방호구역에 설계농도가 빨리 형성되도록 하려면

가스계 소화설비에서 설계농도가 갖는 의미

가. 설계농도란 무엇인가?

① 설계농도를 이야기하기 위해서는 소화농도라는 의미를 먼저 알아야 한다. 화재가 진압되기 위해 필요한 농도를 소화농도라고 한다. 방호구역 내부에 소화약제의 양이 얼마만큼 차지해야 냉각이 가능하고, 부촉매 효과에 의한 소화가 가능한지의 농도(%)를 의미한다. 당연히 가스계 소화약제마다 다르다. 그리고 표면화재와 심부화재에 따라 또 다르다.

② 설계농도는 소화농도에 여유율을 두는 것을 말한다. 화재 진압에 필요한 소화농도가 방출되어야 하는데 배관 내 마찰손실로 인해 기화되고, 방출되지 못하는 잔량이 배관 내에 남는다. 또한 소화약제가 헤드로 방출된 이후라 하더라도 개구부나 각종 틈새를 통해 약제가 외부로 새어나가게 된다. 그러므로 방호구역 내의 소화농도가 떨어질 것을 예측하여 충분한 여유를 두어 계산한 농도이다. A급과 C급 화재는 소화농도에 1.2를 곱하여 얻은 농도이고, B급 화재는 1.3을 곱하여 얻은 농도이다.

 

나. 설계농도 유지 시간(Soaking Time)의 필요성

방호구역에 설계농도에 해당하는 농도가 구성되면 화재가 진압되는 조건이 충족된 것이다. 그러나 이 설계농도에 도달한 이후라도 개구부 및 누설틈새로 인해 또 외부로 빠져나가는 약제량이 존재한다. 그러므로 설계농도가 일정 시간 동안 유지되어야 한다. 재발화를 막기 위해서이다. 특히 심부화재의 경우에는 표면적으로는 화재가 진압된 것처럼 보이지만, 깊숙한 곳에서는 불씨가 남아있고 열기가 계속 존재하기 때문에 산소가 공급되면 다시 발화된다. 화재의 재발화를 막기 위해 설계농도를 일정 시간 동안 유지시켜야 한다. 이를 설계농도가 유지 되어야 하는 시간인 Soaking Time이라 한다.

 

설계농도 유지시간 관련 그래프

설계농도 도달 시간 및 유지 시간에 대한 고찰

가. 감지기의 교차회로 인식에 필요한 시간(T1)

화재 발생으로부터 설계농도에 도달할 때까지 걸리는 시간을 분석해보자. 화재가 발생하고 난 후 일정 시간이 지나면 감지기가 이를 인식한다. 전산실, 통신실, 또는 방재실 등은 대부분 전자기기와 케이블 등이 설치되어 있어 연기감지기를 설치한다. 열감지기에 비해 감지하는 시간이 월등히 빠르다. 그런데 가스계 소화약제에 대한 감지방식은 교차회로 방식을 사용하므로 2개의 회로가 모두 반응을 해야 화재로 인식하게 된다.

 

나. 소화약제 방출 전 지연 시간의 제공(T2)

수신기에서 화재로 인식하게 되면 제어반으로 신호를 보내어 소화약제 저장용기를 개방하는 기동용 가스용기의 솔레노이드를 작동시킨다. 이때 바로 솔레노이드를 작동시키지 않고 방호구역 내부의 인원이 대피할 수 있는 시간을 주어야 한다. 그래서 약 30초 정도의 지연 시간을 갖는다.

 

다. 소화약제 저장용기에서 헤드까지의 이송 시간(T3)

지연 시간이 지나면 기동용 가스용기가 개방되어 소화약제 저장용기를 개방시키고 집합관으로 모인 가스가 선택밸브를 통해 해당 방호구역으로 이송 된다. 저장용기실이 멀면 멀수록 배관의 길이는 길어지고 배관 내에서 기화됨에 따라 액상과 기상의 2상계 흐름을 보인다. 배관 내에서 기화되는 소화약제의 양이 많을수록 마찰 손실이 커져 이송 시간은 더 소요된다.

 

 

라. 헤드에서의 소화약제 방출시간(T4)

헤드까지 이송된 소화약제는 최소 설계농도를 달성하는데 필요한 소화약제량의 95%를 10초 이내에 방사되어야 한다. 물론 각각의 소화약제에 따라 방사되어야 하는 시간은 최단 10초에서부터 30초, 1분, 2분, 7분 등 차이가 있다. 방호구역의 전역에 신속하고 균일하게 방사를 해야 방호구역 전체가 고르게 소화약제에 의해 화재가 진압된다.

 

마. 설계농도 유지 시간 형성(T5)

방호구역에 소화약제가 공기와 혼합하게 되면서 소화농도를 넘어 설계농도가 형성되게 된다. 설계농도가 형성되었다는 것은 화재를 소화할 수 있는 조건이 형성된 것이다. 그러나 이러한 농도가 계속 유지되어야 화재가 완전히 진압되고 재발화 되지 않는 역할을 한다. 설계농도 유지시간이라고 부르는 Soaking Time은 각 소화약제마다 조금씩 다르지만 평균 10분 정도이다. 개구부가 있거나 누설틈새가 크게 존재하면 설계농도가 형성되었다 하더라도 약제가 빠져나가게 되므로 설계농도 이하로 감소되는 결과를 초래한다. 그러므로 개구부나 누설틈새가 존재하는 경우에는 추가 약제가 필요하다. 이는 Door Fan Test를 통한 방호구역의 밀폐도 시험 결과에 따라 다르다.

 

IG-100 소화약제의 방출헤드

설계농도 도달 시간을 단축하는 방법

가. 감지기 응답시간 단축

① 가스계 소화설비를 작동시키기 위한 감지기는 교차회로 방식으로 설정된다. 하나의 회로에서 감지를 하더라도 인접한 다른 회로의 감지기에서도 감지를 해야 화재로서 인식을 하고 방출되는 것이다. 이렇게 교차회로 방식으로 구성하는 이유는 안전성을 중시하기 때문이다. 화재가 아님에도 감지기 및 감지기 배선의 오작동으로 인하여 화재가 발생한 것으로 인식하면 소화약제가 방출되므로 교차회로 방식으로 구성하고 있는 것이다.

② A, B 두 회로가 모두 작동하려면 그만큼 시간이 소요된다. 이 시간을 단축해야 한다. 교차회로 방식 외에도 안전성 확보를 위한 감지기의 종류를 사용하면 된다. 축적형 또는 아날로그형 감지기 등이 그 예이다. 그러면 감지기의 응답시간을 단축할 수 있다.

 

나. 모듈러 방식의 채택

① 소화약제 저장용기실이 멀수록 배관은 길어져야 한다. 배관이 길수록 배관 내에서 기화하는 약제 때문에 2상계 흐름을 보이게 되고, 그만큼의 마찰 손실이 커지게 된다. 그래서 소화약제 저장실에서 방호구역에 설치된 헤드까지 이르는 시간이 길어지게 된다. 또한 마찰손실에 의해 헤드에서의 방사압도 약해지게 된다. 제한 시간 내에 설계농도의 95%에 해당하는 약제량을 방사하기 위해 애초에 저장압력을 높이는 경우도 있으나 실제 방사해 보기 전까지는 알 수 없는 일이다.

② 그러므로 배관을 최대한 짧게, 즉 방호구역으로부터 가스계 소화약제 저장실을 최대한 가깝게 설치해 주어야 한다. 그러면 방출되는 시간이 짧아지고 헤드에서의 방사압도 강해지는 장점이 있다. 모듈러 방식을 채택하면 설계농도 도달시간이 빨라진다.

 

다. 방호구역의 신속한 밀폐

① 방호구역에 소화약제가 짧은 시간에 방출되어 소화농도에 도달하고 이어서 설계농도에 도달하게 된다. 그런데 개구부가 존재하여 약제가 외부로 방출되면, 도달해야 하는 소화농도 또는 설계농도가 희석되는 결과를 초래한다. 개구부가 있는 경우 개구부의 가산량을 추가로 더 계산하여 방출한다.

② 그러나 개구부 및 통기구의 존재 위치에 따라 소화약제가 누설되는 양과 속도가 다르다. 건축물의 천장 또는 벽의 상부에 존재하면, 방호구역 전체 표면적의 3/100 이하에 해당하는 개구부는 추가 가산량으로 보충이 된다. 그러나 하단에 존재하는 개구부 및 통기구는 면적과 상관없이 밀폐하여야 한다. 그 이유는 하단에 존재할수록 소화약제가 빠져나가는 양과 속도가 빠르기 때문이다.

③ 그리고 소화농도가 도달되고 추가 가산량이 방출되더라도 지속적으로 소화약제가 외부로 빠져나가기 때문에 소화농도를 일정시간 유지할 수가 없다. 그러므로 PRD를 활용하여 개구부 및 통기구의 신속한 밀폐가 필요하다. 방호구역이 신속히 밀폐되면 설계농도에 도달하는 시간이 빨라진다.

 

가스 압력으로 환기구 밀폐를 위한 PRD

 

라. 설계농도 도달 시간 및 유지시간에 대한 법적 규제 필요

현행 화재안전기준에는 가스계 소화설비별 설계농도 도달 시간을 규정하고 있지 않다. 물로 설계농도의 유지시간도 규정하지 않고 있다. 결국 방사 시간의 제한 만으로 이를 달성할 수 있다고 가정하고 있다. 이제는 설계농도 도달 시간과 유지시간에 대한 법적 규제가 필요하다고 본다. 이를 통해 가스계 소화설비의 실효성을 확보하는데 도움이 되었으면 한다.

 

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