스프링클러의 감열시점을 결정하는 반응시간지수

국가화재평가원

여용주 원장 소방기술사 / 공학박사

 

 

스프링클러가 화재를 성공적으로 제어 또는 진압하기 위해서는, 적절한 방수량과 더불어 감열시점 또한 매우 중요한 요소다. 화재크기가 너무 커지기 전에 감열해야만 열방출률의 적절한 제어가 가능하기 때문이며, 감열전까지의 피해규모를 줄일 수 있기 때문이다. 스프링클러 감열시점이 적절해야 한다는 것의 의미는 너무 빠르지도 늦지도 않아야 한다는 것이며, 지나치게 빠를 경우에는 너무 많은 스프링클러가 작동되어 방수밀도가 낮아져 오히려 화세 제어에 불리할 수 있다.

 

스프링클러의 감열시점을 결정하는 외부적 요인은, 층고, 스프링클러와 천정 이격거리, 천정면의 형태, 화재크기, 화재의 성장속도 등을 들 수 있다. 층고가 높을수록 스프링클러의 감열시점은 현저하게 지연되는데, 경험에 의하면 층고가 너무 높아 바닥 가연물의 대부분이 연소하여도 작동되지 않을 것으로 판단되었던 경우도 많이 있었다.

 

스프링클러의 감열시점을 결정하는 스프링클러 자체의 특성을 반응시간지수 즉 RTI Response Time Index 라고 하며, RTI에 따라 동일한 외부환경에서 스프링클러의 감열시점이 달라진다. 감열시점을 결정하는 외부적 요인을 개선하기는 어렵기 때문에, 적절한 RTI 선정은 설계시 매우 중요하게 고려해야할 요소다.

 

반응시간지수 Response Time Index 의 이론적 의미와 측정시험

 

스프링클러헤드의 열에대한 민감도를 정량적 수치로 나타낸 값을 반응시간지수, 즉 RTI라고 한다. 그것은 작동온도와는 다른 개념이다. 작동온도는 감열체의 물성이 변하는 온도를 나타내는 것이며, RTI는 감열체가 열에 반응하는 속도를 나타낸 것이다. 구체적으로 표현하면 감열체가 얼마만큼 빨리 화재시 발생하는 열을 흡수하여 자신의 용융 또는 파괴온도까지 이르는가의 능력을 말한다. 1980년대 후반에 미국, 영국 등에서 헤드의 감도를 평가하는 방법을 개발하였다. 영국의 FRS Fire Research Station 와 미국의 F.M.R.C Factory Mutual Research Corporation 에서는 열응답의 민감도를 나타내는 반응시간지수의 측정방법과 이론을 제시하였다.

 

영국의 FRS에서는 스프링클러헤드의 반응시간지수를 평가하기 위하여, 시험풍동을 제작하여 일정한 온도상승율로 온도를 상승시키는 상승률시험과, 일정한 고온의 기류에 스프링클러헤드를 갑자기 투입하는 플런지 실험 그림1 으로 반응시간지수 이하 RTI 를 측정하였다. 반면 미국의 F.M.R.C에서는 플런지시험으로만 RTI를 측정하였는데, 결과는 영국의 FRS와 거의 비슷한 것이 증명이 되었다.

 

 < 플런지 시험장치 >

 

FRS의 상승률시험의 유속은 기준온도 25 ℃ 일때의 1 m/s에서 구하며, 헤드는 시험부에 넣고 초기주위온도에서 30 ℃까지는 5 ℃/min로 상승시키며 30 ℃ 에서 5분간 유지 시킨 후 상승률 5, 10, 15, 20, 30 ℃ /min에 대하여 시험한다. F.M.R.C에서의 플런지시험 기준은 기류온도를 135 ℃ , 기류속도는 1.5 m/s를 제시하고 있다. 스프링클러헤드는 화재로부터 발생한 고온기류로부터 대류열전달을 받게 되고, 그 열은 스프링클러헤드 감열체내부로 전도열전달을 통해 전달된다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

 

 식 1

 

위 식을 변형하면, 식 2

여기서,

m = 감열체의 질량, Kg

c = 감열체의 비열, kJ/ kg·

t = 시간, s

h = 대류열전달 계수, W/ m2

A = 감열체의 표면적, m2

Tg = 기류 천정제트 흐름 의 온도, K

Te = 감열체의 초기온도, K

 

만일 식2 에서 배관 및 헤드의 프레임으로의 열손실을 함께 표현하면,.

식 3

여기서,

         C= 전도열 손실상수 Conduction Thermal Loss Constant

         Tf= 헤드 부착부의 온도,

 

식 2의 좌하의 식이 뜻하는 것은 단위 시간당 검열체의 온도변화율이다. 온도변화율이 클수록 감열체의 용융온도에 빨리 도달할 것이다. 그렇다면 온도변화율이 크기 위해서는 우항의 가스온도와 검열체의 온도차가 클수록 온도변화율이 클 것이다. 즉 감열체에 접속하는 고온 열기류의 온도가 높을수록 감열체의 온도도 보다 빨리 상승한다는 것이며, 조기에 반응할 수 있는 것이다.

 

RTI의 개념에 대해 연구를 시작한 이유는 동일한 화재조건에서 스프링클러 종류에 따라 반응시간의 차이를 평가하기 위한 것이였다. 즉, 스프링클러 감열체의 물리적인 특성에 따라 반응시간이 달라질 수 있으며, 그에 따른 헤드의 분류와 사용목적을 달리하기 위함이다.

 

식 2의 우항중 hA/mc는 스프링클러헤드의 순수한 물성치와 관련이 많다. 앞서 이야기 한바와 같이 단위시간당 감열체의 온도상승률은 열기류의 온도와 감열체의 온도차가 클수록 그리고 hA/mc이 클수록 커질 것이다.  hA/mc가 크다는 것은 감열체으 비열을 작게 만들고 감열체의 질량대비 표면적을 크게 만들 경우 감열이 빨라질 것이다.  그리고 기류속도의 제곱근 √u 에 비래하는 것으로 열라져 있는 대류열전달계수 h는 감열체의 물리적 인자는 아니다. 다만 화재 시 감열체에 접촉하는 고온 열기류의 속도가 빠를수록 헤드의 반응이 빠를 것이라는 것은 알수 있다.

여기서, hA/mc 값의 역수인 mc/hA를 τ 시정수 라고 명명한다. 역수로 표현되는 값이 커질수록 식 2 좌항의 온도 상승률을 작게하기 떄문에 감열체의 온도상승시간의 지연을 나타내게 됩니다. 즉 시정수 τ는 기류온도에 대한 감열체의 시간지연을 의미하는 물리적 성질을 의미한다.

풍동실험을 통해 시정수값을 구할 수가 있다. 그림 2는 일정한 기류온도에서 측정한 시정수와 기류온도와의 관계를 보여주는 것으로, 가스온도의 62.8%에 해당되며, 그림 3은 상승률시험에서의 시정수를 나타낸 것으로 특정시험에서의 가스온도까지 상승하는 데 걸리는 시간지연을 나타내고 있다.

 

< 그림2 플런지 실험에서의 기류온도와 시정수와의 관계 >

 

이러한 시정수는 대류열전달계수 h에 의해 변동되는데, h는 기류속도 제곱근 √u 에 비례하므로 시정수 τ에 √τ 를 곱한 값 τ√u은 항상 일정한 값이 되는데, 이 값은 헤드만의 고유의 값으로 결정할 수 있다. 여기서 τ√u을 반응시간지수 즉, RTI라고 부른다

 

< 그림3 상승열기류시험에서의 기류온도와 시정수와의 관계 >

 

이러한 시정수는 대류열전달계수 h에 의해 변동되는데, h는 기류속도의 제곱근 √u 에 비례하므로 시정수 τ에 τ√u은 항상 일정한 값이 되는데, 이 값은 헤드만의 고유의 값으로 결정할 수 있다. 여기서 τ√u을 반응시간지수 즉, RTI라고 부른다.

 

 

그리고 시정수  τ = RTI / √u 가 되므로, RTI가 작을수로 시정수가 작아져 시간지연이 작아지므로 헤드의 감열이 빨라질 것이다. 식2를 다시 표현하면, 

 식 5

시정수  τ = RTI / √u 이므로

 식 6

 

식 6을 온도차로 표현하면,

 식7

식7로부터 RTI를 구하면

 

식 8

 

식9는 특정시간이 지난 후 감열체의 온도를 계산할 수 있는 식이 된다.

 

RTI는 ISO 6182-1에서 속동형, 표준반응형, 특수형으로 구분하고 있다. 50이하는 속동형, 80 ~ 350까지는 표준반응형으로 분류하며, 50 ~ 80사이를 특수형으로 분류한다. 현재 주거용 스프링클러헤드의 RTI는 26, ESFR 스프링클러는 28정도로 알려져 있으며, 국내의 표준반응형중 감열체가 글라스벌브형은 108 ~ 117, 납을 주원료로 한 것은 149 ~ 188, 원형헤드는 188 ~ 204, 플러쉬형은 191 ~ 241에 해당하는 것으로 알려져 있다. 건물 내 미관을 고려하여 설치하는 플러쉬형의 경우에는 RTI값이 상대적으로 커서 다른 형태의 표준반응형 헤드에 비해 화재시 반응시간이 다소 늦을 것으로 추정된다. 표1은 국내 P사에서 제조되고 있는 스프링클러의 한 종류에 대한 자체 RTI 실험결과를 보여주고 있다.

 

 

 

표1. 국내 P사의 스프링클러헤드의 RTI 실험결과 비교 표준반응형, 속동형 ,

 

식8을 이용하여 표1의 3번 스프링클러에 대해 RTI를 구해보면,

표1의 3번 헤드와 동일한 것을 알 수 있다.

 

결언

스프링클러의 RTI는 화재시 감열시점을 결정하는 주요한 인자로서, 공간의 형태와 예상화재의 특성에 따라 적절한 RTI를 선택해야 화재시 정상적인 작동을 보장 받을 수 있다. 스프링클러의 종류와 형태에 따라 RTI 값의 차이가 있으므로, 현재 설치된 스프링클러가 화재시 적절한 시간내 감열될 수 있는지 사업장에서는 반드시 알아야 할 중요한 요소로 보아야 할 것이다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 4호에 기고된 글입니다.