Fire Sci. Eng. Search

CLOSE


Fire Sci. Eng. > Volume 38(6); 2024 > Article
아파트등 연결송수관설비 공급압력범위 설정에 관한 연구

요 약

다수의 소방설계업체에서는 아파트등 연결송수관설비의 가압송수장치 용량을 선정할 때 단지 내에서 가장 높은 동 실양정과 가장 먼 동까지의 배관 및 부속류 마찰손실을 고려하여 설계유량 1,200 L/min으로 정하고 있다. 그러나 이러한 방식은 화재 발생 시 선착소방대의 실제 필요 유량보다 설계용량 과다로, 화재 발생 층과의 마찰손실 차이로 고층부 공급압력 변동의 원인이 되고 있다. 본 연구에서는 최근 신축된 아파트등 10개소의 현지조사와 그중 3개소 고층부 송수 실험을 진행하였으며, 다음과 같이 연결송수관설비 활용 전술을 제시하고자 한다. 첫째, 가압송수장치 정상 작동 시 소방펌프차의 공급압력은 0.3 MPa 이상부터 점진적으로 높여 송수한다. 이는 고층부 과압발생으로부터 소방관을 보호하기 위함이다. 둘째, 가압송수장치 미작동 시에는, 화재층 층고에 필요한 양정 50 m (흡입수두 + 소방펌프차 공급압력)를 더한 압력으로 송수한다. 여기서, 필요양정 50 m는 가압송수장치까지의 흡입수두와 소방펌프차 공급압력의 합으로 산정이 가능하다.

ABSTRACT

When selecting the capacity of the pressurized water supply system for fire department connection facilities, such as apartments, many fire design companies set the design flow rate at 1,200 L/min while considering the friction loss in pipes and accessories to the highest apartment block of the actual head and the farthest apartment block in the complex. In this study, 10 field surveys, including those of recently built apartments, and three high-rise water supply experiments were conducted. The study presents a strategy for using fire department connection facilities as follows. First, during the normal operation of the pressurized water supply device, the supply pressure to the fire engine vehicle is gradually increased from 0.3 MPa or higher to transmit water. This protects firefighters from high-pressure increases. Second, when the pressurized water supply device is not operated, it is transmitted at a pressure equivalent to 50 m of head (net positive suction head + fire engine vehicle supply pressure) required for the height of the fire floor. Here, the required head of 50 m can be calculated as the sum of the suction head up to the pressurized water supply device and the supply pressure of the fire engine vehicle.

1. 서 론

1.1 연구 배경 및 필요성

아파트등은 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」 별표 2에서 특정소방대상물의 공동주택으로 분류되며, 주택으로 쓰이는 층수가 5층 이상인 주택으로 규정된다.
소방청 화재통계연감의 최근 5년(2019년 1월 1일~2023년 12월 31일) 화재 데이터를 분석한 결과, 전체 화재 193,999건 중 아파트등 화재는 14,117건으로, 전체의 7.27%를 차지하여 단일 장소로는 높은 비중을 차지한다(1). 아파트등 화재 발생 추이는 2019년 2,886건, 2020년 2,808건, 2021년 2,666건, 2022년 2,759건, 2023년 2,998건으로 확인되었다. 주목할 점은 전체 화재 건수가 감소 추세를 보이는 반면, 아파트등 화재 건수는 2021년 이후 증가추세라는 점이다. 선행연구에서 아파트등의 화재하중은 576 MJ/m2 정도(2)로 보고 있으며, 실별 화재하중은 거실 103 MJ/m2, 침실 146 MJ/m2, 작은 방 164 MJ/m2로 조사되었다(3). 특히, 이러한 화재하중에도 불구하고, 소방청 아파트 입주자 화재피난행동요령에 따르면, 공동주택 화재의 98.2%가 발화지점 및 발화층으로 연소가 국한되며, 다수층으로 확대되는 비율은 1.4%에 불과한 것으로 나타났다(4).
고층건축물의 대표적인 화재인 부산 우신골든스위트 화재(2010년 10월 1일)에서는 상용전원이 자동으로 차단되지 않아, 수동으로 전원을 차단하고 비상발전기를 가동해야 하는 문제가 발생(5) 하였으며, 울산 삼환아르누보아파트 화재(2020년 10월 8일)에서는 겸용배관 사용으로 인한 소화설비 성능 저하와 가압송수장치의 작동불능 상태가 주요 문제점으로 확인되었다(6). 미국의 경우 소방훈련교본(IFSTA third edition)에서는 연결송수관설비의 배관길이 마찰손실을 고려한 소방대의 펌프 토출압력을 0.35 MPa로 규정하고 있으며(7) NFPA 14 class I에서는 최상층 호스접결구에서 최소 100 psi (6.9 bar)를 요구하고 있다(8). 반면 국내 기준은 지표면으로부터 건축물의 최상층 방수구 최상층의 높이가 70 m 이상이면 증압용 펌프인 가압송수장치를 설치토록 하고 있으며, 방수압력은 최상층에 설치된 직사관창 선단의 압력이 0.35 MPa 이상으로 요구하고 있다. 다만, 연결송수관설비에 관한 건축물 층의 소방펌프차 공급압력의 범위는 별도로 규정되어 있지 않다.
따라서 본 연구에서는 선착소방대의 신속하고 효과적인 소화활동을 위해 연결송수관설비 전용 송수구에서 가압송수장치의 작동 및 미작동 상황별 고층부 송수 실험을 실시하여 최적의 소방펌프차 공급압력 범위를 도출하고자 한다.

1.2 연구방법

2018년 8월부터 2024년 8월까지 최근 6년 이내에 신축된 아파트등 10개소를 대상으로 연결송수관설비 현장 실태조사를 실시하였다. 조사대상 중 100 m 미만의 근거리 동 1개소, 300 m 이상의 원거리 동 2개소의 대표성이 있는 3개소를 선정하여 연결송수관설비의 가압송수장치 정상 작동 및 미작동 상황을 가정한 고층부 송수 실험을 진행하였다. 실태조사의 목적은 연결송수관설비의 가압송수장치와 배관경로를 분석하여 소방펌프차의 적정 공급압력 범위를 도출하는 것이다.

2. 연결송수관설비 실태조사

2.1 연결송수관설비 활용실태조사

2018년 8월부터 2024년 8월까지 최근 6년간 신축된 아파트등 10개소를 대상으로 연결송수관설비 가압송수장치의 송수장애 요인을 파악하기 위한 현장 실태조사를 실시하였다. 조사대상은 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Survey Fire Department Connection of Apartment, etc
Apt Number Inside the Building Standard Building Building Height (m) (Ground/ Underground) Pressurized Water Supply Device Start Switch Location (Floor) Pressurized Water Supply Device Pressure Range (MPa) Pressurized Water Supply Device Total Head (m) Pressurized Water Supply System Piping Type (Suction/ Discharge Low-Rise Section/ High-Rise Section) Pressure Reducing Valve (MPa) Distance of the Furthest Building Water Outlet from the Pump- Room Pressurized Water Supply Device (m)
A 9 27/3 93.7 (78.7/15) Underground3 0.62-0.87 105 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal 1.61 117.5
B 8 33/2 103.2 (94.9/8.3) Underground2 None 165 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal 1.55 442
C 15 32/2 100.4 (90.4/10) Underground2 0.2-0.6 140 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal 1.6 250
D 18 28/3 89.35 (80.6/8.75) Underground3 0.9-1.0 100 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal - 209
E 13 35/2 102.9 (95.9/7) Underground 2 0.1-0.5 110 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal 1.60 150
F 5 46/3 155 (137.5/17.5) Underground 3 0.3-2.1 175 Normal/ Low-Rise & Middle-Rise Pressure/ High-Rise Normal 2.1 207
G 13 29/2 90.9 (85.6/5.3) Underground 2 0.28-0.66 120 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal - 200
H 14 29/2 95.45 (86.8/8.65) Underground 2 1.1-1.4 136 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal - 248
I 12 32/2 99.6 (89.6/10) Underground 2 0.1-0.7 80 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal - 212
J 10 29/2 93.9 (85.25/8.65) Underground 2 0.5-0.6 118 Normal/ Low-Rise Pressure/ High-Rise Normal 1.5 310
아파트등 연결송수관설비의 가압송수장치는 단지 내 동수와 관계없이 1개가 설치되며, 가압송수장치 공동사용 동수는 최소 8개 동에서 최대 18개 동까지 분포하였다. 연결송수관설비 가압송수장치는 대부분 지하 2, 3층 기계실에 설치되어 있으며, 지표면으로부터 가압송수장치까지의 평균 흡입수두는 지하 2층 약 10 m로 조사되었다. 가압송수장치 공급압력 범위는 조사대상 10개 아파트등에서 다양하게 나타났다. B아파트등은 미표시, A, C, E, G, I, J는 소방펌프차 A-1소방펌프 규격방수압력인 0.85 MPa 미만, F, H는 소방펌프차 A-1소방펌프 고압방수압력인 1.4 MPa 이상으로 조사되었다(9).
특히 F아파트의 경우, 고층부 공급압력 범위의 하한압과 상한압의 차이가 1.4 MPa 이상으로 매우 넓은 압력범위를 보인 것으로 조사되었다.
연결송수관설비 가압송수장치의 전양정 설계기준은 다수의 소방설계업체에서 식(1)을 적용하고 있다.
(1)
H(m)=(H1+H2+H3)Xα70m
여기서 H1는 실양정(m), H2는 배관 및 소방호스의 마찰손실수두(m), H3는 방수압의 환산수두(m) 35 m, α 는 여유율(1.05~1.1), 70 m는 소방펌프차 공급압력(m)을 의미한다.
가압송수장치의 전양정 H (m)는 H1인 단지 내에서 가장 높은 동의 실양정(m)과 H2인 가압송수장치로부터 가장 먼 동까지의 배관 및 소방호스의 마찰손실수두(m), 그리고 H3인 방수압의 환산수두(m) 35 m를 더한다. 여기에 여유율(1.05~1.1)을 곱하고, 소방펌프차 공급압력 70 m 내외를 제외한 양정을 전양정 설계기준으로 적용한다. 가압송수장치 전양정은 10개 아파트등마다 달랐으며, 일반적으로 소방펌프차 공급압력을 제외한 양정으로 산정되었다. 조사된 10개 아파트등 모든 단지에서, 송수구로부터 가압송수장치까지의 흡입배관은 사용압력 1.2 MPa 미만의 일반배관이 사용되었다.
또한, 대다수 아파트등에서는 토출측 배관이 저층부는 1.2 MPa 이상의 압력배관, 고층부는 1.2 MPa 미만의 일반배관으로 설치되었다. 일반배관 사용으로 인한 예상 문제점으로는, 가압송수장치 작동불능 시 소방펌프차의 고압력 송수에 대한 대비책이 없다는 점이 확인되었다. 기계실에 감압밸브를 설치한 아파트등은 A, B, C, E, F, J이며, 감압압력은 1.5 MPa~2.1 MPa로 설정압력이 상이하였다. 펌프실 가압송수장치로부터 가장 먼 동 송수구까지의 거리는 A, E가 150 m 이하, C, D, F, G, H, I가 200 m 이상 250 m 이하였으며, J아파트는 300 m 이상이었다. Figure 1과 같이 B아파트등은 펌프실 가압송수장치로부터 가장 먼 동 송수구까지의 거리가 400 m 이상의 원거리로 조사되었다.
펌프실의 가압송수장치로부터 송수구까지의 거리에 따른 압력손실은 하젠-윌리엄스(Hazen-Williams) 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 1
Distance of the furthest building water outlet from the pump-room pressurized water supply device (m).
kifse-38-6-112-g001.jpg
(2)
ΔP=6.174×104×Q1.85C1.85×D4.87×L
여기서 △P는 압력손실(MPa), Q는 유량(L/min), C는 하젠-윌리엄즈(Hazen-Williams)상수, D는 배관내경(mm), L은 배관의 길이(m)를 의미한다. 설계유량 1,200 L/min, 가압송수장치 작동 시 A아파트등의 고층부 실험 유량 678 L/min, 가압송수장치 미작동 시 A아파트등의 실험 유량 430 L/min을 적용한 배관 길이당 압력손실을 Table 2에 나타내었다.
Table 2
Hazen-Willams Formula Pressure Loss
Flow Q (L/min) Roughness C (120) Inner Diameter D (105.3 mm) Piping LengthL (m) Pressure Loss △P (MPa) Piping Length L (m) Loss △P (MPa) Piping Length L (m) Pressure Loss △P (MPa) Piping Length L (m) Pressure Loss △P (MPa)
1,200 120 105.3 100 0.061 200 0.123 300 0.185 400 0.247
678 120 105.3 100 0.021 200 0.043 300 0.064 400 0.086
430 120 105.3 100 0.009 200 0.018 300 0.027 400 0.037
유량(Q) 1,200 L/min, 조도계수(C) 120, 주배관 내경(D) 105.3 mm (100 mm 관 기준)를 적용하여 계산한 결과, 가압송수장치로부터 가장 먼 동까지의 거리가 200 m일 때 압력손실은 0.12 MPa, 400 m일 때는 0.24 MPa로 나타났다. 가압송수장치 미작동 시의 실험유량인 430 L/min을 적용했을 때는 배관거리 200 m에서 압력손실 0.018 MPa, 400 m에서 0.037 MPa로 계산되어, 유량 감소에 따른 압력손실의 현저한 감소를 확인할 수 있었다.

3. 실험방법 및 절차

3.1 실험개요 및 측정기기

아파트등 연결송수관설비의 고층부 송수 실험은 가압송수장치의 작동 및 미작동 상황으로 구분하여 실시하였다. 측정은 Figure 2와 같이 피스톨식 관창에 유량계와 압력계를 설치하여 수행하였다.
Figure 2
The measuring instrument used to FDC pressurized water supply device high-rise building.
kifse-38-6-112-g002.jpg
유량계는 선행연구를 참고하여 블루투스 측정기를 채택하였다(10). 이 측정기는 수력구동터빈이 발전한 전력으로 작동하며, 스마트폰과 블루투스로 연동되어 실시간 유량을 측정한다. 측정단위는 L/min 또는 L/s로 설정 가능하며, 측정범위는 400~2,000 L/min이다.
압력 측정은 선행연구에서 사용된 지그(zig)형 전압압력계를 채택하였다. 이는 구부러진 관 형태의 특수 압력측정장치로, 관 내부로 유입된 유체의 수직 압력을 측정하여 Figure 3과 같이 유체의 총 에너지(pressure total)을 나타낸다(11,12).
Figure 3
Total pressure gage.
kifse-38-6-112-g003.jpg
전압(pressure total)은 운동에너지로 변환된 동압(pressure dynamic)과 변환되지 않은 정압(pressure static)의 합으로 나타낼 수 있으며, 이는 베르누이방정식으로 식(3)과 같이 정리된다.
(3)
베르누이방정식H=Pγ+v22g+z
여기서 γH=P+γz+ρv22 압력단위로 식 변형, γH = 전압(tatal pressure, Pt), P= 정압(static pressure, Ps), ρv22 = 동압(dynamic pressure, Pd), γz= 포텐셜압(potential pressure, Pp)을 의미한다.
관창은 소방시설설치 및 관리에 관한 법률 시행령상 소방용품에 해당하며, 관창의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 적합한 제품으로 사용하였다. 피톨식관창은 화재현장에서 유량조절이 용이하고, 분무 직사 전환의 화재진압에도 효과적이다. S사 제품의 SL-13BP 65 mm는 0.7 MPa 기준에서 945 L/min 유량범위를 갖는다. 이 제품의 무게는 2.8 kg, 길이는 310 mm이며, 관창의 압력 0.7 MPa 직사(straight stream)기준에서 수평거리 40 m를 갖고 있으며, 소방관이 가장 많이 사용하는 기본형 관창이다(13).

3.2 실험방법

실험동은 펌프실 가압송수장치로부터 송수구까지의 거리가 50 m로 가장 가까운 A아파트등 근거리 동과 펌프실 가압송수장치로부터 송수구까지의 거리가 300 m 이상으로 가장 먼 B, J아파트등 원거리 동으로 선정하였다. 실험대상의 선정 이유는 가압송수장치 작동 및 미작동 시 실험유량의 공급압력에 따른 배관거리별 압력손실을 확인하기 위함이다.

3.2.1 A실험건축물

A건축물의 층수는 지상 27층, 지하 3층이며, 지하층을 포함한 지상 27층의 층고는 93.7 m이다. 연결송수관설비 가압송수장치가 설치된 높이 70 m 이상이며, 방수구 1개 개방하여 소방호스 2개 전개 후 가압송수장치 정상 작동과 미작동 시 두 가지 상황에서 송수 실험을 진행하였다.
본 실험의 개요도는 Figure 4에서 보이듯이 중형물탱크차에서 소방호스를 건축물 송수구(100 mm)와 연결하여 건축물의 주배관과 입상배관을 지나 27층 가지배관, 소방호스(65 mm) 및 관창을 통해 송수된다. 여기에, 지하 3층에 설치된 가압송수장치가 정상 작동에서 전용 송수구를 사용하여 고층부로의 송수성능을 실험하였다. 이러한 상태에서 27층 65 mm 방수구를 개방하고 소방호스 2개를 전개하면서 법정 방수압이 0.35 MPa 이상의 압력을 측정한다. 동일 조건에서 가압송수장치를 정지시키고, 27층 65 mm 방수구를 개방하고 소방호스 2개를 전개하면서 법정 방수압이 0.35 MPa 이상의 압력을 측정한다.
Figure 4
Pressurized water supply device operating / not operating high-rise building water discharge 1 otlet 1 oening.
kifse-38-6-112-g004.jpg
소방펌프의 규격은 방수량에 따라 대형, 중형, 소형, 경형으로 구분한다. 소방서에 보급된 대부분의 화재진압차량은 A-1급 대형⋅중형으로, 규격방수압력 0.85 MPa에서 2,800 L/min, 고압방수압력 1.4 MPa에서 2,000 L/min의 성능을 가진다. A실험건축물에 사용된 중형물탱크차의 소방펌프는 A-1급 2016년식 A사 제품이며 규격방수 0.85 MPa에서 101.66 kW, 고압방수 1.4 MPa에서 125.70 kW 동력을 갖는다.
A실험건축물에 설치된 연결송수관설비 가압송수장치 성능은 양정 105 m, 동력 30 kW로, 중형물탱크차의 동력 125.70 kW가 A실험건축물에 설치된 가압송수장치 동력보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 해당 중형물탱크차가 건축물의 연결송수관설비를 통한 화재진압 시 충분한 동력을 제공할 수 있음을 의미한다.

3.2.2 B실험건축물

건축물의 층수는 지상 33층, 지하 2층이며, 지하층을 포함한 지상 33층의 층고는 103.2 m이다. A건축물의 실험방법과 동일한 방법으로 송수 실험을 진행하였다. 소방펌프차에서 소방호스를 건축물 송수구(100 mm)와 연결하여 건축물의 주배관과 입상배관을 지나 33층 가지배관, 소방호스(65 mm) 및 관창을 통해 송수된다. 이러한 상태에서 33층 65 mm 방수구를 개방하고 소방호스 2개를 전개하면서 법정 방수압이 0.35 MPa 이상의 압력을 측정한다. 동일 조건에서 가압송수장치를 정지시키고, 33층 65 mm 방수구를 개방하고 소방호스 2개를 전개하면서 법정 방수압이 0.35 MPa 이상의 압력을 측정한다.
B실험건축물에 사용된 소방펌프차의 소방펌프는 A-1급 2019년식 B사 제품이며 규격방수 0.85 MPa에서 102.29 kW, 고압방수 1.4 MPa에서 127.35 kW 동력을 갖는다. B실험건축물에 설치된 연결송수관설비 가압송수장치 성능은 양정 165 m, 동력 37 kW로, 소방펌프차의 동력 127.35 kW가 B실험건축물에 설치된 가압송수장치 동력보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 해당 소방펌프차가 건축물의 높은 양정에도 불구하고 연결송수관설비를 통한 화재진압 시 충분한 동력을 제공할 수 있음을 의미한다.

3.2.3 J실험건축물

건축물의 층수는 지상 29층 지하 2층이며, 지하층을 포함한 지상 29층의 층고는 93.9 m이다. A건축물의 실험방법과 동일한 방법으로 송수 실험을 진행하였다. 소방펌프차에서 소방호스를 건축물 송수구(100 mm)와 연결하여 건축물의 주배관과 입상배관을 지나 29층 가지배관, 소방호스(65 mm) 및 관창을 통해 송수된다. 이러한 상태에서 29층 65 mm 방수구를 개방하고 소방호스 2개를 전개하면서 법정 방수압이 0.35 MPa 이상의 압력을 측정한다. 가압송수장치를 정시시키고, 29층 65 mm 방수구를 개방하고 소방호스 2개를 전개하면서 법정 방수압이 0.35 MPa 이상의 압력을 측정한다.
J실험건축물에 사용된 소방펌프차의 소방펌프는 A-1급 2017년식 B사 제품이며 규격방수 0.85 MPa에서 102.29 kW, 고압방수 1.4 MPa에서 127.35 kW 동력을 갖는다. J실험건축물에 설치된 연결송수관설비 가압송수장치 성능은 양정 118 m, 동력 37 kW로, 소방펌프차의 동력 127.35 kW가 J실험건축물에 설치된 가압송수장치 동력보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 해당 소방펌프차 건축물의 연결송수관설비를 통한 화재진압 시 충분한 동력을 제공할 수 있음을 의미한다.

4. 실험결과

4.1 A실험건축물

Table 3와 같이 연결송수관설비 가압송수장치가 정상 작동한 상황에서 중형물탱크차 0.6 MPa로 고층부 송수를 진행하였다. 27층에서 방수구 1개 개방한 상황에서 65 mm 소방호스 2개를 전개하여, 고층부 옥상층에서 방수압력은 0.70 MPa 방수량은 678 L/min로 측정되었다. 실험동은 펌프실 가압송수장치로부터 송수구까지의 거리가 50 m 미만의 근거리 동으로, 명판의 공급압력 범위 0.62~0.86 MPa 미만인 0.6 MPa로 공급하였음에도 고층부에서는 0.70 MPa의 높은 압력이 형성되었다.
Table 3
Pressurized Water Supply Operation & Not Operation
Operation Medium-Sized Tank Supply Pressure (MPa) Medium-Sized Tank Rotation Speed (Rpm) Outlet (Floor) Fire Hose Lay out Diameter (mm) Discharge Pressure (MPa) Discharge Volume (L/min)
Working 0.6 1,980 27 2 65 0.70 678
Be Not Working 1.3 2,894 27 2 65 0.35 430
가압송수장치가 미작동한 상황에서 중형물탱크차 1.3 MPa로 고층부 송수를 진행하였다. 27층에서 방수구 1개 개방한 상황에서 65 mm 소방호스 2개를 전개하여, 고층부 옥상층에서 방수압력은 0.35 MPa 방수량은 430 L/min로 측정되었다.
Table 4와 같이 같이 하젠-윌리엄즈식 이론손실계산에서 H1은 실양정이며, H2는 배관 및 소방호스의 마찰손실수두(유량 Q = 430 L/min 적용), H3는 방수압이다. 소방호스의 마찰손실은 소방설계업체마다 제시값이 다르며, 본 연구에서는 소방청 옥내소화전설비 화재안전기준해설서와 소방전문서적을 참고하여 65 mm 소방호스 15 m당 1 m로 산정하였다. 이는 옥외소화전 펌프 토출량 400 L/min일 때 고무내장호스길이 100 m당 마찰손실수두 6 m를 적용한 값이다. 제조사의 소방호스 길이가 15 m이므로 15 m의 마찰손실은 0.9 m 정도이다(14). 가압송수장치 작동 시에는 중형물탱크차의 동력인출장치(PTO)를 사용하여 0.6 MPa로 고층부 송수 가능함이 확인되었다. 파이프넷 수리계산프로그램 v1.12.0에서는 중형물탱크차 공급압력 0.3 MPa의 공급압력에서 고층부 송수 가능함이 확인되었다.
Table 4
Verification of Theoretical Loss Calculation
Floor Medium-Sized Tank Supply Pressure (MPa) Theoretical Loss Head (m) Total Head Loss (m)
27 1.3 H1 = 15 m + 2.9 m + (2.8 × 25) + 3 m = 90.9 m 133.2
H2 = Piping of Friction Loss Head 4.3 m
 Fire Hose of Friction Loss Head 3 m (Suction Side 1, Discharge Side 2)
H3 = 35 m
이론손실계산에서 중형물탱크차의 공급압력 1.33 MPa에서 27층 고층부의 압력이 0.35 MPa로 송수가 가능한 것으로 확인되었다. 가압송수장치 미작동 송수 실험에서는 실양정 90.9 m + 필요양정(required) 50 m (15 m 흡입수두 + 35 m 소방펌프차 공급압력)로 고층부 송수가 가능하였다. 이를 통해 중형물탱크차의 공급압력과 총 손실수두가 유사한 것으로 나타났다. 따라서, 소방전술 측면에서 화재층 층고 93.7 m + 필요양정 35 m를 더한 중형물탱크차의 최적 공급압력을 1.28 MPa로 설정할 수 있었다.

4.2 B실험건축물

Table 5와 같이 실험동은 펌프실 가압송수장치로부터 송수구까지의 거리가 400 m 이상인 가장 먼 원거리 동이다. 송수구 명판의 공급압력이 미표시되어 있어 소방펌프차 동력인출(PTO) 최저압력인 0.3 MPa로 고층부 송수를 실시하였다. 33층 방수구 1개를 개방하고 65 mm 소방호스 2개를 전개한 결과, 옥상층 방수압력은 0.35 MPa로 측정되었다.
Table 5
Pressurized Water Supply Operation & Not Operation
Operation Fire Tank Supply Pressure (MPa) Fire Tank Rotation Speed (Rpm) Outlet (Floor) Fire Hose Lay Out (Count) Diameter (mm) Discharge Pressure (MPa)
Working 0.3 1,980 33 2 65 0.35
Be Not Working 1.45 3,080 33 2 65 0.36
가압송수장치 미작동 상태에서 소방펌프차가 1.45 MPa의 압력을 공급한 경우, 동일 조건(33층 방수구 1개 개방, 65 mm 소방호스 2개 전개)에서 옥상층 방수압력은 0.36 MPa로 측정되었다.
Table 6와 같이 하젠-윌리엄즈식 이론손실계산에서 H1은 실양정이며, H2는 배관 및 소방호스의 마찰손실수두(유량Q 430 L/min 적용), H3는 방수압이다. Table 6의 이론손실계산검증은 소방설계업체의 수리계산자료를 참고하여 작성하였으며, Table 4에서와 동일한 소방호스 마찰손실값이 적용되었다. 이론손실계산에서 소방펌프차의 공급압력 1.52 MPa에서 33층 고층부의 압력이 0.35 MPa로 송수가 가능한 것으로 확인되었다. 가압송수장치 미작동 송수 실험에서는 실양정 102.3 m + 필요양정(required) 50 m (8.3 m 흡입수두 + 41.7 m 소방펌프차 공급압력)로 고층부 송수가 가능하였다. 이를 통해 소방펌프차의 공급압력과 총 손실수두가 유사한 것으로 나타났다. 따라서, 소방전술 측면에서 화재층 층고 103.2 m + 필요양정 41.7 m를 더한 소방펌프차의 최적 공급압력을 1.44 MPa로 설정할 수 있었다.
Table 6
Theoretical Loss Calculation
Floor Fire Tank Supply Pressure (MPa) Theoretical Loss Head (m) Total Head Loss (m)
33 1.45 H1 = Underground 8.3 m + Corridor 1.2 m + (2.86 × 32) + 1 m = 102.3 m 152.6
H2 = Piping of Friction Loss Head 12.3 m
 Fire Hose of Friction Loss Head 3 m (Suction Side 1, Discharge Side 2)
H3 = 35 m

4.3 J실험건축물

Table 7과 같이 실험동은 펌프실 가압송수장치로부터 송수구까지의 거리가 300 m 이상인 원거리 동이며, 송수구 명판에 표시된 공급압력 범위는 0.5~0.6 MPa이다. 소방펌프차 동력인출(PTO) 최저압력인 0.3 MPa로 고층부 송수를 실시하였다. 29층 방수구 1개를 개방하고 65 mm 소방호스 2개를 전개한 결과, 옥상층 방수압력은 0.35 MPa로 측정되었다.
Table 7
Pressurized Water Supply Operation & Not Operation
Operation Fire Tank Supply Pressure (MPa) Fire Tank Rotation Speed (rpm) Outlet (Floor) Fire Hose Lay out (Count) Diameter (mm) Discharge Pressure (MPa) Discharge Volume (L/min)
Working 0.3 1,380 29 2 65 0.35 400
Be Not Working 1.3 2,880 29 2 65 0.40 -
가압송수장치 미작동 상태에서 소방펌프차가 1.3 MPa의 압력을 공급한 경우, 동일 조건(29층 방수구 1개 개방, 65 mm 소방호스 2개 전개)에서 옥상층 방수압력은 0.40 MPa로 측정되었다.
Table 8과 같이 하젠-윌리엄즈식 이론손실계산에서 H1은 실양정이며, H2는 배관 및 소방호스의 마찰손실수두(유량Q 430 L/min 적용), H3는 방수압이다. Table 8의 이론손실계산검증은 소방설계업체 자료를 참고하여 작성하였으며, Table 4에서와 동일한 소방호스 마찰손실값이 적용되었다. 이론손실계산에서 소방펌프차 공급압력 1.33 MPa에서 29층 고층부의 압력이 0.35 MPa로 송수가 가능한 것으로 확인되었다. 고층부 송수 실험에서 소방펌프차 공급압력 1.3 MPa로 29층 고층부 방수압력 0.40 MPa로 송수 가능함이 확인되었다.
Table 8
Verification of Theoretical Loss Calculation
Floor Fire Tank Supply Pressure (MPa) Theoretical Loss Head (m) Total Head Loss (m)
29 1.3 H1 = 8.65 m + (2.9 × 9) + (3.05 × 19) = 92.8 m 133.3
H2 = Piping of Friction Loss Head 2.5 m
 Fire Hose of Friction Loss Head 3 m (Suction Side 1, Discharge Side 2)
H3 = 35 m
가압송수장치 미작동 송수 실험에서는 실양정 92.8 m + 필요양정(required) 50 m (8.65 m 흡입수두 + 41.35 m 소방펌프차 공급압력)로 고층부 송수가 가능하였다. 이를 통해 소방펌프차 공급압력과 총 손실수두값이 유사한 것으로 나타났다. 따라서, 소방전술 측면에서 화재층 층고 93.9 m + 필요양정 41.35 m를 더한 소방펌프차의 최적 공급압력을 1.35 MPa로 설정할 수 있었다.
2020년 11월 소방청 주관으로 실시된 고층아파트 가압송수장치 미작동 방수실험에서, 소방펌프차가 1.4 MPa의 압력을 공급한 결과, 지하층 포함 30층(98.1 m)에서는 방수압력 0.38 MPa (압력손실 72.9%)을, 40층(130.1 m)에서는 방수압력 0.18 MPa (압력손실 87.1%)을 기록하였다. 실험 대상 건축물은 지하 2층, 지상 46층 규모이며, 소방설계도면상 지하층 흡입수두는 9 m, 층고는 2.9 m~3.2 m였다. 실험 대상 건축물은 지하 2층, 지상 46층이며, 소방설계도면상 지하층 흡입수두는 9 m, 층고는 2.9 m~3.2 m였다(15). 본 연구의 가압송수장치 미작동식을 적용할 경우, 화재층 40층(층고 130 m)에 필요양정 41 m를 더하여 소방펌프차에서 1.71 MPa의 압력으로 송수 시, 압력손실 79.5% 수준에서 방수압력 0.35 MPa 확보가 가능할 것으로 예측된다.
부산소방본부의 실험결과, 가압송수장치 미작동 상태에서 소방펌프차 2대 이상을 직렬연결하여 1.9 MPa의 압력으로 송수한 경우, 52층(163 m)까지 고층부 송수가 가능함을 확인하였다(4).
본 실험연구를 바탕으로 소방펌프차 공급압력을 적용하기 위한 개선된 아파트등 연결송수관설비 가압송수장치 명판은 Figure 5와 같이 제안한다.
Figure 5
Before and after the improvement of the pressurized water supply system in the connected water pipe facility.
kifse-38-6-112-g005.jpg
15층부터 40층까지 5개층 단위로 층고를 표기하고 지하층의 흡입수두를 표시하면, 설정된 공급압력으로 신속한 소화활동이 가능할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 화재현장 선착소방대의 연결송수관설비 가압송수장치 전용 송수구에 대한 최적 소방펌프차 공급압력 범위를 제시하고자 하였다. 이를 위해 아파트 연결송수관설비 10개소의 현지 실태조사를 실시하고, 그 중 펌프실로부터 가장 근접동 및 원거리 동 3개소를 선정하여 고층부 송수실험을 진행하였다. 연구 결론은 다음과 같다.
첫째, 가압송수장치 정상 작동 시 소방펌프차 동력인출(PTO) 최저압력은 0.3 MPa이며, 이 압력부터 점진적으로 높여 송수한다. 이는 정격유량 1,200 L/min이 아닌 고층부 소량 방수 시 소방펌프차 공급압력 변동에 대응하기 위함이다.
둘째, 가압송수장치 미작동 시에는 화재층 층고와 필요양정 50 m (흡입수두 + 소방펌프차 공급압력)를 합산하여 송수한다. 이는 화재현장에서 가압송수장치 작동불능 시에도 신속한 소화용수 공급을 위함이다.
셋째, 본 실험연구를 바탕으로 15층부터 40층까지 5개층 단위로 층고를 표시하고 흡입수두를 표기, 압력배관 사용하여, 설정된 공급압력을 적용할 것을 제안한다.

6. 연구의 제한사항

본 연구결과의 적용 제한사항은 다음과 같다. 펌프실 가압송수장치로부터 원거리동 송수구까지의 배관거리는 450 m 이하로 하며, 적용 대상은 연결송수관설비 가압송수장치가 설치된 15층부터 40층까지의 고층부로 한정한다.

References

1. National Fire Agency 119, “National Fire Data System”, https://www.nfds.go.kr/start/general.do (2024).

2. Y. K. Yun, “A Survey Study on the Fire Loads of Apartment Building”, Master's Thesis, The Graduate School Pukyong National University, (2007).

3. B. H. Lee, S. H. Jin and Y. J. Kwon, “A Comparative Study on the Fire Load of Structures by Usage in Korea and Japan”, Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 20, No. 5, pp. 135-141 (2020), https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2020.20.5.135.
crossref
4. National Fire Agency 119, “Guidelines for Fire Evacuation for Apartment Residents”, https://www.nfa.go.kr/search/totalSearch.do (2024).

5. Busan Metropolitancity Fire & Disaster Hradquarters, “Fire Response Manual for Tall Buildings”, (2019).

6. J. J. Park, “A Study on the Improvement Plans of Institutional Standards of Fire Department Connection through Validation”, Doctoral's Thesis, Protection Engineering Graduate School of Gachon University, (2022).

7. ITSTA, “Pumping and Aerial Apparatus Driver/Operator Handbook Third Edition Chapre 10”, pp. 365(2017).

8. National Fire Protection Association 14, “Standard for the Installation of Standpipe and Hose Systems”, pp. 14-22 (2019).

9. National Fire Agency 119, “Korean Fire Equipment Standards (KFS)-1-0008-2023-01 Fire Pupm Truck”, https://www.nfa.go.kr/nfa/releaseinformation/0010/0001 (2022).

10. J. H. Cheon, “A Study on Utilization of Water Outlet and Water Discharge Methods of Efficient Fire Hose in Large Scale Underground Parking-Lot”, Doctoral's Thesis, Kangwon National University, (2024).

11. S. H. Min, Y. J. Kwon and J. D. Park, “An Empirical Study on the Relay Pumping Method for the High Pressure of Fire Engine Pump”, Fire Science and Engineering, Vol. 27, No. 1, pp. 52-59 (2013), https://doi.org/10.7731/KIFSE.2013.27.1.052.
crossref
12. S. H. Min and Y. J. Kwon, “An Empirical Study on the Standard Re-establishment of Water Discharge Performance for the Fire Engine Pump”, Fire Science and Engineering, Vol. 26, No. 5, pp. 85-91 (2012), https://doi.org/10.7731/KIFSE.2012.26.5.085.
crossref
13. Shillafire, “Fire Fighting Equipment Shillafire Nozzle Korean”, https://shilla8119.cafe24.com/wp-content/uploads/2020/09/Nozzle_web.pdf (2024).

14. S. W. Nam, “Design and Construction of Fire Protection Systems”, https://www.cyber.co.kr (2024).

15. Y. J. Kwon, “A Study on the Improvement of Field Response Power through Characteristic Analysis of High- Pressure Pumps for Fire-fighting Vehicles”, Doctoral's Thesis, University of Seoul Graduate School, (2022).



ABOUT
BROWSE ARTICLES
EDITORIAL POLICY
AUTHOR INFORMATION
Editorial Office
Room 906, The Korea Science Technology Center The first building, 22, Teheran-ro 7 Gil, Gangnam-gu, Seoul, Republic of Korea
Tel: +82-2-555-2450/+82-2-555-2452    Fax: +82-2-3453-5855    E-mail: kifse@hanmail.net                

Copyright © 2025 by Korean Institute of Fire Science and Engineering.

Developed in M2PI

Close layer
prev next