1.1 연구 배경 및 필요성

건축물 화재 발생 시 방화문의 원활한 개방은 피난 경로 확보와 인명 피해 최소화를 위해 가장 중요한 요소이다. 방화문이 열리지 않거나 개방이 어려워지면 피난 지연이 발생하여 대규모 인명 피해로 이어질 수 있다. 대표적인 사례로 1903년 미국 시카고 이로쿼이 극장 화재가 있으며, 이 사고에서는 다수의 출입문이 피난 방향과 반대로 열리도록 설치되거나, 문이 잠겨 있어 대규모 사망자가 발생하였다(1). 또한, 국내 고층 건축물의 소방 훈련 및 피난 훈련에서 가압 부속실의 과도한 양압으로 방화문이 개방되지 않아 훈련이 지연되거나 중단된 사례가 다수 보고되고 있다.

1.2 기존 제연 시스템의 기술적 과제

방화문 개방 장애의 주요 원인은 기계적 결함, 설계⋅시공 오류(피난 반대 방향 개방, 잠금 장치 등), 관리⋅점검 부실, 그리고 제연구역 과압으로 분류된다. 특히 고층⋅대규모 건축물에서 널리 적용되는 가압 제연 방식은 연기 유입을 효과적으로 차단하나, 과도한 차압 발생 시 방화문이 열리지 않는 문제를 야기한다. 이러한 문제를 완화하기 위해 복합댐퍼, 플랩댐퍼, 급기가압 인버터 시스템 등이 사용되고 있으나, 각각의 기술적 한계가 존재한다. 복합댐퍼는 장기 사용 시 성능 저하가 보고되고 있으며, 플랩댐퍼는 압력 변동 시 소음과 진동을 발생시켜 입주민 민원의 주요 원인이 되고 있다. 인버터 기반 급기가압 제어 시스템은 배선 공사와 전용 장비 사용으로 인해 초기 설치 비용이 높은 점이 단점으로 지적된다.

1.3 연구 목적 및 구성

이에 본 연구는 기존 부속실 창호 구조를 활용하여 설치가 간편하고 경제적인 차압조절창 시스템을 제안한다. 제안 시스템은 압력 센서를 통해 실시간으로 부속실 내 차압을 모니터링하고, 설정 기준치를 초과할 경우 자동 개방되어 과압을 외부로 배출함으로써 방화문 개방력을 안정적으로 유지한다. 특히 현대 고층 건축물에서 빈번히 발생하는 부속실 과압으로 인한 방화문 개방 장애를 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

2.1 제연 부속실의 역할 및 가압 제연 원리

건축물 화재 시 연기는 부력에 의해 상부로 빠르게 확산되므로, 계단실 및 부속실의 제연 설계는 피난 안전성 확보에 필수적이다. 부속실은 계단실 앞 완충 공간으로서, 급기가압 방식을 통해 내부를 양압(일반적으로 40~60 Pa) 상태로 유지함으로써 연기의 유입을 차단한다. 그러나 급기 지속 시 공기 배출 경로가 부족하면 과압이 형성되어 방화문 개방력이 증가하고, 피난 지연은 물론 실제 화재 시 대규모 인명 피해의 직접적 원인이 된다(2).

2.2 방화문 개방력 기준 및 과압 영향

부속실에 급기가 지속되고 방화문이 모두 닫힌 상태에서는 기밀성과 관계없이 압력이 급격히 상승한다. 특히 공기의 배출 경로가 차단되면 내부 압력이 설계 기준(40~60 Pa)을 초과하게 되며, 이 경우 방화문 개방력은 NFPC 501A 기준인 110 N을 초과하여 개방이 곤란해진다(3). 과압이 심할 경우 문틀이나 경첩에 구조적 손상이 발생할 수도 있으며, 이는 피난자의 탈출을 지연시키거나 불가능하게 만들어 인명 피해로 직결될 수 있다. 따라서 과압을 신속히 해소하고 부속실 내 차압을 적정 범위로 유지하는 기술은 가압 제연 시스템 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나이다.

부속실 과압시 방화문에 작용하는 개방력은 다음식으로 산정된다.

여기서, F는 방화문에 작용하는 개방력, P는 부속실과 복도의 차압, A는 방화문 면적, F_d는 도어클로저의 열림 토크를 의미한다.

식(1)은 부속실 차압에 의해 방화문 전체에 작용하는 총 힘 P × A 양개형 문의 1짝으로 분배한 후, 손잡이 위치에서의 레버 원리를 반영하여 차압 기여분을 계산하고, 도어클로저의 열림 토크를 환산한 힘 F_d를 합산한 형태이다.

예를 들어, 문 중량 25 kgf 방화문(도어클로저 토크 22 N⋅m, 면적 2.10 m²)을 기준(Table 1 참고)으로 부속실 차압이 65 Pa인 경우, 식(1)을 적용하면 차압에 의한 개방력은 약 75.83 N, 도어클로저 기여분은 24.4 N으로 총 100.28 N이 산출된다. 안전율 10%를 고려하면 개방력은 약 110 N에 달한다. 이는 부속실 차압이 65 Pa를 초과하는 과압 상태에서 방화문 개방이 실질적으로 어려움을 정량적으로 보여준다(4,5).

Table 1

Opening Force Standards for Door Closers (KS F 4505, KS F 2806)

2.3 기존 과압 방지 제연 시스템의 원리

부속실의 제연을 위해 다양한 시스템이 사용되고 있으며, 대표적으로 복합댐퍼, 플랩댐퍼, 인버터 시스템이 있다.

복합댐퍼 시스템은 볼륨댐퍼와 모터댐퍼를 조합하여 준공 시 설정된 압력 조건에 따라 급기량을 제어한다. 초기 비용은 저렴하나, 건물 누기 변화나 온도 변동에 따른 실시간 대응이 불가능하다.

플랩댐퍼 시스템은 일정 압력(보통 55 Pa)에서 자중에 의해 자동 개방되어 복도로 과압을 배출한다. 전기 제어 없이 작동 가능하며 구조가 단순하나, 벽체 슬리브 설치가 필요하고 순간 개방 시 소음이 발생하며, 건축 구조적 제약으로 설치 위치가 제한된다.

인버터 기반 급기가압 제연 시스템은 압력 센서와 송풍기와 연동된 인버터와 연동하여 실시간 압력 제어가 가능하다. 정밀 제어가 장점이지만 추가되는 장비와 배선 공사로 초기 비용이 높다.

위와 같은 기존 시스템들은 각각의 장점을 가지나, 실시간 대응성⋅소음 저감⋅경제성⋅기존 건물 적용성 측면에서 동시에 만족하지 못하는 한계를 보인다(6).

3.1 시스템 구성 및 작동 원리

본 연구에서는 부속실에 기 설치된 외부 창호를 활용한 차압조절창 시스템을 제안한다(Figure 1 참고). 제안 시스템은 별도의 덕트나 슬리브 공사 없이 간단히 설치할 수 있으며, 부속실 과압 발생 시 창호를 자동으로 외측 개방하여 초과 공기를 외부로 직접 배출함으로써 부속실 차압을 신속히 낮추고, 방화문 개방력을 110 N 이하로 안정적으로 유지한다.

Figure 1

Schematic of pressure relief window installed in vestibule.

주요 구성 요소는 다음과 같다.

차압 센서: 부속실과 옥외 간 실시간 차압을 모니터링

전동 모터: 센서 신호에 따라 창호를 자동으로 개방 및 폐쇄

제어부: 소방 수신기로부터 화재 신호를 수신하고, 차압 데이터를 처리하며, 전동 모터의 구동 로직을 수행

제안 시스템은 화재 신호 수신 시 가압 상태를 유지하면서도 과압만 선택적으로 배출하므로, 연기 차단 성능은 그대로 확보하면서 방화문 개방 장애 문제를 동시에 해결할 수 있다.

3.2 압력 센서 및 자동 개폐 제어 로직

제안한 차압조절창 시스템의 자동 개폐 제어 로직은 Figure 2와 같이 구성된다.

Figure 2

Flowchart of the pressure relief window control logic.

제어 알고리즘은 다음과 같다.

제어 시스템에는 헌팅(hunting) 방지를 위한 히스테리시스 구간(기본 10 Pa)을 적용하여 빈번한 개폐로 인한 전동 모터 과부하와 기계적 피로를 최소화하였다. 또한, 소방 수신기로부터 화재 신호가 해제 시에는 즉시 창호를 완전히 폐쇄하도록 설계하여 평상시 부속실의 기밀성을 유지한다(7).

자동차압급기댐퍼의 작동 압력(50 Pa)을 고려하여, 차압조절창은 기본 설정 압력을 60 Pa로 제안한다. 이를 통해 자동차압급기댐퍼가 1차적으로 차압을 조절하고, 과압 발생 시 차압조절창이 2차적으로 작동함으로써 두 장치의 간섭을 방지하고 시스템 전체의 안정성을 높일 수 있다.

3.3 설계 특징

제안한 차압조절창 시스템은 다음과 같은 설계 특징을 갖는다.

이러한 특징은 기존 제연 시스템의 한계를 극복하고, 실질적인 현장 적용성을 크게 향상시킬 것으로 기대한다.

4.1 부속실 모델 및 실험 환경 설계

본 연구에서는 한국소방산업기술원(KFI)의 ｢플랩댐퍼 성능인증 기술기준｣을 준수하여 실제 건축물의 부속실(vestibule) 환경을 모사할 수 있는 종합시험기를 설계⋅제작하고, 이를 이용하여 차압조절창의 성능을 실험적으로 검증하였다(8).

종합시험기는 Figure 3과 같이 KFI 기술기준에 제시된 도면을 기반으로 제작되었으며, 주요 구성 및 사양은 Table 2와 같다.

Figure 3

KFI testing equipment for flap damper.

Table 2

Specifications of KFI Testing Equipment for Flap Damper

부속실 내부에는 차압 계측기를 설치하여 실시간 차압을 모니터링하였으며 시스템의 동적 반응성을 종합적으로 평가할 수 있도록 실험 환경을 구성하였다.

급기 방식은 인버터로 구동되는 시로코 팬과 유량 조절 댐퍼를 조합하여 원하는 부속실 내 압력을 안정적이고 정밀하게 유지할 수 있도록 설계하였다.

4.2 자동차압급기댐퍼의 누설량

본 실험의 주요 변수는 “급기 풍도의 정압에 따른 부속실의 누설량”으로 설정하였다. 이는 실제 자동차압급기댐퍼 및 건축물의 기밀성에 따라 부속실 차압값이 달라지므로, 제연 성능 비교를 위한 핵심적인 판단 기준이 된다. Figure 4는 자동차압급기댐퍼(W 300 × H 1,000 mm)의 누설량 시험 결과이다. 실험은 KS B ISO 5167-2 규격의 오리피스 유량 시험기(9)로 시험을 한 결과이다.

Figure 4

Leakage rate of the automatic differential pressure supply damper.

Figure 4는 본 연구에서 사용한 자동차압급기댐퍼의 정압에 따른 누설량 특성을 나타낸다. 실험값을 일반적인 댐퍼 누설공식에 맞춰 정리한 결과, 누설 풍량(Qₗ)은 다음 식(2)와 같이 표현 할 수 있다.

여기서, k는 유량계수, A는 댐퍼의 누설 면적, P는 정압을 의미한다.

실험 결과, 정압이 증가할수록 댐퍼 누설량은 정압의 제곱근에 거의 비례하여 증가하였다. 다만 정압이 일정압력(약 500 Pa)를 초과하는 구간에서는 누설량 증가 기울기가 뚜렷하게 가팔라졌는데, 이는 높은 정압으로 인해 댐퍼 날개가 미세하게 벌어지면서 댐퍼의 누설 면적(A)이 증가하기 때문으로 판단된다.

4.3 실험 조건

본 실험의 핵심 평가지표는 부속실 내 차압 변화에 대한 시스템의 반응성과 안정성이다. 이를 정량적으로 평가하기 위해 Figure 4의 자동차압급기댐퍼 누설량 시험 결과를 토대로 누설 정도를 낮은 누설(L1), 중간 누설(L2), 높은 누설(L3)의 3단계로 구분하여 실험을 수행하였다(Table 3 참조).

Table 3

Leakage Conditions of the Vestibule

동일 실험 환경에서 플랩댐퍼 시스템을 기준 장치로 구성하여 차압조절창과의 성능 차이를 분석하였으며, 비교의 정확성을 확보하기 위해 플랩댐퍼 및 차압조절창 미설치 조건도 추가로 평가하였다. 각 조건에서는 인버터 제어를 통해 시로코 팬 풍량을 정밀하게 조절하여 목표 정압을 안정적으로 유지하였으며, 동일 조건당 최소 5회 이상 반복 실험을 진행하였다. 실험 전후에는 부속실 기밀 상태를 확인하고 모든 계측기의 영점을 재조정하여 측정값의 재현성과 신뢰성을 확보하였다.

4.4 측정 항목 및 데이터 처리

실험의 핵심 평가지표는 부속실 내 압력 변화에 따른 시스템의 반응 특성을 정량적으로 평가하는 항목으로 구성되었으며, 주요 측정 항목은 다음과 같다.

각 측정 항목은 동일 조건에서 5회 반복 실험을 통해 평균값을 산출하였으며, ±5% 이내의 편차 범위에서 데이터의 신뢰도를 확보하였다. 측정된 데이터는 차압조절창과 플랩댐퍼 시스템 간의 성능 차이를 비교⋅분석하는 데 활용되었다.

4.5 축소모형

실제 10층 이상의 고층 건물을 1:2로 축소하여 3층 모형을 제작하였다. 제작 제약으로 상하 구조 대신 수평 배치하였으며, GI 1.6 t 철판을 사용하여 기밀성 및 구조 강성을 확보하였다. 전층에는 자동차압급기 댐퍼 및 부속실 창호에 차압조절창을 설치하였다(Figure 5, Table 4 참고).

Figure 5

Photograph of the 1:2 scaled physical model.

Table 4

Specifications of the Scaled Model

비교 평가를 위해 차압조절창이 미설치 된 경우도 함께 비교하였다. 팬 정압은 실제 현장에서 설치되는 가장 낮은 정압 조건인 50 mmAq의 팬으로 선정하였다.

5.1 KFI 종합 시험기 실험

본 연구에서는 KFI (한국소방산업기술원) 플랩댐퍼 성능인증 시험기(Figure 6 참조)를 활용하여 부속실 모형에서 실험을 수행하였다. 실험은 자동차압급기댐퍼의 누설 조건(L1: 1.2 m³/min, L2: 1.8 m³/min, L3: 2.2 m³/min)을 3단계로 설정하고, 덕트 정압을 증가시키며 부속실 내 압력 변화를 측정하였다.

Figure 6

The KFI testing equipment.

차압조절창의 성능검증 및 플랩댐퍼와 비교를 위해 다음과 같이 비교대상을 구성하였다.

각 조건에서 5회 반복 측정 후 평균값을 산출하였으며, 주요 평가 지표는 안정화 압력(Pa)과 안정화 시간(s)으로 정의하였다. 실험 결과는 Figure 7에 나타내었다.

Figure 7

Experimental results from the KFI test equipment.

실험 결과, 덕트 정압이 300 Pa 이하의 비교적 낮은 구간에서도 자동차압급기댐퍼 단독으로는 부속실 과압(L2 누설조건 Case 1: 105 Pa, L3 누설조건 Case 1: 157 Pa)을 억제하지 못하고 차압이 100 Pa 이상으로 상승하는 것을 확인하였다. 반면 플랩댐퍼 또는 차압조절창과 같은 과압 배출 장치를 설치한 경우 부속실 과압이 65 Pa 이하로 효과적으로 해소되었다. 다만 플랩댐퍼를 적용했을 때는 댐퍼 개폐 시 차압이 일부 변동되고 소음이 발생하는 문제가 관찰되었다. 반면 차압조절창을 적용한 경우에는 과압 발생 후 부속실 차압을 설정값인 60 Pa로 일정하게 유지하면서도 소음과 같은 문제는 발견되지 않았다. 안정화 시간은 모든 경우 10 s 이내로 빠르게 안정화되었으며(Case 1: 5 s, Case 2: 3 s, Case 3: 6 s) 차압조절창의 경우 플랩댐퍼보다는 3~4 s 정도 느리지만 자동차압급기댐퍼 단독 조건과 비교하면 차압 해소 시간 차이가 1 s 이내로 미미하여, 화재 시 충분히 신속하게 작동하는 것을 확인할 수 있었다.

5.2 축소 모형 실험을 통한 현장 적용성 검토

현장 적용 가능성을 실질적으로 검증하기 위하여, 실제 부속실의 설치 구성과 유사하게 재현한 축소 모형(축척 약 1:2)을 제작하였으며(Figure 8 참조), 해당 시험기를 통해 가압 송풍 시 부속실 모형의 각 층별 차압 변화를 연속적으로 측정함으로써 부속실 내부의 과압 형성 양상과 함께 차압조절창이 목표 과압을 유지⋅조절하는 성능을 정량적으로 평가하였다.

Figure 8

Scaled physical model.

차압조절창의 과압 조절 효과를 명확히 비교⋅분석하기 위해, 아래와 같이 두 가지 실험 Case를 구성하여 동일한 송풍 조건 하에서 성능 비교 시험을 수행하였다.

실험 결과는 Figure 9와 같다.

Figure 9

Experimental results from the scaled physical model.

축소 모형 실험 결과, Case 1 (차압조절창 미설치)에서는 자동차압급기댐퍼의 적용에도 불구하고 층고에 관계없이 전층에서 과도한 차압(1 F: 78 Pa, 2 F: 79 Pa, 3 F: 79 Pa)이 형성되어 층간 과압 현상이 뚜렷이 관찰되었다. 반면, Case 2 (차압조절창 설치)에서는 차압조절창의 자동 개도 조절에 따라 모든 층에서 목표값인 60 Pa로 차압이 안정적으로 수렴⋅유지되는 것을 확인하였다(Figure 9 참조). 이는 차압조절창이 층수와 무관하게 설정 차압을 일정하게 유지할 수 있는 성능을 보유하고 있음을 의미하며, 실제 고층 건물의 부속실 가압방식 시스템에 적용하더라도 동일한 차압 제어 안정성을 기대할 수 있음을 실험적으로 입증하는 결과이다.