연기의 성상 - 화재론 - 소방학 개론

 

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1. 연기 (Smoke)

가. 정의

  ① 가연물 중 완전 연소되지 않은 고체 또는 액체의 미립자가 떠돌아다니는 상태

  ② 연소생성물이 눈에 보이는 것을 연기라고 한다.

 ▣ 수직으로 연기가 이동하는 속도는 수평으로 이동하는 속도 보다 빠르다.

 ▣ 연기 중 액체 미립자계만 유독성이다.

 ▣ 연기는 대류에 의하여 전파된다.

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2. 연기의 이동속도 ★

 

  ① 수평방향 : 0.5 ~ 1 [m/sec]

  ② 수직방향 : 2~3 [m/sec]

  ③ 계단실 내의 수직이동속도 : 3 ~ 5 [m/sec]

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3. 연기의 농도표시법

가. 절대 농도

 ① 중량 농도법

    ▣ 단위체적 중에 포함되어 있는 입자의 중량 [kg/㎥], [g/㎤]

 ② 입자 농도법

    ▣ 단위체적 중에 포함되어 있는 입자의 개수 [개/㎥]

 

나. 상대 농도

 ① 감광계수법

    ▣ 빛을 투과하였을 경우 빛의 감쇄에 따른 가시거리의 감소를 측정하는 것

 ② 감광계수와 가시거리 ★

감광계수[m-1]	가시거리 [m]	상 황
0.1	20~30	연기감지기가 작동할 때의 농도
0.3	5	건물내부에 익숙한 사람이 피난에 지장을 느낄 정도의 농도
0.5	3	어두운 것을 느낄 정도의 농도
1	1~2	거의 앞이 보이지 않을 정도의 농도
10	0.2 ~ 0.5	화재 최성기 때의 농도, 유도등이 보이지 않음
30	-	출화실에서 연기가 분출할 때의 농도

4. 연기를 이동시키는 요인

 

① 팽창력 : 화재실 내 온도상승에 따른 체적의 팽창(샤를의 법칙)으로 압력이 높아져 연기

                   유동의 원인이 된다.

② 부력 : 화재실 내 온도가 상승하므로 상하부의 밀도차 (비중차)가 발생하여 연기가 상부

               로 이동하는 현상이다.

③ 연돌(굴뚝)효과 (Stack effect) : 건물 내의 온도차 (기후조건 등)에 의한 밀도차 (비중

          차)의 발생은 기류 이동의 원인이 되며, 고층일 수록 연돌효과가 크게 나타난다.

④ 바람의 효과 : 건축물 외부의 바람이 건축물 내로 유입되어 연기 이동에 영향을 미치는 경우

⑤ 공조설비 : 건축물 내부에 있는 냉·난방용 공기조화설비에 의한 연기의 유동

⑥ 피스톤 효과 : 건축물 내부의 승강기가 피스톤과 같이 이동하며 연기의 유동이 발생

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5. 연돌(굴뚝) 효과 (Stack effect) ★

  ① 건물 내·외부의 온도차에 따른 공기의 흐름현상이다.

  ② 굴뚝효과는 고층 건물에서 주로 나타난다.

  ③ 평상시 건물 내의 기류분포를 지배하는 중요 요소이며 화재시 연기의 이동에 큰 영향을 미친다.

  ④ 건물외부의 온도가 내부의 온도 보다 높은 경우 저층부에서는 내부에서 외부로 공기의 흐름이 생긴다.

 

[참고] 연기거동 중 굴뚝효과와 관계 있는 것

① 건물 내외의 온도차 ② 화재실의 온도 ③ 건물의 높이 (고층건물에서 발생)

6. 제연방법

제연방법	설 명
희석 (Dilution)	외부로 부터 신선한 공기를 대량 불어 넣어 연기의 양을 일정 농도 이하로 낮추는 것
배기 (Exhaust)	건물 내의 압력차에 의하여 연기를 외부로 배출시키는 것
차단 (Confinement)	연기가 일정한 장소내로 들어오지 못하도록 하는 것

【 출제 예상 문제 】

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1. 건물화재 시 연기가 건물밖으로 이동하는 주된 요인이 아닌 것은 ? ④

  ① 굴뚝 효과                                    ② 건물 내부의 공조설비

  ③ 온도상승에 따른 기체의 팽창     ④ 적설량

  [연기를 이동시키는 요인]

  ① 팽창력 : 화재실 내 온도상승에 따른 체적의 팽창 (샤를의 법칙)으로 압력이 높아져 연기유동의 원인이 된다.

  ② 부력 : 화재실 내의 온도가 상승하므로 상하부의 밀도차(비중차)가 발생하여 연기가 상부로 이동하는 현상이다.

  ③ 연돌(굴뚝) 효과 (Stack effect) : 건물내의 온도차 (기후조건 등)에 의한 밀도차 (비중

        차)의 발생은 기류이동의 원인이 되며, 고층일 수록 연돌효과가 크게 나타난다.

    ※ 연동효과의 영향 요인 : 실내외의 온도차, 외벽의 기밀성, 층간 공기누설

  ④ 바람의 효과 : 건축물 외부의 바람이 건축물 내로 유입되어 연기 이동에 영향을 미치는 경우

  ⑤ 공조설비 : 건축물 내부에 있는 냉·난방용 공기조화설비에 의한 연기의 유동

  ⑥ 피스톤 효과 : 건축물 내부의 승강기가 피스톤과 같이 이동하며 연기의 유동이 발생

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2. 감광계수 [m-1]에 대한 설명으로 옳은 것은 ?

   ① 0.5는 거의 앞이 보이지 않을 정도이다.

   ② 10은 화재 최성기 때의 농도이다.

   ③ 0.5는 가시거리가 20~30 [m] 정도이다.

   ④ 10은 연기감지기가 작동하기 직전의 농도이다.

 

[감광계수]

감광계수[m-1]	가시거리[m]	상 황
0.5	3	어두운 것을 느낄 정도의 농도
10	0.2 ~ 0.5	화재 최성기 때의 농도, 유도등이 보이지 않음

3. 고층건축물에서 연기의 제어 및 차단은 중요한 문제이다. 연기제어의 기본방법이 아닌 것은 ? ④

   ① 희석     ② 차단     ③ 배기     ④ 복사

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[제연방법]

제연방법	설 명
희석 (Dilution)	외부로 부터 신선한 공기를 대량 불어 넣어 연기의 양을 일정 농도 이하로 낮추는 것
배기 (Exhaust)	건물 내의 압력차에 의하여 연기를 외부로 배출시키는 것
차단 (Confinement)	연기가 일정한 장소내로 들어오지 못하도록 하는 것

4. 고층건물 내의 연기 거동 중 굴뚝효과 (Stack effect)와 관계가 없는 것은 ? ④

  ① 건물 내외의 온도차               ② 화재실의 온도

  ③ 건물의 높이                           ④ 층의 면적

  [해설] 연돌(굴뚝)효과의 영향요인

    ▣ 건물 내외의 온도차, 화재실의 온도, 건물의 높이 (고층건물에서 발생)

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5. 화재시 계단실 내 수직방향의 연기 상승 속도범위는 일반적으로 몇 [m/sec]의 범위에 있는가 ? ③

   ① 0.05 ~ 0.1         ② 0.8 ~ 1.0          ③ 3 ~ 5             ④ 10 ~ 20

  [해설] 연기의 이동속도

   ① 수평방향 : 0.5 ~ 1.0 [m/sec]

   ② 수직방향 : 2 ~ 3 [m/sec]

   ③ 계단실 내의 수직이동속도 : 3 ~ 5 [m/sec]

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6. 연기의 농도 표시방법 중 단위체적당 연기입자의 개수를 나타내는 것은 ? ②

  ① 중량농도법       ② 입자농도법        ③ 투과율법          ④ 상대녿도법

  [연기의 농도표시법]

   ① 중량농도법 : 단위체적 중에 포함되어 있는 입자의 중량

   ② 입자농도법 : 단위체적 중에 포함되어 있는 입자의 개수

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7. 굴뚝효과에 관한 설명으로 틀린 것은 ? ②

   ① 건물 내·외의 온도차에 따른 공기의 흐름 현상이다.

   ② 굴뚝효과는 고층건물에서는 잘 나타나지 않고 저층건물에서 주로 나타난다.

   ③ 평상시 건물 내의 기류 분포를 지배하는 중요요소이며 화재시 연기의 이동에 큰 영향을 미친다.

   ④ 건물 외부의 온도가 내부의 온도보다 높은 경우 저층부에서는 내부에서 외부로 공기의 흐름이 생긴다.

 [연돌(굴뚝)효과]

   ① 건물 내 · 외부의 온도차에 따른 공기의 흐름현상이다.

   ② 굴뚝 효과는 고층건물에서 주로 나타난다.

   ③ 평상시 건물 내의 기류분포를 지배하는 중요 요소이며 화재시 연기의 이동에 큰 영향을 미친다.

   ④ 건물외부의 온도가 내부의 온도보다 높은 경우 저층부에서는 내부에서 외부로 공기의 흐름이 생긴다.

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【 연돌(굴뚝)효과 (Stack effect)의 개요 및 방지대책】

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1. 연돌효과의 정의

  ▣ 연돌효과란 굴뚝으로 연기를 내보내는 원리로, 고층 건물의 최하부층에서 최상층으로

      향하는 강한 기류의 형성을 말한다.

2. 연돌효과의 발생원리 (Mechanism]

  ▣ 연돌효과는 건물 내외부 공기의 상태 (온습도, 공기밀도) 차이로 인하여 실내외 공기간

      의 압력차가 발생하고 이로 인해 건물의 내부와 외부, 건물 내에서 상층부와 하층부 간

      의 공기흐름이 발생한다.

  ▣ 연돌현상은 실내외 공기밀도 차이가 있는 모든 건물에서 발생할 수 있으나 건물의 층고

      가 높은 건물에서 연돌효과의 발현 정도가 커서 일반적으로 고층 건물에서만 발생하는

      것으로 인식되고 있다.

 

▣ 연돌현상은 실내의 온도차이가 현저한 겨울철에 주로 나타나며, 여름철의 경우 겨울철

    과 반대로 공기흐름이 발생하여 역연돌 현상이 발생하나 여름철의 경우 겨울철에 비해

    상대적으로 실내외 온도차가 크지 않아 문제 되고 있지 않다.

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3. 연돌효과의 주요 영향 요인 및 고려사항

   ① 실내외 온도차         ② 건물의 높이         ③ 외부 풍환경         ④ 건물의 기밀성

   ⑤ 실내구획의 유무     ⑥ 코어의 배치

   ⑦ 평면형태 및 공조시스템 등 건축적, 설비적 요인

  ▣ 연돌효과는 실내외 온도차 이외에도 건물의 높이, 외부 풍환경, 건물의 기밀성, 실내 구

       획의 유무, 코어의 배치, 평면의 형태 및 공조시스템 등 건축적, 설비적인 요인들에 의해

       다양한 양상으로 나타난다.

1) 기후적 요인

  ▣ 연돌효과에 가장 지배적인 영향을 미치는 것은 실내외 온도차이기 때문에 같은 건물이

      라고 해도 그 건물이 위치한 지역의 기후에 따라 연돌현상으로 인한 공기 유동이 달라진다.

  ▣ 외부 풍향 및 풍속 조건에 따라 건물의 벽체에 작용하는 압력이 달라지고, 건물의 공기

      유동량에도 영향을 미치기 때문에 연돌효과를 분석하는데 있어서 외기온도 및 습도,

      외부 풍환경과 같은 기후적인 조건의 검토가 필요하다.

2) 건축적 요인

  ▣ 건물의 높이, 실내구획의 유무, 공기 유동 경로의 기밀성, 엘리베이터 샤프트의 수직

       구획과 같은 건물의 건축적 요인에 의하여 건물의 공기유도의 양상이 달라진다.

       건물의 높이와 연돌효과로 인한 공기 유동 및 압력차는 비례하며 또한 비슷한 높이의

       건물이라도 실내 구획의 차이에 따라 건물의 연돌특성은 다르게 나타난다.

3) 설비적 요인

 ▣ 공조시스템에 의해서 실내의 가압 및 감압 여부에 따라 연돌효과로 인한 공기 유동 역

      전 현상이 관찰되는 만큼 건물의 설비적 요소가 연돌효과에 미치는 영향이 크다.

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4. 연돌효과 (Stack effect)에 따른 문제점

   ① 공기 유출입에 따른 건물내 에너지 손실

   ② 엘리베이터 도어 및 출입문 개폐 불량

   ③ 환기 및 배기의 어려움

   ④ 화재발생시 연기 및 화염의 급속한 확산

1) 침기와 누기로 인한 문제점

  ▣ 연돌효과로 인해 겨울철 건물의 저층부의 온도는 낮아지고, 고층부는 온도가 높아서 에

      너지 손실이 발생됨에 따라 저층 로비 공간의 난방에너지가 증가되고, 상층부에서는

      온도 상승 및 오염된 공기가 확산되어 공기질 저하 현상 발생

  ▣ 또한 온도가 높은 공기가 상층부를 통해 외부로 유출되면서 벽에 결로 현상이 발생하여

       결로수가 결빙되거나 외부면에 백화현상 발생

2) 엘리베이터 (E/V)와 출입문에서의 문제점

  ▣ 연돌효과로 인한 강한 공기유도(기류)의 영향으로 사무소 건물에서는 로비 출입문, 자

       동문 및 엘리베이터 도어의 개폐 불량 현상이 나타나며 풍절음으로 인해 사용자의

       불쾌감을 초래한다.

3) 환기 및 배기설비에서의 문제점

  ▣ 연돌 효과로 인하여 저층부의 냄새와 지하주차장의 배기가스 등이 확산될 수 있으며

      실내의 화장실 및 주방의 배기에 어려움

4) 화재발생시 문제점

  ▣ 연돌효과에 의한 공기 유동으로 인해 화재 발생시 유독성 연기 및 화염이 계단, 엘리베

       이터, 샤프트, 공조 덕트 등을 통하여 급속히 확산될 수 있음

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5. 연돌효과 (Stack effect) 대책방안

 ① 로비 현관에 회전문 설치

   ⊙ 로비 현관에 회전문을 설치하여 출입 개폐에 따른 공기유입 최소화

② 지하출입구에 방풍실 설치

   ⊙ 지하출입구에 방풍실을 설치하여 출입문에 작용하는 압력을 분담

   ⊙ 출입문 이중 설치로 출입문 개폐에 따른 공기 유입 최소화

③ 공기 유동 경로의 기밀성 강화시키는 방안

   ⊙ 외피의 기밀성 강화

   ⊙ 엘리베이터 샤프트 기밀성능 강화

   ⊙ 출입문 기밀 성능 강화

   ⊙ 실내 추가구획 설치

   ⊙ 주차장 램프 입구 방풍 셔터 설치 등