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Fire Sci. Eng. > Volume 37(6); 2023 > Article
철도차량 객실용 미분무 소화설비의 다중 화원 화재진압성능 평가 연구

요 약

철도차량 객실을 모사하는 공간에서 미분무 소화설비의 화재 진압 성능을 철도차량 기술기준의 자동화재진압설비 시험방법의 시나리오 중 다중 화원을 활용한 성능평가 방법에 따라 성능을 평가하였다. 시험 공간 내부에 3개의 n-Heptane 화원풀을 위치하였으며 이를 점화한 후 30 s 경과 후에 미분무 소화설비를 각각 10 bar와 20 bar의 압력으로 작동시켰을 때 시험 공간 내부의 온도 변화 및 소화 소요시간, 소화 설비 정지 소요시간 등의 소화 특성을 분석하였다. 실험결과 점화 후에는 객실 내부 온도가 초기에는 상승하다가 점화 30 s 후 소화설비를 가동하면 객실 내부 온도가 상승을 멈추고 하강하기 시작하여 5 min 이내에 완전히 소화되어야 하는 화재안전기준을 만족함을 확인할 수 있었다. 이 때, 작동압력이 10 bar인 경우보다 20 bar인 경우에 온도가 더 빨리 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 또한, 수직 온도 분포 분석 결과 열부력에 의해 하부보다는 상부의 온도가 높은 것으로 나타났으며, 수평 온도 분포 분석 결과 화원 부근 및 노즐과의 거리가 먼 곳에서 온도가 높은 것으로 나타났다. 그러나, 미분무 소화설비의 노즐과 멀리 떨어진 곳에서는 온도가 더 천천히 낮아져 위험할 수 있으므로 노즐 위치 설계도 매우 중요함을 확인할 수 있었다.

ABSTRACT

The fire suppression performance of a mist fire-extinguishing system in railway passenger cabin was evaluated using a performance evaluation method based on multiple fire sources. Scenarios were analyzed for a simulated space in the railway vehicle cabin of the Daegu Urban Railway Line 3 using automatic fire-suppression system methods based on railway-vehicle technical standards. Three n-heptane fire pools were positioned inside the test space. When the spray fire-extinguishing equipment was operated at 10 and 20 bar after 30 s of ignition, the variations in the temperature of the test space and the fire-extinguishing characteristics, such as the time taken to stop the fire-extinguishing equipment, were analyzed. The experimental results showed that the internal temperature of the cabin initially increased after ignition. However, when the fire- extinguishing equipment was operated 30 s after ignition, the internal temperature of the cabin stopped increasing and started to decrease, satisfying the fire safety standard that the fire must be completely extinguished within 5 min. The temperature decreased more rapidly when the operating pressure was 20 bar than when it was 10 bar. In addition, the vertical temperature distribution analysis showed that the temperature of the upper part was higher than that of the lower part, owing to thermal buoyancy. However, the design of the nozzle location is critical because the temperature decreases more slowly far from the nozzle of the mist fire-extinguishing system, which can be dangerous.

1. 서 론

2003년 대구지하철 화재사건 이후 국내 철도차량 화재안전기준이 크게 강화되었으며, 철도안전법에서는 철도차량 기술기준에 따라 화재안전을 만족하도록 의무화하고 있다. 본 연구에 사용된 철도차량 객실의 경우 철도차량 기술기준 Part 54(1)의 적용을 받는데, 특히 ‘3. 필수 요구사항’에는 ‘3.2.4 화재안전’ 항목이 별도로 있으며, 여기에는 화재안전설계, 화재안전등급, 화재예방, 화재전파 방지, 화재의 감지 및 경보, 화재발생시 대피, 화재 진압설비, 화재안전설비의 작동상태 표시 등과 같이 차량의 화재안전 확보를 위한 필수적인 요구사항이 담겨있다. 그중에서도 본 연구에서 다루고자 하는 화재 진압설비의 경우, 소화기 비치가 기본이지만, 예비위험도 분석 및 상세위험도 분석 결과 필요하다고 인정되는 철도차량 객실에는 자동으로 화재를 진압하고 이를 운전실에서도 작동시킬 수 있는 화재진압설비가 설치되어야 한다고 명시되어 있다. 해당 기술기준의 ‘5. 시험규격서’ 중 부품시험의 ‘5.1.9 자동화재진압설비시험’에는 본 연구에서 다루는 미분무 소화설비의 성능을 시험으로 입증하는 경우에 적용이 가능한 시험규격서가 제시되어 있다. 이를 이용하면 차량 내에서 발생가능한 화재를 진압할 수 있는 전역방출 미분무 소화설비의 성능을 확인할 수 있다.
Barbagli(2)는 철도차량에 미문부 소화설비의 다양한 적용 사례 및 시스템 적용시의 이점에 대하여 제시한바 있으며, Kaźmierczak(3)는 유럽 연합에서 철도 차량용 활성 화재 보호 시스템의 사용을 규제하는 현재 표준, 규정 및 요구 사항을 분석하였다. 유럽에서는 ARGE guideline(4-6)에서 철도차량 화재감지기 및 화재진압장치에 대한 성능평가 기준이 제시되었는데 특히 ARGE guideline 2(5)에서 철도 차량의 객실 및 기능실과 전기 캐비넷 및 연소엔진 공간에서의 화재 진압 및 소화 시스템의 성능을 평가할 수 있는 방법이 제시되고 있다.
미분무수 노즐의 형상, 설치 위치 및 작동압력 등에 따라 입자의 크기 및 배출 성상이 매우 다르며 화재에 크기에 따라서도 소화 성능이 매우 상이하다. 철도차량에서의 미분무 소화설비의 화재진압 및 소화 성능에 대하여 실험된 바 있다(7,8).
본 연구에서는 앞에 기술한 철도차량 기술기준의 시험규격서에 따라 대구도시철도 3호선 철도차량 객실에 설치되는 미분무 소화설비의 화재 진압 성능을 평가함으로써 실차 적용시의 소화 성능 확보 가능 여부를 확인하고자 하였다.

2. 시험 방법 및 조건

2.1 시험장비

본 연구에서는 Figure 1과 같은 화재진압설비 시험장비를 이용하여 철도차량 객실용 미분무 소화설비의 화재진압 성능시험을 수행하였다. 화재진압설비 시험장비 내부공간의 크기는 대구지하철 3호선과 유사하도록 길이 13,000 mm, 높이 2,300 mm, 폭은 2,680 mm로 조정하였다. Figure 2는 화재진압설비 시험장비의 양측 개구부(갱웨이 부)를 나타낸 것으로 높이는 1,900 mm, 폭은 1,200 mm였으며, 바닥면 문턱의 높이는 200 mm였다. Figure 3은 화재진압설비 성능시험장비의 내부 및 개구부 사진이다.
Figure 1
Diagram of cabin fire suppression performance testing facility(1).
kifse-37-6-62-g001.jpg
Figure 2
Gangway opening size of cabin fire suppression performance testing facility (unit: mm).
kifse-37-6-62-g002.jpg
Figure 3
Inside (Left), and gangway opening (Right) of cabin fire suppression performance testing facility.
kifse-37-6-62-g003.jpg

2.2 미분무 소화설비

화재진압설비 시험장비 내부에 시험할 미분무 소화설비를 구성하는 배관과 노즐을 설치하였다. 배관은 Figure 4에 나타낸 바와 시험장비 내부에 바닥면에서 2,100 mm 높이에 설치하였으며, 각 배관의 끝단에 총 7개의 노즐을 3,100 mm 간격으로 설치하였다. 설치된 배관과 노즐의 모습은 Figure 5, 노즐의 사양은 Table 1과 같다.
Figure 4
Vertical (Top) and horizontal (Down) cross-section of cabin fire suppression performance testing facility showing the arrangement of water pipes.
kifse-37-6-62-g004.jpg
Figure 5
Photograph of installed pipes and nozzles (Left), and shape of nozzle (Right) used for the cabin fire suppression performance testing facility.
kifse-37-6-62-g005.jpg
Table 1
Specification of Nozzle
Pressure (bar) Flow (L/min) K-Factor
7~10 15~18 5.6

2.3 온도 및 압력 센서 설치

시험 진행 중 시험장비 내부의 온도를 측정하기 위하여 내부 공간의 24개 지점에 Figure 6과 같이 K-type의 열전대를 설치하였다. 우선 10개의 열전대(TC1~TC10)를 2개의 열전대 트리에 각각 5개씩 바닥면으로부터 각각 2.0 m (TC1, TC6), 1.6 m (TC2, TC7), 1.2 m (TC3, TC8), 0.8 m (TC4, TC9), 0.4 m (TC5, TC10) 높이에 설치하여 수직면 온도 분포를 볼 수 있도록 하였고, 나머지 14개의 열전대(TC11~TC24)는 천장부 부근의 바닥면에서 2,250 mm 높이에 950~1,000 mm 간격으로 일렬로 설치하여 수평면 온도 분포를 볼 수 있도록 하였으며, 추가로 3개의 열전대(fire_A, fire_B, fire_C)를 3개의 화원에 각각 1개씩 설치하여 화원의 온도도 동시에 측정할 수 있도록 하였다. 열전대 트리는 4,633 mm 및 9,266 mm (시험공간 길이를 L이라고 할 경우 3/9 L 및 6/9 L 위치)에 위치하였다.
Figure 6
Location of 10 thermocouples at two thermocouple trees (Top), and 14 thermocouples at 2,250 mm height (Bottom).
kifse-37-6-62-g006.jpg
시험 진행 중 미분무 소화설비 배관의 압력을 측정하기 위하여 배관 양 끝단에 2개의 압력센서를 설치하였다. 또한, 미분무 소화설비에서 사용한 물의 양을 측정하기 위하여 펌프 토출부에 유량계를 설치하여 순간 유량 및 누적 유량을 측정할 수 있도록 하였다.

2.4 화원 및 화재 시나리오

시험장비 내 화재는 시나리오에 따라 구현하였는데, 본 시험에 사용된 화원의 종류, 크기, 연료 및 시험장비 내 화원의 위치를 Table 2에 나타내었다. 화원 배치 완료 후에 점화를 하고 30 s가 경과한 후에 미분무 소화설비를 가동하였다. 소화 시간은 화원의 온도가 50 °C 이하에 도달할 때까지 소요된 시간으로 정하였으며, 소화가 이루어진 후에도 약 60 s 이상 소화를 진행하여 시험장비 내부의 온도를 안전한 온도로 하강시킨 후에 실험을 종료하였다. 본 연구에 사용된 미분무 소화설비의 시험 조건은 Table 3에 나타내었는데 Case 1은 작동압력이 10 bar 일 때이며, Case 2는 작동압력이 20 bar 일 때이다.
Table 2
Specification and Arrangement of Fire Source
Fire Source Specification
Type & Size 3 Sets of 0.3 m2 (548 mm × 548 mm) Pool Fire
Fire Pool kifse-37-6-62-g007.jpg
Fuel n-Heptane
Arrangement kifse-37-6-62-g008.jpg
Table 3
Test Conditions of Fire Suppression Systems
Case Pressure (bar)
1 10
2 20

3. 실험 결과

3.1 화원 온도 분석

Case 1 및 Case 2에서 점화 및 미분무 소화설비를 가동하였을 때 3개의 화원(fire_A, fire_B, fire_C)에서의 시간에 따른 온도 변화를 Figure 7에 나타냈다. fire_A, fire_B, fire_C는 Table 2와 같다. Case 1과 Case 2 모두 공통적으로 점화 직후 온도가 급격하게 상승하였고, 점화 30 s에 미분무 소화설비를 가동함과 동시에 온도가 급격하게 하강하였다.
Figure 7
Change of temperature at fire sources over time with the ignition and the operation of fire suppression system in Case 1 (Top) and Case 2 (Bottom).
kifse-37-6-62-g009.jpg
Case 1의 경우, fire_C의 경우가 가장 온도가 높아져서 약 750 °C까지 상승하였다가 미분무 소화설비 가동 후 하강하기 시작하여 약 83 s 경과 후에는 소화가 완료되는 것으로 나타났다. 유사하게 fire_B의 경우는 약 220 °C까지 상승하였다가 미분무 소화설비 가동과 함께 온도가 하강하여 약 145 s 경과 후에는 소화가 완료되는 것으로 나타났다.
fire_A, fire_B, fire_C의 화원이 같음에도 온도 상승시점은 동일하나 온도하강속도가 다른 이유는 fire_B의 경우 객실 가운데에 위치하여 천장의 양옆으로 설치된 미분무 노즐에 의해 냉각 및 질식소화 효과가 원활하게 나타났으나, fire_A와 fire_C는 화원 착화 후 발생하는 대류에 의해 양방향의 인접한 개구부에서 공기가 유입되며, 미분무노즐 작동 이후에도 개구부에서 유입되는 공기와 화원의 대류로 인해 Case 1의 낮은 압력에서는 화원의 냉각 및 질식이 지연되어 화원 연소가 늦게 나타난 것으로 보인다.
fire_A의 경우에도 점화 후 온도가 약 400 °C까지 상승하였다가 미분무 소화설비 가동에 의해 온도가 다소 낮아졌으나, 완전한 소화가 이루어지지 않고 연소 상태를 유지하다가 fire_A의 연료인 n-Heptane가 모두 연소된 후인 528 s 경과 후에 자연연소되는 것으로 나타났는데, 이 시간 동안 미분무 소화설비에서 분사한 물의 총 양은 1,262 L로 나타났다. Case 1의 fire_B와 fire_A는 양쪽 개구부에 인접한 화원으로 열부력에 의한 대기유동의 영향으로 화원의 온도하강시간이 불규칙적으로 나타났다. Case 2는 Case 1과 같이 화원이 시험장비 내 바닥 3개 지점에 배열되어 있는 상태에서 미분무 소화설비의 압력을 20 bar로 2배 높이고 유량도 2.7 L/s로 늘린 경우인데, Case 1과 마찬가지로 점화 직후에는 온도가 급격하게 상승하였고, 점화한지 30 s가 지난 후에 미분무 소화설비를 가동함과 동시에 온도가 급격하게 하강하였다.
화원별로 보면, Case 1과 마찬가지로 fire_C가 점화 후에 온도가 가장 많이 상승하여 650 °C에 이르렀으나, 미분무 소화설비의 가동과 함께 약간 감소하였으나, 여전히 300 °C∼500 °C의 고온을 유지하였다. 이는 fire_C가 미분무 소화설비에 의해 완전한 소화가 이루어지지 않고, 이에 지속적으로 연소 상태를 유지하다가 연료인 n-Heptane이 모두 연소된 후에야 소화가 완료되는 것으로 나타났는데, 이 시간 동안 미분무 소화설비에서 분사한 물의 총 양은 1,535 L로 나타났다.
fire_A와 fire_B는 점화 후에 대략 500 °C까지 온도가 상승하였다가 미분무 소화설비를 가동하자 바로 온도가 하강하기 시작하였으며, 가동 20 s 경과 후에 완전히 소화되어 그 온도가 50 °C 이하로 내려갔다. Case 1에서 fire_A, fire_B, fire_C의 온도하강 시간이 다른 이유는 양쪽 개구부에 인접하여 열부력에 의한 대기유동의 영향 큰 fire_A와 fire_C의 온도하강시간이 불규칙적으로 나타났으며, Case 2에서는 Case 1보다 높은 압력으로 미분무가 분무되어 fire_A, fire_B, fire_C의 열부력을 억제하며, 온도하강 시작이 동일하게 시작되었다.

3.2 수직 온도 분포 분석

Case 1 및 Case 2에서 점화 및 미분무 소화설비를 가동하였을 때 2개의 열전대 트리에서의 시간에 따른 온도 변화를 Figure 8에 나타냈다. Case 1과 Case 2 모두 공통적으로 점화 직후 온도가 급격하게 상승하였고, 점화 30 s에 미분무 소화설비를 가동하자 온도가 하강하는 것으로 나타났다.
Figure 8
Change of temperature at two thermocouple trees over time with the ignition and the operation of fire suppression system in Case 1 (Top) and Case 2 (Bottom).
kifse-37-6-62-g010.jpg
Case 1 (Figure 8. top)의 경우 바닥에서의 높이가 높을수록 온도가 높게 나타나 바닥에서 2.0 m 높이에 설치된 TC06 열전대의 온도는 약 145 °C까지 상승하였고, 역시 2.0 m 높이에 설치된 TC01 열전대도 약 105 °C까지 상승하였으며, 설치 위치가 낮아질수록 최고로 상승하는 온도도 더 낮게 나타났는데, 이는 화재 발생시 화원에서 발생한 열이 열부력에 의하여 시험장비 내 위쪽으로 상승하기 때문이다. 이와 같이 상승하던 온도는 미분무 소화설비를 가동함과 동시에 급격하게 감소하여 미분무 소화설비를 가동한지 80 s 경과 후에는 모든 지점에서 50 °C 이하로 온도가 하강하는 것을 볼 수 있었다.
Case 2 (Figure 8. bottom)의 경우 Case 1과 유사하게 바닥에서의 높이가 높을수록 온도가 높게 나타나 바닥에서 2.0 m 높이에 설치된 TC06 열전대의 온도는 약 125 °C까지 상승하였고, 역시 2.0 m 높이에 설치된 TC01 열전대도 약 90 °C까지 상승하였다. 또한, 바닥면에서의 높이가 낮아질수록 최대 온도도 더 낮게 나타났다. 이처럼 하부의 온도가 낮고, 상부의 온도가 높은 것은 앞서 Case 1에서 설명한 바와 같이 화재 발생시 화원에서 발생한 열이 열부력에 의하여 시험장비 내 위쪽으로 상승하기 때문이다. 그러나, 미분무 소화설비를 가동함과 동시에 온도가 급격하게 감소하기 시작하여 30 s 경과 후에는 모든 지점에서 50 °C 이하로 하강하는 것을 볼 수 있었다. 앞서 Case 1에서 약 80 s 이상이 경과해야 50 °C 이하로 온도가 낮아졌던 것을 감안하면 압력과 유량이 더 높은 Case 2에서 더 빠른 속도로 소화가 일어났음을 알 수 있었다.
미분무 소화설비 가동 전 30 s와 가동 후 30 s 경과 후부터 30 s간의 열전대 트리에서의 각 센서 위치별 평균 온도 및 두 온도의 차이를 Table 4에 나타내었다. 미분무 소화설비 가동 전 30 s 평균 온도(Tb)의 경우는 Case 1이 22.9 °C~23.6 °C, Case 2가 21.9 °C~22.5 °C로 약 1 °C 가량 차이가 났으나 거의 유사한 초기 조건으로 볼 수 있었다.
Table 4
Temperatures Measured at 2 Thermocouples Trees Before (Tb) and After (Ta) the Operation of Fire Suppression System with Temperature Differences (ΔT) in Case 1 and Case 2
TC Location TC No. Tb (°C) Ta (°C) ΔT (°C)
Case 1 Tree 1 1 23.6 87.7 64.1
2 23.4 73.2 49.8
3 23.3 39.7 16.4
4 23.1 38.7 15.6
5 22.8 33.2 10.5
Tree 2 6 23.4 110.6 87.2
7 23.3 80.4 57.1
8 23.2 47.1 23.9
9 23.1 39.3 16.2
10 22.9 39.5 16.6
Case 2 Tree 1 1 22.4 64.6 42.2
2 22.4 53.7 31.3
3 22.2 42.2 20.0
4 22.2 40.0 17.8
5 21.9 38.3 16.4
Tree 2 6 22.4 72.9 50.5
7 22.5 56.9 34.4
8 22.4 46.6 24.2
9 22.4 42.7 20.4
10 22.1 40.0 18.0

Tb: 30 s Averaged Temperatures (°C) Measured Before the Ignition

Ta: 30 s Averaged Temperatures (°C) Measured at 30 s After the Operation of Fire Suppression System

ΔT: Temperature Difference Between Tb and Ta (Ta - Tb) (°C)

반면에 미분무 소화설비 가동 후 30 s 평균 온도(Ta)는 Case 1과 Case 2에서 다르게 나타났다. Case 1에서 트리 1과 트리 2의 가동 후 30 s 평균 온도(Ta)는 각각 33.2 °C~87.7 °C 및 39.3 °C~110.6 °C였으나, Case 2에서는 트리 1이 38.3 °C~64.6 °C, 트리 2가 40.0 °C~72.9 °C로 나타나, Case 1이 Case 2보다 더 높음을 알 수 있었다. 이는 Case 1의 압력이 10 bar에 불과한 것에 비해 Case 2에서는 압력을 20 bar로 높이고, 소화수 분사량도 많았기 때문이다.
Case 1과 Case 2 공통적으로 0.4 m (TC5, TC10) 및 0.8 m (TC4, TC9)보다는 2.0 m (TC1, TC6) 및 1.6 m (TC2, TC7)의 온도가 높게 나타났는데, 이처럼 상부가 하부보다 온도가 높은 것은 앞서 Figure 8에서 본 바와 같이 화재 발생시 화원에서 발생한 열이 위쪽으로 상승하기 때문이다.

3.3 수평 온도 분포 분석

Case 1 및 Case 2에서 점화 및 미분무 소화설비를 가동하였을 때 바닥면에서 2.25 m 높이에 950 mm~1,000 mm 간격으로 설치한 14개의 열전대(TC11~TC24)에서의 시간에 따른 온도 변화를 Figure 9에 나타냈다. 앞서 수직 온도 분포에서 나온 경향과 유사하게 점화 직후에 온도가 급격하게 상승하였으나, 점화 후 30 s에 미분무 소화설비를 가동하자 온도가 하강하는 것으로 나타났다.
Figure 9
Change of temperature at ceiling over time with the ignition and the operation of fire suppression system in Case 1 (Top) and Case 2 (Bottom).
kifse-37-6-62-g011.jpg
Case 1 (Figure 9. top)의 경우 화원과 가까운 곳에 위치한 TC14와 TC15, TC17과 TC18, TC20과 TC21 등에서 온도가 크게 상승하는 것으로 나타났다. 특히 TC14는 약 195 °C까지 상승하였고, TC15의 경우도 약 170 °C까지 상승하였다가, 미분무 소화설비를 가동하면 온도가 하강하였다. 그러나, TC14와 TC15는 시간이 지남에 따라 오히려 온도가 다소 올라가는 것처럼 나타나는데, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 fire_A의 경우 미분무 소화설비 가동에 의해서는 완전한 소화가 이루어지지 않고 연료가 모두 연소될 때까지 연소 상태가 유지되었는데, TC14와 TC15가 이 fire_A에서 가장 가까운 곳에 위치하기 때문에 그 온도도 다른 지점과 달리 상대적으로 높은 상태로 유지되었다.
Case 2 (Figure 9. bottom)의 경우 Case 1과 유사하게 화원과 가까운 곳에 위치한 TC14와 TC15, TC17과 TC18, TC20과 TC21 등에서 온도가 크게 상승하는 것으로 나타났다. 특히 TC14는 약 195 °C까지 상승하였고, TC15의 경우도 약 170 °C까지 상승하였다가, 미분무 소화설비를 가동하면 온도가 하강하였다.
앞서 Case 1에서는 fire_A가 미분무 소화설비에 의해 완전히 소화되지 않고 연료가 모두 소진될 때까지 연소가 일어나서 TC14와 TC15의 온도가 오히려 다소 증가하는 것으로 나타났던 것에 비해 Case 2에서는 fire_C가 소화되지 않고 연소를 지속하면서 fire_C와 인접한 TC20 등의 온도가 다른 지점에 비하여 다소 높았으나, 그 온도가 50 °C 전후로 Case 1에 비해 상대적으로 매우 낮게 나타났다. 이 역시 미분무 소화설비의 압력이 20 bar로 2배가 되면서 각 노즐의 소화범위가 증가하고, 유량도 증가하여 소화 성능이 더 향상되었기 때문인 것으로 보인다.
Table 5는 Case 1과 Case 2에 대하여 천장부에 설치된 열전대에서 측정된 연소 전 30 s간의 평균 온도(Tb)와 미분무 소화설비의 가동을 시작한지 30 s 경과한 후부터 30 s간의 평균 온도(Tb) 및 두 평균 온도의 차이(ΔT)를 나타낸 것이다. Case 1의 경우, 미분무 소화설비 가동 후에도 연소가 지속되었던 fire_A 부근에 위치한 TC14와 TC15의 Ta가 각각 166.5 °C와 141.7 °C로 나타나 천장부에 설치된 14개의 온도센서 중에서 가장 높게 나타났으며, 이에 따른 연소 시작 전 평균 온도와의 차이(ΔT)도 가장 크게 나타났다. 유사하게 fire_C와 인접한 TC20과 TC21 및 fire_B와 인접한 TC17과 TC18도 Ta 및 ΔT도 비교적 높게 나타났다. 그러나, 화원과 인접하지 않은 TC11과 TC12 및 TC23과 TC24에서 Ta와 ΔT가 크게 나타났는데, 이는 Figure 6 (bottom)의 노즐 위치에서 알 수 있듯이 이 부분이 다른 곳에 비하여 미분무 소화설비 노즐과 상대적으로 멀어서 미분무 소화설비에서 방사되는 물에 의한 소화가 잘 이루어지지 않기 때문인 것으로 보인다. 따라서 효율적인 소화를 위해서는 노즐의 물 방사 범위를 고려하여 전체 위치에 골고루 물이 방출되도록 하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
Table 5
Temperatures Measured at Thermocouples of Ceiling Area before (Tb) and After (Ta) the Operation of Fire Suppression System with Temperature Differences (ΔT)
TC Location TC No. Tb (°C) Ta (°C) ΔT (°C)
Case 1 11 25.0 101.2 76.2
12 24.7 111.4 86.7
13 23.9 93.5 69.6
14 23.6 166.5 142.9
15 24.2 141.7 117.5
16 23.2 47.2 24.0
17 23.2 67.9 44.7
18 22.5 63.5 41.0
19 21.5 58.1 36.6
20 21.9 53.8 31.9
21 22.9 134.0 111.1
22 22.4 52.5 30.1
23 23.0 98.3 75.2
24 23.6 89.7 66.0
Case 2 11 23.4 74.8 51.4
12 23.3 78.0 54.7
13 22.9 72.2 49.2
14 25.0 112.1 87.1
15 22.8 102.2 79.4
16 19.9 43.2 23.3
17 21.9 92.3 70.4
18 20.5 50.2 29.7
19 18.9 45.1 26.2
20 19.7 43.7 24.1
21 21.3 96.6 75.3
22 21.4 64.5 43.1
23 21.9 60.7 38.8
24 22.4 60.7 38.3

Tb: 30 s Averaged Temperatures (°C) Measured Before the Ignition

Ta: 30 s Averaged Temperatures (°C) Measured at 30 s After the Operation of Fire Suppression System

ΔT: Temperature Difference Between Tb and Ta (Ta - Tb) (°C)

이처럼 Case 1에서는 미분무 소화설비를 가동한 후에도 연소가 지속되었던 fire_A 부근에 설치된 TC14와 TC15의 Ta (166.5 °C 및 141.7 °C)가 가장 높았는데, 반면에 Case 2의 경우에는 fire_C가 미분무 소화설비에 의해 소화되지 않고 연소를 지속했음에도 불구하고 fire_C 부근에 위치한 TC20 및 TC21의 Ta (43.7 °C 및 96.6 °C)가 fire_A 부근에 위치한 TC14 및 TC15의 Ta (112.1 °C 및 102.2 °C)보다 낮게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 이는 Case 1에 비해서 미분무 소화설비의 압력이 20 bar로 2배 늘어나 소화 능력이 더 우수하여 전체적으로 온도가 훨씬 낮게 나타났으며, fire_C가 연소를 지속하고 있음에도 불구하고 미분무 소화설비를 통해 분사되는 물의 양이 많아 객실 내부의 온도를 크게 낮춘 것으로 보인다.
앞서 Case 1에서 화원과 먼 갱웨이 근처에 위치한 TC11과 TC12 및 TC23과 TC24에는 미분무 소화설비 노즐과 멀리 떨어져 있어 소화가 잘 이루어지지 않기 때문에 Ta와 ΔT가 크게 나타났는데, Case 2에서도 이와 유사하게 TC11과 TC12 및 TC23과 TC24의 Ta와 ΔT가 비교적 높게 나타났다. 이는 마찬가지로 갱웨이 인근은 미분무 소화설비 노즐과 멀리 떨어져 있기 때문인 것으로 보이나, 압력이 20 bar로 2배 가량 높아져서 물의 분사 범위가 넓어졌고, 노즐을 통해 분사되는 물의 양도 2.1 L/s에서 2.7 L/s로 증가하였기 때문에 Case 1에서 101.2 °C (TC11), 111.4 °C (TC12)였던 Ta가 Case 2에서는 74.8 °C (TC11), 78.0 °C (TC12)로, Case 1에서 101.2 °C (TC11), 111.4 °C (TC12)였던 Ta가 Case 2에서는 98.3 °C (TC11), 89.7 °C (TC12)였던 Ta가 Case 2에서는 모두 60.7 °C (TC11, TC12)로 크게 낮아지는 것을 볼 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 철도차량 객실용으로 설치 예정인 미분무 소화설비를 대상으로 철도차량 기술기준 Part 54의 5.1.9항 ‘자동화재진압설비시험’에 따라 화재진압성능 시험을 수행하였다. 시험결과 미분무 소화설비를 가동함으로써 객실 내부의 온도를 낮출 수 있음을 확인하였는데, 이 때 압력이 높은 경우에 소화 성능이 더 우수한 것으로 나타났다. 또한, 수직 온도 분포 분석 결과 열부력에 의해 하부보다는 상부의 온도가 높은 것으로 나타났으며, 수평 온도 분포 분석 결과 화원 부근 및 노즐과의 거리가 먼 곳에서 온도가 높은 것으로 나타났다. 그러나, 미분무 소화설비의 노즐과 멀리 떨어진 곳에서는 온도가 더 천천히 낮아져 위험할 수 있으므로 노즐 위치 설계도 매우 중요함을 확인할 수 있었다.

후 기

본 논문은 철도연의 기본사업(PK2304B1N)의 지원을 받아 게재되었습니다.

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