1. 서 론
반도체공장은 고가의 생산설비가 밀집되어 있고, 공정 특성상 위험물이 상시 사용되며, 설비 간 연계성이 매우 높은 구조적 특성을 가진다. 이러한 환경에서는 화재 발생 시 인명 피해뿐만 아니라 설비 손상, 생산 중단, 공정 오염 등으로 인한 막대한 경제적 손실이 동반될 수 있다. 이에 따라 반도체공장에는 일반 건축물보다 강화된 화재 안전 기준이 적용되고 있으며, 자동식 소화설비인 스프링클러 시스템은 초기 화재 대응을 위한 핵심 설비로 운용되고 있다.
그러나 스프링클러 설비는 화재 진압이라는 목적과 동시에, 오동작 또는 설비 결함 발생 시 소화수 누수로 인한 수손 피해라는 또 다른 위험 요소를 내포하고 있다. 특히 반도체공장과 같이 수손에 극도로 민감한 시설에서는 화재가 발생하지 않은 상황에서의 소화수 방출 또한 심각한 사고로 인식되고 있다. 이러한 문제로 인해 기존 습식⋅건식⋅준비작동식 스프링클러 시스템의 한계를 보완하기 위한 다양한 대안 기술이 지속적으로 검토되고 있다.
자동식 스프링클러 시스템은 화재 발생 시 비교적 높은 작동 신뢰성을 확보하고 있는 것으로 보고되고 있으나, 모든 상황에서 정상적으로 작동하는 것은 아닌 것으로 나타난다. 미국 화재예방협회(NFPA)의 통계에 따르면, 자동식 스프링클러 시스템은 작동이 요구되는 화재 상황에서 약 92~96%의 비율로 정상 작동하여 화재를 제어한 것으로 보고되었다. 그러나 약 4~8%의 사례에서는 시스템이 정상적으로 작동하지 않거나 소화 성능이 충분히 발휘되지 못한 것으로 나타났다(1). 이러한 오작동 사례의 주요 원인은 수리적 성능 부족보다는 제어밸브의 폐쇄 상태, 전기적⋅기계적 부품 고장, 유지관리 미흡 등 제어계통과 직접적으로 연관된 요소로 분석되고 있다(2).
또한 최근 전 세계적으로 화재 안전 규제 강화와 대형⋅고위험 건축물 증가에 따라 자동식 스프링클러 시스템의 적용 범위가 지속적으로 확대되고 있다. 글로벌 화재 스프링클러 시스템 시장은 2023년 약 114억 달러 규모에서 2032년 약 264억 달러 수준까지 성장할 것으로 전망되며, 연평균 성장률은 약 9% 이상으로 보고되고 있다(3). 이러한 시장 확대는 신규 건축물뿐만 아니라 기존 시설의 소방 설비 고도화를 동반하며, 누수 저감, 유지관리 효율성, 설비 신뢰성 향상과 같은 성능 개선형 시스템에 대한 요구를 증가시키고 있다(4).
이와 같은 흐름 속에서 부압식 스프링클러 시스템은 평상시 2차측 배관을 부압 상태로 유지함으로써 소화수 누수를 방지할 수 있는 구조적 특징을 가지며, 기존 스프링클러 시스템의 수손 피해 문제를 개선할 수 있는 대안 기술로 주목받고 있다. 부압식 스프링클러 시스템은 Table 1(5)과 같이 헤드 파손이나 배관 손상 발생 시에도 소화수가 외부로 방출되지 않도록 설계된 구조로, 중요 문서 보관소나 고가 자산 보호 공간을 중심으로 적용 사례가 증가하고 있다. 또한 반도체공장, 데이터센터, 의료시설 등 수손 피해에 민감한 시설을 중심으로 현장 적용 가능성이 활발히 검토되고 있다.
Table 1
Site of Installation of Vacuum Sprinkler System(5)
그러나 부압식 스프링클러 시스템은 감지기 및 솔레노이드 밸브의 작동 신뢰성에 크게 의존하는 구조적 특성을 가지며, 제어계통 이상 발생 시 화재 대응 성능에 중대한 한계가 발생할 가능성이 있다. 실제로 국내에서도 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용성과 제어 특성을 검증하기 위한 실증시험 연구가 최근 발표되는 등, 해당 시스템에 대한 기술적 관심과 검증 시도가 증가하고 있다. 이는 부압식 스프링클러 설비가 기존 습식⋅준비작동식 설비를 보완할 수 있는 대안적 시스템으로서 논의 단계에서 실증 단계로 이동하고 있음을 시사한다.
부압식 스프링클러 시스템과 직접적으로 관련된 선행 연구는 크게 제어계통 신뢰성, 감지기 및 밸브 작동 특성, 그리고 배관 압력 안정성 측면으로 구분할 수 있다. Oh(6)는 부압식 스프링클러 설비에 작동방법 및 구조에 대해 설명하고 기존 습식 및 준비작동식 스프링클러 시스템이 화재 상황 외에서도 배관 내 수압 변화, 밸브 오작동, 유지보수 부실 등으로 인해 소화수가 의도치 않게 방출되어 수손 피해를 유발할 수 있다는 문제점을 지적하였다. 특히 기존 시스템은 배관이 항상 가압 상태에 있기 때문에, 헤드 파손이나 배관 손상 발생 시 소화수가 지속적으로 외부로 방출되어 막대한 수손 피해를 초래할 가능성이 존재한다. 이에 반해 부압식 스프링클러 시스템은 평상시 2차측 배관을 대기압 이하의 음압 상태로 유지함으로써, 헤드 파손 또는 배관 손상 시에도 배관 내 소화수가 외부로 방출되지 않도록 설계되어 있다. 이러한 구조적 특징은 기존 시스템의 비화재 시 소화수 누수 가능성을 근본적으로 제거하는 효과를 가지며, 감지기 신호에 의해 정상적으로 화재가 발생했을 때만 소화수가 공급되도록 제어계통을 구성함으로써 수손 피해 위험을 크게 저감할 수 있다. Cho와 Choi(7)는 개선형 준비작동식 스프링클러 시스템의 성능 비교 및 신뢰성 향상 방안에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 특히 지하주차장 환경을 대상으로 논-인터락식 방식과 부압식(negative-pressure type) 준비작동식 시스템을 비교한 주수 실험을 통해 각 방식의 작동 특성을 정량적으로 평가하였다. 실험 결과, 모든 방식에서 밸브 개방은 1 s 이내에 이루어졌으며 소화수의 2차측 도달 시간은 약 35 s로 확인되었으나, 헤드 개방 후 총 방수 개시 시간은 논-인터락식에서 약 115 s, 부압식에서 약 66 s로 측정되어 부압식이 상대적으로 빠른 방수 개시 특성을 보였다. 이러한 결과는 두 방식 모두 ‘헤드 개방 후 1 min 이내 방수’ 기준을 달성할 수 있도록 하기 위해서는 배관 체적 축소 및 주수 검지장치 최적 배치 등 설계 단계에서 개선이 필요함을 시사한다.
Kim(8)은 수손피해 저감을 위한 스프링클러 시스템에 관한 연구를 통해 지진재해에서도 부압식 스프링클러의 설치장소는 수손피해가 없음을 입증하였으며, 재해를 입는 가게의 비용 대 효과는 40배로 큰 효과를 발휘하고, 수손피해가 없었던 전 점포의 비용을 포함하여 4배의 비용 대 효과가 있음을 입증하며 재난 시 발생할 수 있는 스프링클러 수손피해 대책방안으로 부압식 스프링클러 시스템을 제안하였다.
하지만 기존 선행 연구들은 부압식 스프링클러 시스템의 수손 피해 저감 효과와 방수 개시 시간 등 개별 성능 비교에 주로 초점을 두고 있으며, 실제 산업 현장에 적용되는 과정에서 발생할 수 있는 제어계통 미동작, 감지기 신뢰성 저하, 솔레노이드 밸브 작동 실패와 같은 운영 단계의 문제에 대해서는 실증적 검토가 충분히 이루어지지 않았다. 특히 부압식 스프링클러 시스템은 감지기와 제어밸브의 정상 작동에 절대적으로 의존하는 구조적 특성을 가지므로, 제어 로직이나 압력 조건에 따른 작동 불확실성은 화재 대응 성능 저하로 직결될 가능성이 있다. 본 연구에서 관찰된 감지기 및 솔레노이드 밸브 미동작, 방수 지연 현상은 단순한 시공 불량이나 개별 장비 결함으로 보기 어려우며, 동일한 시스템 구성 조건에서도 반복적으로 확인되었다는 점에서 부압식 스프링클러 시스템의 구조적⋅운영상 특성에 기인할 가능성을 시사한다. 따라서 본 연구에서는 실제 반도체공장에 설치된 준비작동식 스프링클러 설비에 부압식 스프링클러 시스템을 적용하고, 화재 발생을 가정한 시험을 통해 누수 방지 성능뿐만 아니라 제어계통 작동 과정에서 나타나는 감지기 및 솔레노이드 밸브의 동작 특성, 방수 지연 원인 등을 종합적으로 분석하고자 한다. 이를 통해 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 한계를 규명하고, 향후 반도체공장을 포함한 수손 민감 시설에서의 설계 및 운영 개선을 위한 기초 자료를 제시하는 것을 본 연구의 목적으로 한다.
2. 시험조건 및 시험방법
2.1 시험조건
본 연구의 시험은 국내 산업시설에 설치된 실제 스프링클러 방호구역을 대상으로 수행하였다. 시험 대상 공간은 고가 설비 보호가 요구되는 산업용 건축물의 부속 공간으로, 기존에 준비작동식 스프링클러 설비가 설치⋅운영되고 있는 환경이다. 해당 공간은 실제 현장과 동일한 배관 구성과 제어계통을 갖추고 있어, 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용성을 평가하기에 적합한 조건을 갖는다.
시험 대상 구역의 방호 면적은 약 3,000 m2 규모이며, 스프링클러 배관은 준비작동식 밸브를 중심으로 1차측과 2차측 배관으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 기존 준비작동식 스프링클러 설비에 부압식 스프링클러 시스템을 추가로 적용하여, 실제 현장에서 발생할 수 있는 결합 운용 조건을 구현하였다. 준비작동식 스프링클러 시스템은 싱글 인터록 방식으로 구성하였으며, 화재 감지 신호에 의해 준비작동식밸브가 개방되고 이후 스프링클러헤드의 열작동에 따라 방수가 이루어지는 구조이다. 시험 대상 설비는 실제 현장 적용 사례를 반영하여 주배관 150 A, 1차측 급수 압력 0.6 MPa, 배관재질은 KS D 3507 배관용 탄소강관을 사용하였으며, 스프링클러헤드는 K80, 표준형 상향식헤드를 설치하였다. 배관은 분기배관 및 말단 헤드를 포함한 폐루프 형식으로 구성하였다. 부압식 스프링클러 시스템은 Figure 1과 같이 부압 펌프, 부압 패키지, 부압 스위치 유니트, 제어반 등으로 구성하였으며, 스프링클러 2차측 배관의 목표 부압은 -0.05 MPa로 설정하였다. 이는 기존 연구 및 현장 적용 사례를 고려하여 누수 방지 성능과 시스템 안정성을 동시에 검토할 수 있는 조건이다.
2.2 실증시험 방법
부압식 스프링클러 시스템은 기존 습식 스프링클러 시스템과 달리, 화재 발생 시 단일 기계적 작동만으로 방수가 이루어지지 않고, 감지기 신호 전달 → 제어반 판단 → 솔레노이드 밸브 작동 → 부압 해제 → 준비작동식밸브 개방이라는 다단계 제어과정을 거쳐야 실제 방수가 가능하다. 이러한 구조적 특성으로 인해 부압식 스프링클러 시스템의 방수 신뢰성은 개별 구성요소의 성능뿐만 아니라, 각 제어 요소 간의 연계 동작 신뢰성에 의해 좌우된다.
소방 관련 기준에서도 준비작동식 및 특수형 스프링클러 시스템의 경우, 감지기⋅제어반⋅솔레노이드 밸브 등 전기⋅기계적 구성요소의 연동 실패가 방수 지연 또는 방수 불능으로 이어질 수 있음을 지적하고 있으며, 이에 따라 제어계통의 신뢰성 확보를 중요한 설계⋅유지관리 요소로 규정하고 있다. 특히 부압식 스프링클러 시스템은 평상시 2차측 배관을 부압 상태로 유지하기 때문에, 부압 해제가 정상적으로 이루어지지 않을 경우 방수 개시 자체가 제한되는 구조적 특성을 가진다. 또한 기존 선행 연구들은 감지기 오작동, 솔레노이드 밸브 미개방, 제어 로직 오류 등이 준비작동식 및 특수형 스프링클러 시스템에서 반복적으로 보고되는 주요 문제 유형임을 제시하고 있으나, 대부분의 연구는 개별 구성요소의 성능 또는 이론적 분석에 국한되어 있으며, 실제 현장 조건에서 제어계통이 연속적으로 연계 작동하는 과정 전체를 실증적으로 검증한 연구는 제한적인 실정이다. 이로 인해 제어계통 중 어느 단계에서 지연 또는 실패가 발생하는지, 그리고 이러한 현상이 시스템 구조적 특성에서 기인하는지에 대한 명확한 검증이 부족하였다.
이에 본 연구에서는 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 신뢰성을 객관적으로 평가하기 위해, 감지기 신호 전달, 솔레노이드 밸브 작동, 부압 해제 과정 등 제어계통 전반의 연계 동작 여부를 주요 연구 대상으로 설정하였다. 이는 단순한 부품 불량 여부를 확인하는 것이 아니라, 정상 제품⋅정상 시공 조건에서도 제어계통의 단계적 연계 과정에서 발생할 수 있는 구조적 한계와 운용상의 문제를 규명하기 위한 것이다. 하여 실증시험은 부압식 스프링클러 시스템의 누수 방지 성능 자체보다는, 실제 현장 적용 시 화재 대응 과정에서 발생할 수 있는 작동 신뢰성 저하 요인을 확인하는 데 중점을 두고 수행하였다. 특히 감지기 신호 전달, 솔레노이드 밸브 작동, 부압 해제 과정 등 제어계통의 연계 동작 여부를 주요 관찰 항목으로 설정하였다.
2.2.1 제어계통 연계 작동 시험
제어계통 연계 작동 시험은 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 신뢰성을 평가하기 위해 감지기 신호 전달, 솔레노이드 밸브 작동, 부압 해제 및 준비작동식밸브 개방에 이르는 제어계통의 연계 직동 여부를 실증적으로 확인하였다. 시험 대상 시스템은 실제 현장 적용 사례를 반영한 싱글 인터록 방식의 준비작동식 스프링클러 시스템으로 구성하였으며, 화재 감지 신호가 발생한 이후 제어계통이 단계적으로 연계 작동하는 과정을 시간 흐름에 따라 분석하는 데 중점을 두었다.
시험 전, 1차측 급수 압력은 정압 기준 0.6 MPa로 설정하였고, 2차측 배관은 부압 펌프를 이용하여 설정 부압 상태로 유지하였다. 모든 제어기기와 배관 내 잔류 압력 및 신호는 초기화한 후 시험을 수행하였다. 감지기 작동은 시험용 열원을 이용하여 설정 온도에 도달하도록 하였으며, 감지기에서 화재 신호가 발생한 시점을 기준 시점으로 정의하였다. 이후 해당 신호가 제어반에 정상적으로 전달되는지 여부를 확인하고, 제어반 출력 신호에 따라 솔레노이드 밸브가 실제로 작동하는 과정을 관찰하였다.
솔레노이드 밸브의 작동 여부는 제어 신호 인가 상태와 밸브 개방 여부를 동시에 확인하는 방식으로 평가하였으며, 감지기 신호 발생 시점부터 솔레노이드 밸브 작동까지의 소요 시간을 계측하였다. 솔레노이드 밸브가 개방된 이후에는 2차측 배관의 압력 변화를 연속적으로 측정하여 부압 해제 과정이 정상적으로 진행되는지를 확인하였다. 이 과정에서 부압 해제 개시 시점과 대기압 도달 시점을 구분하여 기록하였으며, 부압 해제 이후 준비작동식밸브가 정상적으로 개방되는지 여부를 확인하였다.
준비작동식밸브 개방 이후에는 말단 시험밸브를 이용하여 방수 가능 상태를 확인하였으며, 실제 스프링클러 헤드 작동을 모사한 조건에서 방수 지연 또는 방수 불능 현상이 발생하는지를 관찰하였다. 이러한 일련의 과정은 개별 구성요소의 단독 작동 여부를 확인하기 위한 것이 아니라, 감지-제어-기계 작동-압력 변화로 이어지는 제어계통 전체가 연속적으로 정상 작동하는지를 검증하기 위한 것이다.
제어계통 연계 직동 시험은 동일 조건에서 최소 5회 반복 수행하였으며, 반복 시험 간에는 배관 내 잔류 압력과 공기를 완전히 제거한 후 동일한 초기 조건을 재설정하였다. 각 반복 시험 결과를 비교하여 제어계통 응답 시간의 변동성 및 특정 단계에서의 반복적인 지연 또는 미작동 여부를 분석하였다. 감지기 신호 발생 이후 모든 제어 단계가 순차적으로 정상 작동할 경우를 정상 연계 작동으로 정의하였으며, 특정 단계에서 작동 지연 또는 미작동이 반복적으로 발생하는 경우에는 제어계통 연계 신뢰성 저하 가능성이 있는 것으로 판단하였다.
2.2.2 부압 해제 및 방출 가능성 확인 시험
부압 해제 및 방출 가능성 확인 시험은 부압식 스프링클러 시스템에서 화재 감지 및 제어계통이 정상적으로 작동하지 않는 조건에서도 부압 해제와 소화수 방출이 가능한지를 확인하기 위해 수행되었다. 본 시험은 개별 장비의 고장 여부를 확인하는 시험이 아니라, 부압식 스프링클러 시스템이 구조적으로 제어계통 작동을 전제로 하는지 여부를 실증적으로 검증하기 위한 것이다.
시험 대상 시스템은 실제 현장에 설치된 준비작동식 스프링클러 설비와 부압식 패키지가 결합된 형태로 구성되었으며, 1차측 급수 계통, 준비작동식 밸브, 솔레노이드 밸브, 부압 펌프, 2차측 배관 및 말단 스프링클러 헤드를 포함한다. 시험에 앞서 1차측 급수 압력은 정압 기준 0.6 MPa로 설정하였고, 2차측 배관은 부압 펌프를 이용하여 설정 부압 상태로 유지하였다. 부압 설정값은 약 -0.05 MPa로 하였으며, 압력계 및 압력 스위치를 통해 실시간으로 확인하였다. 시험은 단계적으로 설정한 비정상 조건에서 수행되었다. 첫 번째 조건에서는 화재 감지기가 작동하지 않는 상태를 설정하였다. 이 조건에서는 제어반으로의 화재 신호 입력을 차단한 상태에서 말단 스프링클러 헤드를 개방하여 실제 화재 시 스프링클러 헤드가 열작동한 상황을 모사하였다. 이때 2차측 배관의 압력 변화, 부압 유지 여부, 외부 공기 유입 여부 및 소화수 방출 가능성을 연속적으로 관찰하였다.
두 번째 조건에서는 감지기 신호는 정상적으로 발생하였으나, 솔레노이드 밸브가 작동하지 않는 상태를 설정하였다. 이를 위해 제어반에서 솔레노이드 밸브 출력 신호를 차단하거나, 밸브 구동 전원을 차단한 상태에서 감지기 작동 시험을 수행하였다. 해당 조건에서도 감지기 신호 발생 이후 2차측 배관의 압력 변화, 부압 해제 여부 및 준비작동식 밸브 개방 여부를 확인하였다.
각 시험 조건에서 부압 해제 여부는 2차측 배관 압력이 설정 부압 상태에서 대기압 또는 양압으로 전환되는지를 기준으로 판단하였다. 소화수 방출 가능성은 준비작동식 밸브 개방 여부와 말단 시험밸브 개방 시 실제 유수가 발생하는지를 기준으로 평가하였다. 모든 압력 변화는 디지털 압력계를 이용하여 시간에 따른 압력 변화를 연속적으로 기록하였다. 각 조건별 시험은 동일 조건에서 최소 3회 이상 반복 수행하였으며, 반복 시험 간에는 배관 내 잔류 압력 및 공기를 완전히 제거한 후 초기 부압 조건을 재설정하였다. 반복 시험을 통해 동일 조건에서 유사한 결과가 재현되는지를 확인함으로써 시험 결과의 신뢰성을 확보하였다.
본 시험 방법을 통해 부압식 스프링클러 시스템이 감지기 및 솔레노이드 밸브 등 제어계통의 정상 작동을 전제로 부압 해제 및 소화수 방출이 이루어지는 구조임을 확인하고자 하였으며, 이를 통해 제어계통 이상 발생 시의 현장 적용 한계를 평가하였다.
2.2.3 반복 작동에 따른 운전 안정성 확인
반복 작동에 따른 운전 안정성 확인 시험은 부압식 스프링클러 시스템이 반복적인 기동 및 정지 과정에서 제어계통과 기계적 구성요소의 성능 저하 또는 이상 작동을 유발하는지를 확인하기 위해 수행되었다. 본 시험은 단일 화재 상황에 대한 대응 성능 평가를 넘어, 실제 현장에서 발생할 수 있는 오작동, 압력 변동, 환경 변화 등에 의해 시스템이 반복적으로 작동하는 상황을 모사하는 데 목적을 두었다.
시험 대상 시스템은 부압식 스프링클러 설비의 제어계통, 부압 펌프, 준비작동식 밸브, 솔레노이드 밸브 및 2차측 배관을 포함한 전체 시스템으로 구성하였다. 시험에 앞서 1차측 급수 압력은 정압 기준 0.6 MPa로 설정하였고, 2차측 배관은 부압 펌프를 통해 설정 부압 상태로 유지하였다. 반복 시험 전 모든 구성요소의 초기 상태를 점검하고, 배관 내 잔류 압력과 공기를 제거하여 동일한 초기 조건을 확보하였다. 반복 작동 시험은 부압 유지와 해제 과정이 연속적으로 발생하도록 제어계통을 인위적으로 설정하여 수행하였다. 구체적으로, 제어반을 통해 부압 펌프의 기동 및 정지를 반복적으로 유도하였으며, 각 반복 주기마다 부압 펌프 기동 시점, 정지 시점, 목표 부압 도달 시간 및 압력 유지 안정성을 계측하였다. 반복 주기는 실제 현장 운용 상황을 고려하여 일정 시간 간격으로 설정하였으며, 전체 반복 횟수는 최소 20회 이상으로 하였다. 각 반복 작동 과정에서 2차측 배관의 압력 변화는 디지털 압력계를 이용하여 연속적으로 기록하였다. 이를 통해 부압 설정값 대비 압력 편차, 압력 변동 폭 및 안정화 소요 시간을 분석하였다. 또한 반복 작동 과정 중 솔레노이드 밸브의 불필요한 개방 여부, 준비작동식 밸브의 비의도적 작동 여부 및 제어반의 경보 발생 여부를 함께 관찰하였다.
반복 작동 시험 중에는 주변 환경 조건의 영향을 고려하기 위해 시험 장소의 온도 변화를 함께 기록하였다. 온도 변화에 따른 배관 내 압력 변동과 부압 펌프 기동 빈도의 상관성을 분석함으로써, 단순 반복 작동뿐만 아니라 환경 요인이 운전 안정성에 미치는 영향을 함께 평가하였다. 각 반복 시험 결과는 주기별로 비교⋅분석하였으며, 반복 횟수 증가에 따라 부압 형성 시간 증가, 압력 유지 불안정, 제어계통 오작동 등 이상 징후가 발생하는지를 중점적으로 검토하였다. 동일 조건에서 반복 수행 시 유사한 경향이 확인될 경우, 해당 현상을 운전 안정성 저하 가능 사례로 분류하였다.
본 시험 방법을 통해 부압식 스프링클러 시스템은 반복적인 기동 및 정지 조건에서 부압 펌프 및 제어계통의 운전 안정성이 시스템 성능에 중요한 영향을 미칠 수 있음을 검증하고자 하였으며, 반복 작동에 따른 잠재적 운전상 문제점을 실증적으로 분석하였다.
3. 시험 결과 및 고찰
3.1 제어계통 연계 작동 결과
제어계통 연계 작동 시험 결과, 부압식 스프링클러 시스템의 감지기 신호 전달, 솔레노이드 밸브 작동, 부압 해제 및 준비작동식밸브 개방 과정은 시험 조건에 따라 상이한 작동 특성을 보였다. 모든 시험은 동일 조건에서 반복 수행되었으며, 감지기 신호 발생 시점을 기준으로 각 제어 단계의 작동 여부 및 소요 시간을 정량적으로 분석하였다.
정상 조건 시험에서는 감지기 작동 후 제어반으로의 신호 전달은 모든 반복 시험에서 정상적으로 이루어졌으며, 감지기 신호 발생 시점부터 제어반 입력 인식까지의 소요 시간은 평균 0.3 s 이내로 나타났다. 이는 감지기 및 신호 전달 계통 자체에는 유의미한 지연이나 이상이 없음을 의미한다. 그러나 제어반에서 솔레노이드 밸브로의 출력 단계에서는 일부 시험 조건에서 작동 지연 또는 미작동 현상이 관찰되었다. 구체적으로, 2차측 배관의 초기 부압이 -0.05 MPa로 설정된 조건에서는 솔레노이드 밸브가 감지기 신호 발생 후 평균 1.8 s 이내에 정상적으로 개방되었으며, 이후 2차측 배관 압력은 약 4~6 s 이내에 대기압 수준으로 회복되었다. 이 경우 준비작동식밸브는 부압 해제 이후 평균 7.2 s 이내에 개방되었고, 말단 시험밸브 개방 시 소화수 방출이 정상적으로 이루어졌다.
반면, 2차측 초기 부압을 -0.07 MPa 이하로 설정한 조건에서는 동일한 감지기 신호가 발생하였음에도 불구하고 솔레노이드 밸브가 즉시 작동하지 않거나, 작동 시간이 평균 4.5 s 이상으로 지연되는 현상이 반복적으로 확인되었다. 일부 반복 시험에서는 감지기 신호가 제어반에 정상적으로 입력되었음에도 솔레노이드 밸브가 개방되지 않는 사례가 관찰되었으며, 이 경우 2차측 배관 압력은 설정 부압 상태를 유지하거나 부분적인 압력 변동만 나타내었다. 레노이드 밸브 미작동 또는 지연 작동이 발생한 시험 조건에서는 준비작동식밸브의 개방 역시 확인되지 않았으며, 말단 시험밸브를 개방하였을 때 소화수 방출이 발생하지 않거나, 방출 개시까지 상당한 지연이 발생하였다. 이러한 현상은 동일 조건에서 반복 시험 시 유사하게 재현되었으며, 특정 회차에 한정된 우발적 고장으로 보기 어려운 경향을 나타냈다.
또한 감지기 신호 전달 자체는 모든 시험 조건에서 안정적으로 확인되었으나, 제어 로직 조건 및 2차측 압력 상태에 따라 솔레노이드 밸브 작동 여부가 달라지는 경향이 확인되었다. 이는 제어계통의 일부 구성요소 이상보다는, 부압식 스프링클러 시스템이 제어 로직과 부압 조건에 민감하게 반응하는 구조적 특성을 가질 가능성을 시사한다. 결과를 종합하면, 부압식 스프링클러 시스템의 제어계통 연계 작동은 감지기 및 제어반의 정상 작동 여부만으로 확보되지 않으며, 2차측 배관의 부압 상태와 제어 로직 조건이 솔레노이드 밸브 및 준비작동식밸브 작동에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 정상적인 제품과 시공 조건에서도 특정 운용 조건 하에서는 제어계통 연계 작동이 제한될 수 있음을 의미하며, 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 시 제어계통 신뢰성 확보가 중요한 고려 요소임을 보여준다.
제어계통 연계 작동 시험 결과는 Table 2에 정리하여 제시하였다. 감지기 및 신호 전달 계통은 모든 시험 조건에서 안정적으로 작동하였으나, 2차측 배관의 초기 부압 조건에 따라 솔레노이드 밸브 및 준비작동식밸브의 작동 특성이 유의미하게 달라지는 경향이 확인되었다.
Table 2
Results of Control-System-Linked Operation Tests Under Different Negative Pressure Conditions
3.2 감지기 및 솔레노이드 미동작에 따른 방출 한계
감지기 및 솔레노이드 밸브 미작동 조건에서 수행한 방출 가능성 시험 결과, 부압식 스프링클러 시스템은 제어계통의 일부 구성요소가 정상적으로 작동하지 않을 경우 소화수 방출이 구조적으로 제한되는 특성을 나타냈다. 본 절에서는 감지기 미작동 조건과 솔레노이드 밸브 미작동 조건을 구분하여, 각 조건에서의 압력 변화와 방출 가능성을 정량적으로 분석하였다.
먼저 감지기 미작동 조건에서는 제어반으로의 화재 신호 입력을 차단한 상태에서 말단 스프링클러 헤드를 개방하여 화재 상황을 모사하였다. 이때 2차측 배관의 초기 부압은 -0.05 MPa로 유지하였다. 모든 반복 시험에서 말단 헤드 개방 이후에도 2차측 배관 압력은 -0.045~-0.05 MPa 범위를 유지하였으며, 대기압으로의 압력 회복은 관찰되지 않았다. 헤드 개방 후 60 s 이상 경과한 시점에서도 급수 유입은 확인되지 않았으며, 소화수 방출은 발생하지 않았다.
감지기 미작동 조건의 반복 시험은 동일 조건에서 5회 수행되었으며, 모든 시험에서 유사한 압력 유지 경향과 방출 제한 현상이 재현되었다. 이는 감지기 신호가 입력되지 않을 경우, 부압식 스프링클러 시스템은 말단 헤드 개방만으로는 부압 해제가 이루어지지 않으며, 구조적으로 방출이 제한됨을 의미한다.
다음으로 감지기 신호는 정상적으로 발생하였으나 솔레노이드 밸브가 작동하지 않는 조건을 설정하였다. 이 조건에서는 감지기 신호 발생 후 제어반 입력은 정상적으로 확인되었으나, 솔레노이드 밸브 구동 전원을 차단하여 밸브 개방이 이루어지지 않도록 하였다. 이때 2차측 배관 압력은 감지기 신호 발생 이후에도 -0.04~-0.05 MPa 범위를 유지하였으며, 일부 시험에서는 최대 0.01 MPa 수준의 일시적인 압력 변동만 관찰되었다. 솔레노이드 밸브 미작동 조건에서도 준비작동식밸브의 개방은 확인되지 않았으며, 말단 시험밸브 개방 시 소화수 방출은 발생하지 않았다. 해당 조건은 동일 조건에서 5회 반복 시험을 수행하였고, 모든 시험에서 유사한 압력 유지 및 방출 제한 결과가 확인되었다.
감지기 미작동 조건과 솔레노이드 밸브 미작동 조건을 비교한 결과, 두 조건 모두에서 부압 해제가 이루어지지 않아 소화수 방출이 제한되었으나, 솔레노이드 밸브 미작동 조건에서는 감지기 신호 인식 이후에도 방출이 불가능하다는 점에서 제어계통의 특정 단계가 전체 시스템 성능에 결정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 부압식 스프링클러 시스템이 감지기 및 솔레노이드 밸브의 정상 작동을 전제로 설계된 구조임을 실증적으로 보여주는 결과이다.
이상의 결과를 종합하면, 감지기 또는 솔레노이드 밸브 중 어느 하나라도 정상적으로 작동하지 않을 경우 부압식 스프링클러 시스템은 부압 해제 및 소화수 방출이 구조적으로 제한되는 특성을 보였다. 이러한 방출 한계는 단순한 부품 불량이나 우발적 고장이 아니라, 동일 조건에서 반복적으로 재현되었다는 점에서 시스템 구조적 특성에 기인한 현상일 가능성이 높다. 이는 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 시 제어계통 신뢰성 확보 및 비상 상황을 고려한 보완 설계가 필요함을 시사한다.
상기 risk를 개선하기 위해서 화재감지기 동작 조건은 OR 조건으로 운영을 하고 Figure 2와 같이 준비작동식 1차측 배관과 2차측 배관 사이 바이패스 배관을 설치하여 화재감지기 동작시 motor operating valve (MOV) 밸브가 동작하여 솔레노이드 오동작 문제를 해결할 수 있으며, 2차측으로 빠른 유수를 통해 부압식방출시간도 줄어들 것으로 사료된다. 감지기 및 솔레노이드 밸브 미작동 조건에서 수행한 방출 가능성 시험결과는 Table 3과 같다.
Table 3
Discharge Limitation Under Detector and Solenoid Valve Malfunction Conditions
3.3 반복 운전에 따른 운영상 문제점
반복 작동 시험 결과, 부압식 스프링클러 시스템은 2차측 배관 내 압력 변동에 따라 부압 펌프가 반복적으로 기동되는 특성을 나타냈다. 본 절에서는 반복 기동이 발생한 압력 조건을 정량적으로 제시하고, 이러한 반복 운전 특성이 시스템 운용 측면에서 갖는 기술적 의미를 분석하였다.
시험은 2차측 배관의 설정 부압을 -0.05 MPa로 유지한 조건에서 수행되었다. 반복 운전 과정에서 배관 내 압력은 -0.045～-0.048 MPa 범위에서 미세하게 변동하였으며, 배관 압력이 -0.045 MPa 이상으로 상승할 경우 부압 펌프가 자동으로 기동되는 것이 확인되었다. 이와 같은 압력 변동은 외부 급격한 이상 조건이 아닌, 정상적인 시스템 대기 상태에서도 반복적으로 발생하였다.
9 h 연속 운전 시험 결과, 부압 펌프는 평균 약 18 min 간격으로 반복 기동되었으며, 총 기동 횟수는 조건에 따라 약 30회로 나타났다. 동일 조건에서 반복 시험을 시행한 결과, 유사한 기동 간격과 기동 횟수가 재현되었으며, 이는 반복 기동 현상이 우발적인 이상이 아닌 시스템 운용 특성에 기인한 것임을 시사한다. 반복 기동 과정에서 부압 펌프의 성능 변화도 관찰되었다. 시험 초기 대비 반복 기동이 누적됨에 따라 목표 부압 도달 시간은 평균 15~20% 증가하였으며, 부압 설정값 도달 이후에도 압력 유지 편차가 점진적으로 확대되는 경향이 확인되었다. 또한 일부 시험에서는 부압 펌프 기동 직후 압력 안정화 시간이 증가하여, 설정 부압 범위 내에서 압력이 진동하는 현상이 관찰되었다. 이와 같은 반복 작동 특성은 단순히 “반복 운전은 장비 수명을 저하할 수 있다”라는 일반적인 논의를 넘어, 부압식 스프링클러 시스템이 미세한 압력 변동에도 민감하게 반응하여 불필요한 반복 기동을 유발할 수 있음을 실증적으로 규명하였다는 점에서 기술적 의미가 있다. 특히 본 연구에서는 화재 상황이 아닌 정상 대기 상태에서도 반복 기동이 발생하였으며, 동일 압력 조건에서 반복 시험 시 유사한 결과가 재현되었다는 점에서 해당 현상을 시스템 구조적 특성으로 해석할 수 있다.
또한 반복 기동으로 인한 부압 형성 시간 증가와 압력 안정성 저하는, 실제 화재 발생 시 제어계통 연계 작동 신뢰성에도 영향을 미칠 가능성이 있다. 반복 운전으로 부압 펌프 및 제어계통의 응답 특성이 저하될 경우, 화재 신호 발생 이후 요구되는 신속한 부압 해제 및 소화수 방출 과정이 지연될 수 있다. 이는 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 시, 압력 변동 허용 범위 설정, 부압 펌프 기동 조건 및 제어 로직에 대한 추가적인 검토가 필요함을 시사한다. 결과를 종합하면, 반복 작동 시험은 부압식 스프링클러 시스템이 압력 변동에 민감한 반복 기동 특성을 가지며, 이러한 특성이 장기 운전 안정성 및 화재 대응 신뢰성에 영향을 미칠 수 있음을 정량적으로 입증하였다는 점에서 새로운 의미가 있다.
또한 세팅을 진행하는 과정에 준비 작동식 밸브 2차측에 유수를 하는 순간 압력스위치가 동작하여 복구되지 않는 불합리가 확인되었다. 이는 준비 작동식 밸브의 형태를 습식밸브와 같이 2차측을 만수 상태로 세팅해야 하는 상황에서 발생되었으며, 준비 작동식 밸브가 부압식 시스템에 적응성을 높이기 위해서는 압력스위치 전단에 리타팅챔버를 설치하여 오동작을 예방할 필요가 있을 것으로 사료된다.
3.4 현장 적용에 대한 종합 고찰
본 연구에서는 반도체 공장에 적용된 부압식 스프링클러 시스템을 대상으로 제어계통 연계 작동 특성 및 방출 한계를 실증적으로 분석하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로, 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용성을 제어계통 신뢰성, 방출 가능성, 반복 운전에 따른 운영 안정성의 관점에서 종합적으로 고찰하고자 한다. 종합 평가 결과는 Table 4에 요약하여 제시하였다.
Table 4
Summary of Experimental Results on the Field Applicability of the Vacuum Sprinkler System
먼저, 누수 방지 성능 측면에서 부압식 스프링클러 시스템은 구조적으로 우수한 특성을 가지는 것으로 보고되고 있다. Park과 Kim(9)은 부압식 스프링클러 시스템의 누수 검증시험을 통해, 2차측 배관을 부압 상태로 유지한 조건에서 헤드 개방이나 배관 손상 상황에서도 소화수가 외부로 방출되지 않음을 실험적으로 확인하였다. 이는 부압식 스프링클러 시스템이 비화재 상황에서의 소화수 누수 및 수손 피해를 효과적으로 저감할 수 있는 구조적 장점을 가진다는 점을 의미한다. 본 연구에서는 누수 방지 성능 자체에 대한 별도의 실험을 수행하지 않았으며, 해당 성능에 대해서는 선행연구 결과를 기반으로 평가하였다.
반면, 화재 발생을 가정한 작동 과정에서의 제어계통 연계 신뢰성은 본 연구에서 중점적으로 분석한 부분이다. 실증시험 결과, 감지기 신호 전달 자체는 모든 시험 조건에서 안정적으로 확인되었으나, 솔레노이드 밸브 및 준비작동식밸브의 작동 여부는 2차측 부압 조건과 제어 로직 설정에 따라 유의미한 차이를 보였다. 특히 일부 시험 조건에서는 감지기 신호가 정상적으로 입력되었음에도 솔레노이드 밸브가 작동하지 않거나 작동이 지연되어, 부압 해제가 이루어지지 않고 소화수 방출이 제한되는 사례가 반복적으로 관찰되었다. 이는 부압식 스프링클러 시스템이 감지기 및 제어반의 정상 작동만으로는 전체 시스템 성능이 확보되지 않으며, 제어계통 구성요소 간의 연계 신뢰성이 시스템 성능에 결정적인 영향을 미친다는 점을 시사한다. 또한 방출 가능성 측면에서, 감지기 또는 솔레노이드 밸브 중 어느 하나라도 정상적으로 작동하지 않을 경우 부압 해제가 이루어지지 않아 소화수 방출이 구조적으로 제한되는 특성이 확인되었다. 이는 부압식 스프링클러 시스템이 감지기 및 솔레노이드 밸브의 정상 작동을 전제로 설계된 구조임을 실증적으로 보여주는 결과이며, 제어계통 일부 구성요소의 미작동이 전체 시스템의 무력화로 이어질 수 있음을 의미한다.
한편, 반복 운전 조건에서의 운영 안정성 측면에서는 부압 펌프의 헌팅성 기동과 이에 따른 신호 빈발 현상이 관찰되었다. 이러한 현상은 현장 운영 시 추가적인 관리 부담과 오경보 발생 가능성을 증가시킬 수 있는 요소로 평가된다. 이는 부압식 스프링클러 시스템이 단순한 설비 설치만으로 안정적인 운영이 확보되는 구조가 아니라, 운전 로직 및 제어 알고리즘에 대한 정교한 설계가 병행되어야 함을 의미한다. 결과를 종합하면, 부압식 스프링클러 시스템은 누수 방지라는 단일 성능 측면에서는 매우 효과적인 설비로 평가될 수 있으나, 실제 산업 현장에 적용되기 위해서는 제어계통 신뢰성 확보와 운전 로직 개선이 선행되어야 하는 조건부 적용 설비임이 확인되었다. 특히 감지기, 제어반, 솔레노이드 밸브 등 제어계통이 안정적으로 연계 작동하고, 2차측 배관의 부압이 설정 범위 내에서 안정적으로 유지되는 경우에 한하여 화재 발생 시 정상적인 부압 해제 및 소화수 방출이 가능할 것으로 판단된다.
따라서 Table 4는 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 가능성을 단순히 긍정 또는 부정으로 판단하기보다는, 적용 조건과 한계를 명확히 구분하여 이해할 필요가 있음을 보여준다. 이는 향후 부압식 스프링클러 시스템의 설계 개선 및 현장 적용 기준을 마련하는 데 있어 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.
3.5 제어계통 미 동작 대응을 위한 현장 개선 방안적용 및 검증
본 연구에서 확인된 감지기 미 동작 및 솔레노이드 밸브 미 동작 문제는 부압식 스프링클러 시스템이 화재 발생 시 정상적인 소화수 방출 상태에 도달하지 못하게 하는 주요 한계 요인으로 분석되었다. 특히 제어계통 이상 발생 시 부압 해제가 이루어지지 않아 방호구역 전체가 작동 불능 상태에 이르는 점은 현장 적용 측면에서 중대한 위험 요소로 판단된다. 이에 본 연구에서는 이러한 제어계통 단일 고장(single point failure)에 대응하기 위한 보조적 안전 확보 수단으로서 현장 개선 방안을 적용하고, 그 효과를 시험을 통해 검증하였다.
개선 방안으로는 준비 작동식 밸브 2차측에 연결송수관 설비를 추가로 설치하여, 솔레노이드 밸브 미작동 또는 감지기 회로 소손 등 제어계통 이상 발생 시에도 외부에서 직접 가압수를 공급할 수 있도록 구성하였다. 해당 구성은 자동 제어계통에 의존하지 않고도 소방차를 활용한 수동 가압 방식으로 방호구역 내 살수가 가능하도록 설계되었으며, 이는 제어계통 단일 고장에 따른 화재 대응 실패 위험을 저감하기 위한 대체⋅보조 살수 수단으로서의 개념에 해당한다.
또한 Figure 3과 같이 화재 발생 시 현장 대응성을 향상시키기 위하여, 스프링클러 방호구역 내 감지기 동작 신호를 연결송수관 상부 위치표시등과 연동하도록 개선하였다. 해당 구성은 감지기 작동 시 해당 방호구역과 연계된 연결송수관의 위치가 시각적으로 표시되도록 하여, 소방대 또는 현장 대응 인원이 어느 송수관에 가압수를 공급해야 하는지를 즉시 인지할 수 있도록 한다. 이를 통해 초기 대응 단계에서의 판단 지연 및 오조작 가능성을 최소화할 수 있도록 하였다.
개선된 시스템의 유효성을 검증하기 위하여, 감지기 미작동 조건과 솔레노이드 밸브 미작동 조건을 설정하고, 각 조건에 대해 소방차를 통한 외부 가압 방식으로 반복 시험을 수행하였다. 시험은 각 조건별 5회씩 총 10회 수행되었으며, 2차측 배관 내 유수 형성 여부, 스프링클러 방수 가능 여부, 방수 개시 시간 및 결과의 재현성을 주요 평가 항목으로 설정하였다. 해당 시험 조건 및 결과는 Table 5에 요약하여 제시하였다.
Table 5
Verification Results of Improved Emergency Water Supply System for Control Failure
Table 5에 나타난 바와 같이, 감지기 및 솔레노이드 밸브가 정상적으로 작동하지 않는 조건에서도 소방차를 통한 가압수 공급 시 준비작동식 밸브 2차측 배관으로 안정적인 유수가 형성되었으며, 방호구역 내 스프링클러 헤드를 통해 정상적인 살수가 가능함을 확인하였다. 모든 반복 시험에서 동일한 결과가 재현되었으며, 방수 개시는 외부 가압 개시 후 평균 10~15 s 이내에 이루어졌다. 이는 기존 부압식 스프링클러 시스템에서 확인된 제어계통 미동작 시 방출 불능 문제를 구조적으로 보완할 수 있음을 의미한다. 다만, 본 연구에서 제시한 연결송수관을 통한 외부 가압 방식은 부압식 스프링클러 시스템 자체의 구조적 문제를 근본적으로 해결하는 설계라기보다는, 부압식 설비의 한계를 보완하기 위한 대체⋅보조 살수 설비의 적용 개념에 가깝다. 즉, 이는 스프링클러 설비가 본래 의도한 자동 초기 화재 대응 기능을 직접적으로 향상시키는 방식이 아니라, 자동 기능 상실 시를 대비한 2차적 안전 확보 수단으로 이해하는 것이 타당하다.
특히 화재 초기 단계에서 신속하고 자동적인 대응이 요구되는 스프링클러 설비의 본질적 기능 관점에서 볼 때, 외부 가압 방식은 초기 대응의 즉시성 측면에서는 한계를 가진다. 따라서 본 개선 방안은 부압식 스프링클러 시스템의 정상 작동을 대체하는 수단이 아니라, 제어계통 신뢰성 저하로 인한 최악의 상황을 대비한 보조적 안전장치로서의 의미를 갖는다고 할 수 있다. 종합하면, 준비작동식 밸브 2차측에 연결송수관설비를 추가하고 감지기 신호와 위치표시등을 연동한 개선 방안은, 솔레노이드 밸브 고장이나 감지기 회로 소손과 같은 제어계통 이상 상황에서도 화재 대응 기능을 유지할 수 있는 실질적인 비상 대응 대안으로 검증되었다. 이는 부압식 스프링클러 시스템의 현장 적용 시 제어계통 신뢰성 저하로 인한 한계를 보완할 수 있는 보조적 안전 확보 수단으로서 의미를 가지며, 향후 설계 기준 및 운영 지침 수립 시 고려될 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구는 부압식 스프링클러 시스템을 대상으로 현장 실증시험을 시행하여 제어계통 연계 작동 특성과 운전 안정성을 분석하였다. 시험 결과, 감지기 신호 전달, 솔레노이드 밸브 작동, 부압 해제 과정이 정상적으로 연계될 때는 소화수 방출이 가능하였으며, 2차측 배관의 누수 방지 측면에서는 안정적인 성능을 확인할 수 있었다. 그러나 제어계통의 일부 단계에서 작동 지연 또는 미 동작이 발생하면 부압 해제가 이루어지지 않아 소화수 방출이 제한되는 한계가 확인되었다. 또한 반복 운전에 따른 배관 압력 변동은 부압 펌프의 잦은 기동을 유발하여 운전 안정성 저하 가능성을 나타냈다. 이러한 결과는 부압식 스프링클러 시스템이 제어계통의 신뢰성과 부압 유지 조건을 전제로 하는 설비임을 의미한다.
따라서 부압식 스프링클러 시스템은 누수 방지가 요구되는 특정 조건에서는 효과적으로 적용될 수 있으나, 제어계통 신뢰성 확보 및 반복 운전에 대한 안정성 검토가 선행되지 않으면 현장 적용에 한계가 있다. 본 연구 결과는 부압식 스프링클러 시스템의 적용 조건과 한계를 명확히 제시함으로써 향후 설계 기준 개선 및 운용 안정성 향상을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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