1. 서 론
소방자동차용 소방펌프는 자동차(자동차관리법 제30조에 따라 국토해양부장관으로부터 자기인증을 얻거나 자동차관리법 제70조 제7호 및 ｢자동차관리의 특례에 관한 규칙｣ 제20조 제1항에 의한 자기인증을 면제받은 자동차를 말한다.)의 차대에 고정되어 기관과 연결하여 사용되는 소방펌프를 말한다. 또한 소방펌프는 압력에 따라 일반펌프와 고압펌프로 구분하고 일반펌프의 공칭토출압력은 1.5 MPa, 고압펌프는 4.0 MPa인 펌프로 정의하고 있다(1,2).
현재 표준규격은 제정만 된 상태로 아직 시행되고 있지 않으며, 표준규격이 시행되기 전까지 소방펌프에 대한 시험기준과 방법은 ｢소방자동차용 소방펌프의 성능에 관한 KFI인정기준｣ (2015년)에 따르고 있다. KFI 인정기준에서 소방차량용 소방펌프의 방수성능 시험기준은 A-1급인 경우 규격방수성능은 0.85 MPa의 압력에서 방수량은 2.8 m3/min, 고압방수성능은 1.4 MPa의 압력에서 방수량은 2.0 m3/min으로 규정하고 있다(3).
국내에서 4.0 MPa 고압방수가 가능한 소방펌프차는 2010년 부산 우신골든스위트 화재를 계기로 처음 도입 이후 고성능펌프차, 무인방수차, 화학차 등의 형태로 고압의 방수성능이 있는 외국산 소방차량이 전국에 도입되어 운용하고 있으나, 부속품 교체, 고장 등 문제점에 대한 대응이 즉시 이루어지지 않아서 장비 운영에 어려움이 있다. 그리고, 소방펌프의 경우 토출압력과 방수량, 소방호스 직경크기 및 전개 수량 증가에 따른 압력을 효과적으로 제어하기 위해 압력손실, 방수특성 등에 자료가 필요(4)하나 국내에서는 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 소방펌프의 고압방수특성을 실험적 방법으로 분석하여 화재진압 시 고압방수로 인한 압력손실과 위험성 및 대응방안을 도출하고 화재진압대원의 안전성을 확보하고자 한다.
2. 소방펌프의 방수특성 실험
2.1 실험장비
본 실험에서는 대형소방차로 분류(2)되는 적재중량 8,500 kg의 차량(엔진동력 290 HP)에 실제 소방펌프차와 동일한 기능을 하는 소방펌프를 사용하였다. 소방펌프의 사양은 최대 방수압력은 5.45 MPa이며, 최대 방수량은 1.7 MPa일 때 7.7 m3/min으로 국내 표준규격에서는 고압펌프에 해당된다. 실험시 관창조작자의 안전과 조작 인원의 감소를 위해 방수안전장비를 제작하여 선단방수압력을 측정하였으며, 설치된 관창의 높이는 지면에서 1.3 m, 방수각도는 15°로 방수가 가능하도록 제작하였다(5).
현재 소방관서에서 사용하는 소방호스는 최대 사용압력이 2.0 MPa이어서 2.0 MPa 이상의 고압방수에는 안전하지 않아 4.0 MPa까지 사용이 가능한 고압호스를 사용하였다. 관창은 소방관서에서 주로 사용하는 직⋅분사 조절이 가능한 관창으로 실험에 이용하였다.
2.2 실험방법 및 절차
화재현장 상황에 따라 소방펌프차 1대에서 관창을 2개 이상 연결하여 방수하는 경우가 다수 있으며, 화재진압대원이 각 부분에서 화재진압 중 요구조자 및 화점 확인 등의 사유로 이동하기 위해 관창을 임의적으로 닫거나 열기를 반복하게 되는 상황이 자주 발생한다. 이럴 경우, 관창 개⋅폐 상황을 무전 등으로 소방펌프차 운전조작원 또는 다른 화재진압대원에게 알리지 않는다. 이러한 상황은 화재현장에서 자주 있는 방법으로 본 연구에서 실증실험도 이를 기반으로 구성하였다.
펌프-선단간 소방호스 연결은 Figure 1과 같이 소방호스 65A와 Y커플링을 이용하여 40A 2선으로 분기하여 소방대원이 각각 관창을 가지고 화재진압 중 한명의 소방대원이 임의적으로 관창을 폐쇄하고 이동할 경우를 가정하였다(6).
실험은 저압부와 고압부로 구분하여 실시하였으며, 저압부 실험1 (1-LP)은 저압부 방수구에 소방호스를 연결한 상태에서 1, 2 line 관창을 동시에 개방하여 압력을 측정하고, 저압부 실험2 (2-LP)는 저압부 실험1 상태에서 펌프의 압력을 조절하지 않고 2 line 관창을 폐쇄한 후 펌프와 관창의 압력변화를 측정하였다.
고압부 실험3 (3-HP)과 실험4 (4-HP)는 소방호스를 고압부 방수구로 연결한 상태에서 저압부 실험1, 실험2와 동일하게 측정하였다. 펌프압력은 최저 0.5 MPa부터 0.5 MPa단위로 상승시키면서 펌프의 최대압력까지 측정하였으며, 호스구간별, 압력손실률을 측정하기 위해 소방호스 중간에 5개의 방수압력계를 설치하였다.
3. 실험결과
Figures 2와 3에서는 저압부의 방수압력 0.5 MPa에서부터 최대압력인 1.98 MPa까지 상승시 실험1 (1-LP), 2 (2-LP)의 선단압력 및 압력손실률의 변화를 나타내었으며, 압력손실률은 수식(1)을 이용하여 구하였다.
실험1의 결과는 펌프압력이 1.5 MPa, 1.98 MPa 일 때 각각의 선단압력은 0.35 MPa, 0.49 MPa로 펌프-선단간 평균 압력손실은 76%이며, 펌프압력이 증가하는 함에 따라 압력손실률은 큰 차이를 보이지 않았다.
실험2의 결과는 실험1에서 측정한 각각의 압력에서는 펌프압력은 변동이 없고 선단압력은 상승하였다. 관창 2개를 사용하여 동시에 방수를 하는 경우인 실험1에 비해 실험2에서는 관창을 1개만 사용하면서 방수량과 마찰손실 구간이 줄어들어 평균 압력손실은 68%로 실험1 보다 압력손실이 8% 낮게 나타났다. 평균 압력손실이 낮아지면서 선단압력은 25～37% 증가하여 실험1에서 0.35 MPa, 0.48 MPa이었던 선단압력이 각각 0.48 MPa, 0.66 MPa로 상승하였다.
고압부의 방수압력은 0.5 MPa에서부터 최대압력인 2.6 MPa까지 0.5 MPa 단위로 압력을 상승시키면서 실험을 수행하여 실험3 (3-HP), 4 (4-HP)의 결과에 대해 각각 선단압력 및 압력손실률의 변화를 Figures 4와 5에 나타내었다. 실험3의 결과는 펌프압력이 1.5 MPa, 2.5 MPa 일 때 각각의 선단압력은 0.38 MPa, 0.63 MPa로 펌프-선단간 평균 압력손실은 71%이나, 펌프압력이 0.5～1.5 MPa 구간의 압력손실은 64%, 2.0 MPa 이후는 75%로 저압부와 다르게 2.0 MPa을 기준으로 압력손실률이 차이가 명확한 것을 알 수 있다.
실험4의 결과, 관창을 한 개만 사용하는 경우 선단압력이 상승하는 것은 실험2와 비슷한 경향을 보였으나, 실험4에서는 펌프-선단간 평균 압력손실이 27%로 낮게 나타났다. 이러한 이유는 실험2와 다르게 실험4에서는 펌프압력도 같이 상승하여 실험2에 비해 선단압력이 높아지면서 압력손실률이 낮아진 것임을 알 수 있다. Figures 4와 5에서 펌프압력 1.5MPa인 경우 선단압력의 차이가 다른 구간에 비해 낮게 나타났는데 이는 측정오류로 판단되어 큰 의미를 부여하지 않았다.
Figure 6은 고압부에서 방수중 2개의 관창을 모두 사용할 때의 펌프압력과 관창 1개를 폐쇄한 때의 상승한 펌프압력을 나타내었다. 초기 펌프압력이 1.5 MPa 일 때 관창을 1개 폐쇄하게 되면 기존 압력(1.5 MPa)에서 0.95 MPa이 상승하였고, 이때 선단압력은 0.38 MPa에서 116% 증가하여 0.82 MPa로 측정되었다. 초기 펌프압력이 2.5 MPa 일 때 펌프압력이 3.90 MPa로 56% 증가하였고 선단압력은 0.63 MPa에서 1.90 MPa로 202% 증가하였다. Figure 7은 선단압력 변화를 그래프로 나타낸 것으로 변화가 매우 크다는 것을 알 수 있다.
Figure 8은 저압부 실험1에서 실험2로 전환 시 펌프압력별 펌프 및 선단압력 증가율을 나타내었고, Figure 9는 고압부의 실험3에서 실험4로 전환 시 증가율을 나타내었다.
실험은 저압부와 고압부 동일한 조건에서 하였으나, 저압부 실험2에서는 펌프압력이 상승되지 않은 반면 고압부 실험4에서는 펌프압력이 상승하면서 동시에 저압부에 비해 선단압력이 크게 상승하였다. 이는 소방대원이 화재진압 중 자신이 의도하지 않은 상태에서 관창의 압력이 갑자기 상승하게 되면 반동력이 커져 불안전한 자세에서 방수중인 경우 순간적으로 중심을 잃어 위험한 상황이 발생할 수 있음을 의미한다.
중앙소방학교 신임교육과정 교재(7)에서는 소방대원 1명이 사용하는 선단압력은 0.3 MPa로 규정하고 있다. ｢소방전술Ⅰ (화재1)｣의 직사주수 요령에 따르면 ‘전개형 분무관창을 사용하는 경우 관창의 압력이 0.3 MPa 미만일 때는 관창수 1인, 0.3 MPa 이상일 경우에는 관창보조가 필요하다’고 되어있다. 이는 선단압력이 높이지면 관창조작 인원이 추가되어야 하는데 그 기준압력이 0.3 MPa을 임을 알 수 있다. 그리고, Kwon 등(8)에 의하면 화재진압대원이 일반적으로 사용하는 선단압력을 실증 실험한 결과 0.3～0.47 MPa로 측정되었는데, 그 결과를 적용하면 저압부 실험2에서 펌프압력 1.5 MPa인 경우 선단압력이 0.35 MPa에서 0.48 MPa로 상승하여도 화재진압대원이 평상 시 사용하는 선단압력 범위에 포함된다고 판단할 수 있다. 하지만 고압부 실험4에서 선단압력 평균 증가율은 펌프압력이 1.5 MPa 이하에서는 115%, 2.0 MPa 이상에서는 203%로 선단압력이 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 이 경우 화재진압대원이 감당할 수 있는 범위를 넘어선다고 볼 수 있다.
실험결과 선단압력이 급격하게 상승하는 이유는 Figure 10의 펌프 토출방식을 보면 알 수 있다. 고압을 발생시키는 방법은 저압부에서 생성한 유량을 고압부로 유입시킨 후 재 가압을 하는 과정에서 유량이 줄면서 압력이 가압되는 방식이다. 토출압력이 고압일수록 발생 유량은 낮아지는데 실험에 사용한 펌프는 EN 1028-1 규정에 의해 FPN 10-6000 및 FPN 40-250의 인증을 받은 것으로 정격토출압력 1.0 MPa에서 정격유량은 6 m3/min, 4.0 MPa에서 0.25 m3/min의 토출 능력이 있다. 본 실험에서 2개의 관창(선단압력 0.7 MPa에서 최대 0.5 m3/min - 제조사 사양)을 사용하여 방수하는 경우 저압부에서는 정격토출량을 초과하지 않으나 고압부에서는 관창의 사용 수량에 따라 정격토출량을 초과하여 토출압력이 낮아졌다가 토출량이 줄어들면 정격토출압력 영역으로 상승하는 것으로 판단되며, 그 영향을 가장 많이 받는 압력구간은 고압부 2.0 MPa 이상부터 뚜렷하게 확인된다. 그리고, 관창1개를 폐쇄하면 Y카플링부터 관창까지 소방호스, 연결금속구 등에서 발생되는 마찰손실이 감소되는 영향도 있음을 알 수 있다.
4. 결 론
본 실험에서는 다음과 같은 결론을 구하였다.
첫째, 저압부 방수구(1-LP)에 소방호스를 연결한 상태에서 1, 2 line 관창을 동시에 개방하여 실험한 경우 펌프압력이 1.5 MPa, 1.98 MPa 일 때 각각의 선단압력은 0.35 MPa, 0.49 MPa이다.
둘째, 저압부 실험2 (2-LP)에서 저압부 실험1 상태에서 관창을 폐쇄한 경우 펌프압력이 1.5 MPa, 1.98 MPa 일 때 각각의 선단압력은 0.48 MPa, 0.66 MPa로 상승하였다.
셋째, 고압부 방수구(3-HP)에 소방호스를 연결한 상태에서 1, 2 line 관창을 동시에 개방하여 실험한 경우 펌프압력이 1.5 MPa, 2.5 MPa 일 때 각각의 선단압력은 0.38 MPa, 0.63 MPa이며, 1.5 MPa를 기준으로 압력손실률의 차이가 명확하였다.
이상의 결과에서 소방펌프 작동시 고압영역에서는 선단의 차단으로 인한 소방호스의 급격한 압력상승을 확인하였으며 이는 소방대원의 안전에 큰 영향을 미침을 확인하였다. 향후 연구에서는 소방펌프의 고압방수 방식에 대한 다양한 방수테스트를 통해 안전하고 효율적인 소방펌프의 운용방안을 마련할 예정이다.
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