물류시설 방화구획 완화 시 적용되는 수막설비의 효용성에 관한 연구
Levels of Effectiveness of Water Curtain Equipment Applied When Mitigating Fire Compartment Installation of Logistics Facilities
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Abstract
물류시설의 방화구획 완화 시 적용되는 수막설비의 효용성을 검증하기 위해서 실물모형 실험 및 화재시뮬레이션을 수행하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과, 수막설비의 복사열 차단효과는 드렌처헤드의 종류에 따라 큰 차이를 보였으며, 일정 부분 차단효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 수막설비의 드렌처헤드 설치 간격을 좁게 할 경우 복사열량 및 복사온도가 현격히 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 수막설비의 화재안전성 확보를 위해서는 드렌처헤드 사양을 규정하고, 개구부의 크기 제한 및 드렌처헤드의 설치 간격을 좁게 설정하도록 하는 등 물류시설 수막설비 관련 기준을 개선한 필요성이 있다.
Trans Abstract
Mock-up tests and fire simulations were performed to verify the effectiveness of water curtain equipment in mitigating fire compartment installation of logistics facilities. The radiant-heat-blocking effect of the water curtain equipment differed significantly based on the type of drencher head, and a blocking effect was observed. Additionally, the radiant temperature and heat flux were significantly reduced when the installation intervals of the drencher heads of the water curtain equipment were reduced. Therefore, improving the standards related to the water curtain equipment of logistics facilities, e.g., providing drencher head specifications, restricting the sizes of the openings, and narrowing the installation intervals of the drencher heads, is necessary to ensure the fire safety of water curtain equipment.
1. 서 론
방화구획은 건축물의 특정 공간(또는 구획)에서 발생한 화재가 이웃 공간(또는 구획)으로 확산하지 못하도록 내화구조 또는 방화구획 설비 등으로 구획하는 것으로 화재발생 시 화염과 연기의 확산을 지연시키고 재실자의 대피시간을 확보하는 건축물 화재안전 설계의 필수요소이다.
물류시설은 건축법에서 산업시설 중 창고시설로 단순 분류가 되어 있으며, 10층 이하의 층은 바닥면적 1,000 m2 (스프링클러 기타 이와 유사한 자동식 소화설비를 설치한 경우에는 바닥면적 3,000 m2) 이내마다 구획하도록 되어 있고, 매 층마다 구획하도록 되어 있다. 한편, 물류시설의 공간과 같이 물품의 제조·가공 및 운반 등(보관은 제외)에 필요한 고정식 대형 기기 또는 설비의 설치를 위하여 불가피한 부분에는 방화구획을 완화 적용할 수 있으며, 완화 적용하는 부분의 개구부 부분에는 수막을 형성하여 화재확산을 방지하는 설비를 설치하고, 개구부 이외 부분에는 화재를 조기에 진화할 수 있도록 설계된 스프링클러를 설치하도록 하고 있다.
수막설비와 관련해서 이전 연구에서는 다음과 같은 사항들이 검토되었다. Oh et al. (1988)은 특수건축물의 방화구획에 있어서 건물 용도상 설치가 불가능한 경우 수막설비로 대치할 수 있는가에 대해 실험적으로 검토 분석하였으며, Kim (1989)은 위 실험 결과에 대한 화재온도와 수막성능에 대한 실험상태를 모델화하여 수학적 분석을 행하고, 그 결과와 실험결과를 비교하여 그 이론적 모델의 타당성을 증명하는 연구를 수행하였다. 한편, Lee et al. (2016)은 화재확산 방지를 위한 드렌처 헤드의 형상변화가 수막의 유동특성 및 복사 감쇠성능에 미치는 영향에 관한 실험적 연구를 수행하였으며, Park et al. (2020)은 수막설비용 노즐의 형상 설계에 따른 유동 특성을 예측하기 위한 노즐의 분사압력, 방사유량 그리고 평균 액적크기의 예측을 위한 연구를 수행하였다.
이에 본 연구에서는 물류시설 방화구획 완화 시 적용되는 수막설비의 효용성을 실물모형 실험 및 화재시뮬레이션을 통해 검증함으로써 수막설비가 화재 시 실질적인 화재안전성을 확보할 수 있는 방안이 될 수 있는지 검증하고자 하였다. 실물모형 실험에서 적용하는 드렌처헤드 형태는 3가지로, 드렌처헤드 설치 간격은 관련 기준에 따른 2.5 m와 관련 기준의 절반인 1.25 m로 설정하였다. 수막설비의 효용성 검증을 위해서 구획 내 온도(가열로 내 온도)가 상승할 때 구획 개구부의 수막설비 작동 시 1 m 이격거리에서의 복사열량 및 복사온도를 측정하였으며, 1 m 이격거리에 배치된 수용물품(종이박스)의 착화 여부를 관찰하여 수막설비의 복사열 영향을 검토하였다. 그리고, 화재시뮬레이션을 통해 개구부 확장 시에 대해서 추가적인 수막설비의 복사열 영향을 검토함으로써 물류시설의 방화구획 완화 조항 기준 개선에 기초자료로 활용하고자 하였다.
2. 수막설비 관련 기준
2.1 물류시설 방화구획 완화 기준
물류시설은 건축법시행령(MOLIT, 2024a) 제46조(방화구획 등의 설치) 제2항 제2호 ‘물품의 제조⋅가공 및 운반 등(보관은 제외한다)에 필요한 고정식 대형 기기(器機) 또는 설비의 설치를 위하여 불가피한 부분. 다만, 지하층인 경우에는 지하층의 외벽 한쪽 면(지하층의 바닥면에서 지상층 바닥 아래면까지의 외벽 면적 중 4분의 1 이상이 되는 면을 말한다) 전체가 건물 밖으로 개방되어 보행과 자동차의 진입⋅출입이 가능한 경우로 한정한다.’에 따라 인허가청의 판단에 의해서 방화구획을 완화하여 적용할 수 있다.
한편, 물류시설은 건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙(MOLIT, 2024b) 제14조(방화구획의 설치기준) 제6항에 따라 완화 적용하는 부분 중 개구부 부분에는 ‘소방청장이 정하여 고시하는 화재안전기준(이하 이 조에서 “화재안전기준”이라 한다)을 충족하는 설비로서 수막(水幕)을 형성하여 화재확산을 방지하는 설비’를 설치하도록 하고 있다.
2.2 수막설비 설치 기준
수막설비는 관련 화재안전기준인 ‘스프링클러설비의 화재안전성능기준(NFPC 103) (NFA, 2024)’ 및 ‘스프링클러설비의 화재안전기술기준(NFTC 103) (NFRI, 2024)’에서는 ‘드렌처설비’로 기술되어 있으며, NFPC 103 제15조(헤드의 설치제외) 제2항에 따라 연소할 우려가 있는 개구부에 드렌처설비를 설치할 수 있는 것으로 규정되어 있다.
한편, NFTC 103 2.12.2.1에 따라 드렌처설비의 드렌처헤드는 개구부 위 측에 2.5 m 이내마다 1개가 설치되도록 하고 있으며, 각각의 헤드선단의 방수압력은 0.1 MPa 이상, 방수량은 80 L/min 이상이 되도록 규정되어 있다.
3. 수막설비 실물모형(Mock-up) 실험
3.1 실험체
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 물류시설의 방화구획 완화 시 적용하는 수막설비가 화재 시 작동할 경우 복사열 영향에 의한 수용물품 착화 등 화재확산 가능성을 확인하기 위해서 Fig. 2와 같이 개구부가 형성된 구획 벽체 및 수막설비를 구성하였으며, Fig. 3의 드렌처헤드 A, B, C Type의 3종 및 설치 간격(1.25 m, 2.5 m)을 변수로 한 6가지 조건(Case 1~6)과 드렌처헤드가 설치 안된 조건(Case 7) 및 Case 5의 조건에 수용물품을 1 m 이격거리에 설치한 조건(Case 8)을 포함해서 Table 1과 같이 8가지 조건에 대해서 실물모형 실험을 실시하였다. 한편, 드렌처헤드 A Type은 일반적인 스프링클러 헤드에 디플렉터를 양 옆으로 붙였고, 드렌처헤드 B Type은 슬릿을 길게 형성하였으며, 드렌처헤드 C Type은 벽부형 스프링클러 헤드로 최대한 액적(물방울)이 방사형으로 넓게 퍼지도록 제작되었다.
Mock-up Test Concept for Evaluating the Possibility of Fire Spreading due to Radiant Heat through Water Curtain Equipment
View of Mock-up Test Specimens
View of Drencher Heads
Outline of Mock-up Tests
여기에서 개구부는 가열로의 충분한 열축적에 의한 가열온도 상승을 위하여 너비 540 mm, 높이 540 mm 크기로 벽체 중앙에 형성하였으며, 드렌처헤드는 추후 관련 제도 개선시 개구부 크기 제한 기준으로 제시할 예정인 너비 2.5 m, 높이 2.5 m의 가상의 개구부를 고려하여 가상의 개구부 상부에 설치한 배관의 중앙부 및 중앙부로부터 좌우로 1.25 m 이격한 위치에 설치하였다. 실험체의 배관 측면에는 방수압력 및 방수량의 확인을 위하여 압력계 및 유량계를 설치하였으며, 물의 공급 조절을 위한 밸브를 설치하였다.
3.2 실험방법
Table 1에 따라 조건을 변경하여 수막설비를 작동하면서 Fig. 4와 같이 구획 내 온도(가열로내 온도)를 20분까지 1,050 °C 까지 선형적으로 상승시킨 후 1분간 유지하면서 실험체로부터 1 m 이격거리에서 복사열량 및 복사온도 측정 또는 수용물품 착화 여부를 관찰하였다. 가열온도는 개구부를 통한 단순 구획 내 온도에 따른 복사열량 및 복사온도 측정을 위해 임의로 설정한 것이다. 한편, 복사열량 및 복사온도의 측정을 위해서 복사열량계(Schmidt-Boelter type, 측정범위 0~100 kW/m2, 시계각 30°) 및 열전대를 개구부 중앙으로부터 1 m 이격거리에 설치하였으며, 수용물품에 대한 착화 여부 관찰을 위해서 1가지 조건(C Type 헤드, 설치간격 1.25 m)에 대해 1 m 이격거리에 수용물품을 설치하였다.
Time-temperature Curve
Fig. 5는 실험 시의 수막설비에서 분사되는 액적(물방울) 및 개구부에서의 분출 화염의 모습을 나타내고 있다.
View of Mock-up Test
3.3 실험결과
3.3.1 복사열량 측정 결과
드렌처헤드 A, B, C Type을 1.25 m, 2.5 m 간격으로 설치하여 실험방법에 따라 복사열량을 측정한 결과, Fig. 6과 같이 가열후 11분까지는 복사열 감소에 유의미한 결과가 나타나지 않았으며, 가열후 13~16분에는 대체적으로 복사열 감소 영향이 있는 것으로 나타났다. 그리고, 가열로내 온도가 약 900 °C를 넘어가는 가열후 17분 이후에는 분출 화염으로 액적(물방울)이 흩날리면서 측정 노이즈가 발생하면서 복사열 측정값에 이상이 나타났다.
Measurement Results of Radiant Heat Flux
3.3.2 복사온도 측정 결과
드렌처헤드 A, B, C Type을 1.25 m, 2.5 m 간격으로 설치하여 실험방법에 따라 복사온도를 측정한 결과, Fig. 7과 같이 복사온도는 약 90 °C 미만으로 제한되었다. 이는 수막설비에서 분사되는 액적(물방울)의 열전대에의 접촉 및 기화에 의한 것으로 판단된다. 한편, 수막설비를 작동하지 않았을 경우에는 가열후 17분에 약 140 °C 까지 복사온도가 상승하였으며, 이후 열전대 이상으로 복사온도가 측정되지 않았다.
Measurement Results of Radiant Temperature
4. 수막설비 화재시뮬레이션
4.1 개요
수막설비 실물모형 실험에서의 너비 540 mm, 높이 540 mm 개구부 크기를 너비 2.5 m, 높이 2.5 m로 확장했을 때의 복사열량 및 복사온도를 도출하고자 화재시뮬레이션을 수행하였다.
4.2 모델링
화재시뮬레이션 소프트웨어는 미국 NIST에서 개발한 전산유체역학 시뮬레이션 소프트웨어인 FDS 6.9.1 및 Smoke View 6.9.1을 사용하였다.
실물모형 실험과 개구부 크기가 같은 너비 540 mm, 높이 540 mm인 조건과 시뮬레이션으로만 분석을 진행하는 개구부 크기가 너비 2.5 m, 높이 2.5 m인 조건에 대해서 Table 2와 같이 공간 및 입력 변수를 설정하여 모델링하였다.
Spaces and Input Parameter in Modelling for Water Curtain Equipments
한편, 수막설비에서는 드렌처헤드의 모델링이 매우 중요한 부분인데, 최대한 액적(물방울)이 방사형(하향 약 160° 범위)으로 균일하게 분사되도록 관련 변수를 조정하여 드렌처헤드를 모델링하였다.
4.3 시뮬레이션 결과
4.3.1 개구부 크기 너비 540 mm, 높이 540 mm (시뮬레이션의 유효성 검증)
개구부 크기 너비 540 mm, 높이 540 mm에서는 실물모형 실험에서의 측정값과 시뮬레이션에서의 분석값을 비교하여 시뮬레이션의 유효성을 검증하고자 하였다.
시뮬레이션의 출력변수 제한으로 실물모형 실험에서와 같이 복사열량 측정 시 포용각을 30°로 설정할 수 어 복사온도만을 도출하였으며, 실물모형 실험에서 사용된 드렌처헤드와 시뮬레이션에서 모델링한 드렌처헤드가 상이하여 드렌처헤드가 작동하지 않을 경우에 한해서 시뮬레이션에서 복사온도 분석값을 도출하고, 이를 실물모형 실험의 측정값과 비교 분석하였다.
Fig. 9와 같이 실물모형 실험에서 측정된 복사온도 측정값과 시뮬레이션에서 도출된 분석값은 유사한 값을 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
Comparison of Test Results and Simulation Results for Radiant Temperature
4.3.2 개구부 크기 너비 2.5 m, 높이 2.5 m (개구부 크기 제한 기준에 대한 분석)
위에서 시뮬레이션의 유효성을 검증하였으며, 동일한 방법으로 추후 관련 제도 개선시 개구부 크기 제한 기준으로 제시할 예정인 개구부 크기 너비 2.5 m, 높이 2.5 m에 대해서 드렌처헤드 1.25 m 이격 설치 및 작동, 드렌처헤드 2.5 m 이격 설치 및 작동, 드렌처헤드 미설치 조건에서의 복사열량과 복사온도를 도출하였다.
복사열량은 Fig. 10과 같이 드렌처헤드 2.5 m 이격 설치 및 작동, 드렌처헤드 미설치 조건에서 각각 97 kW/m2, 105 kW/m2 까지 상승하였으며, 드렌처헤드 1.25 m 이격 설치 및 작동 조건에서는 22 kW/m2 까지 상승하였다.
Simulation Results of Radiant Heat Flux
복사온도는 Fig. 11과 같이 드렌처헤드 2.5 m 이격 설치 및 작동, 드렌처헤드 미설치 조건에서 각각 533 °C, 640 °C 까지 상승하였으며, 드렌처헤드 1.25 m 이격 설치 및 작동 조건에서는 69 °C 까지 상승하였다. 한편, Fig. 12는 가열후 21분에서의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다.
Simulation Results of Radiant Temperature
Results of Simulations (Elapsed 21 Min)
위의 결과를 분석하였을 때 드렌처헤드 1.25 m 이격 설치 및 작동 조건에서의 시험 종료시 복사열량은 약 22 kW/m2, 복사온도는 약 70 °C 정도로 드렌처헤드 2.5 m 이격 설치 및 작동 조건에서의 시험 종료시 복사열량 약 97 kW/m2, 복사온도 약 530 °C 정도와 비교하여 현격히 낮아지는 것을 볼 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 물류시설의 방화구획 완화 시 적용되는 수막설비의 효용성을 검증하기 위해서 실물모형 실험 및 화재시뮬레이션을 수행한 것으로서 방화구획 완화 부분의 수막설비 적용과 관련한 기준을 개선하기 위한 기초 자료를 제공하기 위하여 수행되었으며, 다음의 연구 결과를 도출하였다.
(1) 실물모형 실험을 통해 확인한 결과 수막설비의 복사열 차단효과는 드렌처헤드의 종류에 따라 큰 차이를 보였으며, 일정 부분 차단효과가 있는 것으로 나타났다. 특히 복사온도에 있어서는 수막설비에서 분사되는 액적(물방울)의 냉각 및 기화 효과로 온도상승이 제한되고, 액적(물방울)이 수용물품에 떨어져 표면이 젖게 되고 수분이 기화되면서 냉각효과로 착화가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 한편, 현행 제도에서는 수막설비의 드렌처헤드의 사양을 제시하고 있지 않으므로 이에 대해서 규정할 필요성이 있는 것으로 판단된다.
(2) 추후 관련 제도 개선시 개구부 크기 제한 기준으로 제시할 예정인 개구부 크기 너비 2.5 m, 높이 2.5 m에 대한 시뮬레이션을 통해 확인한 결과 드렌처헤드 설치 간격을 관련 기준에 따른 2.5 m의 절반인 1.25 m로 할 경우 복사열량 및 복사온도가 현격히 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 추후 개구부의 크기 제한과 더불어 드렌처헤드의 설치 간격을 좁게 설정할 필요성이 있는 것으로 판단된다.
(3) 다만, 실물모형 실험 및 시뮬레이션을 통해 확인한 결과, 분출화염 및 고온공기(연기)가 이웃 방화구획으로 넘어가 화재를 확산시킬 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 개구부의 크기가 커질 경우 분출화염의 크기 및 고온공기(연기)의 이동도 커지게 되므로 화재확산의 가능성은 더 커지게 된다. 따라서, 이에 대해서는 추가적인 검토를 진행할 필요성이 있다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(RS-2022-00156237).