1. 서 론
최근 국내 물류창고건물은 유통산업의 수요에 맞추어 급속하게 대형화, 다층화되고 있으며 이에 따른 화재하중의 증가와 수직 화염확산 위험성 등으로 인명 및 재산피해를 최소화하기 위한 자동식소화설비의 대응능력이 더욱 중요하게 인식되고 있다.
물류창고에 적용되는 스프링클러설비의 신뢰성과 효용성은 정확한 헤드개방과 신속한 방수에 의한 화재제어 및 진압능력을 결정한다. 배관의 물이 방수되는 시간이 지연되면 대형 물류창고뿐 아니라 화재 시 전소의 우려가 높은 가연성 샌드위치패널 창고의 경우도 소화효과를 기대할 수 없다.
소화용수의 즉시 방수가 가능한 습식 스프링클러설비의 경우 겨울철 배관 동결과 배관누수 등 유지관리상 어려움 등으로 현장에서는 건식시스템을 선호하고 있다.
Kim and Lee (2016) 연구에 의한 경기도 소재 물류창고 현장조사결과, 겨울철에는 난방이 없이 대부분 영하의 기온을 유지함에 따라 소화시스템의 정상적인 작동을 기대하기 어려운 현실이다.
실제로 2008년 12월 이천 샌드위치구조 창고화재의 경우, 동파우려 때문에 스프링클러설비를 수동 상태로 유지하여 초기소화를 전혀 시도하지 못했다.
미국 NFPA 13에서는 창고 등 비난방 지역의 스프링클러는 습식배관에 부동액을 사용하도록 권장한다. 만일 설비의 일부가 동결우려가 있거나 온도 4 ℃ 이상으로 유지하기 어려울 때는 건식 또는 준비작동식을 적용한다. 아울러 단열 피복재, 열선, 순환식 온수배관, 부동액을 함유한 동결방지설비 등을 설비에 설치할 경우 급수관, 입상관 등의 소화배관은 동결우려로부터 방호될 수 있다고 규정한다.
국내 스프링클러설비의 화재안전기준에서는 수조, 가압 송수장치 및 배관에 대하여 동결방지조치를 하거나 동결의 우려가 없는 장소에 설치하도록 규정하고 있으나 물류 창고 등의 경우, 별도의 규정이 없어 화재발생빈도가 가장 높은 겨울철 화재에 취약하다. 기상청 날씨누리에 의하면 물류창고의 대부분이 소재하는 경기도의 최근 10년간 겨울철온도는 지역별로 –15 ℃ 내지 –25 ℃로 확인되어 동결방지대책이 시급함을 알 수 있다.
배관 동결방지기법은 난방법, 단열법, 가열법, 건식 배관법, 유동법, 매설법, 냉풍 차단법, 부동액 사용방식 등이 있으며(Ji, 2010), 국내 물류창고는 주로 배관에 열선을 감는 가열법 또는 메탈히터방식을 사용하고 있다.
열선방식은 보온재 내에 매립하여 시공하기 때문에 화재는 물론, 열선의 교체공사의 어려움이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 개발된 메탈히터방식은 가온장치로 배관외부에 일정 간격을 두고 설치하여 배관의 일정부분에 열을 집중시켜 열을 전달시켜 동결방지조치를 하는 방식을 말한다(Nam et al., 2018). 정상작동 유무는 메탈히터에 부착된 LED로 판단하는데 대부분 천장에 설치되어 있으며 물류창고 특성상 층고가 높고 상시 점등되어있는 상태로 육안으로 확인이 어렵다. 또한 기존 열선과 달리 부분적으로 열을 공급하는 방식으로 메탈히터가 설치되어있지 않은 부분의 동결여부를 판단할 수 없어 상시 작동시켜야 하는 것이 현실이며, 메탈히터의 장점인 온도센서로 인한 자동 ON-OFF방식은 전력소비가 크기 때문에 겨울철에 상시 작동시키는 문제점이 있다.
이러한 배경에서 본 연구에서는 물의 연속순환이 가능한 루프식의 배열구조가 되도록 습식 배관을 적절히 연결한 상태에서 물의 순환과정에서 펌프의 임펠러와 물의 마찰에 의해 필연적으로 발생되는 열에 의한 수온상승 실험을 통하여 물류창고의 배관 동결방지의 새로운 기법을 제시하고자 한다.
2. 동결배관방지 실험
2.1 동결방지기법
동결방지실험을 위하여 물의 연속순환을 이용한 유동법, 부동액 사용법 및 펌프가 작동될 때 발생하는 열을 이용한 순환법을 선정하였다.
먼저 흐르는 물은 얼지 않는다는 점을 이용하여 배관 내 일정 유속을 부여하고 배관 부식성이 가장 낮은 에틸렌글리콜 부동액을 주입하였다. 아울러 펌프가 작동하면서 발생하는 열에너지를 이용하는 순환법을 병용하였다.
2.2 실험 개요
1차실험은 부동액 농도 0%, 10%, 20% 조건에서 배관 유속을 1.0 m/s와 2.0 m/s로 설정하고 동결방지성능을 확인하였다.
2차 실험은 순환펌프의 작동 시 발생되는 열에 의한 온도상승 효과 실험을 진행하였다.
실험 장치는 Fig. 1과 같이 소화배관, 드럼(Water drum) 및 물의 흐름과 동결여부를 육안으로 확인할 수 있는 투명관으로 구성하였다. 배관은 KS D3507 50A이며 유량계 및 배관내부 온도측정용 장치를 설치하였다.
드럼은 지름 60 cm, 길이 80 cm이며, 하부 1개, 상부 2개의 칸막이를 지그재그로 드럼 내부에 설치하여 수온을 일정하게 유지하였다.
항온조의 규격은 폭 400 cm, 너비 322 cm, 높이 300 cm이며 순환펌프는 압력조절이 가능한 인버터형 200 LPM, 양정 25 m이다.
3. 유동법 및 부동액 사용법 실험
3.1 실험방법
겨울철 온도분포자료를 토대로 설정농도의 부동액에 따른 배관의 빙점도달 시간을 측정하는 경우 –20 ℃, 유동법에 의한 배관의 온도를 상승시키는 경우 –10 ℃로 내부온도를 설정하였다. 투명관을 기준으로 배관 내 수온이 0 ℃에 도달한 시점에서 펌프를 가동하고 개폐밸브의 조작을 통하여 설정유속을 유지하였다. 이후 투명관 속을 면밀히 관찰하면서 살얼음이 발생하는 시점의 실내 온도와 배관온도를 확인하였으며 농도별로 해당 어는점에서 10분간 1.0 m/s, 2.0 m/s의 유속조건에서 온도 상승값을 측정하였다(Table 1).
3.2 실험결과
3.2.1 부동액 농도별 빙점 도달시간
부동액 농도별 빙점을 측정한 결과, 농도 20%, 실내 온도 –20℃ 에서는 약 32분 경과 후에 투명관의 내부 온도 –7℃에서 살얼음이 확인되었다. 부동액 농도 10%의 경우, -4 ℃까지 약 18분 경과 후에 배관내부에 살얼음이 생성되었다. 측정 결과는 Table 2와 같으며 여기서 ① 투명관, ② 유량계를 나타낸다.
3.2.2 부동액 농도별 유속에 따른 온도상승
부동액 농도별 빙점을 기준으로 배관부위에서 유속을 부여하여 수온변화 실험을 진행하였으며 그 결과는 Tables 3~5와 같다. 부동액 농도 20%일 때, 1.0 m/s의 유속에서 펌프가 작동하는 경우에는 투명관 및 유랑계에서 각각 1.8 ℃, 2.9 ℃ 평균 약2.4 ℃가 상승하였다. 유속 2.0 m/s의 경우에는 이보다 약간 높은 평균 약 2.5 ℃가 상승하였다. 부동액 농도 10%일 때, 1.0 m/s의 조건에서는 평균 약 1.1 ℃, 2.0 m/s에서는 평균 약 3.2 ℃의 배관의 수온상승효과를 확인하였다. 부동액 사용이 없는 0% 조건에서는 1.0 m/s에서 평균 약 1.8 ℃, 2.0 m/s에서 평균 약 0.8 ℃가 상승하였다.
루프배관에 설치된 투명관과 유량계 위치에서의 수온상승은 거의 유사한 결과를 보이지만 상대적으로 물의 용량이 많은 드럼에서는 유속조건하에 배관의 물이 혼입되면서 수온이 가장 낮아지게 되며 이에 따라 펌프 작동후의 온도상승 값의 편차를 보여주고 있다.
실험결과, 배관의 유동조건 및 부동액 주입에 따른 빙점 강하효과와 농도별 설계온도를 확인할 수 있었다.
4. 펌프 순환법 실험
4.1 실험방법
1차 실험과 동일한 실험장치에서 항온조 외부에 펌프를 설치하고 외부 배관에 보온재를 통한 단열성을 유지하였다. 드럼의 외면에는 두께 3.2 mm 방열 Fin을 부착하였다.
항온조를 가동하기 전 배관에 물을 채우고 내부 온도는 물의 빙점(氷點)인 0 ℃로 설정하였다. 이후 펌프를 작동시켜 설정유속이 되도록 개폐밸브를 조절하였다. 배관과 항온조의 온도가 오차범위 ±0.5 ℃ 이내가 되면 항온조의 작동을 중지시킴과 동시에 펌프를 작동하여 1분 단위로 15분간 실내온도와 배관의 온도를 측정하였다.
본 시험에 설치된 펌프의 주요사양은 다음과 같다.
- 펌프의 종류: 원심펌프
- 정격의 축동력: 3.5 kw
- 정격의 축회전수: 3500 RPM
- 정격토출유량: 200 lpm
- 정격토출압력: 2.5 kg/cm2
4.2 실험결과
실험은 항온조와 배관 내부와의 열전달을 차단하기 위하여 0도 조건에서 수행하였다.
실험결과, 압력 0.9 kgf/cm2, 유량 120 LPM의 조건에서는 1차 실험과 동일하게 투명관을 기준으로 1.4℃에서 1.7 ℃로 상승하였고 전체 배관이 15분간 평균적으로 1.2 ℃가 상승하였으며 실내온도는 1.6 ℃ 상승하였다. 압력 2.5 kgf/cm2, 유량 200 LPM일 때, 투명관 기준으로 0.3 ℃에서 3.2 ℃로 상승하였으며, 전체 배관이 15분간 평균 2.7 ℃ 상승하였고, 실내온도는 1.8 ℃ 상승하였다(Tables 7~8).
펌프작동 전의 드럼수온, 유량계 수온 및 투명관 위치, 수온간의 온도편차를 반영하여 펌프작동 후 1분 경과시점을 기준시점으로 14분이 경과한 시점까지 펌프에서 제공된 열량은 다음과 같이 산출하였다.
a) 시험장치에서 물의 증가열량 (드럼 1647.3 kj + 배관 22.1 kj)
b) 항온조 내부공기 증가열량(40.9 k)
c) 탄소강 배관의 증가열량(드럼 43.6 kj + 방열 Fin 87.8 kj + 실내배관 17.8 kj+ 실외배관 20.6 kj)
여기서 펌프 제공열량 합계 1880.1 kj를 초당 열에너지로 환산하면 1880.1 kj / 840 s ≒ 2.24 kw 가 산출된다.
펌프 임펠러의 회전수 변화에 따른 토출유량, 토출압력 또는 회전동력의 변화량 간에는 상사칙(相似則, Affinity law)이 항상 성립되므로 계산과정에서 펌프의 제공열량을 산출하는 데에 이용하였다. 이를 기준으로 물류창고 소화배관 수용규모에 적응한 순환펌프의 사양설정이 가능하다.
아울러 배관별 온도센서가 설정온도에 도달하면 신호를 발생시켜 제어반을 통해 순환펌프를 작동시키고 수온이 상승하여 모든 온도센서가 설정온도에 도달하면 정지하는 ON-OFF 방식을 적용한다. 가열된 물의 열방출 방지를 위하여 나노세라믹등의 단열재를 이용하여 동결방지 효용성을 높일 수 있다.
5. 결 론
본 연구는 동결방지기법에 따른 소화배관 내부 온도상승 효과에 관련된 기초적 자료를 구축하기 위한 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 부동액 사용법에 따른 실험결과, 20% 농도에서는 –7 ℃까지, 10%에서는 –4 ℃까지 배관내부 동결방지가 가능함을 확인하였다.
(2) 부동액 농도별 유속조건하의 온도상승 실험결과, 1.0 m/s의 유속에서는 20%, 10%, 0% 농도에서 각각 평균 2.4 ℃, 1.1 ℃, 1.8 ℃가 상승하였으며 2.0 m/s의 유속에서는 각각 2.5 ℃, 3.2 ℃, 0.8 ℃가 상승하였다.
(3) 펌프의 작동에 의한 순환법 실험에서는 압력 0.9 kgf/cm2, 유량이 120 LPM일 경우 1.2 ℃, 압력 2.5 kgf/cm2, 유량이 200 LPM일 때 2.7 ℃가 상승하였다.
(4) 순환펌프의 회전차(Impeller)와 물간의 마찰에 의해 생성되는 열로 인하여 습식 소화배관을 영상으로 유지하는 새로운 동결방지기법을 제시하였다.
순환펌프의 사양설정을 위한 본 연구결과를 기반으로 순환을 위한 배관 주행방식과 스프링클러 헤드용 가지배관에서의 동결방지를 위한 물 순환기법에 대한 추가 연구가 필요하다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
