1. 서 론
개방형 격자 천장은 개방감 증대, 심미적 효과, 플래넘에 공기 순환 등이 용이하여 박물관, 역사, 카페, 아파트 지하주차장 출입구 등 다양한 곳에 활용되고 있다. 그러나 이러한 천장 구조가 스프링클러 헤드의 살수를 방해하여 소화 효율을 저하시키는 문제가 발생하고 있다. 특히 그리드 루버 형태의 개방형 격자 천장은 다양한 장점으로 인해 사용이 증가하고 있어, 이로 인한 살수장애 문제가 더욱 부각되고 있다.
스프링클러설비에서 최종적으로 소화수가 방출되는 스프링클러헤드 부근에 장애물이 있는 경우 살수장애가 발생되어 바닥에 균일한 살수밀도가 형성되지 못하여 소화 효율이 크게 저하될 수 있다. 개방형 격자 천장은 거실 및 복도에 반자형태로 상향식 스프링클러헤드 아래에 설치되어 장애물로 살수장애를 발생시키고 있다.
National Fire Agency (2020)에서는 개방형 격자 천장 설치장소에서 살수장애를 방지하기 위해 상향식 스프링클러헤드와 이격거리(이하: 이격거리)를 450 mm 이상 이격하도록 하고 있다. 반면, 미국 방화협회(NFPA)는 위험용도(경급: 450 mm, 중급: 600 mm)에 따라 이격거리를 달리 적용하고 있어, 개방형 격자 천장에서 스프링클러헤드의 효과적인 살수가 이루어지는지에 대한 의문이 제기된다.
소방공사 시 개방형 격자 천장 관련하여 National Fire Agency (2020)이 있다. 하지만, 적용의 어려움 및 국가화재안전기준에 포함되지 않아 관련 내용을 인지하지 못하는 경우도 있다. 이로 인하여, 소방공사 시에 개방형 격자 천장에서 스프링클러헤드 설치가 상향식, 하향식, 상⋅하향식 제각각 이루어져 살수장애가 발생할 우려가 있다.
Kim (2019)은 국내에서는 폭 1.2 m를 초과하는 장애물만 그 아래 스프링클러헤드를 추가하고 있는 반면, 미국 방화협회(NFPA)는 개방형 격자 천장처럼 개방형 구조물의 경우에도 그 아래 스프링클러헤드를 추가하고 있어 국내에서도 살수장애 유발이 우려되는 개방형 격자 천장의 경우에도 스프링클러헤드를 추가 설치하여야 한다고 주장하였다.
Lee (2023)는 스프링클러 헤드 주변의 살수장애물에 대한 이격거리 기준인 장애물 폭의 3배 이격거리 규정의 적절성을 평가하기 위해 실험하여, 현행 3배 규정은 부적절한 것으로 확인되었으며, 이격거리 8배부터 안정적인 살수분포 결과를 얻을 수 있다고 주장하였다.
Kwon and Min (2021)은 전자부품 제조공장의 대형화, 복잡화로 인해 천정 스프링클러헤드의 살수장애에 영향을 주는 현상이 증가하고 있어, 스프링클러설비 운영 실태를 평가하고 살수장애 스프링클러헤드 적용에 관한 문제점과 개선방안을 제시하였다.
Yoo (2022)는 보 인접 스프링클러 헤드의 위치에 따른 소화 성능을 분석하였는데, 천장과 이격거리를 30 cm 이하로 설치할 경우 살수된 물이 보에 부딪혀 적절한 살수패턴을 형성하지 못하는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 설치 조건에서는 보 직하부에서 화재가 발생했을 때 더 빠른 반응 속도를 보인다고 주장하였다.
기존 선행연구 확인결과, 개방형 격자 천장과 스프링클러헤드의 이격거리가 살수분포에 미치는 영향에 대한 직접적인 연구는 상대적으로 부족한 실정이었다. 대부분의 연구가 일반적인 천장 구조물이나 배관에 의한 살수장애에 초점을 맞추고 있어, 개방형 격자 천장에 대한 추가 연구가 필요하였다.
본 연구에서는 개방형 격자 천장과 스프링클러헤드의 살수장애를 실험적으로 검증하기 위해, 이격거리에 따른 살수분포의 변화를 정량적으로 분석하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 개방형 격자 천장이 상향식 스프링클러헤드에 미치는 영향요소로는 두께, 스프링클러헤드와 이격거리, 개방율 등이 있지만, 이중 이격거리에 초점을 맞추어 실험을 진행하였다. 다른 영향요소는 후속연구에서 다룰 예정이다. 본 연구 결과는 개방형 격자 천장 설치 시 스프링클러 시스템의 효과적인 설계 및 시공을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2. 개방형 격자 천장의 스프링클러헤드 설치상태 및 관련 기준
2.1 개방형 격자 천장의 스프링클러 설치 상태
개방형 격자 천장은 기존의 채광 및 일광조절 또는 통풍과 환기목적으로 창문 등에 시공하다가 최근에는 높은 층고 및 개방감으로 다양한 곳의 천장 마감재로 설치되고 있다.
스프링클러설비 설치 공사는 골조공사 완료 후 진행되며, 스프링클러 배관과 헤드를 우선 설치한 후 마감공사 단계에서 개방형 격자 천장을 설치한다. 이 과정에서 개방형 격자 천장과 스프링클러헤드 간의 살수장애 여부가 충분히 고려되지 않는 경우가 많다.
개방형 격자 천장에서 스프링클러헤드는 일반적으로 상향식(Fig. 1)으로 설치되나, 개방형 격자 천장의 구조적 특성으로 인해 상향식 스프링클러헤드의 효과적인 살수 분포가 제한되어, 화재 진압 성능이 충분히 발휘되지 못할 우려가 있다.
하향식 스프링클러헤드만을 설치하는 경우도 있다(Fig. 2). 이 경우에는 개방형 격자 천장으로 화재 시 발생하는 열기류가 빠져나가 스프링클러헤드 감열부가 작동온도(일반형 72 ℃)에 도달하는 시간이 지연된다. 이로 인해 감열체의 이탈, 파괴 또는 용융이 늦어져 스프링클러헤드의 방수 시점이 지연되는 문제점이 있다. 이러한 작동 지연은 화재 초기 진압을 어렵게 만들어 화재 확산의 위험을 증가시킬 수 있다.
상⋅하향식 스프링클러헤드를 설치하는 경우도 있다. 이 방식은 개방형 격자 천장으로 살수장애가 발생하여 개방형 격자 천장 위와 아래에 모두 스프링클러헤드를 설치하는 것이다. 이 방식에는 상향식 헤드에서 방출되는 물에 의해 하향식 스프링클러헤드 감열부에 영향이 있으므로, 차폐판을 설치하여야 한다.
2.2 국내⋅외 개방형 격자 천장 관련 스프링클러 설치기준
국내 스프링클러설비의 화재안전기술기준(NFTC 103, 2024)에서는 배관, 행거 등 장애물이 있는 경우의 설치기준을 규정하고 있다. 폭이 1.2 m를 초과하는 천장, 반자, 덕트 등에 스프링클러헤드를 설치해야 하며, 살수를 방해하는 장애물이 있는 경우에는 헤드로부터 반경 60 cm 이상의 공간확보와 부착면과의 거리 30 cm 이하 설치 규정에도 불구하고, 그 아래에 설치하여 살수장애가 없도록 해야 한다. 그러나 개방형 격자 천장의 경우 살수장애 우려가 있음에도 관련 기준이 없었다. 국내⋅외 개방형 격자 천장 관련 기준은 Table 1과 같다. National Fire Agency (2020)을 통해 개방형 격자 천장 관련 기준을 제시하였다.
Table 1
Open-Grid Ceiling Requirements: National Fire Agency (2020)’s Work Guidelines vs. NFPA 13
| Item | National Fire Agency (2020)’s Work Guidelines | NFPA 13 (2022) | ||
|---|---|---|---|---|
| Opening ratio | 70% or more of ceiling area | 70% or more of ceiling area | ||
| Minimum size of openings | 6.4 mm or larger | 6.4 mm (1/4 in) or larger | ||
| Material thickness | Less than the smallest size of grid holes | Not exceeding the minimum dimension of the opening | ||
| Distance between ceiling and head | 450 mm or more | Light Hazard | Less than 3 m × 3 m (10 ft × 10 ft) | 450 mm (18 in.) |
| Greater than 10 ft × 10 ft (3 m × 3 m) but less than 10 ft × 12 ft (3 m × 3.7 m) | 600 mm (24 in.) | |||
| Greater than 3 m × 3.7 m (10 ft × 12 ft) | 1.2 m (48 in.) | |||
| Ordinary Hazard | Less than 3 m × 3 m (10 ft × 10 ft) | 600 mm (24 in.) | ||
| Greater than 3 m × 3 m (10 ft × 10 ft) | 900 mm (36 in.) | |||
개방형 격자 천장 윗부분에만 스프링클러헤드 설치가 가능한 경우는 다음의 조건을 모두 만족해야 한다.
이 중 하나라도 만족되지 않으면 하향식 스프링클러헤드를 추가 설치해야 한다.
반면, 미국 방화협회(NFPA 13, 2022)에서는 개방형 격자 천장에 대해 더 세분화된 기준을 제시하고 있다. 재료 두께가 개구부의 가장 작은 크기 미만이고, 개구부가 천장 면적의 70% 이상이며, 개구부의 가장 작은 치수가 6 mm (1/4 in) 이상인 경우에 상향식 스프링클러헤드만 설치할 수 있다. 특히 이격거리에 있어 위험용도에 따라 경급(450 mm 이상)과 중급(600 mm 이상)으로 구분하여 적용하도록 하고 있다.
위와 같이 미국 방화협회(NFPA 13, 2022)와 National Fire Agency (2020)은 이격거리 관련 기준에서 차이가 있다. 미국 방화협회(NFPA13)는 개방형 격자 천장과 스프링클러헤드와의 이격거리를 위험용도에 따라 경급(450 mm 이상), 중급(600 mm 이상)을 분리하여 적용하도록 하고 있다. 반면, 소방청 업무처리지침은 개방형 격자 천장의 상부 표면과 스프링클러헤드의 최소 이격거리를 450 mm 이상으로만 규정하고 있다.
3. 개방형 격자 천장의 살수분포 실험
3.1 실험 개요
본 연구에서는 이동식 천장에 상향식 스프링클러헤드를 설치하고 그 아래 실제 현장과 동일한 조건의 개방형 격자 천장을 설치하여 살수장애가 발생하는지 살수분포실험을 실시하였다. 실험은 “스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”에서 정한 성능기준 및 시험세칙에 따라 수행되었다.
본 실험의 분석 항목과 비교 요소(Table 2)는 다음과 같이 구성하였다.
Table 2
Analysis Items and Comparison Factors
첫째, 평균 채수량 분포는 개방형 격자 천장의 설치 유무, 이격거리(300 mm, 450 mm, 600 mm), 그리고 방사압력(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)에 따른 변화를 분석하였다. 각 조건에서 중심부(1번 채수통)부터 가장자리(7번 채수통)까지의 분포를 측정하여 표준곡선과 비교하였다.
둘째, Q’/Q 비율은 이격거리별 영향과 압력 상관관계를 분석하였다. 특히 반경 300 cm 이내에서의 전체 방수량 대비 살수량이 60% 이상 유지되는지 확인하였다.
셋째, 채수량 차이는 이격거리별 분포 패턴과 가장자리 감소율을 분석하였다. 각 측정점에서의 채수량이 표준곡선의 70% 이상을 유지하는지 평가하였다.
이러한 체계적인 분석 구조를 통해 개방형 격자 천장이 스프링클러의 살수성능에 미치는 영향을 종합적으로 평가하고자 하였다.
3.2 개방형 격자 천장 선정(시험 샘플)
본 실험에서는 100 cm × 100 cm 크기의 개방형 격자 천장을 시험 샘플로 선정하였다. 선정된 샘플의 상세 규격은 다음과 같다. 100 cm × 100 cm 개방형 격자 천장의 경우 100개의 개구부가 있고, 각 개구부 내부 크기는 9 cm × 9 cm이고, 두께(깊이)는 5 cm, 살의 두께는 1 cm, 개방율은 81% 이다.
이 크기를 선택한 이유는 다음과 같다. 첫째, 개방형 격자 천장은 150 cm × 150 cm, 100 cm × 100 cm, 50 cm × 50 cm 등 다양한 제품이 있는데, 이 중 100 cm × 100 cm 크기가 가장 널리 사용되는 규격이다. 둘째, 소방청 업무처리지침에 적합하다. 선정된 샘플은 개방율 81%로, 지침에서 요구하는 70% 이상의 기준을 충족한다. 또한, 격자의 두께(5 cm)가 개구부의 가장 작은 크기(9 cm)보다 작아 지침의 요구사항을 만족한다. 셋째, 개방율과 두께가 지침을 만족하므로, 이격거리만을 주요 변수로 설정하여 실험의 초점을 명확히 하였다.
실험 장치 구성은 Fig. 3과 같이 이동식 천장에 상향식 스프링클러헤드를 설치하고, 그 아래 실제 현장과 동일하게 개방형 격자 천장을 설치하여, 살수분포실험을 진행하였다.
3.3 실험방법
본 연구에서는 개방형 격자 천장이 스프링클러의 살수분포에 미치는 영향을 평가하기 위해 다음과 같이 실험을 구성하였다.
이격거리는 세 가지 기준으로 선정하였다. 첫째, NFPA 13의 중급용도 기준인 600 mm, 둘째, NFPA 13의 경급용도 및 소방청 지침 기준인 450 mm, 셋째, 살수분포 영향을 확인하기 위한 부적합 거리인 300 mm이다. 또한, 개방형 격자 천장의 영향을 비교하기 위해 “스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”에 따라 채수통과 스프링클러 사이를 1,200 mm 이격한 기준 실험도 수행하였다(Fig. 4). 채수통 번호는 상향식 스프링클러헤드 하부 중심을 기준으로, 번호를 정하였다.
Table 3과 같이 총 실험 횟수는 4가지 이격거리 조건과 3가지 방사압력 조건에서 각 2회씩 실시하여 총 24회(4 × 3 × 2)의 실험을 수행하였다. 이러한 체계적인 실험 구성을 통해 개방형 격자 천장이 스프링클러의 살수분포에 미치는 영향을 종합적으로 평가하였다.
3.4 살수분포시험 성능판단
성능판단은 “스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”에서 규정한 살수분포시험 성능기준을 준용하였다. 해당 기준에 따르면 다음 세 가지 조건을 모두 만족해야 한다.
첫째, 각 채수통의 살수량을 측정할 때 동심원상(헤드의 축심을 중심)의 각각의 채수통 채수량 평균치의 분포곡선이 살수분포 곡선의 위에 있어야 한다(Fig. 5) (KFI, 2023).
둘째, 각 압력(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)의 방수량(KFI, 2023) Q (L/min)과 전 살수량 Q’의 비율은 전체 방수량의 60% 이상이 반경 300 cm (헤드의 축심을 중심)의 범위 내에 살수되어야 한다.
셋째, 동심원상의 각 채수통의 채수량의 차가 적어야 한다. 이 규정은 각 통의 채수량이 채수량 평균치 규정곡선의 70% 이상을 의미한다.
4. 실험결과
4.1 살수분포 측정 결과
살수분포 측정 결과는 모든 실험 조건에 대한 살수분포 성능 충족 여부를 종합적으로 제시하였다. Table 4에 나타난 바와 같이, 각 이격거리 및 방사압력 조건에서의 성능 기준 충족 여부를 평가하였다. 성능 평가는 평균 살수분포, Q’/Q 비율, 그리고 채수량 차이의 세 가지 기준을 바탕으로 이루어졌는데, 이 세 가지 조건을 모두 만족하여야 한다. 이러한 종합적인 성능 평가 결과를 통해, 개방형 격자 천장의 설치 여부, 이격거리, 그리고 방사압력이 스프링클러의 살수성능에 미치는 영향을 명확히 파악할 수 있다.
Table 4
Performance Test Results of Sprinkler Water Distribution
4.2 실험결과
채수량 평균치와 채수량의 차는 Fig. 5의 살수분포 곡선으로 확인할 수 있다. 채수량 평균치는 분포곡선이 기준곡선보다 위에 있어야 하고, 채수량의 차이는 분포곡선이 기준곡선의 70% 이상보다 위에 위치해야 성능기준을 만족한다.
4.2.1 채수량 평균치
4.2.1.1 이격거리 300 mm 평균채수량
Fig. 6은 개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우와 이격거리 300 mm에서 각 압력(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)마다 채수량을 비교한 살수분포 곡선이다.
개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우는 전체 압력에서 분포곡선이 기준곡선보다 위에 있어 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
이격거리 300 mm의 경우는 이격거리 450 mm의 경우에서 나타나지 않았던 0.1 MPa 압력에서 6번과 7번 채수통의 채수량이 기준치 미달되었다. 0.4 MPa, 0.7 MPa 압력이 높아질수록 채수통 6, 7번의 채수량은 확연히 줄어드는 것을 확인할 수 있었고, 채수통 7번의 경우에는 채수량이 “0”에 가까운 것을 확인할 수 있었다. 이는, 개방형 격자 천장과 이격거리가 가까워질수록 개방형 격자 천장의 두께(깊이)가 장애물로 작용하여 살수밀도에 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다. 이격거리가 가까워질수록 더욱더 살수밀도가 저하되는 것을 확인했다.
개방형 격자 천장이 살수장애로 발생되는 경우, 특히, 7번 채수통의 채수량이 감소되는 것을 확인하였다. 이에, 7번 채수통을 개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우의 각 방사압력 별 채수량(0.1 MPa: 233 mL, 0.4 MPa: 454 mL, 0.7 MPa: 438 mL)과 이격거리 300 mm에서 각 방사압력 별 채수량(0.1 MPa: 38 mL, 0.4 MPa: 54 mL, 0.7 MPa: 8 mL)를 비교한 결과, 이격거리 300 mm의 채수량이 평균 91.1% 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는, 상향식 스프링클러헤드 방출 후 하단에 있는 개방형 격자 천장으로 인해 중앙부분에 채수량이 집중되면서, 가장자리에 있는 채수량이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 이격거리가 스프링클러헤드의 살수분포에 중요한 영향을 미치며, 특히, 이격거리가 짧을 때 살수 성능이 크게 저하될 수 있음을 보여준다.
4.2.1.2 이격거리 450 mm 평균채수량
Fig. 7은 개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우와 이격거리 450 mm에서 각 압력(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)마다 채수량을 비교한 살수분포 곡선이다.
0.1 MPa 방수압력에서는 성능기준에 적합하였다. 0.4 MPa 방수압력에서는 성능기준에 적합하지만, 채수통 7번 C열과 G열에서는 채수량이 기준치 미만이 되었다. 0.7 MPa 방수압력에서는 채수통 7번 전체의 채수량이 기준치 미만이었다. 개방형 격자 천장으로 인해 중앙부분의 채수량은 증가하고 가장자리의 채수량은 감소하는 경향을 보였다.
소방청 업무처리지침에서는 이격거리 450 mm 이상이 되면 살수장애가 없어 상향식 스프링클러헤드만 설치하도록 하고 있다. 그러나, 실험결과, 이격거리 450 mm의 0.1 MPa 방사압력의 경우만 기준에 적합하였고, 0.4 MPa, 0.7 MPa 방사압력이 높아질수록 7번 채수통의 채수량이 기준에 충족하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.
7번 채수통을 개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우의 각 방사압력 별 채수량(0.1 MPa: 233 mL, 0.4 MPa: 454 mL, 0.7 MPa: 438 mL)과 이격거리 450 mm에서 각 방사압력 별 채수량(0.1 MPa: 130 mL, 0.4 MPa: 165 mL, 0.7 MPa: 13 mL)를 비교한 결과, 이격거리 450 mm의 채수량이 평균 72.6% 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 현행 소방청 지침의 이격거리 450 mm에서 성능기준에 적합하지 않아 개선할 필요가 있다. 특히 높은 압력에서 개방형 격자 천장이 스프링클러헤드의 살수에 많은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
4.2.1.3 이격거리 600 mm 평균채수량
Fig. 8은 개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우와 이격거리 600 mm에서 각 압력(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)마다 채수량을 비교한 살수분포 곡선이다.
이격거리 600 mm의 각 방수압력에서는 전체 성능기준에 적합하였다. 7번 채수통을 개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우의 각 방사압력 별 채수량(0.1 MPa: 233 mL, 0.4 MPa: 454 mL, 0.7 MPa: 438 mL)과 이격거리 600 mm에서 각 방사압력 별 채수량(0.1 MPa: 138 mL, 0.4 MPa: 263 mL, 0.7 MPa: 165 mL)를 비교한 결과, 이격거리 600 mm의 채수량이 평균 49.7% 감소한 것을 확인할 수 있었다.
이격거리 450 mm와 비교하면, 7번 채수통의 채수량이 증가했다. 개방형 격자 천장이 장애물로서 살수장애를 발생하는 경우 중앙부분에 있는 1번 채수통의 채수량이 확연히 증가하면서, 가장자리에 있는 7번 채수통의 채수량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 전 살수량(Q’)은 비슷하지만, 개방형 격자 천장으로 인한 살수장애가 발생되어, 특히, 헤드 바로 하부에 있는 1번 채수통에 채수량은 증가하고, 가장자리로 갈수록 채수량이 확연히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
4.2.2 채수량의 차이
채수량의 차이는 “스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”에서 채수통의 채수량의 차가 적도록 하고 있는데, 이 규정은 채수량 평균치의 분포곡선이 규정곡선의 70% 이상에 위치하도록 하고 있다.
Fig. 6에서는 이격거리 300 mm 채수량 평균치의 분포곡선은 방사압력 0.1 MPa에서는 6번 채수통의 경우 채수량 평균치의 분포곡선이 규정곡선 70%보다 위에 위치하여 기준에는 적합하지만, 일부 채수통에서는 채수량이 규정곡선의 70% 미만인 경우도 있었다. 그리고, 7번 채수통의 경우는 전체가 규정곡선의 70% 미만이 되었다. 방사압력 0.4 MPa에서 6번 채수통의 경우 채수량 평균치의 분포곡선은 규정곡선보다 위에 위치하지만, 일부 채수통에서는 70% 이하의 채수량이 측정되었다. 그리고, 7번 채수통의 경우는 전체가 규정곡선의 70% 미만이 되었다. 방사압력 0.7 MPa에서는 6번 채수통의 경우 채수량 평균치의 분포곡선은 규정곡선보다 아래에 위치하여 기준에 부적합하고, 7번 채수통의 경우는 채수량 평균치의 분포곡선은 규정곡선보다 아래에 위치하였다. 압력이 높아질수록 채수통의 채수량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 7에서는 이격거리 450 mm 채수량 평균치의 분포곡선은 방사압력 0.1 MPa에서는 기준치 이상이 되었다. 방사압력 0.4 MPa에서는 채수량 평균치의 분포곡선이 규정곡선 70%보다 위에 위치하여 기준에는 적합하지만, 일부 채수통에서 70% 이하의 채수량이 측정되었다. 방사압력 0.7 MPa에서는 7번의 채수통의 평균치가 규정곡선의 70% 미만이 되어 기준에 부적합하게 측정되었다.
Fig. 8에서는 이격거리 600 mm 채수량 평균치의 분포곡선이 규정곡선의 70% 이상보다 여유 있게 측정되었다.
4.2.3 각 압력의 방수량과 전 살수량 비율(Q’/Q)
Table 5에서는 이격거리 별(300 mm, 450 mm, 600 mm)에서 각 압력(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)의 방수량 Q (L/min)과 전 살수량 Q’의 비율을 나타낸다.
Table 5
Q’/Q Ratio
시험 결과, 모든 조건에서 “스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”에서 규정한 60% 이상의 비율(Q/Q’)을 만족하고 있다.
개방형 격자 천장이 설치되지 않은 경우와 비교하여, 이격거리 별 평균 비율(Q/Q’)차이를 비교해보았다. 각 이격거리 별 평균 비율차이는 300 mm의 경우 12.7%, 450 mm의 경우 13.3%, 600 mm의 경우 23.3%로 감소되는 결과를 확인할 수 있었다. 특히, 비율 차이가 큰 경우는 이격거리 600 mm이면서 압력 0.4 MPa의 경우에는 27.7% 감소되었고, 비율 차이가 작은 경우는 이격거리 300 mm이면서 압력 0.7 MPa의 경우에는 비율이 동일하였다.
전체적으로, 개방형 격자 천장 설치 시 비율(Q/Q’)이 평균 16.4% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 개방형 격자 천장이 스프링클러헤드의 살수 성능에 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다.
이격거리가 가까울수록 Q’/Q 비율이 증가하는 경향을 보였는데, 이는 스프링클러헤드에서 살수된 물이 개방형 격자 천장에 부딪혀 헤드 부근의 살수량은 증가하지만, 전체적인 살수분포는 균일하지 못하기 때문이다.
이러한 결과는 개방형 격자 천장 설치 시 이격거리가 스프링클러 살수분포에 중요한 영향을 미치며, 적절한 이격거리가 필요하다.
4.3 살수분포 특성 분석
4.3.1 개방형 격자 천장 설치 유무에 따른 영향
개방형 격자 천장 설치 시, 중심부(1번 채수통)의 채수량이 크게 증가한 반면, 가장자리(7번 채수통)의 채수량은 평균 49.7% 감소하는 것으로 나타났다. 전체 살수량(Q’)은 유사하였으나, 살수 분포 패턴에서 중앙부분의 집중현상과 가장자리의 채수량 감소가 뚜렷하게 관찰되었다. 특히 방사압력이 증가할수록 이러한 현상이 더욱 두드러졌다.
5. 결 론
본 연구는 개방형 격자 천장과 상향식 스프링클러헤드의 이격거리가 살수분포에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 국내에서 널리 사용되는 100 cm × 100 cm 개방형 격자 천장으로 실험을 진행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 개방형 격자 천장은 살수분포를 제한하는 주요 원인으로 확인되었다. 이격거리가 감소할수록 헤드 바로 아래(1번 채수통)의 채수량은 증가했으나, 가장자리(7번 채수통)의 채수량은 감소하였다. 이는 이격거리가 감소할수록 전체적인 살수분포의 범위가 축소됨을 의미한다.
둘째, 개방형 격자 천장은 살수장애의 원인이 되었다. 특히, 채수통 7번의 채수량에서 가장 큰 차이가 나타났다. 이는 개방형 격자 천장이 상향식 스프링클러헤드의 측면방향의 살수를 제한함을 보여준다. 이격거리 300 mm에서는 모든 압력조건(0.1 MPa, 0.4 MPa, 0.7 MPa)에서 성능기준을 충족하지 못하였다. 이는 이격거리가 가까워질수록 살수장애의 영향이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
셋째, 방수량 Q (L/min)과 전 살수량 Q’의 비율은 모든 이격리에서 성능기준(60% 이상)에 충족하였다. 그러나, 이격거리가 가까울수록 헤드 부근의 물 집중 현상이 심화되었다. 이는 물이 격자 천장에 부딪혀 전체적인 분포 균일성이 저하된 결과로 해석된다.
넷째, 소방청 업무처리지침에서 제시한 이격거리 450 mm의 경우, 0.7 MPa 압력에서 7번 채수통의 채수량이 기준을 충족하지 못하였다. 따라서 개방형 격자 천장에서 상향식 스프링클러헤드의 효과적인 살수가 되기 위해서는 현행 소방청 지침의 450 mm 이격거리 기준을 NFPA 13 중급기준(600 mm 이상)으로 상향 조정할 필요가 있다.
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