The sprinkler system is a basic fire extinguishing system that uses water as an extinguishing agent. In order to evaluate the fire extinguishing performance of the sprinkler system, information such as the discharge angle, discharge speed, discharge pressure, flow rate, and water droplet size of the...
The sprinkler system is a basic fire extinguishing system that uses water as an extinguishing agent. In order to evaluate the fire extinguishing performance of the sprinkler system, information such as the discharge angle, discharge speed, discharge pressure, flow rate, and water droplet size of the installed head are required. However, there is a lack of research on droplets size compared to other requirements. In this study, to evaluate the extinguishing characteristics of sprinkler system, the droplet size distribution was measured for various types of sprinkler heads actually used. The size of the droplet was measured using laser diffraction method. The 50% cumulative volume distribution ($D_{v50}$) according to discharge coefficient(K factor) was $540{\mu}m{\sim}695{\mu}m$ for K50, $542{\mu}m{\sim}1,192{\mu}m$ for K80, $980{\mu}m{\sim}1,223{\mu}m$ for K115 and $1,188{\mu}m{\sim}1,234{\mu}m$ for K202. Based on the measured results, the vaeiance of the droplet particle distribution and the distribution ($D_{v50}$) according to discharge coefficient(K factor) was $540{\mu}m{\sim}695{\mu}m$ for K50, $542{\mu}m{\sim}1,192{\mu}m$ for K80, $980{\mu}m{\sim}1,223{\mu}m$ for K115 and $1,188{\mu}m{\sim}1,234{\mu}m$ for K202. Based on the measured results, the vaeiance of the droplet particle distribution and the Rosin-Rammler index value are presented. As a result of the fire simulation with FDS, it was confirmed that the performance difference occurs according to the water droplet size distribution even when the same amount of water is used. Therefore, the extinguishing performance of the sprinkler system should be evaluated considering the droplet size distribution according to the sprinkler head type.
The sprinkler system is a basic fire extinguishing system that uses water as an extinguishing agent. In order to evaluate the fire extinguishing performance of the sprinkler system, information such as the discharge angle, discharge speed, discharge pressure, flow rate, and water droplet size of the installed head are required. However, there is a lack of research on droplets size compared to other requirements. In this study, to evaluate the extinguishing characteristics of sprinkler system, the droplet size distribution was measured for various types of sprinkler heads actually used. The size of the droplet was measured using laser diffraction method. The 50% cumulative volume distribution ($D_{v50}$) according to discharge coefficient(K factor) was $540{\mu}m{\sim}695{\mu}m$ for K50, $542{\mu}m{\sim}1,192{\mu}m$ for K80, $980{\mu}m{\sim}1,223{\mu}m$ for K115 and $1,188{\mu}m{\sim}1,234{\mu}m$ for K202. Based on the measured results, the vaeiance of the droplet particle distribution and the distribution ($D_{v50}$) according to discharge coefficient(K factor) was $540{\mu}m{\sim}695{\mu}m$ for K50, $542{\mu}m{\sim}1,192{\mu}m$ for K80, $980{\mu}m{\sim}1,223{\mu}m$ for K115 and $1,188{\mu}m{\sim}1,234{\mu}m$ for K202. Based on the measured results, the vaeiance of the droplet particle distribution and the Rosin-Rammler index value are presented. As a result of the fire simulation with FDS, it was confirmed that the performance difference occurs according to the water droplet size distribution even when the same amount of water is used. Therefore, the extinguishing performance of the sprinkler system should be evaluated considering the droplet size distribution according to the sprinkler head type.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 시중에서 유통되고 있는 다양한 종류의 스프링클러헤드의 물방울크기 및 분포를 측정하여 스프링클러의 방사특성 해석에 필요한 데이터베이스를 제공하고, 화재 시뮬레이션을 통해 물방울 크기 분포에 따른 소화성능의 차이를 비교하고자 한다.
제안 방법
물방울의 크기를 측정하기 위해 스프링클러헤드에는 ｢스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에 따라 0.1 MPa의 압력을 가하였다. 스프링클러헤드의 방사 패턴은 일반적으로 중공형(Hollow Cone)으로 나타나기 때문에 스프링클러헤드의 반사판을 기준 으로 하부 1 m, 반경 0.
1 MPa의 압력을 가하였다. 스프링클러헤드의 방사 패턴은 일반적으로 중공형(Hollow Cone)으로 나타나기 때문에 스프링클러헤드의 반사판을 기준 으로 하부 1 m, 반경 0.9 m의 지점에서 측정하였으며, 레이저광의 측정경로 거리는 약 3 m이며, 종류별 스프 링클러헤드에 대하여 10회 반복 측정하였다6). 물방울의 크기는 일반적으로 누적체적분포(CVF)를 활용하여 표시하고 있으며, 스프링클러설비 헤드의 경우 50% 누적체적분포(Dv50)를 물방울 크기의 평균값으로 활용하고 있다.
화재모델링은 Pyrosim 사에서 제시하는 Room Fire 모델을 참조하여11) Fig. 7과 같이 실온 20℃, 5.2 m × 4.6 m × 2.4 m 크기의 구획실 화재를 설정하였고, 스프링클러 헤드의 초기 방수조건은 유량 80 Lpm, 분사각 135°, 방수개시 시점은 화재발생 1분 후로 설정 하였으며, 물방울의 평균크기 및 \(\gamma\)값은 Table 2의 측정된 값을 사용하였다.
미국 NIST에서 개발한 화재 시뮬레이션 프로그램인 FDS를 이용하여 스프링클러 헤드 물방울 입자 분포에 따른 소화성능 비교를 진행하였다. 화재모델링은 Pyrosim 사에서 제시하는 Room Fire 모델을 참조하여11) Fig.
4 m 크기의 구획실 화재를 설정하였고, 스프링클러 헤드의 초기 방수조건은 유량 80 Lpm, 분사각 135°, 방수개시 시점은 화재발생 1분 후로 설정 하였으며, 물방울의 평균크기 및 \(\gamma\)값은 Table 2의 측정된 값을 사용하였다. 스프링클러 헤드의 성능 비교는 KS B ISO 6182-1을 참고하여, 1분간 자유연소 후 화재실 중앙부에 설치된 스프링클러 헤드 작동 후 화재실 천장의 온도가 초기온도(T0)+275℃가 되는 시점을 비교하였다12).
1) 스프링클러 헤드의 물방울 크기는 Dv50 이하의 경우 대수정규분포를, Dv50 이상에서는 Rosin-Rammler 분포를 따르는 것을 확인하였으며, FDS 등의 화재시뮬이 션에서 스프링클러의 방사특성 해석을 위한 평균크기, \(\sigma\) 및 \(\gamma\)값 등의 데이터베이스를 제시하였다.
본 실험에서는 스프링클러 설비의 설계 및 성능평가를 위해서 다양한 종류의 스프링클러 헤드에 대한 물방울 크기 측정하고 그 결과를 이용하여 화재 시뮬레이션을 실시한 결과 다음의 결론을 얻었다.
대상 데이터
실험에 사용된 스프링클러헤드는 ｢스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에 따른 방수상수 K값이 50, 80, 115, 202인 제품으로 국내에서 생산되는 제품 및 일부 해외 제품에 대하여 실험을 진행하였다. 방수상수 K는 스프링클러 헤드의 형상, 크기 등에 의해 결정되는 고유값으로 \(Q=K \sqrt {10p}\) 7) (Q:방수량 (ℓ/min), p:방수압력(MPa))의 공식을 이용하여 실험적으로 측정할 수 있다.
스프링클러 헤드 중 가장 널리 사용되고 있는 K80 제품 중 Dv50 값이 최대․최소인 제품에 대하여 시뮬레 이션을 실시하였다.
이론/모형
실험장치는 Sympatec사의 레이저 회절측정 방식의 HELOS VARIO제품을 이용하여 물방울의 크기 및 분포를 측정하였다8). Fig.
성능/효과
K50 Flush형의 경우 Dv50 540 ㎛ ~ 695 ㎛, K80 Flush형의 경우 Dv50 542 ㎛ ~ 854 ㎛, K80 Pendent형의 경우 Dv50 697 ㎛ ~ 1,192 ㎛, K115 Pendent형의 경우 Dv50 980 ㎛ ~ 1,223 ㎛, K202 Pendent형의 경우 Dv50 1,188 ㎛ ~ 1,234 ㎛의 분포를 나타내고 있어. 동일한 형태의 스프링클러 헤드라 하더라고 세부구조의 차이에 타라 물방울 크기가 최대 2배가량 차이가 발생함을 확인할 수 있으며, 입자의 크기가 작은 경우 즉 그래프의 좌측편에 위치할수록 입자 분포 폭은 넓어지고, 입자 크기가 상대적으로 큰 경우 입자의 분포폭은 좁아지는 경향을 보이고 있다.
8은 발화 후 천장면의 온도변화를 나타내고 있다. 화재 발생 후 천장면의 온도는 지속적으로 상승하다 스프링클러가 작동함에 따라 주변이 냉각되어 온도가 하강하는 것을 알 수 있으며, 스프링클러 작동 후 SP #14의 경우 9초, SP #13의 경우 35초 경과 후 천장의 온도가 초기온도+275℃로 냉각되었다. 이는 상대적 으로 입자크기가 큰 SP #14 헤드의 경우 물방울이 신속히 화원에 침투하여 주변을 냉각시켜 온도를 낮추는 것으로 판단된다.
2) 스프링클러 헤드 종류에 따라 K50 Flush형의 경우 Dv50 540 ㎛ ~ 695 ㎛, K80 Flush형의 경우 Dv50 542 ㎛ ~ 854 ㎛, K80 Pendent형의 경우 Dv50 697 ㎛ ~ 1,192 ㎛, K115 Pendent형의 경우 Dv50 980 ㎛ ~ 1,223 ㎛, K202 Pendent형의 경우 Dv501,188 ㎛ ~ 1,234 ㎛의 분포를 나타내었다.
3) 측정된 물방울 크기 분포를 적용하여 화재시뮬레이션을 실시한 결과, 동일한 80 Lpm의 방수량을 적용하더라도 물방울 크기 분포에 따라 초기온도(T0)+275℃ 가되는 시점이 SP #14의 경우 9초, SP #13의 경우 35초로 소화성능에 차이가 발생함을 확인 할 수 있었다.
후속연구
값을 나타내고 있다. 동일한 방수압력과 방수량을 갖는 경우라도 오리피스의 직경, 반사판의 형태, 반사판과의 거리 및 반사판의 형상에 따라 분포형태가 달라지므로 스프링클러의 방사특성 해석 시 사용된 스프링클러 헤드에 맞는 값을 적용하여야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소방대상물의 특성을 고려하지 못하는 소방설비의 설치는 어떤 결과를 불러오는가?
국내의 경우 스프링클러 설비의 설치는 관련 법령에서 정하는 특정소방대상물의 일반적인 용도에 따라 설계방식이 규정되어 있어 해당 소방대상물의 특성을 반영하지 못하고 있다2) . 이러한 소방시설의 일률적인 설치는 고위험 장소의 경우 소화실패의 우려가 있으며, 저위험 장소는 과잉설비가 이루어져 비효율적으로 운영될 우려가 있다. 미국의 경우 NFPA13에서 규정하고 있는 바와 같이 소방대상물의 용도 및 보관물품의 가연성, 수량, 배치 등에 따라 위험 등급을 산정하여 해당 위험등급에 적합한 살수밀도 및 방호면적을 설정하여 최적화된 소화설비를 설치 운영하고 있다3) .
스프링클러 설비의 장점은?
스프링클러 설비는 물의 높은 기화열과 비열을 이용하여 화재를 초기에 진압․제어하기 위해 널리 사용되는 수계 소화설비이다1). 스프링클러 설비는 소화성능이 우수할 뿐 아니라 인체에 무해하며 설치비용이 상대적으로 저렴하여 그 효과와 신뢰성측면에서 효율적인 설비로 인정되어 대다수의 특정소방대상물에 설치 운영되고 있다.
스프링클러 설비란?
스프링클러 설비는 물의 높은 기화열과 비열을 이용하여 화재를 초기에 진압․제어하기 위해 널리 사용되는 수계 소화설비이다1). 스프링클러 설비는 소화성능이 우수할 뿐 아니라 인체에 무해하며 설치비용이 상대적으로 저렴하여 그 효과와 신뢰성측면에서 효율적인 설비로 인정되어 대다수의 특정소방대상물에 설치 운영되고 있다.
참고문헌 (12)
J. R. Hall, Jr., "US Experience with Sprinklers", National Fire Protection Association, 2013.
MPSS(Ministry of Public Safety and Security, Republic of Korea), "National Fire Safety Codes of Sprinkler Systems (NFSC 103)", 2016.
NFPA 13: Standard for the Installation of Sprinkler Systems
MPSS(Ministry of Public Safety and Security, Republic of Korea), "Performance-oriented Design Methods and Standards for Fire-fighting Systems", 2016.
C. Yao, "Overview of Sprinkler Technology Research", Proceeding of the 5 th International Symposium on Fire Safety Science, Melbourne, Australia, pp. 93-110, 1997.
S. C. Kim and J. Y. Kim, "An Experimental Study on the Droplet Size Distribution of Sprinkler Spray for Residential Building", Journal of ILASS-Korea, Vol. 20, No. 3, pp. 175-180, 2015.
MPSS(Ministry of Public Safety and Security, Republic of Korea), "Standards of Model Approval and Inspection Technology for Sprinker Head", 2016.
www.sympatec.com/KR/LaserDiffraction/HELOS.html
D. T. Sheppard, "Spray Characteristics of Fire Sprinklers", NIST GCR 02-838, 2002.
K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Wenschenk and K. Overholt, "Fire Dynamics Simulator, Technical Reference Guide", Vol. I: Mathematical Model, NIST Gaithersburg, Maryland, 6 th Ed., 2013.
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