CAFS 최적공기포비 도출을 위한 일반화재 및 유류화재 적용 실험
Experiments on the Application of Class A and B Fires to Derive the Optimum Air Ratio of Compressed Air Foam Systems
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Abstract
본 실험은 소방현장에 압축공기포소화장치(이하 CAFS)가 탑재된 소방차의 보급이 확대됨에 따라 활용성을 높이기 위한 실험으로 CAFS의 최적 공기포비를 도출함에 그 목적이 있다. 소방에서 쓰이는 CAFS와 합성계면활성제를 사용하여 목재 크립과 스틸 팬의 소화 실험을 하였으며, 온도 하강률(℃/s)은 목재 크립에서 공기포비 13, 스틸 팬에서 공기포비 5가 최적 공수비로 나타났다. 본 실험을 통해 도출된 결과를 통해 소방현장대응력 강화의 기초자료로 활용되길 기대한다.
Trans Abstract
This experiment was designed to increase the utilization of fire engines equipped with compressed air foam systems (CAFS) at the scene of a fire. The purpose of this experiment was to determine the optimum air ratio for the CAFS. Wood crib fires (class A) and steel pan fires (class B) were both extinguished using synthetic surfactant CAFS installed in a fire engine. According to the temperature drop rate (°C/s), the optimum air ratio was thirteen and five in the class A and B fires, respectively. The results derived from this experiment can be used to strengthen fire scene response capabilities.
1. 서 론
압축공기포 소화장치(compressed air foam system, 이하 CAFS)는 소화장치의 일종으로 물, 포소화약제 및 압축공기를 연속적으로 혼합하여 공기포를 토출하는 장치이며 크게 고정식과 이동식으로 구분된다(1). CAFS는 포수용액에 압축공기를 강제적으로 혼합시켜 균일한 거품을 생성하기 위한 시스템으로 캐나다 국립연구원(national research council of Canada, NRCC)에서 1990년대 후반 최초로 고정식 소화시스템으로 개발하였으며, 현재는 포소화시스템의 한 방법으로 사용되고 있다(2). 미국과 캐나다에서는 다량의 물을 화재 현장에 사용할 시 발생하는 2차 수손 피해의 단점을 극복하고 원거리 방사가 가능하게 하는 CAFS를 개발하여 상용화하여 사용하고 있으며(3), 국내에서는 포소화설비의 화재안전기준(NFSC 105)에 따라 고정식으로 적용하는 경우 소화설비로써 특수가연물을 저장⋅취급하는 공장 또는 창고와 차고 또는 주차장에 사용하게 하고 있다(4). 오늘날 소방에서는 CAFS를 소형 또는 중형 펌프차에 탑재하여 활용하고 있다.
CAFS의 원리는 물과 포 원액을 가압된 공기로 균일한 포를 형성하는 것으로, 국가별, 회사별로 차이가 있으나 기본적인 원리는 Figure 1처럼 포소화약제(foam concentrate)와 물, 공기를 혼합하여 발사하는 장치이다. CAFS는 물의 표면장력 저하를 유도하여 연소물로의 침투를 촉진하고 빠르고 손쉬운 소화를 유도한다(5). 포수용액이 공기와 혼합되어 거품이 생성되고 연소물의 표면을 덮어 질식소화 시키는 것이 주 소화 효과이며, 함유된 수분에 의한 냉각 효과는 부가적인 소화 효과이다(6).
The principle of CAFS.
CAFS 소방차 제조사는 Figure 2의 인터뷰와 같이 공기포비 습식(3∼10배)의 경우 공격형 폼으로 초기 진압에 탁월하며, 공기포비 건식(11∼15배)의 경우 방어형 폼으로 발화지점의 재점화를 방지하는 데 효과적이라고 밝히고 있다. 또한 약제는 CAFS 전용 약제를 포함한 다른 농도의 포소화약제를 사용할 수 있는 만큼 범용성이 높은 것으로 주장하고 있다(7).
The interview with CAFS manufacturer.
소방청은 2011년부터 CAFS와 관련하여 “압축공기포소화설비의 성능시험 연구용역(한국소방산업기술원)”을 통해 도입 의지를 밝혔으며, 2021 기준, Table 1과 같이 전국 소방에서 보유하고 있는 CAFS는 총 312대로 경기 61대, 서울 49대, 부산 35대, 소방청(중앙119구조본부) 22대, 충남 18대, 경북 16대, 전남 15대, 경남 14대, 울산 12대, 대구 11대, 인천 10대, 대전 8대, 광주 8대, 강원 8대, 전북 7대, 창원 6대, 제주 5대, 충북 4대, 세종 3대 순이다(7).
The Domestic Retention Status of CAFS Vehicle
2021년 기준 소방청에 집계에 따르면, 소방차량에 탑재된 CAFS의 제조연도는 한국소방산업기술원의 “압축공기포소화장치 인정기준”에 따라 공기포비 범위가 다른데 2021년 이전에는 최소 3배 이상이며 7∼15배의 범위를 가져야 하였으나, 2021년 개정 이후 작동범위는 3배부터 15배 이상까지 구현하는 것으로 그 범위가 확대되었기 때문이다. 따라서, 2021년 3월 30일 이전에 제작된 CAFS의 경우 공기포비의 범위가 제조사에 따라 다르며, 2021년 3월 30일 이후에는 3∼15배의 공기포비 설정이 기본으로 갖추어져 있다. 전국 소방 CAFS 탑재 기동장비의 도입연도는 Table 2와 같이 2009년에 가장 많이 도입되었으며, 2021년까지 점차 감소한 것으로 나타났다(7).
The Domestic Retention Status of CAFS Vehicle
전체 소방의 기동장비(차량) 중 CAFS가 탑재된 비율은 Table 3과 같이 무인방수차 80.8%, 소형사다리차 21.2%, 화생방대응차 19.1%, 소방화학차 11.8%, 펌프차 10.6%, 구조차 0.1%, 소방물탱크차 0.1% 순으로 나타났으며, 전체 기동장비(차량) 중 7.4%는 CAFS가 탑재된 것으로 나타났다.
The Mounted Ratio of CAFS Vehicle
일반 소방서에서 CAFS 소방차를 사용중인 소방대원과의 인터뷰 결과 현장에서 사용하기에는 몇 가지 어려운 점이 있었다. 첫째, CAFS 차량 사용 시 공기포비 습식과 건식의 기준은 제시되어 있으나, 현장에서 활용 시 범위가 넓어 최적의 공기포비에 대한 비율 제시가 필요한 것. 둘째, 실제 CAFS의 사용 빈도가 낮아 일반 포소화시스템보다 효과성이 높은가에 대한 의문. 셋째, 계면활성제가 포함된 포소화약제의 특성상 계단과 경사로가 미끄러워져 구조대원이나 화재진압대원이 진입 시 넘어짐과 같은 안전사고의 발생. 넷째, 소방차량 담당자의 잦은 인사이동으로 인한 CAFS 작동 미숙과 관리의 어려움. 다섯째, 포소화약제 사용 후 발생한 거품이 집안의 가구류나 논밭의 농축산물 등 주민들의 재산에 직접적인 피해가 있다고 항의를 하거나 거품을 치워달라는 민원이 빈번히 발생하는 것이다.
CAFS의 소화 실험은 A급 화재의 경우 Lee 등(8)은 축소된 화재모형을 적용하여 CAFS의 소화 성능을 평가하였으며, B급 화재의 경우 Lee 등(2)은 CAFS를 통해 소화 성능 연구를 하였다. 하지만 실제 소방현장에서 쓰이는 차량 형태의 CAFS 장비와 관창을 이용한 A급과 B급 화재에 대한 소화 실험은 찾아보기 어려웠다.
따라서, 본 연구에서는 현장에서 사용되는 CAFS 소방차와 A급⋅B급 화재를 통해 CAFS의 최적 공기포비를 도출하여, 효과적인 화재진압을 위한 실험을 수행하였다.
2. 실험방법
2.1 W.C.C. (A급 화재)와 steel pan (B급 화재)
본 실험에서 사용한 연소물은 소화기 및 소화약제의 규격에 관한 규정에서 제시하는 A급과 B급 연소모형을 준용하였다. Figure 3과 같이 본 실험에서 사용된 CAFS 목재 크립(이하 wood crib for CAFS, W.C.C.)은 기존 A급 연소모형의 목재(30 × 35 × 900 mm)를 144개에서 196개로 개수를 늘려 제작하였다. steel pan은 면적이 1.8 m2이면서 한변의 길이가 1,341 mm인 수치 9호 모형에 휘발유를 3 L를 가연물로 하였다. 일반적인 소화 방법과의 비교를 위해 대조군(control)을 설정하였으며 W.C.C.는 일반용수로, steel pan은 일반포소화시스템으로 하였다.
The models of W.C.C. & steel pan.
2.2 온도측정 및 분석
본 실험에서 온도측정은 그래프텍(graphtec)의 GL-840WV 데이터로거를 사용하였으며, K타입 열전대를 사용하여 채널을 구성하였다. Figure 3과 같이 W.C.C.의 온도측정은 상부(T), 중앙(M), 하부(B)로 나누어 세 곳에서 측정하였으며, steel pan의 온도측정은 모형 중심 바닥 면으로부터 수직으로 0.5 m, 0.8 m 떨어진 곳을 측정하였다.
분석방안으로는 연소물 단위 시간당 온도 하강률을 통해 조건별 소화 효과성을 비교하였다. W.C.C.의 경우 진압개시부터 진압 완료까지의 온도를 경과시간(초)으로 나누어 온도 하강률(℃/s)을 도출하였다. steel pan의 경우 동일한 소방대원이 CAFS를 사용하였지만, 해당 연소모형에 포가 완전히 전개되는 시간 차이가 발생하여, 진압개시부터 10 s 동안의 온도까지만 소화시간(초)으로 나누어 온도 하강률(℃/s)을 도출하였다.
2.3 CAFS 소화 방법
소화 방법은 중형 펌프 차량에 탑재된 CAFS를 이용하고 실제 화재진압 경험이 있는 소방관이 직접 분사하였다. 소화약제로는 혼합비 3%의 합성계면활성제(synthetic surfactant)를 사용하였다. Figure 4와 같이 W.C.C.는 휘발유 3 L를 착화제로 하여 목재 점화 후 3 min간 자유 연소 후 진압하였으며, steel pan은 유류 표면에 점화하여 10 s간 자유 연소 후 화재진압을 하였다. 공기포비의 범위 설정은 W.C.C.의 경우 7, 9, 11, 13, 15로 하였으며, steel pan의 경우 5, 7, 9로 하였다. CAFS의 공기포비 별 폼의 특성 차이는 습식의 경우 건식보다 가연물 표면에서의 유동성이 커 상대적으로 전개가 빠르며, 수분함량이 높아 냉각소화가 뛰어나다. 반면 건식의 경우, 유동성은 습식보다 상대적으로 작지만, 가연물에 대한 접착력이 강해 질식소화에 효과적이다. 폼의 형태는 습식의 경우 일반포소화시스템의 폼과 비슷하지만, 건식의 경우 더욱 조밀한 형태로, 부피감 있는 단단한 형태의 폼이 특징이다.
The fire extinguisher method of W.C.C. & B.
3. 실험결과 및 결론
3.1 W.C.C. (A급 화재) 최적 공기포비 도출 결과
W.C.C.을 대상으로 공기포비 7의 경우 온도 하강률은 Table 4와 Figure 5와 같이 층별 평균 17.5 ℃/s, 공기포비 9의 경우 온도 하강률은 층별 평균 19.5 ℃/s, 공기포비 11의 경우 온도 하강률은 층별 평균 18.3 ℃/s, 공기포비 13의 경우 온도 하강률은 층별 평균 23.2 ℃/s, 공기포비 15의 경우 온도 하강률은 층별 평균 18.3 ℃/s으로 나타났다. 대조군인 일반용수의 경우 온도 하강률은 층별 평균 22.5 ℃/s로 나타났다. 공기포비 11의 조건에서 중앙 부분은 번 아웃(burn out)으로 인해 온도가 측정되지 않았다. 합성계면활성제를 이용한 CAFS의 소화 효과성은 공기포비 13, 일반용수, 공기포비 15, 공기포비 11, 공기포비 9, 공기포비 7순으로 나타났다.
The Temperature Data of W.C.C. (Class A) Fire Extinguishing by a Compressed Air foam System
The temperature graph of W.C.C. fire extinguishing by a compressed air foam system.
3.2 Steel pan (B급 화재) 최적 공기포비 도출 결과
Steel pan을 대상으로 공기포비 5의 경우 Table 5와 Figure 6과 같이 온도 하강률은 높이별 평균 81.6 ℃/s, 공기포비 7의 경우 온도 하강률은 높이별 평균 58.8 ℃/s, 공기포비 9의 경우 온도 하강률은 높이별 평균 36.4 ℃/s로 나타났다. 합성계면활성제를 이용한 CAFS의 소화 효과성은 공기포비 5, 공기포비 7, 일반포, 공기포비 9순으로 나타났다.
The Temperature Data of Steel Pan (Class B) Fire Extinguishing by a Compressed Air foam System
The temperature graph of class B fire extinguishing by a compressed air foam system.
A급 화재와 B급 화재를 모사한 W.C.C.⋅steel pan에서 CAFS 합성계면활성제를 사용하였을 때, 일반적인 소화방법인 대조군들보다 효과성이 우수한 공기포비를 도출할 수 있었다. W.C.C.의 경우 CAFS 공기포비 건식범위인 공기포비 13에서 가장 온도 하강률이 높은 것으로 나타났으며, 이는 CAFS로 생성된 폼(foam)이 연소표면에 부착되어 냉각 효과뿐만 아니라 질식 효과까지 나타내어 온도 하강률에 큰 효과를 나타낸 것으로 판단된다.
Steel pan의 경우 CAFS 공기포비 습식범위인 공기포비 5에서 가장 온도 하강률이 높은 것으로 나타났으며, 이는 CAFS로 생성된 폼이 일반폼보다 상대적으로 조밀하여 연소 중인 유류 표면을 효과적으로 차단하는 것으로 판단된다.
3.3 B급 화재 실험 시 폼(foam)의 밀봉성
Steel pan 소화 실험 시 Figure 7과 같이 폼의 밀봉성의 차이가 나타났다. 합성계면활성제를 사용한 일반포소화시스템과 CAFS을 통한 소화 후 steel pan에 남아있는 폼을 관찰하였을 때, 일반포시스템으로 생성된 폼이 CAFS을 사용한 폼보다 밀봉성이 낮은 것이 관찰되었다.
The sealing performance of between a normal foam system and a CAFS.
이는 폼을 형성하는 시스템의 차이로 생각된다. 소방청고시 제2023-6호 소화약제의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(9)에 따르면, 합성계면활성제포소화약제 발포를 끝난 후 12 min간 거품 표면에 불꽃을 가까이 하여 다시 불이 붙는지 밀봉성을 확인하는데, 두 시스템 모두 형식승인을 통과한 합성계면활성제포를 사용하기 때문에 기본적인 밀봉성은 갖추고 있는 것이다. 하지만 발포 시스템의 차이로 이러한 현상이 관찰된 것으로 생각된다.
4. 결 론
실제 소방에서 운영하는 차량탑재형 CAFS와 합성계면활성제를 이용한 최적 공기포비 도출 실험에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) A급 화재에서 최적 공기포비는 13으로 나타났다. 공기포비 습식 조건(공기포비 7, 9)보다 건식 조건(공기포비 11, 13, 15)에서 온도 하강률이 상대적으로 높게 나타나 A급 화재의 경우 공기포비 건식 조건의 CAFS를 활용하는 것이 소화에 효과적인 것으로 나타났다. 이는 건식폼이 습식폼보다 상대적으로 가연물에 부착력이 높아 우수한 질식소화 효과를 발생시키는 것으로 생각된다. 공기포비 15의 경우 포의 부착력은 우수하나, 상대적으로 수분함유량이 매우 낮아, 냉각 효과를 기대하기 어려워 온도 하강률이 낮은 것으로 판단된다. 다만, 화재실험의 경우 시간과 비용의 제약으로 실험수행이 어려워 충분한 반복 실험을 통한 명확한 결론 도출이 요구된다.
(2) 유류화재를 모사하는 steel pan 소화 실험에서 최적 공기포비는 공기포비 5로 나타났으며, CAFS로 방출된 폼은 일반포보다 조밀한 폼을 형성하여 유류 표면을 효과적으로 차단하는 것을 확인하였다. 또한 일반 포를 사용했을 때보다 CAFS를 사용하였을 때 재점화 방지를 위한 폼의 밀봉성이 상대적으로 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한, 포 소화시스템별 밀봉성의 차이를 확인하기 위한 추가적인 실험이 필요한 것으로 판단된다.
(3) 실험에 사용된 CAFS 차량의 경우 제조사별 공기포비 설정 범위가 달랐으며, 이는 CAFS의 인정기준이 2021년 3월 30일 개정됨에 따라 공기포비 설정이 기존 7∼15배에서 3∼15배로 개정된 것으로 판단된다. 2021년 이후 신규 CAFS 차량이 도입된 후 추가적인 실험이 필요한 것으로 판단된다.
(4) 소방차량에 표시되는 디지털유량계는 차량 제조사별로 다르며, 정확한 소화용수 사용량 확인이 불가능하여 일반포시스템과 CAFS를 사용하였을 때의 경제성 비교가 어려웠다. 소화설비 형태의 실험을 통해 정확한 소화용수와 약제 사용량을 토대로 경제성을 비교하는 추가적인 실험이 필요한 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 소방청 소방현장활동지원기술개발사업(1761002660)의 연구비 지원을 받아 수행되었습니다.