1. 서 론
한국의 산업화는 군사 정부가 경제 개발 5개년 계획을 추진하기 시작한 1960년대 초라고 볼 수 있다. 1990년대 후반 외환 위기 극복 과정에서 산업 경제는 더욱 선진화되고 글로벌화 되었다(1). 최근에는 이러한 산업화를 바탕으로 지역마다 산업단지를 조성하고 있으며 넓은 지역에 공장단지를 구축하여 국가 경제 발전에 이바지하고 있다.
Table 1은 국내 산업단지 현황으로 산업단지는 지속하여 증가하는 상황이며, 단지 유형에 따라 구분은 되지만 전국의 산업단지수는 1,315개이며, 약 14억 m2의 면적을 이루고 있다. 이러한 산업단지 내 구축되는 건축물은 빠른 공정과 대규모 공장 건축물을 축조하기 위해 대부분 건식구조로 형성되어 있다. 즉. 건축물의 구조는 철골조가 대부분이며 건축물의 외벽은 시공이 간편하기 때문에 공사기간을 단축할 수 있는 샌드위치 패널로 이루어져 있다.
Table 1
Current Status of Domestic Industrial Complexes
| Type | Industrial Complex Number | Area (m2) |
|---|---|---|
| National | 51 | 788,518 |
| General | 735 | 576,038 |
| Urban Advanced | 46 | 11,871 |
| Agro-Industrial Complex | 483 | 78,389 |
| Total | 1,315 | 1,454,816 |
이러한 샌드위치 패널 구조는 저비용과 기간 단축의 이유로 대부분 공장건축물에 사용되고 있지만 화재에 취약한 점이 있다. 이를 극복하기 위해 건축법을 개정함에 따라 국토교통부는 공장건축물의 주요 자재로 사용되는 샌드위치 패널에 대한 난연성능 기준 강화로 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙(건축물방화구조규칙)｣ 개정안을 마련하여 2022년 시행하였다. 이에따라 현재 건축되는 공장건축물에는 우레탄폼과 같은 난연성능을 가진 자재를 사용하지만, 기존에 건축된 공장은 여전히 난연성능이 없는 스티로폼 패널 등 화재에 취약한 구조로 축조되어 있어 화재발생 시 연소확대 등 인명피해 및 재산피해의 위험성이 있다.
소방청 국가화재정보시스템에 따르면, 최근 5개년(’20년도~’24년도) 샌드위치 패널 건축물 구조의 화재는 평균 3,076건 발생하고 인명피해도 평균 196명이 발생하였다. 또한 ‘23년도 소방청 화재통계연감에서 주요 발화장소별 화재 및 인명피해 중 공장시설은 총 2,046건으로 전체 화재 중 5번째로 많은 화재가 발생하였고, 인명피해는 4번째로 국내에서 공장화재는 빈번하게 발생하고 있다. 정부의 대책과 공장 자체적인 주의에도 불구하고 공장 건축물에 화재가 발생하여, 공장 건축주 자체적으로도 자진설비 등을 두어 대책을 마련하고 있다. 한 사례로 인천 서구지역의 한 공장 건축물에서는 공장화재 시 건축물 화재 피해를 최소화하기 위해 관할 소방서의 협조를 받아 드랜처 설비를 활용하여 자진설비로 공장 외벽에 수막설비를 설치하였다. 공장화재가 발생하면 소방에서는 화재가 발생한 건축물에 집중 주수를 하여 소화에 총력을 가하지만, 인접 건축물로 연소 확대 방지를 위해 인접 건축물에 방어주수를 하고 있다. 공장 건축물에 자진설비로 설치한 수막설비가 이 방어주수를 대신하기 위한 목적이라 할 수 있다. 하지만, 현장에서 활용하기에는 사전 검증되지 않은 부분이 있어, 본 연구에서는 공장건축물 외벽에 설치하여 소방에서의 방어주수의 역할을 하는 수막설비의 효과성을 검증하고 기존 설치된 수막설비의 단점인 과도한 소방용수 사용을 극복하는 방안의 새로운 수막설비를 도출하고자 한다.
2. 국내⋅외 수막설비의 연구 동향
수막설비 효과성 검증을 위해 실험체 및 수막설비의 노즐 제작에 앞서 수막설비 관련 국내⋅외 문헌조사를 선행하였다. 수막설비는 워터스크린(water screen)의 용어로 사용이 되고 있으며, 국내⋅외 연구도 진행되어 왔다. 대부분의 수막설비는 전통시장과 대피로 확보 등의 연구를 목적으로 진행되어 왔으며, 기존의 드렌처 노즐을 변형하거나 물입자의 크기를 변형하여 입자 차이에 따른 미분무 노즐 개발 등의 사례를 볼 수 있다.
지진이나 쓰나미 등 대형재난이 빈번하게 발생하는 일본은 피난시설이나 설비와 관련된 연구를 많이 진행하고 있다. 특히 미세입자나 수막설비를 활용한 피난시설 구축에 대한 연구도 추진되어 왔다. 일본 건설시공기획(2)에서는 미세한 물입자막을 이용한 방화설비를 개발하여 일반 드렌처 설비의 입자와 미스트입자, 두 입자 중간의 방화설비용 물입자로 수막을 형성하여 피난 설비를 구성하였다. 공장의 생산시설이나 화재 시 피난을 위한 시설로 활용이 가능하며, 실내 별도의 펌프를 활용하여 위급상황 시 수막을 형성하여 구조대상자를 피난하는 개념으로 개발하였다. Park 등(3)은 수막설비용 노즐의 수력직경 변화에 따른 방사유량, 방사압, 액적 평균크기의 상관관계에 대한 분석을 통해 설계 자료로 활용할 수 있는 연구를 추진하였다. 그 결과, 동일한 수막설비 노즐에 대해서 분사압력의 크기가 증가할수록 평균 액적의 크기가 감소하는 것을 증명하였다.
이와 같이 수막설비, 워터스크린 등 물입자의 변화를 통한 드렌처설비와 차별성이 있는 설비 구성과 노즐에 대한 분사압력 및 액적의 크기 등을 분석한 다양한 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 이러한 사항을 기반으로 수막설비 노즐에 변화를 주어 방수량 및 분사각도를 변형하고자 한다. 기존의 드렌처 노즐보다 동일 수원으로 장시간 활용할 수 있고 상용 노즐로 사용하고 있는 드렌처 노즐의 120°의 분사 각도를 더욱 넓게 하여 보다 넓은 범위로 물을 분사할 수 있도록 노즐을 설계하고자 한다.
사용목적 및 적용장소에 따라서 수막설비, 워터스크린의 활용성은 일반 드렌처 설비와는 다르게 사용이 가능하다. 이제 수막설비를 재래시장이나 대형창고, 터널 공간 등 적용하고자 하는 연구가 진행되었다. Choi와 Cho(4)는 재래시장의 화재확산 방지를 위해 수막설비 설치 지침에 관한 연구를 진행하였다. 화재확산의 원인이 되는 화염과 복사열을 차단하기 위하여 수막설비는 필요한 것으로 도출되었고, 복사열의 차단은 수적의 크기와 수직높이 및 유량의 영향을 받는 것으로 연구하였다. Kim 등(5)은 적층식 대형창고 스프링클러헤드 개발 및 성능실험으로 적재물 전체 및 전면부 방호가 가능하고 최소방수량 115 L/min을 갖는 최적의 헤드를 개발하였다. 살수성능실험 결과를 살펴보면 살수반경이 넓으면 물입자가 작아져 채수량이 감소하고 가연물 상층부 방호를 강조하면 하부방향의 수량이 상대적으로 감소하여 적재물이 없는 한 곳으로만 집중적으로 물이 분사되는 최적의 방수압을 도출하였다.
또한, 일본의 가시마기술연구소(6)에서는 워터스크린으로 인한 구획화 효과에 대한 연구를 통해 터널로 구획된 공간에서 워터스크린을 사용하여 실험한 결과, 연소로 발생한 가스의 농도 저감효과는 약 40%, 화원성상에서의 발열 속도는 약 30% 낮추어 워터스크린(수막설비)의 효과성을 언급하고 있다.
일본에서는 산림인접지역에도 산불로부터 가옥을 보호하기 위해 소방차대가 도착하기 전까지 자체적으로 소화 또는 방어할 수 있는 소화설비능력과 소화설비 수량 등을 검토하여 민가 및 시설물⋅문화재 등에 설치하고 있다. 이 중 드렌처 설비는 하부에서 상부로 물을 방수 하는 지하 매설식으로 수압으로 헤드가 개방되어 방수하는 구조이다. 방수 대상 주위 지면에 매설하며, 건축물 내 설치하는 방식은 수막에 의한 화염 전파를 방지하는 목적으로 다수의 드렌처 노즐을 설치하여 연소 확대 방지를 위해 사용하고 있다(7).
화염으로부터 발생한 복사열 차단 등에 대한 효과성은 이와 같이 기존 연구를 통해 알 수 있다. 본 연구에서는 공장화재를 모사한 환경을 구성하여 복사열 차단 효과를 다양한 구성을 통해 축소규모의 실험을 하고, 각 실험 조건(노즐의 형태와 노즐간 이격거리)에 따라 어느 정도의 복사열을 차단하고 온도 저하가 가능한지 도출하여 수막설비가 공장화재에서 인접된 화염으로부터 어느정도 효과성이 있는지 도출하고자 한다.
수막설비는 국내에서도 피난공간의 확보 또는 문화재 보호 등 다양한 용도로 사용하고 있다. 부산소방에서는 지하철 역사 화재 시 짙은 연기를 저감하여 피난로 확보로 위급상황 시 대피할 수 있도록 펌프 시설을 활용한 수막시설을 설치하였고, 인천에서는 공장주 자체적으로 빈번한 화재를 예방하기 위해 화재시 스프링클러와 유사한 소화의 목적으로 공장 내부에 수막설비를 별도로 설치하였다. 수막설비는 자진설비로 건축법이나 소방법 등의 저촉을 받지 않아 기존의 소방시설을 방해하지 않은 선에서 설치가 가능하다. 또한, 산림에 있는 가옥이나 산림 내부에 위치한 문화재 보호를 위해 수막설비가 설치되어 있다.
인천 관내의 한국산업단지 공단 서부지사에서 화재확산방지를 위한 수막설비 설치를 2024년 6월부터 9월까지 약 4개월간에 거쳐 공장 1개소를 선정하여 설치하였다. 본 수막설비는 개방형헤드인 드렌처노즐을 사용한 것으로 노즐간 간격은 4500 mm 설치되었으며, 소방차의 물탱크와 수막설비의 연결송수관을 연결하면 소방차의 압력으로 수막이 가동하도록 설치하였다. 수막설비를 직접 가동하였고 분당 80 L의 방수능력의 드렌처노즐을 사용하였을 때 많은 양의 물이 고르게 퍼져 수막이 형성이 되지만, 대형 소방창의 수원이 3,000 L일 경우 가동 시간이 3~4 min 정도만 가능하다.
이처럼 수막설비는 다양한 장소에서도 사용이 가능하며, 인천에 설치된 것과 같이 공장 건축물 외벽에도 설치하여 활용할 수 있다. 하지만 본 연구에서 목표로 하는 소방 현장에서 효율적으로 활용하기 위해서는 기존의 설치된 수막설비와는 차별성이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존의 설비들과는 다르게 수원을 적게 사용하면서 별도의 펌프가 없으며, 인접된 화염의 복사열을 최대한 차단할 수 있는 수막설비를 개발하였고 공장화재 모사한 실험을 통해 데이터를 도출⋅분석하여 결론을 도출하였다.
3. 공장화재 모사 실험의 구성
3.1 공장화재 모사 실험체 설계
본 연구에서는 수막설비의 효과성과 소방현장 활용성이 좋은 수막설비의 조건 등을 도출하기 위해 공장화재를 모사하여 실험체를 제작하고 실험을 통해 객관적인 데이터를 분석하였다. 정량적인 데이터를 도출하기 위해 실험환경은 바람이 없는 환경의 내부 환경으로 구성하여 바람의 영향을 최소화하였다. 본 실험의 실험체 구성부터 수막설비에 적용되는 노즐의 구성, 데이터 도출을 위한 장비들의 구성은 다음과 같다.
실험체를 제작하기 위해 샌드위치 패널의 종류와 수막설비를 설치하기 위한 조건 등을 고려하여 다음과 같이 구성하였다. 샌드위치 패널은 실험을 다회 반복할 경우 변형이 발생할 수 있으므로 직접 탈부착하여 변형된 패널을 교체할 수 있게 제작이 필요하였고 현장의 상황을 최대한 재현하기 위해 실제 수막설비의 배관 직경인 65 A와 현장에서의 배관 설치 조건으로 구성하였다. 본 실험에서는 샌드위치 패널의 규모는 가로 7 m, 높이 5 m, 패널의 두께 10 mm의 구조체로 구성하였다. 구조물의 재질은 ｢건축물의 피난⋅방화구조 등의 기준에 관한 규칙｣(8)에 의해 강화된 난연성능을 가지는 우레탄 패널을 사용하였다. 우레탄패널은 단가가 다른 패널에 비해 고가이지만 단열성이 우수하고 화재에 적응성이 있는 난연소재로 되어 있어 냉장⋅냉동 창고 및 주거용 건축물로 주로 사용하고 있다.
수막설비는 별도의 펌프가 없이 소방차나 옥외소화전의 압력으로 활용하는데, 본 실험에서는 옥외소화전을 활용하였다. 옥외소화전을 수막설비의 연결송수관에 연결하고 연결부 선단의 압력을 측정하기 위해 압력계를 설치 하였고, 말단의 압력을 측정하기 위해 수막설비 배관 말단부에 별도의 압력센서(트랜스미터)를 설치하였다. 또한, 사용된 유량을 측정하기 위해 선단에 설치된 압력계 이후에 유량계를 설치하여 측정이 가능하도록 구성하였다. 패널 심부의 온도를 측정하기 위해 적용한 열전대(thermocouple sensors)는 K type를 적용하였고, 화염으로부터 수막설비와 패널에 흐르는 물로 인해 차단되는 복사열을 측정하기 위해 열유속계(water cooled heatflux sensor)를 사용하여 패널 표면을 천공하여 열유속 센서에 물이 닿지 않도록 심부에 고정하였다. 각 실험에서 적용한 노즐은 3개로 노즐의 형태와 이격거리에 따라 교체하였고, 지면으로부터 5,000 mm 이격된 높이에 설치하였다. 이러한 실험체 구성은 다음의 Figure 1과 같다.
3.2 수막설비 노즐의 구성
본 실험에서 사용된 노즐의 구성은 Figure 2와 Table 2와 같다. 물분무 노즐 A와 같은 경우에는 세부노즐을 3개로 구성하여 150° 각도로 분사될 수 있도록 구성하였고, 물분무 노즐 B는 노즐을 플랫형태로 구성하여 분사각도를 넓히고 분사율을 줄였다. 물분무 노즐 D의 경우에는 B와 유사한 플랫형태로 분무량을 높이고 분사각도를 B보다 넓은 영역에 분사될 수 있도록 구성하였다. Table 2의 각 노즐의 유량과 분사각은 1 Kg/cm2의 압력조건에서의 측정된 값이다.
Table 2
Capability of Water Curtain Nozzles
| Type | Flow Rate (L/min) | Spray Angle (°) |
|---|---|---|
| Drencher Nozzle | 80 | 120 |
| Water Spray Nozzle A | 16.8 | 150 |
| Water Spray Nozzle B | 14.4 | 170 |
| Water Spray Nozzle C | 36 | 180 |
일반적으로 드렌처 설비나 기존의 공장건축물 수막설비에 적용된 드렌처 노즐을 비교군으로 설정하였다. 소방현장에서 사용하기 위해서는 물 사용을 적게 하여 최대한 장시간 수막이 형성되어 방어주수의 역할을 해야한다. 이에 기존의 드렌처 설비보다 방사능력과 살수각도에 변화를 주어 복사열 차단 효과와 샌드위치 패널 심부 온도의 저하의 효과성을 비교하기 위해 제작하였다.
수원 사용의 양을 적게 하기 위해 기존의 드렌처노즐에서 분사되는 입자보다 작게하여 물분무 노즐의 형식으로 제작하였고 방사능력(L/min)과 살수각도를 변형하여 다음과 같이 노즐을 구성하였다.
본 수막설비 노즐을 실험체의 분기티에 결합하여 적용하였고, 노즐간 이격거리는 2 m, 3 m로 설치하여 이격거리간의 차이도 실험조건에 설정하였다.
3.3 실험 조건 및 방법
공장을 모사한 실험체와 화염과의 이격거리는 다음과 같이 설정하였다. 동일 부지 내에 있는 공장건축물은 민법 제242조 “경계선 부근의 건축”에 따르면 건축물간 이격거리는 최소 0.5 m이다(9). 현재 축조하는 공장건축물은 2019년 국토교통부 고시인 ｢산업단지계획지침｣ 개정으로 인하여 산업단지 내 건축물간 이격거리는 5 m 이상 확보를 권고하고 있지만, 기 설치된 공장건축물 등 아직 건축물간 이격거리가 협소한 곳이 대다수이다. 본 실험에서는 수막설비로 인해 발생하는 수막과 벽체에 도포되는 수원으로 인해 복사열 차단 효과 등을 분석하기 위해 열원에 직접적인 소화는 되지 않도록 화원의 이격거리를 Figure 3과 같이 구성하였다.
실험체를 제작할 때 수막설비 노즐간 이격거리 조정을 위해 제작한 분기티는 구조체에서 약 250 mm 돌출되어 있어 수막을 가동하면 0.5 m의 화원에 직접적인 영향을 주어 pool pan (200 mm × 1,000 mm × 200 mm, 3 mm)을 조정하여 1.0 m의 이격거리를 설정하였다.
샌드위치 패널 중앙부에서 양옆까지 총 3개소에 pool pan 3개를 배치하여 각 1 L의 휘발유, 총 3 L의 휘발유를 화원으로 설정하였다. Pool pan의 열량을 알기 위해 미국의 원자력 규제 위원회(nuclear regulatiry commission)에서 공개한 ｢Estima burning characteristics of liquid pool｣ 계산식 통해 구한 결과(10), heat release rate (HRR)은 1212.03 kW로 도출되었다.
여기서 Q는 pool pan의 HRR (kW)이며, m은 단위 표면적당 연료의 연소 속도(kg/m2-sec)로 휘발유를 사용하여 0.055 kg/m2-sec, ΔHc,eff는 연료의 유효 연소열(kJ/kg)로 휘발유는 43,700 kJ/kg, Adike는 pool pan의 표면적(m2)으로 0.6 m2, kβ는 경험상수(m-1)로 휘발유는 2.1 m-1, D는 pool pan의 직경(m)으로 계산식에 따라 0.874 m를 적용하였다. SFPE 기본 식은 형상이 무관하며, 면적 기반 식이므로 본 식을 적용하여 본 실험에서 적용한 pool pan의 HRR을 적용하였다.
본 연구에서 제시하고 있는 수막설비는 별도의 펌프가 없이 소방차나 옥외소화전의 압력만으로 사용할 수 있다. 본 실증 실험에서도 현장과 동일한 환경을 구성하기 위해 연결송수관을 구성(65 A)하였고 수막의 배관은 50 A의 수도관으로 연결하였다. 또한 수막설비의 노즐별 차이와 노즐간 이격거리의 차이를 비교하여 실험⋅분석하기 위해 500 mm 간격의 분기티를 두어 노즐의 이격거리를 변경할 수 있게 구성하였다. 또한 본 수막설비에 설치된 연결송수관에는 옥외소화전을 연결하여 동일 압력이 가해질 수 있도록 설정하였다. 연결송수관과 수막설비의 배관 사이에는 조절 레버를 통해 방수압을 조절할 수 있게 하였다. 옥외소화전의 압력은 약 0.4 MPa이며 이를 연결송수관에 연결하여 노즐별 완전 개방시의 선단압력과 말단 압력을 측정하였다.
옥외소화전에서 연결송수관까지 65 A의 관창을 연결하여 연결송수관 이후에 설치한 압력계에서 측정한 결과, 드렌처 노즐의 경우 완전 개방일 경우 0.15 MPa이였으며, 물분무 A와 B는 0.38 MPa, 물분무 C는 0.26 MPa로 측정되었다. 본 실험에서 동일 압력에서의 비교를 위해 드렌처 노즐의 완전 개방인 선단방수압 0.15 MPa로 적용하여 4개의 노즐간 차이를 비교⋅분석하였다.
수막설비의 가동시간과 중단시점을 설정하기 위해 복사열을 발생하는 가연물을 자유연소하여 수막설비의 적정 가동시간을 선정하였다. Pool pan에 적용된 휘발유 3 L의 자유연소 시 시간은 약 240 s에서 270 s로 측정되었다. 본 실험에서는 착화 이후부터 90 s까지는 자유연소로 샌드위치 패널의 복사열과 심부온도에 영향을 줄 수 있게 적용하였고, 수막설비는 90 s에 가동하여 180 s까지 1 min 30 s간 작동하여 차단되는 복사열과 패널 심부온도 하강 정도를 측정하였다.
4. 수막설비 종류별 실험결과
여름철 수행한 실험으로 각 실험 당시 실내의 온도는 약 31 ± 3 °C였으며, 본 실험에서 적용한 화원의 높이는 샌드위치 패널 심부에 설치한 최상부 열전대(A~E지점 각 6번)에 영향을 주었다. 화원의 높이는 이는 앞서 적용한 ｢Estima burning characteristics of liquid pool｣ 식에서 다음식을 통해 도출할 수 있다.
Hf는 화염의 높이(m)이며, Q는 화염의 열량(kW), D는 pool pan의 직경(m)으로 앞에서 도출된 값을 적용하면 화염의 높이는 3.13 m이다. 이와 같은 환경에서 노즐의 종류와 이격거리를 변경하면서 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다.
실험을 통해 도출하고자 하는 주요 결과는 각 노즐 적용 시 사용된 수원(물의양), 천공된 패널에 전달되는 복사열 감소, 패널 심부의 온도변화로 크게 3가지라 할 수 있다. 먼저 사용된 수원의 양은 디지털유량계를 통해 수막설비 가동 전⋅후를 비교하여 값을 도출할 수 있다. 복사열의 감소는 수막설비 가동 전(착화 후 90 s 이후) 복사열의 평균값에서 가동 후(수막설비 가동시간 90 s) 목사열의 평균값을 비교하여 차이를 나타냈다. 패널 심부의 온도변화도 가동 전 축적된 열로 인해 상승된 온도와 수막설비로 냉각된 패널 심부의 온도차이를 통해 어떠한 차이가 있는지 비교하였다.
4.1 노즐 이격거리 2 m 실험 결과
4종의 노즐을 각각 적용하여 노즐간 이격거리를 2 m로 설정한 결과이다. Figures 4~7까지는 본 실험에서 측정된 패널 표면에 전달되는 복사열의 변화를 볼 수 있고, Figures 8~11까지는 패널 심부온도 변화를 나타내는 그래프이다. 4종의 노즐에 따라 사용된 수원의 양은 차이가 있으며, 패널에 미치는 복사열과 심부의 온도 변화도 차이가 있다. 하지만, 공통적으로 각 노즐을 적용한 실험에서 복사열 감소와 우레탄 패널의 심부온도 하강의 효과를 볼 수 있었다.
드렌처노즐을 적용한 실험에서 사용된 수원은 286.13 L이며, 수막설비 가동과 동시에 많은 양의 물이 분사하여 패널에 막을 형성하면서 상승중인 복사열이 급속하게 저하된 것을 볼 수 있다. 수막 가동 직전 복사열 측정 지점 평균 32.88 kW/m2이 수막설비 가동 5 s 이후 18.09 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 공장의 외벽으로 볼 수 있는 패널의 심부온도는 수막설비가 가동 되면서 약 10 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 30.51 kW/m2 감소, 패널 심부 온도는 13 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
물분무 A를 적용한 실험에서 사용된 수원은 71.91 L이며, 수막설비 가동 후 샌드위치 패널에 막을 형성하면서 상승중인 복사열이 점점 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막 가동 직전 복사열 측정 지점 평균 31.20 kW/m2이 수막설비 가동 10 s 이후 4.61 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 패널의 심부온도는 수막설비가 가동 되면서 약 40 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 28.13 kW/m2 감소, 패널 심부온도는 4.2 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
물분무 B를 적용한 실험에서 수막설비로 사용된 수원은 68.27 L로 실험에 적용된 노즐 중 가장 적은 수원이 사용되었다. 드렌처노즐처럼 급격한 하강은 볼 수 없지만 수막설비 가동으로 인해 점차 패널에 전달되는 복사열이 감소하는 것을 볼 수 있다. 수막 가동 직전 복사열 측정 지점 평균 33.91 kW/m2이 수막설비 가동 20 s 이후 8.07 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 패널 심부의 온도는 약 30 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 31.26 kW/m2 감소, 패널 심부온도는 5.7 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
물분무 C를 적용한 실험에서 수막설비로 사용된 수원은 147.80 L로, 본 노즐 역시 패널에 전달되는 복사열을 감소하는 효과를 볼 수 있다. 수막 가동 직전 복사열 측정 지점 평균 31.98 kW/m2이 수막설비 가동 10 s 이후 10.46 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 패널의 심부온도는 수막 가동 약 20 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 여기에서는 화염의 영향으로 A지점의 온도도 일부 상승하였지만, 수막설비 가동 이후 점점 감소되는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 30.25 kW/m2 감소, 패널 심부 온도는 11.1 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
4.2 노즐별 이격거리 3 m 실험 결과
노즐간 이격거리에 따른 복사열 감소와 패널 심부온도 저감 효과를 비교하기 위해 3 m의 노즐간격을 두어 설치하여 동일 조건에서 실험하였다. Figures 12~15까지는 본 실험에서 측정된 패널 표면에 전달되는 복사열의 변화를 볼 수 있고, Figures 16~19까지는 패널 심부온도 변화를 나타내는 그래프이다.
드렌처노즐을 결합하여 적용한 본 실험에서 수막설비로 사용된 수원은 291.70 L가 사용되었고 2 m 간격에서 사용된 수원의 차이는 거의 없었다. 3 m의 이격거리 또한 2 m에 비해 넓은 범위를 분사하면서 유실되는 물도 많긴 했지만, 수막설비 가동과 동시에 많은 양의 물이 분사하여 패널에 막을 형성하면서 상승중인 복사열이 급속하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 수막 가동 직전 패널이 받는 복사열이 평균 26.73 kW/m2로 가동 후 20 s 이후 17.25 kW/m2가 감소하였다. 패널의 심부온도는 착화와 동시에 점점 상승하다가 수막설비가 가동 되면서 약 10 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 24.83 kW/m2 감소, 패널 심부 온도는 9.6 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
물분무 A를 적용한 실험에서 사용된 수원은 74.85 L로 2 m 이격거리와 유사한 수원이 사용되었다. 수막 가동 직전 평균 33.1 kW/m2 복사열이 가동 후 10 s 이후 10.5 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 패널의 심부온도는 약 50 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 24.83 kW/m2 감소, 패널 심부 온도는 2.2 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
물분무 B 노즐을 적용하여 사용된 수원은 66.38 L로 3 m 이격거리 노즐 중 가장 적은 수원이 사용되었다. 동일하게 수막설비 가동 후 샌드위치 패널에 막을 형성하면서 상승중인 복사열이 점진적으로 저하되는 것을 볼 수 있다. 수막과 벽체에 부딪히는 물의 산란으로 인해 화염의 유동적인 흐름으로 B지점의 복사열이 간헐적으로 상승하긴 하지만 전체적인 복사열은 하강하는 것으로 볼 수 있다.
수막 가동 직전 평균 36.11 kW/m2 복사열이 가동 후 20 s 이후 22.23 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 패널의 심부온도도 수막설비가 가동되면서 약 40 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 33.09 kW/m2 감소, 패널 심부온도는 2.9 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
물분무 C를 적용한 수막설비에서 사용된 수원은 151.52 L의 수원이 사용되었다. 수막 가동 직전 평균 33.12 kW/m2 복사열이 가동 후 20 s 이후 19.63 kW/m2가 감소되면서 차단 효과를 보인다. 패널 심부온도는 수막설비가 가동되면서 약 20 s 후부터 하강하는 것을 볼 수 있다. 여기에서는 화염의 영향으로 A지점의 온도도 일부 상승하였지만, 수막설비 가동 이후 점점 감소되는 것을 볼 수 있다. 수막설비 가동 완료까지(180 s)의 복사열은 31.11 kW/m2 감소, 패널 심부온도는 8.5 °C 하강한 것을 볼 수 있다.
5. 결론 및 고찰
본 연구에서는 건축물간 이격거리가 협소한 공장건축물에서 화재가 발생했을 때 확산을 방지할 수 있는 수막설비의 효과성에 대한 실험적인 연구를 수행하였다. 공장에 화재가 발생하여 소방대원이 출동하면 현장의 상황마다 차이가 있지만, 주 화점이 있는 건축물에 소화활동을 하고 인접건축물의 연소확대 방지를 위해 방어주수를 한다. 본 연구에서는 방어주수의 역할을 수막설비가 얼마나 효과적인지 효과성을 검증하기 위해 공장화재 환경을 구현하여 실험체를 구성하고 조건을 주어 효과성 검증 실험을 하였다. 동일한 화원과 조건에서 수막설비의 노즐 종류별, 노즐간 이격거리별 사용한 물의 양과 샌드위치패널(우레탄패널)의 표면에 전달되는 복사열의 감소치와 패널의 심부온도 변화를 비교⋅분석하였고, 그 결과는 Table 3과 같다. 분당 방수량이 80 L인 드렌처노즐과 36 L인 물분무노즐 C는 방수량이 많아 다른 노즐보다 비교적 빠르게 복사열을 차단할 수 있다. 본 실험적인 연구의 목적은 사용가능한 용수가 한정적일 때 물 사용량을 줄이고 소화의 목적이 아닌 복사열 차단과 표면 냉각의 효과로 연소를 지연하는 것으로 적용한 모든 노즐에서 복사열 감소와 온도 감소는 도출되었다. 이는 수막설비를 통해 물을 흐르게 함으로 전이되는 화재를 지연할 수 있는 효과성이 있을것으로 사료된다.
Table 3
Comprehensive Results by Nozzles of Water Curtain Applied to the Experiment
공장건축물 화재 현장에서 소화의 목적이 아닌 연소 확대 방어 및 지연의 효과로는 공장 외벽에 설치된 수막설비로 가능한 것을 도출하였다. 화재 현장에서는 소방펌프차의 한정된 물을 사용하기 때문에 물을 절약하고 장시간 사용할 수 있는 물분무 노즐 B가 가장 효과적인 것으로 보인다.
본 실험에 적용한 화원으로 공장화재를 대변할 수는 없지만, 화재가 발생한 건축물의 개구부나 벽체에서 발생한 화염이 인접건축물에 영향을 줄 때 수막설비를 통해 지속적으로 흐르는 물이 공장건축물의 외벽 패널을 보호하는 역할을 하여 연소의 확대 예방 및 지연이 가능할 것으로 사료된다. 또한, 본 실험에서 적용한 옥외소화전의 압력(0.4 Mpa, 4 bar)은 소방차에서 일반적으로 사용하는 압력과 유사하다고 볼 수 있다. 수막설비에 적용하는 소방차의 압력을 변화한다면, 사용시간과 복사열 차단 효과 조절을 통해 화재의 규모에 따라 유동적으로 사용할 수 있을것으로 보인다.
추가적으로 소방차가 진입하지 못한 협소한 곳이나 불법주정차 등으로 진입이 곤란할 경우 공장 관계자가 옥외소화전과 연결하여 연결송수관에 인입하는 방식으로도 활용이 가능하여 본 수막설비의 활용성이 좋다고 볼 수 있다.
본 실험적 연구에서는 물분무의 액적크기, 액적 속도 및 밀도 등 기초 데이터를 확보하지 못하였지만, 향후 추가적인 연구를 통해 수막설비의 노즐 구성요소에 따른 상관관계를 분석하고 보다 적절한 수막설비 노즐을 설계하여 제작할 예정이다. 나아가 지금은 본 연구에 적용한 수막설비는 자진설비로 설치규정 등이 없지만, 추가 연구를 통해 설치 가이드라인 및 상수도 또는 옥외소화전 활용 등 법적 검토를 통해 적용할 수 있는 방안을 마련하고자 한다.
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