화재모델에 기반한 NFPA72 연기감지기 배치

NFPA72에서는 열,연기감지기의 배치 근거를 화재시 발생하는 열,연기의 상승 플룸에 기반하고 있습니다.

화재시 발생하는 뜨거운 열기류는 22도 각도로 상승하게 되며 천장과 부딪히는 열기류의 면적은 층고의 40%로 보고 있습니다.

 

화재감지기 배치를 위한 화재모델

 

이후 열기류는 천장을 따라 일정한 두께를 가진 천장제트류(Celing jet)를 형성하게 됩니다. 천장제트류는 천정을 따라 흐르는 동안 냉각되어 점차 부력과 속도를 잃게 되면 아래쪽으로 하강 및 희석됩니다. 화점에서 멀리 떨어질 수록 연기층의 농도가 바닥에 근접할 수록 더 짙어지는 이유이기도 합니다.

 

천장이 높은 공간의 경우에는 플룸이 상승하면서 냉각되어 주변 공기의 온도와 같아지면 상승을 멈추는 층화현상이 발생할 수 있습니다. 이런 경우 천장에 설치된 연기감지기는 작동하지 않게 됩니다. 화재가 점점 커져 플룸의 에너지가 높아져 상승여력이 더 생긴 후에야 연기감지기는 작동하게 될 것입니다. 감지시점의 지연은 결국 감지실패와 같은 의미로 볼 수 있습니다. 

 

정리하면,

 

화재가 연기감지기에 미치는 영향은 천장제트류의 두께, 천장에 닿는 열기류의 면적(폭), 플룸의 상승높이 정도가 되며, 이를 기반으로 공간의 구조와 형태 그리고 기류를 고려하여 연기감지기의 배치를 결정합니다. 그밖에도 연기의 색깔이나 연기입자의 크기, 초기공간의 온도, 습도 등도 고려해야 할 대상입니다.

 

화재감지기는 공간의 구조와 형태를 고려하여 배치하게 되는데, 배치기준은 감지기가 가지고 있는 고유의 작동시점을 맞추기 위한 것으로 볼 수 있습니다. 

 

따라서 연기감지기의 배치를 결정하는 주요인자에 대해 말씀드리면 다음과 같습니다.

 

1. 천정제트류의 두께

연기감지기 배치시 천정의 보와 같은 장애물의 고려여부를 판단하기 위함입니다. 천정제트류의 두께가 층고의 10% 정도로 알려져 있으므로 보와 같은 장애물의 깊이가 층고의 10%를 초과하지 않으면 장애물이 없는 평천정으로 간주합니다. 반면 10%를 초과할 경우 장애로 인해 천정열기류의 이동이 느려지기 때문에 감지기의 배치간격을 좁혀서 배치하게 됩니다.

 

2. 천정제트류의 온도와 속도

열,연기감지기는 천정제트류의 온도와 속도 그리고 하나더 추가하자면 온도상승율에 기반하여 작동 한계점이 결정됩니다. 열감지기는 작동하기에 충분한 온도와 온도상승율 그리고 속도까지 필요하며, 연기감지기는 연기를 감지기내 챔버로 충분한 농도로 밀어 넣을 수 있는 속도가 필요합니다. 화원에서 멀리 떨어질 수록 온도와 속도는 감소하게 되므로 배치 간격은 이러한 것들이 고려되어 결정됩니다. 온도의 영향을 덜받는 연기감지기의 배치 간격이 일반적으로 큰 것도 이러한 이유입니다. 연기감지기의 경우 작동이 가능한 한계 기류(연기)속도를 0.15 ~ 0.5 m/s의 범위로 이야기 하고 있습니다.

 

3. 열기류가 천정에 닿는 폭

화재모델에서 폭은 층고의 40%로 보고 있습니다. 보와 보 사이의 거리가 층고의 40%보다 큰 경우에는 열기류가 보와 보사이에 갇히게 되고 보를 넘어 열기류가 이동하는데 지연이 발생하게 됩니다. 따라서 이런 구조에서는 보와 보로 형성된 공간 모두에 연기감지기를 설치해야 합니다(보의 깊이가 10% 초과하는 경우만). 반대로 보와 보사이의 거리가 층고의 40%보다 작은 경우에는 상승 열기류가 처음부터 보를 넘어가기 때문에 보와 보사이 형성된 공간 모두에 설치할 필요가 없습니다. 다만 보는 열기류의 이동을 느려지게 하는 장애물로서의 영향은 미치기 때문에 배치간격은 평천장에 비해 절반으로 배치간격을 줄여야 합니다.

 

4. 층고

우리나라와 달리 NFPA72에서는 연기감지기의 층고를 제한하지 않으며 공간내 최저 및 최고 온도차에 따른 열기류의 상승 높이를 고려하여 설치여부를 결정하도록 하고 있습니다.

 

 

시험에 따르면 화재크기가 작을수록 그리고 공간내 위아래의 온도차가 클수록 연기의 상승높이는 작아지는 것으로 알려져 있습니다.

 

5. 공간내 환기량

공간내 환기량이 일정수준(7.5회/시간) 이상 초과할 경우 이동중 연기의 농도는 정상상태에 비해 희석되어 감지지연이 발생하게 됩니다. 따라서 환기량에 비례하여 연기감지기의 배치간격을 좁혀 감지지연이 발생하지 않도록 해야 합니다.

 

참고 ;

연기감지기의 배치 방법은 열감지기와 마찬가지로 공칭 이격거리SD의 0.7SD를 반지름으로 하는 원을 그려 공간의 모든곳이 포함되도록 배치합니다. 쉽게 이야기 하면 국내의 스프링클러 수평거리r과 0.7SD는 같은 의미입니다. NFPA72에서는 제조업체가 특별히 명시하지 않는 한 연기감지기의 공칭 이격거리SD는 9.1m로 규정하고 있습니다.

0.7SD = 0.7x 9.1 = 6.4m 즉 스프링클러 수평거리r=6.4m 와 같이 연기감지기를 배치하면 됩니다.

 

NFPA72 스포트형 열,연기감지기의 배치방법

 

Spot-Type Smoke Detector Spacing and Mounting Location for Various Ceiling Types(다양한 천정형태에서의 스포트형연기감지기 설치간격과 위치) - NFPA72 제공

 

아래는 위 표를 설명하는 영상입니다. 참고하세요