1. 개요

빈 2022년 3월 29일 충북 청주시 소재 산부인과의 필로티 구조 주차장 천장 내부를 지나는 상수도 배관 주변 열선에서 화재가 발생하여 산모와 신생아 등 120여명이 긴급하게 대피하는 화재가 발생하였으며, 2023년 12월 17일 인천 남동구 소재 호텔 1층 필로티 주차장 천장에 설치된 배관 동파방지용 열선에서 화재가 발생하여 54명의 부상자가 발생하였다. 2025년 7월 17일 경기도 광명시 소재 아파트 필로티 주차장에서 사망 7명, 부상 58명의 인명피해를 발생시킨 대형 화재의 경우 심한 소훼로 인하여 직접적인 발화원인의 확인은 어려우나 발화지점으로 특정된 아파트 필로티 주차장의 장애인 주차구역 천장에서 동파방지용 열선이 발견되었으며, 발화원인에 대한 하나의 가설로 짐작할 수 있는 상황이다. 위 사례들의 경우 동파방지용 열선에 의해 발생한 화재가 대형 화재로 이어질 수 있음을 충분히 보여주는 사례라고 할 수 있다.

빈 소방청 통계에 따르면, 겨울철에 계절용 기기로 사용되는 열선 관련 화재 발생 건수는 타 계절 대비 큰 폭으로 증가함을 보이고 있으며, 2022년 3월부터 2025년 2월까지 836건의 발생 건수 중 약 62%에 해당하는 519건이 겨울에 발생하였다. 이는 기온이 낮아짐에 따라 배관 등의 동파가 흔히 발생하는 겨울철에 주로 정온전선을 사용함을 나타내고 있다.

빈 위 표에서 확인할 수 있듯이, 동파 발생 우려가 없는 여름철에도 꾸준히 계절용 기기로 사용되는 열선에 의해 발생된 화재가 확인되며, 동파 방지 우려가 없는 상황에서도 전원이 인가되어 발열이 지속되는 등 소홀한 관리에 의해서도 충분히 화재가 발생함을 알 수 있다.

빈 이렇듯 자칫 대형 화재로 이어질 수 있는 동파방지용 열선 중 하나인 정온전선에 대한 화재위험성에 대하여 실험을 통해 확인하고, 실험연구를 통해 정온전선의 화재 예방대책을 제안하고자 한다.

2. 정온전선의 원리 및 화재위험성

가. 정온전선의 원리

빈 동파방지 열선이라고도 불리우는 정온전선은 두 평형도체 사이에 카본 소재의 반도전성 고분자 폴리머를 충진하고 외측에 절연피복을 설치한 발열 케이블이다.

빈 [그림1]에서 보이는 것과 같이 발열체의 경우 PTC(Positive Temperature Coefficient) 특성을 지니고 있어 주위 온도가 낮을 경우 저항이 낮아져 발열량이 증가하며 주위 온도가 높을 경우 저항이 높아져 발열량 감소하는 자율온도 제어(Self temperature regulating)의 특성을 지니고 있다. 또한, [그림2]에서처럼 발열체로 반도전성 고분자 폴리머를 이용하기 때문에 연속적인 병렬회로 구조를 갖는 특수한 형태를 지니고 있다.

나. 정온전선의 화재위험성

빈 정온전선의 경우 가격이 저렴하며 시공이 용이하기 때문에 외기와 면한 수도배관, 오수배관, 수도계량기 및 가스보일러 하부 급수 등에 겨울철 동파방지용으로 널리 사용되어 왔으나 관리 소홀이나 시공 불량 등으로 인한 화재위험성이 항시 상존하고 있으며, 아래와 같이 화재위험을 크게 2가지로 나눌 수 있다.

(1) 축열에 의한 화재위험성

빈 정온전선은 기본적으로 일자 시공을 기본으로 하고 있으며, 발열량이 부족할 경우 일정한 간격으로 돌려감기를 할 수 있다. 산간 지역 등 겨울철 온도가 매우 낮아 돌려감기로도 동파 방지가 어렵다고 판단되는 경우 여러 겹 겹쳐서 시공하는 경우가 발생될 수 있다. 정온전선을 겹처서 시공할 경우 겹쳐서 시공한 부분에 국부적으로 많은 열이 축적되며, 겹쳐진 정온전선에 의해 정온전선으로부터 발생된 열이 외부로 방출되지 못하게 된다. 지속적으로 많은 열이 축적되어 감싸여진 보온재의 발화온도에 도달하거나 정온전선 피복의 열화를 가속시켜 절연이 파괴될 경우 화재로 이어질 수도 있다.

(2) 아크 트래킹(Arc tracking)에 의한 화재위험성

빈 정온전선은 기본적으로 전선의 형태를 띄고 있기 때문에 길이에 맞게 절단하거나 이어서 사용하기가 용이하다. 정온전선을 원하는 길이에 알맞게 조정하기 위하여 자르거나 이어서 사용하는 경우 해당 부분에 절연처리가 불량한 상태에서 열악한 환경으로 인해 먼지, 수분 등의 이물질이 누적될 수 있다. 이러한 경우 누적된 이물질을 통해 미세하게 전류가 흐르게 되며 미세한 전류의 흐름이 지속되게 되면 정온전선을 구성하고 있는 두 도체의 절연이 파괴되면서 화재로 이어질 수 있는데, 이러한 현상을 아크 트래킹이라고 한다.

빈 아크 트래킹의 경우 도체의 용융 및 절연체의 탄화 등이 발생되지만 합선과 같이 많은 전류가 흐르지 않기 때문에 차단기가 제대로 작동하지 않을 수 있다.

3. 재현실험

빈 정온전선의 경우 대부분 시공 불량으로 인하여 화재가 발생될 수 있으며, 일부 관리 소홀 등으로 인하여 화재가 발생되기도 한다. 이에 본 연구에서는 정온전선에 대한 시공 불량의 상황을 가정하여 아래의 시나리오와 같이 재현실험을 수행하였으며, 본 재현실험을 통하여 정온전선의 화재위험성에 대하여 확인하였다.

가. 실험①(정온전선 축열 재현실험)

(1) 실험방법

빈 본 실험에서는 정온전선을 일자 시공한 후 보온재를 덮은 PVC(폴리염화비닐, Polyvinyl Chloride) 파이프와 정온전선을 겹쳐서 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프를 설치하여 각 정온전선에 전원을 투입한 후 어떠한 현상이 발생하는지 비교하였다.

빈 [사진1]은 정온전선을 일자 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프와 정온전선을 겹쳐서 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프를 설치한 상황을 나타낸 것이다.

(2) 실험결과

빈 정온전선을 일자 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프의 경우 59℃에서 62℃ 사이의 온도를 지속적으로 유지하였으나, 정온전선을 겹쳐서 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프의 경우 약 10분 정도가 경과하였을 때 축적된 열에 의해 열화되면서 휘기 시작였으며 약 20분 정도가 경과하였을 때 PVC 파이프의 온도는 약 95℃에 도달하였으며 축적된 열에 의해 PVC 파이프가 열화되어 눈에 띄게 휘는 현상을 확인할 수 있었다.

빈 비록 화재로 이어지지는 않았으나, 정온전선을 겹쳐서 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프에 전원을 차단하지 않고 정온전선을 통해 계속 열을 가하였다면 지속적으로 많은 열이 축적되어 감싸여진 보온재의 발화온도에 도달하거나 정온전선 피복의 열화 가속으로 절연이 파괴되어 충분히 화재가 발생될 수 있는 상황임을 의미한다.

나. 실험②(정온전선 아크 트래킹 재현실험)

(1) 실험방법

빈 본 실험에서는 정온전선의 말단부에 먼지나 수분 등의 이물질이 누적되어 전류가 흐를 경우 발생될 수 있는 화재위험성에 대해 확인하고자, PVC 파이프에 일자 시공된 정온전선의 말단부에 수분이 함유된 염분을 누적시킨 후 정온전선에 전원을 투입하였다. 또한, 보온재가 비난연성과 난연성인 경우 각각 어떠한 연소형상을 띄는지 확인하기 위해 비난연성 보온재를 덮은 PVC 파이프와 난연성 보온재를 덮은 PVC 파이프를 각각 설치하였다.

빈 사진5는 정온전선을 일자 시공한 후 비난연성 보온재를 덮은 PVC 파이프와 정온전선을 겹쳐서 시공한 후 난연성 보온재를 덮은 PVC 파이프를 설치한 상황을 나타낸 것이다.

(2) 실험결과

빈 본 실험에서는 아크 트래킹으로 인한 화재 발생 가능성 및 보온재 재질에 따른 위험성을 확인할 수 있었다. 난연성 보온재를 시공하였을 때보다 비난연성 보온재를 시공한 경우 더 많은 양의 보온재가 연소됨을 확인할 수 있었으며, 더 많은 양의 보온재가 연소함에 따라 발생되는 열에 의해 비난연성 보온재를 시공한 PVC 파이프의 경우 열화되어 눈에 띄게 휘는 현상을 확인할 수 있었다.

다. 실험③(시험 구조체 화재 재현실험)

(1) 실험방법

빈 본 실험에서는 정온전선에 의해 대형 화재가 발생하였던 필로티 주차장 천장 상부 반자를 시험 구조체로 구성하여, 정온전선에 의해 화재가 발생할 경우 필로티 주차장 천장 상부 반자에서 어떠한 연소형상을 띄는지 확인하고자 하였다.

빈 시험 구조체의 경우 상부에 단열재 용도의 XPS(압출법 보온판, Extruded Polystyeren) 보드를 설치하였으며, 하부에 천장 마감재 용도로 PVC 재질의 리빙 보드를 설치하였다. 2019년 8월 6일 1층의 전부 또는 일부를 필로티 구조로 설치하여 주차장으로 쓰는 건축물의 경우 필로티 구조의 외기에 면하는 천장 및 벽체 등 외벽 중 1층과 2층 부분에는 불연재료 또는 준불연재료로 마감해야 한다는 법이 신설됨에 따라 본 실험을 위해 설치된 시험 구조체의 경우 2019년 8월 6일 이전 허가 받은 필로티 주차장의 천장 상부 반자라고 볼 수 있겠다.

빈 정온전선으로부터 발생된 화재를 가정하기 위해 정온전선을 일자 시공한 후 보온재를 덮은 PVC 파이프 2개를 상하로 설치하였으며, 상부에 설치된 PVC 파이프에서 아크 트래킹에 의해 화재가 발생되도록 재현하였다.

빈 또한, 시험 구조체 하부에는 가연물을 위치시켜 필로티 주차장의 천장 상부 반자로부터 화재가 발생할 경우 필로티 주차장에 위치하고 있는 가연물에 어떠한 영향을 주는지 보고자 하였으며, 정온전선의 전원 측에 누전차단기를 설치하여 정온전선에 의한 화재 시 누전차단기의 동작 여부에 대하여 확인하고자 하였다.

빈 사진8은 필로티 주차장 천장 상부 반자 모형의 시험 구조체에 정온전선이 설치된 PVC 파이프를 설치한 상황을 나타낸 것이다.

(2) 실험결과

빈 상부 PVC 파이프에 시공된 정온전선에서 발생된 화재는 보온재를 착화시켰으며, 성장된 화염은 상부 단열재와 하부 천장 마감재로 전이되었다. 하부 천장 마감재가 녹으면서 발생된 불똥에 의해 시험 구조체 하부에 위치하고 있는 가연물로 연소 확대가 발생되었다. 이는 정온전선으로 인해 발생된 화재가 주위 가연물에 연소 확대됨에 따라 대형 화재로 이어질 수 있음을 시사하고 있다.

빈 아울러, 정온전선의 전원 측에 설치된 누전차단기는 동작하지 않았는데 이는 정온전선의 말단부에서 발생한 아크 트래킹에 의해서는 누전차단기를 동작시킬 만한 전류량이 흐르지 않음을 의미하고 있다.

4. 맺음말

빈 겨울철 평균기온이 낮아짐에 따라 배관 등의 동파방지를 위한 여러 노력들이 수반되고 있으며, 그 중 하나로 동파방지 열선으로 불리우는 정온전선을 이용하고 있다. 정온전선의 경우 대부분 제품 자체의 문제보다는 시공 불량이나 관리 소홀로 인하여 화재가 발생하고 있기 때문에 제품에 대한 지속적인 관리 및 주의가 필요하다. 본 실험연구를 통하여 안전한 정온전선의 사용을 위하여 아래와 같이 화재 예방대책을 제안하고자 한다.