이산화탄소 소화약제의 최소 설계농도가 34%인 이유

화재안전기준을 살펴보면 이산화탄소 소화약제의 최소 설계농도가 34%로 되어 있다. 그 이유가 무엇일까? 이번 글에서는 이산화탄소 소화약제의 소화농도와 설계농도를 알아보고, 그 의미가 무엇인가에 대해 살펴보자.

실내 산소농도를 15% 이하로 유지하기 위해서다.

가. 최소 설계농도가 34%인 이유

이산화탄소 소화약제의 최소 설계농도가 34%인 이유에 대해 알아보자. 그동안 우리가 알고 있듯이 실내의 산소 농도가 15% 이하가 되어야 화재가 진압되고 더 이상의 연소가 진행되지 않는다. 산소농도 15%가 질식소화 효과를 달성하기 위한 조건이기 때문이다. 이와 관련하여 실내의 산소 농도를 15% 이하로 유지하기 위한 이산화탄소의 농도가 34%인가? 라고 생각할 수 있다. 정답부터 말하자면 그렇지 않다.

 

나. 방호구역의 산소농도에 집중

사실, 중요한 것은 이산화탄소의 농도보다는 방호구역 내의 산소 농도이다. 실내의 산소 농도가 15% 이하가 되어야 연소가 진행되지 않기 때문이다. 그래서 계산에 필요한 이산화탄소의 농도는 실내의 산소 농도를 15%로 만들기 위한 농도라고 보면 된다. 그렇다면 실내 산소 농도를 15%로 저하시키려면 이산화탄소 농도는 얼마여야 하는가, 이것이 설계농도인 34%인가? 이것도 역시 정답이 아니다.

 

 

설계농도가 34%라면 이때의 소화농도는?

가. 설계농도 이전에 소화농도를 먼저 알아야 한다.

① 설계농도라는 것은 소화농도(이론농도)에 20%를 더한 농도이다. 이를 계산식으로 표현하면 설계농도 = 소화농도 × 1.2(A, C급) 또는 1.3(B급)으로 표현할 수 있다.

 

설계농도와 소화농도, 그리고 그 때의 산소농도

② 그렇다면 이산화탄소 소화약제의 설계농도가 34%일 때 방호구역 내 산소의 농도는 어떻게 되는지 살펴보자. 계산을 해보면 방호구역의 산소 농도는 13.86%로 약 14%에 해당한다. 방호구역의 산소 농도를 15% 이하로 낮춘 것은 사실이지만, 사실 화재를 진압하는데 알아야 하는 소화농도이다.

③ 그렇다면 이때의 이산화탄소 소화약제의 소화농도는 얼마인가? 소화농도는 설계농도 보다 20% 적으므로 28.33%에 해당한다. 설계농도가 28.33%일 때의 방호구역 내 산소의 농도를 계산해 보면 15.05%로서 대략 15%에 해당한다. 소화농도인 28.33%이 방호구역내 산소 농도를 15%로 만들어 화재를 진압하는 농도이고, 소화농도에 여유율 20%를 더 추가하여 만들어진 설계농도 34%를 최소 설계농도(Minimum Design Concentration)라고 하는 것이다.

 

나. 산소 농도를 15%로 두고, 역으로 계산해도 같다.

위 ‘가’의 계산은 설계농도가 34%라고 했을 때 그때의 소화농도 및 실내 산소 농도를 비교해서 설명하기 위한 계산법이다. 그런데 같은 계산식에서 실내 산소의 농도를 15%로 설정하고, 이때의 이산화탄소 농도를 살펴보는 방법이 더 정확하다. 그러면 이때의 이산화탄소 농도는 28.57%가 나온다. 이것이 이산화탄소의 소화농도(이론농도)가 되는 것이다. 그래서 소화농도에 안전율 1.2를 곱해주면 34.28%가 된다. 그래서 최소 설계농도를 34%로 부른다.

 

이산화탄소 농도(%) = (21-O2)/21 × 100 = 28.57 %

28.57% × 1.2 = 34.28%

 

산소 농도를 15%라고 가정하고, 소화농도 및 설계농도를 구하는 방법

설계농도에 여유율을 두는 이유

가. 소화약제가 완전히 방출되지는 않는다.

이산화탄소 소화약제는 저장용기에서 저장될 때의 압력으로 인해 방출이 시작된다. 방출 초기부터 중기에 이르기까지는 방출압력을 유지하지만 마지막으로 갈수록 압력은 점점 낮아질 것이고 최종적으로는 대기압과 거의 유사한 수준까지 낮아지게 된다. 결국 배관에 잔류하는 소화약제가 남게 되는데, 배관이 길면 길수록 그리고 배관 내에서 기화되는 양이 많으면 많을수록 실제 방호구역에 방사되는 양이 줄어들게 된다.

이산화탄소의 소화약제량을 정확하게 소화농도인 28.33%에 맞추어 계산하여 저장하였다면, 실제 뿌려지는 양은 그 이하가 될 것이 분명하다. 그래서 여유율을 두어 더 많은 소화약제를 저장하고, 화재를 진압할 수 있는 충분한 소화약제가 뿌려지게 하는 것이다.

 

나. 방호구역에 틈새가 있어 소화약제가 누출된다.

방호구역이 완벽하게 밀폐된 무유출 상태에서 이산화탄소 약제의 농도가 28.33%가 나와야 한다. 그런데 실험을 할 때에는 완벽한 밀폐의 구성이 가능하지만 현실의 방호구역들은 그렇지 않다. 방호구역을 통과하는 배관의 연결 슬리브, 월커튼, 방화문의 닫힘 불량 등으로 인한 누설 공간 등 수많은 틈새들이 존재한다. 그래서 이산화탄소 소화약제의 누출을 고려하여 여유율을 둔다.

 

다. 완벽하게 소화를 하기 위해서이다.

이산화탄소 소화약제의 가장 큰 소화특징은 질식소화이다. 물론 줄톰슨의 효과에 의해 냉각소화 효과가 동반되기는 하지만, 방호구역 내 산소의 농도를 15% 이하로 떨어뜨려 연소가 진행되지 못하게 하는 것이 주목적이다. 계산상 실내 산소 농도를 15%로 떨어뜨릴 수 있다 하더라도, 실제 화재 상황에서의 예상하지 못한 변수를 고려하여 안전하게 20% 여유율을 두어 완벽하게 화재를 소화하기 위함이다. 이는 재발화 억제라는 측면에서도 유용하기 때문이다.

 

 

화재안전기준에서는 어떻게 적용했는가?

가. 표면화재 진압에 필요한 최소 설계농도 적용

방호구역 체적	방호구역 체적 1㎥에 대한 소화약제의 양	소화약제 저장량의 최저한도의 양	이때 적용한 설계농도
45㎥ 미만	1.00kg	45kg	43%
45㎥ 이상 150㎥ 미만	0.90kg		40%
150㎥ 이상 1,450㎥ 미만	0.80kg	135kg	36%
1,450㎥ 이상	0.75kg	1,125kg	34%

표면화재에 적용하는 표의 마지막 칸을 살펴보면 방호구역의 체적이 1,450㎥ 이상으로 아무리 크다 하더라도 이산화탄소 소화약제의 설계농도는 최소 34% 이상을 유지해야 한다. 그래야 실내의 산소농도를 15% 이하로 낮출 수 있고, 소화가 가능하기 때문이다. 설계농도 값인 C를 34%로 적용했을 때 방호구역 체적당 소요되는 이산화탄소 소화약제는 0.742kg이다. 그래서 이 계산에 따라 표에서도 방호구역 체적 1㎥에 대한 소화약제의 양을 최소 0.75kg으로 규정하고 있는 것이다.

w = 2.303 × log(100/(100-34)) × 1/0.56 = 0.742kg

 

자유유출 방식 계산법으로 최소설계농도를 적용했을때의 체적당 소화약제량

나. 가연성 액체 또는 가스의 소화에 필요한 최소 설계농도에 적용

이산화탄소 소화설비의 화재안전기준(NFSC 106) 별표 1 가연성 액체 또는 가연성 가스의 소화에 필요한 설계농도를 살펴보자. 수소를 저장하고 있는 곳에 대해서는 설계농도가 75%라고 되어 있고, 아세틸렌은 66%라고 되어있다. 점점 아래로 내려가서 부탄과 메탄을 저장하고 있는 곳에 대해서는 설계농도가 34%가 되어야 한다고 규정하고 있다. 이산화탄소 소화약제의 설계농도가 34%보다 더 이상 낮아지는 경우는 없다. 그 이유는 어떠한 경우라도 산소 농도를 최대 15% 이하로 낮춰주어야 화재를 진압할 수 있기 때문이다. 그렇다면, 이때의 이산화탄소 소화약제의 소화농도는?

 

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