1. 머리말

빈 화재 시 발생되는 연기의 제거는 제연설비 등에서만 취급되어 스프링클러설비와는 관련이 없는 분야로 인식되어 왔다. 이러한 인식을 전환하여 외부 동력원 없이 물 분사와 동시에 자체적으로 연기 등을 제거할 수 있는 스프링클러 헤드를 개발하고 관련 기준(가이드라인)을 제정하였다. 소화설비 중 가장 효과적인 시스템으로 평가받고 있는 스프링클러설비에 제연 기능을 덧붙인 셈이다.

빈 화재 시 스프링클러 헤드 살수와 동시에 헤드 자체의 벤투리 효과 등으로 연기를 포획하고, 방출되는 수류에 희석⋅제거하는 원리를 활용한 것이다. 신제품은 화재 발생 시 물을 공급하는 배관부에 연결하고 배관으로부터 공급되는 물을 분사하며 연기의 혼합이 이루어지는 내부 구조를 포함한다. 그림 1과 같이 가운데 부분에서 단면의 면적이 좁아지는 벤투리 관 형태로 형성되어 해당 구간에서 압력이 낮아지는 구조이다. 따라서, 외부보다 내부 공간의 압력이 낮아져 외부의 연기를 스프링클러 헤드 내부의 공간으로 흡입할 수 있게 된다.

빈 개발된 제품의 연기 흡입 및 소화 능력의 테스트를 위하여 ISO 6182-10, UL 1626 등을 준용한 모형실 내부에서 화재 실증 실험을 수행하였으며, 기존의 상용화 된 제품과 연기 흡입 능력을 비교한 결과 신제품 사용 시의 연기 농도가 더 낮게 나타났다. 해당 기술의 개발로 화재 시 연기 제거를 통한 시야 확보와 원활한 피난을 유도하여 인명 피해를 저감시킬 수 있는 기반을 구축하고자 하였다. 따라서, 현장 안전 분야에의 신기술 접목이 원활하도록 신기술 개발에 그치지 않고 KFS 기준 제정으로 연결시켰다.

빈 스프링클러설비가 갖고 있는 장점은 유지하고 연기 제거에 대한 개념을 추가한 신제품의 원리, 실험 방법 및 결과 등을 바탕으로 기준을 집대성하여 “제연스프링클러설비 가이드(KFS-1017)”를 제정하였다. 특히, 화재 발생 시 대규모 인명피해가 우려되는 다중이용업소, 병원, (초)고층빌딩 등과 피난약자 이용시설 등에서의 인명피해를 저감할 수 있도록 신기술의 성능 및 설치에 대한 가이드라인을 제시하고자 한다.

2. 제연스프링클러 기술의 이해와 적용

가. 적용 원리

빈 제연스프링클러헤드는 베르누이의 정리와 벤투리 효과 등 과학적 원리를 헤드에 적용하여 전기적·기계적 힘 없이 헤드 자체의 구조만으로 소방수의 헤드 방출 시 연기 등을 흡입 가능하도록 하는 구조로 설계되었다.

(1) 적용 공식

빈 $$ P + \frac{\rho v^2}{2} + \rho g h = Constant $$ [Bernoulli's equation, 베르누이 방정식]

· v : 유선 내 한 점에서의 유동 속도
· g : 중력 가속도
· h : 기준면에 대한 그 점의 높이
· P : 그 점에서의 압력
· ρ : 유체의 밀도

빈 $$ P_1 - P_2 = \frac{\rho}{2}(v_2^2 - v_1^2) $$ [Venturi effect, 벤투리 효과]

· P1 : 파이프가 더 넓은 (더 높은) 압력
· P2 : 파이프가 더 좁은 (더 낮은) 압력
· v1 : 파이프가 더 넓은 (느린) 유체 속도
· v2 : 파이프가 더 좁은 (더 빠른) 유체 속도 · ρ : 유체의 밀도

빈 위 공식들을 액체와 기체의 혼합에 응용할 수 있다. 펌프가 액체 속도를 높이기 위해 직경이 감소되는 구조의 벤투리를 통해 액체를 통과시키면 압력 강하로 인해 주변 기체가 흡입된다. 벤츄리 시스템을 거치고 나면 액체와 기체의 혼합물이 나타날 수 있다.

(2) 작동 원리

빈 유체의 속도가 증가하면 압력이 낮아진다는 베르누이 정리(Bernoulli's theorem)를 근거로 벤투리 효과(Venturi effect)가 적용될 수 있는 구조를 적용하여 제연스프링클러헤드 내부에 고속의 소화수 분사로 인하여 압력을 낮추어 흡입력을 발생시키는 것이 기본 원리이다. 헤드에서의 소화수 방사 시 내부에 적용되는 원리와 유체의 흐름을 그림 2에 나타내었다.

빈 화재 시 분사되는 물(소화수)의 속도에 의해 제연스프링클러헤드 본체 내부의 압력을 낮추어 흡입력을 발생시켜 연기 및 유독가스를 제거한다. 유속의 변화가 클수록 압력 차이도 커지기 때문에 유속 및 압력의 차이를 높여서 흡입력을 증가시킬 수 있다. 그림 3은 물이 분사되면서 주변 공기의 흐름(흡입)을 유도하고 물 주변의 공기를 끌어당겨 가속시키는 효과를 나타낸 것이다.

빈 본 신기술은 기존의 스프링클러 시스템에 헤드만 교체하여 사용이 가능하며, 현행 스프링클러설비의 화재안전성능기준 및 기술기준에서 정하는 유량 및 압력 하에서 동일하게 사용이 가능하다. 단, 현장 적용 시 시스템 전반의 안정성 등에 대한 고려가 선행되어야 하며, 흡입력을 무한정으로 증가시키기는 어렵다.

나. 제연스프링클러설비의 적용 장소

(1) 효과적 적용 장소

빈 제연스프링클러설비는 연기를 효과적으로 제거하여 원활한 피난 및 인명 안전 확보가 필요한 장소에 우선적으로 적용할 수 있다. 이는 소방시설 설치 및 관리에 관한 법률 시행령 별표 2에 따른 특정소방대상물에 따른 분류 상에서 아래 장소에 해당된다.

(2) 사용 제한 장소

빈 (가) 나트륨(Na), 칼륨(K), 탄화칼슘(CaC2), 인산칼슘(Ca3(PO4)2), 알루미늄분말 및 마그네슘분말 등 금수성이거나 물과 반응하여 가연성 기체를 발생시키는 위험물을 취급 또는 저장하는 장소

빈 (나) 다량의 가연성액체 및 인화성액체를 취급 또는 저장하는 장소

빈 (다) 기타 살수에 의해 발열, 비등, 폭발 또는 화재확대 등의 위험성이 있는 특수한 장소

3. 제연스프링클러설비 가이드(KFS-1017) 주요 내용

가. 성능 가이드

(1) 일반사항

빈 (가) 제연스프링클러헤드는 소화(화재 진압 또는 제어) 및 연기 제거 등의 성능을 동시에 갖추어야 하며, 헤드의 성능과 관련된 사항은 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준을 따른다.

빈 (나) 특히, 화재 진압 및 연기 제거 성능 시험 기준은 ISO 6182-1, ISO 6182-10, UL 1626 등 국제 기준을 따르며, 해당 기준에서 제시하는 가장 가혹한 조건에서의 화재시험을 통하여 결과 값을 도출하여 성능을 확인한다.

(2) 성능시험 준비

빈 화재시험을 위한 모형 화재실을 구축하고, 모형실 내부에 일정 규모의 화재를 발생시킨 후 화재가 진압되는 시간을 확인한다. 그림 4, 그림 5는 화재시험을 위한 모형화재실을 도식화한 것이다.

(3) 성능 측정 방법 및 기준

빈 (가) 화재시험 모형실 내 점화원을 점화시킨다.

빈 (나) 가연물 점화 후 시험체(헤드)의 작동(분사) 시간, 소화 시간(종료 시간)을 기록한다.

빈 (다) 방수압력 0.1 ~ 1.2 ㎫ 범위 내에서 제연스프링클러헤드 방사(5분 이상) 후 종료 시까지 열전대를 통한 온도 데이터를 실시간으로 수집한다.

빈 (라) 점화 시점부터 불꽃이 없어지는 소화 시의 시간을 측정한다. 이 때, 초시계로 시간을 도출할 수 있고, 인적 오류의 가능성을 감안하여 CCTV 등의 전자기기를 동시에 활용할 수 있다.

빈 (마) 점화 시부터 소화 시까지의 시간을 측정하여 소화 성능을 판단하며, 소화시간은 5분 이내이어야 한다.

빈 (바) 불꽃이 없어지는 소화 시점을 파악하기 어려운 경우에는 열전대로 점화원을 실시간 측정한 온도가 30 ℃에 도달한 시간을 소화 시점으로 간주한다.

(4) 연기 제거 성능 측정

빈 (가) 일정 규모의 화재모형실(또는 챔버)에 그림 6과 같은 점화원을 설치하고, 화재를 발생시킨 후 제연스프링클러헤드 동작 전후의 연기 농도를 측정한다.

빈 (나) 시험 배치 및 방법은 그림 4, 5를 참조하고, 연기농도 측정기(송광부와 수광부가 서로 마주보도록 설치되어 연기의 농도를 측정하는 기기) 또는 이와 동등한 연기농도(감광율, %)의 측정이 가능한 기기를 사용하여 연기농도를 측정한다.

빈 (다) 기타 연기농도와 관련된 감광율과 관련된 기준은 「감지기의 형식승인 및 제품검사 시험세칙」을 따른다.

빈 (라) 연기농도 측정기 설치 시 제연스프링클러헤드의 물 분사로 인하여 연기농도 측정에 간섭을 받을 수 있으므로 연기농도 측정기 직근에 물 가림막 시설을 설치하여 시험을 수행한다. 물가림막 시설은 철제 프레임에 목재를 조립하거나, 목재 대신 난연재 이상의 재질로 설치가 가능하다.

빈 (마) 연기 제거 성능은 그림 7과 같은 그래프로 도출되어 실시간 제거 기울기 및 최대 연기 농도 대비 실험 종료 시의 연기 농도를 산출하고, 연기 농도가 0에 도달하는 시간의 측정 등으로 성능을 확인한다.

(5) 연기 제거 속도 측정

빈 제연스프링클러헤드의 흡입력은 흡입 공간의 상단에서 풍속계로 측정한 값이 0.1 ㎫의 방수압력 하에서 5 m/s 이상이어야 한다. 그림 8에서 제연스프링클러헤드 내/외부의 기체가 유동하는 방향과 속도를 나타내고 있다. 또한, 풍속계의 측정 지점은 그림 8의 3개의 검은 점 부분이 적합하다.

빈 실험 값을 기반으로 방수압력 별 확보되어야 할 최소 풍속을 표 2과 같이 도출하였다. 이는 방수압력 별 확보되어야 할 최소 연기 흡입 속도이다. 실제 현장에서 적용되는 스프링클러설비헤드의 방수압력은 0.1 ~ 0.5 ㎫ 범위 내에서 다수 이루어지므로 해당 방수압력 구간 내의 연기 흡입 속도를 보다 엄격하게 고려하여 적용한 값이다.

나. 설치 가이드 및 유지관리

빈 제연스프링클러설비의 설치 가이드는 소화설비할인규정을 기반으로 KFS, 화재안전성능기준, 화재안전기술기준 등 국내 기준과 NFPA, FMDS 등 해외 기준을 각 요소 별로 적용하였으며, 설치 기준의 목차 및 주요 내용은 표 3과 같다.

빈 유지관리는 급수원, 소화펌프, 배관 및 부속장치, 헤드, 압력계, 경보장치, 동파방지 등에 대한 내용으로 구성되었으며, 기타 운영과 관련된 내용으로 관리자 숙지 사항, 비상훈련 및 교육훈련과 관련된 내용이 추가되었다. 자세한 내용은 본 제정 건인“제연스프링클러설비 가이드(KFS-1017)”를 참고하시길 바란다.

4. 맺음말

빈 본 가이드는 스프링클러설비의 소화 기능에 연기, 유독가스 및 연소 생성물 등을 제거하는 기능을 추가하여 재산 피해의 절감뿐만 아니라 인명 안전 강화를 위한 신제품에 대한 기준을 제공한다.

빈 신기술은 외부 동력원을 이용하는 방식이 아닌 스프링클러헤드의 구조만 변경한 과학적 원리의 활용으로 별도의 전기적, 기계적인 힘이 필요 없고 화재 시 헤드에서 물이 분사되면 자동으로 연기를 흡입하는 구조이다. 따라서, 활용 정도에 따라 거실제연설비 등에 소요되는 비용과 유지관리에 대한 노력을 절약할 수도 있다.

빈 이는 향후 국내‧외 스프링클러 산업의 발전뿐만 아니라, 보험 산업에서의 인명 피해 감소에 따른 배상책임의 부담 완화 등 여러 가지 긍정적인 효과를 불러올 것으로 예상된다.

빈 신기술의 적용과 이번 제연스프링클러설비 가이드 제정이 더욱 안전한 사회 구축에 기여하기를 바란다. 또한, 본 기준이 추후 유사한 연구·개발에서 오류를 줄이는 밑거름이 되고, 향후 개발될 다양한 스프링클러설비 신기술 기준의 근간이 되기를 기대한다.

6. 참고문헌

[1] ISO 6182-10, Fire protection - Automatic sprinkler systems - Part 10: Requirements and test methods for domestic sprinklers, ISO (2014)

[2] ISO 6182-1, Fire protection - Automatic sprinkler systems - Part 1: Requirements and test methods for sprinklers, ISO (2021)

[3] UL 1626, Residential Sprinklers for Fire Protection Service, UL (2012)

[4] NFPA 13, Standard for the Installation of Sprinkler Systems, NFPA (2022)

[5] FMDS 2-0, Installation Guidelines for Automatic Sprinklers, FM Global (2021)

[6] 소화설비규정, 한국화재보험협회 (2025)

[7] 이준혁 외, 피난 효율 향상을 위한 제연스프링클러헤드 개발에 대한 연구(A study on the development of smoke removal sprinkler head to improve evacuation efficiency), 한국화재소방학회 학술대회논문집 (2023) 등