1. 서 론
2006년 이후부터 ‘주택건설기준 등에 관한 규정’이 개정되면서 아파트 등 공동주택의 에어컨 실외기를 건물 외부가 아닌 건물 내부나 옥상에 설치하게 되었다. 건물 내 별도로 구획되는 실외기실은 배기장치 규격에 배기장치를 설치⋅유지 및 관리에 필요한 여유 공간을 합한 대략 3 m2 미만의 좁은 공간(1)으로 구획되어 바닥에는 실외기, 외기와 접하는 전면에는 루버가 설치된다. 또한 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’에서 공동주택에 환기설비 의무화를 도입하면서 전열교환기를 설치하게 되었으나, 발코니 확장으로 발코니 공간이 좁아지고 급⋅배기 덕트를 루버에 구멍을 내서 외기로 용이하게 연결할 수 있는 장점 때문에 전열교환기는 대다수 실외기실에 설치되고 있다(2). 그러나 협소한 공간의 실외기실 천장으로 전열교환기가 설치되면서 실외기실에 설치되는 스프링클러는 대다수 살수장애 영향을 받게 된다(3).
실외기가 실내로 들어오면서 좁은 공간에서 루버를 충분히 개구하지 않고 가동하거나 다량의 물건 적재 등으로 환기가 잘되지 않는 상태에서 먼지⋅습기 등이 축적되고, 폭염으로 인하여 에어컨을 장시간 사용할 경우 실외기에 과열이 발생하여 화재 발생 위험이 더 높아졌다. 최근 5년간 에어컨 실외기 화재는 총 1,168건이었으며 이중 절반에 해당하는 49.4%가 주택, 비닐하우스, 컨테이너 등 주거시설에서 발생되었다(4).
Choi와 Choi(5)는 에어컨 화재는 전기적 원인에 의해 발생한 에어컨 화재에 대해 분석하였으며, 특히 에어컨 실외기 전원코드를 이어 결선한 부위에서 발생한 화재 사례를 바탕으로 화재 원인과 예방 대책에 대해 연구하였다.
Min과 Bae(6)는 에어컨 실외기의 화재 위험성을 평가하기 위하여 에어컨 실외기의 실물 연소실험을 수행하여 에어컨 실외기의 내부 폭발과 상부 배출 그릴을 통한 급격한 화염분출 밀 화재확산으로 인한 화재위험성에 대해 연구하였다.
Kim 등(7)은 화재 시뮬레이션을 바탕으로 상⋅하부 스프링클러 헤드 병용 설치 시 상부 헤드 작동에 의해 하부 헤드의 감열부가 냉각되어 작동이 느려지는 수직 스키핑 현상에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 실외기실의 화재 위험성을 조사하고, 화재진압 효과를 파악하기 위해 기존에 분석하지 못한 전열교환기가 설치된 실외기실의 스프링클러 설치 현황을 조사하며, TRIZ 기법을 활용하여 문제점을 분석하고 실외기실에 적합한 스프링클러의 설치 방안을 제시하고자 한다.
2. 실외기실 화재 위험성
2.1 실외기 화재 통계
화재통계분석에 따르면 에어컨 화재는 에어컨을 사용하기 시작하는 6월(8.6%)부터 점차 증가해 7～8월(62.6%)에 집중되었다. 에어컨 화재 원인은 Figure 1과 같이 전기적 요인이 75.4%로 가장 많았고, 부주의 8.6%, 기계적 요인이 8.1%를 차지하였다.
2.2 실내로 들어온 실외기실 화재 위험성
실외기실은 3 m2 미만의 좁은 공간으로 바닥에는 실외기, 천장에는 전열교환기가 설치된다. 전열교환기의 급⋅배기 덕트는 불연성이 아닌 합성수지류로 형성되며 세대 전체 천장에 분산 설치되어 실외기실 루버를 통해 외기로 연결되는 형태이다. 전열교환기과 덕트는 좁은 실외기실에 많은 공간을 차지하고 있으며, 실외기실에 설치되는 스프링클러헤드는 전열교환기로 인하여 살수장애를 받을 수 밖에 없는 구조이다(3).
실외기 뿐만 아니라 전열교환기 역시 전기 제품으로 과부하 등으로 인한 화재 발생 위험(2)을 지니고 있으며, 좁은 공간의 실외기실에서 실외기와 전열교환기 어느 하나에 화재가 발생하면 상호 화염이 확산될 위험이 크다. 이 경우 전열교환기에 화재가 발생하면 불연성의 재질이 아닌 덕트를 통하여 순식간에 거실로 확산될 우려가 있다.
더구나, 최근에는 하향식 피난구까지 실외기실에 설치되고 있다(1). ‘건축법 시행령’ 제46조 제4항에 따르면 하향식 피난구 설치가 대피공간 제외기준에 해당되고, 하향식 피난구 설치 공간에 대한 방화구획 기준이 없어서 방화문 설치가 제대로 되지 않고 있는 실정이다. 실외기실에 대한 방화구획, 출입 위치에 대한 기준도 없어서 방화문이 아닌 철재문으로 되어 있거나, 또 다른 점화원이 될 수 있는 보일러실의 문을 통하여 출입하는 등 실내로 화염확산이 우려되고 거실에서 하향식 피난구로의 안전한 대피 통로 확보에도 어려움이 있다.
3. 실외기실 스프링클러 설치유형
3.1 헤드 설치 제외
기존 아파트의 경우 실외기를 아파트 외벽에 설치했거나, 실외기실에 갤러리 창을 달아 루버 개방을 ‘NFTC 103’ 2.12.1.1(9) 헤드의 설치 제외 기준인 직접 외기에 개방되어 있는 장소로 오인 해석하여 설치하지 않은 것으로 추정된다.
3.2 측벽형 헤드 설치
일반적으로 실외기실은 소규모 공간으로 스프링클러 헤드 1개만 설치된다. 실외기실은 반자가 설치되지 않은 노출 상태의 천장으로 마감되는 경우가 대다수여서, 스프링클러 헤드는 시공 편의상 거실 배관에서 연장되어 실외기실 벽면에 측벽형으로 설치되는 형태가 많다.
실외기실 측벽형 헤드는 거실 급배기 덕트와 연결되는 전열교환기와 설치 위치가 중첩되어 Figure 3과 같이 전열교환기 한쪽 또는 전열교환기 급⋅배기 플랙시블 덕트들 사이에 설치된다. 이 경우, 천장류(ceiling jet flow) 구역 내에 설치되는 대다수의 측벽형 헤드는 전열교환기로 인해 살수장애 영향을 받게 된다. 따라서, 살수장애 영향을 피해 Figure 4와 같이 벽면의 단열재를 파내고 벽면에 구멍을 뚫은 후 신축배관을 구부려서 삽입하고 전열교환기 아래로 빼낸 후 헤드를 설치하기도 한다. 그러나 이러한 구조는 단열재를 파내서 신축배관을 삽입, 신축배관 고정을 위해 별도 브라켓 등을 사용하여야 하는 등 시공이 복잡해진다. 또한, 단열재 훼손으로 건축공정과 충돌하고, 단열재 하자 등으로 인해 결로 발생의 우려가 있으며, 헤드 감열부의 위치가 천장으로부터 30 cm 이상 이격되므로 작동시간이 지연되는 문제가 발생한다. 또한, 헤드보다 상부에 위치한 전열교환기 화재에 대응하기가 어렵다.
3.3 하향식 헤드 설치
하향식 피난구가 실외기실에 설치되어 있어 이에 대한 안전 확보를 위해 하향식 헤드를 설치하는 경우가 있다. 이러한 구조에서는 반자를 별도로 설치하여야 하며 거실 쪽에서 연장된 습식 스프링클러 배관을 사용하므로 루버를 통하여 외부 공기가 유입되는 실외기실에는 동결방지 조치도 필요할 것으로 판단된다.
3.4 엘보형 헤드 설치
3.5 실외기실 스프링클러헤드 추가 설치의 필요성
앞서 언급한 바와 같이 실외기실 스프링클러 유형의 대다수를 차지하는 측벽형 헤드는 천장에 설치되는 전열교환기와 벽면에 설치된 덕트들로 인하여 살수장애 영향을 받게 된다.
‘NFPA 13’(10)에서는 측벽형 헤드는 경급 위험 용도(light hazard occupancies)에서만 사용하도록 하고, 살수패턴이 표준형 분무식 헤드에 비해 균일하지 않으며, 적절한 방호를 위해 필요한 수평 방향 방수를 방해하는 것으로 천장 근처에 설치된 장애물에 대단히 민감하다고 하였다. 또한, 헤드가 설치된 벽으로부터 돌출된 장애물에 악영향을 받으며 살수 장애물은 헤드로부터 방사된 소화수가 장애물 건너편 위험지역까지 도달하는 것을 방해한다고 하였다. 따라서 측벽형 헤드는 살수장애가 최소가 되도록 설치되거나 해당 위험을 충분히 방호하도록 추가로 설치할 것을 제안하였다. 또한, 측벽형 헤드의 경우 조명기구 또는 이와 유사한 장애물과 4 ft (1.2 m) 이상 이격하도록 하였다.
그러나 국내에서는 실외기실이 배관의 말단 헤드 1개가 설치되는 좁은 공간에 해당되고 하향식 헤드를 설치할 경우 배관이 노출되어 별도의 반자 마감이 필요하므로 시공 편의상 거실과 인접한 벽면에 측벽형 헤드 1개소만 설치한다. 또한 좁은 실외기실 공간에서 측벽형 헤드를 전열교환기와 1.2 m 이상 이격하여 설치하는 것도 불가능하다.
살수장애를 피하기 위하여 전열교환기 아래에 측벽형 헤드를 설치하거나 엘보형 헤드를 설치할 경우에는 감열부가 천장류(ceiling jet flow) 구역을 벗어나게 되어 작동시간이 지연된다. ‘NFPA 13’에서도 측벽형 헤드의 위치가 천장으로부터 6 in (152 mm)보다 더 아래로 낮아지면 작동시간이 점점 더 오래 걸리는 경향이 있다하였으며, 천장도 측벽형 헤드의 방수에 영향을 미쳐 헤드가 낮아질수록 살수패턴의 변화를 초래한다고 하였다.
또한, 살수장애를 피하여 전열교환기 아래로 설치된 측벽형 헤드나 엘보형 헤드는 전열교환기 화재에 대하여는 방호할 수 없는 구조가 된다.
전열교환기의 살수장애를 고려하여 상⋅하향식 헤드나 측벽형 헤드 아래에 추가 헤드를 설치할 경우에는 김지태 등이 연구한 바와 같이 상부 헤드 작동에 의해 하부 헤드의 감열부가 냉각되어 작동이 느려지는 수직 스키핑 현상이 발생된다(7).
따라서 실외기실에는 감열부의 반응시간이 신속하고 실외기와 전열교환기라는 화점을 충분히 방호할 수 있으면서도 시공 절차가 간소한 스프링클러 설치 방안에 대한 연구가 시급하다. 본 연구에서는 시공의 편의상 실외기실 일측 벽면에 전열교환기의 살수장애를 고려하여 추가 헤드를 설치하되, 상부 헤드의 분사로 인해 하부 헤드의 작동이 영향을 받지 않는 형태에 대하여 연구하였다.
4. TRIZ 분석을 통한 실외기실 스프링클러 설치방안
실외기실 화재 발생에 대한 문제점을 분석하고, 상⋅하부 헤드 병용 설치 시 상부 헤드의 분사로 인해 영향을 받지 않고 하부 헤드도 동시에 작동할 수 있는 장치를 개발하기 위해 TRIZ 기법(11-15)을 사용하였다.
본 연구에서 적용한 TRIZ 분석은 문제의 정의→문제의 분석→문제 모델링→해결 모델링→검증의 순서로 진행하였다. 문제 정의 단계에서는 현재 실외기실 스프링클러 시스템의 모순과 이상해(理想解)를 제시하였으며, 문제의 분석 단계에서는 기능분석 및 근본원인 분석을 실시하여 실외기실 스프링클러 시스템의 문제를 체계화, 세분화하였다. 문제 모델링 단계에서 도출된 문제를 기술적 모순과 물리적 모순으로 형태화하고 해결 모델링을 통해 실외기실 스프링클러 설치방안을 제시하였으며, 제안된 스프링클러 장치의 소화성능을 확인하는 순서로 진행하였다.
4.1 문제의 정의
스프링클러 헤드를 하나만 설치할 경우 천장으로부터 30 cm 이내 설치시는 살수장애 현상이 발생하게 된다. 또한, 살수장애를 피하기 위하여 전열교환기 아래의 높이에 설치하게 되면 스프링클러의 작동 속도가 느려질 뿐만 아니라 전열교환기에서 화재가 발생한 경우 전열교환기의 화재 진압은 불가능하게 되므로 화재진압에 실패하게 된다. 한편, 상⋅하부 헤드를 병용 설치하면 화재 시 상부 헤드만 작동하고 상부에서 살수되는 소화용수로 하부 헤드가 냉각되므로 하부 헤드는 작동하지 않아 화재진압에 실패하는 모순이 발생한다. 본 연구에서는 살수장애 영향을 최소화하면서 화점이 될 수 있는 전열교환기와 실외기에 모두 소화수가 신속하게 방사되어 화재 진압이 가능한 스프링클러설비를 이상해로 설정하였다.
4.2 문제의 분석
4.2.1 근본원인 분석
실외기실 화재진압실패의 주요 요인으로는 크게 점화원, 가연물, 스프링클러헤드의 작동 미비의 관점으로 구분할 수 있다. 하부단계로 갈수록 더 세부 근본 원인이 분석되며, 실패를 초래하는 주요 요인의 근본원인들은 “AND”와 “OR”의 관계로 분류된다. “AND”로 연결된 원인은 모두가 제거되어야 해결되며, “OR”로 연결된 원인은 하나만 제거되어도 문제가 해결되는 것으로 간주한다.
점화원의 관점에서는 Figure 6에 나타낸 것과 같이 과열, 담배꽁초, 인화물질, 접촉 불량, 합선 등의 원인들이 “OR” 관계로 작용하였다. 이 중 과열은 정격전류를 초과하여 사용, 여름철 전기기기의 과다 사용, 실외기실 환기 불량의 세부 원인들이 “OR” 관계로 작용하였다. 특히, 여름철 생활용품 등을 실외기실에 적재한 상태로 사용자 부주의로 루버를 개구하지 않고 환기불량의 상태로 에어컨을 과사용하는 것이 주요 원인으로 작용하였다. 접촉 불량은 단자 결속 불량과 전선 연결 불량이 “OR” 관계의 원인으로 작용하며, 전선 연결 불량은 커넥트를 사용하지 않거나 진동에 의한 이탈이 “OR” 관계의 원인으로 작용하였다. 합선의 원인은 절연파괴였으며, 절연파괴는 정격전류 이하의 전선을 사용, 경년열화, 트레킹이 “OR” 관계의 원인들로 작용한다. 트레킹은 먼지와 수분의 세부 원인들이 “AND” 관계로 작용하며, 먼지는 실외기가 좁은 실외기실에 설치되어 청소가 곤란하고 루버에 의해 외기로 노출되는 세부 원인들이 “AND” 관계로 작용하였다.
가연물의 관점에서 보면, Figure 7과 같이 크게 실외기와 열교환기 내 가연물과 생활용품 적재, 먼지, 쓰레기 등의 원인들이 “OR” 관계로 작용하였다.
실외기, 열교환기 내 가연물로는 냉매 배관, 전선 및 전자기판, 임펠러와 커버 등의 원인들이 “AND” 관계로 작용하였다. 냉매 배관 내 냉매 가스는 연소성이 있고, 냉매 배관을 감싸고 있는 보온재는 불연재가 아닌 재질인 것이 원인으로 작용하였다. 전선, 전자기판, 임펠러, 커버 등도 합성수지류들로 불연재가 아닌 재질인 것이 원인으로 작용하였다. 생활용품 적재는 법적 기준이 없고 관리 소홀, 창고 부족의 원인들이 “AND” 관계로 작용하며, 관리 소홀은 위험성에 대한 인식 부족이 세부 원인으로 작용하였다. 먼지, 쓰레기는 외기로 개구되어 있는 환경적 요소와 관리 소홀이 “AND” 관계로 작용하였으며, 관리 소홀은 청소곤란과 위험성에 대한 인식 부족이 “OR” 관계의 세부 원인으로 작용하였다.
스프링클러 작동 미비의 관점에서 보면, Figure 8과 같이 살수장애와 화점을 조준하지 못하고 스키핑 현상이 “OR” 관계의 주요 요인으로 작용하였다.
살수장애는 전열교환기가 천장에 달려있고 헤드를 천장에서 30 cm 이내 설치해야하며 헤드 설치 위치를 변경하기 곤란한 원인들이 “AND” 관계로 작용하였다. 구체적으로 천장에서 30 cm 이내 설치하는 것은 스프링클러 헤드 감열부를 천장류(ceiling jet flow) 구역 내 설치하도록 하는 법적 기준 충족과 실외기실 배관을 거실 배관에서 연장하여서 설치하는 것이 “OR” 관계의 원인으로 작용하였다. 헤드 위치 변경 곤란은 단열재를 파손시킬 수 있거나 단열재에 고정하는 별도 배관 부재가 없는 원인들이 “OR” 관계로 작용하며, 단열재 파손은 헤드 설치가 단열재 시공보다 후 공정인 것이 세부 원인으로 작용하였다.
화점 조준을 못하는 것은 화점인 실외기와 전열교환기로 분사가 안 되는 원인들이 “OR” 관계로 작용하였다. 실외기로 분사가 안 되는 것은 하부 공간 분사량 부족이 원인으로 작용하고, 하부 공간 분사량 부족은 측벽형 헤드 살수패턴이 세부 원인으로 작용한다. 전열교환기로 분사가 안 되는 것은 전열교환기 아래에 헤드가 설치되는 것이 원인으로 작용하고, 전열교환기 아래로 헤드를 설치하는 것은 살수장애 방지가 세부 원인으로 작용하였다.
스키핑 현상은 상⋅하부 헤드 병용 설치가 원인으로 작용하며, 하부 헤드가 작동이 안 되는 것은 상부 헤드가 하부 헤드를 냉각시키기는 것이 원인으로 작용하였다. 상부 헤드가 하부 헤드를 냉각시키는 것은 상부 헤드가 먼저 살수되고 하부 헤드가 개방되는 방식이 “AND” 관계의 원인으로 작용하며, 하부 헤드 개방 방식은 감열부가 열에 의해 녹아 헤드가 개방되는 방식인 것이 세부 원인으로 작용하였다.
4.2.2 기능분석
실외기실에 설치되는 스프링클러 시스템의 기능분석을 실시하여 모든 요소와 요소들 간의 상호 작용, 모든 기능들, 요소들 간의 모순을 파악하고자 한다. Figure 9는 기능시스템도 작성을 위한 기능의 종류별 심벌과 의미를 나타낸 것이다. 실외기실에 설치되는 스프링클러 시스템이 수용하는 기능을 목표 대상, 구성요소 및 환경 상위요소의 관점에서 모델링하고, 기술시스템을 구성하는 요소들 간의 상호작용은 Figure 10에 나타낸 바와 같이 주체가 대상이 되는 객체에게 수행하는 작용의 방향으로 화살표로 표현하였다.
상⋅하부 헤드를 병용 설치 시 수직 스키핑이 발생되는 현상을 기능분석을 위해 시스템 구성 요소로 세분화하면, 시스템 요소는 소화수조, 소화펌프, 배관, 상부 헤드, 하부 헤드가 되며, 환경요소는 소화수, 목표 대상은 화재가 된다.
시스템 요소들 간의 상호작용을 나타내는 기능분석도는 Figure 10과 같다. 배관은 물탱크, 펌프, 상부 헤드, 하부 헤드를 연결하며, 소화수를 이동시킨다. 물탱크는 소화수를 저장하고 펌프는 소화수를 끌어올린다. 화재는 상부 헤드를 반응시키고, 상부 헤드는 소화수를 분사한다. 이 경우, 상부 헤드에서 분사되는 소화수는 하부 헤드를 냉각시키는 유해한 기능(harmful function)으로 작용된다. 이로 인해 시스템 요소들 간에 부족한 기능(lacked function)으로 작용하는 곳이 화재가 하부 헤드를 반응시키는 기능, 하부 헤드가 소화수를 분사하는 기능, 소화수가 화재를 소화시키는 기능으로 3개소에 확인되었다. 본 연구에서는 상부 헤드의 분사되는 소화수가 하부 헤드를 냉각시키는 유해한 기능을 완전 차단 또는 제거하고, 화재가 하부 헤드를 반응시키지 못하고 하부 헤드가 소화수를 분사하지 못하며 소화수가 화재를 소화시키지 못하는 부족한 기능(lacked function)들은 보완 및 개선하는 방향으로 대책을 세웠다.
4.3 문제 모델링
4.3.1 TRIZ 기법의 기술적 모순을 활용한 아이디어 도출
기술적 모순이란 시스템 모순(system conflict), 근본적 모순(root conflict)로부터 두 특성 간에 갈등을 일으키는 관계를 말하며, 시스템의 특성 ‘A’를 개선하면 특성 ‘B’가 악화되는 관계로 상호 배타적인 관계를 말한다.
기술적 모순은 모순 매트리스를 적용할 수 있으며, 모순 매트리스를 적용하면 모순관계가 되는 2가지 특성을 모두 충족시키는 해결안을 도출할 수 있다.
상⋅하부 헤드를 병용 설치 시 주수량이 충분히 분사되는 ‘물질의 양’은 개선되었으나, 먼저 살수된 상부 헤드가 하부 헤드를 냉각시켜 동작을 지연시키는 ‘대상물이 생성한 부작용’이 악화되는 특성이 있었다.
이를 해결하기 위하여 모순 매트리스를 적용하니, Figure 11과 같이 ‘물질의 양’과 ‘대상물이 생성한 부작용’을 모두 충족시키는 해결안으로 국소적 성질, 속성변환, 복합재료, 비활성화/불활성화 환경의 발명원리가 도출되었다.
본 연구에서는 도출된 발명원리들 중 ‘국소적 성질’, 즉, 전체 중 일부만 변형/개조해서 전체 기능을 보강하는 발명원리를 적용하여 Figure 12와 같은 아이디어를 도출하였다.
도출된 방식에서는 상⋅하부 헤드 중 상부 헤드만 폐쇄형 헤드로 적용, 열에 의해 개방되는 감열부를 사용함으로써, 화재 시 감열부가 녹아 주수되는 기존의 방식을 그대로 적용하였고, 하부 헤드는 개방형 헤드로 적용, 감열부가 없고 화재 시 개방되어 즉시 분사되는 형태로 변형하였다.
4.3.2 TRIZ 기법의 물리적 모순을 활용한 아이디어 도출
물리적 모순이란 시스템 충돌(system conflict), 기초 충돌(root conflict)로부터 하나의 특성이 서로 상충되는 상태를 요구받는 모순을 말한다.
TRIZ는 물리적 모순의 경우, 분리의 법칙, 즉 공간에 의한 분리, 시간에 의한 분리, 조건에 의한 분리를 통하여 양자를 동시에 충족시키는 대안을 찾을 수 있다.
본 연구에서는 Figure 12와 같이 화재발생 위험이 있는 전열교환기와 실외기 공간을 분리하여 상부 헤드와 하부 헤드를 각각 적용하는 ‘공간에 의한 분리’를 적용하였다. 또한, ‘조건에 따른 분리’를 적용하여 화재 발생 시 상부 헤드 개방 시 하부 헤드를 동시에 작동시킬 수 있는 구조의 연결구를 개발하였다(16).
상부 헤드와 하부 헤드는 연결구에 의해 주종 관계가 되어 상부 헤드의 개방에 의해 하부 헤드도 함께 개방되는 형태로 구성된다. 즉, 평상시에는 피스톤 밸브 말단에 장착된 차단부재에 의해 유로가 폐쇄되어 상부 헤드와 하부 헤드의 유출구가 모두 폐쇄된다. 그러나 화재 발생 시에는 폐쇄형인 상부 헤드 감열부가 녹아 상부 헤드 유출구가 개방되면 피스톤 밸브에 의해 차단부재가 이동되고 유로를 개방, 하부 헤드 유출구도 개방시켜 상부 헤드와 하부 헤드가 동시에 살수된다.
4.4 실외기실 스프링클러의 설치 방안
실외기실에는 거실의 배관이 연장되어 일측 벽면에 설치할 수 있는 형태가 시공상 용이하다. Figure 12의 헤드 형태를 변형하여 Figure 13과 같이 전열교환기 상부에 측벽형 헤드를 1개소 설치하고 전열교환기 하부에 엘보 형태로 하향식 헤드를 설치 내지는 전열교환기 상부와 하부에 측벽형 헤드를 1개소 추가 설치하는 형태로 고안하였다. 이 경우 상부 헤드는 폐쇄형 헤드로 적용, 하부 헤드는 개방형 헤드로 적용하였으며, 거실 측 주배관에서 분기배관으로 분기되는 지점에 연결구에 의해 연결된다. 상부 헤드와 하부 헤드는 연결구에 의하여 주종의 관계로 구성되어 상부 폐쇄형 헤드가 개방되면 하부 개방형 헤드도 개방되는 형태로 작동된다.
상부 헤드는 전열교환기로 살수 장애 영향을 받으나 전열교환기 아래에 추가 헤드가 달려있어 화점을 충분히 방호할 수 있다. 또한 하부 헤드는 천장으로부터 30 cm 이상 이격은 되어 있으나 열에 의해 감열부가 녹아서 헤드가 개방되는 형태가 아니라 상부 헤드가 개방되면 개방형인 하부 헤드도 동시에 개방되는 형태이므로 헤드 반응시간도 신속하고 스키핑 현상 없이 상부 헤드와 하부 헤드가 화점인 실외기와 전열교환기를 충분히 방호할 수 있다.
5. 개발제품의 성능 확인
5.1 실물 화재시험장치
화재시험실 모형은 Figure 14와 같이 실제 실외기실과 유사하게 가로(2 m), 세로(1.2 m), 높이(2.5 m)로 바닥면적 3 m2 미만으로 구성하였으며, 천장에는 전열교환기, 바닥에는 실외기, 전면에는 루버를 설치하였다. 상부 헤드는 천장에서 100 mm, 벽에서 100 mm 이격하여 설치하였고 하부 헤드는 천장에서 350 mm, 벽에서 100 mm 이격하여 설치하였다.
가연물로는 실외기와 전열교환기의 가연물들이 철판과 합성수지류의 제어판, 전선, 덕트 등으로 구성된 것을 고려하여 FM global(17)에서 규정하고 있는 표준가연물 중 포장된 발포 플라스틱(cartoned expanded plastic, CEP)을 가로(0.4 m), 세로(0.3 m), 높이(0.3 m)의 박스로 제작, 총 4개를 1단 2개씩, 2단으로 적재하여 실험환경을 구성하였다. 그리고 연료팬은 가로(0.3 m), 세로(0.3 m), 높이(0.15 m)의 연료팬에 헵탄(heptane, n-C7H16) 200 mL와 물 200 mL의 유체를 채워서 구성하였다.
가압송수장치로는 펌프(5.5 kW, 61 m, 20 m3/h) 2 개를 물탱크(2.5 m3)와 연결하여 상부 헤드와 하부 헤드 각각의 헤드 방사압과 방사량이 NFTC 103에 따라 0.1 MPa과 80 lpm이 유지되도록 가압하였다.
스프링클러 시스템은 Figure 15와 같이 상부 헤드와 하부 헤드를 25 mm 분기배관으로 연결하여서 구성하였다. 기존 방식인 Figure 15(a)는 상부 헤드와 하부 헤드 모두 표시온도 68 ℃ 폐쇄형 드라이펜던트 측벽형 헤드로 구성하였다. 개발 방식인 Figure 15(b)는 상부 헤드는 표시온도 68 ℃ 폐쇄형 드라이펜던트 측벽형 헤드, 하부 헤드는 개방형 측벽형 헤드로 구성하였고, 개발된 연결구를 실외기실 상부 헤드와 하부 헤드로 분기되는 분기배관의 위치에 설치하였다.
가연물은 실외기 상단에 놓고, 연료팬은 실외기 외부가 철판으로 구성된 것을 고려, 지속적인 연소상태를 유지하기 위하여 실외기 내에 넣어서 점화한 후 문을 폐쇄하여 자유 연소시켰다.
본 연구에서는 기존 방식과 개발 방식에 대하여 각 1회씩 시험하였으며, 상부 헤드 개방 시간, 하부 헤드 개방 시간, 화재모형의 화재 진압이 되는 시간을 비교하여 시험 결과를 확인하였다.
5.2 실물 화재시험결과 및 분석
Figure 16은 기존 방식인 Figure 15(a)의 상부 헤드와 하부 헤드를 모두 폐쇄형 측벽형 스프링클러헤드로 적용했을 때의 화재시험결과에 대한 이미지이며, Figure 17은 개발 방식인 Figure 15(b)의 상부 헤드는 폐쇄형 드라이펜던트 측벽형 헤드로 설치하고, 하부 헤드는 개방형 측벽형 헤드로 적용했을 때의 화재시험결과이다. Table 1은 이들에 대한 화재시험결과에 대한 비교표이다.
Table 1
Test Result
Figure 16의 기존 방식은 상부 헤드가 개방되어 방사되는 시간은 점화 후 1 min 4 s 뒤였고, 점화 후 8 min 10 s가 지났을 때도 불꽃은 남아있었으며, 완진 시간은 점화 후 9 min 30 s가 소요되었다. 이 경우 상부 헤드는 개방되었으나, 하부 헤드는 완진될 때까지 개방되지 않았다. 이는 상부 헤드의 방사되는 소화수로 인하여 하부 헤드가 냉각되어 스키핑 현상이 발생되거나 감열부의 위치가 천장으로부터 30 cm 이상 이격되어 있어 반응시간이 느려진 것으로 추정된다.
상부 헤드 개방 후 8 min 26 s 만에 불꽃은 사라졌으나, 확인 결과 가연물이 남아있지 않아서 소진된 것으로 추정된다.
Figure 17의 개발 방식은 상부 헤드가 개방되어 방사되는 시간은 점화 후 1 min 2 s 뒤였으며, 완진 시간은 점화 후 1 min 25 s가 소요되었다. 이 경우 상부 헤드가 개방되자 본 연구에서 개발된 연결구의 작동으로 하부 헤드도 동시에 개방되어 살수되었으며, 헤드 개방 후 23 s만에 불꽃이 사라졌으며 이후 불꽃이 보이지 않았다.
실물 화재시험결과에서 알 수 있듯이 기존 방식과 개발 방식 모두 상부 헤드인 폐쇄형 헤드가 개방되는데 걸리는 시간은 1 min여 지난 후로 비슷하였다. 그러나 상하부 헤드를 모두 폐쇄형 헤드로 적용한 기존 방식 Figure 15(a)의 경우는 전열교환기의 살수 장애로 인하여 화점을 제대로 조준하지 못하며 헤드 개방 후 완진하는데 시간이 8 min 이상이 소요되었으며, 가연물의 양, 종류에 따라 더 장시간이 소요될 수 있는 것을 확인하였다. 또한, 추가 헤드를 전열교환기 아래에 설치한다고 하여도 하부 헤드는 개방되지 않아서 화점을 방호하는데 효과가 없었다.
그러나 본 연구에서 개발한 연결구를 사용하여 상부 폐쇄형 헤드, 하부 개방형 헤드로 적용한 Figure 15(b)의 경우는 상하부 헤드가 동시에 개방되어 즉시 분사되었고 헤드 개방 후 불과 23 s만에 불꽃이 사라지며 재점화되지 않고 완진되었다.
6. 결 론
본 연구는 실내로 들어온 실외기실에서 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 창의적 문제 해결방법론인 TRIZ 기법을 활용하여 실외기실 소화실패의 원인과 실외기실에 적합한 스프링클러 헤드의 설치 방안과 연결구를 제안하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
1) 실외기 화재만을 위해 측벽형 헤드를 1개 설치할 경우 실외기실 천장에 설치된 전열교환기로 인해 살수 장애 영향을 받아 실외기 화재에 필요한 충분한 수량을 바닥으로 살수하지 못할 수 있고, 화점을 충분히 조준하지 못하게 된다.
2) 전열교환기의 살수장애를 피해 측벽형 헤드나 엘보형 헤드를 전열교환기 아래에 설치할 경우 감열시간이 늦어질 것이며, 상부의 전열교환기 화재를 진압하지 못할 것이다.
3) 전열교환기의 살수장애를 고려하여 상부 헤드 아래에 하부 헤드를 추가로 설치할 경우 상부 헤드 작동에 따른 증발잠열 등으로 하부 헤드가 작동하지 못할 수 있다.
4) 실외기실에는 전열교환기의 살수장애를 고려하여 상부 측벽형 헤드 1개 외에 하부에 측벽형 헤드 내지 엘보형 헤드를 추가로 1개 더 설치하여야 하며, 하부 헤드는 상부 헤드의 소화수 영향을 받지 않고 동시에 개방될 수 있는 구조로 설치하여야 한다.
5) 상부 헤드는 폐쇄형으로 하고 하부 헤드는 개방형으로 하며 상부 헤드의 개방에 의하여 하부 헤드도 동시에 작동시킬 수 있는 구조의 연결구를 개발하였다.
6) 화재실물시험 결과 개발 방식은 하부 헤드가 상부 헤드의 소화수 영향을 받지 않고 상부 헤드와 동시에 개방되어 소화수가 분사되므로 완진 시간이 점화 후 9 min 30 s가 소요되었으나, 기존 방식은 상부 헤드만 개방되고 하부 헤드는 완진될 때까지 개방되지 않았으며 완진 시간은 1 min 25 s가 소요되어 개발방식이 기존방식에 비하여 화재진압을 하는데 현저히 시간 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
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