1. 서 론
최근 구획화된 건축물이 증가하고, 복합가연물로 인한 열과 연기의 축적이 심화되고 있다. 이러한 고온 및 고농도 연기 환경은 화재 진압 과정에서 소방대원의 시야 확보를 저해하고 열적 부담을 증가시켜 현장 안전성 저하로 인한 순직⋅공상 위험을 높이는 요인으로 작용할 수 있다. 실제로 소방청 통계자료에 따르면 최근 10년간(2015~2024년) 소방공무원 순직⋅공상자 수는 누적 9,049명으로 매년 증가하는 양상이며 연평균 15.0%씩 증가하였다. 특히, 화재가 원인인 순직⋅공상자 수는 매년 평균적으로 전체 순직⋅공상자 수의 20.2%를 차지하는 것으로 나타났다. 이는 화재 현장에서의 위험 요소는 소방대원의 안전에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 시사한다. 따라서 열과 연기의 축적이 심화되는 구획된 환경에서는 화재 진압과 병행하여 열 및 연기를 효과적으로 제어하는 전술이 필요하다. 이러한 환경에서는 연기 축적과 시야 제한으로 인해 소방대원의 내부 진입이 지연되는 사례가 보고되고 있으며, 이는 화재 진압 활동의 어려움을 증가시키고 피해 확대의 요인으로 작용할 수 있다.
배연은 연소하는 장소에서 짙은 연기, 열 등을 계획적으로 제거하는 것으로 대원의 시야를 확보하고 연소 확대를 저지하는 효과가 있어 개구부, 풍향, 화점 위치 등을 종합적으로 판단 후 실시한다. 상황에 따른 적절한 배연 활동은 효율적인 소방활동을 하는데 도움이 된다. 배연에는 특별한 기계나 장비 없이 열⋅연기의 온도차, 압력차, 부력, 풍압 등을 이용하는 자연배연(natural ventilation)과 송풍기, 배연차와 같은 장비를 활용하여 강제적으로 열⋅연기를 외부로 배출하는 강제배연(mechanical ventilation)이 있다. 과거에 소방 현장에서는 흔히 배연 장비를 활용하여 구획 내부에 양압을 형성하는 양압배연(positive pressure ventilation) 전술을 사용하였다. Kerber와 Walton(1)은 구획실 화재 시 양압배연이 미치는 영향을 자연배연과 비교하여 제시하였다. 그동안 강제배연과 자연배연의 효과를 비교한 연구는 되어 왔다(2-3). 하지만 송풍기, 배연차, 연기 차단 커튼(smoke blocking device) 등 소방대원이 현장에서 사용하는 배연장비와 강제배연시스템 등과 같은 배연설비에 대한 연구가 대부분이었다(4-6). 자연배연 및 기계배연은 구조적 설비 또는 전력 공급 조건에 의존하는 한계가 있으며, 화재 초기 단계에서 즉각적인 적용이 어려운 경우가 있다. 이에 반해 수압배연은 별도의 설비 설치 없이 소방관이 보유한 관창을 활용하여 즉시 적용 가능하다는 전술적 장점이 있다. 그러나 수압배연의 효과에 대한 정량적 분석은 제한적으로 수행되어 왔으며, 특히 자연배연과의 비교 연구는 부족한 실정이다.
최근 수압배연(hydraulic ventilation)이 가능한 관창이 화재 현장에 사용되면서 일선 소방서에서는 수압배연을 위한 교육⋅훈련이 활발히 실시되고 있다. 수압배연 관창은 고속분무에 의한 벤츄리 효과(Venturi effect)를 이용하여 열⋅연기를 외부로 배출시킨다. 구획실 화재 시 소방대원의 내부 진입이 불가할 경우 개구부를 이용해 외부에서 배연 활동이 가능하므로 소방대원의 작업 환경 개선과 현장 안전성 확보 측면에서 효과적인 전술이 될 수 있다. 하지만 수압배연의 효과를 정량적으로 도출한 연구는 거의 없으며 특히, 실제 화재 상황을 구현하여 소방대원의 전술적 측면에서 수압배연의 효과를 분석한 연구는 없다. 또한 수압배연 관창은 KFI인증 기준이 없어 화재 현장에서 활용하기 위해서는 장비의 성능과 사용 방법에 대한 주의가 요구된다. 따라서 본 연구에서는 수압배연의 효과를 검토하기 위해 실화재 환경을 모사하여 구획실 화재 시 배연 조건(자연, 수압)에 따른 연기농도 감소와 상층부 온도저감 효과를 정량적으로 도출하였다.
2. 실험 설계
2.1 실험 시설
구획실은 외부에 출입구 1개(Door-1)와 창문 2개(Window-1, 2)를 두고 내부에 구획실 1개를 둔 컨테이너를 사용하였다. 내부 구획실에는 출입구 1개(Door-2)와 외부로 연결되는 창문 1개(Window-2)를 두고 가연물과 점화원을 위치시켜 화재실로 구성하였다. Figure 1은 구획실의 크기와 구성을 나타낸 것이다.
점화원은 가솔린(gasoline)을 연료로 한 pool fire 방식으로 구성하였다. 구획실 코너부에 연소대(0.5 m × 0.5 m)를 위치시켰다. 발열량을 일정하게 유지하고 가솔린이 동일하게 연소될 수 있도록 pool pan에 물 2 L를 깔고 가솔린 0.5 L를 점화원으로 하여 토치를 이용해 점화하였다. 가연물은 연기 발생 특성을 고려하여 목재와 폴리우레탄 폼(polyurethane foam, PU Foam)을 함께 사용하였다. 일반적으로 폴리우레탄 폼은 목재에 비해 연기 발생량이 많고 동일 질량 기준으로 더 큰 부피의 연기를 생성하는 것으로 알려져 있으며(7) 특히 연질 폼보다 경질 폼이 상대적으로 많은 연기를 발생시키는 특성을 가진다(8). 본 실험의 목적은 화재 강도 자체보다는 연기 발생을 충분히 유도하여 배연 조건에 따른 연기 흐름을 관찰⋅분석하는 데 있으므로 단일 가연물에 의한 제한적인 연기 발생을 지양하고 연기 생성 특성이 상이한 가연물을 복합적으로 적용하였다. 본 연구는 열방출률을 정량적으로 제어하기 보다는 배연 조건에 따른 연기 및 온도 변화 특성 비교에 목적이 있으므로 가연물 간 열방출률 기준의 비율은 별도로 산정하지 않았다. Table 1은 실험에 사용된 연료와 가연물의 종류와 양을 나타낸 것이고 Figure 2는 실제 구획실의 외부 및 내부 모습과 가연물 구성을 나타낸 것이다.
2.2 실험 장비
실험에 사용된 주요 장비로는 하이드로 벤트 관창(hydraulic ventilation nozzle)과 휴대용 감광식 연기 농도계(real-time optical smoke meter)가 있다. 하이드로 벤트 관창은 수압 배연이 가능한 관창으로 기본 원리는 벤츄리 효과를 이용한 배연 기능을 구현한다. 관창을 통해 구획실 밖으로 고유속 물을 방사시키면 물줄기 주변 압력이 급격히 낮아져 화재실 내부의 열⋅연기는 압력이 낮은 외부로 배출된다. 추가적으로 하이드로 벤트 관창은 안개노즐을 화재실 바깥쪽으로 향하게 하여 내부의 양압상태를 유지시켜 화재실의 연기와 열기를 밖으로 배출시키고 소화노즐을 화원에 직접 방사하여 화재를 진압하는 기능도 있다. 본 실험에서는 외산 제품(Nozzle A)과 국산 제품(Nozzle B)을 1종씩 선택하여 사용하였다. Table 2는 실험에 사용된 관창 2종의 특성을 비교한 것이다.
Table 2
Comparison of Hydraulic Ventilation Nozzles Used in the Experiment
| Category | Nozzle A | Nozzle B |
|---|---|---|
| Flow Rate (LPM) | 359.6 | 300.0 |
| Weight (kg) | 7.3 | 7.3 |
| Nozzle Diameter (mm) | 40 | 32 |
| Image |
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연기 농도계는 Beer-Lambert 법칙에 근거한 감광식 측정 방식으로 연기 입자에 의해 발생하는 광 투과 강도 감소를 이용하여 연기 차광률(smoke obscuration)을 산정한다. 연기 차광률은 식(1)과 같이 정의된다.
여기에서 I0는 광원의 초기 광도, I는 연기를 통과한 후의 광도를 의미한다. 연기 중에서의 광 감쇠는 Beer-Lambert 법칙에 따라 식(2)와 같이 표현된다.
여기에서 k는 광 감쇠계수(extinction coefficient, m-1), L은 광경로 길이(optical path length, m)를 의미한다. 해당 연기 농도계는 1 m 광경로를 기준으로 차광률을 산정하므로(L = 1 m) 측정값은 차광률(%/m)로 표현된다. 따라서 본 연구에서 연기 차광률은 연기 중 광 감쇠 특성을 정량적으로 나타내는 지표로 활용하였다. Table 3은 실험에 사용된 연기 농도계의 특성을 나타낸 것이다.
2.3 실험 방법 및 절차
연기 발생을 유도하기 위해 Window-1를 제외하고 모든 출입구와 창문을 폐쇄한 채 착화하였다. 착화 후 60 s간 연기 흐름을 확인하고 Window-2를 개방하여 단방향 공기흐름이 형성되도록 하였고 동시에 배연을 실시하였다. 실험은 실제 구획실 화재 시 내부의 열 및 연기로 인해 소방대원의 화재실 내부 진입이 불가한 상황을 구현한 것으로, 구획실 내부에서 수압배연을 실시하는 대신 구획실 외부에서 수압배연 관창을 구획실 개구부(Window-1) 중앙에 설치하여 구획실 내부 연기 차광률이 0%에 도달할 때까지 분사되도록 하였다. Door-1, 2는 실험 전 과정에서 폐쇄 상태를 유지하였다. Figure 3은 수압배연 적용 전과 수압배연 적용 시의 연기 배출 모습이다.
동일한 절차를 배연 조건별로 3회씩 반복 수행하였고 수압배연 조건에서는 Nozzle A와 Nozzle B 두 가지를 각각 적용하였다. 이는 자연배연과 수압배연 조건을 비교하여 수압배연의 효과를 정량적으로 평가하기 위한 실험 취지에 따라 특정 관창에 한정된 결과 도출로 인한 해석상의 한계를 최소화하고자 한 것이다. 수압배연은 사용되는 관창의 분사 형태, 분사량 및 분무 특성에 따라 배연 성능이 달라질 수 있으므로, 단일 관창만을 적용할 경우 해당 관창의 특성에 종속된 결과로 해석될 가능성이 있다. 따라서 실험 결과의 신뢰도와 일반성을 확보하기 위해 수압배연 조건에서 서로 다른 특성을 가진 두 종류의 관창을 각각 적용하여 실험을 수행하였다. Table 4는 실험 수행 조건을 정리하여 나타낸 것이다.
2.4 데이터 측정
실험에서 측정된 데이터는 연기 농도계에 의한 연기 차광률과 온도 측정 센서(thermocouples)에 의한 구획실 상층부의 온도이다.
수압배연 조건에 따른 연기 농도 및 온도 변화를 공간적으로 정량 분석하기 위해 구획실을 총 4개의 구역으로 구분하였다. A 구역은 배기구와 인접한 구조물 상층부로, 수압배연에 의해 외부로 배출되는 연기의 거동과 배연 효율을 직접적으로 확인하기 위한 구역이다. B 구역은 주된 배연 경로에서 벗어난 구조물 상층부로, 수압배연 활동에 따른 직접적인 기류 변화의 영향을 상대적으로 적게 받는 구역이다. C 구역은 화재실 내 화점 인근 구조물 상층부로, 화재 발생 직후의 온도 특성을 파악하기 위한 구역이다. D 구역은 연기 흐름 경로상에 위치한 구조물 상층부로, 연기가 구획실 내부를 따라 이동하는 과정을 확인하기 위한 구역이다.
연기 농도계는 배연 활동에 따른 국부적인 유동 변화의 영향을 크게 받지 않아 연기 농도가 비교적 안정적으로 유지되어 연기 차광률 변화를 대표적으로 관측할 수 있는 B 구역에 설치하였다. 온도 측정은 화재 시 고온의 연기가 주로 축적되는 상층부 영역을 대상으로 바닥으로부터 1.6 m 높이부터 상부로 0.2 m씩 이격하여 구역별 4개의 온도 센서를 설치하였다. 연기농도계 및 열전대는 벽면 인근에 설치하였으나, 측정부는 벽체와 직접 접촉하지 않도록 일정 간격을 두어 설치하였다. Figure 4는 구획실 도식도를 나타낸 것으로 열전대 및 연기농도계 설치 위치와 구역(A~D), 그리고 수압배연 관창 적용 위치를 함께 제시하였다.
3. 결과 및 논의
3.1 연기배출 효과
배연 방식에 따른 구획실 내부의 연기 차광률 변화를 비교하였다. Figures 5(a)～5(c)는 배연 방식에 따라 3회씩 수행된 실험에서 연기 차광률 변화를 나타낸 것이고 Figure 5(d)는 배연 방식별 실험 회차의 연기 차광률 평균을 나타낸 것이다. 모든 실험 회차에서 착화 40 s 후 연기 차광률은 100 %/m에 도달하였고 착화 60 s 후부터 배연을 시작하였다. 연기 차광률이 0 %/m에 도달할 때까지 모니터링 하였지만 기록은 6 min간만 나타내었다.
각 배연방식에 따른 연기농도 변화를 확인해 보면, 자연배연의 경우 배연 40 s 후부터 차광률이 낮아져 158 s 이후부터 서서히 감소하는 양상을 보였고(Figure 5(a)), Nozzle A 적용 시 배연 37 s 후부터 차광률이 낮아져 배연 50 s 후부터 급격히 감소하는 양상을 보였으며(Figure 5(b)), Nozzle B 적용 시 배연 28 s 후부터 차광률이 낮아져 배연 70 s 후부터 급격히 감소하는 양상을 보였다(Figure 5(c)).
수압배연 조건에서는 자연배연에 비해 연기 차광률 감소가 더 이른 시점에서 시작되며, 그 감소 양상이 보다 급격하게 나타나는 특징을 보였다. 또한 회차별 연기 차광률 평균(Figure 5(d))도 유사한 연기 차광률 변화 경향이 관찰되어 실험 결과의 재현성이 확보된 것으로 판단된다. 한편, 적용된 관창 종류에 따른 연기 차광률 변화의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 수압배연은 자연배연에 비해 구획실 내부의 연기를 외부로 보다 효과적으로 배출시키는 배연 방식으로 평가할 수 있다.
본 연구에서는 배연 효과를 정량적으로 비교하기 위하여 소방활동에 필요한 최소 가시거리를 고려하였다. Shin 등(9)은 짙은 연기 상황에서 영상처리 기술의 시야 개선 효과성을 검토하기 위해 밀폐된 구획실에서 연기의 발생량에 따른 시야를 단계화하였다. 연구 결과에 따르면 소방활동을 위해서는 V4 단계(3.5 m)의 가시거리가 확보되어야 함을 제시하였다. 이를 Jin(10)의 가시거리-광 감쇠계수 관계식에 적용하면(반사물 기준) 약 60 %/m 수준에서 해당 가시거리가 확보되는 것으로 환산된다. 이에 본 연구에서는 약 60 %/m를 시야 확보의 운용적 기준으로 설정하고 해당 수준에 도달하는 시간을 조건별로 비교하였다. 연기 차광률이 약 60 %/m에 도달하는 시간은 자연배연 조건에서 배연 375 s 후, Nozzle A 적용 시 배연 178 s 후, Nozzle B 적용 시 배연 174 s 후로 나타났다(Figure 5(d)). 즉, 소방대원이 구획실 내부 구조물을 식별할 수 있는 시야가 확보되기까지의 배연 시간은 자연배연 대비 수압배연 시 약 52.5% 단축되는 것으로 분석되었다.
3.2 상층부 냉각 효과
각 구역별 상층부 온도 분포 및 수압배연 적용에 따른 온도 저감 특성을 비교하였다. Figure 6은 각 구역의 배연 방식에 따른 온도 변화를 비교하여 나타낸 것이다. 표시된 온도는 구역별로 서로 다른 4개의 높이에서 측정된 평균 온도이다. 착화 이후 모든 조건에서 상층부 온도는 점차 상승하였으며, 착화 60 s 후 배연이 시작되자 온도 하강이 시작되었다. 배연 조건 간 냉각 효과를 동일 기준에서 비교하기 위한 기준 온도로 상층부 온도 50 ℃를 설정하였다. 화재 초기에 상층부 온도가 급격히 상승하는 점을 고려할 때, 50 ℃는 충분한 냉각이 이루어진 상태를 나타내는 비교 지점으로 판단하였으며, 해당 수준에 도달하는 시간을 조건별로 분석하였다.
Nozzle 적용 시 배연 후 모든 구역에서 빠른 온도 저감이 관찰되었다. 특히, C 구역(화재실)을 제외한 A, B, D 구역에서는 배연 후 240 s 이내에 상층부 온도가 50 ℃ 이하로 감소하였다. 하지만 자연배연의 경우 배연 후 모든 구역의 온도가 완만하게 감소하는 경향을 보였고 배연 후 360 s 이내에 상층부 온도 50 ℃ 이하로 감소되지 않았다.
실험은 동일한 조건에서 수행되었지만 화재실험 특성에 의해 구역별 초기 온도 차이가 상이하게 나타났다. 이에 따른 영향을 최소화하기 위해 절대 온도 감소량이 아닌 초기 온도 대비 상대적인 온도 하강률을 고려하였다. 배연 조건에 따른 배연 후 각 구역별 온도 변화 특성을 정량적으로 비교하기 위해 온도 하강이 시작되는 시점의 온도와 해당 시점으로부터 30 s 후의 온도 차이를 활용한 온도 하강률(temperature reduction rate, TRR)을 식(3)과 같이 계산하여 Table 5에 제시하였다.
Table 5
Comparison of Temperature Reduction Rates in Each Zone According to Ventilation Method
여기에서 T0는 배연 후 온도 하강이 시작되는 시점의 온도(℃), T30는 T0시점으로부터 30 s 후의 온도(℃)를 의미한다. 30 s 구간은 배연에 따른 직접적인 열 제거 효과가 지배적으로 나타나는 단기 구간으로, 장시간 구간을 적용할 경우 외기 혼입, 연소 지속 및 재순환 유동 등의 복합적인 영향이 포함될 수 있어 초기 냉각 효과 비교에는 적합하지 않다고 판단하였다.
전반적으로 자연배연은 모든 구역에서 수압배연에 비해 낮은 온도하강률을 보였다. 이는 수압배연이 고온 연기층의 체류 시간을 단축시키고 상층부 열을 보다 신속하게 외부로 배출시키는 역할을 한다고 볼 수 있다. 특히 A 구역(배기구 인접부)과 D 구역(연기 흐름 경로)에서 B 구역과 C 구역에 비해 상대적으로 높은 온도 하강률이 나타난 것은, 개구부에서 적용된 수압배연 관창의 분사 유동이 상층부 연기층을 직접적으로 교란하고 배출을 촉진한 결과로 판단된다. 반면, B 구역은 주된 배연 경로에서 이격된 위치에 있어 상대적으로 유동 영향이 제한적이었으며 C 구역은 지속적인 열 발생이 존재하는 화재실 내부로서 온도 저감 효과가 상대적으로 완만하게 나타난 것으로 해석된다. 이는 수압배연의 온도 저감 효과가 구획실 전반에 균일하게 작용하기보다는 배연 유동이 직접적으로 형성되는 영역에서 보다 크게 나타남을 시사한다.
자연배연 조건의 B 구역에서는 30 s 구간 동안 온도가 일시적으로 상승하여 음의 온도하강률이 나타났다. 이는 해당 구역이 주된 배연 유동 경로에서 이격되어 있어 배연 직후 상층부 고온 연기의 지연 이동 또는 국부적 열 축적이 발생한 결과로 해석된다. 즉, 자연배연 조건에서는 배연 초기에도 구획실 내부 유동이 균일하게 형성되지 않아 일부 구역에서 단기적인 온도 상승이 나타날 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 구획실 내부에 열과 연기가 가득찬 상황을 구현하고, 소방대원이 내부로 진입하지 않고 외부 개방된 창을 통해 관창을 적용하였을 때 수압배연의 효과를 검토하였다. 내부의 연기 농도와 상층부 온도 변화를 자연배연 조건과 비교하였다. 그 결과 첫째, 수압배연은 자연배연에 비해 연기 차광률의 급격한 감소 시점이 2배 이상 빠르고 연기 차광률 100%에서 주변시야가 확보되는 연기 차광률 60%까지 도달하는데 소요되는 시간이 약 52.5% 단축되는 것으로 나타났다. 따라서 수압배연은 구획실 내부 연기를 외부로 배출하는 데 효과적인 배연 기법임을 확인하였다.
둘째, 자연배연에 비해 수압배연은 관창의 소화노즐을 활용함으로써 구조물 내부 상층부 온도 냉각 효과가 큰 것으로 나타났다. 동일 구역의 온도 하강률은 자연배연에 비해 수압배연이 2.7~17.2배 크며 배연 유동이 직접적으로 작용하는 영역에서 그 효과가 두드러지는 것으로 확인되었다.
본 연구는 현장에서 사용되는 상용 관창을 대상으로 자연배연과 수압배연의 효과를 비교한 실험으로, 노즐 직경과 유량을 독립 변수로 분리하여 통제한 연구는 아니다. 따라서 노즐 직경 고정 후 유량 변화에 따른 효과 분석 또는 유량 고정 후 직경 변화에 따른 영향 검토는 향후 추가 연구를 통해 체계적으로 분석될 필요가 있다. 또한 본 연구에서는 연기 차광률과 상층부 온도 변화를 중심으로 수압배연의 효과를 분석하였으며, 구획실 내⋅외부 압력 변화는 측정하지 못하였다. 수압배연은 개구부를 통한 압력 구배 형성에 의해 유동이 유도되는 특성을 가지므로, 향후 압력 센서를 활용한 내⋅외부 압력 변화 계측을 통해 배연 유동 특성을 보다 정량적으로 규명할 필요가 있다.
본 연구를 통해 수압배연의 효과를 자연배연과 비교하여 정량적으로 도출하고 수압배연 관창의 현장 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구 결과는 구획실 화재 상황에서 소방대원의 안전 확보와 효율적인 화재 진압을 위한 수압배연 전술의 교육⋅훈련 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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