1. 서 론
스프링클러설비는 물을 소화약제로 사용하는 자동식 소화설비로 주된 소화효과는 가연물의 표면냉각이다. 헤드에서 방사된 액적이 화염을 뚫고 침투하여 가연물 표면에 직접 닿거나 주변 가연물을 적셔 냉각시킨다. 가연물 표면의 냉각효과를 위치와 상관없이 일정하게 유지하기 위해서는 바닥에서 살수분포가 균일하게 유지되어야 한다. 그러나 스프링클러헤드 구조상 디플렉터와 프레임 암으로 인하여 바닥에서 균질한 살수분포를 확보하기가 어렵다. 국내 ｢스프링클러 헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에서 살수분포시험을 통해 평균살수밀도와 최소 살수밀도 기준을 제시(1)하고 있으나, 이는 헤드 단품에 대한 실험으로 실제 현장과 같이 화재 크기에 따라 다수의 스프링클러 헤드가 작동하는 경우에 대한 살수 분포는 검토되지 않고 있다. 국내 스프링클러설비의 화재안전성능기준은 가압송수장치로부터 가장 먼 가지배관에 설치된 헤드에서의 방사압 범위와 최소방수량을 제시(2)할 뿐 살수밀도에 대한 언급이 없고, 가압송수장치에 가까워질수록 방사압과 방수량이 증가하며 바닥면에서의 평균 살수밀도가 증가한다. 그로인해 헤드가 설치된 모든 위치에서의 살수밀도가 다르고 화재진압성능에 차이가 발생할 수 있다. 스프링클러시스템의 성능에서 살수밀도는 매우 중요한 요소(3)이다. Link 등(4)은 채수통의 크기를 조절하며 살수패턴의 변화를 측정하였다. 채수통의 크기가 스프링클러 분무의 최대 도달반경대비 4%인 경우에 반복오차와 해상도에 의한 측정오차를 동시에 줄일 수 있다. Zhou 등(5)은 액적의 크기 및 속도를 레이저기반 shadowgraphy 기법으로 측정한 결과, 프레임 암과 디플렉터의 구조가 스프링클러 살수패턴에 큰 영향이 미치는 것을 확인하였다. Shepperd(6)는 하향식과 상향식 스프링클러 헤드를 대상으로 방위각 방향과 반경 방향에서 바닥면의 살수밀도를 측정한 결과, 스프링클러의 방사원리와 디플렉터의 형상에 따라 살수패턴이 서로 상이함을 확인하였다. 이 외에도 활발한 연구가 진행되고 있으나 대부분 현상 분석에 대한 연구이며, 살수분포 개선에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
이에 본 연구에서는 헤드의 구조상 불가피하게 형성되는 불균일한 살수분포를 개선하기 위하여 헤드 간 거리, 공급 유량, 헤드 설치 방향, 헤드 설치 높이를 조절하여 살수밀도 분포의 균일도 변화를 분석하였다. 살수밀도 개선정도를 분석하기 위해 성능위주설계에도 널리 이용되고 있는 fire dynamics simulator (FDS)를 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
2. 해석방법 및 해석조건
2.1 해석방법
스프링클러헤드에서 방사되는 액적은 디플렉터에서 액막의 분열(1차 분열)을 거쳐 공기 중에서 중력, 항력, 부력의 영향을 받으며 가연물에 공급된다. 액적의 생성과정에 대한 해석은 매우 복잡하고, 스프링클러 헤드의 형상을 직접 반영하여 분무 전체를 시뮬레이션하기에는 무리가 있다. 따라서, 본 연구에서는 Kim(7)이 선행연구에서 제시한 방법을 이용하여 스프링클러 분무의 살수밀도분포를 시뮬레이션으로 재현하였다. 식(1)을 이용하여 바닥면에서 측정된 살수밀도를 스프링클러 헤드 위치에서의 고도각(θ)에 매칭시켜 스프링클러 분무를 모사하기 위한 입력 값들을 생성하였다.
여기서, R은 스프링클러 헤드로부터 측정한 반경방향 거리(m), g는 중력가속도(m/s2), v0는 초기액적속도(m/s), θ는 수직축으로부터 측정된 고도각(°), Z는 스프링클러 헤드 설치높이(m)를 의미한다. 실험을 통해 헤드 하부 사분면의 바닥에 설치한 채수통의 위치(R, Z)와 식(1)을 이용하여 액적이 공급된 초기 고도각을 계산한다. 그리고 해당 채수통에 공급되는 살수밀도를 해당 고도각에 입력하여 입력 데이터를 생성할 수 있다. 본 연구에서는 0°부터 90°까지의 방위각(ø)을 18개 섹터로 나누고, 고도각(θ)은 45개의 섹터로 나누어, 총 810개의 섹터에 대한 공급 유량의 비율을 Bang 등(8)의 선행연구에서 얻었고, 이를 360°의 방위각에 대한 값으로 변환하여 입력하였다. 실험에서 측정된 유량을 Figure 1과 같이 스프링클러 헤드 위치에서의 분사방향에 대한 유량으로 입력하였다. 초기액적 직경은 선행연구(3)를 참조하여 Dv50을 1 mm로 가정하였다.
분석범위 내 살수밀도 계산을 위해 설치된 채수통은 0.05 m × 0.05 m 크기로 반영하였다. 이 크기는 ｢스프링클러 헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣의 살수분포시험 방법에서의 채수통 한 개의 크기인 0.316 m × 0.316 m, Kim(7)의 연구에 적용한 0.079 m × 0.079 m 보다 작으며, 분석구간 전체에 설치하여, 보다 세밀한 살수분포를 확인할 수 있도록 하였다. 채수통에서의 살수밀도는 각각의 채수통에 들어오는 액적의 직경, 속도, 개수를 반영하여 식(2)를 통해 계산하였다.
여기서 D는 측정된 액적 직경(m), w는 측정지점에서의 수직방향 액적속도(m/s), N은 측정지점의 액적 수밀도(m-3)를 의미한다.
2.2 해석조건
스프링클러가 설치된 장소의 바닥면 살수분포 변화에 따른 균일도의 개선량를 확인하기 위하여 본 연구에서는 스프링클러 헤드 간격, 공급 유량, 스프링클러 헤드 설치 방향, 설치 높이를 변경하였다. 스프링클러 헤드 설치 변수에 따른 살수분포 변화 분석을 위한 기초연구로서 화재가 없는 상황에서 개방형 하향식 헤드를 이용하여 스프링클러설비의 화재안전성능기준에서 정하고 있는 표준형헤드의 방수량인 80 LPM 및 방사압 0.1 MPa을 기준으로 했다. 변수에 대한 세부 해석조건을 요약하면 Table 1과 같다. 스프링클러 헤드의 배치를 위한 헤드 간격은 국내의 용도별 5가지의 수평거리 중 가장 일반적인 건축물인 내화구조의 수평거리 2.3 m를 기준으로 하였다. 헤드의 설치방향은 프레임 암 방향에 대한 분석을 제외한 나머지 경우에 대하여, 모두 동일한 방향으로 설치하여 분석하였다. 액적 간 충돌 모델은 반영되지 않았으며, 헤드에서 방사된 액적은 주위 액적과 충돌 없이 바닥면으로 공급된다고 가정하였다. 시뮬레이션에 입력된 헤드 배치 및 분석구간의 범위는 Figure 2와 같다. 스프링클러 헤드는 총 16개를 4 × 4의 정사각형 배치로 설치하고, 인접된 헤드에서 방사된 분무액적의 영향을 반영하기 위하여 중앙 4개의 헤드를 꼭지점으로 하는 사각형을 분석범위로 정하였다. 이러한 설정은 4개 스프링클러 헤드에서 방수된 분무 중 각 사분면에 해당하는 소화용수가 분석범위 안에 도달하게 할 수 있어 평균 살수밀도 산출에 용이하다. 하향식 헤드의 경우 실내의 반자에 고정하여 설치하므로 헤드의 설치높이는 일반적인 반자의 평균높이인 2.5 m로 설정하였다.
Table 1
Summary of Analysis Condition
헤드 간 간격에 대한 영향을 분석하기 위하여 최소값과 최대값을 정하여 0.05 m 간격으로 변경하였다. 헤드 간 최소 이격거리는 NFPA 13에서 먼저 개방된 헤드로 인해 인접된 헤드의 감열부를 냉각시켜 헤드가 동작하지 않는 스키핑 (skipping)현상 방지를 위해 인접헤드에 차폐장치 등 감열부 보호기능이 없는 경우, 헤드 간 최소이격거리를 1.8 m로 제한하고 있어(9) 이를 반영하였다. 최대거리는 스프링클러 분무 도달 수평거리 2.3 m일 때, 정사각형 배치에서 헤드 간 최대거리인 3.25 m로 설정하였다(내화구조). 유량의 경우, 분석구간에서의 방수량이 헤드 간 거리 변화에도 바닥에 도달하는 살수량이 80 LPM으로 일정하게 고정되도록 방사유량를 변화시켰다. 헤드 간 거리가 1.8 m일 때 모든 헤드에서의 방수량을 80 LPM으로 하였고 헤드 간 거리가 3.25 m에서는 방수량을 260.8 LPM까지 증가시켰다. 이로 인하여 헤드 거리가 증가하여 헤드에서의 방수량을 증가시켜도 바닥에서의 단위면적당 방수량은 동일하다. 헤드의 구조상 프레임 암이 바닥에서 균일한 살수분포의 장애요소로 작용하므로 프레임 암에 의한 영향을 고려하기 위해 Figure 3과 같이 대표적인 4가지 case에 대하여 분석을 진행하였다. 헤드 높이변화에 따른 분석은 헤드 설치높이를 바닥으로부터 2 m에서부터 1 m 간격으로 9 m까지 분석하였다.
3. 연구결과 및 고찰
3.1 헤드 단품의 살수밀도 분포 반영방법 검증
본 연구의 시뮬레이션 결과를 실제 실험과 비교하기 위해 Bang 등(8)의 연구에서 취득한 살수밀도분포(Figure 4(a))를 식(1)을 이용해 시뮬레이션에 입력하고 시뮬레이션 결과와 비교하였다. Frigure 4(a)는 실험결과이며 Frigure 4(b)는 Kim(7)의 살수밀도분포 재현 방법을 적용하여 수행한 시뮬레이션 결과이다. 실험은 헤드를 바닥으로부터 1.2 m 높이에 설치하고 헤드 하부 사분면에 0.79 m × 0.79 m 채수통을 4 m 범위에 빈틈없이 설치하여 방수량 80 LPM, 방사압 0.1 MPa로 실험한 결과이다. 시뮬레이션은 해석방법 및 해석조건과 동일하고 헤드 설치높이만 실험과 동일하게 1.2 m로 하여 헤드 하부 사분면만 비교하였다. 시뮬레이션으로 예측된 살수패턴이 실험결과와 유사하였다. Figure 5(a)는 반경방향, Figure 5(b)는 방위각 방향의 정규화된 유량 비교 결과이다. 정규화된 유량으로 실험과 시뮬레이션 데이터를 방위각 방향과 반경 방향으로 비교한 결과, 결정계수(R2) 값은 방위각 방향으로는 0.9661, 반경 방향으로도 0.9 이상으로 시뮬레이션이 실험에서 측정된 스프링클러의 분무의 살수분포를 비교적 잘 재현해 내는 것을 확인할 수 있었다. 이에, 본 연구의 목적인 살수분포의 균일도를 확인하는데 본 연구 방법이 적합하다고 판단하였다.
3.2 헤드 간 거리 변화에 따른 살수밀도 분포
헤드의 수평거리를 1.8 m에서 3.25 m까지 0.05 m씩 증가시키며 각 채수통에서 취득한 살수밀도의 표준편차와 평균값 및 최대⋅최소값을 Figure 6에 도시하였다. 헤드 간 거리가 줄어들수록 살수분포가 균일해지며 평균 살수밀도가 증가하였다. 스프링클러 헤드의 구조 상 헤드 하부 및 프레임 암 방향으로 액적이 도달하지 못하는 곳에 인접 헤드에서 방사한 액적이 도달하게 되면 바닥면에서의 살수밀도 편차가 감소하며 살수분포가 균일해졌다. 따라서 헤드 간 거리가 감소할수록 살수분포가 균일해지는 것을 확인할 수 있다. 내화구조의 수평거리 2.3 m를 살수밀도로 환산하면 정사각형으로 배치 시 방호면적은 3.25 m × 3.25 m = 10.56 m2이고, 살수밀도는 단위면적에 대한 분당 방수량으로 80 L/min ÷ 10.56 m = 7.58 L/min⋅m2이다. 헤드 간 거리 2.4 m 이하에서는 분석구간의 채수통 전체에서 환산살수밀도 값 이상의 살수밀도가 확인되었다. 3.25 m일 때는 전체 채수통의 50.2%만이 환산살수밀도를 만족하였다. 헤드 간 거리가 스프링클러 분무의 수평 방향 도달거리보다 가까워지는 경우, Figure 2에 표시된 분석구간의 바깥 부분에 위치한 스프링클러헤드로부터 공급되는 소화용수가 분석구간 내부로 유입되면서 Figure 6(b)에서 최대값의 변화로 인해 표준편차가 잠시 증가하는 구간이 발생하였다. 일반적으로 헤드 간 거리가 가까워질수록 평균살수밀도는 증가하고 표준편차는 감소하여 불균질한 살수분포가 개선되었다. 평균살수밀도는 헤드 간 거리가 1.8 m일 때 3.25 m의 3배 이상 증가하였다.
추가적으로 정사각형 배치와 직사각형 배치 시 살수분포를 분석하였다(Table 2). 내화구조의 스프링클러 분무 도달 수평거리인 2.3 m를 기준으로 가지배관 간 거리는 2.4 m일 때, 헤드를 직사각형으로 배치하면 헤드 간 거리는 3.9 m가 된다. Table 2는 정사각형 배치와 직사각형 배치일 때의 시뮬레이션 결과를 비교한 결과이다. 직사각형 배치일 때, 살수밀도 최대값은 크게 증가하지 않으나 최소값이 증가하며 전체적으로 살수밀도의 표준편차는 줄어들었다. 헤드 하부 및 프레임 암 방향에 인접 헤드에서 방사한 액적이 도달하며 살수분포가 균일해진 것으로 사료된다. 또한, 가지배관 간 거리가 줄어들며, 평균 살수밀도가 증가하였다. 직사각형 배치를 적용하면 최소방수량, 최소방사압에서도 정사각형 배치에 비하여 상대적으로 균일한 살수분포를 얻을 수 있어, 위치별 화재진압성능 편차를 줄일 수 있을 것이다.
Table 2
Comparison of Simulation Results for Square and Rectangular Layouts
3.3 유량보정에 따른 살수밀도 분포
헤드 간 거리가 가장 가까운 1.8 m일 때를 기준으로 헤드 간 거리가 증가하여도 분석구간에 공급되는 소화용수의 유속을 고정하였다. 이를 위하여 헤드 간 거리가 증가함에 따라 헤드에서의 공급되는 소화용수의 유량을 증가시켰다. Figure 7은 헤드 간 거리변화에 따른 살수밀도의 분포를 표준 방수량으로 고정하였을 때와 유량을 보정한 경우에 대하여 비교한 결과이다. 바닥면에 공급되는 살수량이 다르기 때문에 비교를 위하여 각각의 채수통에서의 살수밀도 값을 전체 평균살수밀도 값으로 나누어 무차원화 하였다. 표준 방수량이 유지되는 경우에는 헤드 간 거리가 증가함에 따라서 헤드 하부로 공급되는 소화용수의 양이 감소하였다. 그러나, 유량을 보정하여 헤드 간 거리가 증가함에 따라 분석 구간에 공급되는 소화용수의 유속을 일정하게 유지시킨 경우에는 헤드 하부에 충분한 양의 소화용수가 공급되는 것을 확인할 수 있었다.
3.4 프레임 암 방향에 따른 살수밀도 분포
스프링클러 헤드는 크게 오리피스, 디플렉터, 프레임으로 구성되며 헤드 자체의 구조상 디플렉터와 프레임으로 인하여 헤드 하부 및 프레임 암 방향으로 소화용수 공급이 방해된다. 헤드 프레임 암의 방향이 살수분포에 미치는 영향을 Figure 8에 도시하였다. 프레임 암의 방향이 d4인 경우, 표준편차가 가장 작은 것으로 보아, 가장 균일한 살수분포를 보였다. Figure 9는 프레임 암의 방향에 따른 살수분포이다. 프레임 암의 방향이 d4인 경우에 분석 구간의 우측 상단 및 좌측 하단 모서리 부분에 소화용수가 도달하며 살수 균일도가 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한, 분석 구간의 중심 부분에서도 상대적으로 소화용수가 과하게 공급되는 면적이 줄어들어 살수 균일도가 향상되었다. 국내 기준은 스프링클러 헤드의 프레임 방향에 대한 설치기준이 없어 시공 시 자유롭게 설치하고 있으나 균일한 살수분포를 확보하여 살수밀도를 증가시키고 소화성능을 더욱 향상시키기 위해서는 인접한 헤드와의 프레임 각도를 135° 정도로 회전하여 설치하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
3.5 헤드 설치높이에 따른 살수밀도 분포
헤드의 설치높이를 바닥으로부터 2 m에서부터 9 m까지 1 m간격으로 분석한 결과를 Figure 10에 도시하였다. 헤드의 설치높이가 높아질수록 헤드에서 방사된 액적의 도달거리가 길어지며 인접된 헤드 하부 및 프레임 암 방향으로 소화용수가 공급되며 살수밀도의 표준편차가 감소하였다. 헤드 설치 높이가 증가함에 따라 표준편차 뿐만 아니라 국부적으로 측정된 살수밀도의 최대값과 최소값의 차이가 줄어드는 것으로 보아, 헤드 설치위치가 높아질수록 살수밀도분포의 균일도 측면에서는 우수한 특성을 보이는 것으로 관찰되었다.
본 연구에서는 비화재 조건에서 시뮬레이션을 통하여 스프링클러 분무의 살수밀도의 균일도에 대하여 분석하였다. 실제 화재가 발생한 경우에는 액적과 화재플럼 간의 상호작용으로 인하여 가연물에 도달하는 소화용수의 양이 달라질 수 있고, 실제 실험을 통하여 정확한 결과를 얻을 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 비화재 조건에서 표준형 스프링클러 헤드를 이용하여 설치 방식에 따른 살수밀도의 균일도를 분석하였다. FDS 시뮬레이션을 통하여 헤드 간 거리, 공급 유량, 헤드 설치 방향, 헤드 설치 높이가 살수분포의 균일도에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구에서 도출한 주요 내용은 다음과 같다:
(1) 표준 방수량 유지 시 헤드 간 거리가 가까워질수록 평균 살수 밀도가 증가하며 살수밀도분포가 균일해졌다. 또한 정사각형 배치에 비하여 직사각형 배치 시 살수밀도의 균일도가 증가하였다.
(2) 분석구간의 살수밀도를 고정하기 위해 헤드 간 거리 변화에 따라 방수유량을 보정한 경우, 헤드 간 거리가 증가함에 따라 방수유량이 일정하게 유지된 경우에 비하여 스프링클러 헤드 하단에 소화용수가 도달하는 양이 증가하며 살수밀도분포의 균질도가 개선되었다.
(3) 스프링클러 헤드의 설치 각도가 0°, 135° 인 경우, 살수밀도분포의 표준편차가 가장 적어 균일도 개선 효과가 나타났다.
(4) 스프링클러 헤드 설치 높이가 높아질수록 스프링클러 분무의 도달거리가 증가하며 살수분포의 균질도가 개선되었다. 또한, 살수밀도의 최대값과 최소값의 차이가 감소하였다.
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