공장건축물 노출화재 저감을 위한 하이브리드 수막노즐 성능평가
Performance Evaluation of a Hybrid Water Curtain Nozzle for Exposure Fire Mitigation in Factory Buildings
Article information
Abstract
요 약
산업단지 등에 밀집된 공장건축물은 건축물 간 이격거리가 협소하여 화재 시 인접 건축물로의 빠른 확산이 우려된다. 소방활동에서는 화재가 발생한 건축물에 직접 주수하여 소화를 수행하는 동시에 인접 건축물로의 전이를 방지하기 위해 방어주수를 실시한다. 그러나 방어주수는 공간적 제약과 소방력 분산이라는 한계를 가진다. 이를 보완하기 위해 본 연구에서는 공장건축물 외벽에 수막설비를 설치하고 소방펌프차와 연결만으로 방어주수 효과를 구현하는 방안을 제안하였다. 제한된 수원 조건에서 장시간 운전과 넓은 보호 범위를 확보하기 위해 하이브리드 수막설비 노즐을 개발하고 기존 상용 노즐과 효과성을 비교하였다. 평가 지표로는 복사열 유속, 패널 심부온도, 물 사용량을 적용하였으며, 열유속 센서와 온도센서는 수막의 영향을 최소화하기 위해 패널 심부에 삽입하여 측정하였다. 그 결과 하이브리드 노즐(Hollow + Flat, 45°)은 드렌처 노즐 대비 수원 사용량을 83.8% (약 6배) 절감하면서도 복사열 차단과 온도 저감 효과를 나타내어 동일 수원 조건에서 수막설비를 보다 장시간 운용할 수 있음을 확인하였다.
Trans Abstract
ABSTRACT
Factory buildings in industrial complexes are often densely arranged with insufficient separation distances, increasing the risk of rapid fire spread to adjacent structures. Although defensive water streams are used during firefighting operations to prevent fire extension, their effectiveness is limited by spatial constraints and the dispersion of firefighting resources. In this study, a water curtain system installed on factory exterior walls was proposed to provide defensive water application through a direct connection to a fire engine pump. To enable long-duration operation under limited water-supply conditions, a hybrid water curtain nozzle was developed and compared with a conventional drencher nozzle. Performance was evaluated using radiant heat flux, panel core temperature, and water consumption. Heat flux sensors were installed through panel penetrations to avoid direct water contact, and thermocouples were embedded within the panel core to minimize interference from the water film. The results showed that the hybrid nozzle (Hollow + Flat, 45°) reduced water consumption by approximately 84% while maintaining effective radiant heat shielding and temperature reduction, enabling longer operation of the water curtain system with the same available water supply.
1. 서 론
최근 산업단지의 고도화와 공장건축물의 대형화 및 밀집화에 따라 공장화재 발생 시 인접 건축물로의 확산 위험성이 지속적으로 증가하고 있다. 국내 산업단지는 토지 이용 효율성을 중시하는 개발 특성상 건축물 간 이격거리가 충분히 확보되지 못한 경우가 많으며, 이로 인해 단일 건축물 화재가 연속적인 대형 화재로 확대되는 사례가 발생하고 있다. 소방청 국가화재통계시스템에 따르면 최근 10년간(2013~2022년) 공장 및 창고시설 화재는 연평균 약 2,000건 이상 발생하며 연평균 재산피해액은 약 8,000억 원 이상으로, 건당 평균 피해 규모가 주거용 건축물에 비해 현저히 큰 수준이다(1).
공장건축물은 구조적 특성상 철골조와 샌드위치 패널을 중심으로 구성되는 경우가 많다. 이러한 구조는 공사기간 단축과 경제성 측면에서 장점이 있으나, 화재 시 복사열 전달과 패널 심재 및 내장재의 연소로 인해 인접 건축물로의 확산 가능성이 매우 높다. 특히 난연성능이 충분하지 않은 패널이 사용된 기존 건축물의 경우 외벽을 통한 화재 확산을 차단하는 수단이 제한적이다. 공장건축물은 외벽 면적 대비 출입구, 셔터, 환기구 등 대형 개구부 비율이 높아 화재 시 내부 화염이 외부로 직접 분출되기 쉬운 구조적 특성을 가지며, 건축물 간 이격거리가 협소할수록 외벽 표면 온도 상승 속도가 증가한다(2,3). Quintiere(4)는 노출화재 조건에서 인접 구조물의 착화 여부가 복사열 유속에 의해 지배될 수 있으며, 일반적인 가연성 외장재의 경우 약 12.5～20 kW/m2 범위에서 열적 손상이 가속된다고 제시하였다.
현행 소방 및 건축 관련 법제도는 건축물 내부 화재 진압과 인명 안전 확보를 중심으로 설계되어 있으며, 공장건축물 외부에서 발생하는 화재 확산과 인접 건축물로의 복사열 전달을 체계적으로 저감하는 설비 기준은 미흡한 실정이다. 실제 화재 현장에서는 소방대원이 인접 건축물로의 연소 확대를 차단하기 위해 방어주수를 실시하나, 이는 인력 의존적이고 지속적으로 유지하기 어려우며 대형 화재 상황에서는 효과적인 대응에 한계를 보인다. 이에 따라 공장건축물 외벽에 화재 확산을 차단하거나 저감할 수 있는 외부 방어 설비의 필요성이 제기되고 있다.
수막설비는 건축물 외벽에 물로 막을 형성하여 화염과 복사열을 저감하는 설비로, 비교적 단순한 구조에도 불구하고 화재 확산 방지 효과를 기대할 수 있다. FM Global(2)은 이격거리 확보가 곤란한 경우 인접 건축물 보호를 위해 water spray 또는 water curtain과 같은 노출화재 저감 수단을 적용할 수 있음을 제시하고 있으며, NFPA fire protection handbook에서도 수막설비를 복사열 감쇠 및 외벽 냉각을 통한 화재 확산 저감 수단으로 설명하고 있다(5). Tseng과 Viskanta(6)는 수막설비가 물입자층의 흡수⋅산란 효과로 복사열의 투과를 감소시켜 인접 외벽의 열유입을 저감할 수 있으며, 이때 분무층의 입자 분포 및 분사 밀도가 복사 감쇠 성능을 지배하는 주요인자임을 밝혔다.
국내에서 운용되고 있는 공장건축물의 외부 수막설비는 주로 드렌처(drencher) 설비를 기반으로 하며, 많은 양의 수원을 사용하여 소방펌프차의 한정된 수원으로는 장시간 가동이 어려운 단점이 있다. ｢건축법｣에 따라 방화지구 내 건축물 외벽 개구부에 설치되는 드렌처 설비를 공장건축물에 적용한 사례가 있으나, 일정량의 수원만 확보된 상황에서는 수막을 지속할 수 없다.
따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하고자 공장건축물 외벽에서 활용 가능한 하이브리드형 수막노즐을 개발하였다. 본 연구는 복사열 차단과 표면 냉각을 동시에 확보하면서도 수원 사용량을 최소화할 수 있는 새로운 개념의 노즐을 제시하고, 공장화재를 모사한 실험을 통해 기존 드렌처 노즐 및 물분무 노즐과의 효과성을 비교 분석하여 실용성을 검증하고자 한다.
2. 하이브리드형 노즐 개발
2.1 수막설비용 노즐 특성
일반적으로 방화지구에 설치하는 수막설비는 드렌처 노즐을 사용하여 드렌처 설비를 갖추어야 한다. 드렌처 설비를 이용하여 공장건축물 외벽에 드렌처 노즐을 사용한 수막설비는 있지만 분당 방수량이 커 현실적으로 많은 수원이 필요한 점이 있다. 본 연구에서 다루는 공장화재 확산을 예방하기 위한 수막설비는 물 사용량을 줄이고, 인접된 화원으로부터 복사열 차단과 건축물 패널에 축적된 온도를 하강하는 것이 가장 큰 목적이다.
이러한 점을 반영하여 Kwon 등(3)은 물분무 노즐을 개발하여 분당 방수량을 줄이고 방수각도를 넓혀 공장건축물에 사용하는 수막설비를 적용하였다. 본 연구에서는 물분무 노즐보다 효과적인 노즐을 개발하기 위해 분사형태와 방수능력 등을 변경하여 새로운 형태의 수막설비용 노즐을 개발하였다.
2.2 하이브리드형 노즐의 구성
공장화재와 같이 노출화재 조건에서 인접 건축물에 도달하는 복사열을 저감하기 위해서는 분무층으로 인해 복사 감쇠(흡수나 산란)와 건축물 외벽의 표면에 충분한 도포가 되어야 한다. 이러한 점들을 반영하여 수계 설비 중에 사용되는 분무 형상은 부채꼴 분무(Flat-fan), 중실원추형(Hollow cone), 중공원추형(Full-cone)을 적용할 수 있다. Flat-fan 분무는 비교적 균일한 선형 분포를 형성하여 벽면과 개구부를 따라 연속적인 수막 형성에 유리하다. 산업용 분무공학 핸드북에서는 Flat-fan 노즐이 sheet-type coverage를 제공하며, 선형 보호(line protection)에 적합함을 기술한다(7). 즉, 수막설비에서 연속적인 막을 형성하기 위해서는 Flat-fan이 기본적으로 필요하다고 판단하였다. Hollow-cone 분무는 미세 입자를 상대적으로 많이 생성하는 경향이 있어 복사 감쇠 목적의 분무층 형성에 활용된다. 물분무 시스템의 적용을 다룬 NFPA 15(8)는 노출 보호에서 open water spray nozzles를 사용하여 보호 대상 표면 및 노출면을 덮도록 설계함을 명시하고 있다. 즉, 인접된 화염으로부터 복사열 감쇠를 위한 입자층 형성에 필요한 것으로 판단된다. Full-cone 분무 형태는 분무 영역 내부를 비교적 균일하게 채워 표면 냉각 및 습윤 효과를 확보하는 데 유리하다. NFPA 15(8)는 노출 보호에서 보호 대상 표면을 직접 살수하여 표면 온도를 제한하는 설계를 권장한다. 이는 직접적인 보호 대상인 샌드위치패널 외벽의 직접 냉각 및 온도 상승을 억제하는 역할에 필요할 것으로 보인다. 노출화재 조건에서 복사열 차단과 표면 냉각을 확보하기 위해 Figure 1과 같이 하이브리드 노즐을 구성하였다. 분사각도 조절을 위해 45도 바디와 90도 바디로 구분을 하였고 바디의 중앙부는 복사열 차단과 냉각의 효과성이 있는 Hollow-cone과 Full-cone을 적용하였다. 분사 범위의 확보와 선형적으로 연속적인 막을 형성하기 위해서 바디의 양 옆에는 Flat-fan을 적용하였다.
Developed hybrid water curtain nozzles.
2.3 하이브리드형 노즐의 기본 특성
분사 형태를 조합하여 구성한 노즐의 기본적인 특성을 도출하기 위해 분사각과 방수유량을 측정하였다. 기본적으로 물공급 압력을 0.1 MPa로 설정하였고, 각 노즐의 분사되는 각도와 방수능력(L/min), 액적 크기, 액적 속도 등을 위상 도플러 입자 분석기(phase dropper particle analyzer)를 활용하여 측정하였다. 노즐의 가장 중요한 방수량은 Figure 2와 같이 도출되었으며, 노즐의 일반적인 특성을 측정한 결과는 Table 1과 같이 도출되었다.
Flow rate of the developed hybrid nozzle as a function of supply pressure.
Spray Characteristics of Hybrid Nozzles
0.1 MPa의 공급압력으로 분사 시의 분사패턴과 방수각도는 Figure 3과 같으며, Hollow-cone의 분사각도로 인해 Figure 3(c)만 분사하부측에 공극이 발생한다는 것을 알 수 있다.
Spray patterns and angles of hybrid nozzles.
3. 공장화재 시 노즐별 효과성 비교
산업단지 및 공장지대의 공장화재를 모사한 실험체를 구성하고 동일한 실험 조건에서 수막설비로 활용 중인 노즐과 하이브리드형 노즐과의 효과성 비교를 위해 다음과 같이 실험을 통해 분석하였다. 실험은 실내 환경의 연소시험장에서 실시하였고, 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해 실험종류별 3회의 반복 실험하여 데이터를 도출하였다.
3.1 공장화재 모사 실험 구성
공장화재 모사를 위한 실험체는 Kwon 등(3)의 실험을 참고하고 실험장 조건에 맞게 새롭게 구성하여 실험체를 제작하였다. 실험체는 공장건축물에 사용하는 우레탄패널(1,000 mm × 2,500 mm)을 연결하여 5 m × 5 m의 공장건축물 외벽을 가정하여 구성하였다. 인접된 건축물에서 분출되는 화염의 구성은 pool pan (200 mm × 1,000 mm × 200 mm) 3개를 틈이 없이 배치하여 헵탄(99%) 4.5 L (각 pool 당 1.5 L 적용)를 적용하였다. 샌드위치패널과 연소 pool과의 이격거리는 1.0 m로 수막설비가 가동되어도 직접적인 영향은 최소화하여 설정하였다.
n-헵탄 풀 화재의 열방출률 추정을 위해 단위면적당 열방출률(HRRPUA) 개념을 적용하였다. 최근 Huang 등(9)은 고립된(isolated) n-헵탄 풀 화재를 대상으로 한 수치해석 연구를 통해, 정상상태 조건에서 헵탄 풀 화재의 대표적인 HRRPUA가 약 1.6 MW/m2 수준임을 제시하였다. 본 실험에 적용한 이격없이 배치된 3개의 헵탄 연소 풀을 하나의 등가 화원으로 가정하고, 총 연소 면적에 HRRPUA를 적용하여 식(1)과 같이 전체 열방출률을 추정한 결과 0.48 MW로 볼 수 있다.
HRR = HRRPUA (1.6 MW/m2) × A (0.3 m2) (1)
여기에서 A는 pool의 단면적을 의미한다.
본 연구에서 적용한 1.6 MW/m2는 대표적인 문헌값으로, 실제 소규모 풀 화재에서는 직경 의존성에 따라 다소 낮게 나타날 수 있으나, 본 실험의 주된 목적이 열방출률의 정밀 산출이 아닌 노즐 성능 비교에 있으므로 상대적 비교에는 합리적인 근사로 판단하였다. 또한, 실제 다중 풀 화재에서는 화염 간 상호작용, 환기 조건 및 외란에 따라 HRRPUA가 변동될 수 있으므로, 본 연구에서 산정한 열방출률은 대표적인 값에 기반한 보수적 추정치로 해석할 필요가 있다.
실험체에 정량적인 측정을 위한 장비는 Figure 4와 같다. 소방펌프차로부터 수원 연결을 위한 연결송수관 설치와 연결송수관 이후의 인입 방수압력과 말단 방수압을 측정하는 압력계 및 사용 수원을 측정하는 디지털 유량계를 설치하였다.
Experimental facilities.
또한, 패널에 미치는 복사열을 측정하기 위한 열유속계(heat-flux sensor)와 샌드위치패널 심부의 온도를 측정하기 위한 열전대(thermocouples)를 Figure 5와 같이 설치하였다. 열유속계와 열전대의 설치 높이와 간격은 화염의 높이에 따라 설정하기 위해 Heskestad 상관식(2)를 적용하였다(10). Heskestad 상관식은 부력 지배형 풀화재에서 열방출률과 화원 직격을 기반으로 평균 화염 높이를 추정하는 대표적인 경험식이다. 본 연구에서 적용한 화염 높이 산출값(2.15 m)의 주요 활용 목적이 센서 설치 위치 결정이며, 실제 화염 높이 대비 센서를 상하로 분산 배치하였으므로 근사 오차가 센서 설치에 미치는 영향은 제한적이다. 또한, 실제 화염 거동은 실험 중 육안 관찰을 총해 최종적인 센서 위치를 선정하였다.
Installation locations of heat-flux sensor and thermocouples.
여기에서 Lf는 화염의 평균 높이(m), D는 화원(풀)의 직경(m), (Q)̇는 열방출률(kW)을 의미한다.
화염에 인접한 샌드위치 패널을 A구역～C구역으로 설정하여 화염높이에 따른 A1부터 A4까지 2.4 m의 높이까지 온도를 B, C 구역 포함하여 12개소를 측정하였고, 열유속계는 화염의 높이에 따라 하부와 상부로 HTA, HBA로 구분하여 B, C 구역을 포함하여 Figure 5와 같이 6개소 설치하였다.
또한, 본 실험에 적용한 열유속계 센서는 수냉식(water-cooled heat flux sensor)으로 표면에 물이 직접 접촉할 경우 데이터의 오차가 생기므로, 물의 접촉이 없도록 패널을 천공하여 심부에 삽입하여 물로 인한 영향을 최소화 하였다.
3.2 노즐의 구성 및 실험 과정
노즐별 효과성을 도출하기 위해 실험은 자유연소, 드렌처 노즐, 물분무 노즐, 하이브리드 노즐 4종으로 총 7 종류의 실험을 3회 반복하였다. 자유연소는 수막을 가동하지 않은 상태에서 본 실험에 적용한 화원이 샌드위치에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 비교를 하기 위해 적용하였고, 물분무 노즐은 Kwon 등(3)이 도출한 복사열 차단과 샌드위치 패널 냉각이 가능하고 소화용수 사용이 기존 드렌처 노즐보다 1/4 절감의 효과성이 있는 노즐을 적용하였다. 하이브리드노즐의 구성은 분사각도 45도 분사 바디에 팁을 교체하여 Hollow + Flat, Full + Flat 2종과, 90도 분사 바디에 Hollow + Flat, Full + Flat 2종을 적용하였다.
사전실험을 통해 가연물의 연소시간이 총 300 s로 측정되었고, 이에 따라 착화 후 150 s 시점에 수막의 방수를 개방하고, 방수시간은 90 s 동안 방수하는 것으로 설정하였다. 실험의 진행과정은 Figure 6과 같다.
Experiment progress.
3.3 열유속 및 온도 측정 결과
3회의 실험을 통해 도출된 열유속 데이터의 평균값과 표준편차를 적용하여 Figure 7과 같이 도출되었다. a～f까지 수막설비 노즐별로 샌드위치 패널에 미치는 복사열을 측정한 값이며, 자유연소 시 측정된 열유속 값과 비교한 것이다. 자유연소 시 가연물에 의해 약 170 s에 최대 열유속을 보이며, 수막설비를 가동할 경우 자유연소에서 측정된 최대 열유속에는 도달하지 않고 복사열을 차단하는 것을 볼 수 있다. 드렌처노즐(Figure 7(a))은 수막설비 가동 직후부터 많은 양의 물로 인하여 급격하게 복사열이 차단되는 것을 볼 수 있다. 물분무노즐(Figure 7(b))과 하이브리드노즐 4종 모두 수막설비 가동하는 90 s 동안 측정되는 복사열이 매우 낮은 수준으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 특히 물분무 노즐과 Hollow + Flat (45°) 노즐(Figure 7(c))은 수막가동 완료 전에 복사열이 차단되는 것을 볼 수 있다.
Radiative heat flux reduction at the factory wall for different water curtain nozzles.
인접된 화원으로부터 샌드위치 패널에 미치는 심부 온도를 측정한 결과는 Figure 8과 같다. 3회의 실험을 통해 도출된 온도의 평균값과 표준편차를 적용하였다. 인접된 화원으로 인해 수막을 가동하지 않는 자유연소시에는 실험 종료까지 패널의 심부 온도가 유지되는 것을 볼 수 있다. 드렌처 노즐(Figure 8(a))은 빠르게 하강하는 것을 볼 수 있으며, 물분무 노즐(Figure 8(b))와 하이브리드노즐 4종(c～f) 모두 샌드위치패널에 축적된 온도가 하강하는 것을 볼 수 있다.
Temperature reduction at the factory wall for different water curtain nozzles.
4. 실험 결과에 대한 고찰
4.1 하이브리드 노즐의 복사열 차단 메커니즘
본 연구에서 개발한 하이브리드형 노즐이 기존 드렌처 노즐 대비 약 1/6의 수원으로도 유사한 복사열 차단 효과를 달성한 것은 세 가지 분무 형태의 시너지 효과에 기인한다. 첫째, Hollow-cone 분무는 중공 원추형 분사 특성상 미세 액적을 상대적으로 많이 생성하며, 이러한 미세 액적층은 화염으로부터 방출되는 복사열을 효과적으로 흡수 및 산란시킨다. Tseng과 Viskanta(6)는 물분무층의 복사 감쇠 효과가 액적 크기 분포와 수밀도(water loading)에 의해 지배되며, 특히 300～500 μm 범위의 액적이 적외선 파장대(2～10 μm)에서 높은 흡수 및 산란 효율을 나타낸다고 보고하였다. 본 연구에서 측정된 액적 크기가 이 범위에 해당하므로, Hollow-cone 분무가 복사열 차단에 효과적으로 기여했음을 알 수 있다.
둘째, Full-cone 분무는 분무 영역 내부를 비교적 균질하게 채우는 특성을 가지며, 샌드위치패널 표면에 직접 충돌하여 습윤층을 형성한다. 이러한 표면 습윤은 증발 냉각 효과를 유발하며, 물의 증발 잠열(약 2,257 kJ/kg)이 패널 표면에 축적된 열을 흡수하여 온도 상승을 억제한다. 본 실험 결과에서 수막 가동 후 패널 심부 온도가 자유연소 대비 낮은 수준을 유지한 것은 이러한 직접 냉각 메커니즘이 작동했음을 시사한다. NFPA 15(8)에서도 노출 보호를 위한 물분무 시스템 설계 시 보호 대상 표면을 직접 습윤시켜 표면 온도를 제한하는 설계를 권장하고 있으며, Full-cone 분무의 적용이 이러한 기준에 부합한다.
셋째, Flat-fan 분무는 부채꼴 형태로 넓은 범위를 선형으로 커버하여 연속적인 수막을 형성한다. Lefebvre와 McDonell(7)은 Flat-fan 노즐이 sheet-type coverage를 제공하며 선형 보호(line protection)에 적합하다고 설명하였다. 본 연구에서 Flat-fan 분무는 노즐 바디의 양 측면에 배치되어 수막의 공간적 연속성을 확보하였으며, 이는 복사열이 수막을 우회하여 패널에 도달하는 것을 방지하는 역할을 한다.
이러한 세 가지 분무 형태의 조합은 단일 분무 형태만으로는 달성하기 어려운 복합적 효과를 제공한다. 즉, Hollow-cone은 복사열 차단, Full-cone은 표면 냉각, Flat-fan은 수막 연속성 확보라는 각각의 역할을 수행하며, 이들이 동시에 작동함으로써 최소한의 수원으로도 효과적인 화재 확산 방지 성능을 달성할 수 있었다.
4.2 노즐별 성능 차이 분석
본 실험에서 적용된 방수압력과 사용유량을 측정한 결과는 Table 2와 같다. 3회의 반복실험을 통해 방수압력과 사용된 물의 양은 평균값으로 도출하였다. 소방펌프차의 PTO는 0.3 MPa로 일정한 압력으로 설정하였고, 연결 호스를 거쳐 유량계로 사용한 물의 양을 측정하였으며, 그 다음으로 압력계를 통해 입구방수압을 측정하였다. 각 노즐을 지나 배관의 말단부에는 말단방수압을 측정하였다.
Mean Operating Conditions of the Tested Water Curtain Nozzles (n = 3)
드렌처 노즐은 분사되는 물의 양과 손실되는 압력이 많아 배관에 걸리는 압력이 다른 물분무 노즐과 하이브리드 노즐에 비해 낮게 측정되었다. 수막설비를 가동한 90 s 동안 사용된 물의 양은 드렌처의 경우 276.5 L로 가장 적게 사용된 Hollow + Flat (90°) 노즐(43.83 L)과 비교하면 약 6.3배 차이가 발생하였다. 물분무 노즐과 하이브리드 노즐은 드렌처 노즐의 물 사용량에 비해 약 4～6배 적게 사용되었으며, 이는 소방펌프차의 한정된 수원으로도 장시간 수막설비를 운용할 수 있음을 의미한다.
실험 결과 Hollow + Flat (45°) 노즐이 총 수원 사용량 44.78 L로, 상대적으로 적은 물(드렌처 노즐 대비 83.8% 절감)을 사용하면서도 복사열 차단과 패널 냉각 효과가 우수하게 나타났다. 이는 45° 분사각이 패널 표면에 대한 충돌 효율을 최적화하기 때문으로 판단된다. 90° 분사각을 가진 노즐들(Hollow + Flat (90°), Full + Flat (90°))은 분무 범위는 넓지만, 수직 방향으로 분사되어 패널 표면에 도달하는 물의 양이 상대적으로 적고, 중력에 의한 액적 낙하로 인해 분무층의 공간적 안정성이 감소한다. 반면 45° 분사각은 패널 표면을 향해 사선 방향으로 분사되어 표면 습윤 효율이 높으며, 분무층이 화염과 패널 사이 공간을 더욱 효과적으로 차단하는 것으로 보인다.
Hollow-cone과 Full-cone의 비교에서는, Hollow-cone이 복사열 차단에 다소 유리한 경향을 보였으며, Full-cone은 패널 냉각에 상대적으로 강점을 보였다. 이는 Hollow-cone의 중공 구조가 액적을 공간적으로 분산시켜 화염과 패널 사이의 복사 경로를 더 넓게 차단하는 반면, Full-cone은 중심부까지 액적이 분포하여 표면 충돌량이 증가하기 때문으로 해석된다. 그러나 두 노즐 간 성능 차이는 크지 않았으며, 이는 Flat-fan 분무가 기본적인 수막 형성을 담당하고 있기 때문에 중심부 분무 형태의 차이가 상쇄되었을 가능성이 있다.
드렌처 노즐은 총 276.5 L의 물을 사용하여 가장 많은 수원을 소비하였으나, 복사열 차단 속도는 가장 빠르게 나타났다. 이는 대량의 물이 즉각적으로 화염과 패널 사이 공간을 포화시켜 복사열 투과를 차단하기 때문이다. 그러나 수원 효율 측면에서 보면, 드렌처 노즐은 하이브리드 노즐 대비 약 6배의 물을 사용하면서도 최종 패널 온도 제어 효과는 유사한 수준이었다. 이는 일정 수준 이상의 수막 밀도에서는 추가적인 물 투입이 복사열 차단 성능 향상에 크게 기여하지 못함을 의미하며, 하이브리드 노즐의 설계가 수원 효율 측면에서 더욱 합리적임을 시사한다.
4.3 성능지표에 따른 노즐간 효과성 비교
실험에 적용한 노즐간 정량적인 비교를 위해 본 연구에서 제시한 수막설비에 적합한 지표를 설정하였다. 지표는 총 3가지로 복사열 차단과 패널의 온도를 저감하는 절대성능지표, 드렌처 노즐 대비 냉각 상대효율과 복사열 상대효율을 비교할 수 있는 무차원 상대 효율 지표, 수원의 절감율과 수막설비의 운용을 지속하는 수원 기반 운용 지표로 구분하였다.
먼저 절대성능 지표는 수막설비가 열전달에 미치는 직접적인 영향을 평가하기 위한 것이다. 복사열 저감 성능은 수막 가동 전⋅후에 외벽에 도달하는 열유속의 시간 변화율을 통해 다음 식(3)과 같이 정의한다.
여기에서∆H는 일정 시간 구간에서의 복사열 유속 변화량(kW/m2), ∆t는 해당 시간(s), 그리고i는 비교 대상의 노즐을 의미한다. 동시에 외벽 온도 변화 특성은 샌드위치 패널 심부의 온도를 측정한 것으로, 심부 온도의 상승은 구조적 손상 및 가연성 가스 방출과 직결되므로 단순한 순간 냉각이 아닌 온도 상승 속도의 억제가 중요하다. 이에 외벽 심부 온도의 시간 변화율은 다음과 같이 정의하였다.
여기서∆T는 일정 구간에서의 샌드위치 패널 심부의 온도변화(℃),∆t는 해당 시간(s), 그리고i는 비교 대상의 노즐을 의미한다. 이는 일정 구간에서의 평균 온도 변화량을 시간으로 나눈 값으로, 수막설비가 열 축적을 지연시키는 정도를 정량화하는 절대 성능 지표이고 그 결과는 Table 3과 같다.
Absolute Performance Indicators of Nozzles
그러나 절대 성능 값만으로는 노즐 간의 상대적 우수성을 직관적으로 비교하기 어렵다. 특히 본 연구의 수막설비 목적은 드렌처노즐을 능가하는 것이 아닌, 드렌처 노즐과 유사한 방어 효과를 가지며 보다 효율적인 수원 조건을 달성하는 것으로 상대적 확보 수준을 표현할 필요가 있다. 이에 따라 드렌처 노즐을 기준값(1.0)으로 설정한 무차원 상대효율 지표를 도입하였다. 냉각 상대효율ηT(i)은 식(5)와 같고, 복사열 상대 효율ηR(i)은 식(6)과 같다.
여기에서dr은 드렌처 노즐을 의미한다. 이 지표는 단위를 제거한 무차원 형태로, 특정 노즐이 드렌처 노즐 대비 어느 수준의 목적 성능을 확보가고 있는지를 나타낸다. 이는 Table 4와 같다.
Relative Efficiency of Tested Nozzles
또한, 공장화재와 같이 장시간 방어주수가 요구되는 상황에서는 수원의 지속성과 운용 시간이 핵심 변수가 된다. 따라서 수막설비의 성능은 반드시 물 사용량과 결합하여 해석해야 한다. 이에 본 연구에서 추가적으로 드렌처 대비 물 사용량 절감 비율을 나타내는 수원절감율(water saving ratio)은 식(7)과 같이, 동일 수원 조건에서 운용 가능한 상대 시간을 나타내는 운용 지속성 지표(operation multiplier)는 식(8)과 같다.
여기서Vi는 노즐i의 총 물 사용량(L), Vdr은 드렌처 사용량(L)을 의미한다. 드렌처 노즐 대비 수원 기반 운용 지표의 결과는 Table 5와 같다.
Water-Use Efficiency of Tested Nozzles
4.4 실험 조건의 타당성 및 제약
본 연구는 실증적 데이터를 기반으로 하이브리드 노즐의 효과성을 입증하였으나, 실험 조건의 제약을 고려한 결과 해석이 필요하다. 첫째, 실험이 실내 환경에서 수행되어 바람의 영향이 배제되었다. 실제 산업단지 공장화재는 옥외 조건에서 발생하며, 풍속이 존재할 경우 수막의 공간적 안정성이 저하되고 분무 입자가 확산될 수 있다. 특히 강풍 조건에서는 수막이 한쪽으로 편향되어 복사열 차단 성능이 감소할 가능성이 있다.
둘째, 화원 규모가 제한적이다. 본 연구에서 사용한 n-heptane pool fire의 열방출률은 약 0.48 MW로, 실제 대형 공장화재(수 MW～수십 MW)에 비해 소규모이다. 화재 규모가 증가할 경우 복사열 유속과 화염 높이가 증가하며, 이에 따라 수막설비의 요구 성능도 변화할 수 있다. 특히 화염이 수막 높이를 초과하는 경우 상부 개구부를 통한 복사열 전달이 발생할 수 있다.
셋째, 통계적 샘플 수가 제한적이다. 본 연구에서는 각 실험 조건당 3회 반복 실험을 수행하였으나, 하이브리드 노즐 4종 간 성능 차이가 미미한 경우 통계적 유의성 검증을 위해서는 더 많은 반복 실험이 필요하다. 향후 연구에서는 샘플 수를 증가시키고, 일원배치 분산분석(ANOVA) 및 사후 검정을 통해 노즐 간 성능 차이의 통계적 유의성을 명확히 검증할 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구는 제한된 수원 조건에서도 장시간 운용이 가능한 공장건축물 화재확산 방지용 하이브리드형 수막 노즐을 개발하고, 공장화재 모사 실험을 통해 기존 드렌처 노즐 및 물분무 노즐과의 성능을 정량적으로 비교⋅분석하였다. 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
첫째, Hollow + Flat (45°) 노즐이 수원 효율과 방어 성능의 최적 균형을 달성하였다. 90 s 수막 운용 시 44.78 L의 물을 사용하여 드렌처 노즐(276.5 L) 대비 83.8%의 수원을 절감하면서도, 무차원 상대효율 기준 복사열 차단 효율 0.71, 냉각 효율 0.45를 확보하였다. 운용지속성 지표(operation multiplier)는 6.17로, 동일 수원 조건에서 드렌처 노즐 대비 약 6배 이상 장시간 수막 운용이 가능함을 의미하며, 소방펌프차의 한정된 수원으로도 장시간 방어주수가 가능한 실질적 이점을 제공한다.
둘째, 분무 형태와 분사각도가 성능에 유의한 영향을 미쳤다. Hollow-cone 분무는 복사열 차단, Full-cone 분무는 패널 표면 냉각, Flat-fan 분무는 수막의 공간적 연속성 확보에 기여하는 역할 분담 메커니즘이 확인되었으며, 이들의 조합이 최소 수원으로 복합적 방어 효과를 달성하는 핵심 요인으로 작용하였다. 45° 분사각은 90° 분사각 대비 패널 표면 충돌 효율이 높아 우수한 냉각 성능을 보였으며, 측정된 액적 크기(300～460 μm)는 적외선 파장대에서 높은 복사 감쇠 효율을 나타내는 범위에 해당하였다.
셋째, 하이브리드 노즐은 현행 소방펌프차 표준 방수압력(0.3 MPa) 범위 내에서 운용 가능하므로 기존 소방 인프라와의 연계를 통한 현장 적용 가능성이 높으며, 수원 확보가 제한적인 산업단지에서 현실적인 화재확산 방지 수단으로 활용될 수 있다.
본 연구는 실내 무풍 조건, 소규모 화원(0.48 MW), 고정 이격거리(1.0 m) 조건에서 수행되어 실제 대형 공장화재 조건을 완전히 반영하지 못하는 한계가 있다. 향후 연구에서는 본 실험의 데이터를 기반으로 바람 조건, 다양한 화재규모 및 이격거리를 고려한 확장 실험과 FDS 수치해석을 통해 하이브리드 노즐의 실무 적용 기준을 구체화할 예정이다.
후 기
본 연구는 소방청 소방현장 활동지원 기술개발사업(2760000048)의 연구비 지원을 받아 수행되었습니다.