표면화재에 대한 이산화탄소 소화약제량 계산 공식과 그 원리

표면화재에 대한 이산화탄소 소화약제량 계산 공식은 예상하고 있는 바와 같이 자유유출 방식의 공식을 적용한다. 이때 사용하는 자유유출 방식의 공식을 좀 더 자세히 들여다 보고, 방호구역 체적당 소화약제 저장량이 나오게 되는 그 원리를 이해해 보자.

이산화탄소 소화약제량 계산 기준

가. 약제 계산을 위한 기준표를 살펴보자.

이산화탄소 소화설비의 화재안전기준(NFSC 106) 제5조(소화약제)에서 제1호를 살펴보면 전역방출식 표면화재에 대한 소화약제량 표가 나온다.

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%

어떤 공식이 사용되었을까?

가. 자유유출 공식을 사용한다.

이산화탄소 소화약제는 특성상 실내 온도에 따라 500배 이상의 팽창률을 보인다. 또한, 헤드에서의 방사압이 강하고, 심부화재는 7분 이내로 장시간 방사되며, 설계농도 또한 34% 이상의 고농도를 유지하도록 설계한다. 그러므로 방출시 실내 압력이 높아져 개구부나 틈새를 통해 자유유츨이 이루어진다. 그래서 자유유출 공식을 사용한다.

 

나. 방호구역의 체적이 45㎥ 미만은 설계농도 43%를 적용한 것이다.

표면화재 방호대상물에 필요한 소화약제량을 구하는 표의 첫 칸을 보자. 방호구역의 체적이 45㎥ 미만인 경우에는 방출계수가 1.00kg이고 이때의 이산화탄소 소화약제의 설계농도는 43%에 해당한다. 그래서 설계농도 값 C는 43%를 적용한다. 그리고 선형상수(소화약제의 비체적)는 K1 + K2 × t로 계산하면 0.56㎥/kg이다. 이를 모두 적용하여 계산하면 1.00346kg이 되는데, 표에서는 1.00kg으로 적용시켰음을 알 수 있다.

 

설계농도를 43% 적용했을때 체적당 소화약제량

다. 방호구역 1,450㎥ 이상은 최소설계농도인 34%를 적용한 것이다.

위 표의 마지막 칸을 보자. 방호구역의 체적이 1,450㎥ 이상인 경우에는 방출계수가 0.75kg이고 이때의 이산화탄소 소화약제의 설계농도는 34%에 해당한다. 그래서 설계농도 값 C는 34%를 적용한다. 그리고 선형상수(소화약제의 비체적)는 아래 계산법에 의해 0.56㎥/kg이 된다. 이를 모두 적용하여 계산하면 0.742kg이 되는데, 표에서는 0.75kg으로 적용시켰음을 알 수 있다.

 

설계농도를 34% 적용했을 때의 체적당 소화약제량

선형상수 값이 0.56㎥/kg인 이유

선형상수는 이산화탄소 소화약제의 비체적을 말한다. 그래서 선형상수를 구하는 공식은 S = k1 + k2 × t = 0.56으로 계산된다.

 

가. K1은 아보가드로 법칙이 적용된다.

모든 이상기체는 0℃ 1기압에서 1g·mol의 체적은 22.4ℓ이다. 그래서 K1은 22.4㎥/분자량(kg)으로 계산하고 이산화탄소의 분자량은 44이므로 44kg을 대입한다. 그래서 구해지는 값은 0.509㎥/kg이다.

 

나. K2는 샤를의 법칙이 적용된다.

모든 이상기체는 온도가 1℃ 오를 때마다, 0℃일 때 부피의 1/273배씩 증가한다는 것에 기인한다. 그래서 K1값을 273으로 나누어준다. K1이 0.509㎥/kg이므로 0.509/273를 적용한다.

 

다. t는 방호구역의 최저 실내온도를 의미한다.

그래서 계산할 때 30℃를 적용한다. 그래서 나오는 값이 0.56㎥/kg이다. 이는 이산화탄소의 소화약제 방출계수를 계산하는 때에 기초가 되는 소화약제의 비체적이라고 보면 된다.

 

 

t값, 방호구역의 실내 최저온도를 30℃로 한 이유

가. t값은 방호구역의 실내 최저온도이다.

이산화탄소 소화약제는 방호구역에 화재가 발생했을 때 방사된다는 가정 하에서 계산한다. 처음 화재 발생 후 교차회로 감지 시스템이 화재를 감지하고 신호를 보내 이산화탄소 소화약제가 방사된다. 이는 감지기의 감지능력에 따라 차이가 있을 수 있으나, 화재가 발생한 이후 그리 오랜 시간이 지나지 않은 상태에서 소화약제가 분출되는 것이므로 그때의 방호구역 평균온도로 30℃를 잡은 것이다. 그래서 NFPA 12에서는 이산화탄소 소화약제의 방출량(방출계수)을 정할 때, 표면화재시의 온도를 86℉(30℃)로 기준으로 적용하고 있다.

 

나. 실제는 온도가 더 높을 수도 있잖아

그렇다. 교차회로 방식의 감지기가 늦게 감지할수록, 저장용기실과 방호구역의 거리가 멀수록, Vapor Delay Time이 길어질수록, 화재가 성장하게 되는 것이므로 실제 방호구역의 온도는 높아질 수 있다. 그런데, 만약 화재가 발생한 방호구역의 최저온도를 30℃로 설정하지 않고 온도가 뜨거워진 300℃로 잡았다고 가정하자. 그러면 t값이 올라가므로 선형상수 값 또한 더 커지게 된다.

 

다. 아하, 다 이유가 있구나.

 

방호구역의 온도를 300℃라고 가정했을 때의 체적당 소화약제량

선형상수를 구하는 K1 + K2 × t에서 방호구역의 최저온도인 t값이 30℃가 아닌 300℃가 되면 선형상수(소화약제의 비체적)는 1.068㎥/kg이 된다. 이 선형상수를 자유유출식에 적용해 보면 방출계수가 1㎥당 0.389kg이 나온다. 방호구역의 온도에 따라 소화약제 저장량이 약 2배의 차이가 난다는 것을 알 수 있다. 다시 말해서 방호구역의 최저온도를 높게 잡을수록 소화약제의 비체적이 커지므로, 저장해야 할 소화약제량이 작아지는 결과를 초래한다. 결국 적은 소화약제 저장량을 가지고 있다가 실제 방사해야 할 방호구역의 온도가 낮으면 설계농도 부족으로 인한 소화실패를 야기하기 때문에, 방호구역의 실내 최저온도를 화재 발생 직후 온도인 30℃를 적용하는 것이다.

 

라. 컵버너 시험을 할 때 기준온도가 30℃이기 때문일 수 있다.

컵버너 시험은 직접 불꽃에 소화약제를 방사해 보는 불꽃 소화시험을 의미한다. 할론 1301은 컵버너 시험을 할 때 기준온도를 25℃로 한다. 그래서 할론 소화약제의 비체적을 구할 때 t는 25℃를 적용한다. 이와 같은 원리라면 이산화탄소 소화약제의 컵버너 시험을 할 때에 30℃를 적용하고 있는지의 합리적인 의심이 든다. 그러므로 이 의심의 진위 여부를 확인해 볼 필요가 있다.

 

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끝까지 읽어 주셔서 감사 드립니다.

1. 글 내용 중에 제가 잘못 생각하고 있는 부분이 있거나,

더 좋은 의견이 있으시면, 댓글로 저를 일깨워 주시면 감사하겠습니다.

2. 혹시라도 컵버너 시험에서 이산화탄소 소화약제의 방사시험시 기준 온도를 아시는 분이 있으시면, 댓글에 달아주시면 감사하겠습니다.