연소생성물은 연소가스ㆍ연기ㆍ화염ㆍ열로 나뉜다. 화재 사망의 주된 원인은 화염이 아니라 연소가스와 연기이며, 대표적 유독가스는 다음과 같다 — 일산화탄소(CO)는 불완전연소로 발생하고 헤모글로빈과의 결합력이 산소의 약 200~250배여서 산소 운반을 방해한다. 이산화탄소(CO₂)는 자체 독성은 낮으나 농도가 높아지면 호흡을 촉진해 다른 유독가스의 흡입량을 늘린다. 시안화수소(HCN)는 질소 함유 물질(양모ㆍ실크ㆍ우레탄)의 연소에서, 염화수소(HCl)는 PVC 등 염소 함유 물질에서, 포스겐(COCl₂)은 사염화탄소가 고온에서 반응할 때, 황화수소(H₂S)는 황 함유 물질에서, 암모니아(NH₃)는 질소 함유 물질(멜라민수지ㆍ나일론ㆍ요소수지)의 연소와 냉동창고의 냉매 누출에서 발생한다. 열전달은 전도(고체 내 분자 진동으로 전달), 대류(유체의 순환으로 전달), 복사(전자기파로 매질 없이 전달)의 세 형태이며, 화재의 확대에 가장 크게 기여하는 것은 복사이며, 복사열은 절대온도의 4제곱에 비례하므로(스테판-볼츠만 법칙) 온도가 조금만 올라도 급격히 커진다.
02이해하기
화재로 사람이 죽는 순서를 생각하면 이 단원이 정리된다. 불에 타서가 아니라 연기와 가스에 먼저 당한다 — 시야가 막혀 피난로를 못 찾고, 산소 농도가 떨어지고, CO 가 헤모글로빈을 선점한다. 그래서 소방에서 제연(연기 제어)이 소화만큼 중요한 위치를 갖는다. 열전달도 마찬가지로 「어떻게 옮겨붙는가」의 답이다 — 옆 건물로 불이 번지는 것은 전도나 대류가 아니라 복사이므로, 방화지구의 이격거리와 방화벽 기준이 복사열을 기준으로 정해진다.
03핵심 포인트
일산화탄소 — 불완전연소의 산물. 헤모글로빈 결합력이 산소의 약 200~250배
이산화탄소 — 독성은 낮으나 호흡을 촉진해 유독가스 흡입량을 늘린다
시안화수소 — 질소 함유 물질(양모ㆍ실크ㆍ우레탄). 염화수소 — PVC 등 염소 함유 물질
포스겐 — 사염화탄소가 고온에서 반응할 때 발생. 사염화탄소 소화기가 퇴출된 이유
연기의 유동 — 수평 0.5~1m/s, 수직 2~3m/s. 계단실이 연기 확산의 주된 통로
굴뚝효과(stack effect) — 건물 내외 온도차로 생기는 부력에 의한 수직 기류. 고층건물에서 연기가 상승
열전달 — 전도(고체), 대류(유체), 복사(전자기파). 화재 확대의 주역은 복사
복사열은 절대온도의 4제곱에 비례한다(스테판-볼츠만 법칙)
04한눈에 보기
중성대(neutral plane)
실내외 압력이 같아지는 높이. 위쪽은 실내 압력이 높아 연기가 나가고, 아래쪽은 외부 공기가 들어온다. 피난과 배연은 이 경계를 기준으로 판단한다.
VS
연기의 유동속도
수평 방향 0.5~1m/s, 수직(계단실) 방향 2~3m/s, 계단실 수직 이동은 3~5m/s. 수직이 훨씬 빨라 계단이 연기의 통로가 된다.
더 알아보기
굴뚝효과와 역굴뚝효과 — 고층건물에서 연기가 움직이는 원리
굴뚝효과(stack effect, 연돌효과)는 건물 내부와 외부의 온도차로 생기는 밀도차 때문에 수직 통로에서 기류가 형성되는 현상이다. 겨울철처럼 실내가 외부보다 따뜻하면 내부 공기가 가벼워져 상승하고, 하층에서는 외부 공기가 유입되며, 그 결과 화재 시 연기가 계단실ㆍ승강로ㆍ배관 샤프트를 타고 빠르게 상층으로 퍼진다. 반대로 여름철 냉방으로 실내가 외부보다 차가우면 기류가 아래로 흐르는 역굴뚝효과(reverse stack effect)가 나타난다. 굴뚝효과의 세기는 건물의 높이, 실내외 온도차, 수직 통로의 기밀성에 따라 달라지며, 초고층일수록 크다. 대책은 세 갈래다 — ① 수직 통로의 구획과 방화문 폐쇄로 통로 자체를 끊는 것, ② 계단실ㆍ부속실에 급기가압을 걸어 연기가 들어오지 못하게 하는 것(제연설비), ③ 층별 방화구획으로 연기의 수평 확산을 제한하는 것. 특히 ②의 급기가압 제연이 고층건물 피난안전의 핵심 설비로 자리 잡은 것은 굴뚝효과를 압력으로 이기려는 발상이다.
연기의 감광계수와 가시거리 — 왜 피난이 실패하는가
연기의 농도는 감광계수(Cs, 단위 1/m)로 표시하며, 이는 빛이 연기를 통과하며 약해지는 정도를 나타낸다. 감광계수와 가시거리는 반비례하는데, 대략 감광계수 0.1이면 가시거리 20~30m(연기감지기가 작동하는 수준), 0.3이면 5m(건물에 익숙하지 않은 사람이 피난에 지장을 받는 수준), 0.5이면 3m(어두침침함을 느끼는 정도), 1.0이면 1~2m(거의 앞이 보이지 않음), 10이면 화재 최성기 수준이 된다. 여기서 드러나는 문제는 피난 실패가 「연기를 마셔서」보다 먼저 「길이 안 보여서」 일어난다는 점이다. 평소 다니던 사람은 감광계수 0.5에서도 방향을 찾지만, 처음 온 사람은 0.3에서 이미 어려움을 겪는다. 그래서 불특정 다수가 이용하는 시설일수록 유도등ㆍ유도표지의 기준이 엄격해지고, 바닥면에 가까운 축광 유도표지가 요구된다 — 연기는 위에서부터 쌓이므로 낮은 위치의 시야가 마지막까지 확보되기 때문이다.
05기출 지문
O
연기(smoke)는 연소과정에서 발생하는 고체ㆍ액체ㆍ기체 상태의 미립자와 화학물질의 복합체로, 공기 중에 떠다니는 특성을 가진다.