기호 및 약어 설명
1. 서 론
2. 연구범위 및 해석모델 설계
2.1 연구범위
2.2 시뮬레이션 프로그램
2.3 해석 모델 설계
2.4 입력값 설정
3. 분석 결과
3.1 기본 모델 분석결과
3.2 방화구조 모델 분석결과
4. 결 론
기호 및 약어 설명
G/B : Glass to backsheet
T : Thermocouple
Ext. : External
Int. : Internal
HRRPUA : Heat release rate per unit area
THK : Thickness
1. 서 론
국제사회는 기후변화 문제의 심각성을 인지하고, 지구의 평균 온도 상승을 1.5℃로 억제하기 위해 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)가 제시한 경로1)에 따라 2050년까지 탄소중립 달성을 목표로 다양한 노력을 펼치고 있다. 국내의 경우 2050 탄소중립 시나리오를 수립하여 부문별 온실가스 저감 방법론을 제시하고 있으며, 이 중 건물 부문의 온실가스 저감 방법론으로 제로에너지건축물을 채택하였다. 제로에너지건축물이란 건물의 에너지 소비량과 생산량이 동일한 건물을 의미하며, 이를 위해 고효율 설비를 사용하여 에너지 부하를 줄이고 신재생 에너지 발전 설비를 통해 에너지를 생산한다. 이때 신재생 에너지 발전 설비로서 주로 태양광 시스템이 사용되고 있으며, 건물에 적용 시 옥상, 창호, 입면, 지붕 등 설치 형태 및 장소가 다양화되고 있는 추세이다. 특히, 건물의 입면 등에 건물일체형태양광(BIPV, Building Integrated Photovoltaic)시스템이 설치되는 경우 BIPV 시스템은 발전뿐만 아닌 건물의 외장재 역할도 함께 수행해야 하므로 건물 외장재로서의 성능기준을 충족해야한다. 그러나, 건축법 개정에 따라 BIPV 시스템의 화재 안전 성능에 대한 신뢰성 문제가 대두되고 있다. 건축법에 따르면, 둘 이상의 재료로 제작된 외벽 마감재료인 외벽 복합 마감재료는 KS F 84142)에 따라 시험되어야 하며 시험결과가 건축법 하위규정에 고시된 특정 기준을 만족해야 하나, 해당 기준을 만족하는 시험 사례가 전무하며 관련 연구가 부족한 실정이다.
특히 PV는 태양전지 소재 특성 상 모듈의 온도가 상승함에 따라 발전효율이 감소되며, 이에 BIPV 클래딩(Cladding)1 시스템으로서 설치될 때에는 후면 환기가 원활하게 이루어지도록 모듈 후면에 중공층을 설계한다. 그러나 이러한 중공층은 건물에서 화재가 발생하는 경우에 굴뚝효과를 유발하여 화재 확산의 통로로서 이용되며, 화재 확산을 가속화시킬 수 있는 위험성을 내재하고 있어3) 화재 확산 성능평가에 취약한 원인으로 작용한다. 이에, 화재 확산 방지구조에 대한 고려가 필요하나, 중공층에 화재 확산 방지 재료2를 채우는 등 기존의 물리적인 화재 확산 방지구조를 적용할 경우 후면 통풍이 제한되어 모듈 온도가 상승하고 발전성능이 저하되는 문제점이 발생하므로, 평소 발전 시에는 중공층을 통한 원활한 환기가 가능하고 화재 발생 시에는 화재 확산을 방지할 수 있는 새로운 구조 설계안이 필요하다.
BIPV 클래딩 시스템 화재와 관련된 기존의 연구를 살펴보면, Jung et al. (2024)4)은 시뮬레이션을 통해 BIPV 시스템이 설치된 건물의 화재 위험성을 분석하였으며, BIPV 적용에 따라 열 및 연기방출 양이 증가된다고 분석하였다. 또한 외장재 화재의 수직확산은 실내 화재와 다르게 성장속도가 매우 빠르며 진압방법이 정형화되지 않아 심각한 화재 위험성을 가지므로 BIPV 태양광 패널 전용 스프링클러 시스템의 연구 개발이 필요하다고 주장하였다. 또한 Lei et al. (2018)5)과 Stølen et al. (2024)6)는 BIPV 시스템의 화재 확산 평가를 위해 외벽 화재 테스트를 수행하였으며, 시스템 단위로서의 시험에 대한 중요성을 주장하였다. 이러한 기존 연구들은 BIPV 클래딩 시스템의 화재 특성을 분석하고 있으나, 건축법 기준에 대한 적합성을 평가하지는 않고 있다. 또한 중공층을 통한 수직 화염 전파의 위험성을 지적하고 있으나, 이에 대한 구체적인 개선방안을 제시하지 않았다는 한계가 있다.
본 연구에서는 BIPV 모듈 후면 중공층을 통해 원활한 환기가 가능하면서도, 화재 발생 시에는 화재 확산을 방지할 수 있는 구조 설계안을 제안하였으며, 해당 설계안의 화재 확산 성능을 평가하기 위해 외벽 복합 마감재료의 시험기준인 KS F 8414에 따라 시뮬레이션 기반 수치해석을 수행하였다. 나아가, 이를 기존의 일반적인 BIPV 클래딩 시스템의 화재 확산 성능 분석 결과와 비교·분석함으로써 설계안의 유효성을 정량적으로 검토하였으며, 이를 통해 BIPV 클래딩 시스템의 화재 확산 성능을 개선하는 것을 목표로 하였다.
2. 연구범위 및 해석모델 설계
2.1 연구범위
‘건축자재등 품질인정 및 관리기준7)’ 에 따르면, 둘 이상의 재료로 제작된 외벽 마감재료를 ‘외벽 복합 마감재료’로 정의하고 있으며, 전체 구성을 하나로 보아 KS F 8414에 따라 시험하여 그 화재 확산 성능을 평가받도록 규정되어있다.
KS F 8414 표준은 서로 직각을 이루는 주벽과 측벽에 외벽 마감재료를 설치 후 연소실 개구부 상단으로부터 각각 높이 2,500 mm (Level 1), 5,000 mm (Level 2) 위치에 내부 및 외부 열전대를 설치하여 온도를 측정하도록 되어있다. 이때 외부 열전대는 시험체 마감면 앞 50 mm에 위치해야 하며, 내부 열전대는 외부 마감 시스템의 각 층(Layer) 중 두께 10 mm 이상 재료의 중간 깊이와 시험체 내 중공층의 중간 깊이에 위치하여야 한다. 주벽의 내부 및 외부 열전대는 각 레벨 위치에서 수평 방향으로 5개 설치되며, 측벽의 내부 및 외부 열전대는 수평방향으로 각 3개씩 설치되어야 한다. 또한, 본 시험은 소나무 목재 크립 더미를 열원으로 하여 개구부를 통해 확산되는 화재 상황을 모사한다.
또한 건축자재등 품질인정 및 관리기준에는 위와 같이 시험한 결과, 측정된 ‘시험체 온도가 시작 시간을 기준으로 15분 이내에 Level 2 (시험체 개구부 상부로부터 위로 5 m 떨어진 위치)의 어느 한 지점에서 30초 동안 (시작온도+600)℃를 초과하지 않아야’ 한다고 명시되어 있다.
현재 법적 기준 상 화재 확산 성능 평가대상에 BIPV 클래딩 시스템이 포함되지는 않고 있으나, BIPV 클래딩 시스템은 둘 이상의 재료로 구성되며, 외벽 마감 재료로 사용되고 있으므로 향후 ‘외벽 복합 마감 재료’로서 화재 확산 성능 평가대상에 포함될 가능성이 크다. 이에, 본 연구에서는 BIPV 클래딩 시스템의 화재 확산 성능 평가를 위해 KS F 8414를 기준으로 모델을 구축하였으며, 건축법상 외벽 복합 마감 재료의 화재 확산 성능 평가 기준을 적용하여 각 모델의 성능을 평가하였다.
2.2 시뮬레이션 프로그램
앞서 서술한 바와 같이 본 시험의 합격 기준은 온도를 기준으로 판단되므로, 사용자가 지정한 위치에 열전대를 삽입하여 해당 지점의 온도를 분석할 수 있는 Thunder Engineering 사의 PyroSim8) 프로그램을 이용하였다. PyroSim은 미국 국립표준기술연구소(NIST, National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 화재 시뮬레이션 프로그램인 FDS (Fire Dynamic Simulator)를 기반으로 만들어진 화재 시뮬레이션 프로그램이다. FDS는 건축물 화재 해석 분야에서 가장 많이 사용되고 있으며, 유동해석을 통해 화재의 양상과 연기 발생 등을 분석하고, 이를 기반으로 피난예측, 화재 진압 등에 대한 분석이 가능한 프로그램이다.
2.3 해석 모델 설계
해석 모델은 외단열 벽체에 PV 모듈이 마감재로서 적용된 BIPV 클래딩 시스템을 대상으로 모델링 하였으며, 기존의 일반적인 구조 모델(이하 기본 모델)과 기존 구조에 화재 확산 방지구조를 적용한 모델(이하 방화구조 모델)로 나누어 각각 모델링 하였다. 이때 벽체의 상세 구성은 Fig. 1과 같이 글라스울 단열재를 적용한 외단열 벽체에 깊이 100 mm의 중공층을 두고 G/B PV 모듈이 외장재로서 설치된 형태이다. 또한 상부의 마감은 레인스크린 형태에 일반적으로 적용되는 비막이로 마감하여, 중공층 내 대류현상으로 상승되는 공기가 외부로 배출되면서도, 비나 눈이 중공층으로 유입되는 것을 방지하였다.
방화구조 모델은 기본 모델의 PV 모듈 후면 중공층에 글라스울과 방화댐퍼를 배치하는 것으로 설정하여 평소 발전 시에는 댐퍼가 열려 중공층을 통한 원활한 환기가 가능하고, 화재 발생 시에는 댐퍼가 닫혀 화재 확산을 방지할 수 있도록 설계하였다. 이때 글라스울과 방화댐퍼로 구성된 방화 구조체는 시험체 최하단부에서 높이 3,000 mm마다 적용하여 중공층을 밀실하게 채울 수 있도록 하였으며, 방화 구조체 자체의 높이는 400 mm로 설계되었다(Fig. 2).
또한 각 모델의 모델링 모습은 Fig. 3와 같으며, 각 모델의 온도 분석을 위해 열전대를 생성하여 모델링하였다. 각 열전대의 위치별 번호는 Fig. 4와 같이 Level 1 높이의 주벽 외부 T1 ~ T5, 측벽 외부 T1 ~ T3과 Level 2 높이의 주벽 외부 및 내부 T1 ~ T5, 측벽 외부 및 내부 T1 ~ T3으로 구분하였다.
2.4 입력값 설정
수치해석을 위해 각 구성재의 물리적 성능과 열특성 그리고 연소특성 등의 물성치가 정의되어야 하며, 연소 환경조건이 정의되어야한다. 본 모델링 구성재 중 화재특성, 특히 측정온도에 영향을 미치는 구성재는 크게 열원인 나무 크립, PV 모듈, 단열재, 방화댐퍼로 구분되며, 해당 구성재의 열특성은 Table 1에 나타내었다. 이때 PV 모듈은 유리, Cell, EVA (Ethylene Vinyl Acetate)시트, 백시트 등의 여러 구성재가 적층된 구조임을 반영하여 각 재료의 열특성을 각각 입력한 후 각 구성재의 질량 비율을 입력하여 모델링 하였으며, 구성재 중 벽체 외단열재는 48K 글라스울 단열재를 기준으로 모델링 하였다. 방화댐퍼는 주로 철판으로 제작되므로 Drysdale (2011)9)에 나타난 Steel의 열특성을 입력하였다. 또한 각 재료의 연소특성인 열방출률(HRR, Heat Release Rate)과 Ramp-up 등의 데이터는 각 재료의 콘칼로리미터 시험을 진행한 선행연구의 결괏값을 참고하여 입력하였으며, PV 모듈은 Jung et al. (2024)4), 열원인 나무크립은 Tran et al. (1992)10), 단열재인 48 K 글라스울은 Park et al. (2009)11)의 연구에 나타난 결괏값을 기준으로 입력하였다. 이때 각 재료의 시간에 따른 열방출률은 각 선행연구에 나타난 결괏값을 함수로서 입력하였다. 이외의 구성재인 콘크리트 벽체와 각관, 비막이 등은 낮은 열전도율과 불연 특성으로 인해 연소에 미치는 영향이 미미한 것으로 간주하여, 연소 과정에 참여하지 않는 Inert 조건으로 설정하였다.
모델링의 경계조건은 두 모델 모두 동일하게 설정하였으며, 해석영역은 가로 3.5 m, 깊이 3.0 m, 높이 9.0 m 크기로 설정하였다. 또한 계산 영역의 경계조건은 외기온도 20℃의 개방된 표면(Open surface)조건으로 설정하였으며, 모델 해석을 위한 격자(Grid)간격은 0.2059 m × 0.2 m × 0.2 m 로 설정하였다.
Table 1.
Thermal properties of materials
| Parameter |
Density [kg/m3] |
Specific heat [kJ/kg·K] |
Conductivity [W/m·K] |
Mass fraction [-] |
HRRPUA [kW/m2] | |
| PV module4) | Glass | 2,520.0 | 0.72 | 1.1 | 0.789 | 363.6 |
| EVA sheet | 35.0 | 1.40 | 0.34 | 0.119 | ||
| Solar cell | 2,300.0 | 0.70 | 150 | 0.047 | ||
| Back sheet | 1,970.0 | 1.12 | 0.12 | 0.045 | ||
| Wood crib10) | 468.0 | 1.40 | 0.15 | 1.0 | 175.0 | |
| Insulation11) | 48.0 | 1.03 | 0.034 | 1.0 | 13.35 | |
| Fire damper9) | 7850.0 | 0.46 | 45.8 | 1.0 | - | |
3. 분석 결과
3.1 기본 모델 분석결과
시험 표준에 정의된 시험 시작 시각은 Level 1 높이의 외부 열전대에 기록된 온도가 시험 시작 온도보다 200 K 이상 상승하여 30초 이상 유지된 경우 처음 200 K이 측정된 시각을 말한다. 앞서 서술한 것과 같이 본 연구에서는 20℃ 대기조건에서 화재가 시작되도록 모델링하였으므로, 각 모델의 시작 시각은 220℃ 이상의 온도가 30초 이상 유지되기 시작한 시점을 기준으로 분석하였다. 이때 기본 모델의 시험 시작 시각은 315초인 것으로 확인되었다(Fig. 5).
또한 주벽 Level 2 높이의 외부와 내부 온도분석 결과는 Fig. 6와 같다. 주벽의 외부 열전대 중 최고 온도가 측정된 T4 지점 열전대를 기준으로 분석해보면, 시험 시작 시각으로부터 204초가 경과된 시점에 620℃를 초과하였으며 이후 20초 후까지 온도가 지속적으로 상승하여 783℃를 기록하였다. 이후 온도가 다시 하강하였으며, 620℃ 이하로 하강되기까지 18초가 소요되었다. 이에, 외부 온도는 T4 지점에서 38초 동안 620℃를 초과한 것으로 분석되어 건축법 기준 불합격인 것으로 분석되었다.
주벽 내부 온도는 모든 열전대에서 620℃를 초과하였으며, 30초 이상 지속 되어 건축법 기준 불합격인 것으로 분석되었다. 이 중 최고 온도를 기록한 T3 열전대의 온도를 기준으로 분석해보면, 지속적으로 온도가 상승하여 시험 시작 시각으로부터 236초가 경과된 시점에 620℃를 초과하였으며, 이후 75초 동안 온도가 더욱 상승하여 시험 시작 311초 후에 최대 1,021℃를 기록한 후 온도가 낮아지는 양상을 보였다. 이후 620℃ 이하로 온도가 하강되기까지 29초가 소요되어 총 105초 동안 620℃ 초과의 온도가 지속된 것으로 분석되었다.
한편 측벽 Level 2 높이의 온도는 외부 온도와 내부 온도가 동일하게 나타났으며, 이는 하부에서 수직으로 화재가 확산되는 주벽과 달리 주벽으로부터 수평방향으로 화재가 확산되었기 때문으로 판단된다. 측벽 외부 열전대 중 최대 온도를 기록한 T3 열전대의 온도를 기준으로, 시험 시작 온도인 20℃부터 온도가 지속적으로 상승하여 시험 시작 시각으로부터 201초 후에 620℃를 초과하였다. 이후 상승과 하강을 반복하며 시험 시작 327초 후에 최대 온도인 813℃를 기록하며, 이후 하강하는 양상으로 분석되었다. 또한 시험 시작 후 297초가 경과된 시점에 620℃ 초과의 온도가 44초 동안 지속되는 것으로 분석되었으며, 이에 건축법 기준 불합격인 것으로 분석되었다(Fig. 7). 기본 모델의 화재 확산 과정은 Fig. 8과 같으며, 화염이 주벽면에서 수직으로 전파되는 것을 확인할 수 있으며, 시뮬레이션 시작 시간을 기준으로 700초가 경과 되었을 때 주벽 개구부 상부의 PV 모듈이 모두 연소된 것으로 확인되었다.
3.2 방화구조 모델 분석결과
방화구조 모델의 Level 1 높이의 외부 열전대 온도는 Fig. 9과 같으며, 시험 시작 시간은 238초로 확인되었다.
또한 주벽 Level 2 높이의 외부와 내부 온도분석 결과는 Fig. 10과 같다. 외부 온도는 T4 열전대에서만 620℃를 초과하는 것으로 분석되었다. T4 열전대를 기준으로, 외부온도는 20℃에서부터 시작되어 상승과 하강을 반복하다가 시험 시작 후 682초 후에 620℃를 초과하였으며, 1초 후 최대 온도인 736℃를 기록한 후 하강하였다. 이후 620℃ 이하로 온도가 낮아지기까지 3초가 소요되어 총 4초 동안 620℃ 초과의 온도가 지속된 것으로 분석되었다.
내부 온도는 모든 열전대에서 620℃를 초과하였으나, 최대 21초 동안 지속된 것으로 분석되었다. 또한 전체 열전대 중 최대온도는 766℃로 나타났으며, 이는 시험 시작 후 802초가 경과된 시점인 것으로 분석되었다.
측벽 Level 2 높이의 온도는 외부와 내부의 온도가 동일하게 나타났다. 이때, 전체 열전대 중 주벽과 가까운 T3 열전대에서 가장 높은 온도가 도출되었다. T3 열전대를 기준으로, 시험 시작 후 큰 변동 없이 온도가 유지되나, 시험 시작 후 517초가 경과된 시점에 100℃를 초과하며, 지속적으로 온도가 상승되는 것을 확인하였다. 이후 시험 시작 후 549초가 경과된 시점에 최대 온도인 411℃를 기록하였으며, 이후 하강과 상승을 반복하나 점진적으로 온도가 하강하는 것으로 분석되었다(Fig. 11). 방화구조 모델의 화재 확산 과정을 살펴보면, 방화구조로 인해 기본 모델보다 더딘 속도로 화재가 확산되는 것을 알 수 있으며, 기본 모델과 달리 주벽 개구부 상부의 일부 모듈이 연소되지 않고 남아있는 것을 확인할 수 있다(Fig. 12).
기본 모델과 방화구조 모델의 화재 양상 비교를 위해 각 모델의 주벽과 측벽의 Level 2 최대 온도와 도달 시간을 Table 2에 나타내었다. 이 중 상대적으로 온도가 높게 나타난 주벽 Level 2 온도를 기준으로 각 모델의 온도분포를 비교해보면, 외부 최대 온도는 방화구조 모델이 기본 모델보다 47℃ 낮게 나타났으며, 내부 최대 온도는 방화구조 모델이 기본 모델보다 255℃ 낮게 나타나는 것으로 확인되었다. 또한 기본 모델 대비 방화구조 모델은 최대 온도에 도달하기까지 걸린 시간에서도 큰 차이를 나타냈다. 외부 온도의 경우 방화구조 모델의 최대 온도 도달시간이 기본 모델보다 약 459초 지연된 것으로 분석되었으며, 내부 온도는 약 491초 지연된 것으로 분석되었다. 종합적으로 방화구조 모델의 외부 및 내부 온도가 상대적으로 낮고, 온도가 상승하는 데에 걸리는 시간이 길게 나타났으며, 이는 중공층에 설치된 방화 구조로 인해 중공층을 통한 화재 확산이 억제되었기 때문으로 분석된다.
Table 2.
The test results of the basic and fire-resistant model
4. 결 론
본 연구에서는 BIPV 클래딩 시스템의 화재 확산 성능 개선 및 확보를 위해, PV 모듈 후면 중공층에 화재 확산 방지구조를 적용한 설계안을 제안하였다. 또한, 건축법의 외벽 복합 마감 재료 시험 기준인 KS F 8414 표준을 기준으로 기존 BIPV 클래딩 시스템과 화재 확산 방지구조를 적용한 BIPV 클래딩 시스템을 모델링하여 화재 확산 성능을 비교·분석하였으며, 분석결과로부터 다음과 같이 요약할 수 있다.
● BIPV 클래딩 시스템은 EVA 및 백시트 등 가연성 구성재를 포함하고 있으며, 후면 중공층을 통해 화재가 확산될 우려가 있으므로 실물모형시험을 통한 화재 확산 성능 검토가 요구된다.
● 분석결과를 통해, 일반적인 BIPV 클래딩 시스템 모델은 빠른 속도로 화염이 확산되나, 화재 확산 방지 구조가 적용된 모델은 화재 확산 속도가 비교적 더디고 상부의 온도 또한 비교적 낮게 나타나는 것을 확인하였다.
● 또한 일반적인 BIPV 클래딩 시스템 모델은 30초 이상 620℃를 초과하여 건축법의 화재 확산 성능 합격 기준을 충족하지 못했으나, 화재 확산 방지 구조가 적용된 BIPV 클래딩 시스템 모델은 화재 확산 성능 합격 기준을 충족하는 것으로 확인되었다.
● 따라서, 본 연구에서 제안한 화재 확산 방지 구조 적용 BIPV 클래딩 시스템은 화재 확산 지연에 유효한 방안임을 확인하였으며, 화재 발생 시 피난시간을 확보하는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
향후, 실험을 통한 화재 확산 성능 분석연구가 요구되며 화재 확산 방지 구조가 적용된 BIPV 클래딩 시스템의 발전특성에 대한 분석연구가 필요하다.
