1. 머리말

랙크식 물류창고는 가연물 하중이 매우 높고 랙크식 물류창고 화재는 가연물 하중이 높고 화재확산이 급격한 특성이 있어 조기에 화재를 감지하여 화재를 진압하는 것이 매우 중요하다. 랙크식 물류창고는 저장품의 종류, 양 및 배치상태가 일반 건축물의 수용품과 매우 다른 형태를 가지고 있어 화재위험과 특성도 다르다. 특히, 랙크식 물류창고는 고천장화에 따라 높게 적재된 물품 등에 따라 시야확보가 어려워 화원을 발견하기 어렵고 일정시간이 지나 어느 정도 연소가 진행된 이후에 발견되어 대형화재로 이어지는 경우가 발생한다. 자동화 랙크식 창고는 천장이 높고 외벽에 창, 출입구 등의 개구부가 거의 없기 때문에 화재진압이 매우 어렵다.

화재감지기는 열, 연기 및 불꽃 등 화재로부터 발생되는 연소생성물을 감지하여 소화 및 피난활동을 도와주는 설비로서 화재성장에 따라 발생되는 연소생성물을 감지하여 화재를 알려주는 기기이다. 화재의 성장단계는 초기 열분해단계, 연기발생단계, 불꽃발생단계, 열발생단계로 구분할 수 있다. 가장 바람직한 화재감지기술은 인명안전을 위한 예방설비로써 화재의 성장단계 중 초기단계에서 발생되는 연소생성물을 감지하는 것이 가장 효과적이다. 기존 화재감지기는 이러한 연소생성물에 따라 열감지기, 연기감지기 및 불꽃감지기 등으로 구분된다. 랙크식 물류창고에 설치되는 대다수 화재감지기는 열, 연기 등 단일 연소생성물을 감지하는 방식이 주를 이루고 있어 조기 화재감지를 달성하지 못하는 문제점이 있다.

본 연구에서는 랙크식 물류창고 화재를 조기에 감지하여 진압하는 시스템을 제안하고 이 시스템을 실규모 랙크 구조물에 설치하여 화재 조기 감지 및 진압성능을 시스템이 설치되지 않은 경우와 비교 분석하였다. 랙크식 물류창고 화재를 조기에 감지하기 위한 화재감지기는 다중센서 기반의 복합형 화재감지기이고, 화재진압시스템은 화재감지기와 연동하는 집중형 스프링클러 시스템을 제안하였다. 실험에 사용된 실규모 랙크 구조물은 2단 랙크 구조물과 4단 랙크 구조물이다. 실규모 랙크 구조물에 제안된 복합형 화재감지기와 집중살수식 소화시스템을 설치하여 랙크 화재 시 화재감지 응답특성과 화재진압 성능을 분석하였다.

2. 본문

가. 다중센서 복합형 화재감지기

본 연구에서는 물류창고 조기 화재감지기를 위하여 열, 연기, CO센서 및 카메라 복합형 화재감지기를 제안하였다. 열감지 센서는 써미스터(Thermistor)로 정온식 온도테이블과 화재상태를 보다 신속하게 판단하기 위하여 차동식 온도테이블을 같이 이용하였다.

연기감지 센서는 광전식 방식이고, CO센서는 접촉연소식이다. 영상 모니터링은 화재감지 센서의 화재유무 판단을 받아 영상을 촬영하여 수신장치에 전송한다. 영상 모니터링의 경우 영상 데이터 특성을 고려하여 LAN통신을 이용하였고, 이 경우 선로의 비정상적인 증대로 문제가 발생할 가능성이 있으므로 선로를 줄이기 위하여 P2P방식으로 각자 대 단위로 연결할 수 있도록 설계되었다.

나. 집중살수식 소화시스템

랙크식 창고의 화재는 송기공간을 통해 수직으로 신속히 확산되므로 극초기에 화재를 감지하고 화재발생 부분의 송기공간에 집중적인 살수를 할 수 있는 시스템이 필요하다. 이를 위해 구성된 집중살수식 소화시스템은 다음과 같이 구성된다.

(1) 전체 시스템의 구성

시스템의 구성은 복합형 감지기, 집중형 스프링클러 헤드, 배관시스템, 지능형 관제시스템을 특징으로 하며, 알람밸브로부터 가압송수장치와 수원까지인 1차 측의 구성은 종래의 습식 스프링클러 시스템과 동일하다. 집중형 스프링클러 시스템은 먼저 랙크 내부에 분포되어있는 인랙 화재감지기를 통해 화재의 발생을 감지한 후, 화재발생 여부와 발생 위치를 관제시스템에 전달한다. 관제시스템은 화재발생 위치를 인식하고 해당 위치를 중심으로 화재진압에 유효한 위치일 것으로 판단되는 인근 집중형 스프링클러 헤드 입상관의 전자밸브를 개방한다. 이후 개방형인 집중형 스프링클러 헤드를 통해 화원 인근과 그 직상부의 수직공간으로 집중적인 살수가 진행된다. 물 살수 도중에도 다른 감지기가 동작하여 화재가 확산된 것으로 판단되면 추가적인 전자밸브를 개방하여 화재확산을 방지한다. 이후 화재가 종료되거나 소방대에 의해 2차적인 진압이 이루어진다.

(2) 집중형 스프링클러 헤드

일반적인 스프링클러 헤드는 상부에서 하부로 골고루 물을 살수해야 한다. 이는 공간의 하부에 가연물, 즉 물이 도달해야 할 대상물이 분포되어있기 때문이다. 하지만 인랙 스프링클러 헤드의 적용대상인 랙크 적재 물품은 팰릿(Pallet) 단위로 적재되며, 그 수납 형태가 2차원적이 아닌 3차원적인 상황이다. 랙크식 창고에 설치되는 랙크 적재물품의 화재는 착화 후 송기공간을 통해 급격히 상승하게 된다. 이때 송기공간을 통해 상승하는 열기류와 화염의 온도를 낮추고 상승을 저지하기 위해서는 이 부분에 직경이 큰 물방울을 집중적으로 보내야 한다.

기존의 일반형과 인랙 스프링클러 헤드는 모두 평면적으로 볼 때 360°를 골고루 물을 분사하는 특징이 있지만, 송기공간으로의 물을 집중시키기 위해서는 물의 분사 형태가 달라져야 할 필요가 있다. 팰릿 단위 적재물품의 상부보다는 송기공간으로 액적크기가 큰 물방울을 집중해서 보내야 할 필요가 있다. 또한, 적재물품에 대한 살수의 사각지대가 없어야 하는데, 이를 위해 [그림 3]에서 보는 바와 같이 헤드를 배치할 경우 서로의 사각지대를 없애 각각의 송기공간에 물을 집중시키는 효과를 가져올 수 있다.

(3) 배관과 밸브 구성

랙크에서의 화재는 송기공간을 통해 신속히 화재가 확대된다. 실험을 보면 4단으로 적재된 10m의 적재물품 최상층까지 화재가 확대되는 데 걸린 시간은 불과 1분 20초이다. 그러므로 일반적인 인랙 스프링클러 헤드가 감열되어 물을 살수하기 시작하는 시간 동안 화재는 최상부까지 확산된다고 보아야 한다. 참고로 실험을 해보면 표준형과 속동형의 개방시간은 큰 차이가 나지 않는다.

화재의 발생사실을 화재감지기가 감지했을 경우 즉시 살수해야 하며, 화재가 발생한 송기공간의 하부에서 최상부까지를 동시에 살수해야 화재확산을 방지하고 진압을 수행할 수 있다. 그러므로 해당 위치의 수직으로 모든 헤드가 동시에 물이 나올 수 있도록 집중형 스프링클러 헤드는 개방형으로 해야 한다. 이는 각 위치의 하부에 설치된 전자밸브가 개방되면 하부의 물이 상부의 배관으로 유입되고 이후 개방헤드를 통해 거의 동시에 물이 살수되는 것이다. 이러한 배관의 구성에서 상부 개방헤드가 있는 배관부분이 아닌 전자밸브와 물이 있는 배관부분은 창고 바닥의 피트공간을 만들고 여기에 설치한다. 이는 2가지 장점이 있는데, 첫째는 배관이 피트공간에 있어 겨울철에 보온을 통한 물의 동파를 막는 데 유리하고, 둘째는 하부에 있으므로 전자밸브와 물이 있는 배관부분의 점검과 관리가 용이하다는 점이다.

(4) 지능형 관제시스템과 시스템 점검

집중살수식 소화시스템은 화재발생에 대한 복합형 화재감지기의 신속한 감지와 위치 정보를 기반으로 동작한다. 화재발생 위치는 각 감지기의 열과 연기 데이터 상승을 기반으로 추정할 수 있다. 위치가 추정된 경우 [그림 4]와 같이 해당 송기공간 주변의 헤드를 모두 개방하여 일제히 살수함을 통해 수직으로의 화재확산을 저지하고 화재를 진압한다. [그림 4]의 Case 3은 랙크 간 복도가 있는 경우인데 화재발생지역 건너편으로의 화재전파를 막기 위하여 건너편 헤드를 개방하여 물로써 열을 차폐하는 효과를 발휘하도록 하는 것이다. 화재가 확산되어 추가적으로 감지기가 동작하는 경우 이에 따른 추가적 배관 개방을 수행한다.

다. 실규모 화재실험

(가) 2단 랙크 구조물 실험

① 화재실험 개요

집중살수식 소화시스템은 국부적으로 방수를 집중하여 화재를 조기에 진압하는 시스템이다. 이를 위해 감지기 작동에 따른 솔레노이드 개방 Schedule을 구현하고, 작동 감지기 위치의 해당 솔레노이드 밸브를 개방하여 국부적인 집중살수에 따라 화재를 진압하게 된다. 집중살수식 소화시스템에 대한 화재진압성능을 검증하기 위하여 2단 랙크 구조물을 구축하고 화재실험을 실시하여 화재진압성능을 확인하였다.

② 실험장치 및 방법

2단 랙크 구조물을 구축한 다음 SP헤드를 설치하고, 그 부근에 화재감지기를 설치하였다. 화재감지기로 인하여 SP헤드의 살수장애가 발생하지 않도록 SP헤드를 화재감지기보다 아래에 위치하도록 설치하였다. 이후 송기공간(Flue space)에 N-heptane으로 점화하여 화재를 발생시켰다.

③ 실험결과 및 분석

2단 랙크 구조물의 송기공간 부분에 점화를 시키고 감지기 작동에 따라 솔레노이드 밸브를 개방시켜 화재진압성능을 확인하였다. 화재실험결과 감지기는 약 27초에 화재를 감지하였고, 솔레노이드 개방신호를 발신함과 동시에 펌프를 구동하였다. 펌프 구동에 따라 입상관을 통하여 SP헤드로 물이 방사되기까지 시간은 약 10초 정도 소요되었다. 화재감지기로 화재를 감지한 후 물이 방사되기까지는 약 40초 정도 소요되었다.

[그림 6]은 집중살수식 소화시스템 화재실험 장면을 나타낸 것으로 점화 후 약 10초가 경과된 시점에서 1단 가연물 중앙으로 화염이 상승하는 것을 볼 수 있고, 20초가 경과된 시점에서는 송기공간에서 2단 가연물로 화염이 급격하게 전파되는 것을 볼 수 있다. 30초가 경과된 시점에서는 공기공간 부분에서 2단 가연물로 화염이 크게 전파된 것을 볼 수 있으며, 이때 화재감지기는 화재임을 최종 판단하여 솔레노이드 밸브 개방 신호를 발신하였다. 펌프 구동과 함께 물이 이송되는 시간에 따라 약 40초경에 물이 방사되었다. 그림에서 보듯이 물 방사는 1단과 2단에서 집중적으로 이루어지는 형태를 확인할 수 있다. 집중살수에 따라 화재는 약 13초 경과된 시점에서 완전 진압되어 집중살수식 소화시스템의 화재진압성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.

(나) 4단 랙크 구조물 실험

① 화재실험 장치

2.8 m(가로) × 2.6 m(세로) × 12 m(높이) 크기의 실규모 랙크 구조물에 화재감지기와 집중형 스프링클러 헤드를 설치하였다. [그림 7]은 4단 랙크 구조물 실물을 나타낸 것으로 랙크의 각 모서리와 중앙에 화재감지기와 집중형 스프링클러 헤드를 설치한 다음 바닥 송기공간에 N-hepane을 점화시켜 화재를 발생시킨 다음 소화설비가 있는 경우와 없는 경우의 화재성상 차이를 비교하였다.

② 실험결과 및 분석

랙크식 물류창고 화재성상은 매우 급격하게 화재가 성장하는 특징이 있다. [그림 8]은 실규모 랙크 구조물에서 소화시스템이 없는 경우의 화재성상을 나타낸 것으로 30초가 경과되면 급격하게 송기공간으로 급격하게 화염이 확산되는 것을 볼 수 있다. 이러한 화염전파 특징이 있기 때문에 물류창고에서의 화재는 조기에 감지/진압하는 것이 중요하다.

[그림 9]는 본 연구에서 제시하는 집중살수식 소화시스템의 복합형 화재감지기가 화재를 감지하고, 소화설비를 연동시켜 화재를 진압하는 모습을 나타낸 것이다. 복합형 화재감지기는 29초에 화재를 감지하였고, 이에 따라 소화설비의 전자밸브를 개방시켜 소화수를 방출하고 약 50초 경과 시점에서는 화염이 상부로 전파되지 않고 완전히 진압되는 양상을 나타냈다. [그림 8]과 [그림 9]의 50초 경과 시점을 비교하면 확연히 화염전파 특성이 다른 것을 알 수 있다. 이 결과를 통해서 랙크식 물류창고 화재는 조기에 화재를 감지하여 진압하는 것이 중요하다는 것을 확인할 수 있다.

3. 맺음말

본 원고는 가연물 하중이 높고 화재 성장속도가 급격하게 빠른 랙크식 물류창고 화재를 조기에 감지 및 진압하기 위하여 집중살수식 소화시스템을 제안하고 2단 및 4단 실규모 랙크 구조물 화재실험을 통하여 소화시스템이 설치되지 않은 경우와 설치된 경우의 화재성상을 비교한 것이다. 집중살수식 소화시스템은 조기 화재감지를 위하여 다중센서를 이용한 복합형 화재감지기와 송기공간 등에 집중살수방식의 스프링클러 헤드 등이 포함된다. 실험 결과 집중식 스프링클러 시스템에 적용되는 화재감지기에 의해 랙크식 물류창고 화재의 조기 감지를 통하여 화재는 랙크 2단 이상으로 확산되지 않았고, 화재발생 시점부터 1분 이내에 화재가 진압되는 것으로 나타났다. 본 실험조건과 다른 다중 열의 구조를 가진 랙크 구조물의 경우 다른 결과가 나타날 수도 있지만, 집중살수식 소화시스템의 조기 화재감지 및 진압에 효과적인 것은 분명하다.

집중살수식 소화시스템은 랙크식 물류창고 화재를 조기 진압하는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다.