KR200413241Y1

KR200413241Y1 - 터널 내 화재시 환기 제어 평가시스템

Info

Publication number: KR200413241Y1
Application number: KR2020060002464U
Authority: KR
Inventors: 유지오
Original assignee: 신흥대학산학협력단; (주)범창종합기술
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2006-04-05

Abstract

본 고안은 화재시 환기 제어시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 터널 내 화재시 터널 내의 제연계획에 따른 터널 내 화재시 환기 제어 평가시스템에 관한 것이다.

본 고안은 중앙제어부(110);와 이에 연동되는 화재감지부(100a 내지 100n);와 제트팬(160a 내지 160n);과 풍속센서(170a 내지 170n);와 DB(130);와 입출력부(140); 및 경고부(150)로 구성되며, 상기 중앙제어부(110)는 차량수 계산모듈(121), 풍속계산모듈(123), 풍속제어모듈(125) 및 환기시 운전모듈(127)로써 구성되는 터널 내 화재시 환기 제어 시스템을 제공한다.

화재, 환기, 터널, 알고리즘, 평가

Description

터널 내 화재시 환기 제어 평가시스템{Estimating System for Ventilation Control on Fire in a Tunnel}

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 시스템 블록도이다.

도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 풍속제어 알고리즘을 도시한 것이다.

도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 풍속제어 시스템 플로우를 도시한 것이다.

<도면의 주요부호에 대한 설명>

100a 내지 100n : 화재감지부 110 : 중앙제어부

121 : 차량수 계산모듈 123 : 풍속계산모듈

125 : 풍속제어모듈 127 : 환기시 운전모듈

130 : DB 140 : 입출력부

150 : 경고부 160a 내지 160n : 제트팬

본 고안은 화재시 환기 제어시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는 터널 내 화재시 터널 내의 제연계획에 따른 환기설비의 제어시스템에 관한 것이다.

통상적으로 터널연장이 1000 m 이상인 터널에 대해서는 터널 내 차량화재에 대비한 제연용 환기기의 설치를 의무화하고 있으며, 이에 따라 1000m 이상의 터널에 대해서는 일반적으로 터널의 환기 설비를 화재시 제연을 위한 제연설비로 겸용하거나 필요에 따라 환기시설의 용량이 부족한 경우에는 제연을 위한 환기 설비를 부가하여 설치하고 있다.

터널의 비상 환기 시스템은 터널 내 화재시 열기류와 연기의 흐름 방향을 제어하고 연기배출하는 것을 목적으로 하고 있으며, 이는 기본적으로 첫째로는 백래이어링을 방지하기 위한 종방향 기류를 생성함으로써 화재 초기 대피의 확보, 둘째로는 신선공기를 공급하여 화재로부터의 탈출로를 격리하여 안전을 확보하는데 그 목적이 있다 하겠다. 따라서 화재 발생단계 및 이에 따른 환기팬 제어에 있어서는 다음의 각 단계에 따른 사항을 기본적으로 고려하여야 한다. 즉, 제 1단계(Ignition phase)에서는 화재발생 감지 및 이에 따른 환기기 화재모드의 가동을 고려하고, 제 2단계(Evacuation phase 1)에서는 화재 발생시 구조대가 도착하기 전 자지구조단계(Sey rescue)로 대피자 스스로가 판단하여 안전을 확보하기 위한 단계 로 대피활동을 원활하게 하기 위하여 연기의 성층화를 유지하여 횡단면 내에서의 연기의 교란을 방지하며 종방향의 흐름을 유지 및 제어하는 것을 고려하며, 제 3단계(Evacuation phase 2)에서는 구조대 및 소방관계자에 의한 대피와 구조가 이루어지는 것을 고려하고, 제 4단계(Fire fighting)에서는 대피가 완료된 단계로 소화, 구급활동을 위한 연기배출을 주로 하는 연기제어, 환기팬은 소화와 구급활동을 위해서 종방향으로 흐름을 유지하는 경우에는 최대 용량으로 가동하는 것을 고려하여야 한다.

한편, 화재가 발생한 경우에는 연기의 역류 현상을 제압할 수 있도록 임계풍속을 유지하며 피난과 소화활동을 원활히 할 수 있도록 하여야 한다. 그러나 종래의 제연설비의 경우 교통의 통행방식, 환기방식, 화재규모, 화재의 발생위치 등의 다양한 인자를 고려함이 없이 제연설비의 일괄적인 운영을 규정함으로써 자칫하면 대형사고를 부추기는 결과를 초래할 수 있다는 문제가 제기되어 왔다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 고속도로에 적용되고 있는 종류식 환기방식의 터널에서는 화재 초기에는 인명의 대피로를 확보하기 위해 기류의 성층화를 유지하면서 열기류 및 연기가 역류하는 현상을 방지하기 위한 임계속도를 확보하기 위한 수단을 제공한다.

또한, 터널 내 화재발생은 일정한 조건이 없기 때문에 발생조건을 예측하는 것이 거의 불가능하기 때문에 화재 발생 시나리오를 설정하여 그에 따른 시뮬레이션 및 분석이 요구되므로 본 고안에서는 화재시 터널 내 임계풍속을 유지하기 위한 환기운전 제어시스템을 제공한다.

이하 본 고안에 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 고안의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 고안의 실시예에 따른 시스템 블록도이다. 도시된 바와 같이 본 고안은 중앙제어부(110);와 이에 연동되는 화재감지부(100a 내지 100n);와 제트팬(160a 내지 160n);과 풍속센서(170a 내지 170n);와 DB(130);와 입출력부(140); 및 경고부(150)로 구성되며, 상기 중앙제어부(110)는 차량수 계산모듈(121), 풍속계산모듈(123), 풍속제어모듈(125) 및 환기시 운전모듈(127)로써 구성된다.

상기 중앙제어부(110)를 구성하는 상기 차량수계산모듈(121)은 터널을 4개의 구간으로 구분하여 교통량을 구하되, 각 구간은 화재지점 상류로써 차량정지구간, 속도를 감속하는 구간과 화재지점 하류로써 차량이 없는 구간과 정상운전구간으로 구분하여 주어진 시간에서 차량수를 산출하며, 상기 풍속계산모듈(123)은 교통류에 대한 입력값(터널 내 정지된 차량수 및 정상운행 차량수와 주행속도)과 제트팬 가동상태를 고려하여 터널 내의 풍속을 계산하며, 상기 풍속제어모듈(125)은 현재의 터널 내 풍속 및 제어주기 동안의 풍속변화량을 제어입력으로 하여 목표풍속을 유지하기 위한 퍼지추론을 하고 제트팬 운전단계를 산출하며, 상기 환기기 운전모듈(127)은 환기기 운전단계를 설정한 운전단계 설정표에 의해 환기기 운전을 수행한다.

또한, 상기 화재감지부(100a 내지 100n)는 터널 내의 화재발생시 그에 따른 검출신호를 상기 중앙제어부에 송신하며, 상기 제트팬(160a 내지 160n)은 상기 중앙제어부(110)의 제어신호에 부응하여 터널 내의 환기 및 화재시 적정풍속을 유지하기 위한 작동을 하며, 상기 입출력부(140)는 감시자의 적절한 개입을 위하여 제어 입력조건을 입력하거나 표시하는 기능을 수행한다. 한편, 상기 DB(130)는 상기 중앙제어부의 자동에 필요한 운전단계 설정표 그 밖의 제어수치의 연산에 요구되는 자료를 저장함은 물론 필요에 따라 일단위 또는 주단위 등과 같이 화재발생 이력이나 교통량의 산출결과 등을 저장할 수 있으며, 상기 경고부(150)는 상기 화재감지부(100a 내지 100n)로부터 화재발생에 따른 검출신호를 상기 중앙제어부(110)가 수신함과 동시에 관리자 그 밖의 터널 내의 차량운전자 등에게 음향, 경광 그 밖의 필요에 따라 적절한 경고신호를 발생시키는 역할을 수행한다.

한편, 상기 풍속센서(170a 내지 170n)는 상기 중앙제어부(110)의 제어에 따라 상기 제트팬(160a 내지 160n)의 가동결과 복표로 하는 풍속을 유지하는가의 여 부를 측정하여 상기 중앙제어부에 검출신호를 피드백한다.

도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 풍속제어 알고리즘을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 화재발생상황(S200)에 이르면 화재감지부에 의해 이를 감지하고 중앙제어부에서 상기 화재발생에 따른 신호를 검출하여 기설정된 기본 화재모드에 의한 제트팬의 운전단계(S210a)를 개시하거나 관리자에 의한 제트팬의 운전단계(S210b)을 개시한다. 일단 초기적 대응으로서의 상기 운전이 개시된 직후 관리자는 화재위치, 화재차량종류에 따른 제트팬 운전모드를 선정하여 입력하여 제트팬 자동운전모드전환단계(S220)을 수행하고, 이에 따라 터널 내의 화재상황에 따른 적정풍속을 임계풍속계산모듈에 의한 계산단계(S230)에 의해 산출하여 제연을 위한 제연목표풍속을 설정(S240)하고, 상기 설정값에 따라 풍속제어모듈(S260)에 의해 풍속을 제어한다. 한편, 상기 풍속제어는 풍속센서에 의해 풍속변동값을 측정하는 단계(S250)에 의해 측정된 변동값을 피드백한다. 상기한 풍속제어모듈에서의 제어신호에 따라 제트팬운전출력을 결정하여 제트팬을 운전하는 단계(S270)로 이행된다.

도 3은 본 고안의 일실시예에 따른 풍속제어 시스템 플로우를 도시한 것이다. 도시된 바에 따라 상기에서 설명한 화재 발생시 터널 내의 제연을 위한 적정풍속을 유지시키기 위한 제어플로우는 터널제원 및 화재상황 입력(S300)에 따라 터널 내 차량수 계산모듈에서의 계산단계(S310)을 거쳐 터널 내 풍속 계산모듈에서의 터널 내 풍속 계산단계(S320)를 이행하고, 그에 따라 풍속 제어로직에 의해 풍속의 제어단계(S330)를 거쳐 환기기 운전단계(S340)를 설정하는 순서로 이루어진다. 이하에서 각 단계별로 구체적으로 상술하면 다음과 같다.

상기 터널제원 및 화재상황 입력단계(S300)에서는 터널연장, 단면적 구배, 차종별 구성비는 물론 화재위치 및 화재차량을 구분하여 입력하되 이는 전술한 바와 같이 화재 발생에 따라 기본화재모드에 따른 제트팬 운전모드의 이행 후 또는 관리자에 의한 제트팬 운전의 이행 후 관리자에 의한 제트팬 자동운전모드를 선정한 경우에 입력된다.

상기 터널 내 차량수 계산단계(S310)에서는 화재 발생위치에 따른 터널 내의 차량수를 계산하는데, 이는 다음의 식에 의해 계산된다.

정체지점의 전파속도(speed of shock wave; Uw)는 하기식으로 구한다.

여기서, q1 : 정체지점의 시간교통량(traffic flow rate), q2 : 도착 시간 교통량(pc/h), D0: 정체저점의 교통밀도(150 pc/㎞), D1 : 도착교통류의 교통밀도이다.

한편, 상기 터널 내 풍속 계산단계(S320)에서는 화재발생상황에 따른 임계풍속을 유지하기 위한 제연풍속을 산출하는데 제연풍속은 화재초기에는 기류의 성층화를 유지하면서 열기류 및 연기의 역류를 억제하기 위한 임계속도의 유지가 가장 중요한 요소이다. 그러나 임계풍속은 화재강도나 터널구배에 영향을 받으므로 터널마다 또한 화재강도마다 다르게 작용되어야 하므로 화재 전에 이에 대한 판단을 수행하고 일정한 값으로 설정치를 정해준다는 것은 불가능하며, 임계풍속에 가장 큼 영향을 미치는 인자는 터널구배와 화재강도인바 임계풍속은 다음의 식에 의해 구해진다.

또한, 상기 풍속계산단계(S320)에서의 풍속의 계산은 제트팬 승압력과 송기 노즐 승압력 및 급배기덕트 승압력을 고려한 환기기승압력(S321)과 벽면마찰손실, 터널입출구 유동손실 및 자연풍 환기저항을 고려한 환기저항(S322)에 의한 압력평형식을 기초로 이루어진다.

한편, 상기 풍속제어 로직단계(S330)에서는 퍼지로직에 의한 퍼지추론단계(S331) 및 퍼지출력단계(S332)를 거쳐 비퍼지화 단계(S333)를 통해 환기기 운전단계로 이행되며, 이에 따라 환기기 운전단계(S340)가 개시된다. 환기기 운전단계에서는 기입력된 환기기 운전단계 설정 테이블에 의한 환기기 운전을 행한다.

터널 내에서 화재가 발생하여 제연을 위한 풍속제어를 한다는 것은 터널제원은 결정되어 있기 때문에 임계풍속은 화재의 크기에 따라 달라지게 된다는 것을 의미한다. 그러나 화재의 크기는 승용차에서 화재가 발생하는 경우에서부터 대형 탱크로리에서 화재가 발생하는 상황까지 그 범위가 다양하기 때문에 임계풍속을 예측한 완전 자동제어는 불가능한 실정이다. 따라서 화재시 제트팬의 운전은 터널운영자가 화재상황을 판단하여 입력할 수 있는 다수의 제연모드를 설정하여 화재상황에 따른 제트팬의 운전을 계획할 필요성이 있다.

환기를 위한 제트팬의 운전에 있어서, 평상시의 터널 내 풍속은 환기를 위해 4-6m/s 정도로 임계풍속을 초과한다는 점을 고려하여, 임계풍속을 유지하기 위해 제트팬의 운전모드는 다음의 세 경우로 생각할 수 있다.

첫째, 임계풍속에 대한 제어를 수행함이 없이 제트팬을 운전하는 경우,

둘째, 환기기의 운전을 일시 정지한 후 재운전을 하여 임계풍속을 확보 유지 하는 경우,

셋째, 규정 임계풍속에 도달하는 시간을 단축하기 위해 적극적으로 풍속제어를 수행하는 경우인데, 이는 화재 직전의 풍속이 임계풍속을 초과하므로 임계풍속 유지를 위해 제트팬의 역방향 운전을 고려하는 경우이다.

또한, 제트팬의 운전에 있어서 가압운전이나 기류의 교란방지를 위해서 화재지점에서 가능한 먼 지점에 있는 팬의 운전과 압입운전 및 흡입운전을 고려할 필요가 있다. 상기한 압입운전이란 화재 상류지역에 위치한 제트팬을 가동하는 경우로 화재에 의한 열기류에 제트팬이 노출되지 않으므로 열에 의한 손상이 적은 장점은 있으나 화점의 위치는 양압이 될 가능성이 크며, 그 결과 피난연락갱에 연기가 유입될 우려가 있으므로 상대터널에서의 가압운전이 요구된다. 한편, 상기한 흡입운전이란 화재 지점의 하류의 제트팬을 가동시키는 경우로 화재 부근 기류의 성층화를 교란할 우려가 없으며 터널 내의 압력을 부압으로 유지할 수 있는 가능성이 크다. 그러나 제트팬이 열기류에 노출되므로 제트팬의 내열성이 문제될 수 있다.

또한, 가압운전모드에 의한 운전을 고려할 수 있다. 가압운전의 목적은 화재 발생지점 하류의 압력을 상대터널의 압력보다 낮게 유지하므로 화재터널의 연기가 피난연락갱을 통해서 상대터널로 유입하는 것을 방지하는 운전으로 다음과 같은 제트팬의 운전에 의해 그 목적을 달성할 수 있다.

<상대터널의 제트팬 운전에 의한 방법>

이에 의할 경우 상대터널의 제트팬이 입출구에 분산배치된 경우에는 입출구 제트팬을 대면으로 운전하여 터널 전체를 가압하거나 상대터널이 입구 또는 출구에 편중된 경우에는 압입운전이 될 수 있도록 운전하는데, 이는 입구에 제트팬이 편중된 경우라면 압입운전이 될 수 있도록 팬을 운전하고 출구에 편중된 경우에는 역방향 운전을 수행해 터널 내부가 가압될 수 있도록 운전함을 의미한다.

<화재터널의 제트팬 운전에 의한 방법>

이에 의할 경우 흡입운전을 통해 화재터널을 부압으로 유지할 수 있도록 운전한다.

한편, 풍속제어는 터널 내의 교통류 상황에 의해서 크게 달라질 수 있으므로 이를 고려한 환기기 운전이 필요하다. 이는 정상주행시와 정체시를 구분하여 계획할 필요가 있는데 다음과 같다.

<정상주행시>

이 경우 터널화재시 화재 하류에 위치한 대피자는 차량의 주행속도가 터널 내의 기류의 속도보다 빠르므로 차량을 운행하여 터널을 탈출하는 것이 가능하며, 화재 후방에 정체된 차량의 탑승자는 차량에서 하차 후 가까운 피난 연락갱이나 터널 입구로 탈출하는 것을 원칙으로 한다. 따라서 화재 전방의 차량은 화염의 전파속도보다 빠르게 차량을 이용해 터널을 탈출할 수 있으므로 화재 후방에 위치한 대피자의 대피를 위해 임계풍속을 유지함을 원칙으로 하며, 피난연락갱을 통해서 연 기가 상대터널(대피방향)로 이동하는 것을 방지하는 가압운전모드로 전환하여 제트팬을 운전할 필요성이 크다.

<정체 주행시>

이 경우 차량의 운행속도가 5km 이하로 빠른 보행속도에도 미치지 못하는 상황이므로 터널의 풍속이 차량의 운행속도를 능가할 수 있다. 따라서 화점에서의 연기나 유독가스가 차량을 추월하여 승객을 덮칠 수 있으므로 화재전방에 위치한 승객은 차량에서 탈출해 가까운 피난연락갱이나 터널출구로 탈출하도록 유도하되, 연기의 확산을 최소화하기 위해 터널 내의 풍속은 0m/s가 되도록 제어할 필요가 있다. 이를 위해 환기기의 역가동이 필요한 경우에는 화재 지점에서 먼 곳의 제트팬을 가동함으로써 연기의 성층화를 유지할 필요가 있다.

상기에서 상술한 바와 같이 본 고안의 경우 터널 내 상황에 가장 적합한 제트팬의 운전모드를 채택하기 위해 화재발생을 감지한 단계에서부터 기본 화재모드 또는 관리자에 의한 제트팬의 운전모드를 설정하여 운전하되, 그 직후 파악되는 화재 상황에 따라 임계풍속을 산출하고 이에 따른 제트팬의 운전모드를 설정함으로써 터널 내의 화재시 최적의 대응을 가능케 할 수 있다.

본 고안에 따를 경우 다양한 인자에 의해 영향을 받는 터널 내의 화재에 대 해, 최적의 제트팬 운전모드에 의한 제연작업을 도모할 수 있는바, 화재에 따른 대형사고를 방지할 수 있다.

또한, 전단계에 설정된 화재시 제트팬 운전모드에 따라 각 화재의 유형이나 교통류를 고려한 제트팬 운전모드를 제공함으로써 그 대응에 신속을 기할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

터널 내의 제연을 위한 시스템에 있어서,

중앙제어부(110);와 이에 연동되는 화재감지부(100a 내지 100n);와 제트팬(160a 내지 160n);과 풍속센서(170a 내지 170n);와 DB(130);와 입출력부(140); 및 경고부(150)로 구성되며, 상기 중앙제어부(110)는 차량수 계산모듈(121), 풍속계산모듈(123), 풍속제어모듈(125) 및 환기시 운전모듈(127)로써 구성됨을 특징으로 하는 터널 내 화재시 환기 제어 평가 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 차량수계산모듈(121)은 터널을 4개의 구간으로 구분하여 교통량을 구하되, 각 구간은 화재지점 상류로써 차량정지구간, 속도를 감속하는 구간과 화재지점 하류로써 차량이 없는 구간과 정상운전구간으로 구분하여 주어진 시간에서 차량수를 산출함을 특징으로 하는 터널 내 화재시 환기 제어 평가 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 풍속계산모듈(123)은 교통류에 대한 입력값(터널 내 정지된 차량수 및 정상운행 차량수와 주행속도)과 제트팬 가동상태를 고려하여 터널 내의 풍속을 계 산하되, 정체지점의 전파속도(speed of shock wave; Uw)는

(여기서, q1 : 정체지점의 시간교통량(traffic flow rate), q2 : 도착 시간 교통량(pc/h), D0: 정체저점의 교통밀도(150 pc/㎞), D1 : 도착교통류의 교통밀도) 식에 의해 구해짐을 특징으로 하는 터널 내 화재시 환기 제어 평가 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 풍속제어모듈(125)은 현재의 터널 내 풍속 및 제어주기 동안의 풍속변화량을 제어입력으로 하여 목표풍속을 유지하기 위한 퍼지추론을 하고 제트팬 운전단계를 산출함을 특징으로 하는 터널 내 화재시 환기 제어 평가 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 환기기 운전모듈(127)은 환기기 운전단계를 설정한 운전단계 설정표에 의해 환기기 운전을 수행함을 특징으로 하는 터널 내 화재시 환기 제어 평가 시스템.