최초의 자동소화시스템은 영국의 화학자인 Ambrose Godfrey에 의해 발명되었다. 이 소화시스템은 화약을 이용하는 방식으로 현재의 스프링클러설비의 기초가 되었다. 현재 사용되고 있는 스프링클러설비는 1850년경 영국에서 개발되었으며, 그 후 미국에서 대규모로 공업화하여 보급함에 따라 전 세계적으로 널리 사용되어 화재를 초기에 소화하여 많은 인명과 재산을 지켜주고 있다.
스프링클러설비는 일반적으로 소화용수, 가압송수장치(펌프), 유수검지장치, 배관, 헤드로 구성되며 이 중 스프링클러설비의 동작특성을 결정짓는 부분은 스프링클러헤드라고 할 수 있다.
특히, 폐쇄형 스프링클러헤드의 물리적 특성을 3가지로 구분하면 감열부와 오리피스, 반사판을 들 수 있다. 이 중 감열부는 주로 퓨지블링크를 적용하거나 유리벌브를 적용하는 방식이 이용되며, 주요 역할은 화재를 감지하여 헤드를 개방시키는 것으로 감열부의 민감한 정도에 의해 헤드의 개방속도가 결정된다. 이를 반응시간지수(Response Time Index ; RTI)라 하며, 반응시간지수는 다음과 같이 계산된다.
여기서, RTI는 (m․sec)1/2, T는 감열체의 시간상수(sec), u는 기류속도(m/sec)이다.
ISO 6182-1에서 반응시간지수에 의해 헤드는 표준반응형(Standard Reponse), 특수반응형(Special Reponse), 조기반응형(Fast Reponse)의 세 가지로 구분하고 있으며 국내도 이를 준용하여 적용하고 있다. 반응시간지수와 헤드의 분류에 대한 기준을 정리하면 다음과 같다.
| 헤드의 분류 | RTI 기준 |
|---|---|
| 표준반응형(Standard Reponse) | 80초과∼350이하 |
| 특수반응형(Special Reponse) | 51초과∼80이하 |
| 조기반응형(Fast Reponse) | 50이하 |
스프링클러의 헤드만을 생각할 경우 RTI가 낮은 헤드일수록 일반적으로 빨리 동작하므로 좋은 것으로 생각하기 쉽다. 그러나, 너무 헤드가 민감하게 동작되는 경우 화재가 아님에도 헤드가 개방되어 수손피해가 발생할 수 있다. 따라서, 헤드의 성능시험방법에 대해 알아보고, 설계 시 적절한 헤드가 설치되도록 함이 필요하다.
국내에서 사용되는 소방용품의 경우 화재예방, 소방시설 설치·유지 및 안전관리에 관한 법률 제36조 제5항에 의해 형식승인을 받은 제품에 한하여 사용할 수 있다. 이로 인해 스프링클러헤드는 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준을 통과한 제품에 한하여 국내에서 시공이 가능하다.
스프링클러헤드에 대한 기준은 헤드 종류별로 상이하다. 모든 스프링클러헤드에 적용되는 기준과 사용목적에 의해 일부 헤드의 경우 추가적으로 별도의 시험기준을 가진다.
1) 공통시험기준
스프링클러헤드에 적용되는 공통적인 시험기준은 구조, 재료, 강도시험, 진동시험, 수격시험, 부식시험, 작동시험, 걸림작동시험, 장기누수시험, 내열시험, 표시, 감도시험, 방수량시험, 살수분포시험이 있으며, 이 중 강도시험은 헤드자체의 강도와 감열부의 강도에 관한 사항, 감열부의 파괴강도에 관한 사항으로 다시 분류할 수 있다. 공통시험 기준을 간단히 요약하면 다음과 같다.
| 시험항목 | 주요시험내용 |
|---|---|
| 구조 | 헤드의 호칭에 따른 부착나사의 호칭 등에 관한 기준 |
| 재료 | 경년변화에 따른 성능확보 및 사용가능한 재료에 관한 기준 |
| 강도시험 |
· 특정 가압조건에서 누수발생여부 및 낙하 시 파손 등 확인 · 퓨지블링크, 유리벌브의 시험시 파손여부 확인 · 감열부 탈락부분에 대한 강도 확인 · 최고방사압에서 디플렉타의 변형여부 확인 |
| 진동시험 | 진동 후 가압조건에서 누수여부의 확인 |
| 수격시험 | 수압변동에 의한 누수 및 변형확인 |
| 부식시험 | 화학적 부식물질에 의한 내식성 및 부동액 등에 노출 시 정상작동확인 |
| 작동시험 | 감열부 온도상승 적정여부 및 유리벌브내 기포 확인 |
| 걸림작동시험 | 헤드동작 시 분해되는 부품이 걸리는지 확인 |
| 장기누수시험 | 30일간 압력을 가하여 헤드의 변형여부 확인 |
| 내열시험 | 고온노출 후 순간냉각 시 변형여부 확인 |
| 표시 | 헤드의 명시되어야 할 표시사항에 대한 내용 |
| 감도시험 | 헤드 종류에 따른 RTI값 |
| 방수량시험 | 최소방사압 기준에 의한 K factor값 확인 |
| 살수분포시험 | 살수분포장치에 의한 살수량 확인 |
이 중 감도시험의 경우 감도시험장치에 의해 헤드의 종류와 표시온도에 의한 반응시간지수를 측정하는 것으로 시험 기준은 다음과 같다.
| 표시온도 구분 |
표준반응 | 특수반응 | 조기반응 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 기류온도 (℃) | 기류속도 (m/s) | 기류온도 (℃) | 기류속도 (m/s) | 기류온도 (℃) | 기류속도 (m/s) | |
| 55~77 | 191~203 | 2.4~2.6 | 129~141 | 2.4~2.6 | 129~141 | 1.65~1.85 |
| 79~107 | 282~300 | 2.4~2.6 | 191~203 | 2.4~2.6 | 191~203 | 1.65~1.85 |
| 121~149 | 382~432 | 2.4~2.6 | 282~300 | 2.4~2.6 | 282~300 | 1.65~1.85 |
| 163~191 | 382~432 | 3.4~2.6 | 382~432 | 2.4~2.6 | 382~432 | 1.65~1.85 |
해당 기준에서 기류 온도 및 기류속도 등은 명시되어 있으나 시험되는 헤드의 설치방향에 대한 기준은 마련되어 있지 않다. 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준 제2조에서 시험하는 헤드의 설치방향에 대한 정의를 살펴보면 “표준방향”이란 공기의 흐름이 후레임의 평면이 서로 직각이 되는 방향으로 명시하고 있으며 “최악의 방향”이란 공기의 흐름과 유수방향이 서로 수평이 되도록 설치되어 반응시간지수가 가장 큰 방향을 말한다라고 명시되어 있다. 이를 그림으로 표현하면 다음과 같다.
2) 화재조기진압용헤드의 시험기준
화재조기진압용헤드의 경우 헤드의 특성을 감안하여 공통시험기준 외에 일부항목에 대해 다른 기준을 적용하고 있다. 이에 해당하는 시험은 감도시험, 방수량시험, 살수력시험, 저온시험, 살수분포시험, 실제살수밀도시험이 있으며 이 중 감도시험의 경우 표준방향과 최악의 방향에 의해 측정되는 RTI가 달라지므로 각 방향에 대한 RTI값을 제시하고 있는 특성이 있다.
3) 주거형 헤드의 시험기준
주거형헤드의 경우 주로 간이스프링클러헤드로 사용되며 국내의 주거형 헤드의 기준은 NFPA 13D의 기준을 준용한 것이다. 간이형헤드는 살수에 의한 화재진압보다는 방사특성 내지 방사패턴을 이용하여 벽을 소화수로 적시는 방식으로 화재제어를 통한 거주자 피난을 주목적으로 한다.
따라서, 주 사용목적을 고려하여 기본시험 외에 감도시험, 방수량시험, 살수분포시험을 추가로 시험하도록 하고 있다.
4) 라지드롭형헤드의 시험기준
라지드롭헤드의 경우 화재에 의한 부력을 뚫고 소화수를 화재면까지 도달시키는 목적을 위해 사용되므로 기본시험 외에 방수량시험, 살수분포를 시험한다.
1) 감도시험
국내 형식승인 및 제품검사 기준의 경우 모든 헤드에 대해 감도시험을 하도록 되어 있으나 스프링클러헤드는 설치방향에 의해 감도가 달라지는 특성이 있다. 그러나 화재조기진압용헤드를 제외한 나머지 헤드의 경우 시험시 헤드의 설치방향에 따른 RTI기준이 아직 정립되지 못한 상황이다. 따라서, 국내 형식승인 및 제품검사 기준의 신뢰성을 높이기 위해서는 헤드의 설비방향에 따른 RTI기준을 세부적으로 수립할 필요가 있다.
2) 기준 작동시간
국내 형식승인 및 제품검사 기준의 경우 기준 작동시간은 명시되어 있지 않다. 다만, 방재시험연구원의 시험기준 FILK STANDARD 024(FS 024)에서는 이를 명시하고 있다.
| 표시온도의 구분(℃) | 기준작동시간 |
|---|---|
| 77 이하 | 1분 00초 |
| 78~107 | 1분 45초 |
| 108~149 | 3분 00초 |
| 150~191 | 5분 00초 |
| 192 이상 | 10분 00초 |
이와 비교하여 일본의 경우 헤드의 작동시간에 대해 식을 적용하고 있으며 다음과 같다.
여기서, T는 시정수이며 헤드의 감도에 의해 1종 50, 2종 250을 적용한다. θ는 헤드의 표시온도이며, θr는 최초의 헤드온도, δ는 기류온도와 표시온도의 차이이다. 따라서, 국내도 검정기준에 작동시간을 명시하여 보다 엄격한 시험기준을 확립할 필요가 있다.
스프링클러설비에서 헤드의 선정은 화재 시 스프링클러의 동작시점과 연관되므로 매우 중요하다. 이와 관련하여 스프링클러설비의 화재안전기준(NFSC 103) 제10조에서 명시된 설치장소의 최고 주위온도와 표시온도의 기준을 적용하고 있다.
| 설치장소의 최고주위온도 | 표시온도 |
|---|---|
| 39℃ 미만 | 79℃ 미만 |
| 39℃ 이상 64℃ 미만 | 79℃ 이상 121℃ 미만 |
| 64℃ 이상 106℃ 미만 | 121℃ 이상 162℃ 미만 |
| 106℃ 이상 | 162℃ 이상 |
이로 인해 기존 건축물의 대부분은 퓨지블링크형 헤드의 경우 작동온도 72℃, 유리벌브형 헤드의 경우 작동온도 68℃인 제품이 적용되고 있으며, 건축물의 일부 주방 또는 기계실 등은 퓨지블링크형 헤드의 경우 작동온도 105℃, 유리벌브형 헤드의 경우 작동온도 93℃인 제품이 적용되고 있다. 그러나 기존과 달라진 주거환경으로 인해 새로운 형태의 거실공간이 형성됨에 따라 일부 실의 경우 논란이 될 수 있다. 이러한 대표적인 부분이 에어컨의 실외기이다. 에어컨 실외기의 경우 에어컨 동작으로 인해 열이 발생되어 이를 배출하므로 다른 실과 비교하여 작동온도가 높은 헤드를 설치하는 것이 더 바람직하다.
또한, 스프링클러헤드의 성능을 위해 많은 시험기준을 적용함에도 이와 관련하여 에스커천에 대해서는 아직까지 법규로 제도화되어 있지 못하고 있다. 에스커천은 헤드 주변의 마감을 위해 사용되는 부속으로 대부분의 에스커천은 열에 취약한 플라스틱 재질이 적용되고 있다. 플라스틱 재질의 에스커천이 사용되는 경우 화재로 인해 에스커천이 녹아 헤드에 융착하여 헤드의 방사를 방해하는 로지먼트 현상이 발생될 수 있다. 이와 관련하여 최근 성능위주설계 가이드라인 등에서 에스커천의 재질을 불연성으로 언급되고 있으나 성능위주설계 대상이 아닌 일반적인 소방대상물에 대해서는 경제성의 논리로 아직까지도 플라스틱재질의 에스커천이 사용되는 실정이다. 따라서 이러한 내용을 법규로 명시할 필요가 있다.
화재 시 스프링클러설비는 소화에 있어 절대적인 위력을 발휘한다. 통계에 의하면 화재 시 스프링클러설비가 작동하는 경우 약 96%정도가 화재를 제어하는 데 효과적이었으며, 이 중 79%는 헤드가 1개만 작동하여도 소화가 가능하다고 한다. 그 만큼 초기화재를 진압, 제어하는데 있어 스프링클러설비는 유용하며 설비의 작동과 직접적인 부분이 바로 헤드이다. 따라서, 스프링클러설비를 검증하는데 있어 다양한 시험방법이 도입되고 있으나 일부 불명확하거나 누락된 기준을 추가하여 스프링클러헤드의 신뢰성을 높이고 사용함에 있어 주위온도 등을 고려하여 적절한 헤드를 설치를 하여야만 스프링클러설비의 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
글. 황운용 | 초당대학교 소방행정학과 교수, 소방기술사/공학박사
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