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Summary
Table of Contents
목차
제1장 서론 21
제1절 연구개발의 필요성 21
제2절 연구개발의 목적 22
제3절 연구개발의 범위 23
제2장 국내·외 기술개발 현황 25
제1절 국내·외 기술개발 현황 25
제2절 연구결과가 미치는 영향 29
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 32
제1절 이론적 접근방법 32
제2절 실험적 접근방법 102
제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 234
제1절 연구목표 및 평가착안점 234
제2절 기술개발 목표의 달성 239
제3절 관련분야 기술발전에의 기여 244
제5장 연구개발결과의 활용계획 246
제1절 추가연구의 필요성 246
제2절 기업화 추진 방안 247
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 248
첨부 249
〈첨부 1 : 특정소출력 무선국용 무선설비〉 249
〈첨부 2 : 전파법 시행령 제28조(전파형식의 표시 등)〉 261
〈첨부 3 : 자동소화시험장치 소프트웨어 및 동작원리〉 265
〈첨부 4 : "동경국제소방방재전 2008" 관련 사진〉 321
〈첨부 5 : ANSUL - Restaurant fire System〉 325
〈첨부 6 : FM Approvals General Presentation〉 383
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I. 제목
소방검정 성능시험기준 및 시험장치 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
분말소화약제는 주성분이 제1인산암모늄, 중탄산나트륨 또는 중탄산칼륨으로 주요 시험항목은 겉보기 비중, 미세도, 성분비, 침입도 등이며 분말소화약제의 성분비와 관련한 사고로 인해 소화기에 대한 사회적 관심 집중되고 있어 약제의 성분비를 간편하게 예측할 수 있는 방법의 필요성 대두되고 있다. 소화구의 소화능력을 측정하는 방법으로 가장 확실한 방법은 소화성능시험을 수행하고 있는데 시험자의 능력 차이 등에 따른 객관성 및 재연성에 관한 문제 및 소화성능시험 중 사고위험에 노출되는 시험자의 안전에 관한 우려가 발생할 수 있어 소화성능시험의 자동화를 통해 시험의 객관성 및 재연성을 높이고, 시험자의 안전을 보장할 필요가 있다.
또한 복잡한 인텔리전트 빌딩 형태에서는 정확한 현장 상황의 확인이 필요하며 이에 따른 설치비용을 경감할 수 있는 감지기 필요성 대두되고 있으나 국내 무선감지기에 관한 연구개발 수준은 아직 초보단계로 현재 무전기능이 부가된 단독경보형 감지기가 개발 되어있으나 국내외에 무선감지기에 대한 기술기준 및 시험방법이 없어 무선기능에 대하여 기준에 의해 성능시험을 하지 못하고 있는 상황이다. 또한 소방대상물에 기 설치되어 있는 소방설비에 대한 적응성 및 소화성능에 대한 성능 및 신뢰성에 대한 적절한 시험방법의 확보 또한 필요한 것이 현실이다. 따라서 급변하는 국제시장 환경에 능동적으로 대처하고, 소방용품에 대한 기술 토대를 마련하고 소방시장의 활성화 국민의 안전 향상 및 소방제품의 수출을 도울 수 있는 기반 연구가 절실하다.
본 과제에서 이루고자 하는 연구개발의 목적은 크게 1차년도와 2차년도에 대해 나누어 생각할 수 있으며 먼저 1차년도의 목적은 다음과 같이 크게 3가지 주요사업으로 요약할 수 있다.
첫째, 소화능력시험방법을 표준화함으로써, 시험의 객관성 및 시험자의 안전성을 높일 수 있는 방법을 강구하여 수수한 소화능력을 갖춘 소화기 생산 기반 구축
둘째, 분말소화약제의 거동 및 제조사별 분말약제의 정보를 분석하여 소화약제의 성능개선을 위한 기반 구축
셋째, 소화모형에 대하여 연소과정의 물리적 화재동역하적 관점으로 분석하여 소화성능시험방법을 혁신적으로 개선할 수 있는 이론 및 실제적 경험 축적
한편 2차년도의 목적은 크게 4가지 주요사업으로 요약할 수 있다.
첫째, 무선감지기의 내구성 및 내환경성 시험을 위한 무선성능시험장치를 개발하여 무선감지기의 성능시험 기반 구축
둘째, 무선감지기의 개발로 무선감지기에 대한 개념을 정립하여 성능시험기준을 정하는데 필요한 기반 마련
세째, 국내외 무선설비규칙 및 유사 무선기준을 조사 분석하여 국내 실정에 적합한 무선성능시험기준안 및 시험방법 마련
넷째, 기 설치된 소방시설의 성능평가를 위하여 휴대용감도시험기 및 소방시설 성능평가 시뮬레이터 개발 기반 마련
III. 연구개발의 내용 및 범위
1. 소화기 표준시험방법 및 자동 소화시험장치 개발
소화능력시험에 관련된 프로그램을 개발하고, 이를 고성능 병렬계산용 클러스터서버를 활용하여 시뮬레이션해서 다시 그래픽으로 가시화하여 확인·분석한다. 또한 열화상카메라를 활용하여 소화능력시험에서 사용되는 연소 소화모형의 온도분포 변화를 측정함으로서 계산 값의 정확도를 확인한다. 소화기의 소화능력시험을 위한 자동 소화시험장치를 개발하고, 이를 시험할 수 있는 표준화된 소화시험기준(안)을 개발한다.
2. 소화약제 거동에 관한 연구 및 소화약제 시험방법 개발
기기분석을 통하여 분말소화약제의 미시적인 특성을 파악하고, 방사거동을 측정하여 분말소화약제의 거시적인 움직임을 파악한다. 그 결과를 DB로 만들어서 분말소화약제의 방사거동을 예측하는 자료로 활용한다. 또한, 관련 시뮬레이션 프로그램을 개발함으로서 분말소화약제의 방사거동을 효과적으로 예측할 수 있도록 하고, 더 나아가 분말소화약제의 방사거동을 직접 육안으로 확인할 수 있는 투명 소화기를 개발하여 활용한다. 그 밖에도 분말소화약제의 방사거동을 측정할 수 있는 간단한 시험방법을 개발한다.
3. 무선감지기 시험방법 및 기술기준 개발
무선감지기의 구조 및 기능과 성능시험 방법에 대하여 고찰하고 그 결과를 바탕으로 무선링크의 확인, 무선기기가 갖추어야 할 최소한의 기능 및 구조에 대한 시스템 요구사항을 제안하고, 무선제품의 내구성 및 내환경성시험에 대한 적응성을 확인하기 위한 시험요소로서 전송한계값을 개발하고 무선제조업체에서 제조된 소방용 무선 제품에 대하여 간단히 설비하여 경제적이고 간편하게 무선성능시험기준의 성능시험이 가능한 무선성능시험장치를 개발한다.
4. 소방시설시스템 성능평가 기법 개발
소방대상물에 설치되어 있는 소방시설에서 검정기술기준을 분석하여 현장에서 직접 휴대하여 검정기술기준을 만족하는 시험기기로 측정할 수 있는 휴대용 감도 시험기를 개발하고 소방대상물에 구조 변경이나 기구물 배치에 따라 소화성능의 변화를 사전에 예측할 수 있는 소방시설 성능평가 시뮬레이터 개발의 기반을 마련한다.
IV. 연구개발결과
본 연구과제는 2년 과제로서 1차년과제와 2차년과제로 각각 진행되었다. 기술개발 목표의 달성을 설명하기 위하여 연도별 연구내용 및 결과를 다음과 요약하여 서술한다.
1. 1차년도 연구내용 및 결과
본 과제는 과제 제안단계에서부터 현장에서 도출된 실질적인 아이디어를 바탕으로 연구가 이루어졌기 때문에, 결과적으로 실용적인 연구 성과물들이 많이 나올 수 있었으며, 수치계산과 실험이 기술적으로나 경제적으로 시너지효과를 나타낼 수 있도록 하는 방향으로 연구개발이 추진되었다. 예를 들어, 컴퓨터 시뮬레이션 등과 같은 저비용 고효율 방식을 연구개발에 효과적으로 접목시킴에 따라 관련 예산을 현저히 줄일 수 있었다. 특히, 본 연구에 고성능계산용 서버의 투입은 물론이고, 열화상카메라나 투명소화기 등과 같은 보조수단을 적절히 이용하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 현저히 높일 수 있었다.
프로그램이 가능한 마이크로칩을 내장한 소화기 이동장치 및 분사장치로 구성된 자동 소화시험장치의 개발이 이루어졌다. 이 장치는 평가기준을 만족하도록 설계, 제작됐으며, 현재 특허출원을 준비하고 있다. 기존의 소화시험방법을 분석하여, 시나리오 및 표준소화시험방법을 개발하였다. 자동 소화시험장치에 적합하도록 화원을 단순회전하면서 소화기를 방사하는 표준소화시험방법을 개발하여 실험에 적용하고 있다.
2. 2차년도 연구내용 및 결과
본 과제는 국내의 IT산업의 발전에 따라 소방대상물에 무선시스템이 도입되어 경제적이고 효과적인 화재감시를 달성하고자 하는 사회적인 니즈가 반영된 것으로 실질적인 실험을 통하여 무선제품에 대한 문제점을 파악하면서 연구가 이루어져 무선감지 시스템에 관한 자료조사 및 성능시험장치, 무선감지기시스템 및 휴대용 표준감도시험기를 개발하는 등 결과적으로 실용적이고 현실적인 연구성과물이 많이 나올 수 있었다.
무선감지기의 특성 등 성능을 측정하는 시험장비로서 전파무반사실(7m×4m×3m Anechoic 실험룸)에서의 실험결과를 예측할 수 있는 간이형 전파무반사(Anechoic) 시험장비인 무선성능시험장치를 개발하였다. 이는 Ambient noise가 없는 전자파 차폐실에서 무선감지기의 무선감도 성능 측정 시험시 시험의 재현성을 높이는 것이 주목적으로 콘크리트 벽체 등의 장애물의 전파투과도(전파감쇠량)를 측정하는데도 사용하여 제조업체에서 기기를 설치하는 경우 활용 가능한 DB를 구축하였다. 무선성능시험장치는 안전시스템용 특정소출력무선기기의 사용영역인 447MHz와 무선데이터 전송용으로 가장 많이 사용하고 있는 2.4GHz의 주파수 영역에서 실험하였으며 이때 성능시험장치에 사용한 흡수체는 각 주파수 영역에서 반사손실이 약 -15dB 이하 정도의 비슷한 손실을 보이는 재료를 선택하여 설치하였으며, 실험장치의 크기는 시험할 송수신기의 장치의 크기를 고려하고 사용주파수의 파장을 고려하여 내부를 1m × 1m × 1m로 하였으며, 크기 300cm × 200cm 이내의 송수신장치를 측정할 수 있도록 하였다.
주요구성으로서는 간섭환경에 대한 외란을 무시할 수 있는 케이블 시그널 전송상태에서 실험의 재연성을 높이기 위한 장치로서 챔버간 안테나 및 케이블을 통하여 송수신기의 무선감도를 측정하고, 또한 내구성 및 내환경성 등의 시험을 실시한 후 처음에 측정된 무선감도와 비교하여 감도의 변화를 측정할 수 있는 장치로 시험 챔버, 보조 터널, 장치 받침대, 전원 공급 장치, Connector panel, 안테나 지그 단자, 시료 거치대, 관통관, 전파 흡수체로 구성된다.
성능시험기준의 검증을 위하여 무선감지기가 갖추어야 할 기본적인 기능인 램프 혹은 부저를 통한 알람기능과 전원으로 배터리를 사용하는 기존의 단독경보형감지기를 사용하였으며 이 단독경보형감지기는 연기감지기로서 광전식 2종, 보통형, 10초의 공칭축적시간을 가진다. 또한 9V 배터리를 사용하며 70dB 이상의 부저 음량을 가지고 있다. 이 단독경보형감지기에 2.4GHz 대역 및 447MHz 대역을 사용하는 통신 모듈을 인터페이스로 결합하여 경보의 연동기능, 화재감지 위치 확인 및 원격 경보해제가 가능한 무선감지기를 개발하였기 때문에 향후 제조업체에서 무선감지기를 개발하는 경우 감지기마다 구성이 다르기는 하지만 감지기의 전원, 경보알림 시그널, 접지의 신호를 추출하여 적용할 수 있도록 제안하여 다른 여러 감지기에도 적용 가능하도록 하였다.
무선성능시험장치의 개발과 함께 진행된 무선성능시험기준의 개발은 기본적인 성능으로서 형식승인 및 검정기술기준(KOFEIS)의 요구사항과 무선기기의 사용과 관련한 무선전력의 제한, 주파수, 밴드 및 채널평가 등에 대한 기술적인 측면은 무선설비규칙에 근거하여 적합한 무선기기이어야 하는 것을 근간으로 하며, 일본 소방법, ISO기준안, NFPA 72를 분석하여 기존 유선을 기반을 하는 시스템과 같은 효율적이고 안정적인 시스템 구현이 가능한 제품을 시험할 수 있도록 하였다.
기준의 제안은 무선링크의 확인방법 및 무선기기가 갖추어야할 최소한의 기능 및 구조에 대한 시스템 요구사항을 제안하고, 무선제품의 내구성 및 내환경성시험에 대한 적응성을 확인하기 위한 시험요소로서 전송한계값을 개발하였다. 전송한계값은 여러 가지 외부 환경(온도, 연기, 진동, 습도 등)에 따른 전송 성공률 변화를 검증하기 위한 값으로 5번의 신호전송 중에서 4번 신호전송이 성공하는 가장 높은 attenuation의 값으로 정의하고 무선성능시험장치를 이용하여 보다 합리적인 시험기준이 되도록 개발 하였다. 또한 무선성능시험기준의 각 시험방법에 대하여 분석하여 세부시험방법을 제시하였으며 특히 시험의 정밀성을 위해 전송한계값의 경우 자동으로 전송한계값을 측정하는 측정시스템을 구현하여 시험의 신뢰성을 높일 수 있게 하였다.
현장에 설치되어 있는 연기감지기를 국내의 형식승인 및 검정기술기준과 동일한 시험내용으로 현장에서 성능 시험 실시할 수 있도록 개발하였으며 성능으로서는 필터로 사용되는 동양호지2호를 400℃로 가열 80초 이내에 연기발생, 광전식 연기감지를 통해 40초 이내에 연기농도의 측정 및 제어 조절, Fan의 rpm조절로 1m/sec의 일정 풍속 제어의 기능을 구현하였으며, 감지기의 오염을 줄이고, 농도 및 풍속의 조절이 가능하도록 하였다. 이에 따라 국가가 정하고 있는 검정기술기준의 감지농도에 의한 성능확인이 가능한 시험기를 개발하였다.
FDS을 경우 화재현상을 계산하여 가시적으로 구현하고자 하는 경우 FDS의 text code를 작성하는 것은 상당한 전문지식이 필요하기 때문에 이를 개선하기 위하여 사용자가 사용하기 편리한 GUI를 개발하여 성능 평가하고자 하는 소방시설에 대한 정보를 입력하면 자동으로 결과를 보여주는 소방시설 성능평가 시뮬레이터를 개발하여 소방대상물의 구조 변경이나 기구물의 배치에 따라 소화성능의 변화를 사전에 예측할 수 있는 소방시설 성능평가 시뮬레이터 개발의 기반을 마련하였다. GUI의 내용은 공간크기, 실내장식물의 종류 및 위치, 개구부의 위치 및 크기, 스프링클러의 종류, 배치, 화원의 종류 및 위치 등을 설정하고 데이터의 수집을 위하여 센서의 위치를 설정하여 실행하면 FDS 클러스터가 실행이 되고 결과를 SmokeView를 이용하여 볼 수 있도록 하였다.
V. 연구개발결과의 활용계획
자동 소화시험장치가 실용화되기 위해서는 우선 좀 더 안정적이고, 정교하며, 경량화 되어야 할 것이다. 예를 들어 이동장치를 무한궤도차량 혹은 2륜 차량 혹은 매그넘휠의 사용 등으로 개량하고, 자기 및 적외선 센서시스템을 적용하며, 분사장치의 거치대를 경량화하는 방안연구를 추진하고자 한다.
또한 감지기는 경계 가능한 면적이 정해져 있어 무선감지기의 경우 초기 설계와 달리 현장에서 설치 시 통신가능 위치로의 변경 및 이에 따른 수량 변경이 불가피 하게 된다. 본 연구는 제품에 대한 성능평가를 위한 기준 및 시험장치의 개발을 성공적으로 수행하였지만 무선제품이 현장에 설치되는 경우에 발생할 문제점 및 설치에 관한 시설기준에 대한 연구과제를 추가로 진행 하고자 한다.
소방시설성능평가 시뮬레이터의 데이터베이스는 미국의 NIST에서 제공한 것으로 연구를 진행하면서 화원 등의 데이터베이스를 구축하는 등 성공적으로 평가 시뮬레이터를 개발하였지만 국내 실정에 맞는 건축재, 내장재 등에 대한 정밀한 시험 및 데이터는 턱없이 부족한 것이 현실이다. 본 연구 결과를 기반으로 하여 시뮬레이터에 적용할 수 있는 데이터베이스의 구축을 위한 연구를 지속적으로 수행하여 기업체에서 활용 가능하도록 상용할 계획이다. 휴대용감도시험기는 특허출원이 된 상태로 등록까지의 시간이 필요하지만 연구개발 성과물을 바탕으로 기업체에 기술 이전하여 상품화 될 수 있도록 하고자 한다.
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원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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