1. 서 론
부압식 스프링클러 시스템은 우리나라에서 일반적으로 사용되고 있는 준비 작동식이나 건식 또는 습식 스프링클러 설비의 2차측 배관 내의 압력을 부압(진공) 상태로 유지해 오동작 시에 발생하는 소화수의 누수를 진공압(-0.05∼-0.08 MPa)으로 흡입하는 구조로 설계된 시스템을 말한다.
반도체공장은 설비의 밀집화, 위험물 대량 사용, 설비의 복잡화 등 건축 기술이 매우 복합적으로 구성된 건축물로써 화재 등의 사고 발생 시 막대한 피해를 초래할 수 있다. 하여 반도체공장은 조기에 화재를 진압하기 위해 국내법 이상의 기준을 만들어 스프링클러를 설치 운영하고 있다. 하지만 안전을 위해 설치된 스프링클러 설비의 시공 불량, 기계적 결함, 배관주식 등으로 인해 스프링클러 누수가 발생하면 고가장비에 직접적인 영향을 미쳐 수손피해 및 기업 휴지가 발생할 것이다. 또한 현재 현장에 설치된 알람 밸브는 헤드 파손 등의 오동작 시 많은 소화수가 방출되는 리스트가 존재하고, 준비 작동식 스프링클러 설비는 2차측 배관 내부가 공기로 채워져 있어 내열성 문제 및 반복적인 결로 현상으로 인한 배관이 쉽게 부식됨으로써 배관 내의 핀홀이 발생하는 등이 문제가 발생할 우려가 있다.
전 세계 스프링클러 설비 중 오동작을 최소화하고자 출시 된 준비 작동식 시스템, 준비 작동식 이중 일터랑 시스템, 부압식 시스템을 비교분석 하였으며, 준비 작동식 싱글 시스템의 경우 전기적 방식에 의한 밸브 개방 방식으로 화재감지기 고장, 배선의 단락 또는 단선 등의 원인으로 밸브 개방 신뢰도가 저하될 수 있고, 준비 작동식 이중 일터랑 시스템의 경우는 오동작에 의한 밸브 개장은 이중 구조로 안전하나, 화재 시 시스템의 동작이 느려질 수 있고 감지 배관이 가압으로 누기발생 등으로 신뢰성이 떨어진다. 반면 부압식 스프링클러 시스템의 경우는 알람 밸브와 준비 작동식 밸브의 단점을 보완한 시스템으로 화재에 신속하게 동작하고 수손의 피해를 방지하는 시스템으로 확인되고 있다(1). 또한 최근 부압식 설치장소는 증요 서류 및 고가품을 보관하는 장소에 설치되고 있어 그 신뢰성을 확인할 수 있었다. 부압식 스프링클러가 설치된 장소는 Table 1과 같다.
Table 1
Site of Installation of Vacuum Sprinkler System
기존 선행연구를 분석하면 김지훈(2013)은 수손피해 저감을 위한 스프링클러 시스템에 관한 연구를 진행하였으며, 기존의 스프링클러와 비교 연구를 통해 부압식 스프링클러 설비의 필요성에 대해 언급하고 있다(2).
Oh 등(3)은 스프링클러 실화 재실험을 통한 열 유체의 유동 확산 경향에 관한 연구를 통해 실 화재 발생 시 외부 공기와의 접촉 여부 및 공기의 순환 여부에 따라 열전달 및 축적 효과가 상이함을 확인하고 외기의 영향을 최소화할 필요성을 언급하였다.
Lim 등(4)은 스프링클러 설비용 CVC 관과 신축 배관 접속 부분에서의 누수저감 대책을 연구하여 누수 방지를 위해 수밀용 고무링 소재에 대한 세부 기준을 제시하고 관련 기준 개정을 제언하였다.
선행연구에서는 소화수 누수 예방을 위해 부압식 스프링클러 시스템을 제안하였고 스프링클러 방수 시간에 대한 기술적 조치에 중점이 맞춰져 있고 소화수 누수 방지를 위한 스프링클러 시스템에 대한 직접적인 테스트와 기준에 관한 연구가 부족한 것이 현실이다.
따라서 이 연구는 반도체공장 주차장 면적 약 3,000 m2 방호구역에 설치된 준비 작동식 스프링클러 설비에 부압식 스프링클러 시스템을 설치하여 부압식 시스템에 대한 신뢰성을 검증하고, 준비 작동식, 알람 밸브 스프링클러와 방수 시간을 비교 분석하여 소화수 리크 예방에 효율성 여부를 객관적으로 검증하였다. 또한 반도체공장에 최적의 부압식 스프링클러 시스템을 설치 운영 하기위한 설치기준과 운영기준을 실험을 통해 도출하고 제안하고자 하여 수손 피해를 예방하고 화재 사고를 초기진화 하는 것을 목적으로 한다.
2. 실험조건 및 실험방법
2.1 실험조건
2.2 실증실험 방법
2.2.1 소화수 누수 검증 실험
누수실험은 M사 부압식 스프링클러 시스템 장비를 사용하였으며, Table 2와 같이 진공압 -0.086 MPa, 흡입 풍향 1500 L/min의 사양을 가진 부압 펌프를 스프링클러 가지 배관 말단에 설치하고, 2차측 배관압력이 -0.05 MPa까지 점진적으로 부압이 걸리도록 구성하였으며, 배관 선단, 중간, 말단부에 설치된 스프링클러 헤드를 1개부터 최대 3개까지 개방하여 리크여부, 배관 부압 여부, 부압 펌프 기동 시점, 진성. 가성 구분 여부 실험을 실시하였다. 현장에 설치한 부압식 스프링클러 시스템 계통도는 Figure 3과 같다.
2.2.2 소화수 방출시간 비교 실험
방수 시간 비교 실험은 M사 부압식 스프링클러 시스템 설비비와 M사 준비 작동식 밸브를 동일한 장소 다른 zone으로 구성된 장소에서 비교 실험을 진행하였으며, 부압식 zone은 2,980 m2, 준비 작동식 zone은 2,900 m2의 바닥면적으로 배치도는 Figure 4와 같다.
비교 실험은 총 3회 진행하고, 각 스프링클러 방호구역의 가지 배관 말단 배수 배관 측에 25 A 볼밸브를 설치하고 밸브를 개방한 상태에서 감지기를 동작시켜 스프링클러 솔레노이드를 기동시키고 기동 출력 시간을 시작 시간 기준으로 하여 말단 볼배브에서 소화수가 방출되는 시점을 종료 시간으로 측정하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 소화수 누수 검증실험 결과
Table 3은 부압식 스프링클러 누수 검증실험 결과이며, 스프링클러 2차측 배관에 소화수 만수 상태에서 배관 내 2차측 압력은 -0.05 MPa 부압으로 세팅 후 Figure 5와 같이 배관 선단 1개소, 배관 중간 1개소, 배관 말단 1개소의 헤드를 임의로 개방하였으나 소화수는 누설되지 않았으며, 헤드가 배관의 선단, 중간, 말단에 총 3개 파손된 조건에서 배관 내 압력은 -0.02 MPa~-0.04 MPa로 부압이 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 스프링클러 헤드 1개소 파손 즉시 부압 펌프는 기동 되었으며, 부압 유지를 위해 기동 유지됨을 확인할 수 있었다.
Table 3
Experimental Results
또한 2차측 배관 내 부압의 압력변동으로 펌프 기동 값인 -0.03 MPa 에 도달하였을 때 순간 기동하는 펌프 기동 신호는 축적 기능을 이용하여 60 s 이상 연속 기동 시 누수발생 신호를 출력하도록 구성되었다.
3.2 소화수 방출시간 비교 실험 결과
Table 4
The Results of the First Experiment
| Item | Results | |
|---|---|---|
| Sol. Output Time | Release Time (Operation Time) | |
| Pre-operation Springkler | 4:23:33 | 4:23:40 (7 s) |
| Vacuum Springkler | 6:47:03 | 6:47:13 (10 s) |
Table 5
The Results of the Second Experiment
| Item | Results | |
|---|---|---|
| Sol. Output Time | Release Time (Operation Time) | |
| Pre-operation Springkler | 9:29:33 | 9:29:58 (25 s) |
| Vacuum Springkler | 9:39:22 | 9:39:55 (33 s) |
Table 6
The Results of the Third Experiment
| Item | Results | |
|---|---|---|
| Sol. Output Time | Release Time (Operation Time) | |
| Pre-operation Springkler | 9:42:00 | 9:42:24 (24 s) |
| Vacuum Springkler | 9:49:00 | 9:49:32 (32 s) |
1차 테스트 결과 준비 작동식 설비는 소화수 반출까지 7 s 소요되었으며, 부압식 설비는 소화수 반출까지 10 s가 소요되는 것을 확인하였다. 2차 테스트 결과 준비 작동식 설비는 소화수 반출까지 25 s 소요되었으며, 부압식 설비는 소화수 반출까지 33 s 소요되었다. 3차 테스트 결과 준비 작동식 설비는 소화수 반출까지 24 s 소요되었으며, 부압식 설비는 소화수 반출까지 32 s가 소요되었다.
1차 실험 결과보다 2차, 3차 실험의 방출시간이 길어진 사유는 배관 내 잔수를 완벽히 제거하고 측정함으로써 잔수 방출을 완벽히 배제한 시간으로 1차 테스트보다 신뢰성이 높다고 볼 수 있다.
부압식 스프링클러 시스템은 스프링클러 밸브 2차측 배관의 압력이 -0.05 MPa에서 부압 펌프가 정지하고 -0.03 MPa에서 부압 펌프가 기동하도록 구성되어 있으며, 부압 펌프가 기동하게 되면 방재센터로 기동 신호를 송신하도록 구성되어 있다. 그러나 배관에 누수없이 내관 내부 온도 차 등으로 배관 내 부압의 압력변동에 의한 펌프 기동은 방재센터의 업무 운영상 위험요인으로 볼 수 있다. M사 부압식 스프링클러는 배관 내 압력변동에 의한 헌팅성 펌프 기동 오신호를 예방하고자 60 s 지연시간을 적용하였으나, 운영상 위험성을 조기 확인하지 못하는 때를 대비하여 지연시간 조정이 필요한 것으로 판단된다.
또한 스프링클러 배관 2차측 만수 상태에서 부압 펌프를 통해 -0.05 MPa로 부압을 형성할 때 2차측 배관 내 소화수가 일부 배수되는 현상이 있으나, 실제 배관 내 소화수가 얼마나 빠져서 나가는지, 배관 내 소화수가 어느 정도 차있는지 확인이 어려운 문제가 있다. 부압 형성 때 배관 내 소화수 방출을 최소화한다면 소화수 방출시간은 줄어들 것으로 판단된다.
4. 결 론
이 연구에서는 부압식 스프링클러 시스템의 누수 신뢰성을 검증하고 준비 작동식 스프링클러와 헤드 방출시간 비교 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 부압식 스프링클러 시스템의 2차측 배관에 부압은 -0.05 MPa로 스프링클러 헤드 유리벌브 3개가 개방되어도 배관 내 압력은 -0.02 MPa~-0.05 MPa를 유지하며 부압을 형성하는 것을 확인하였다. 2차측 배관의 압력을 일괄적으로 -0.05 MPa로 세팅하기보다 현장 규모와 배관의 크기, 노후화 등을 별도 확인하고 현장에 적합한 부압으로 시스템이 조정될 수 있도록 구성되면 효율적인 운영이 될 수 있으리라 판단된다.
(2) 부압식 스프링클러 시스템과 준비 작동식 스프링클러 시스템의 헤드 방출시간은 준비 작동식이 부압식 설비 보다 평균 8 s 빠르게 방출되는 것을 확인하였다. 이는 부압식 스프링클러 2차측 배관의 부압이 대기압으로 변화되는 시간으로 준비 작동식보다 더 늦게 소화수가 방출된 것으로 판단된다.
부압식 스프링클러 시스템은 2차측 배관에 부압을 형성하기 위해 일정량의 소화수를 방출하는데, 그 방출되는 소화수 양을 가늠할 수 없어 2차측 배관에 -0.05 MPa의 부압이 형성될 시 배관 내부에 소화수가 어느 정도 차있는지 확인 방법이 어렵다. 배관 내부 소화수 배출을 최소화하여 배관 내 일정량의 소화수가 있는 상태로 부압이 형성된다면 방출시간은 줄어들 수 있을 것으로 판단된다.
향후 부압식 스프링클러 시스템 2차측 배관 내부 부압 형성 시 배관 내부 소화수가 양을 육안으로 측정하여 부압의 압력과 2차측 배관 내부 소화수 배출량의 상관관계를 입증하고, 2차측 배관 부압 최적의 압력을 선정하여 소화수 방출 시간을 줄이는 연구가 필요하다.
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