■물분무 미립자 (Water Mist) 소화설비의 개발

1. 개 요

최근 고도화된 산업사회의 발달과 함께 산업사회의 근간을 이루는 시설물의 안전 문제에 대한 관심이 증가되고 있다. 산업사회를 위협하는 많은 재해 중에서도 화재에 의한 피해는 인명손실 뿐만 아니라 엄청난 경제적 손실과 사회적 혼돈을 가져오고 있다. 따라서 중요 시설물에 대한 적절한 화재 방호 시스템에 대한 관심이 증대되고 있고 특히 전산실, 엔진실, 도서관, 문화재 시설, 선박의 기관실, 공동구 등과 같은 화재 공간에 대한 화재 제어시스템은 기존시설물을 보호하는 동시에 화재를 제어하는 두가지 목적을 달성해야 하기 때문에 일반적인 화재 제어 장치와는 구별되어야 한다. 이러한 화재 제어 장치는 가스계 소화설비인 하론가스가 개발되어 사용되어 왔으나 하론가스의 오존층 파괴에 따른 환경오염으로 몬트리올 의정서에 의해 하론가스 사용이 억제되어, 1980년대 후반부터 하론을 대체하는 소화제를 발굴하는데 관심을 기울였다. 그 결과 Inergen, FM 200, NAF S III 등의 청정 소화약제들이 점차적으로 하론을 대체하고 있으나 가격 및 화재진압능력의 효율저하로 1990년대 초반부터 하론에 비해 화재진압 효율이 2배이며 기존의 스프링클러 대비 화재진압시 물소모량이 10%정도인 물분무(water mist)에 의한 화재진압 시스템개발이 선진국에서 매우 활발히 이루어지고 있는 실정이다.


2.물분무 입자의 정의 및 소화 Mechanism

2-1. 입자의 정의

일반적으로 분무(mist)의 정의는 50■m 이하의 입자를 뜻 하는데 소방분야에서는 NFPA에 따르면 1mm 이하의 물입자로 정의한다. 그러나 여러 소방관련 기업 및 연구기관마다 정하는 물분무 입자의 크기는 다르지만 200m 이하의 물입자가 물분무라고 보는 것이 현실적이다. 노즐을 통하여 미세한 물 입자를 뿜어내어 화재를 진압하는 방식은 1930년대부터 응용되어왔다. 그후 하론이 개발되어 널리 사용됨에 따라 물분무에 대한 개발이 중단되었다. 그러나 하론이 오존층파괴 물질로 사용이 제한됨에 따라 1990년대에 하론을 대체하며 인체에 무해한 소화물질에 관심을 기울여 여러 대체물질이 개발되었다. 이중에서 하론보다 2배 이상 효과적으로 화재를 진압하며, 화재진압 시 기존의 스프링클러보다 90%까지 적은 물이 요구되는 물분무(water mist)시스템이 큰 관심을 끌었다. 선진 외국에서는 엔진실, 기계실, 숙박시설, 등 소화설비의 설치가 까다로운 곳을 대상으로 많은 실험과 연구를 통하여 물분무 화재진압 시스템의 효과를 입증하여고 있다.


2-2. 물분무의 화재진압 Mechanism

물은 큰 비열을 갖고 있다. 액체상태의 물 1리터가 10도에서 100도의 수증기로 되기까지는 약 2635kJ의 고열량을 흡수하는 냉각효과를 갖는다. 일정 양의 물에서 생기는 물의 입자가 미세할수록 액체의 총 표면면적이 커지고, 표면면적이 클수록 빠른시간에 열을 흡수한다. 이 냉각효과는 화재 발생시 연소반응을 방해하여 화재진행율을 현격하게 줄인다. 또한 액체상태의 물이 수증기로 될 때 약 1600배 정도로 부피가 증가하여 공기 중의 산소의 농도를 줄이며 산소가 화재 진원지로 확산되는 것을 차단하는 질식효과로 화재진압을 촉진시킨다. 물분무의 화재진압의 mechanism은 위에서 설명한 냉각효과와 질식효과가 주를 이루고 있다[그림.2].



3. Water Mist 의 장점

해외 선진국에서는 1990년대 초반부터 본격적으로 물분무 시스템의 연구가 활발해 왔으며 그 결과 1990년대 후반부터 물분무 시스템이 기존의 소화설비를 대체하고 있으며 심지어 기존의 스프링클러 시스템에 연결하여 적용시키는 등 많은 노력을 기울여 왔다. 현재도 심도 있는 연구를 통하여 물분무 발생장치의 다양화 및 생성된 물분무의 특성, 화재물질과 화재공간의 특성에 따른 물분무
화재진압 시스템의 simulation과 실험을 통한 화재진압 능력의 구체화 및 DB화를 실행하거나 계획을 세우는 등 향후 적용범위의 확대에 많은 노력을 하고 있다. 이에 반하여 국내에서의 물분무 시스템의 연구는 매우 제한적이며 물분무 시스템의 핵심 기술인 물분무 생성장치(nozzle)에 대한 체계적 연구개발에 소홀하였으며 단순한 화재실험을 통한 물분무 시스템의 이해에 머무르고있는 실정이다. 따라서 국내에서 개발되어 상품화된 물분무 시스템은 거의 없었으며 최근에 물분무 시스템의 화재진압 효과와 안전성이 일부 기업에서 인식되기 시작하여 국내에서도 외국제품의 안정성 차원에서 2001년 일부 설치하였다.
따라서 water mist 의 장점으로는

■ 환경 친화적
■ 인체에 무해
■ 매우 작은 직경의 파이프를 이용한 간편하고 저렴한 설비비용
■ 기존의 스프링클러 시스템보다 획기적 소량의 물사용 (90% 절감)
■ 화재 진입시 연기제거 등으로 신속한 피난 유도
■ 탁월한 화재진압 효과
■ 소화후 잔여오염물로 인한 환경피해 최소화
■ 화재 진압과정에서 발생되는 물로 인한 2차적 피해의 최소화
■ 적용 대상의 다양성(화학공장, 반도체 제조시설, 전산실, 박물관, 주거용 건물 및 기타 건물)

등을 들을수 있다

4. 물분무 설비 기술기준 정립의 필요



최근의 많은 화재 사고등으로 인하여 화재 방재 설비에 대한 필요성이 지속적으로 증가하고 있으며 스프링 쿨러나 다른 화재진압 장비에 비해 화재공간에 최소한의 피해로 화재의 진압이 가능한 물분무 장치에 대한 수요는 매우 클 것으로 사료된다. 국외적으로 하론 소화 대체 장비로써 친환경적인 물분무 장치에 대한 연구가 활발히 진행중이며 소화물질인 물은 쉽게 적용이 가능하므로 분무노즐이나 분무시스템등 기계적 장치를 최적화 함으로써 기존의 소화설비장치에 있어서 주류를 형성할 것임에 의심의 여지가 없다. 또한 기존의 육상시설물, 해상 시설물 뿐만아니라 첨단산업분야의 화재 진압장치로 이용될 수 있을 것이다. 내 시장잠식이 예측되고 있다. 따라서 국내기술로 경제적이고 소화진압효과가 탁월한 중저압 노즐 설계 기술을 확보하고 이를 바탕으로 각종 화재 진압 효과를 분석하여 물분무 시스템을 개발, 상품화하여 보급시켜야 할 필요성이 있다.



각 국가마다 소방시설 설치기준이 다르고 화재 발생공간의 특징이 다르기 때문에 원천적인 기술 도입이 무의미하다. 또한 관련된 기초적인 기술은 공개되어 있기 때문에 기술도입 비용의 지출은 불필요 하다. 또한 특수 물분무 노즐이 외국에서 개발 생산되고 있으나 노즐만을 판매하는 것이 아니라 노즐판매외 공사 수주하는 조건을 제시하는가 하면 펌프등 일체 셋트 판매로 가격이 고가인 관계로 만약 본 시스템에 대해 기술료를 지불하고 기술을 도입한다면 더욱 국내의 소방산업은 외국에게 시장을 넘겨 주는 것으로 국내 소방업계의 경쟁력이 취약해 질 것으로 예상된다.



국내도 그간 소방부문에 대해 현장에서 경험한 실무를 토대로 공동구 및 일반화재 진압에 적용할 물분무 노즐의 특성을 파악 분석하여 국내 현장에 적합하게 개발하며 노즐의 설계에서부터 제작, 성능시험에 까지 전 기간에 걸쳐 참여하고 각 업무특성을 고려하여 현장조사, 제작, 실험, 배관시공등 전 분야에 걸쳐 지속적으로 연구개발해야 할 것이다 또한 향후 예상되는 문제점을 사전에 도출 할 수 있도록 책임과 사명감을 가지고 국내 물분부노즐의 선정에서 설계 시공까지의 정확한 DB확보와 기술기준 정립이 필요하다 하겠다.


5. 연구개발의 시급



최근 화재 발생으로 인하여 1500억원 이상의 재산손실과 2000명 이상의 인명피해를 가져오고 있다. 이러한 수치적인 피해로인한 화재발생으로 인해 국가 기간시설의 마비, 자료 및 정보의 손실, 사회적 불안감 증대, 대외신인도 하락 및 도시 기능 장애등 엄청난 직간접 손실이 수반되고 있는 상황이다. 특히 물분무 장치가 적용되는 공동구의 경우 전력시설, 통신시설, 가스시설 등 국가 사회기반시설을 수용하고 있으며 그 활용성은 계속 증가하고 있으나 이에 대한 화재 대책은 무방비 상태로 종합적인 대책이 절실히 요구되는 상황이다. 이와 함께 최근들어 물분무 장치에 대한 적용분야가 점차적으로 증가하고 있으며 지상시설물 뿐만 아니라 해상구조물에 대한 화재 진압 장치로 널리 쓰이고 있다. 이에 따라 선진국의 경우 화재발생으로 인한 피해를 최소화하고 조기에 진화하기 위해 국가적 차원의 화재 연구가 진행중이지만 국내의 경우 기업의 기술 개발력이 매우 취약한 상황이므로 적절한 이론적 연구를 바탕으로 소방 설비 장치를 개발할 수 있는 여건조성이 절실하다. 따라서 체계적인 연구를 통하여 국내 소방법상의 문제점을 개선함과 동시에 물분무 화재 제어 시스템을 개발함으로써 선진국형 산업인 소방산업의 대외경쟁력을 확보하고 선진화된 안전관리 역할의 활성화가 요구되며 장기적인 안목에서 수입대체 효과 및 소화능력이 우수하고 가격이 저렴한 설비의 개발에 대한 국가적 차원의 대처가 요구되고 있다.




6. Water Mist 의 종류

물에 압력을 가한 후 노즐에서 대기압으로 분무상태로 분사되는 물분무 화재제어 시스템에서 가장 핵심이 노즐이라고 할 수있다. 압력과 노즐디자인에 따라서 생성되는 물입자의 크기와 물분무 유동의 pattern이 결정된다. NFPA 750에 따르면 분사식 화재진압 시스템은 사용압력에 따라서 3종류로 분류된다. 고압식은 35bar이상이며 중압식은 12bar - 35bar, 저압식은 12bar 미만이다.

물분무 화재진압 시스템은 이동식과 고정식으로 분류하는데, 이동식은 초기화재진압시 화재발생지점에 가까이 접근이 가능할 때 사용되며 주로 고압식으로 화재발생지점에 근접 할 수록 효과가 크다. 고정식은 배관에 노즐이 연결되었는데 실린더type 과 펌프type으로 구분된다. 실린더type은 일정 용적의 실린더에 물과 질소같은 기체를 일정 압력이상(20bar 이상)으로 유지시킨 후 화재발생시 실린더 압력으로 물입자를 분사시킨다. 선박의 기계실 등 비교적 작은 공간에 적합하다. 펌프type은 일반적으로 많이 활용하는 것으로 주 배관에 가지관이 연결되었으며 가지관에 여러 노즐이 연결되어 있다. 습식형과 개방형이 있는데 습식형은 배관내에 항시 물이 차 있으며 노즐에 fusible glass bulb가 연결되어 하나 이상의 glass bulb가 화재로 파손되면 물이 노즐에서 방출되고 제어 압력이 낮아진다. 조종 펌프는 압력 변환기로부터 신호를 받은 후 원래 압력을 회복시키고자 작동된다. 이에 반해 건식형은 배관내에 물이 없다가 화재시 수동 혹은 외부 감지시스템에 의해 펌프가 작동되어 노즐에서 물이 분사된다. [그림.]은 펌프type의 설치 사례를 설명한다.

노즐에서 분출되는 분무의 구성에 따라 단일 액체 노즐과 트윈 액체 노즐로 구분하는 경우도 있다. 트윈 액체노즐은 노즐에서 방출되는 분무가 물과 가스(아르곤 또는 질소)로 구성되는데 노즐의 디자인과 가스와 물의 혼합 비율에 따라 물입자의 크기와 물분무 유동의 pattern을 변화시킬 수 있다. 트윈 액체 노즐은 분출구를 크게하여 노즐의 막힘 가능성을 최소화시킬 수 있으나 설치의 비용이 크기 때문에 적합하지 않을 때가 많다. 질소와 같은 가스와 혼합시키지 않아도 노즐의 디자인과 작동 압력에 따라 여러 크기의 물분무를 생성시킬 수 있다(단일 액체 노즐). 단일 액체 노즐 시스템은 유리한 경제성과 설치의 용이성으로 광범위하게 적용시킬 수 있다

7. 기술개발의 기대효과

7-1. 기술적측면

■ 국내 자체적인 기술개발로 소방산업의 선진화기대
■ 열악한 국내의 소방 동종업계 기술성장기대
■ 철강산업 및 화학공장등 냉각, 도장공정에서의 기술향상기대
■ 소화설비의 적용성 확대로 위험성 감소
■ 물분무 화재 진압에 관한 체계화된 학문적연구를 통한 설계자료 확보
■ 방화공학 분야에 대한 기술력 확보
■ 합리적인 소방법규 제정에 대한 자료 제공

7-2. 경제■ 산업적측면

■ 경쟁력있는 물분무 시스템 제품의 생산 및 적용
■ 관련품 수입 억제 및 원가 절감
■ 물분무 화재 시스템 개발로 인한 소방 설비업체의 대외경쟁력 확보
■ 국가 기반 시설에 대한 방화대책 마련
■ 환경 친화적인 물 사용으로 인한 기존 하론 소화 장비의 대체
■ 화재시 피난환경 개선에 의한 인명피해의 최소화
■ 화재에 의한 경제적 손실의 저감.

8. 맺음말

해외 선진국의 연구개발 동향이나 정책에서 드러나듯이 물분무 화재진압시스템의 확대적용은 국내에서도 피할 수 없을 것이다. 해외 선진국에서 물분무 시스템이 이제 기업화 단계에 와 있고 기술의 안정화 단계에 도달하기까지는 아직 많은 시간과 노력이 필요할 것이다. 물분무 화재진압 시스템 개발에 필요한 기계공학, 화학공학, 화재공학 등 관련 분야 기본기술 및 이론은 국내에서 어느정도 확보되었다고 판단되며, 국내에서 지금부터 본격적으로 체계적인 물분무 시스템의 연구개발을 시작하면 몇 년
후정도에는 선진국과 동등한 기술과 상품을 확보할 것이라고 판단된다. 선진국의 관련 상품이 국내시장을 잠식하여 국내 소화설비 제조기업들의 성장을 저해하고 기술적인 면에서도 종속되는 것을 막기 위한다면 국가적으로 관련 분야의 연구개발 지원을 강화하여 빠른 기간 내에 물분무 화재진압 시스템의 개발 및 국산화를 실현하여야 하며 개발된 제품의 신속한 적용을 위한 여러 소방법규가 재정비되어야 할 것이다.

물분무 화재 진압 시스템을 구축하기 위하여는 물분무 장치에 대한 이해를 바탕으로한 핵심기술인 물분무 생성장치의 개발이 가장 기본적이고 중요한 과제이다. 또한 대부분 공동구 및 전산실, EDP실, 클린룸, 유류탱크, 선박의 기계실 등 비교적 작은 공간(1000m2이하) 및 일반 화재환경에 적합한 노즐개발에 주력하고 있는 실정으로 이와 병행하여 초기단계부터 국내에서도 체계적인 물분무 화재진압 시스템의 개발도 효율적인 화재진압 시스템개발이 이루어져야 할 것이다.