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사진. 72명의 사망자가 발생한 영국 그렌펠 타워 화재(2017.6.14.) 출처 : commons.wikimedia.org

계단실 제연설비의 중요성 및
최근 제연기술

지난 몇 년간의 영국 내 화재 발생 사건을 통해 고층건축물에 적용하는 제연설비 설계방식이 화재 대응에 충분하지 않음을 알 수 있었으며, 그렌펠 타워 화재의 사례를 통해 화재 발생 시 건물 내 재실자의 피난과 소방관의 건물 진입 경로로 계단실 역할이 상당히 중요함을 알 수 있었다. 특히, 피난계단이 하나로 유일한 피난 경로일 경우는 특히 더욱 그럴 것이다. 그러나 최근 제연설비 설계 시 많은 곳에서 감압설비방식을 선택하는 경향을 보이고 있다. 따라서 이번 글에서는 계단실 보호에 주의를 기울여야 하는 이유와 지정된 피난 경로를 보호하기 위해 더욱 견고한 시스템을 설계하는 방법에 대해 상세히 알아보고자 한다.

계단실의 중요성

건물 내 화재가 발생하면, 화재 탐지 즉시 비상용 승강기를 제외한 모든 승강기는 일층으로 이동하여 승강기의 작동이 정지되는 것이 일반적이다. 이러한 이유로 화재 발생 시 건물에서 대피할 수 있는 유일한 피난 경로는 계단실이며, 피난 계단이 하나일 경우 이는 화재 대피에 있어 매우 중요한 곳이 될 것이다.

그렌펠 타워와 같은 최근의 화재발생 경험으로, 이제 사람들은 아파트 건물 안내서의 “화재 발생 시 불길의 영향이 없는 곳에 있다면 대기함(stay put)”이라는 지침에도 불구하고, 화재가 발생한다면 당연히 건물을 신속하게 빠져나올 것을 선택하여 대피를 위해 계단을 이용할 것이다.

사진. 그렌펠 타워 건물 피난 안내

영국 건물규칙(Fire safety: Approved Document B)에서도 ‘건물은 화재 발생 초기 경보를 위한 적절한 기준과 화재 발생 시 건물 외부의 안전한 장소로 피난하는 적절한 방법을 갖출 수 있도록 설계 및 건축되어야 한다’고 명시하고 있다.

영국 건물규칙(Building Regulations, Part B Fire Safety) 출처 : www.legislation.gov.uk

피난을 위해 계단실이 유일한 경로가 될 수 있음을 감안하였을 때, 계단실의 제연설비는 피난 목적을 달성할 수 있어야 하고 충분히 견고해야 할 것이며, 이러한 조건은 가압 설비를 통해 충족시킬 수 있을 것이다.

올바르게 설계된 가압설비의 조건은 다음과 같다.

  • • 피난 경로로 연기의 이동을 방지할 수 있는 설계
  • • 계단실 및 안전구획의 연기 방지를 통한 재실자 피난 도움
  • • 가시성 개선을 통한 소방관의 접근 및 구조 작업을 위한 조건 개선
  • • 소방활동을 위한 피난용 승강기로의 연기 이동 방지

또한 올바르게 설계된 가압 설비는 다음의 조건을 갖추면 안 된다.

  • • 피난 경로의 감압 발생으로 피난 경로로 연기 이동 유발
  • • 피난 경로를 통해 연기를 추출하는 방식의 설계
  • • 계단실로 통하는 방화문을 당겨서 여는 방식
그림. 일반적인 가압시스템 설계방식

감압설비

다양한 연구 자료 및 소방기술 산업계 전문가들은 고층 건물에서의 화재 발생 시 안전한 피난을 위해 계단실 보호를 가장 우선시해야 함을 늘 강조한다. 그러나 감압 시스템의 설치는 여전히 지속되고 있다. 이는 계단을 통해 새로운 공기를 유입시켜 감압하는 방식으로 건물 내로 연기가 재 유입되는 잠재적 위험요인이 될 수 있다.

연기 제어의 감압 방식은 피난 경로를 저압 상태로 만들어 계단실로부터 공기 교체를 유발한다. 계단실과 복도를 연결하는 방화문을 통해 공기를 교체하는 방식이다.

계단실 상부의 자동환기구(AOV)를 통해 공기가 유입되고 방화문을 통과하는 풍속으로 계단실과 연결된 피난 통로에 연기가 유입되는 것을 충분히 방지할 수 있을 것으로 기대한다. 이러한 기대로 화재 예방을 위해 계단실과 통로 사이에 방화문을 설치해야 하는 이유 및 화재 발생 시 방화문을 열어야 하는 불편함 등을 언급하는 경우도 있다. 그러나 이러한 방식은 계단실의 낮은 압력으로 계단 상단의 AOV를 통해 연기가 건물로 다시 유입되는 위험한 상황이 발생할 수 있다는 것에 대해 주의해야 할 것이다.

감압 시스템 적용으로 계단실로 연기가 재유입되는 위험한 상황은 다른 층으로 화재가 확산되는 경우에도 발생할 수 있다. 감압 시스템은 보통 단층의 건물에만 적용하도록 되어 있다. 즉, 화재가 최초 탐지되는 범위이다. 제연 업계 관계자의 일반적인 의견에 따르면 감압 시스템의 설계는 단층에서의 화재 시나리오만을 고려하여 설치한다고 한다. 따라서 감압 설비 적용 시 화재 확산 가능성 및 기타 위험 요인 발생 가능성에 대해 설명할 수 있는 위험 평가 실시 및 규제요건에 대한 검토가 필요할 것이다.

일반적으로 열린 또는 깨진 창을 통해 다른 층으로 화재가 확산될 경우, 현재의 감압 시스템으로는 화재 발생지나 화재가 확산할 수 있는 다른 층에 대해 적절히 대응할 수 없을 것이다. 연기는 화재가 확산된 층으로부터 계단실로 대피하는 재실자를 따라 이동할 것이고 이 때 감압 시스템이 작동하여 계단실의 압력을 낮추면 결국 연기는 계단실에 유입될 것이다.

연기 이동 방지

주거용 건물의 피난 경로 제연을 위한 가압 시스템은 최소한 3곳 이상의 문을 기준으로 화재에 대응할 역량을 가지고 있다고 볼 수 있으며, 합리적 범위 내에서 다른 층의 범위까지 고려하기 위해 설계 용량 증가 옵션을 고려하였을 때 그 이상을 대처할 역량을 보유하였다고 할 수 있다.

계단실로 연결되는 여러 곳의 문이 개방되어 연기가 계단실로 이동하는 경우, 가압 시스템이 작동함으로써 새로운 공기를 계단실로 지속적으로 유입시킴으로써 유해 공기는 신속하게 제거될 것이다.

최근 가압시스템의 작동방식

최근 가압 제연시스템의 형태는 더욱 단순하고, 신뢰성이 있으며, 효과적으로 변화했다. 과거에 발생한 압력센서, 댐퍼 및 압력 릴리프 터미널 등의 문제점 또한 상당히 개선되었다. 중요한 점은 화재 발생 시 확산되는 연기와 열을 제어하기 위해 건물 내부에서 어떠한 조건을 유지해야 하는지 판단하는 것이다. 가압시스템의 성능 기준은 예전과 거의 변함이 없으나, 이러한 기준을 달성하는 방식은 상당히 변화했다.

현재 제어 기술

21세기 연구개발을 통해 오늘날 제연 분야의 제어 기술의 발달이 있었다. 제연설비 발달의 혁명이었다고 말한다면 다소 과장스럽겠지만, 가압설비의 제어와 신뢰성 차원에서 이전과 비교하였을 때 기능 및 디자인에서는 한 단계 더 개선된 것은 분명하다.

문 근접 센서

최근 제연분야에서 두드러지는 중요한 특징으로 출입문 근접 센서(Door Proximity Sensor, DPS)를 들 수 있다. 이는 컴퓨터 제어 시스템(PLC)으로 팬의 속도를 신속하게 제어하는 기능이 있다. 이 제어 시스템은 차압 시스템이 BS EN 12101-6의 명시 기준인 “3초 이내”로 반응할 수 있게 한다. 문 근접 센서(DPS)는 다음 그림과 같은 방식으로 시스템 설계에서 요구되는 개수의 문에 부착시킬 수 있다.

그림. DPS 작동

센서는 내연 데이터 케이블을 통해 제연설비 패널과 직접 연결된다. DPS 장치는 전위차계(분압계)로 통합되어 제어 패널 내의 PLC로 신호를 전송하며 문이 개방된 곳과 문의 실제적 위치 등을 알려줌으로써 문 개방 시 유지해야 하는 풍속의 수치 등을 제공한다.

팬 컨트롤

변환 기술의 적용으로 현재 기기 작동의 활성화 및 정지를 위해 상당히 신속하게 제어반응을 하는 등 광범위한 범위의 제어가 가능해졌다. 이러한 신속한 반응은 계단실로 통하는 방화문 등에 과압을 방지하기 위해 필요한 반응 속도를 달성하는 데 중요하다.

자동 제어장치(PLC)

최근 PLC(Programmable Logic Control)의 비용 면에서 감소가 있었고 프로그래밍 파워에 있어서도 상당한 개선이 있어, 배연 및 제연 분야를 포함해서 인명안전시스템 분야에 비용 효과적인 스마트한 제품들을 생산할 수 있게 되었다.

제어의 정확성 및 시스템 성능의 영향

신뢰성 있는 가압 제연 시스템에서 중요한 것은 변화하는 작동 조건에 신속하게 반응하는 것이다. 예를 들면, 주거용 건물의 복도 및 계단실 사이의 문은 관련 기준을 준수하는지, 과도한 압력이 방지되는지, 시스템은 3초 이내에 작동하여 공기의 흐름을 줄일 수 있는지 등이 중요하다. 문 닫힘에 대한 반응 시간 조건은 BS EN 12101-6을 따른다.

변화하는 조건에 반응하는 시간은 다음을 위해 중요하다.
a) 방호구역의 신뢰성 있는 보호를 위한 설계 조건 유지
b) 압력의 과도한 증가 및 감소 방지(과도한 압력 변화로 대피로 내의 문 개방을 어렵게 하거나 갑작스런 문 닫힘을 발생시킬 수 있음)

최근 개선된 인버터 장치 및 DPS와 같은 시험‧검증된 최신 전자 제어장치는 이러한 기준에 부합할 것이며, 과거의 제어수단으로는 불가능했던 특징이다. 제어에 있어서 정확성의 차이가 발생하는 주요한 이유는 즉각적인 반응이 가능한 현재의 전자 제어능력 때문이라 볼 수 있다. 압력센서 및 압력 릴리프 댐퍼 등의 과거 제어시스템은 지연반응을 보여 이미 과거의 데이터가 되어버린 조건에 반응하는 반응 실패 사례가 발생하곤 했었다.

과거 초기에 사용된 제어 형태는 빈번한 유지관리가 필요했고 정기적인 시험을 실시하여 지속적인 신뢰성을 보증해야 했으나, 새로운 전기 제어 장치는 성능악화의 경우 경보를 울리는 자가진단 기능을 보유하여 만들어지고 있다.

시운전

문 모니터링 시스템으로 과거의 제어 방식보다 시운전을 훨씬 더 용이하게 할 수 있게 되었다. 건물의 각 층별로 압력 수치가 확인되고 다음으로 팬의 속도가 설정된다. 이러한 결과 값이 제어 시스템 PLC로 다운로드되기 전에 각 장치의 “주소”가 컴퓨터에 기록된다.

시스템 성능의 실제적인 입증은 매우 중요하다. 현재 공기흐름의 유형과 압력이 달성되고 있는지 예상되지 않은 유출 경로가 생성되지는 않았는지를 확인할 수 있다. 시운전 단계에서 배연시험은 방호 구역 내 연기 유입을 방지하는 데 있어 시스템의 효율성을 검사하는 데 유용하다.

건물 설계 단계 시 고려할 점

그렌펠 등의 화재 사건에도 불구하고 건물 설계 시 제연구역의 인명안전시스템을 최우선으로 고려하고 있지 않은 점은 놀라운 일이다. 건물 및 아파트 설계 개발자들은 여전히 배연 통로가 건물 설계에 방해될 때 성가시게 생각하기도 한다.

이제는 건물 설계에 있어 인명안전시스템을 가장 최우선으로 고려해야 하며 특히 고층건축물의 경우 건물 특성에 가장 적합한 제연 설비를 설치하는 것을 가장 중요하게 생각해야 할 것이다. 어떠한 형태의 시스템을 선택하든 제연 설비가 건물 설계의 초기 단계에서 건축적 개념의 일부로 구성되어 건물 구조물 내에서 필요한 범위에 최적화된 성능을 발휘할 수 있어야 할 것이다.

산업계는 상업적인 목적에 중점을 두어 제품 설계 목적 및 지침에 반하는 전략을 종종 선택한다. 감압 설비의 경우, 설계 및 설치가 비교적 단순하여 가압 설비와 비교하였을 때 비용 면에서의 장점이 있다. 그러나 제연 산업계에서 기술적인 무결성을 원한다면, 인명안전을 향상시킬 수 있는 시스템이 어떠한 목적으로든 선택될 것이다. 이를 위해 고층건축물 제연설비 설치 시 디자인, 설치, 시운전을 비교적 단순하게 할 수 있는 최신 기술을 적용한 가압시스템을 가장 우선으로 고려할 수 있을 것이다.

※ 필자 : Richard Brooks [영국기준(BS 7346) 의장, 제연설계 컨설턴트]
※ 본 지면은 2021 Fire Magazine 기사내용을 번역하였습니다.

글. 이현경|한국소방안전원 정책연구소 대리

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