1. 머리말

국내 소방청 국가화재정보시스템에 따르면 최근 10년 동안 발생한 다중이용업소 화재는 노래연습장, 유흥주점 및 고시원 등에서 많은 인명피해가 발생하였는데 이는 업소의 형태가 칸막이 등으로 구획된 실과 좁은 통로 등 화재 시 피난안전에 더욱 취약하기 때문이었다. 따라서 업종별 내포된 위험성을 파악하고 적절한 화재진압성능을 가진 신뢰성 있는 소화설비를 설치할 필요가 있다. 그러나 현재 국내에서 스프링클러를 설치하는 소방대상물보다 비교적 규모가 작은 다중이용업소 등에 설치하고 있는 간이스프링클러설비는 NFPA 13D에 규정된 주거공간의 화재에 적합한 감도, 방수량, 살수분포를 갖도록 개발된 ‘주거형 스프링클러’를 국내에 그대로 도입한 것으로, 주거형 스프링클러의 목적은 화재 시 조기에 개방되어 거실의 벽면 상부까지 살수하고 천장 기류 및 호흡선의 열기류 온도를 낮추어 거주자의 원활한 피난을 돕기 위한 화재제어(fire control)이다. 즉 신속한 피난에 도움이 되도록 개발된 것으로 주택 등의 구획된 실에 적응성이 있는 방호설비라고 말할 수 있다.

미국의 경우 주거형 스프링클러는 UL 기준이나 ISO 6182-10에 따라 방수량시험뿐 아니라 실규모 화재시험을 실시하여 화재제어성능을 확인하고 있으나, 국내의 경우 간이스프링클러 관련 기준에서는 방수량시험, 살수분포시험 등을 통해 화재제어성능을 간접적으로 확인하고 있는 실정이다. 따라서 국내의 특별한 업종 형태인 다중이용업소에 설치하는 간이스프링클러의 화재 제어성능을 확인할 수 있는 화재시험이 필요하며 합리적인 시험방법의 개발을 위해서 주택보다 화재하중 및 위험성이 증강된 화재시험을 모사하기 위한 맞춤형 연료 패키지 개발이 필요하다고 판단된다.

본 연구에서 기존의 주거형 스프링클러 국제표준인 ISO 6182-10에서 화원으로 사용하는 모형 가구의 폴리에틸렌 폼(PUF)을 활용하여 선행연구와 다중이용업소 현장 조사 결과를 바탕으로 합리적인 화재위험도가 반영된 새로운 표준모델을 개발하고자 하였으며 선정된 연료 패키지를 이용해 다양한 실규모 화재시험을 실시하여 개발된 표준모델의 유효성을 확인하였다.

2. 실규모 화재시험 표준모델 개발 방안

가. 다중이용업소 화재시험을 위한 화원의 종류 선정

다중이용업소에 설치하는 간이스프링클러의 화재실증시험을 위한 표준모델은 간이스프링클러의 기반이 되는 주거형 스프링클러의 국제표준인 ISO 6182-10에 규정된 실규모 화재시험 방법을 기본으로 하여 여기에 사용된 화원인 모형 가구 대신 다중이용업소의 화재 위험성을 반영한 표준가연물을 선정하여 개발하고자 하였다. 따라서 화재실증시험에 적용할 가연물은 다중이용업소 중 화재 위험도, 즉 화재하중이나 화재성장률이 높은 노래연습장 및 유흥주점 등을 대상으로 선행연구와 현장조사를 통해 선정하고자 하였다.

본 연구에서 31개의 다중이용업소를 현장 조사한 결과 노래연습장 및 유흥주점 등의 경우 가연물은 주로 소파, 테이블, 모니터, 음향기기, 에어컨 등으로 이루어져 있는 것으로 확인되었는데 주거시설의 대표적인 가연물을 선정하여 Furniture Calorimeter 실험을 실시한 선행연구에 따르면 소파와 서랍장은 Fast, 의자와 탁자는 Medium, TV 등 가전제품은 Slow에 해당하였다. 따라서 다중이용업소의 화원은 이를 반영하여 화재성장속도가 가장 빠른 다인용 소파로 선정하였다.

나. 콘칼로리미터를 이용한 화원의 크기 선정

ISO 6182-10에 따르면 주택화재를 모사한 화원은 소형 목재크립과 모형 가구를 조합한 연료 패키지를 사용하고 있는데 본 연구에서 다중이용업소 화재를 위해 증강된 화원인 모형 소파는 그림 1과 같이 3인용으로 선정하고 모형 가구에 사용하는 표준 폴리우레탄 폼(PUF)을 이용하여 선행연구를 참고해 개당 600㎜(W)×600㎜(L)×100㎜(D) 크기의 폴리우레탄 폼(PUF) 6장으로 제작하였다.

선정한 모형 소파의 정량적인 화재크기인 열 방출률을 비교하고자 라지스케일 콘칼로리미터를 이용하여 목재크립과 모형 가구, 모형 소파의 열방출률을 측정한 결과 그림 2와 같이 목재크립과 모형 가구의 최고 열방출율(p-HRR)은 각각 90, 160kW/, 모형 소파는 360kW/인 것으로 나타나 주거형 연료 패키지보다 50%가량 증가되었으며, 선행연구에 나타난 다중이용업소의 화재 크기와 부합하는 것으로 판단된다.

[그림 1] 모형 소파

[그림 2] 화원별 열방출율 비교

다. 실규모 화재시험을 위한 화재시험실 및 시험방법 수립

(1) 화재시험실

다중이용업소 간이스프링클러의 화재시험을 위한 화재시험실은 본 간이스프링클러의 국제표준인 ISO 6182-10의 모형화재실을 준용하였다. 다만 화원인 연료 패키지는 2.2절에서 선정한 연료 패키지를 적용하여 다중이용업소의 화재 환경을 모사하고자 하였다. 이 기준에 따르면 화재시험실의 크기는 간이스프링클러의 방호면적에 따라 정해지는데 간이스프링클러의 기준개수는 2개이므로 화재시험실의 크기는 간이스프링클러 두 개가 차지하는 방호면적, 즉 방호폭 × 방호길이의 2배로 선정하였다. 국가화재안전기준에 따르면 간이스프링클러의 수평거리는 2.3m이므로 이를 적용하면 실제 방호폭과 방호길이는 각각 3m와 3.5m가 된다. 따라서 화재시험실의 크기는 3m(W) × 7m(L)로 하였으며 천장높이는 현장조사 결과 다중이용업소 중 최고높이인 3m로 적용하여 원래 기준인 2.4m보다 가혹한 조건을 모사하였다. 화재시험실의 평면도는 그림 3과 같다. 화재시험 동안 열기류의 온도는 소선지름 0.6mm의 K형 열전대와 10채널 온도수집장치를 사용하여 초당 1회씩 측정하였으며, 간이스프링클러는 국내 형식승인을 받은 상용 간이스프링클러(K50)를 사용하였다. 간이스프링클러의 사양은 [표 1]과 같다.

[표 1] 간이스프링클러 사양

항 목	사 양	비고
작동온도	72℃	국내 형식승인제품
최고사용주위온도	39℃
표면처리	니켈-크롬 도금
접합부나사규격	15A(PT   1/2″)
구경(Orifice Size)
내압시험압력	2.5MPa
방수량
살수반경	r 2.6m

[그림 3] 모형화재실 평면도

(2) 화재시험절차 및 시험방법

다중이용업소 간이스프링클러의 화재제어성능 검증을 위한 화재시험절차는 다음과 같다.

(3) 성능 요건

일반적으로 소화설비의 화재시험에 있어 스프링클러와 같은 화재제어를 목표로 하는 소화설비의 성능은 열기류의 온도제어 여부로 판단하게 된다. 본 시험에서 화재제어 요건은 천장 기류와 호흡선의 온도로 판단하며 아울러 화원 직상부의 천장재 온도도 판단 대상이 된다. 또한 두 개의 간이스프링클러로 화재가 제어되어야 하므로 화원 반대쪽 출입문 근처에 설치된 스프링클러가 작동하지 않아야 한다. 이상의 성능요건을 정리하면 다음과 같다.

라. 연료 패키지의 표준모델 구축을 위한 점화원 적용방안

다중이용업소 간이스프링클러의 화재시험에 사용할 연료 패키지의 표준모델 구축에 있어 점화원의 적용방법에 따라 화재의 성장 특성은 크게 달라지게 된다. 따라서 여러 가지 화재상황을 고려하여 최적의 점화원 및 점화방식을 적용하고자 하였으며 이를 통해 도출한 연료 패키지의 모형은 소파 아래에 놓인 쓰레기통 또는 담배꽁초에 불이 붙어 소파 하부로 전파 및 확대되는 화재로 현실적으로 가장 가능성이 높은 화재시나리오이다. 화원은 작은 점화원을 모사한 헵탄캔을 사용하며, 소파는 화재실 구석인 모퉁이에 배치하고 벽체와는 소파 옆에 수직으로 다른 소파가 배치되어 있는 조건을 감안하여 좌석 깊이만큼 이격시킨다. 선정한 연료 패키지의 적용 모습은 [그림 4]와 같다.

[그림 4] 연료 패키지의 표준모델 선정을 위한 가연물과 점화원 적용 모습

3. 실규모 화재시험 결과 및 고찰

가. 점화원에 따른 모형 소파 화재시험 결과 비교

본 연구에서 다중이용업소 간이스프링클러의 화재제어성능 검증을 위해 개발한 연료 패키지의 유효성 확인을 위하여 앞에서 언급한 ISO 6182-10의 시험절차에 따라 상용 간이스프링클러에 대해 주거용 연료 패키지(모형 가구)와 다중이용업소용 연료 패키지(모형 소파)에 대한 화재시험을 실시하고 결과를 비교해 보았다. 이를 위해 각 연료 패키지에 대해 3회씩 화재시험을 반복 실시하여 열기류의 온도변화를 계측하고 [그림 5~6]에 나타내었다.

먼저 [그림 5]에서 보듯이 3차례 화재시험에서 얻은 천장 기류의 평균온도는 모형 소파를 사용한 다중이용업소 연료 패키지 화재시험에서 주거용 연료 패키지인 모형 가구보다 같은 지점에 대해 최고 77℃ 높게 나타났다. 특히 모형 소파 화재 시 천장 기류의 온도는 스프링클러가 작동한 시점 이후에도 계속 증가하여 소화수가 방출되는 동안에도 일정 시간 화재가 성장하는 특징을 나타내고 있다. 반면 모형 가구는 스프링클러의 작동과 함께 바로 기류온도가 감소하며 쉽게 제어되는 것을 볼 수 있는데 이를 통해 새로운 연료 패키지의 화재성장률이 더욱 높게 반영되었다는 것을 뚜렷이 알 수 있다. 참고로 두 화재시험에서 스프링클러의 작동 시점이 다른 이유는 모형 가구는 가연물에 면심지로 직접 점화하여 점화 직후 바로 화재가 성장하지만 모형 소파는 소파 아래 헵탄캔에 의해 서서히 화재가 전파되어 성장하기 때문이다.

한편 호흡선의 평균 기류온도는 [그림 6]과 같이 거의 비슷하게 나타났다. 모형 소파의 화재가 상대적으로 크게 성장하여 천장 기류의 온도도 다소 높게 나타났지만 스프링클러의 화재제어가 적절히 이루어지면서 호흡선의 기류 온도는 큰 차이가 없었다.

[그림 5] 주거용 및 다중이용업소용*
화재시험의 천장 기류 평균온도 비교

[그림 6] 주거용 및 다중이용업소용*
화재시험의 호흡선 평균온도 비교

나. 방수량에 따른 화재제어성능 비교

이번에는 다중이용업소 간이스프링클러의 화재제어성능 검증을 위해 개발한 연료 패키지(모형 소파)를 화원으로 하여 간이스프링클러의 최소사용압력인 1bar(0.1 MPa)에 못 미치는 방수압력으로 소화수가 방출되었을 때 화재제어성능 유지 여부를 관찰하기 위해 최소사용압력 보다 30% 가량 저하된 0.7bar(0.07 MPa)로 방수 시 화재시험을 실시하여 규정압력일 때의 화재시험 결과와 비교하였다.

스프링클러의 방수량은 유량계수(K)와 방수압력의 제곱근(√P)과의 곱으로 구해지는데 국내에서 간이스프링클러는 공히 K50의 제품이 사용되고 있으므로 0.7bar로 방수 시 분당 약 42L의 소화수가 방출된다. 이는 규정압력에 비해 매분 약 8L의 방수량이 부족한 조건인데 스프링클러의 화재진압 원리인 냉각소화 효과, 즉 소화수의 침투로 인한 냉각작용으로 화재를 진압하는 효과가 반감되어 화재제어능력에 큰 영향을 미치게 된다.

0.7bar의 방수압력으로 실시한 3차례의 화재시험에서 상용 간이스프링클러는 형식승인을 받은 제품임에도 불구하고 모두 화재제어에 실패하였다. 새로운 연료 패키지인 모형 소파의 화재성장률을 이기지 못하고 벽체로의 화재 전파를 유효하게 막아내지 못하며 화재실 모퉁이를 통해 천장으로 급격히 화재가 성장하여 천장 기류의 최고온도가 600℃ 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 호흡선의 최고온도도 100℃ 이상 증가하여 재실자의 안전한 피난이 불가능해지는 것을 관찰할 수 있었다. [그림 7~8]은 방수압력 1bar 및 0.7bar에서 각각 3차례 화재시험을 실시하여 얻은 천장 기류 및 호흡선의 온도를 평균하여 그래프로 나타낸 것이다.

[그림 7] 다중이용업소용 연료 패키지 방수압력에 따른
천장 기류 평균온도 비교 [*:1bar,**:0.7bar]

[그림 8] 다중이용업소용 연료 패키지 방수압력에 따른
호흡선 평균온도 비교 [*:1bar,**:0.7bar]

이상의 화재시험 결과로부터 다중이용업소 간이스프링클러의 화재제어성능 검증을 위해 개발한 연료 패키지의 형태 및 크기는 적절하게 설계되었으며 유효하다고 판단된다. 이러한 표준모델의 적용을 통해 다중이용업소에 설치하는 간이스프링클러의 성능인증이나 형식승인에 표준시험방법으로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

4. 맺음말

본 연구에서 다중이용업소에 설치하는 간이스프링클러의 화재 안전성을 제고하고 효과적인 화재진압성능의 검증을 위해 필요한 표준 화재시험 모델을 개발하고자 국내외 화재시험기준 및 선행연구를 조사하여 모형화재실 및 연료 패키지를 선정하였으며, 또한 이를 적용하여 상용 간이스프링클러에 대해 다양한 화재실증시험을 실시하고 개발한 표준모델의 적합성을 살펴보고자 하였다.

화재실증시험 결과 간이스프링클러의 최소사용압력(0.1MPa)에서 정상적으로 방수되면 피난에 필요한 최소 피난소요시간 동안 일정온도 이하로 화재제어가 가능한 것으로 나타났으며, 방수압력 미달 시 방수량이 줄어들게 되면 화재제어능력을 상실하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라 개발된 표준모델은 다중이용업소에 적용한 간이스프링클러의 성능검증에 유효할 것으로 사료된다. 또한 화재크기가 증가된 다중이용업소용 연료 패키지를 적용하였을 때 천장 기류의 온도분포가 주거용 연료 패키지를 사용한 화재보다 다소 높게 나타나는 것을 알 수 있어 다중이용업소에 적용하는 간이스프링클러는 충분한 수준의 화재진압성능을 얻기 위해서 기존의 주거형 스프링클러보다 방수성능이 향상되어야 할 필요가 있을 것으로 판단된다.

참고문헌