2.1 대표가연물의 선정

랙크식 창고 또는 일반적인 물류창고에 적재되는 수용품의 플라스틱 물품분류는 미국 FMRC 기준을 따라서 Cartoned Unexpanded Plastic(CUP, 포장된 비발포 플라스틱), Cartoned Expanded Plastic(CEP, 포장된 발포 플라스틱), Uncatoned Unexpanded Plastic(UUP, 비포장된 비발포 플라스틱), Uncartoned Expanded Plastic(UEP, 비포장된 발포 플라스틱)으로 총 4가지 종류로 구분하였다(Kim et al., 2017).

가연물에 대한 박스단위 실험과 1단 및 3단 적재실험 결과, 가연물 종류중 CEP가 점화 후 순간적으로 화염이 급격하게 발생되면서 단시간에 매우 높은 열에너지를 발생하는 연소특성을 나타내었다. 상자 내부 플라스틱 가연물이 장시간 화염을 발생시키면서 연소하는 상황에서 열방출율의 최대값은 CEP 물품으로 측정되었다. 소화강도를 설계하는 가장 기본적인 요소인 열방출율을 고려할 때 CEP를 대표가연물로 선정하였으며 실대규모 화재실험에서 랙크에 적층되어 연소하는 가연물을 구성하여 실험을 수행하였다.

대표적인 가연물을 위의 Fig. 1과 같은 모양의 표준가연물로 정하고, 이 표준 가연물을 이용하여 랙크식 창고 및 인랙 스프링클러의 소화 성능에 대한 평가를 수행하였다.

Fig. 1

Representative Combustible Material

2.2 국내 및 해외기준 화재 시나리오

현행 국내 화재안전기준의 랙크식 창고의 경우 6 m 마다 하나씩 스프링클러 헤드를 설치하여야 하나 팔렛트 화재실험에서 나타난 바와 같이 화재 형상이 커서 1단 마다 설치하는 것을 기준으로 하였다(NFSC 103, 2015). 가연물 또한 표준 가연물 설정을 위한 실험을 통해 얻은 CEP 표준 가연물을 사용하였으며, 팔레트 재질은 플라스틱 재질을 이용하였다. 가연물의 간격은 KST(Korea Standard Transport) 1002에서 정하고 있는 기준을 중심으로 가장 최고 밀도로 적재된 기준을 중심으로 구성하였다(Kim and Lee, 2016).

실증 화재실험을 위한 스프링클러 헤드의 헤드 배치 위치 및 팔레트 랙의 공통적인 입력 인자는 다음과 같다.

• 밑단에서의 헤드 압력: 1 bar (최소압력 기준)

• 가연물의 크기: 1,100 mm × 1,100 mm × 2,000 mm

• 팔레트 종류 및 높이: 플라스틱 규격 팔렛트 (높이 200 mm)

• 팔레트 간격(최대밀집 기준): 200 mm

• 헤드의 높이(팔레트랙 1단 표준): 2,500 mm

이러한 공통된 배치 기준 및 가연물 기준은 전술한 국내 규정과 미국의 규정에 따른 것이며, 가연물은 KST 1002 규격에서 정하고 있는 최대한의 밀집한도와 더불어 표준 랙크식 창고의 규정을 적용한 것이다(Lake, 2010).

Fig. 2는 화원의 위치와 스프링클러 헤드의 위치를 나타내고 있다. (a)는 전체 화재실험 모형을 나타내는 입체도이며 파란색으로 표시된 것이 철제 더미이다. (b)와 (c)는 가연물에서 헤드의 위치와 화원의 위치를 나타낸 것이고 스프링클러 헤드를 각각 2개와 3개를 설치하였을 때의 화원과 헤드의 위치를 나타내고 있다. 화원은 동일하게 송기공간에 점화시켰을 때 소화성능을 확인하는 실험을 나타낸 그림이다.

Fig. 2

Fire Source and S/P Head Location

2.3 실험 결과

실험은 헤드를 2개 배치하였을 때 소화성능이 정상적으로 나타나지 않을 경우를 상정한 것으로 인랙 헤드에 의하여 적절하게 소화를 할 수 있는 최적 배치 또는 소화 가능한 헤드 개수를 확인하기 위한 것이 목적이다. 최종 5개의 화재 시나리오를 만들고 각각 K 80 헤드와 K 115 헤드를 사용하여 화재실험을 진행하였다.

실험 결과 대표적인 화재실험 그림은 Fig. 3과 같다. 실대규모 화재실험은 소방청의 연구과제인 대형 랙크식 창고의 과학적 화재 대응방안의 연구과제의 일부로 진행이 되었다.

Fig. 3

Time Views of Sprinkler Head Extinguishing Test (K-80, Head 3 ea, Scenario 3)

아래 실험결과 테이블에 나타낸 CMSA(Control Mode Specific Application)는 화재를 진압하거나 소화하는 것이 아니라 화세를 제어할 수 있는 것으로 소방대가 도착하기 전까지 화재가 확대 되지 않도록 하는 것을 의미한다.

실험 결과 Table 1과 같이 K 115 헤드만이 화세제어만 가능한 것으로 나타났다. 현재까지 개발된 모든 인랙 스프링클러 헤드는 K값이 115 이상에서 화세만 제어되고 완전한 소화는 불가능 한 것으로 나타난 것이다. 기존의 폐쇄형 방식의 인랙 스프링클러 헤드를 가지고는 랙크식 창고의 화재에서 완전한 소화가 불가능 하다는 것을 나타내고 있다.

Table 1

Fire test Scenario and Result

3.1 인랙 전용 헤드의 살수 패턴

가연물이 밀집되어 적재되어 있는 랙크식 창고에서는 적재 가연물이 살수 장애를 일으키고 있으며, 화염의 내부로 물을 집중적으로 살포하기 어려운 구조이다. 송기 공간을 통한 수직 방향으로의 급격한 화재 확산과 더불어 박스 단위로 포장되어 있는 적재물 내부로 화재가 확산되면, 적재물 자체의 살수 장애와 더불어 송기공간으로의 열기류 형성 등의 원인으로 소화가 거의 불가능한 것으로 실험결과 나타났다. 새로운 인랙 스프링클러의 헤드는 물건이 적재되는 송기 공간 방향으로의 다량의 물이 살수되는 구조이어야 하고, 폐쇄형 구조로 순차적으로 개방되는 헤드로는 소화가 불가능한 것이 밝혀진 만큼, 일정한 구역에서 동시에 소화용수가 분사되는 집중 살수식 방법과 분사 패턴을 Fig. 4와 같은 방법을 제시하였다.

Fig. 4

Spray Characteristic of In-rack S/P

3.2 인랙 전용 스프링클러 헤드 개발

다양한 모양의 분무 분사패턴을 갖는 디플렉터 제작하고, 이중 살수 반경 및 유량실험을 통해 인랙 스프링클러 헤드에 적합하다고 판단되는 스프링클러 헤드 종류 6 개를 선정하였다. 화재실험결과 송기공간에 물이 충분히 분사 되어야 화재가 진압될 수 있다는 결론에 따라 분사 패턴에 방향성을 갖는 헤드를 제작한 것이다. 화재시 적재 가연물 위에 방출되는 물은 적재 가연물을 타고 벽을 따라 흐르게 되고 이렇게 흐르는 물로는 가연물 내부에 충분히 흘러 들어가지 않아 화재가 제어는 되지만 소화가 이루어지지지 않는다. 이에 따라 송기 공간 및 화재가 발생한 외주면을 따라 물이 충분히 흘러들어 갈 수 있는 분사 패턴을 갖는 헤드를 제작한 것이다.

개발된 목업 헤드의 실제 인랙에서의 적응성 및 소화성능을 확인하기 위하여 실증 화재실험을 진행하였다. 이는 기존의 폐쇄형 헤드가 아닌 개방형 헤드를 적용하여 화재 감지기 작동시간과 연동하여 산출한 근거를 토대로 하여 동시에 밸브를 개방하는 방법으로 진행하였다. 다음 Fig. 5와 같이 제작된 샘플 헤드 6 종류에 대한 실험을 진행하여 이에 대한 신뢰성을 검증 하였다.

Fig. 5

Mock-up of In-rack Head

3.3 검증 화재실험 시나리오

화재실험 시나리오는 먼저 수행한 화재실험 시나리오를 바탕으로 동일한 화원과 동일한 위치로 수행 하였으며, 이는 소화가 되지 않은 최악의 조건을 반영한 것이다. 스프링클러 헤드의 방사패턴 등에 따라 K 115 인랙 스프링클러 헤드를 제작하였고, 이에 대한 화재진압성능을 실제 화재실험을 통하여 확인하였다. 실제 모양의 랙크 구조물을 구축한 다음 개발한 인랙 스프링클러 헤드 6종을 설치하고 화재진압 성능을 확인하였다. 1단 랙크 구조물을 설치한 다음 중앙에 K-115의 개발 인랙 스프링클러 헤드를 설치하고, 가연물 사이 송기공간에서 점화시켰을 때 중앙 및 모서리에 설치된 SP헤드의 방수에 따른 소화성능을 분석하였다. 이는 앞장에서 서술한 기존 스프링클러 헤드를 이용한 화재 실험과 동일한 방식이다. 화재실험 모형의 위치에 2개와 3개로 설치하고 실험한 것은 2개인 경우와 3개인 경우 얼마만큼 화세를 제어 또는 진압하는지를 확인하기 위해서이다.

헤드 개방시간을 화재 감지기에 의해 충분히 작동할 수 있다고 판단한 시간을 다양하게 하여 제대로 화재진압이 되는지를 확인하였다. 특히, 화재 개방시간에 대한 것은 감지기에 의해 작동한 한다는 것을 가정하였고, 랙크식 창고의 감지기 반응에 관련된 선행 연구에 따른 것이다. Fig. 6은 시나리오에 의한 실험 내용 중 일부를 나타낸 것이며, 온도 그래프는 대표적으로 화재시나리오 3, 5, 7번을 나타낸 것이다. 온도그래프에서 파란색과 보라색으로 나타낸 것이 헤드로부터 가장 먼거리에 있는 온도센서 이다. 이 온도 그래프들을 분석한 결과 헤드로부터 가장 멀리 떨어져 있는 온도가 하강할 때 소화용수가 골고루 분사되어 화재를 진압하고 있는 것으로 분석되었다. 제작된 목업 스프링클러 헤드 샘플 중 물을 송기공간으로 충분히 보내어 화염의 온도를 일정하게 하강시키는 것은 Fig. 6의 (f) 모양의 그래프이며, 이때의 화재 시나리오는 5번 시나리오인 것으로 나타났다.

Fig. 6

Extinguishing Fire Test for Mock-up Head by the Scenario

4.1 물류창고 적용을 위한 스마트 시스템 제안

랙크에 적재된 CEP 가연물이 신속하게 전개되는 화재를 진압하기 위해서는 초기 감지 및 집중살수(Early-Detection, Concentrated Water Spray)이 가장 효과적인 방식으로 판단된다.

최종 화재 실제 실험결과를 바탕으로 랙크식 창고의 초기 화재 진압을 위한 집중형 스마트 소방시스템에 대한 제안한다. 기본적으로 랙크의 중간에서 화재를 초기에 감지할 수 있는 감지 시스템과 더불어 화재 초기에 화재 구역에 집중적으로 물을 살수 할 수 있는 집중형 살수 시스템이 도입되어야 한다. 집중 살수 되어 개방되는 헤드 개수 및 살수 구역에 대하여는 전술한 화재 실험을 바탕으로 하여 최대한의 소화효과를 발휘할 수 있는 개방 헤드 개수를 구할 수 있을 것이다.

4.2 스마트 랙크식 창고 소화시스템의 구성과 특성

랙크식 창고의 화재에 효과적으로 대응하기 위한 소화시스템은 크게 감지, 소화. 차단 기능을 포함하고 있으며, 이는 총 3가지의 단위 시스템으로 구성되어 있다. 이러한 시스템의 목적은 신속한 감지와 집중 살수에 의한 진압이 중심이다. 스마트 소화 시스템의 구성에 있어서, IoT (Internet of Things)와 ICT (Information & Communication Technology)기반의 기술이 응용되고 있으며, 인공지능(Artificial Intelligence)적 기술요소도 함께 구현되어 있다. 전체 시스템은 3개의 단위 시스템으로 이루어져있으며 이는 다음과 같다.

랙크의 각 단 사이에 개방형 헤드를 배치하고, 일정 랙크의 중간 부분에 스마트형 화재 감지기를 설치하여 중앙 컨트롤 판넬에서 미리 정한 알고리즘에 의하여 화재 지역을 중심으로 특정 개수의 헤드에 물을 방출하여 화재를 초기에 완전히 진압할 수 있는 시스템이다.

집중 살수식 시스템은 전동 밸브 등을 통해 개방된 헤드에 물을 공급하는 구조로 이루어져 있다. 화재 확산의 방지를 위해 수평 및 수직 차단막이 사용될 수 있으며 이는 대형 랙크식 창고에서 효과적으로 화재 구역을 분리한다. 본 연구에 의한 집중 살수방식을 이용하여 랙크식 창고에 적용할 경우 급격한 수직 확산에 의한 화재에 대응이 가능하여 대형 랙크식 창고에 화재 진압에 실질적인 효과가 있을 것으로 기대된다.

위의 Fig. 7은 배관과 달리 수직 배관을 설치하고 개방형 살수헤드를 설치하여 수직부분의 집중적인 일제 살수를 수행하도록 한다. 하지만 개방형 헤드는 1차 측의 물이 2차 측까지 전달되는 데 시간이 소요되므로, 이를 최소화하기 위해 수직배관 상부에 연결된 수평배관에 물을 준비시켜놓고 수직배관과 수평개관의 연결부에 전자 밸브를 장착하여 열림과 닫힘을 통합 스마트 소방 제어반에서 수행하도록 한다.

Fig. 7

Conceptual Diagram of Concentrated Watering System