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Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 33, No. 3, pp. 46-51, June 2018 Copyright@2018 by The Korean Society of Safety (pissn 1738-3803, eissn 2383-9953) All right reserved. https://doi.org/10.14346/jkosos.2018.33.3.46 간이스프링클러설비의소화성능향상에관한실험적연구 허민녕 신창섭 * 한국소방산업기술원 * 충북대학교안전공학과 (2017. 11. 27. 접수 / 2018. 3. 13. 수정 / 2018. 5. 29. 채택 ) An Experimental Study on Improvement of Fire Extinguishing Performance of Basic Sprinkler System Min Noung Hur Changsub Shin * Korea Fire Institude * Department of Safety Engineering, Chungbuk National University (Received November 27, 2017 / Revised March 13, 2018 / Accepted May 29, 2018) Abstract : A basic sprinkler system is a fire extinguishing system that can be easily installed in a fire-vulnerable place such as a publicly used establishments. However, the publicly used establishments are not only complicated in structure, but also have a large amount of flammable interior materials, and the users are not normally in a normal state, which is a very dangerous fire-fighting object. Therefore, due to the low fire extinguishing performance of the basic sprinkler system installed in the publicly used establishments, the fire suppression control can not be performed quickly in case of fire, which may increase the life and property damage. In this study, the cases of quantitative changes of extinguishing water used in basic sprinkler system and the cases of addition of additives such as wetting agents, reinforced agents to improve extinguishing performance were compared. Experimental results showed that the extinguishing performance was improved as the quantity of extinguishing water increase and the reinforced agents showed similar performance to that of 60% increase in the amount of extinguishing water. The cooling time to 200 and oxygen concentration were improved up to 14.3% and 34.5%, respectively. In the case of using the wetting agent, the cooling time to 200 and oxygen concentration did not show any significant improvement, but showed the effect of preventing deep seated fire. In order to prevent loss of life and property, it is necessary to improve the performance of the basic sprinkler system by increasing amount of extinguishing water or using additives like reinforced agents. Key Words : basic sprinkler system, extinguishing performance 1. 서론 간이스프링클러설비는 다중이용업소의안전관리에관한특별법 및 화재예방 소방시설설치유지및안전관리에관한법률 에따라다중이용업소, 노유자시설등에설치되는소화설비이다. 다중이용업소는불특정다수가이용하는다양한영업시설로서대다수가소규모인건축물로안전관리보다는영업활동에주안점을두고건축물을운용하고있어소방시설및피난시설등의유지 관리가원활하게이루어지지않고있다. 다중이용업소는미로와같은내부구조로이루어진경우가많고, 이용자가건물구조에익숙하지않은상태로화재시신속한피난의확보가곤란하 며, 이용자는음주등으로인해정상적인상태가아닌경우가많아화재시발생되는유독가스나연기등에의해공황에빠질우려가커인명및재산피해의우려가큰소방대상물이다. 소방청화재현황통계 1) 에따르면다중이용업소에서발생하는화재는 2014 년 586 건, 2015 년 552 건, 2016 년 794 건이발생하였고, 그로인한인명피해는 27 명, 35 명, 69 명재산피해는 33 억원, 30 억원, 43 억원으로지속적으로피해가발생하고있는추세이다. 국내의경우 1995 년부산자이안트노래방화재 ( 사망 8, 부상 3) 서울진실노래방화재 ( 사망 8, 부상 3), 1996 년서울롤잉스톤락카폐화재 ( 사망 12 명, 부상 2 명 ) 등대형사고가발생한화재이후안전관리규정이강화되었다. 다중이용업소에대한소방시설완비증명제도가 Corresponding Author : Changsub Shin, Tel : +82-43-261-2461, E-mail : csshin@chungbuk.ac.kr Department of Safety Engineering, Chungbuk National University, 1 Chungdae-ro, Seowon-gu, Chungju 28644, Korea 46

간이스프링클러설비의소화성능향상에관한실험적연구 확대실시되고, 다중이용업소등에설치되는소방설비에대한설치기준인 다중이용업소의소방시설등의화재안전기준 이 2004 년제정되어체계적으로소방시설을설치하도록하고있으며, 2007 년 다중이용업소의안전관리에관한특별법 이제정되어화재위험도가큰다중이용업소에대하여안전관리를강화화고있다. 현재운영중인 간이스프링클러설비의화재안전기준 2) 은 NFPA 13D (Standard for the Installation of Sprinkler Systems in One and Two Family Dwellings and Manufactured Homes) 를준용하여제정되었다. NFPA 13D 의경우방호대상을 1 가구나 2 가구의주택으로하여다중이용업소와같이다량의가연성실내장식물등이설치된불특정다수가이용하는시설에대한설비로서소화성능이다소미흡할우려가있다. NFPA 13 (Standard for the Installation of Sprinkler Systems) 에따른용도별위험등급을보면주거용도의경우경급위험등급으로분류되어높은수준의소방설비를요구하고있지않고있으나, 실제다중이용업소의화재하중에의해위험등급을산정해보면중급위험등급 3) 으로분류할수있어보다우수한소화성능을갖는소화설비를설치할필요가있다. 본연구에서는다중이용업소등의안전성확보를위해설치되고있는간이스프링클러설비에대하여표준화원에의한실화재시험을실시하여방수량의변화및첨가제의추가에따른화재실온도변화, 실내산소농도변화등을측정하여간이스프링클러설비의소화성능을향상시킬수있는방안을모색하고자한다. 2.1 실험조건 2. 실험대상및방법 Table 1 은간이스프링클러설비의소화성능비교를위한시험조건을나타낸것으로, 기존간이스프링클러설비에사용되고있는방수상수 K50 헤드를사용한경우, 일반적인스프링클러설비에사용되는 K80 헤드를사용한경우, K50 헤드에방수압력을 0.25 MPa 로증가시켜 K80 헤드와동일한방수량을갖는경우및 K50 Table 2. Specification of the tested sprinkler head K50 head K80 head K 50 80 Q 50 l/min 80 l/min d 0 9.0 mm 11.5 mm d f 10 mm 12 mm Photo K : Discharge coefficient, d f : Distance between orifice and reflector,\ d 0 : Orifice diameter, Q : Water quantity per minute (p=0.1 MPa) 헤드에물의소화성능을향상시키기위하여침윤제 (1%) 와강화액 (K 2 CO 3, ) 등의첨가제를추가한경우에대하여소화실험을실시하였다. 실험에사용된스프링클러헤드의사양은 Table 2에표시하였으며, 방수상수 K는헤드의형상, 크기등에의해결정되는고유값으로 (Q: 방수량 (l /min), : 방수압력 (MPa)) 4) 의공식을이용하여실험적으로추정할수있다. 물의소화성능을향상시키기위한첨가제는물의표면장력을낮추어표면적을크게하여냉각성능및침투력을향상시키는침윤제, 부촉매효과를이용하여소화성능을향상시키는강화액을사용하였으며, 첨가제를함유한소화약제의물성비교를위해밀도, 점도표면장력을측정하여 Table 3에표시하였다. 실험에적용된화원은 소화기의형식승인및제품검사의기술기준 5) 별표2에따른 A급화재용제1모형 Table 3. Physical properties of solution(20 ) Density (g/cm 3 ) Viscosity (cp) Surface tension (mn/m) Water 0.998 1.000 72.8 Reinforced 1.226 3.968 16.5 Wetting 1.006 1.118 20.1 Table 1. Test conditions of fire extinguishing performance S/P Head Pressure Additive Water flow rate #1 K50 0.1 MPa - 50 l/min #2 K80 0.1 MPa - 80 l/min #3 K50 0.25 MPa - 80 l/min #4 K50 0.1 MPa Reinforced 50 l/min #5 K50 0.1 MPa Wetting 50 l/min Fig. 1. Wood arrangement for fire test. 한국안전학회지, 제 33 권제 3 호, 2018 년 47

허민녕 신창섭 을적용하여 35 mm 30 mm 900 mm인소나무 144 개를철재연소대위에적층하여사용하였다. Fig. 1 은소화실험용목재의배열상태를보여주고있다. 목재는충분히건조시키지않을경우소화실험의재현성확보가어려우므로실험에사용되는목재를 105 에서 24 시간건조시킨후실험에사용하였다 5). 2.2 실험장치및방법 실험공간은 Fig. 2 에서보여주는것과같이전체 2.5 m 4.5 m 2.5 m 의크기에 2.0 m 0.8 m 의개구부가있는철제공간을사용하였으며, 실험실의중앙부에스프링클러헤드를설치하고실험공간외부에설치된수조의소화수를펌프를통해헤드로공급하여소화실험을진행하였다. 연소대에휘발유 1.5 L 를넣어점화시킨후 10 초경과후펌프를작동시켜미리개방시켜둔스프링클러헤드를통해방수하였다. 방수압력및방수시간은 간이스프링클러설비의화재안전기준 을참조하여 0.1 MPa 의압력으로 10 분간방사하였다. 간이스프링클러설비의소화성능비교를위한성능기준은인명안전, 재산보호및화재확산방지등을고려하여 소방시설등의성능위주설계방법및기준 6) 및해외선진소방국의성능기준 7) 등을참조하여다음과같이설정하였다. 성능기준 산소농도천장면의온도방수정지후잔염유무 범위 15% 이상 200 이하화염육안판단 3. 실험결과및고찰 Fig. 2. Schematic of the experimental setup for fire test. 3.1 소화실험 Fig. 4는간이스프링클러작동시의소화실험진행과정을보여주고있다. 최초점화후휘발유에서발화한화재는목재로전파되고휘발유에의한화염과목재에의한화염이상승작용을일으켜화염의최대성장모습을보여준다. 스프링클러헤드를통해소화수가방사되면화재의세기가다소약해지나, 간이스프링클러설비는 B급유류화재에적응성이낮아화재가계속진행된다. 실험개시약 110초경과후휘발유가완전 화재모형은스프링클러헤드하부에설치하였고, 실험공간의온도측정을위해 K 타입온도센서를 Fig. 3 에서와같이화원의직상부천장면에설치하였으며, 실험실중앙높이 1.5 m 지점에실내산소농도측정을위한공기흡입구를설치하였다. 화재실험은외풍이없는주위온도 15 상대습도 60% 인실내에서개구부를개방한상태로실시하였으며, (a) Ignition (b) Max. flame Fig. 3. Schematic of the installation and photo of fire test room. (c) Wood crib fire (d) Extinguishing Fig. 4. Progress of fire test with reinforced agent. 48 J. Korean Soc. Saf., Vol. 33, No. 3, 2018

간이스프링클러설비의소화성능향상에관한실험적연구 Fig. 5. Room temperature variation without sprinkler. Fig. 6. Oxygen concentration variation by head type. 소모되면서 A 급화재인목재화재로전이되고, 스프링클러헤드에서방사되는소화수에의해열방출률이점차감소하면서표면에서의연소는정지하나, 소화수의방수량의차이에따라일부소화되지않은목재는심부화재로진행된다. Fig. 5 는전형적인실내화재에서의온도변화 8) 와실험에서측정된자유연소상태의온도변화양상을보여주는것으로유사한화재진행과정을보여준다. 초기점화후급속한성장단계를거쳐최성기화재로전이되는데, 최성기화재에서는가연물의연소속도가공급되는공기속도보다빨라유입되는공기중의산소를거의소비하게되는환기지배형화재의형태로진행된다. 최성기단계이후가연물이소모됨에따라온도가서서히감소하는쇠퇴기단계에이르게되고, 가연물의종류및화재조건에따라심부화재로진행된다. 성장및쇠퇴단계에서는연소에필요한산소공급이충분하여화재진행이가연물의연소성질에따라결정되는연료지배형화재의형태로연소가진행된다. 자유연소의경우초기약 700 에서최성기화재로전이되어지속적인열축적으로인해천장면의최고온도가 904 에이르렀으며, 10 분이경과한후에도 200 아래로냉각되지않았다. 3.2 소화성능비교 Fig. 6 은화재실의산소농도변화를보여준다. K50 0.1 MPa 의경우산소농도가지속적으로 15% 이하로유지되어재실자의거주가능시간을충분히확보하기가곤란할수있으나, K80 0.1 MPa, K50 0.25 MPa 및 K50 Reinforced 의경우산소농도가 15% 이하로내려가지않거나신속히회복되어재실자의거주가능시간확 Fig. 7. Time of Oxygen concentration 15% recovery. 보가가능할것으로판단되며, Fig. 7 의 15% 산소농도회복시간을보면 K80 0.1 MPa 의경우산소농도 15% 회복시간이비교적짧은 145 초가소요되었으며, K50 Wetting 의경우 K50 0.1 MPa 의경우에비해 179 초단축되어재실자의안전확보에유리할것으로판단된다. Fig. 8 의화재실의최저산소농도를살펴보면 K50 0.1 MPa 의경우최저산소농도가 11.3% 까지감소하게된다. 산소농도에따른인체영향 9) 을보면산소농도 15~19% 에서는순환기장해초기증상이유발되고, 12~14% 에서는호흡수와맥박이증가하고지각능력과판단력이손상을입으며, 10~12% 에서는호흡이더욱빠르고깊어지며청색입술이되고, 판단력저하가심하게된다. 이에재실자는호흡증가, 판단력저하등으로인해신속한피난활동이어려울것으로예상된다. K80 0.1 MPa, K50 0.25 MPa 및 K50 Reinforced 의경우최저산소농도는 K50 0.1 MPa 의 11.3% 대비각각 26.5%, 34.5%, 34.5% 향상된 14.3%, 15.2%, 15.2% 로나타나재실자에게큰영향을미치지않는수준으로신속한피난활동이 한국안전학회지, 제 33 권제 3 호, 2018 년 49

허민녕 신창섭 Fig. 8. Minimum oxygen concentration. Fig. 10. 200 cooling time variation by test condition. Fig. 9. Room temperature variation by test condition. 가능할것으로판단된다. K50 Wetting 의경우 11.7% 까지산소농도가감소하여 K50 0.1 MPa 의경우와유사한성능을나타내었다. Fig. 9 는실험조건에따른천장면의온도변화를보여주는것으로 K50 0.1 MPa 의경우소화성능부족으로화재실이냉각되지못하고온도가점진적으로상승하는모습을보이나, K80 0.1 MPa, K50 0.25 MPa, K50 Reinforced 의경우화재초기에는 K50 0.1 MPa 과유사한온도변화를보이다화재중기이후많은방수량과부촉매효과등에의해화재를제어하여화재실의온도가낮아지는모습을보여준다. 특히 K50 0.25 MPa 의경우방사수량의증가뿐아니라높은방사압력으로물의분무형태가미분화되어냉각효과뿐아니라화염으로유입되는산소가차단되는질식효과 10) 에의해효율적인소화작용이나타난것으로생각된다. K50 Wetting 의경우화재중기까지는 K50 0.1 MPa 에비해다소높은온도분포를보이는데이는낮은표면장력으로인해물방울크기가작아져화염내부로침투하지못하는것으로 판단되며, 이후화재중기이후로빠른냉각속도를보이는것은심부화재에적응성을갖는 Wetting Agent 의효과에따른것으로판단된다. Fig. 10 은 200 까지의냉각시간을나타낸것으로간이스프링클러설비에사용되는방수량이 50l/min 인 K50 0.1 MPa 의경우 200 냉각시간이 481 초가소요되었으며, 방수량을 80l/min 로증가시킨 K80 0.1 MPa 및 K50 0.25 MPa 의경우냉각시간이각각 414 초, 421 초가소요되어 13.9%, 12.5% 냉각속도가향상되었다. 강화액을사용한 K50 Reinforced 의경우 200 냉각시간이 412 초가소요되어방수량을 80l/min 로증가한경우와유사한냉각특성을보여 K50 0.1 MPa 에비해약 14.3% 냉각속도가향상되었으며, 침윤제를사용한 K50 Wetting 의경우 K50 0.1 MPa 인경우와유사한냉각시간을보여주었다. (a) K80 0.1 MPa Fig. 11. Flame after sprinkler discharge. (b) K50 Wetting 스프링클러를 10 분간작동시킨후잔염여부를육안으로확인한결과 Fig. 11 에서와같이 K50 0.1 MPa, K80 0.1 MPa, K50 0.25 MPa 및 K50 Reinforced 의경우목재가전소되거나, 목재무너짐이발생함에따라심부화재로진행되어잔염이발생하였다. 그러나침윤제를 50 J. Korean Soc. Saf., Vol. 33, No. 3, 2018

간이스프링클러설비의소화성능향상에관한실험적연구 사용한 K50 Wetting 의경우는화재중기이후화재심부로소화수가침투하여심부화재로의진행을제어하여잔염이발생하지않는것을확인할수있었다. 4. 결론 본실험에서는간이스프링클러설비의소화성능을향상을위하여방사수량을증가시키는방법 (K80 헤드적용, 방사압력 0.25 MPa 적용 ) 과첨가제 ( 침윤제, 강화액 ) 를이용하여소화수의소화능력을강화시키는방법을적용하여 A 급화재용제 1 모형에대한실화재시험을실시하고다음의결론을얻었다. 1) 방사수량을증가시킨 K80 0.1 MPa 및 K50 0.25 MPa 의경우 K50 0.1 MPa 보다 60% 많은소화수에의해화재의확산이제어되는모습을보여주었으며, K50 Reinforced 의경우부촉매효과등에의해소화수량이많은 K80 0.1 MPa 의경우와유사한소화능력을보여주었다. K50 Wetting 의경우화재중기까지는 K50 0.1 MPa 의경우와유사한특성을보였으나심부화재로의전이를방지하는효과를보여주었다. 2) 화재실의최저산소농도는 K80 0.1 MPa, K50 0.25 MPa, K50 Reinforced 의경우 K50 0.1 MPa 의경우에비해각각 26.5%, 34.5%, 34.5% 우수한특성을나타내었으나, K50 Wetting 의경우산소농도 11.7% 로 K50 0.1 MPa 의경우와유사한성능을보였다. 방수개시후산소농도 15% 가회복되는시간은 K50 0.25 MPa 및 K50 Reinforced 의경우산소농도 15% 이하로감소하지않았으며, K80 0.1 MPa 가 145 초, K50 Wetting 의경우가 305 초가각각소요되어 K50 0.1 MPa 의 484 초에비해향상된성능을보여주었다. 3) 화재실의온도가화재가진압되는 200 까지냉각되는시간은 K80 0.1 MPa, K50 0.25 MPa, K50 Reinforced 및 K50 Wetting 의경우 K50 0.1 MPa 에비해냉각속도가각각 13.9%, 12.5%, 14.3%, 2.9% 향상되었다. 4) 간이스프링클러설비는관련법령에따라그설치기준이정해져있으나, 다중이용업소와같이다량의가연성실내장식물등에의해화재하중이높은경우기존의 K50 헤드는소화성능이다소미흡하여재실자의안전성확보를위한산소농도확보및빠른냉각효과를기대하기곤란하므로, 방사수량을증가시키거나 (K80 헤드적용, 방사압력 0.25 MPa 적용 ) 강화액등을적용하여재실자의안전성을확보할수있도록소화성능을향상시킬필요가있을것으로판단된다. References 1) NFA(National Fire Agency), http://www.nfds.go.kr 2) NFA(National Fire Agency), National Fire Safety Codes of Basic Sprinkler Systems (NFSC 103A), 2016. 3) D. J. Kim, S. S. Oh, J. K. Lee and S. W. Kim, Developing Sprinklers on Space Characteristic Fit of Multiplex Use Facility, Autumn Conference of Korean Institute of Fire Science and Engineering, pp. 437-440, 2012. 4) NFA(National Fire Agency), Standard of Model Approval and Inspection Technology for Sprinkler Head, 2016. 5) M. H. Kim and C. S. Shin, Efficiency of Water Mist Suppression System Containing Viscosity Agent to Extinguish Wood Cribs Fire, J. Korean Soc. Saf., Vol. 29, No. 4, 2014. 6) NFA(National Fire Agency), Performance-oriented Design Methods and Standards for Fire-fighting Systems, 2016. 7) H. J. Kim, W. K. Kim, H. J. Park, S. H. Choi and J. H. Chun, A Study on the Performance Criteria for Performance- Based Design, Summer Conference of Korea Institute of Fire Science & Engineering, 2004. 8) W. D. Walton, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Section 3, National Fire Protection Association, 2008. 9) Korea Occupational Safety & Health Agency, http://www. kosha.or.kr 10) Y. J. Yeo, Water-Based Fire Protection Systems Engineering, pp. 19, Korea Fire Safety Lavoratory, 2006. 한국안전학회지, 제 33 권제 3 호, 2018 년 51