화재진압에 필요한 물의 양은 계산이 가능한가 ?

 

국가화재평가원

여용주 원장(소방기술사 / 공학박사)

 

 

화재진압에 필요한 물의 양을 계산하기 위해서는 우선 화재로 발생하는 열 방출률을 알아야 합니다. 화재크기는 동력단위와 동일한 W를 사용합니다.

가연물은 고유의 열량을 가지며 화재는 가연물이 가지고 있는 열량(에너지)을 방출하는 현상입니다. 열량은 Cal와 같은 개념이며 열량의 방출 시간이 짧을수록 화재의 크기는 커지면 반대로 열방출시간이 길수록 화재 크기는 작아질 것입니다. 열방출시간이 매우 긴 화재의 대표적인 예가 훈소로 볼 수 있습니다.

결론적으로 화재크기의 산정은 방출열량을 얼마만한 시간 동안 방출하느냐에 결정되므로, 이를 개념으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

화재크기(Heat Release late) = Q' = Cal/s = J/s = W 동력단위와 동일합니다.

 

표1은 다양한 상황에 대한 대략적인 열 방출률을 표시한 것입니다. 작은 휴지통 화재가 약 100 kW 정도를 보여주는데, 이를 동력기기와 비교해보면 매우 큰 에너지를 방출하는 것을 알 수 있습니다. 작은화재라도 방심해서는 안된다는 것을 보여줍니다.

 

표1. 여러상황에 대한 대략적인 열방출율

 

흥미로운 것은 표 1에 의하면 인간의 노동력이 약 100 W 정도라고 합니다. 짜장면 한 그릇이 약 900 kcal로 알려져 있으므로 이를 J로 환산하면 900 x 4.2 = 3780 kJ = 3780000 J이며 100 W로 나누면 약 10시간 30분 정도 계산됩니다. 하루 8시간 정도 일한다고 보았을 때 하루 짜장면 한 그릇이면 충분할것으로 예상됩니다^^

 

그림1. 룸코너(Room Corner)시험을 통한 가연물의 화재크기 산정

 

 

그림 1은 실물화재시험을 통해 화재크기 즉 열 방출률을 측정하는 모습입니다. 이를 통해 화재 시 공간내 화재형태와 크기, 성장속도 등을 예측하는데 많은 도움이 됩니다.

 

일반적으로 어느정도 성장한 화재크기를 3000 KW로 가정하여 설계에 많이 반영하고 있습니다. 이때 진압에 필요한 물의 계산해보겠습니다. 화원의 면적이 대략 3m x 3m 정도로 가정하겠습니다.

 

먼저 20’C 물 1 kg이 증기화 할 경우 총 흡수열량은, 1 kg x (100-20) + 1 kg x 539 = 619 Kcal이고,

화재크기 3000 kW = 3000 kJ/s이며 이를 kcal로 환산하면, 3000  x  0.252 = 720 Kacl/s가 됩니다. 720 Kacl/s의 열량을 모두 흡수할 수 있는 물의 방수량은 720 / 619 = 1.16 kg (liter)/s이고, 이를 분당 방수량으로 환산하면, 1.16 x 60 = 69.6L/min입니다. 화원면적을 고려하여 방수밀도를 계산하면 69.6/(3x3) = 7.7 L/min.m2이 됩니다.

 

계산결과는 이론적인 값이지만 실제 화재 시 열 방출률을 100% 흡수할 필요는 없기 때문에 더 적은 방수밀도로 진압 또는 제어가 가능할 것입니다. NFPA13에서 요구하는 경급은 3~4 L/min.m2 중급은 4~8 L/min.m2 의 기준과도 비슷한 것을 알 수 있습니다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 21호에 기고된 글입니다.