The sprinkler system is a basic fire extinguishing system widely used, but there is a lack of quantitative assessment of its performance. In this study, to evaluate the fire extinguishing performance of the sprinkler head according to the discharge coefficients, experiments were conducted. Experimen...
The sprinkler system is a basic fire extinguishing system widely used, but there is a lack of quantitative assessment of its performance. In this study, to evaluate the fire extinguishing performance of the sprinkler head according to the discharge coefficients, experiments were conducted. Experimental sprinkler heads were selected with heads having K50, K80 and K115 water discharge coefficients, and the fire source was assumed to be an indoor fire in Class A Model 1. As experimental results, the time required for the fire chamber to cool down to $200^{\circ}C$ was 26 seconds for the K115 head, 414 seconds for the K80 head, and 481 seconds for the K50 head, so the cooling time of the K115 head was decreased by 94.5% compared to K50 head. In the case of restoring the oxygen concentration to 15%, the K115 head did not decrease below the oxygen concentration of 15%, and the K80 head took 145 seconds and the K50 head took 484 seconds. The lowest oxygen concentration in the fire chamber was 16.1% for the K115 head, 14.33% for the K80 head, and 11.28% for the K50 head, indicating that the K115 head was superior to the K80 and K50 heads by 13.1% and 43.7%, respectively. As the experimental results show, there is big difference in the extinguishing performance depending on the discharge coefficients of the sprinkler head. Therefore, in designing the sprinkler system, the discharge coefficients of the sprinkler head should be selected considering the heat release rate at the installation site and the fire extinguishing characteristics of sprinkler head.
The sprinkler system is a basic fire extinguishing system widely used, but there is a lack of quantitative assessment of its performance. In this study, to evaluate the fire extinguishing performance of the sprinkler head according to the discharge coefficients, experiments were conducted. Experimental sprinkler heads were selected with heads having K50, K80 and K115 water discharge coefficients, and the fire source was assumed to be an indoor fire in Class A Model 1. As experimental results, the time required for the fire chamber to cool down to $200^{\circ}C$ was 26 seconds for the K115 head, 414 seconds for the K80 head, and 481 seconds for the K50 head, so the cooling time of the K115 head was decreased by 94.5% compared to K50 head. In the case of restoring the oxygen concentration to 15%, the K115 head did not decrease below the oxygen concentration of 15%, and the K80 head took 145 seconds and the K50 head took 484 seconds. The lowest oxygen concentration in the fire chamber was 16.1% for the K115 head, 14.33% for the K80 head, and 11.28% for the K50 head, indicating that the K115 head was superior to the K80 and K50 heads by 13.1% and 43.7%, respectively. As the experimental results show, there is big difference in the extinguishing performance depending on the discharge coefficients of the sprinkler head. Therefore, in designing the sprinkler system, the discharge coefficients of the sprinkler head should be selected considering the heat release rate at the installation site and the fire extinguishing characteristics of sprinkler head.
따라서 본 연구에서는 국내에서 실제 설치되고 있는 스프링클러의 헤드에 대하여 표준화된 화원에 대한 실화재 시험을 통해 천장면의 온도변화, 실내 산소농도 변화, 잔염여부등을 확인하여 방수상수 K값의 변화에 따른 스프링클러 헤드의 소화성능의 차이를 비교하여 효과적인 헤드설치가 이루어질 수 있도록 하고자 한다.
제안 방법
방수상수 K값에 따른 스프링클러 헤드의 소화성능 비교를 위한 성능기준은 인명안전, 재산보호 및 화재 확산방지등을 고려하여 ｢소방시설 등의 성능위주설계 방법 및 기준｣8) 및 해외 선진 소방국의 성능기준9) 등을 참조하여 다음과 같이 설정하였다.
실험공간은 Fig. 3에서 보여주는 것과 같이 전체 2.5 m × 4.5 m × 2.5 m의 크기에 2.0 m × 0.8 m의 개구부가 있는 철재 공간을 사용하였으며, 실험실의 중앙부에 스프링클러헤드를 설치하고 스프링클러설비에 일반적으로 사용되는 원심펌프(HYOSUNG : HTM 80)를 사용 하여 수조의 소화수를 스프링클러헤드로 공급하여 소화실험을 진행하였다. 방수압력 및 방수 시간은 ｢간이 스프링클러설비의 화재안전기준｣5) 을 참조하여 방수압력 0.
대상 데이터
Fig. 1에서 보이는 실험에 사용된 스프링클러헤드는 ｢스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에 따른 방수상수 K값이 50, 80, 115인 제품으로 국내에서 형식승인 되어, 간이스프링클러 설비 및 일반적인 스프링클러설비에 사용되고 있는 규격의 제품으로 Table 1에 주요사양을 표시하였다.
이론/모형
Fig. 5는 KS F ISO 5660-1(열방출률 : 콘칼로리미터법)에 따른 콘칼로리미터로 측정한 열방출률과 가스분석기로 측정한 산소농도에 의한 열방출률 변화를 비교한 것으로 전반적으로 유사한 열방출률 변화 추이 보여 주고 있다. Equation 1은 완전연소를 가정하여 계산된 식으로 예상 오차는 약 ± 10%이다7).
소화수 방사 10분 후 펌프를 정지시키고, 소화 여부 및 심부화재 진행 여부를 확인하 였다. 화재실내의 산소농도를 가스분석기(SIEMENS : ULTRAMAT23)로 측정하여 열방출률(HRR : Heat Release Rate)을 Equation 16)에 따라 추정하였다.
성능/효과
(1) K115 헤드의 경우 많은 방수량에 인한 냉각효과로 화재를 조기에 진압하는 특성을 보여 주었으나, K80 헤드의 경우 K115 헤드에 비해 적은 방수량에 의해 화재를 조기에 진압하기보다는 화재의 확산을 제어하는 모습을 보여주었으며, K50헤드의 경우 화재를 진압, 제어하는 능력이 부족하여 목재가 전소되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 화재실의 온도가 200℃까지 냉각 되는 시간은 K115헤드가 26초, K80헤드가 414초, K50 헤드가 481초의 소요되어 K115헤드가 K50 헤드에 비해 냉각시간이 94.5% 감소하였다.
(3) 화재실의 최저 산소농도는 K115헤드가 16.2%, K80헤드가 14.3%, K50헤드가 11.3%로 측정되어 K115, K80헤드가, K50헤드에 비해 각각 43.7%, 27.0% 우수한 특성을 나타내었으며, 방수개시 후 산소농도 15%가 회복되는 시간은 K115헤드의 경우 산소농도 15% 이하로 감소하지 않았으며, K80헤드가 145초, K50 헤드가 484 초가 각각 소요되었다.
(4) 스프링클러설비는 관련법령에 따라 방수압력, 방수시간, 헤드 등의 기준이 규정되어 있으나 재실자의 거주가능시간확보, 화재전파 방지 등 소화설비의 설치 목적이 달성 될 수 있도록 설치장소의 예상피난시간, 가연물의 열방출률 및 적재된 가연물의 총량 등을 고려하여 적정한 방수상수를 갖는 스프링클러 헤드를 적용하여야 할 것으로 판단된다.
후속연구
향후 소방대상물의 위험등급에 따른 방수시간에 관한 연구가 추가적으로 수행된다면 보다 효율적인 스프링클러 설비의 설치가 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스프링클러는 무엇인가?
스프링클러는 1864년 영국의 기술자 스튜어트 해리슨이 최초로 개발하였고, 1874년 미국의 헨리 파멜리가 열감지장치를 노즐의 끝단부에 부착하여 현대의 스프링클러 모형과 동일한 제품을 생산한 이후 널리 사용되고 있다1). 스프링클러 설비는 소화약제인 물의 높은 기화열과 비열을 이용하여 화재를 초기에 진압․제어하기 위해 사용되는 수계 소화설비로2) 소화수, 가압송수장치, 유수검지장치, 배관, 스프링클러 헤드 등으로 구성되고, 화재가 발생할 경우 자동적으로 화재를 감지하여 화원에 직접 소화수를 방사하여 화재를 소화함과 동시에 화원 주위를 냉각 시켜 화재의 확산을 방지하는 설비이다. 스프링클러 설비는 소화성능이 우수할 뿐 아니라 인체에 무해하며 설치비용이 상대적으로 저렴하여 그 효과와 신뢰성측면에서 효율적인 설비로 인정되고 있다.
국내 법규에 따라 스프링클러 설치가 의무인 장소는 어디인가?
국내의 경우 대연각 화재 이후 스프링클러 설비가 고층건물 등에 의무설치 되고 있으며, 최근에는 화재위험 도가 높은 다중이용업소 등에도 간이스프링클러 설비를 의무적으로 설치하도록 법규화 하고 있다. 하지만, 스프링클러 설비의 설치가 확대되고 있음에도 불구하고 스프링클러 설비 관련 법령 개선 및 성능향상을 위한 연구개 발은 활발하지 못한 것이 현실이다.
(1) K115 헤드의 경우 많은 방수량에 인한 냉각효과로 화재를 조기에 진압하는 특성을 보여 주었으나, K80 헤드의 경우 K115 헤드에 비해 적은 방수량에 의해 화재를 조기에 진압하기보다는 화재의 확산을 제어하는 모습을 보여주었으며, K50헤드의 경우 화재를 진압, 제어하는 능력이 부족하여 목재가 전소되는 것을 확인할 수 있었다.
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