1. 서론
우리나라는 급격한 산업발전을 이루면서 건물들이 고층화, 대형화되고 있다. 그리고 가구당 차량 보유수가 1967년에 5만7천대에서 2014년에는 2,012만대로 가구당 1대 이상 되어가면서 각 건물마다 주차장 확보를 위해 지하를 활용하고 층수도 늘어나는 등 심층화가 되고 있다.
1968년 2월 건축법에서 건축물에 주차장을 설치·의무화 하면서 주차장이 본격적으로 설치하기 시작하였으며, 지하주차장은 1977년 12월에 건축법이 개정되면서 설치할 수 있도록 하였다.
1984년 8월 소방시설의 설치·유지 및 위험물 제조소 등 시설의 기준 등에 관한 규칙 제18조(스프링클러 배관) 8항에 의거 지하 주차장에는 “습식외 방식”으로 하여야 한다고 스프링클러방식을 규정하였다가 1989년 8월 소방기술기준에 관한 규칙 제17조(스프링클러 배관) 8항을 개정하면서 단서 조항 “동절기에 상시 난방이 되는 곳이거나 그밖에 동결의 염려가 없는 곳, 스프링클러설비의 동결을 방지할 수 있는 구조 또는 장치가 된 것”을 충족하면 지하주차장에 습식스프링클러방식을 사용할 수 있도록 하였다. 이는 습식스프링클러설비의 가장 큰 단점인 동파 우려 때문이다. 이러한 결점을 보완하기 위해 밸브 2차 측 배관에 물이 없는 건식 또는 준비작동식 스프링클러설비로 설치하고 있다. 하지만 문제는 주차장에서 화재발생시 설비의 특성상 건식 또는 준비작동식 스프링클러설비의 작동지연 또는 작동불량 등의 원인으로 화재 시정상 작동되지 않은 사례가 많아 신뢰성이 높은 습식스프링클러설비의 설치 필요성이 논의되고 있는 실정이다(Chun, 2010).
현재 스프링클러설비의 화재안전기준(NFSC 103) 제8조 제15항 단서조항에 규정한 상시 난방이 되는 곳”은 난방시설을 설치하면 해결되고, 동결을 방지할 수 있는 구조 또는 장치”는 보온재 및 동파방지열선 등을 설치하거나 미국처럼 동결방지시스템(NFPA 13)을 설치하면 된다. 하지만 동결의 염려가 없는 곳”은 그 장소나 방법에 대하여 제시되지 않아 그 증명이 상당히 곤란한 실정이다.
주차장 중 지하주차장은 지하층수에 따라 지중온도 등의 영향으로 “동결의 염려가 없는 곳”으로 볼 수 있는데 현재 이에 대한 연구사례는 찾아보기 어려운 실정이다.
이에 본 연구에서는 겨울철 지하주차장 층별 스프링클러 배관 온도를 측정하여 층별 동결여부에 대한 기초 자료를 제시하고자 한다.
2. 국 · 내외 주차장내 소화설비 설치기준
2.1 국내 기준
소방시설 설치·유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 제15조(특정소방대상물의 규모 등에 따라 갖추어야 하는 소방시설) 및 별표 5(특정소방대상물의 관계인이 특정소방대상물의규모에 의거 소방설비)로 스프링클러설비[특정소방대상물의지하층·무창층(축사는 제외한다) 또는 층수가 4층 이상인 층으로서 바닥면적이 1천 m2이상인 층], 물분무 등 소화설비(건축물 내부에 설치된 차고 또는 주차장으로서 차고 또는 주차의 용도로 사용되는 부분의 바닥면적의 합계가 200 m2이상인 것)의 소화설비가 설치하도록 규정하도록 하고 있다.
하지만, 소방시설 설치·유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령 별표 6에 의거 물분무 등 소화설비를 설치하여야 하는 차고·주차장에 스프링클러설비를 화재안전기준에 적합하게 설치한 경우에는 그 설비의 유효범위에서 설치가 면제되어 주로 스프링클러설비가 설치되고 있으면 그 방식 중 습식방식에 대하여는 설치의 제한을 두고 있다.
2.2 일본 기준
소방법 시행령 제13조에서, 지하실 또는 2층 이상의 층에서 200 m2이상, 1층 500 m2이상 옥상 부분에서 300 m2이상, 승강기 등 기계 장치에 차량을 주차시키는 구조로 수용 대수가 10대 이상 주차장에서 물분무·포·이산화탄소·할로겐화합물·분말소화설비 중 하나의 소화 설비를 설치하도록 규정되어있다. 일반적으로 항상 사람이 출입하는 자주식 주차장에 포소화설비가 사용되는 경우가 많으며, 항상 사람이 없는 기계식 주차장 등에서는 이산화탄소 소화설비 등의 가스계소화설비가 사용 되고 있다. NEMA (2008), Jeon Soon Hong (2009).
2.3 미국 기준
미국은 지형적 특성상 지하주차장은 거의 설치를 하지 않고 있지만, 주차장에 관한 방화코드(NFPA88A, NFPA101)는 존재하고 있다. 또한 지하주차장이라 해서 따로 기준을 강화하거나 완화시키지 않고 일반적인 지하공간의 기준을 적용한다.
하지만 NFPA 13(Standard for the Installation of Sprinkler Systems)에서는 배관 내 수온이 4°C 이상 유지하기 어려울 때는 건식 또는 준비작동식설비를 설치하도록 규정하고, 동결방지스프링클러설비를 설치할 때에는 습식스프링클러설비를 사용할 수 있도록 하고 있다. NEMA (2008), Jeon Soon Hong(2009).
3. 배관 동결현상과 문제점
3.1 배관 동결현상
물은 0°C 또는 그 이하의 온도에서 동결되며 물이 동결되는 온도에 도달하기 위해서는 물이 가진 열을 모두 외부로 이동, 즉 열 교환이 이루어져야한다. 열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 특성을 가지므로 관내 물의 온도가 7°C이고 외기온도가 -4°C라면 물이 가진 열은 외기로 이동하게 된다(Chun, 2010).
이와 같이 배관주위온도가 급격히 내려가면 관벽 온도가 내려가면서 관 상부의 수온도 동시에 내려간다. 먼저 관벽 부근의 물이 냉각되어 관내에 복수의 자연대류가 나타나 관내 물의 온도가 균일화에 기여한다. 또한 관내 수온이 저하되면 물의 밀도가 최대가 되는 약 4°C의 물의 층이 관 바닥 부근에 정체하고, 따라서 관 중앙부의 수온의 영향을 받지만 관상부온도는 영향을 받지 않는다. 그러므로 관벽 온도가 계속 내려가면 물이 과냉각 되면서 동결되기 시작하고 점점 중심부분으로 내려가면서 배관 전체가 동결된다(Oh, 1999).
3.2 동결로 인한 습식스프링클러설비의 문제점
배관 내 물의 동결은 배관계통의 장애뿐만 아니라 물의 흐름을 차단하여 설비기능을 마비시킨다. 얼음은 물보다 체적이 크기 때문에 더 큰 공간을 필요로 하므로 배관처럼 제한된 공간에서 물이 얼게 되면 내압을 발생시켜 관은 물론 배관계통을 구성하고 있는 관 이음쇠, 밸브 등을 파괴시키는 동파가 발생된다. 관이나 밸브의 차단으로 인한 피해는 복구를 위한 인건비뿐만 아니라 시설을 사용할 수 없는 기간 동안의 불편, 특히 공장의 경우에는 영향을 받은 구간에서의 생산차질로 인한 소득의 감소 등 여러 가지로 막대한 경제적 손실이 뒤따르다(Chun, 2010).
또한 동결의 우려하여 2차 배관에 물을 채우지 않거나 급수배관에 설치된 차단밸브를 차단한 상태로 관리하게 되면 화재 시 살수지연으로 막대한 인명 및 재산피해를 초래 할 수 있다.
4. 지하주차장 화재사례
4.1 용인시 보라동 아파트 지하주차장 화재
2013년 1월 10일(목) 00:34경 용인시 보라동 소재 아파트지하 1층 주차장에서 분리수거함 쓰레기통에서 방화로 의심되는 화재가 발생하였지만 준비작동식 스프링클러설비가 정상적으로 작동되지 않아 차량 20대 전소, 15대 부분소실, 44대 그을림, 오토바이 전소 1대 등으로 3억3천2백만원의 재산피해가 발생하였다(Son, 2015).
4.2 의왕시 포일동 아파트 지하주차장 화재
2013년 8월 20일(화) 03:56경 의왕시 포일동 소재 아파트지하1층 아파트에서 원인미상의 화재가 발생하였지만 준비작동식 스프링클러설비가 정상적으로 작동되지 않아 차량 155대 전소 및 그을림 등으로 2억5천만원의 재산피해가 발생하였다(Son, 2015).
4.3 용인시 보정동 아파트 지하주차장 화재
2014년 7월 14일(월) 03:23경 용인시 보정동 소재 아파트지하2층 주차장에서 차량 내 화원방치로 화재가 발생하였지만 준비작동식 스프링클러가 작동하지 정상적으로 작동하지 않아 차량 3대 전소, 4대 부분소실, 122대 그을림 등 2억5천만원의 재산피해가 발생하였다(Son, 2015).
5. 지하주차장 스프링클러 배관 온도 측정
5.1 측정대상 및 방법
2015년 11월부터 2016년 2월까지 경기도 수원시 소재한 지하주차장 3개 층 이상이 있는 건물 2개소를 선정하여 외부온도의 영향을 가장 많이 받는 주차장램프 부근 스프링클러 배관을 Fig. 4와 같이 Table 1의 적외선온도계를 이용하여 온도 측정하였다.
Table 1
Infrared Thermometer (IR-806)
Table 2의 측정대상은 지상층이 없는 종교시설로 평상시는 사용을 하지 않고 예배를 보는 날만 사용하고 있으며 환기시설(강제FAN방식)으로 필요시에만 사용 중이고 지하 1층은 건축법상 지하이지만 2변이 지상으로 지하로 보기 힘들어 측정에서는 제외하였다.
Table 2
Measuring the temperature Building
Table 3의 측정대상은 숙박시설로 평상시 환기시설(급배기식)을 1일 4회 실시하고 있으면 지하 1층은 직원식당 등으로 사용하고 있다.
5.2 측정결과
측정대상 모두 외부온도 영향이 가장 많이 받는 지하 2층은 외부 기온에 따라 영하의 온도로 측정되어 동결의 우려가 있었다. 교회건물의 경우 Fig. 9와 같이 지하 3층부터는 외부 온도가 영하 10°C이하 일 경우에도 배관의 온도가 영상으로 측정되어 동결우려가 없는 것으로 측정되었다.
Fig. 10의 호텔 측정결과를 보면 외부 기온이 영하 10°C이하 시 지하 3층도 영하의 온도로 측정되어 동결우려가 있는 것으로 나타났다.
측정결과 지하주차장의 진출입을 위해 차량램프 개수와 층별 진출입 등의 형태 및 외부공기를 이용하는 환기설비 작동여부에 따라 지하 3층 온도차이가 3.8°C정도 발생하지만 지하 4층부터는 외부기온과 관계없이 동결우려가 없는 것으로 볼 수 있다. 향후 측정대상을 확대하고 외부 기온에 따른 각 건축물의 층별 온도를 예상할 수 있도록 연구를 진행하고자 한다.
6. 결론
현재 소방법규에서는 ‘동결’에 대한 정확한 온도 규정이 없다. 하지만 미국에서는 NFPA 13에서 수온이 40°F(4°C)미만이 되지 않도록 규정하고 있어 우리나라에서도 이 부분을 명확히 명문화 되어야 할 필요가 있다.
이번 연구를 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 지하주차장 마다 출입방식이 다양하고 층고 및 운영방식이 다양하여 지하층의 층별 온도가 다양한 차이를 보이고 있다.
2) 지하 4층부터는 외부기온과 관계없이 배관온도가 영상으로 동결우려가 없는 것으로 볼 수 있다.
3) 지속적인 연구를 통하여 토목분야에서 사용하고 있는 동결지수처럼 건축물 지하층에 대한 동결 지수를 제시하고자 한다.
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