과로 초기상태를 유지하였다. 그 이후 소화 작업의 영향으로 일시적으로 10 ppm 까지 상승하면서 다소 변동이 있었으나 전반적으로 처음의 상태를 유지하고 있어 에어커튼이 유독가스를 차단하는 효과가 있는 것으로 나타났다(Fig. 22). 에어커튼 내부(터널내부 화재 방향)의 온도는 점화 후 약 220초 시점에서 가장 높은 52.2°C로 나타났으나, 그 이후는 소화 작업의 영향으로 급격히 낮아지는 경향으로 나타났다(Fig. 23). 에어커튼 외부(외기 방향)의 온도는 점화 후 약 380초 시점에서 -0.5°C까지 상승하였으나 대체적으로 초기의 온도를 계속 유지하여 에어커튼이 유독가스를 차단하는 효과가 있는 것을 확인하였다(Fig. 20, 21).

Fig. 20.

Combustion of fire source

Fig. 21.

Effect of air curtain

Fig. 22.

Changes to concentration of carbon dioxide depending on location

Fig. 23.

Changes to temperature depending on location

4. 결 론

본 연구에서는 도로터널의 화재 사고에서 발생하는 유독가스로부터 대피자의 안전을 확보하기 위해 화재연기 제연용 에어커튼 시스템을 개발하였으며, 내열 및 제연 성능 검증을 위해 성능 평가를 하였다. 우선, 내열 성능 검증을 위해 250°C 이상 고열 작동시험을 수행하였고, 이와 동시에 3 MW급 액체햅탄을 이용한 풀 화재실험과 2,000 cc 승용차 화재실험을 터널 실험동에서 수행하여 설비의 제연 성능을 검증하였으며, 이를 통해 아래와 같은 결과를 도출하였다.

1. 화재 시 발생하는 고열에도 정상적으로 에어커튼 시스템을 작동하기 위하여 내열 성능을 갖는 시로코 팬을 제작하였으며, 송풍기 전용 내열시험장치 안에서 250°C 이상의 온도에서 60분 이상 정상적으로 작동하였다.

2. 2,000cc 승용차 화재가 햅탄 풀을 이용한 3 MW급 화재보다 일산화탄소와 온도가 급격하게 상승하고 급격하게 낮아지는 경향을 보였으나 두 경우 모두 에어커튼 시스템이 가동되는 동안 터널내부 화재구역에서는 온도 및 이산화탄소 농도가 급격히 상승하였지만, 에어커튼으로 차연된 구역(외기 방향)에서는 초기의 상태가 유지되고 있는 것을 확인하였다(에어커튼으로 차연된 구간은 일산화탄소 10 ppm 미만, 온도 10°C 미만으로 유지됨).

3. 에어커튼 시스템은 터널 차량화재 발생 시 대류현상으로 터널 상층부로 이동하는 농연을 흡입하고, 이를 화재발생 방향으로 분사하는 구조이다. 연기차단용 유체는 화재 시 상층부로 이동하는 농연을 이용하므로 흡입효과가 높고, 산소공급을 최소화하여 연소 확대를 감소시킬 수 있으며, 미연소 입자에 의한 토출 운동량이 증대하여 차단효과를 높일 수 있다.

실물화재 성능시험을 통해서 에어커튼 시스템의 성능을 확인하였으며, 제연시설이 설치되지 않은 1 km 미만의 중규모 도로터널에 설치하면 화재 발생 시 유독가스로 인한 인명피해를 줄이고 소방 활용을 원활하게 할 수 있다고 사료된다. 또한 에어커튼 시스템에서 농연을 사용하는 경우에는 신선한 공기를 외부에서 끌어들이는데 필요한 덕트 및 별도의 송풍기가 필요하지 않기 때문에 경제성 및 시공성 부분에서도 우수하다고 판단되며 이 부분에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.