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[인터뷰] 임성균 고려대 건축공학부 교수

“최적화설계·화재시나리오 확보, 디지털트윈으로 실현 가능”
설계단계 비용 절감·효율적 화재확산 예측가능

인구의 도시집중화, 건물의 고층화, 지상·지하연계 등으로 인해 도시의 건물은 대형·복합화가 이뤄지고 있으며 화재, 안전사고 등에 대한 대응방안이 중요해지고 있다.

지난 2017년, 2018년 발생한 제천시 스포츠센터, 밀양 세종병원 화재는 △위험감지 △신속한 대피·대응 등 골든타임 내 적절한 대처가 이뤄졌다면 인명피해가 커지는 것을 막을 수 있었다는 평가를 받고 있다. 이와 함께 2018년 발생한 KT 통신구 화재 등 지하공동구 화재는 재산피해를 비롯해 통신망정지 등 사회적 손실을 유발했다.

특히 다중이용시설에서 화재가 발생할 경우 건물 내 공간에 대한 정보가 부족해 적절한 인명구조에 어려움이 발생할 우려가 있으며 이로 인해 인명피해도 증가할 가능성을 가지고 있다. 화재는 대형 복합건물, 지하공동구, 전통시장 등을 막론하고 어디에서나 발생할 가능성이 있어 능동적이고 선제적인 재난대응이 필요하다.

최근 디지털트윈을 활용, 건물을 가상공간에 구현해 화재확산을 예측할 수 있는 기술이 개발되고 있어 주목받고 있다. 디지털트윈을 이용한 설비화재 안전기술을 개발하고 있는 임성균 고려대 교수는 열유체분야에서 지속적인 연구실적을 거두고 있다.

특히 SCI(E) 논문을 다수의 저명 국제학술지에 게재하는 성과를 거두며 관련분야 발전에 기여하고 있다. 임성균 교수를 만나 건물 화재안전의 중요성과 이번 기술의 특장점, 향후 개발 계획에 대해 들었다.

■ 건물 화재안전 현안은
현재 건축HVAC에 사용되는 냉매는 지구온난화지수(GWP)가 높으며 누출 및 폐기 시 기후변화에 큰 악영향을 미치는 것으로 알려졌다. 이에 따라 세계 곳곳에서 높은 GWP를 가진 냉매에 대한 규제가 시행되면서 GWP가 낮은 신냉매를 개발하기 위한 움직임이 활발한 상황이다.

이렇게 개발된 신냉매들은 낮은 GWP로 기후변화에 영향은 적지만 가연 특성을 가지고 있어 화재가 발생할 경우 큰 인명·재산피해를 유발할 수 있는 우려가 있다.

미래 건축물은 구조, 용도 등에서 다양성을 갖출 것으로 예상되며 이러한 다양한 건축물의 화재안전을 모두 실험으로 검증하는 것은 불가능할 것으로 보인다. 낮은 비용으로 건물 내 화재확산을 정확하고 신속하게 예측할 수 있는 시뮬레이터가 개발될 필요성이 있다.

■ 건물설비설계 시 디지털트윈 적용의 특장점은
디지털트윈을 이용한 설비화재 안전기술은 현재 개발이 진행되고 있는 기술로 화재안전에 대한 설비환경 현안에서 언급되고 있는 가연성 냉매사용에 따른 화재 위험에 대응하기 위해 낮은 비용으로 화재확산을 예측할 수 있는 시뮬레이터 역할을 수행할 것으로 기대된다.

디지털트윈을 이용해 화재확산을 예측한다면 실험을 통한 검증과정에 투입되는 막대한 비용을 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한 실험으로는 검증하기 어려운 실규모의 화재를 가상공간에서 구현하기 때문에 다양한 화재 시나리오를 적용할 수 있어 체계적인 화재대응이 가능하다.



■ 이번 연구의 차별성은
기존에도 미국의 NIST에서 개발된 Fire Dynamics Simulator(이하 FDS) 등의 화재 시뮬레이터가 활발하게 화재안전 연구에 활용되고 있다. 그러나 화재에 대한 특정 시나리오에서의 계산 연구로 개발됐으며 화재확산의 경향성을 검토하는데 중점을 뒀다는 한계점을 가지고 있다.

현재 개발하고 있는 디지털트윈을 이용한 설비화재 안전기술은 기존의 단발성 계산연구를 넘어 △발화원 위치 △초기 화염세기 △통풍의 정도 △건물공간 Layout 등 다양한 조건에 대해 화재 시나리오를 계산해 데이터베이스화할 예정이다.

이를 통해 얻은 데이터베이스를 기반으로 인공지능을 이용해 건물 내 설비환경에서 화재 확산예측이 가능한 시스템을 구현할 계획이다. 현재는 기술개발 초기단계로 실제 건물을 가상공간에서 구현하는 전환시스템 및 FDS 기반 계산플랫폼을 구축하고 있다.



■ 이번 기술 적용을 통한 기대효과는
디지털트윈을 이용한 설비화재 안전기술이 활용된다면 화재안전이 강화된 설비 및 건축설계가가능하며 이를 통해 인명 및 재산안전을 지킬 수 있을 것으로 기대된다.

예를 들어 디지털트윈을 통해 다양한 화재확산 시나리오를 확보해 놓게 되면 실제 화재 발생 시 데이터베이스의 확산 예측자료를 이용해 효율적인 인명대피 및 소방구호활동을 할 수 있다. 이와 함께 화재안전을 고려함에 있어 설비설계비용을 절감할 수 있다.

또한 설계단계뿐만 아니라 관리단계에서도 활용성을 가지고 있다. 다양한 노후화 시뮬레이션을 통해 냉매누출, 전기설비 누전, 가스누출 등을 예측하고 해당 상황이 발생할 경우에 대한 대응전략을 사전에 수립할 수 있을 것이다.



■ 향후 연구계획은
이번 기술은 향후 모든 건물의 설비화재 안전점검 및 설비설계에 적용할 수 있도록 개발할 계획이다. 특히 아파트, 빌라 등 다세대 복합주거건물과 오피스, 쇼핑몰 등 대형 복합다용도 건물 등에서 활발히 사용될 것으로 기대된다.

이를 위해서는 화재 확산예측 시뮬레이터의 정확도가 보장돼야 하며 실제 설비를 가상공간이 구현하는 전환시스템의 고도화가 필요하다.

이에 따라 실제공간을 모델링해 가상공간으로 전환하는 기술 및 화재확산 시뮬레이터 고도화 연구를 수행할 계획이다. 또한 다양한 건물설비에 대해 인공지능을 이용해 화재확산 예측 인공 신경망을 구축해 예측정확도를 제고할 계획이다.

특히 계산결과를 과거 화재데이터와 비교분석해 시뮬레이터의 예측값을 검증해 기술의 신뢰성을 확보할 예정이다.

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