1. 서 론
데이터센터는 클라우드 컴퓨팅, 금융 거래, 인공지능(AI) 서비스 등 현대 사회의 핵심 IT 인프라를 지원하는 시설이다. 이와 같은 고가치 인프라에서 발생하는 화재는 단순한 물적 피해를 넘어 사회⋅경제 전반에 걸친 대규모 혼란과 국가적 서비스 중단으로 이어질 수 있다. 2022년 SK C&C 판교 데이터센터 화재는 국내 주요 온라인 서비스의 장시간 장애를 초래하였으며(1), 해외에서도 2021년 프랑스 OVH 데이터센터, 2023년 Switch 데이터센터 화재가 글로벌 서비스 중단을 유발한 사례가 보고된 바 있다(2-5). 이러한 사례들은 데이터센터 화재의 잠재적 위험성과 사회적 파급력을 잘 보여준다. 데이터센터의 데이터 홀은 서버와 배선 구조가 밀집된 공간으로, 최근 graphics processing unit (GPU) 기반 고성능 서버 확산과 uninterruptible power supply (UPS) 리튬이온 배터리 도입에 따라 전력 및 열밀도가 급격히 증가하고 있다. 이로 인해 국부 발열, 열폭주, 전기화재 등 기존 불활성기체 소화설비만으로는 대응하기 어려운 새로운 화재 시나리오가 나타나고 있다(6). 특히 리튬이온 배터리 화재는 지속적 냉각이 요구되므로, 초기 질식 소화만으로는 충분하지 않다는 한계가 지적된다.
이러한 위험성에 대응하기 위해 NFPA 75 (IT 설비), NFPA 76 (통신시설) 등 주요 국제 기준은 데이터 홀 보호 시 불활성기체 소화설비와 물분무계 설비의 적용을 권장해 왔다(7,8). 이는 수손 피해를 최소화하려는 목적에서 비롯된 것이지만, 최근 NFPA 855 및 UL 9540A 시험 결과에 따르면 리튬이온 배터리와 같은 열폭주 화재에서는 물을 이용한 지속적인 냉각소화의 필요성이 대두되고 있다(9,10).
한편, 현재 데이터센터는 냉각 효율을 극대화하기 위해 열/냉 복도(hot/cold aisle) 분리 및 복도 컨테인먼트(containment) 구조를 채택하고 있다. 이 구조는 에너지 효율 향상에 기여하지만, 화재 발생 시 열과 연기가 특정 구역에 집중될 위험을 내포한다. 이에 따라 NFPA 75, NFPA 76, FM Global DS 5-32 등에서는 모든 구획에 소화설비가 누락되지 않도록 할 것과 공조⋅배기 시스템과의 연계 운용을 강조하고 있다.
데이터센터 화재에 관한 국외 연구들은 hot/cold aisle 컨테인먼트 환경을 반영한 FDS/CFD 해석을 통해 열 축적과 연기 확산 특성을 규명하고(11), 스프링클러 분무 모사를 통한 온도 저감과 HRR 억제 효과를 분석하는 등 소화 성능을 정량적으로 평가해 왔다(12). 또한 리튬이온 UPS/energy storage system (ESS) 화재에서는 열폭주 특성을 반영한 실험 및 해석을 통해, 단순한 가스계 소화만으로는 불충분하며 물 기반의 지속적 냉각이 필요하다는 점이 반복적으로 확인되었다(13). 이러한 결과는 FM Global DS 5-32(14), NFPA 75(7) 등 국제 기준에서 데이터센터 전 영역에 수계 설비 적용을 권장하는 규정 강화로 이어지고 있다.
이와 같은 연구 동향과 기준 변화를 고려할 때, 데이터센터 데이터 홀의 화재안전은 단순한 가스계 소화설비 의존을 넘어 수계 소화설비의 병행 적용을 요구한다. 국내에서도 최근 중앙소방기술심의를 통해 가스계 소화설비를 스프링클러 설비로 변경하는 추세가 나타나지만, 이에 대한 학술적 검증 연구는 부족하다. 따라서 본 연구는 데이터 홀에 준비작동식 스프링클러 설비를 적용했을 때의 화재 제어 성능과 설계 타당성을 검증하는 것을 목적으로 하며, SprinkCALC를 통한 수송시간 해석과 FDS 시뮬레이션을 활용한 가스계⋅수계 소화설비의 성능 비교를 통해 국내 데이터센터 화재안전 설계 기준 개선에 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 이론적 배경
2.1 데이터 홀의 개요
데이터센터 데이터 홀(computer room)은 서버, 네트워크 장비, 스토리지 등을 표준화된 랙(rack)에 배치하여 운영되며, 공간 효율, 열 관리, 전력 분배, 유지보수 측면에서 핵심적인 역할을 수행한다(6). 일반적으로 데이터 홀은 열/냉 복도 구성을 적용한다. 서버 전면부(공기 흡입구)가 마주보는 구역은 냉복도, 후면부(공기 배출구)가 마주보는 구역은 열복도로 구분되며, 이를 통해 찬 공기와 뜨거운 공기의 혼합을 방지하여 냉각 효율을 높인다. 특히 데이터센터 데이터 홀의 복도 컨테인먼트구조를 적용하면 냉⋅난기 혼합을 더욱 효과적으로 제어할 수 있다. 열복도 컨테인먼트는 뜨거운 공기 통로를 밀폐해 효율적으로 회수하는 방식이며, 냉복도 컨테인먼트는 찬 공기 공급 통로를 밀폐하여 서버 전면부에 냉기를 집중 공급한다. 이러한 구조는 냉각 및 전력 효율을 추가적으로 향상시키며, 데이터센터의 에너지 최적화 설계에서 핵심 요소로 활용되고 있다(7,14).
2.2 데이터 홀의 화재 특성
데이터센터는 일반적으로 컴퓨팅 공간, 지원 인프라 공간, 운영 공간으로 구분된다(6). 본 연구의 주요 대상은 서버와 네트워크 장비가 밀집된 데이터 홀이다.
1) 데이터 홀(data hall) 화재의 특성
데이터 홀은 가동바닥(access floor) 구조에 다량의 전력 및 통신 케이블이 설치되어 있어 고밀도의 화재 하중을 형성한다. 장비 외부는 금속 재질이 많지만, 내부에는 케이블 피복, 절연체, 인쇄회로기판(PCB) 등 합성수지 기반 가연성 재료가 포함되어 있어 발화 시 급격한 연소 확대와 다량의 유독가스 및 검은 연기를 방출한다. 이로 인해 산소 농도 저하, 시야 제한이 발생하며, 고밀도 랙 배치 특성상 국부적 열 집중이 심화된다. 또한 접촉불량, 과전류, 냉각 불균형 등으로 은닉화재(hidden fire) 양상이 발생하기 쉬워 조기 감지가 어렵다. 이러한 특성 때문에 화재보험협회에서 발간한 데이터센터 방화기준(15)에는 데이터 홀에는 조기경보 화재감지장치(very early warning fire detection system, VEWFD)가 적용되며, 전통적으로 할로겐화합물 및 불활성가스계 소화설비가 설치되어 왔다.
2) 지원 인프라 공간에는 UPS, 전기실, 기계실, 배터리실 등이 포함된다. 이들 공간은 전력 및 냉각 설비를 담당하며 데이터 홀과 별도의 구획으로 관리된다.
최근에는 리튬이온 배터리 UPS의 도입이 확대되고 있다. 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도가 장점이지만, 열폭주(thermal runaway) 발생 시 급격한 발열, 가연성 가스 방출, 연쇄 발화로 이어질 수 있다(7,14). UL 9540A 시험과 NFPA 855 기준에 따르면, 리튬이온 셀 화재는 초기 질식 소화만으로는 진압이 어렵고 반드시 냉각소화(수계 소화)가 병행되어야 한다(7,14). 실제 2022년 SK C&C 판교 데이터센터 화재에서도 배터리 모듈 내부에 약제가 침투하지 못해 최종적으로 주수소화가 병행된 사례가 보고되었다(2). 따라서 UPS실과 전기실은 데이터 홀과 달리 수손 피해가 치명적 문제로 이어질 수 있어 전통적으로는 할로겐화합물 및 불활성가스계 소화설비가 주로 적용되어 왔으나, 최근에는 화재 제어의 목적을 고려하여 준비작동식 스프링클러 설비 또는 워터미스트(미분무) 설비가 병행 적용되는 사례가 증가하고 있다(14,16).
2.3 데이터 홀의 소화설비 설치 및 설계기준
국내 법규는 Table 1과 같이 ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률｣로서 데이터 홀과 전기실에 물분무등 소화설비 설치를 규정하고 있다. 물분무등 소화설비에는 NFTC 104 (물분무소화설비), NFTC 107 (할론소화설비), NFTC 107A (할로겐화합물 및 불활성기체 소화설비) 등이 포함된다. 이 중 데이터 홀에는 수손 피해 최소화를 위해 전통적으로 NFTC 107A에 따른 할로겐화합물 및 불활성기체 소화설비가 주로 적용되어 왔다. 국제 기준은 수계 소화설비의 필요성을 보다 명확히 규정하고 있다. NFPA 13은 모든 공간을 스프링클러 보호 대상으로 지정하며, 가스계 소화설비 설치를 이유로 스프링클러 생략을 허용하지 않는다(16). NFPA 75는 데이터 홀의 소화설비 설계⋅성능 요건을, NFPA 76은 통신설비 보호를 위한 설치 및 유지관리 기준을 제시한다(7,8). 또한 NFPA 855는 리튬이온 배터리 등 에너지저장장치 설치 시 수계 냉각소화를 필수로 요구하며, UL 9540A는 열폭주 화재의 재발화 위험 평가와 물 소화 효과 검증 방법을 제공한다(9,10). FM Global DS 5-32는 데이터센터 화재안전 가이드라인에서 컨테인먼트 구조를 포함한 데이터 홀 전역에 스프링클러 설비를 누락 없이 설치해야 함을 강조하고 있다(14).
Table 1
International Standards for Fire Protection in Data Center IT Rooms
2.4 선행연구
데이터센터에서는 열/냉 복도컨테인먼트 조건을 반영한 FDS/CFD 해석을 통해 열 축적, 연기 확산, 랙 흡입온도 분포 등이 정량화된 바 있다(11). 스프링클러 분무에 따른 온도 저감⋅HRR 억제 효과를 FDS로 모사하고, 분무-연소 상호작용 모델을 개선하려는 연구(11)와 NFPA 설계밀도 수준에서의 제어 가능성을 가정하고 가연물/랙 시나리오에 대한 분무 조건 민감도 분석을 수행한 수치해석 연구도 존재한다(12). 리튬이온 배터리 화재 연구에서는 물 분무의 냉각 및 재점화 억제 효과가 실험 및 해석 결과로 확인되었고, 셀/모듈 수준 해석 결과가 보고되었다(13). UL 9540A 체계는 열폭주 전파 및 화재 특성 평가의 기준 틀로 활용되고 있으며, FSRI/UL의 실대형 시험 결과들이 이를 보강하고 있다(10). 기준측면에서는 FM Global DS 5-32 (2024)이 데이터센터 전 구역에 자동 수계 설비 적용과 설비 연동을 강화하였고, NFPA 75 (2024)은 IT 장비구역의 보호 원칙을 재정비하면서 수계 설비 배제를 전제로 하지 않는 철학을 명시하고 있다(7,14).
3. 연구 방법
3.1 연구개요
본 연구는 데이터센터의 데이터 홀(data hall)에 준비작동식 스프링클러 설비를 적용할 경우, 그 화재 제어 성능과 설계 타당성을 검증하는 것을 목표로 한다. 이에 본 연구는 다음의 두 가지 접근법을 통해 연구 목표를 달성하고자 한다.
3.2 연구절차
본 연구는 다음 단계로 수행되었다.
1) 기준 검토: NFTC 107A, NFPA 13, NFPA 75, NFPA 76, NFPA 855, FM DS 5-32 등 국내외 데이터센터 화재안전 설계 및 성능 기준을 검토한다.
2) 시뮬레이션 설계: 데이터 홀의 열/냉 복도(hot/cold aisle) 컨테인먼트 구조를 반영하여 시뮬레이션 모델을 구축한다. 가스계 소화설비(IG-100)와 스프링클러 설비(K-115 헤드)를 각각 모델링하여 소화 성능을 비교할 수 있는 시나리오를 설계한다.
3) FDS 분석: 두 설비의 화재 제어 효과(온도 저감, 화재 확산 제어 등)를 정량적으로 비교하여 화재제어 성능을 검증한다.
4) SprinkCALC 해석: 준비작동식 시스템의 water delivery time을 산정하여 설계적 타당성을 검증한다.
5) 종합 평가: FDS 및 SprinkCALC 분석 결과를 통합하여 데이터 홀에 준비작동식 스프링클러를 적용하는 것이 유효한지 검토한다.
3.3 화재시뮬레이션을 통한 화재제어 성능 분석
본 연구는 기존 데이터센터에 주로 적용되는 가스 소화설비와 제안하는 스프링클러 설비의 화재제어 성능을 시뮬레이션을 통해 정량적으로 제시하고자 한다. 단, 데이터센터의 배터리 기반의 UPS 화재에 대한 부분은 본 연구에서는 반영하지 않았다. 본 연구에 사용된 화재 시뮬레이션은 FDS 기반의 Pyrosim (2021년 버전, FDS Ver 6.7.5)을 사용했으며, 가스계 소화설비 및 스프링클러 적용 대상 공간은 데이터 홀로서 Figure 1에서 제시하였다. 더하여, 데이터 홀의 항온항습기에 의한 기류 순환 조건을 Figure 2와 같이 시뮬레이션에 반영하였다.
화원은 데이터 홀 내 서버 랙 화재를 가정했으며, Figure 2와 같이 SFPE 핸드북에서 제시하는 컴퓨터 및 전자장비가 적재된 스테인리스 스틸 메쉬형 렉에서 진행한 실물 화재 실험결과를 참고하였다(17). Figure 3에서 제시하는 Test 1은 가연물에 직접 점화 조건이며, Test 2, 3은 랙과 연결된 프린터기 내 종이에서 점화 및 옮겨 붙은 조건이며, Test 3은 추가로 랙 주변부에 정전기 방지 시트를 적용하여 실험된 결과이다. 따라서, 본 연구에서는 발열량이 가장 큰 Test 3 (528 kW)을 참고하였으며, 데이터 홀에 설치된 렉 6개에서 화재가 발생했다고 가정하고 화재 규모를 3,168 kW로 설정하였다. 가연 물질은 폴리우레탄(Polyurethane)을 적용했고, 화재 발생 후 최성기에 도달한 뒤 지속적으로 연소하는 설계 화재 그래프로 적용하였다.
화재해석 공간의 격자 크기는 일반적으로 해석의 신뢰성을 확보하기 위해 사용되는 NUREG 1824 기준의 식(1) 의해 결정되는 특성화염직경 내에 삽입되는 격자수, 즉 D* / δ̅ 값이 5~10(18) 범위 내에서 중간 값인 7.6 (격자크기 0.2 m)으로 설정하였다.
여기서, Q̇*는 최대 열방출률(3,168 kW), ρ∞, Cp, T∞ 및 g는 각각 주변 대기의 밀도(1.204 kg/m3), 주변공기 비열(1.005 kJ/kg⋅K), 온도(293 K) 및 중력가속도(9.81 m/s2)를 의미한다.
본 연구에서는 데이터센터 데이터 홀에 주로 적용되는 IG-100을 가스 소화설비 기준으로 삼았으며, 체적 대비 방출 시간을 고려하여 화재제어 효과를 분석했다. 수계 소화설비의 경우, 열 복도인 서버룸 내에 K-115 스프링클러 헤드를 법규에 적합하게 적용하여 소화효과를 분석하였다. Tables 2(19), 3은 가스계소화설비와 스프링클러설비의 화재제어 효과 분석을 위한 시뮬레이션 수행 시나리오로서 항온항습기 동작조건과 각 소화설비 별 적용 입력 조건값을 제시하였다.
Table 2
Summary of Fire Simulation Scenarios - Sprinkler Scenario
| HRR | 3,168 kW (Simulating 6 Racks in the Data Hall) |
| Fuel Source | POLYURETHANE (GM-21) |
| Fire Growth Rate | Fast Growth |
| Applicable Suppression System | • Sprinkler Scenario: Smoke Detectors, Sprinkler System (with Extinguishing Coefficient, E-Coefficient, Applied) |
| Interpretation Conditions |
• Ambient Temperature: 20 ℃ • Ambient Pressure: 101,325 Pa • Relative Humidity: 40% • Sprinkler Specify: 115.0 L/min • Sprinkler Activation Temperature: 93 ℃ • Sprinkler Time Index: 50INLINE • Extinguishing coefficient: 3 m2/(kg⋅s)(19) |
| Analysis Assumptions |
• Assumed Fire Originating in a Server Rack • HVAC System is Shut Down Upon Fire Detection; Constant Temperature/Humidity System Remains Active • Assumed Leakage Gaps in the IT Room Doors • An Extinguishing Coefficient (E-Coefficient) is Applied when the Sprinkler Activates • Fire Risk is Analyzed Based on Temperatures Directly above and Near the Fire Source |
| Analysis Metrics | • Fire Suppression Effectiveness is Analyzed Based on Changes in Temperature and HRR Around the Fire Source. |
4. 결과 및 분석
4.1 화재제어 성능분석(FDS 시뮬레이션)
4.1.1 소화설비 미작동 시뮬레이션 분석
가스계소화설비와 스프링클러설비 적용시 화재제어 성능비교에 앞서 소화설비를 적용하지 않은 조건의 시뮬레이션을 수행하였다. 수행결과 Figure 4와 같이 설계화재 그래프와 시뮬레이션 수행결과에 따른 heat release rate (HRR) 그래프가 유사한 것으로 확인하였다. Table 4는 시간변화에 따른 화재 발생 지점에서의 온도 및 HRR 변화를 분석한 표이다. 화재 발생지점에서 HRR의 최성기 최초 도달시간은 267 s로 분석되었으며, 최대 온도는 약 431 ℃, HRR은 약 3271.47 kW에 도달하였다. Figure 5는 소화설비 미작동시 높이 6 m에서의 온도분포 슬라이스를 나타낸 것으로, 화원 주변부의 온도변화를 보여주기 위해 실제 최고 온도보다 contour를 낮게 설정하였다. 화재발생 지점의 온도는 높게 분석되었으나, 화재발생지점 주변부는 Figure 5와 같이 (a)지점에서의 온도변화는 최대 약 60.2 ℃, (b)지점에서의 온도변화는 최대 약 80.1 ℃으로 확인된다. 시간 변화에 따라 화원 주변부 온도는 화원 인근 보다 약 370.8 ℃ 차이가 나는 것으로 확인되어 진다.
Table 3
Summary of Fire Simulation Scenarios - Gaseous Suppression Scenario
4.1.2 가스계소화설비(IG-100) 화재제어 효과 분석
가스계 소화설비를 적용한 시뮬레이션 결과, Figure 6과 같이 설계화재 그래프와 시뮬레이션 수행결과에 따른 HRR 그래프가 유사한 것으로 확인하였다. Figure 7은 가스계 소화약제방출 시 높이 6 m에서의 온도분포 슬라이스를 나타낸 것이며, 화원 주변부의 온도변화를 보여주기 위해 실제 최고 온도보다 contour를 낮게 설정하였다. Table 5는 시간변화에 따른 화재 발생지점에서의 온도 및 HRR 변화를 분석한 표이다. 화재 발생 49 s에 약제가 모두 방출되었으나 화재 발생지점에서 HRR은 Figure 6 및 Table 5와 같이 열방출률의 변화가 크지 않은 것으로 분석되었다. 약제 방출 종료 후 소화설비 미적용 시뮬레이션 결과보다 화재 지점 및 화재 주변부 온도 상승이 지연된 것으로 보이나 화재실 전체 구역으로 빠르게 온도가 상승하였다. 화재발생 지점의 최대 온도는 약 414.3 ℃, HRR은 약 3,404.82 kW에 도달하였다. 또한, HRR의 설계화재 최초 도달시간은 261 s로 분석되었다.
Table 5
Gas System Fire Extinguishing Facility Temperature and HRR Analysis
Figure 7
Results of temperature analysis on gas system fire extinguishing facility (IG-100) (Z = 6 m).
화재발생 지점의 온도는 소화설비 미적용 시뮬레이션과 유사하게 온도가 높게 분석되었으나, 화재발생지점 주변부는 Figure 7 와 같이 (a)지점에서의 온도변화는 최대 약 75.1 ℃, (b)지점에서의 온도변화는 최대 약 60.2 ℃으로 확인되며, 시간 변화에 따라 화원 주변부 온도는 화원주변부 온도보다 최대 약 339.2 ℃ 차이가 나는 것으로 확인되어 진다.
4.1.3 스프링클러설비 화재제어 효과 분석
스프링클러설비를 적용한 시뮬레이션 수행결과, 스프링클러 헤드 작동온도인 93 ℃에서 198 s에 헤드가 개방되는 것으로 확인되며, Figure 8과 같이 설계화재 그래프와 시뮬레이션 수행결과에 따른 HRR 그래프 비교시 가스계소화설비 적용시 보다 하향변동 있는 것으로 보이나 변동 폭이 미미한 것으로 확인하였다. Figure 9 스프링클러 작동시 높이 6 m에서의 온도분포 슬라이스를 나타낸 것이며, 화원 주변부의 온도변화를 보여주기 위해 실제 최고 온도보다 contour를 낮게 설정하였다. Table 6은 시간변화에 따른 화재 발생지점에서의 온도 및 HRR 변화를 분석한 표이다. 화재발생 지점의 최대 온도는 약 341.8 ℃로 나타나 가스계 설비 대비 약 72.5 ℃ 낮았으며, HRR 역시 3,248.60 kW로, 가스계 소화설비보다 156.22 kW 감소하였다. 또한, HRR의 설계화재 최초 도달시간은 272 s로 분석되어 가스계소화설비 작동시 보다 11 s 늦게 도달하였다.
Table 6
Water Fire Extinguishing Facility Temperature and HRR Analysis
화재발생 지점의 온도는 가스계소화설비 적용 시뮬레이션과 유사하게 온도가 높게 분석되었으나, 화재발생지점 주변부는 Figure 9와 같이 (a)지점에서의 온도변화는 최대 약 25.6 ℃, (b)지점에서의 온도변화는 최대 약 46.1 ℃으로 확인되어 지며, 시간 변화에 따라 화원 주변부 온도는 화원주변부 온도보다 약 295.7 ℃ 차이가 나는 것으로 확인되어 진다. 가스계 소화설비와 비교하였을 때 화재실 주변부의 경우 (a) 지점에서 약 49.5 ℃ 이상, (b) 지점에서 약 14.1 ℃ 이상 차이가 발생하였으며, 화원 인근은 약 43.5 ℃ 이상 온도 차이가 발생하였다. 이는, 가스계 소화설비를 적용 하였을 때 보다 스프링클러 설비를 적용하였을때 데이터 홀의 온도 상승이 현저히 낮게 분석되며, 스프링클러 소화수의 지속적 방수를 통한 냉각 효과는 화재실 내부의 열 축적을 효과적으로 제어하는 것으로 확인된다. 결과적으로 스프링클러는 데이터센터 데이터 홀 내 화재시 화재 주변부 주요 장비의 온도 상승을 제어하여 장비 손실과 서비스 중단 피해를 최소화할 수 있는 가능성이 있음을 확인하였다.
4.2 소화수 도달시간 분석(SprinkCALC 수리계산)
SprinkCALC는 Johnson Controls에서 개발한 스프링클러설비 유압계산(hydraulic calculation) 소프트웨어로서, 스프링클러 시스템 설계 시 배관망 내 유량과 압력 분포를 정밀하게 산출하는 데 사용된다. 본 프로그램은 Hazen-Williams 식 및 Darcy-Weisbach 식을 기반으로 배관 손실을 계산하며, 국제적으로 통용되는 NFPA, EN12845 등 다양한 설계 기준을 지원한다.
본 연구에서는 SprinkCALC을 통한 준비작동식시스템의 송수시간을 정량적으로 분석하여 준비작동식 시스템 적용의 유효성을 제시하려고 한다.
4.2.1 준비작동식 스프링클러 적용 배경
스프링클러 설비는 습식, 건식, 준비작동식으로 구분된다. 준비작동식은 화재 감지 신호에 따라 밸브가 개방되고, 스프링클러 헤드가 열반응 시 방수가 이루어진다. 준비작동식 시스템은 1) 밸브가 전기 신호에 해 즉시 개방되고(전기 작동 솔레노이드 밸브) 2) 스프링클러헤드가 작동하기 전에 밸브가 개방 되어 이미 소화수가 배관내에 일부구간 까지 유입되기 때문에 공기/질소 압력감소에 따른 밸브 개방까지의 소요시간인 trip time으로 인한 방수지연이 발생되지 않는다. 그러므로 건식 밸브에 trip time을 단축시키기 위해 적용되는 quick opening device는 화재 감지 시 전기적 신호에 의해 밸브가 즉시 개방되는 준비작동식 시스템에서는 이러한 보조장치가 불필요하다. 따라서, 더블인터록에 비해 방수 지연 시간이 짧고, 습식 대비 오작동 수손 위험이 낮으며, 헤드파손 여부 확인과 질소 충전을 통한 배관 부식 억제가 가능하며 특히 싱글인터록 방식이 일반적으로 건식 스프링클러설비보다 더 짧은 소화수 방출 특성을 가진다는 점을 고려할 때 데이터 홀과 같은 환경에 특히 적합하므로 준비작동식 시스템 방식으로 적용하였다.
4.2.2 SprinkCALC (수리해석) 구동 조건
현행 국내 화재안전기준에서는 준비작동식 스프링클러설비(pre-action sprinkler system)의 감시압력에 대해, 시스템 유형별(싱글인터록, 더블인터록, 논인터록)로 구분한 명확 한 규정이 존재하지 않는다. NFPA 13(14)은 싱글인터록 방식에 대해서는 감시압력에 대한 명시적 기준을 제시하고 있지 않으나, 더블인터록 및 논인터록 방식에 대해서는 밸브 개방 시간에 영향을 미치므로 최소 감시압력을 7 psi (0.5 bar)로 규정하고 있다, 한편 본 연구는 준비작동식(싱글인터록)시스템에도 동일한 최소 감시압력 0.5 bar을 보수적으로 준용하였다, 소화수 방출시간 지연의 주요 변수는 transit time이며, transit time은 배관 체적과 공기/질소 충전압력의 영향 및 밸브와 스프링클러헤드 간의 거리가 결정적 요인으로 작용한다. 따라서, 모델링은 Figure 10과 같이 가장 최악의 시나리오(worst case scenario)를 가정한 헤드(most remote case)말단을 대상으로 수행하였다.
4.2.3 해석결과
상기 내용을 바탕으로 준비작동식 시스템이 건식 스프링클러보다 더 신속한 소화수 방출 특성을 가진다는 점을 고려하여, NFPA 13(14)의 TABLE 8.2.4.3.2 기준과 UL인증을 받은 SprinkCALS 프로그램을 활용하여 최악의 시나리오를 가정한 소화수 방출시간을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
SprinkCALC 수행 결과, Figure 11과 같이 스프링클러 소화수의 전체 방출시간이 30.369~30.57 s로 나타났으며, 실제 배관내에 물이 상당히 적은시간에 물이 충수되어, Table 7의 NFPA 기준의 최대 허용 치(50 s 이하)를 충분히 만족함을 확인하였다.
Table 7
<NFPA 13> Table 8.2.4.3.2 - Water Delivery Caculation
| Hazard Class | Remote Sprinklers Intially Open | Max. Delivery Time (s) |
|---|---|---|
| Ordinary Ⅰ | 2 | 50 |
| Ordinary Ⅱ | 2 | 50 |
| ExtraⅠ | 4 | 45 |
| Extra | 4 | 45 |
| High-Piled | 4 | 40 |
Figure 12는 건식 스프링클러 시스템과 준비작동식 스프링클러 시스템의 소화수 도달 시간을 비교 분석한 그래프이며, Table 8은 이를 표로 나타낸 것이다. 건식밸브 대비 싱글인터록 방식의 최종 방출시간은 약 20 s 단축되었으며, 40% 이상의 시간 절감 효과에 해당한다. 준비작동식 스프링클러 설계는 구조적 신뢰성과 시간적 효율성을 동시에 확보한 것으로 확인하였다.
Table 8
Comparison of Water Delivery Time between Dry and Pre-action (Single-Interlock) Systems
5. 결 론
본 연구는 FDS 및 SprinkCALC 시뮬레이션을 통해, 항온항습기 운전 조건을 반영한 데이터 홀 환경에서 가스계 소화설비와 준비작동식 스프링클러의 화재제어 성능을 정량적으로 비교하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
1) FDS 시뮬레이션 비교 분석 결과, 가스계 소화설비와 스프링클러설비 모두 초기 온도변화는 유사하나, 시간경과에 따라 가스계소화설비 보다 스프링클러설비를 적용시 온도상승이 국소부분으로 제한되는 효과를 확인하였다. 화재실 주변부의 경우 가스계소화설비 적용하였을 때 보다 (a) 지점에서 약 49.5 ℃ 이상, (b) 지점에서 약 14.1 ℃ 이상 차이가 발생하였으며, 화원 인근은 약 43.5 ℃ 이상 온도 차이가 발생하였다. 따라서, 화재실 및 화재실 주변부의 온도상승을 지연시키는 것으로 분석 되어 전산실 내 온도상승에 따른 데이터 손실 등 2차 피해를 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 다만, HRR의 경우 스프링클러설비 적용시 가스계소화설비 보다 감소효과가 있었으나, 그 변화폭이 미미하여 HRR을 통한 화재제어 성능이 확보 되었다고 판단하기에는 부족한 부분이 있었으며, 추가적인 연구의 필요성을 확인하였다.
2) SprinkCALC 분석 결과 준비작동식 스프링클러는 NFPA 13에서 요구하는 건식시스템 방출시간(≤ 50 s)를 충족하며, 최종 방출 시간은 30 s대에 불과해 건식 시스템 대비 20 s 이상 단축되어 초기 화재 진압 가능성을 확인하였다.
3) 따라서 FM Global DS 5-32 데이터센터 화재안전 가이드라인 등 주요 해외자료에서 제시된 내용과 같이 데이터센터의 데이터 홀은 화재 발생지점의 화재 소화 보다는 화재 발생지점 외 주변부의 화재제어를 목적으로 하는 바, 준비작동식 스프링클러설비의 FDS 및 SprinkCALC 시뮬레이션을 통해 화재 주변부에 대한 화재확산 제어 및 일부의 냉각효과를 통해 적용 가능한 소화설비 대안으로 가능성이 있을 것으로 예상된다.
다만, 본 연구는 스프링클러 설비 적용과 관련하여 FDS를 활용한 온도 및 열방출율 분석을 통해 화재 제어 효과와 적용 가능성을 검토한 기초 연구로서, 데이터센터 데이터 홀에 대한 스프링클러 설비 적용의 적정성을 종합적으로 판단하기에는 한계가 있다. 따라서 향후에는 보다 구체적인 조건 설정과 다양한 변수 검토를 포함한 추가 연구가 필요하다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
