[22년 9월 신기술] 미분무소화기(Water Mist Fire Fighting)
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[22년 9월 신기술] 미분무소화기(Water Mist Fire Fighting)

- 친환경 소화설비에 대한 이해
- 댄포스코리아 주식회사 Senior Application Engineer 강태걸 상무

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1. 머리말

코로나바이러스의 출현, 미/중의 대립, 러시아의 우크라이나 침공 등으로 인한 정치/경제/사회의 급속한 변화와 어려움은 지구의 환경생태계를 위한 모든 노력과 지속적인 성장을 위해 끊임없이 신기술을 개발하고, 생산성과 효율성 제고를 위한 모든 이들의 개별적인 노력을 위험에 빠트리고 있다. 

 

그러나 기후환경변화와 기후환경협약을 준수하기 위한 화석연료에서 신재생   에너지로의 전환을 위한 RE100, 오존층 보호를 위해 프레온 냉매를 대체하는 CO₂와 같은 차세대 신 냉매의 적용범위 확대, 빌딩과 건축물의 설계부터 재활용 자재와 에너지의 효율적  사용을 목표로 급속한 도시화와 도심개발 과정을 자연친화적으로 수행하기 위한 LEED 인증등 모든 산업분야에서 기초원료부터 최종 결과물을 도출해 내기 위한 전 과정에서 탈탄소화와 친환경, 에너지의 효율성 향상을 통해 지속 가능한 순환형태의 발전적 산업체계를 구축하고자 하는 노력은 끊임없이 계속되어야 한다. 


본 기고문에서는 화재진압 소방설비분야에서, 저탄소 녹색성장을 대표하는 친환경 소방설비를 소개하고, 활성화를 위한 노력을 소개하고자 한다. 전통적인 소방설비인 스프링쿨러시스템은 1870년경 도입 후, 대표적인 소화설비로 그 위치를 확고히 구축하였다. 소화설비로서의 스프링쿨러의 역할은 물의 특성, 즉 높은 비열 특성을 기본으로 화재진압의 유용한 수단으로 활용되어 왔다. 화재의 3요소, 열확산/연료의 공급 및 계속되는 산소공급으로 이루어지는 화재에 대해   스프링쿨러의 소화수는 기본적으로 연료를 젖게하고, 연료주변의 열확산과 산소공급을 억제하는 순서로 화재를 진압하는 소화설비이다. 100여년간 스프링쿨러 설비는 주거공간과 산업시설을 위한 대표적 소화설비로서 다양한 화재감지 센서의 개발, 화재제어를 위한 제어기술의 발전, 정보통신 체계의 발전과 함께 여전히 주요한 화재 초기의 주요 진압수단으로 그 역할을 수행하고 있다. 그러나 경제활동의 축이 생산 중심에서 데이타 중심의 산업으로, 화학산업의 발전과 함께 증가한 실생활 주변에 널리 퍼진 플라스틱 종류의 건축자재, 건축물의 고층화 및 대형화, 그리고 공간의 복합화, 지하공간 개발을 위한 지속적인 노력등은 전통적인 스프링쿨러 소화설비의 진압능력과 가스계 소화설비의 화재진압 특성을 고루 갖추고, 원할한 인명구조 및 재산상의 손실   최소화, 화재주변의 환경오염으로 인한 2차 피해 예방의 효과가 뛰어난 새로운 화재진압방식에 대한 요구로 이어지게 되었다. 이에 2000년 이후, 본격적으로 지상건축물, 특히 병원, 전산 센터-IDC, 첨단산업의 중심-반도체, 제약공장을 비롯한 각종 연구시설에 확대적용되고 있는  새로운 친환경 소화설비가 바로 미분무소화설비 - water mist fire fighting system 이다. 

 

미분무소화설비는 스프링쿨러와 달리 물의 형태를 액체상태에서 기체에 가까운 상태로 압력을 가해 미세한 물방울, 400 um 이하의 물입자로 만들어 화재진압에 사용하는 소화설비로서 스프링쿨러와 비교 시, 열차단과 연료주변의 산소공급 및 점진적으로 연료의 공급을 억제하는 순서로 화재를 진압하게 된다. 미세한 물입자는 화재발생지역의 확산열을 흡수하는 과정에서 기체화되어 화재주변의 상승기류를 따라 추가적인 열확산 및 산소공급의 차단, 매연에 포함된 각종 유독물질의 흡착과 이를 통해, 매연의 확산을 억제하는 등 스프링쿨러에 비해 좀 더 효율적인 화재진압 특성을 보이게 된다. 특히 스프링쿨러에 비해 작은 물입자는 물에 비해 7 배 이상의 냉각효과를 지니고 있으며, 스프링쿨러보다 더 강력한 열차단과 대략 10 % 이상, 화재 진압에 소요되는 시간이 짧고, 화재진압에 사용되는 물의 양이, 최대 80% ~ 90% 이상 적어, 소화수로 인한 2차 피해의 최소화등 다양한 장점을 지니고 있다. 사용되는 물의 양이 적고, 고압으로 분무하므로 시스템 설치면적 축소, 배관의 관경 축소, 간단하지만 효율적인 제어밸브의 적용 등 기존의 스프링쿨러 시스템과 대비되는 특징을 가지고 있다. 또한 스프링쿨러와 미분무소화설비의 특장점을 모아 두개의 시스템을 복합적으로 적용할 수 있다. 기존의 스프링쿨러의 화재감지 및 밸브제어, 비상방송 등 부대기능을 그대로 이용하면서 화재진압과 인명구조, 재산상의 손실 측면에서 뛰어난 효과를 입증하고 있다. 


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<그림 1> 미분무소화설비의 화재진압 과정 (화재의 3 요소/산소, 열, 연료 제어 과정) - 출처: FSSA 38th Forum, 2020

 

2. 미분무소화설비에 대한 이해 

미분무 소화설비는 1930년초 Mist/Fog 시스템이 소개되고, 1980년대 중반 High Pressure Water Mist System - 고압미분무소화설비 등장 이후에도, 별 다른 관심을 끌지 못하다가 1990년 노르웨이 국적의 유람선, 스칸디나비아스타의 선박화재를 계기로 1992년 국제해사기구 ( IMO : International Maritime Organization ) 에서 정식으로 Water Mist 미분무소화설비의 선박적용을 위한 법제화를 통해 활성화되기 시작하였다. 국제해사기구-IMO 의 미분무소화설비에 대한 신뢰성 인증방법 및 실험규격의 규격화는 미분무소화설비를 미분무소화설비 초창기, 선박의 엔진룸을 위한 필수적인 소화설비에서 대형선박과 다양한 해상구조물의 거의 모든 실내공간의 소화설비로 자리 매김 하는데 큰 역할을 하였다. 가스계 소화약제 위주의 기계실, 전기실, 통신실, 발전기실 및 스프링쿨러 설비가 담당하는 선박내 모든 공간의 화재진압을 위한 소화설비로서 그 위치를 확고히 하였다. 이후 Vsd 를 비롯한 해상보험사들의 보험적용에 있어 필수적인 소화설비로 인정되면서 전투함, LNG수송선, 각종 수송선박 등 다양한 선박에서 초대형 해상구조물까지 가장 일반적인 소화설비로 기본화되어 설치, 운영되고 있다. <표 1>은 미분무소화설비가 적용된 국산전투함 및 각종 지원함정으로 고압미분무소화설비를 적용하고 있다. 

 

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<표 1> 미분무소화설비 적용 전투함 및 각종 선박 - 출처: Danfoss Life & Safety A/S

 

해상 구조물에서 비롯된 미분무소화설비는 육지의 건축물과 다양한 구조물을 위한 설계와 설치 및 시험/인증, 운영과 관련한 법규 및 인증절차의 공식화를 통해 그 영역을 넓혀가고 있다. 지상 건축물을 위한 미분무소화설비는 2000년경 NFPA 750 - Standard on Water Mist Fire Protection System 과 FM 5560 Water Mist System 규격이 수립되고, CEN/TS 14972 Fixed fire fighting system - Water Mist System - Design and installation 과 Vds 등에서도 규격이 확정되어 다양한 지상 영역에서 본격적으로 미분무소화설비가 적용되기 시작하였다. <그림 2>는 간단한 소화설비시스템의 개발 및 발전 이력을 보여주고 있다. 

 

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<그림 2> 소화설비 발전이력 - 출처: Fike Webinar, 2019

 

일반 건축물의 소화시설 적용에 있어 대부분의 상업용건물의 다양한 내부공간에서 발생하는 화재에 대해 미분무소화설비는 사무실을 위한 소화설비의 기능과, 전산실 및 전기실등의 가스계소화설비의 기능도 동시에 만족시킬 수 있는 소화설비로서 그 역할을 인정받고 있다. 

특히 CO₂ 와 달리, 인명피해의 위험을 원천적으로 예방할 수 있고, 기존 시설물의 손상없이 화재를 진압할 수 있다는 점에서 첨단산업분야를 포함한 지상 건축물에서의 활용도는 더욱   확대될 것으로 예상되고 있다. 미분무소화설비는 다양한 연구개발 및 실험과 적용을 통해, 소화능력 제고 및 인명/기자재 보호를 위한 다양한 적용, 2차 피해 최소화 및 적용공간의 최소화등 다양한 장점을 통해, 지상 건축물을 위한 소화설비로서도 그 기능이 탁월함을 보여주고 있다. 

참고로 한국은 소방방재청에서 제정한 미분무소화설비의 화재안전기준 - NFSC 104A 제정 및 개정을 통해, 공식적인 소화설비로서 국내 기준이 마련되었다. <표 2>는 NFPA 와 FM 에서   규정한 미분무소화설비가 적용가능한 Hazard Category 1 에 해당하는 건축물을 보여주고 있다. 


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<표 2> 미분무소화설비 적용 건축물 Light Hazard / HC 1 - 출처: NFPA & FM

 

2-1 미분무의 정의 

미분무소화설비를 소개함에 있어 우선적으로 미분무소화설비에서 노즐을 통해 방출하는 미분무 물입자에 대해, 잠시 소개하고자 한다. 다양한 국제 화재인증기관 및 국내 소방방재청에서  정의하는 미분무소화설비는 미분무를 만들기 위한 적용압력과 분무되는 물입자에 대한 규격에 따라, 저압 : 1.2 [MPa] 이하, 중압 : 1.2 [MPa] ~ 3.5 [MPa] 미만, 고압 : 3.5 [MPa] 이상으로 구분되며, 물입자는 물방울 표면입자평균크기 ( SMD : Sauter Mean Diameter 표면의 부피비율이 완전한 스프레이 표본과 같은 입자경 지름 ) 를 기준으로 99%의 누적적체분포가 400um 이하로 분무되는 물입자를 기준으로 한다. 이러한 미분무된 물입자를 이용한 소화설비는 A- 일반, B-유류 및 가스, C-전기로 인한 화재에 모두 적용 가능하다. 


2-2 미분무소화설비의 소화기능 

화재진압 과정에서 분무된 물입자는 입자의 크기에 따라, 미세먼지와 같은 유동성을 갖고 있다. 물입자의 크기가 작을수록 표면적은 증가하고, 물입자 표면적이 증가 할수록 개개의 물입자의 유동성은 커지고, 기화에 필요한 열은 적어져서, 액체상태에서 보다 손쉽게 화재열로 인하여 수증기인 기체로 변화되게 된다. 물이 액체에서 기체로 물성이 변경될 때, 필요한 에너지인 증발잠열은 물 1g 당 539.6cal 가 필요하며, 부피는 1700 배이상 증가하게 된다. 이러한 물입자의 변화는 화재에서 방출되는 열의 확산을 막고, 수증기로 인한 차단효과를 갖게되며, 화재발생지역의 상승기류와 결합하여 최종적으로 원료물질에 대한 산소농도 감소를 통해 화재를 제어하게 된다. 

 

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<그림 3> 미분무시 물 입자의 크기에 따른 물입자의 개체수 - 출처: FSSA 38th Forum, 2020

 

미분무소화설비의 소화메커니즘을 간략히 요약하여 정리하면, 

1) 물입자가 화재의 열로 인하여 빠르게 수증기로 변화될 때, 증발잠열을 흡수하여 화재주변의 열확산을 차단하고, 

   연소물질의 온도를 낮추어 계속적인 연소물질의 공급을 차단 하는 냉각 (Cooling)기능, 열확산(Thermal Diffusivity)방지 기능

2) 체적이 증가한 수증기는 화재로 인한 기류 변화로 인하여 화재지역 주변에 차단막을 형성하여 산소공급을 차단(Inert) 기능 

   등으로 구분할 수 있으며, 특히 물의 흡착력은 매연에 포함된 그을음 및 각종 유독물질과의 결합을 통해, 

   자연적인 필터효과를 갖게 된다. 다양한 화학물질의 연소로 인하여 발생하는 유독성 매연이 인체에 미치는 영향을 

   고려할 때, 미분무설비의 뛰어난 정화능력, 에어필터(Air Filtering) 기능은 미분무설비 도입의 주된 이유이기도 하다. 

 

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<그림 4> 미분무소화설비의 냉각효과 - 출처 Danfoss Life & Safety A/S

 

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전체 기사는 2022년 9월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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