열방출률 HRR(Heat Release Rate)

 HRR은 화재 공학에서 화재가 방출하는 열 에너지를 단위 시간당 정량적으로 나타내는 지표로, 화재의 크기와 진행 속도를 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.

1. HRR의 정의

열방출률(Heat Release Rate, HRR)은 화재 시 방출되는 열 에너지의 양(W 또는 kW)으로, 화재의 규모를 수치로 표현하는 가장 중요한 지표로 HRR은 화재가 성장하고 확산되는 속도와 그에 따른 위험성을 평가하는 데 핵심적인 기준이 됩니다.

2. HRR 계산 공식

이 공식은 연소 과정에서 발생하는 열 에너지의 총량을 계산하는 데 사용됩니다.

3. HRR의 주요 요소

1. 연소 물질 : 연료의 종류와 연소열 특성에 따라 HRR이 결정됩니다.
2. 산소 공급 : 연소 과정에서 산소가 충분히 공급될수록 HRR이 증가합니다.
3. 화재 진행 단계

위 그래프는 HRR(열방출률)의 변화를 시간에 따라 나타낸 것입니다. 화재의 진행 단계를 설명하면 다음과 같습니다

1. 초기 단계 (0~5분): 화재가 시작되어 HRR이 서서히 증가하는 구간입니다. 열방출률이 낮고 연소 속도가 느립니다.
2. 성장 단계 (5~10분): HRR이 급격히 증가하며 화재가 본격적으로 확대되는 단계입니다. 이 구간의 끝부분에서 플래시오버(Flashover)가 발생할 수 있습니다.
3. 최고 단계 (10~15분): HRR이 최대치에 도달하고 일정하게 유지되는 구간입니다. 이때 화재는 완전히 확산된 상태입니다.
4. 감쇠 단계 (15~20분): 연료 부족으로 인해 HRR이 감소하며 화재가 점차 약해지는 구간입니다.

 

4. HRR 측정 방법

4-1. 산소 소비 열량법(Oxygen Consumption Calorimetry)

   - 화재에서 소비된 산소량을 기반으로 HRR을 계산합니다.
   - Thornton의 원칙에 따라 산소 1kg당 약 13.1MJ의 열이 방출됩니다.

4-2. 콘 칼로리미터(Cone Calorimeter)

   - 소형 실험 장비로 특정 재료의 HRR을 측정합니다.
   - 주로 건축 자재 및 인테리어 소재의 연소 특성을 평가할 때 사용됩니다.

5. HRR과 화재 위험성 평가

- 플래시오버(Flashover): HRR이 특정 임계값에 도달하면 플래시오버가 발생하며, 화재가 급격히 확산됩니다.
- 환기지배형 화재 : 산소 공급이 제한되면 HRR이 감소합니다.
- 연료지배형 화재 : 연료의 양과 특성에 따라 HRR이 결정됩니다.

 

6. HRR의 실무 적용

1. 건축 설계
   - HRR 데이터를 활용해 방화벽과 스프링클러 시스템을 설계할 수 있습니다.
2. 소방 전략 수립
   - 화재 성장 단계별 HRR 분석을 통해 효율적인 화재 진압 및 대피 계획을 수립합니다.
3. 화재 안전성 검토
   - 대형 건축물의 화재 하중과 HRR 분석으로 적절한 소방시설을 평가 및 설치합니다.