[논문]산불로부터 목조문화재 보호를 위한 수막노즐의 성능에 관한 연구

김경진; 송동우; 이수경

doi:10.7731/kifse.2012.26.3.008

산불로부터 목조문화재 보호를 위한 수막노즐의 성능에 관한 연구
A Study on Performance of Water Curtain Nozzles for Protection of Wooden Cultural Properties from Forest Fire 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.26 no.3, 2012년, pp.8 - 13

김경진 ((주)한국소방엔지니어링 R&D센터) , 송동우 (서울과학기술대학교 에너지안전공학과) , 이수경 (서울과학기술대학교 에너지안전공학과)

초록
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중요 목조문화재를 산불이나 인접 건축물의 화재로부터 보호하기 위한 방안으로 수막노즐을 제시하였다. 바닥으로부터 일정압력 이상으로 상승하는 물줄기로 수막을 형성하여 복사열을 차단함으로써 $200{\sim}250^{\circ}C$에서 발생하는 목재의 열분해를 막기 위한 것으로 기존에 설치되어 있는 강원도 낙산사와 전라남도 무위사의 수막노즐의 설치상태를 확인해 보았고 이를 보완 개량하기 위한 방안으로 평상시 덮개에 덮인 노즐을 설치하여 경관을 손상시키지 않게 하였고 사용 시 수직상승하여 물을 분사할 수 있는 상하승강식 노즐봉과 이를 효과적으로 설치하는 방법에 대하여 연구되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study suggests the water curtain nozzles as the way to protect important wooden cultural properties from an adjacent building fire or a forest fire. They are designed to block off the pyrolysis of timbers which occurs at $200{\sim}250^{\circ}C$ by forming a water curtain with the flow of water that spouts over a certain pressure from the bottom. The existing water curtain nozzles installed at the following sites were examined: NakSan-sa (Temple) in Gangwon-do (Province) and in Muwisa (Temple) in Jeollanam-do (South Province). As a way to improve and complement the system, this study designed nozzles with covers in order not to disrupt the landscape. Connected pipes are elevated and jet water when they are in use. Possible ways to install the connected elevating pipes to jet water effectively were investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 예측 가능한 산불 및 주위 산림화재로부터 문화재를 효과적으로 보호하기 위하여 지면 아래에 노즐을 설치하고 화재시 수직으로 물을 분사하여 수막을 형성하게 함으로써 목조문화재를 산불로부터 보호하기 위한 수막노즐봉 및 수막노즐을 개발하고 이를 적절히 설치하는 방안을 제시하기 위함이다.

제안 방법

고안된 수막노즐의 연결봉은 평상시 지면 아래에 감추어져 있는 상태에서 방사를 위하여 배관내 가압수가 1.0 kgf/cm² 이상이 되면 노즐봉과 노즐이 분리되며 축이 상부로 돌출하는 상하승강식을 적용하였다. 이러한 노즐의 연결봉은 주위의 작은 돌이나 나뭇가지 등의 장애물이 있을 경우에도 직접적으로 영향을 받지 않고 지면위로 돌출되게 하여 효과적으로 노즐의 성능을 발휘할 수 있도록 하였다.
넓은 범위로의 분사를 고려하기 위하여 노즐봉 TIP 2의 연결봉에 110°로 분사되도록 오리피스 부분에 각을 주어 제작된 12 mm 구경의 부채꼴형 노즐로 수막형성을 유도하였다.
수막설비는 지속적으로 물의 막을 형성시켜 비산하는 불똥을 막고 수열되는 복사에너지를 낮춰 산불과 인접 동의 화재로부터 문화재를 보호하기 위한 것이다. 아무리 문화재 보호를 위한 설비라 할지라도 경관을 훼손시켜서는 안되기에 평상시 지하에 설치하여 일정 압력 이상에서 수직상승하여 물을 분사시킬 수 있는 노즐봉을 고안하였고 토사나 이물질 등에 의한 영향을 받지 않도록 하기 위해 덮개를 제시하였다.

성능/효과

5 lpm으로 TYPE-1 보다 66 % 이상 많았다. TYPE-1과 TYPE-2의 방사패턴은 5 kgf/cm²정도에서 퍼진 물은 바로 아래로 떨어지지 않으며 주변 기류의 영향을 받아 주변을 적시게 됨을 알 수 있었다.
노즐봉에 사용하기 위한 노즐로 원형노즐과 부채꼴형 노즐을 고안하여 시험한 결과, TYPE-1 인 narrow fog nozzle은 7 kgf/cm2에서 8.5 m까지 방사되며, 기둥과 같은 원형으로 균일하게 방사됨을 알 수 있었고 TYPE-2인 straight nozzle은 10 m 높이까지 방사되나, 물의 퍼짐현상이 적어 높은 대상물에 촘촘히 설치되어야 함을 알 수 있었으며, TYPE-3인 wide fog nozzle은 토출량이 상대적으로 많았으나 110°의 부채꼴형으로 넓게 방사되므로 노즐간 간격을 넓게 배치시킬 수 있음을 알 수 있었고 노즐에서 7 kgf/cm2 이상으로 분사될 경우 작은 물방울이 비산되며 주위를 넓게 포용하며 물분무 효과 또한 기대할 수 있을 것으로 판단되므로 각 노즐의 특성에 맞게 이를 적절히 활용할 수 있기를 기대한다.
동일한 노즐봉 TIP을 사용하고 110°각도의 부채꼴형 노즐을 장착한 경우에 실제방사높이는 8.5 m로 높지 않으므로 낮은 대상물에 넓은 간격으로의 설치가 필요하며, TYPE-1보다 간격을 넓게 배치시킬 수 있으므로 상대적으로 적은 수원으로 효과적인 수막노즐을 형성하게 됨을 알 수 있었다.
이상에서는 부채꼴 형태를 유지하던 물줄기가 미분화되며 8 m 이상 높이까지 올라가기는 하나 기류의 영향을 심하게 받는다. 방사패턴상 4 kgf/cm²까지는 물줄기가 보일정도로 직사주수의 형태를 보였으며 5 kgf/cm²이상에서는 물줄기외에 물방울 미립자가 형성되어 주위로 비산되는 것을 확인할 수 있었으므로 4 kgf/cm² 이전보다는 5 kgf/cm² 이후에서 바람의 영향으로 입자들이 비산되는 것을 알 수 있었다.
Figure 7은 노즐의 TYPE-3(wide fog nozzle; 노즐봉 TIP 1에 부채꼴형 노즐 부착)의 압력에따른 방사높이곡선 그래프이며, Table 5는 압력에 따른 방사높이 값을 제시한 것이다. 부채꼴형 노즐을 장착시킨 TYPE-3(wide fog nozzle)의 압력에 따른 방사높이 곡선에 의하면 7 kgf/cm²의 압력에서 8.5 m의 방사높이를 보이며 4 kgf/cm²까지의 상승하던 방사높이곡선이 5 kgf/cm² 이후에서 둔화됨을 확인 할 수 있었다.
부채꼴형 노즐을 장착시킨 TYPE-3의 압력에 따른 토출량 곡선에 의하면 방사높이(Shooting range) 특성과는 다르게 4 kgf/cm²의 압력에서 107 lpm, 7 kgf/cm²의 압력에서 141.5 lpm이 토출되어 토출압력에 따라 토출량이 증가 됨을 볼 수 있었다.
원형노즐을 장착한 노즐봉 TIP 1과 노즐봉 TIP 2의 실험결과에 의하면, 노즐봉 TIP 2를 사용한 TYPE-1(narrow fog nozzle)은 7 kgf/cm²에서 방사높이 8.5 m, 37.5 lpm을 토출하였으며, TYPE-2(straight nozzle)은 방사높이 16 m, 62.5 lpm을 토출하므로 TYPE-1은 상대적으로 적은 토출량에 방사범위가 넓어 문화재 주위에 균등하게 배치시 적은 물량으로 상대적인 효율성을 기대할 수 있고 TYPE-2의 경우 방사높이는 15 m까지 상승하나 물줄기가 직선형태로 올라가게 되므로 높은 대상물에 촘촘한 간격으로 설치가 필요하고 상대적으로 많은 수원을 필요로 하게 되므로 대상물이 높고 다량의 수원을 확보한 문화재에 대하여 사용이 가능함을 알 수 있었다.
방사높이는 측벽에 분사하여 건물로부터 수직으로 높이를 측정한 것으로, Figure 4는 노즐의 TYPE-1(narrow fog; 노즐봉 TIP 2에 원형노즐 부착)과 노즐의 TYPE-2(straight; 노즐봉 TIP 1에 원형노즐 부착)의 압력에 따른 방사높이 곡선 그래프이며, Table 3은 압력에 따른 방사높이 값을 제시한 것이다. 이에 따르면 7 kgf/cm²의 압력에서 TYPE2의 방사높이가 16 m로 TYPE-1인 8.5 m보다 88 % 이상의 높이까지 방사되었으며, TYPE-1은 10 kgf/cm²에서 10 m높이까지 방사됨을 알 수 있었다. TYPE-2의 방사패턴은 3 kgf/cm² 정도까지는 물의 퍼짐없이 직선적으로 올라가며, 4 kgf/cm² 이상부분에서는 물기둥의 형태는 유지하되 외부로의 퍼짐현상이 나타난다.

후속연구

우리나라의 목조문화재 보호를 위한 소방시설에 대한 연구는 많지 않으며, 수막노즐을 이용한 연구 또한 부족한 것이 현실이므로 문화재를 화재로부터 보호하기 위한 연구는 계속되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중요 목조문화재를 산불이나 인접 건축물의 화재로부터 보호하기 위한 수막 노즐을 보완 개량하기 위해 본 고에서 연구한 방안은?	중요 목조문화재를 산불이나 인접 건축물의 화재로부터 보호하기 위한 방안으로 수막노즐을 제시하였다. 바닥으로부터 일정압력 이상으로 상승하는 물줄기로 수막을 형성하여 복사열을 차단함으로써 $200{\sim}250^{\circ}C$에서 발생하는 목재의 열분해를 막기 위한 것으로 기존에 설치되어 있는 강원도 낙산사와 전라남도 무위사의 수막노즐의 설치상태를 확인해 보았고 이를 보완 개량하기 위한 방안으로 평상시 덮개에 덮인 노즐을 설치하여 경관을 손상시키지 않게 하였고 사용 시 수직상승하여 물을 분사할 수 있는 상하승강식 노즐봉과 이를 효과적으로 설치하는 방법에 대하여 연구되었다.

참고문헌 (5)

M. G. Kim, "A Review of Mountain Fire Disaster in Korea", Kwandong University (2008. 2).
Installation, Maintenance, and Safety Control of Fire- Fighting Systems Act Enforcement Decree [attached Table 4].
Cultural Heritage Protection Act article 14.
M. S. Oh, "A Study of Improvement of Cultural Heritage Disaster Management, Focused on Temple Fire Prevention", Mokwon University (2005. 12).
W. S. Kim, "A Study on Fire Safety of Korea Traditional Wooden Building", University of Seoul (2008. 8).

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