1.서론

지하공간에서의 화재는 반밀폐 공간이라는 특수성으로 일단 화재가 발생할 경우 대구지하철화재 참사와 유사한 대형참사로 발전된 가능성은 상존한다. 지금까지의 방재계획은 화재발생 가능 범위 내를 기준으로 실시되어 왔으나, 테러와 같은 비정상적 화재발생에도 대처가능한 선까지 그 범위를 넓히고 있는 세계적 추세이다. 또한, 지하철은 다른 구조물과 비교하여 화재발생시 화재진압 및 인명구조에 본질적으로 취약한 구조적 특성을 내포하고 있다. 이러한 대표적인 지하공간으로 지하철을 들 수 있으며 서울, 인천, 부산, 대구등 4개 도시 10개 노선으로 총연장 300km에 달하고 있다. 또한, 2005년 까지 총연장 600km를 상회할 것으로 예상됨에 따라 금번 대구지하철참사를 계기로 보다 내실화된 방재계획이 요구되는 현실이다. 지하공간에서의 화재는 지금까지의 여러나라의 지하철화재참사에서 밝혀진 바와 같이 밀폐된 지하공간에서 극히 짧은 시간에 다수의 사상자를 발생시키는 특징을 내포하므로 이러한 재난에 대비하기 위하여 지하철 화재시나리오에 기초를 둔 종합방재 대책이 수립되어야 한다1,2,3). 본 연구는 지하철방재대책의 일환으로 터널구간에 설치된 환기기의 제연절환운전모드 및 승강장 선로부 환기장치 (TES)를 포함한 6종류의 제연운전모드를 대상으로 승강장에 정차된 열차화재 시나리오에 따라 3차원 실시간 화재시뮬레이션을 수행하여 제연방식별 열 및 연기전파특성을 규명함으로서 승강장에서 열차 화재 발생시, 승객이 안전하게 최적 대피가 가능한 환기기의 제연절환 조합운전의 도출을 목표로 한다.

2.승강장 화재 발생시의 방재시뮬레이션

 지하철은 지하구조물로 터널과 승강장으로 분류되며 터널내를 교행 또는 단방향 열차의 빈번한 통행으로 지상과는 상이한 기류분포를 나타낸다. 따라서, 지하철에서의 화재는 지하철 승강장과 본선터널구간의 환기를 포함하며 다음의 순서에 입각하여 안전성 평가 시뮬레이션을 실시한다.

1. 승강장으로부터 승객이 지상으로 대피하는 탈출시간을 산정한다: 승강장에 정차한 열차에서 화재가 발생하는 경우, SIMULEX에 의해 대피 소요시간을 산출한다. 산출된 소요시간을 기준으로 하여 오염물질의 노출시간을 고려한 농도기준을 검토한다. 

2. 승강장에서 발생하는 열차화재의 화재강도를 선정한다.: 현재 국내에는 지하철 화재시 발생열량을 산정하기 위한 실험이 수행된 바 없으며 인천지하철 차량에 대한 구체적인 발열량 자료가 없는 실정으로 본 연구에서는 외국의 설계적용 값이나 문헌의 자료를 이용하여 합리적인 화재강도 (규모)를 설정한다.

3. 화재시 대피자의 안전대피 온도 및 유독가스에 대한 기준을 설정한다: 대피시간 검토를 통해 화재시 오염물질이나 열기류에 대한 노출시간을 검토하며, 주어진 노출시간에 대한 유독가스의 허용농도의 기준을 설정한다.

4. 환기설비가동에 따른 기류해석을 실시한다: 지하철환경해석을 실시하여 터널부와 승강장부의 평상시 형성되는 기류해석을 실시하여 화재시뮬레이션의 경계조건으로 활용한다.

5. 승강장부의 열 및 연기의 이동을 해석한다: 승강장부의 기류 해석 및 오염물질의 농도는 FDS (Fire Dy-namic Simulation)를 통해서 비정상 상태의 해석을 수행한다.

6. 화재시 제연 운전모드의 안전성 평가를 실시한다.:환기기 운전모드를 선정하여 위에서 기술한 오염물질의 농도 해석 및 승강장의 온도 분포를 해석하고 운전모드별 비교․검토를 수행하여 안전성 평가를 실시한다.

2.1 대피시간 산정

연구에서 적용한 지하철역사의 해석모델로 승강장 제원을 표 1에 나타내며 승강장 제원을 기준으로 열차승객이 승강장으로부터 지상으로 대피하는 탈출시간을 산정한다. 승강장에 정차한 열차에서 화재 발생시 3가지의 각기 다른 대피시나리오를 대상으로, SIMULEX에 의해 대피 소요시간을 산출한다. 산출된 소요시간을 기준으로 오염물질의 노출시간을 고려한 농도기준을 검토한다.

대피 시뮬레이션에 적용된 지하철은 8량이며 승차인원은 최대 인원 990명, 한량 당 123~125명이 승차하는 것으로 설정하였다. 승객 구성비는 남자 40%, 여자 40% 및 어린이 (성별 구분 없음) 20%로 하였으며, 각 차량에 승차한 인원의 구성을 표 2에 나타냈으며 화재발생조건은 표 3과 같다.

2.2 대피시간 선정 결과

 그림 1은 상용 대피시뮬레이션인 Simulex를 이용하여 기준 모델 승강장에서부터 상부층으로 대피시간 계산결과를 나타낸다. 표 3의 조건에 따른 계산결과 열차화재 위치 및 열차 출입문의 개폐의 위치에 따라 총대피시간의 차이를 나타내고 있으나 본 연구에서는 최장의 대피시간으로 나타난 최대 250초를 대피시간으로 선정하였다.

3.지하철환경시뮬레이션에 의한 기류해석

3.1 환기팬 운전모드

지하철의 환기설비는 일반적으로 열차의 운행으로 인한 주행 발열과 에어컨디셔너나 보조기기에 의한 발열을 처리하여 설계허용 온도조건을 유지하고 승강장으로 열차가 진입할 때 발생하는 열차풍을 저감하기 위한 본선부 환기시설과 열차가 승강장에서 진입할 때 정차시 발생하는 제동발열, 정차시 발열과 가속시 발열을 처리하기 위한 승강장 상하부 배열 시스템 (track exhaust system)으로 구성된다. 이와 같은 환기설비는 승강장 및 본선구간의 화재시 제연을 동시에 수행한다. 따라서 설계시 환기기 용량은 화재시 제연처리용량 및 발열을 처리하기 위한 용량 모두를 만족하도록 설계된다.

이와 같은 목적을 위해 지하철의 본선 및 승강장의 환기 방식은 현재 지하철의 운행조건 (복선, 단선)등 여러 가지 요인에 의해서 결정된다.

 승강장에서 화재가 발생하는 경우에 있어서  화재의 성장 특성, 화염의 전파 및 연기 확산 등은 화재강도(Heat Release Rate)가 동일한 경우에 화재 열차 주변 기류 상태에 가장 큰 영향을 받는다. 따라서 승강장 기류 상태에 가장 크게 영향을 미치는 승강장 상하부의 급배기 조건 및 본선구간의 제연팬의 가동조건이 화재시 화재 특성에 주된 영향을 미치게 된다.

따라서, 역사 양단과 연결된 본선터널부 환기팬 운전 조건을 다음과 같이 산정하여 SES (Subway Envir-onmental Simulation)에 의한 1 차원 시뮬레이션을 수행하고 본선구간에서 유출입되는 풍량 및 계단부를 통해서 유출입되는 풍량을 구하였다. 이러한 풍량값은 3차원 시뮬레이션 수행 시 경계조건으로 적용하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다. 표 4는 본 연구에서 채택한 제연운전모드를 나타내며 그림 2는 터널환기방식을 나타낸다. L1, L2, L3는 기준역사 A를 기준으로 전방의 터널환기탑을 나타내며, R1, R2, R3: 기준역사 A를 기준으로 후방의 터널환기탑을 나타낸다.   

3.2 화재해석 모델

열차 화재시 화염 및 연기의 전파특성은 기류에 영향을 받으므로 승강장의 배기 및 본선부의 환기팬의 운전 상태에 따라서 크게 영향을 받는다. 그래서 본 해석에서는 환기팬의 운전모드를 설정하고 이에 따른 화재 특성을 고찰하였으며 상하부의 배기 시스템은 모두 배기하는 방식 및 승강장 선로부 상하부 배기의 특성을 검토하기 위하여 상부 또는 하부만으로 가동되는 방식을 포함하여 총 6종류의 조건으로 설정하였다. 운전모드에 따른 기류의 경계조건은 SES의 해석결과를 적용하였다. 또한 화재 열차는 승강장에 정차해 있는 상태이며, 중앙에 위치한 열차 1량이 전소하는 것으로 가정하였다. 화재시 열차의 유리창은 모두 깨져 열려있는 상태이며, 화원의 위치는  선로부로부터  2.6m 높이 지점으로 설정하였다. 화재해석은 이미 화재가 발생한 열차가 승강장에 진입하여 화재규모가 급격하게 확산되는 조건을 산정하였으며, 300초의 비정상상태의 계산을 수행하였다.

그림 3은 본 해석에 사용된 격자를 나타낸 것으로 계산에 사용된 총 격자는 64,800 (90×360×20)개로 구성되었다.

3.3 화재강도 선정

지하철에서 발생하는 화재의 원인은 방화, 차량사고 및 전동기 등과 같이 설비에서 발생되며 화재가 발생할 경우, 시간에 따른 열량방출에는 많은 차이를 나타낸다. 화재 전파현상을 시뮬레이션하는 목적은 최악의 화재 발생에 대해 인명의 피해를 최소화시키는 환기방식 및 환기량에 대한 평가인 만큼, 주어진 환기방식에서 최대 발열량에 대한 화재 발생물질의 전파거동파악은 매우 중요한 인자이다. 그러나, 지하철 차량 화재시 화재강도(Heat Release Rate)에 대한 국내자료는 현재 제시된 바가 없기 때문에 미국 NFPA규정에 의해 최근에 설계된 Los Angeles (21.4 MW적용)와 Boston transitway (20 MW)에 적용한 화재강도에 준하는 20MW로 설정하였다4,5).

3.4 입력조건 및 경계조건

해석시 기류에 대한 입력조건 및 경계조건은 SES의 해석 결과를 적용하였으며, 표 5에 나타냈으며 표 6에 제연방식별 운전 모드 및 제연 풍량값을 나타냈다.

3.5 지하철 화재시 평가기준

지하철 및 터널과 같은 지하공간에서의 사고사례를 분석하면, 대부분 연기에 의한 질식사로 판명되며, 이와 같은 재해를 유발 원인은 화재발생시 초기에 연기에 휩싸여 대피 미확보로 유독가스에 노출되고 의식 불명상태에 도달됨에 따라 이차적으로 유독가스에 장시간 노출로 질식사로 연결된다. 따라서 본 연구에서는 대피에 직접적 요인으로 Co, 온도 및 가시거리를 선정하여 다음과 같이 허용 기준을 설정하였다6).

3.5.1 CO농도

화재시 CO농도는 CO에 대한 의식불명 지수인 식 (1)에 의하여 대피시간을 5분으로 하는 경우, 5분 동안의 CO 흡입에 의해서 의식불명에 이르는= 1 인 CO농도는 다음과 같다.

=> ppmCO

     = 5313 ppm                            (1)

따라서, 승강장의 화재시 대피시간을 5분으로 산정하는 경우 의식을 잃게 하는 CO농도는 약 5000ppm로 나타났다.

3.5.2 온도

승강장에서의 온도는 NFPA규정에 준하여 60℃정하였으며 인체가 화상을 입게되는 복사 열량은 2.5kW/m2로 산정하였다.

3.5.3 가시거리

가시거리에 대한 평가는 발광원에서 발광한 빛이 일정한 거리 (L)에 위치한 수광원에 도달할 때 발광원과 수광원에서 수광되는 빛의 강도비를 나타내는 소광계수 K (extinction coefficient)에 의해서 평가되며 발광원에서 빛의 강도 (Io)와 수광원에서 빛의 강도 (I), 소광계수 (K)의 관계는 식 (2)로 표기된다.

    (2)

또한, 소광계수는 빛의 소멸정도를 나타내는 값으로 빛의 소멸은 빛의 전파결로상에 탄소입자에 의한 빛의 흡수에 의해서 발생하므로 소관계수는 매연 (smoke particle) 농도에 영향을 받게 되며, 소광계수 (K)와 매연농도 (ρYs, density of smoke particulate)관계는 식 (3)과 같다.

 (3)

여기서, 

: Specific extinction coefficient, 7.6m2/kg이다.

소광계수 (k)와 가시거리 (S) 관계는 식 (4)으로 표현된다.

 (4)

여기서, C는 상수로 연기의 종류 및 상황에 따라서 달리 적용되고 있으나 일반적으로 빛을 발광하는 물체에 대해서는 C=8이며, 반사체에 대해서는 C=3을 적용한다.

따라서, 가시거리에 대한 NFPA기준, 즉, 발광체는 30 ft (9.144m), 출입문이나 벽등과 같은 반사체는 20ft  (6.096m)에서 식별되어야 한다는 기준을 적용하면, 매연농도는 식 (5)에 의해서 다음과 같이 구할 수 있다.

    (5)

발광체의 경우: 가시거리 기준 30ft (9.144m)

= 115mg/m3

반사체의 경우: 가시거리 기준 20ft (6.096m)

= 64.7 = 65mg/m3

4.터널환기기를 활용한 제연운전모드의 특성

터널구간에 설치된 환기기를 제연모드로 전환하여 승강장에 발생된 열 및 연기의 배출 특성을 고찰하였으며 다음은 표 4에서 제시한 제연방식에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

그림 4는 대피승객의 호흡선 (승강장 바닥 1.5m 상부)에서 화재시간 300초 경과에서의 온도분포를 비교한 결과를 나타낸다. 환기팬을 가동하지 않는 경우와 양단배기 중앙급기 제연모드의 경우 온도 분포는 비슷한 양상을 나타냈다. 중앙급기 양단 제연모드의 경우, 60℃ 이상 70℃ 이하의 분포를 나타낸다.

그림 4(c)는 case 3의 온도분포도로서 승강장 풍속의 현저히 증가에 따라 열기류의 확산효과가 크게 나타남으로서 국부적으로 60℃이상의 온도를 보이고 있으나 전체적으로 70℃이하의 온도분포를 나타낸다. case 3은 case 1 및 2와 비교하여 보다 대피하기 용이한 낮은 열환경으로 나타났다.

그림 4(d)는 case 4의 결과로서 신선공기 유입부는  60℃ 이하의 온도 분포이며, 화재하류지역은 60~70℃를 나타냈다.

그림 5는 가시거리의 척도인 매연농도를 나타낸 것으로 case 2인 (b)가 가장 높은 농도를 나타나며, 65mg/m3을 초과하는 영역이 상당부분 존재하는 것으로 나타났다. 그림 5(a)는 case 1의 결과로서 대부분의 지역의 가시거리가 65mg/m3으로 가시거리의 확보기준은 만족하는 것으로 나타나고 있으나 계단부에서 가장 먼 곳에 있는 대피자의 거리가 25~30m점을 고려하면 가장 먼거리에 있는 대피자는 계단을 식별할 수 없는 결과로 나타냈다. 따라서 가시거리 기준은 만족하나 화재주위에 있는 대피자의 시야 확보에는 어려움이 있는 것으로 나타났다.

전배기하는 경우 (c)와 압인방식으로 제연하는 경우 (d) 승강장의 거의 모든 부분이 65mg/m3 이하로 나타났다.

연기농도장과 온도장 분포도로부터 대피로 확보에 터널구간의 환기기의 제연 절환운전을 채택한  Case3 (전배기)과 Case4 (push pull)가 효과적인 것으로 나타났다. 

5.승강장 안전성 평가

5.1 제연시간에 따른 승강장 안전성 평가

승강장의 온도 및 연기농도분포로부터 지하철터널에 설치되어 운영되고 있는 환기팬의 운영은 기존의 중앙급기 양단배기의 방식보다는 전배기 방식 또는 압인방식이 효과적임을 알수 있다. 따라서, 비상시 (승강장화재발생시) 열 및 연기의 효율적 배출을 유도할 수 있다.  본 절에서는 승강장 선로부의 운전을 포함한 6가지 종류의 종합적 결과를 나타낸다. 그림 6은 화재발생으로부터 제연시간의 경과에 따라 승강장 1.5m 상단의 평균 연기농도를시간별로 나타낸 결과이다. 정리결과로부터 제연을 하지 않은 Case1을 제외한 모든 제연모드는 대피에 적합한 65mg/m3 이하의 값을 나타냈다. 그림 7은 화재발생으로부터 제연시간의 경과에 따라 승강장 1.5m 상단의 평균 온도를 나타낸다. 제연을 실시하지 않은 경우인 Case 1, 중앙급기 양단배기방식을 체택한 Case 2 및 승강장 하부제연방식인 case 6은 대피기간 100초 경과후 대피에 부적합한 60℃ 이상의 승강장 온도로 유지됨에 따라 부적합한 배열방식으로 나타났으며 그밖의 방식은 대피에 적합한 평균온도값 이하로 유지됨을 알 수 있었다.

5.2 대피한계 온도 및 연기의 승강장 점유율

승강장내의 안전성을 정량적으로 비교 평가하기 위하여 승강장 높이 1.5m 상단의 평면값을 기준으로 대피한계 온도 및 연기농도 이상의 승강장 점유율을 계산한 결과를 그림 8과 9에 나타낸다. 그림 8에서 나타난 결과와 같이 승강장 선로부 하단 배연방식만으로 승강장 제연모

드를 실시할 경우, 승강장에 체류하는 대피한계 이상의 연기 농도가 93.9%로 대부분이 한계이상의 값을 나타내었다. 반면 상단배연만으로 제연을 실시하는 경우는 1.1%의 대피한계 이상의 연기분포도를 나타냈다. 온도의 경우는 그림 9에서 나타난 결과와 같이 연기와 동일하게 승강장 선로부 상단배열방식이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터 터널부 환기기의 적절한 제연모드로의 전환 및 승강장 선로부의 환기기의 적극적 배연모드로의 전환은 화재시 고온 및 발생 연기의 최적 배출이 가능하다는 결과로 나타났다.

6.결론

터널구간에 설치된 환기기의 제연절환운전모드 및 승강장 선로부 환기장치 (TES)를 포함한 6종류의 제연운전모드를 대상으로 승강장에 정차된 열차화재 시나리오에 따라 3차원 실시간 화재시뮬레이션을 수행하여 제연방식별 열 및 연기전파특성을 비교한 결과 다음의 결론을 얻었다.

1. 제연시간의 경과에 따라 승강장 1.5m 상단의 평균 연기농도로부터 제연을 하지 않은 Case1을 제외한 모든 제연모드는 대피에 적합한 65mg/m3 이하의 값을 나타냄에 따라 터널환기를 이용한 제연방식이 우수한 것으로 나타났다.

2. 터널환기설비의 제연모도변환을 실시하지 않고 승강장 하부제연방식 만으로 배열을 실시하는 경우는 대피기간 100초 경과후 대피에 부적합한 60℃ 이상의 승강장 온도로 유지됨에 따라 부적합한 배열방식으로 나타났다.

3. 승강장 선로상단부의 환기기를 100% 제연모드로 변환시켜 배연시키는 방식이 1.1%의 대피한계 이상의 연기분포도를 나타냄으로 열 및 연기의 배출이 가장 우수한 방식으로 나타났다.

본 연구의 종합적 결과로부터 터널부 환기기의 적절한 제연모드로의 전환 및 승강장 선로부의 환기기의 적극적 배연모드로의 전환이 화재시 고온 및 발생 연기의 최적 배출이 가능하다는 결론을 얻었으며 지하철 안전의 일환으로 설계시 화재시나리오에 따른 제연모드의 정확한 제안이 요구된다.