상향식 스프링클러헤드 살수장애 방지를 위한 이격거리 실험연구
An Experimental Study on the Separation Distance to Prevent Impairment of Sprinkler Head Spray
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Abstract
스프링클러설비는 신뢰성이 우수한 소화설비의 하나이지만, 스프링클러헤드 주변에 살수장애물이 있다면 화재진압 및 화재제어 결과에 중대한 영향을 준다. 스프링클러설비의 화재안전기준 살수장애 관련한 3배규정은 NFPA 13의 “Three times rule”을 준용하면서 장애물의 최대치수가 아닌 폭의 3배를 적용하여 소방공사현장에서 많은 혼란을 야기시키고, 스프링클러설비의 신뢰성을 하락시키고 있다. 따라서 본 연구는 3배규정의 적정여부를 상향식헤드와 살수장애물의 이격거리를 외경의 1배부터 8배까지 조정하며 살수분포실험을 진행하였다. 실험 결과 성능기준의 하나인 채수량의 차는 방사압력 0.1 MPa 일 때 외경의 이격거리 7배에서 기준곡선을 만족하는 결과를 보여준다.
Trans Abstract
Sprinkler facilities are a reliable fire-extinguishing method, but a spray barrier around the sprinkler head has a significant impact on fire suppression and control. Rule 13 from the National Fire Protection Association aims to set fire safety standards but might reduce sprinkler reliability because of confusion about the rule application. The sprinkler height should be up to three times the width of an obstacle, which is confused with an obstacle’s maximum size. Therefore, this study conducted a spray distribution experiment by adjusting the separation distance between the bottom-up head and the spray barrier to between 1 and 8 times the outer diameter. As a result, the performance standards relating to the amount of water collected satisfied the reference curve at a separation distance of 7 times the outer diameter when the radiation pressure was 0.1 MPa.
1. 서 론
현대의 건축물은 건축기술의 발달과 거주자의 편의성 향상을 위해 초고층화, 대형화, 인텔리전트화 되는 경향이 있다. 이에 따라 화재 발생 시 인명피해, 재산손실, 간접피해도 커지고 있다. 스프링클러설비는 자동식 소화설비로 신뢰성이 우수한 소화설비의 하나이다. 스프링클러설비의 장점으로는 인체에 무해한 물을 이용하여 경제적이며, 자동소화설비로 초기 화재 억제 등이 우수하다. 그러나 신뢰성이 높은 설비라도 소화수가 살수 되는 최종말단인 스프링클러헤드 주변에 살수 장애물이 있다면 화재진압 및 화재제어 결과에 중대한 영향을 준다. 국내 장애물 관련 규정은 기본적으로 일본 규정을 준용하고, 필요에 따라 선진외국 규정을 도입하여 적용하고 있다. 그중에서 일명 “Three times rule”은 헤드로부터 장애물 폭의 3배 이격거리만 확보하면 살수 장애가 아닌 것으로 인정되어 스프링클러설비의 소화 효과를 저하시키고 있다.
미국 NFPA 13 (2019)에서 살수장애구조(Obstructed Construction)는 열기류나 방수를 방해하여 스프링클러헤드의 화재진압 및 화재제어 능력에 중대한 영향을 주는 것으로 정의하고 있다. 소방공사 현장의 살수 장애물에는 건축공사의 수직보, 기계공사 및 소방공사의 배관, 덕트 등이 있으며, 전기공사 및 정보통신공사의 케이블트레이, 금속제 전선관 등 다양하다. 국내 스프링클러설비의 화재안전기준 NFSC 103 (2021) 제 10조 7항 3호에서 “배관⋅행가 및 조명기구 등 살수를 방해하는 것이 있는 경우 그로부터 아래에 설치하여 살수에 장애가 없도록 할 것. 다만, 스프링클러헤드와 장애물과의 이격거리를 장애물 폭의 3배 이상 확보한 경우에는 그렇지 않다.” 단서 조항의 일명 “3배규정”은 장애물 폭의 3배만 확보하며 스프링클러설비의 신뢰성보다 경제성을 고려한 예외 조항으로 볼 수 있다. NFPA 13의 경우 스프링클러헤드가 장애물로부터 유효한 이격거리를 만족할 수 없을 경우 장애물 중 구조부재, 배관, 기둥, 고정물 등 최대치수(폭과 높이 중 최대치수)의 최소한 3배 이상 거리에 설치(Three times rule)되어 있는 경우 스프링클러헤드를 추가 설치하지 않도록 하고 있다(Fig. 1).
Minimum Distance from an Obstruction in the Horizontal Orientation
Kim (2019)은 표준형 스프링클러헤드 살수 장애 관련 이격거리 개선방안으로 장애 구조물의 사용 실태를 고려한 헤드 추가기준 마련과 장애물 폭과 높이를 고려한 3배 이격거리 기준의 보완을 주장하였다. 또한 Kwon and Min (2021)은 살수장애 스프링클러헤드는 집열판, 차폐판과 함께 소화성능 확보를 위한 실질적인 연구가 필요하며, 대형 덕트 및 다발 배관 하부에 설치하는 살수장애 스프링클러헤드는 화재 시 소화성능 확보를 위한 품질 및 유지관리가 중요하다고 주장하였다.
국내의 경우 NFPA 13의 “Three times rule”을 도입하면서 장애물의 최대치수가 아닌 폭의 3배를 적용하였다. 그러나 폭보다 높이가 더 긴 장애물이라면 미경계 살수지역은 더 커지고 살수밀도는 적정치를 만족하기 곤란하다.
여기서 살수밀도는 필요살수밀도와 실제살수밀도로 구분된다. 필요살수밀도(Required Delivered Density)는 화재진압에 필요한 단위면적당 물의 양을 의미한다. 실제살수밀도(Actual Delivery Density)는 스프링클러헤드로부터 방사된 소화수 중에서 연소표면에 실제 도달한 물의 양을 의미한다. 이와 관련하여 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 화재 조기진압용헤드의 경우 살수분포시험, 살수력시험과 실제살수밀도 시험을 실시한다. 그러나 다양한 건축물에 광범위하게 사용되는 표준형 헤드의 경우 살수분포시험만 실시하므로 살수밀도에 대한 정량적인 판단이 곤란하다. 따라서 본 연구는 상향식헤드를 이용하여 배관 장애물에 따른 살수분포의 변화를 알아보고자 한다.
2. 살수분포시험
2.1 살수분포시험의 개요
살수분포시험은 스프링클러헤드가 작동하여 물을 방사할 때 각 부분에 균일하게 분포되는지 측정하는 시험이다. 국내 소방법에 근거한 살수분포시험은 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(이하 “기술기준”)에 따르고 세부사항은 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사 시험세칙(이하 “시험세칙”)에서 정하고 있다.
기술기준의 살수분포시험 방법은 표준형헤드, 측벽형헤드, 화재조기진압용헤드, 주거형헤드, 라지드롭형헤드로 구분하여 실시하고 있다. 또한 표준형헤드의 경우 유효살수반경 r2.3인 헤드와 r2.6인 헤드로 구분하여 실시하고 있으나 본 연구의 대상인 상향식헤드의 경우 유효살수반경 r2.3을 기준으로 설명한다.
2.2 살수분포 시험순서
스프링클러헤드의 살수분포 시험순서는 기술기준과 시행세칙(KFI, 2018)에 따라 진행하였다. 첫째, Fig. 2와 같이 시험장치를 설치하고, 채수통은 8방향으로 69개 배치하고 스프링클러헤드 디플렉터와 채수통 상단의 거리를 1.2미터로 한다.
Spray Distribution Test Device
둘째, 1개의 헤드를 시험장치에 부착하고 0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa의 각 방수압력으로 2회 방수하여 각통의 분당의 평균채수량(mL/min)을 계산한다.
셋째, 헤드의 축심에서 동심원상에 나열된 채수통의 전 채수량 qn (mL/min) 및 채수통 1개당의 평균 채수량 qn⋅m (mL/min)을 계산한다.
넷째, 헤드의 축심에서 반경 300 cm의 범위 내의 전 살수량 Q’ (mL/min)는 Fig. 3의 각 번호통의 전 채수량 qn (q1~q9)에 수를 곱하며 Eq. (1)에 의하여 계산한다.
Row Layout
여기서, Q’ : 전 살수량(mL/min) qn : 전 채수량(mL/min)
다섯째, 방수압력 0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa의 1분간의 방수량 Q (mL/min) 측정하고 각 압력의 방수량 Q (mL/min)와 전 살수량 Q’ (mL/min)의 비율을 Eq. (2)에 의하여 계산한다.
여기서, Q : 1분간 방수량(mL/min) Q’ : 전 살수량(mL/min)
여섯째, 부착방향이 상향인 경우의 천정 위치는 디프렉타에서 10 cm 떨어진 장소로 한다.
2.3 살수분포시험 성능기준
표준형 스프링클러헤드(r 2.3)의 살수분포는 방수압력범위 0.1 MPa에서 1 MPa까지의 방수압력으로 방수하는 시험에서 살수분포시험장치를 사용하여 각 채수통의 살수량을 측정하는 경우 다음 각호에 적합하여야 한다.
첫째, 방수량과 전 살수량 비율은 전 방수량의 60% 이상이 헤드의 축심을 중심으로 하는 반경 300 cm의 범위내에 살수 되어야 한다.
둘째, 헤드는 살수분포시험장치를 사용하여 각 채수통의 살수량을 측정하는 경우 헤드의 축심을 중심으로 하는 동심원상의 각각 채수통의 채수량 평균치의 분포곡선이 Fig. 4에 나타내는 살수분포 곡선(B)보다 위에 있어야 한다.
Spray Distribution Curve (r 2.3)
셋째, 동심원상의 각 채수통의 채수량의 차가 적어야 하며, 이는 각 통의 채수량이 규정곡선의 70% 이상을 말한다. 다만, 채수량이 70% 미만의 통이 있을 경우에는 통의 배열을 22.5°까지의 범위에서 회전시켜 측정한 당해 통의 채수량과의 평균치로 할 수가 있다. 또한, 채수량이 70%에 미달하는 통이 있는 경우에는 당해 통을 포함한 1 m × 1 m의 면적 내 채수통의 채수량과의 평균치로 할 수가 있다.
그러나 본 실험에서 시행세칙의 단서조항 “채수량이 70%에 미달하는 통이 있는 경우에는 당해 통을 포함한 1 m × 1 m의 면적 내 채수통의 채수량과의 평균치로 할 수가 있다.”라는 성능기준은 제외한다. 그 이유는 제조업체의 스프링클러헤드 인증처럼 합격 여부가 중요한 것이 아닌 살수장애의 적정성을 판단하는 측면에서는 무의미하기 때문이다.
Fig. 4는 형식승인 기술기준의 성능기준에서 채수량 평균치와 채수량의 차를 표현한 곡선이다. 살수장애 실험에 적용한 상향식헤드는 15A이므로 곡선 “B”는 채수량의 평균치를 곡선 “C”는 채수량의 차를 의미한다.
3. 살수장애 이격거리 실험
3.1 실험 개요
국내의 경우 NFPA 13의 “Three times rule”을 도입하여 장애물의 최대치수가 아닌 폭의 3배를 이격하여 현장에서 시공하고 있다. 그러나 현재까지 국내 3배규정에 대한 실험 및 검증은 없는 실정이다. 지하 주차장의 경우 살수장애물에는 유인펜, 주차 반사경처럼 다양한 형태의 장애물, 가로세로의 크기가 60 cm 이상인 장애물, 좁은폭에 길이가 긴 장애물 등 다양하다. 그러나 배관류(Pipe)의 경우 세워놓고 보면 가로, 세로의 직사각형 모양으로 단순화할 수 있다. 그래서 배관에 대한 살수장애 적정 여부를 이격거리 조정하며 실험하면 유사한 형태의 살수장애물은 예측이 가능하다. 따라서 살수장애물 중 배관을 살수장애의 시험체로 선정하고 배관용 탄소강관(KS D 3507) 50A를 모형으로 제작하여 국내 3배규정이 적정한지 이격거리별 살수분포실험을 수행한다.
3.2 모형 제작
KS D 3507 (2021)에 50A의 내경은 53.2 mm, 외경은 60.5 mm이다. 따라서 외경의 3배인 높이 182 mm의 살수장애물 시험체를 제작한다. 옆에서 보면 가로, 세로 직사각형모양(1:3 비율)으로 세로는 높이 182 mm, 가로는 외경 60.5 mm이므로 편의상 외경을 폭의 개념으로 설명한다. 이때 살수장애물 시험체를 50A엘보와 50A중니플, 50A/40A레듀서, 40A (3 m)를 나사선 가공하여 직렬로 연결하였다. 이동천정에 파이프 행거를 설치하여 좌우로 거리조정이 가능하게 시험체세트를 고정하였다. Fig. 5는 상향식헤드, 장애물배관, 상향식헤드와 장애물배관의 모형제작 사진이다.
Experimental Production Model
3.3 실험조건
Fig. 6의 실험개념도에 따라 채수통을 배치하고 12시 방향을 기준으로 “A”열부터 “H”열까지 시계방향으로 열번호를 부여한다. 채수통번호는 상향식헤드 중심하부를 기준으로 “1”부터 “9”번까지 부여했다. 또한 상향식헤드를 “ㄷ”자 형태로 배관을 연결하고, 영향을 받는 Back zone “A”열은 채수량의 차 성능기준에서 제외한다. 중심통 채수량은 각 열의 1번채수통에 포함하여 합계 및 평균을 계산한다.
Experiment Concept Diagram
3.4 시험장치 구성
시험장치는 펌프 및 배관, 정류통, 압력계, 이동식천정, 상향식헤드, 채수통, 비이커, 제어장치로 구성된다. 수조에서 공급된 소화수는 펌프(유량 100 m3/h, 양정 105 m)를 통해 정류통으로 공급된다. 연결되는 배관 주요 부분은 배관용 탄소강관(KS D 3507)을 사용하고, 이동식천정 부분은 플렉시블 튜브로 구성된 것이 특징이다(Fig. 7).
Experimental Device Configuration Diagram
압력계는 부드동관 Type으로 정밀도 1.5급, 압력력범위 0~1.0 MPa 사용을 사용하였다. 채수통은 기술기준 및 시행세칙에 근거하여 가로 및 세로의 길이 √1000 (약 32 cm)의 69개를 배치하였다. 실험용 비이커는 100 ml, 200 ml, 500 ml, 1,000 ml, 2,000 ml, 5,000 ml 사용하고, 채수량이 5,000 ml 초과하는 경우에는 5,000 ml 비이커를 나누어서 측정하였다.
상향식헤드는 KFI 인증을 받은 유리벌브 타입으로 헤드의 호칭은 15A, K-factor 80, 살수반경은 2.3 m인 D사의 헤드를 적용하였다. 사전에 방수량시험결과 방수량은 80.02 (lpm)으로 측정되어 살수분포실험에 기초값으로 적용한다.
3.5 실험방법 및 순서
실험방법 및 순서는 “2. 살수분포시험”의 기술기준에 따르고, 세부사항은 시행세칙에 따라 진행하였다. Fig. 5에서 실험 제작모형을 기본으로 상향식헤드와 장애물배관 사이의 이격거리를 장애물배관의 외경의 1배부터 8배까지 조정하며 실험하였다. 이격거리는 상향식헤드 반사판 중심에서 장애물배관(50A) 좌측 끝 선으로 하고 이격 시 소수점은 올림하여 정수를 적용하였다.
Fig. 8은 방수압력 0.7 MPa일 때 살수분포 사진으로 상향식헤드의 수평연결배관에 의해 가운데 물줄기가 갈라지는 것을 볼 수 있다.
Spray Distribution Photo
4. 실험결과
Table 1은 50A 이격거리 1배에서 방수압력 0.1 MPa일 때 살수분포실험 데이터이다. 중심통 채수량은 비이커를 통한 측정결과 5,750 (mL/min)이 측정되어 1번 채수통 합계 및 평균계산에 적용하였다. 또한 10번 채수통은 말단채수통 확인용으로 계산에서 제외한다. 데이터를 통해 스프링클러헤드 기술기준의 성능기준인 방수량과 전 살수량 비율, 채수량평균치, 채수량의차를 판단할 수 있다.
Water Amount (mL/min)
4.1 방수량과 전 살수량 비율 성능기준 만족
방수량과 전 살수량 비율은 실험을 통한 결과치에 Eq. (2)에 의해 계산된다. Table 2는 이격거리에 따른 방수압력별 방수량과 전 살수량 비율이다. 방수량(Q)과 전 살수량(Q’)의 비율은 이격거리 1배에서 방사압력 0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa 일 때 성능기준 60%를 모두 만족하고 있다. 따라서 방수량과 전 살수량 비율은 국내 이격거리 기준의 3배규정에 적정한 것으로 확인되었다.
Q’/Q Ratio
4.2 채수량 평균치와 채수량의 차 성능기준 미달
Fig. 4는 기술기준의 성능기준에서 채수량 평균치와 채수량의 차를 표현한 곡선이다. 곡선 “B”는 채수량의 평균치를 나타내고, 곡선 “C”는 채수량의 차를 의미한다. 채수량 평균치와 채수량의 차에 대한 성능기준을 충족하려면 해당 곡선보다 위에 있어야 한다.
Fig. 9에서 흑색 실선은 채수량의 평균치 기준곡선(B)이고 흑색 점선은 채수량의 차 기준곡선(C)이다. 컬러별 실선과 점선은 각 방수압력에 따른 구별이고 이격거리에 따른 결과를 보여준다. 또한 기술기준의 성능기준에서는 최악의 경우에도 성능기준을 만족해야 하므로, 점선은 장애물이 설치된 “C”열의 채수량의 차를 표현하였다.
Results Graph
컬러별 실선은 각 방사압력의 채수량 평균치를 의미하므로 0.4 MPa, 0.7 MPa 곡선은 이격거리 1배부터 기준곡선을 충족한다. 그러나 0.1 MPa 곡선은 이격거리 5배까지 기준곡선(B)보다 약간 아래에 위치한다.
또한 컬러별 점선은 각 방사압력에서 채수량의 차를 의미하므로 0.4 MPa, 0.7 MPa 점선은 이격거리 5배부터 기준곡선을 충족한다. 그러나 0.1 MPa 곡선은 이격거리 6배에서 기준곡선(C)보다 약간 아래에 있다.
4.3 채수량 평균치와 채수량의 차 성능기준 만족
채수량 평균치에서 방수압력 0.1 MPa 곡선은 이격거리 6배에서 기준곡선(B)보다 약간 위에 위치한다. 이격거리 7배에서 기준곡선을 여유 있게 상회하고 채수량 평균치 성능기준은 충족된다. 따라서 국내 이격거리 기준의 3배규정에 부적합한 것으로 확인되었다.
또한 방사압력 0.1 MPa 경우 채수량의 차는 국내 이격거리 기준의 3배규정에 부적합한 것으로 확인되었다. 이격거리 7배에서 (B)곡선과 (C)곡선 사이에 위치하고, 이격거리 8배에서 (B)곡선을 웃돌며 채수량의 차이의 성능 기준 곡선을 만족하고 전체적인 기술기준의 성능기준을 충족하게 된다.
5. 결 론
NFSC 103 제 10조 7항 3호의 단서 조항인 3배규정을 살수장애 이격거리 실험한 결과 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사 기술기준의 성능기준 3가지 모두 충족하는데 이격거리에 따라 결과가 달라진다.
첫째, 방수량과 전 살수량 비율은 이격거리 1배에서 방사압력 0.1 MPa, 0.4 MPa 0.7 MPa 일 때 성능기준 60%를 모두 만족하고 있다.
둘째, 채수량 평균치는 이격거리 1배에서 방사압력 0.4 MPa, 0.7 MPa 경우 만족하고, 방사압력 0.1 MPa의 경우는 이격거리 6배에서 기준곡선을 약간 위에 위치하고 이격거리 7배부터 기준곡선을 여유 있게 만족하였다.
셋째, 채수량의 차는 이격거리 5배에서 방사압력 0.4 MPa, 0.7 MPa 경우 만족하고, 방사압력 0.1 MPa의 경우는 이격거리 7배에서 기준곡선 약간 위에 위치하고 이격거리 8배부터 기준곡선을 여유 있게 만족하였다. 따라서 성능기준의 3가지 조건을 만족하는 이격거리 7배부터 살수분포시험을 만족하는 것으로 확인되었다. 여유율을 고려한다면 이격거리 8배부터 안정된 살수분포 결과를 볼 수 있다.
넷째, 살수장애물 시험체를 가로, 세로 1대3의 비율로 제작하였으므로 국내기준 이격거리 8배는 NFPA 13기준 장애물 최대치수의 이격거리 2배 이상이고, 최대치수의 이격거리 3배에 근접한다. 따라서 NFSC 103 제 10조 7항 3호의 단서조항인 3배규정은 장애물 이격거리별 살수분포실험을 통해 부적한 것으로 확인되었다.
감사의 글
본 연구를 응원해주시고 도움 주신 숭실사이버대학교 김학중 교수님과 동료 여러분께 감사드립니다. 실험 전반에 대한 조언과 힘든 실험을 도와주신 방재시험연구원의 안병호 수석연구원님께 깊은 감사의 말씀 전합니다.