화재 스프링클러
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1. 개요
화재 스프링클러는 화재 발생 시 자동으로 물을 분사하여 화재를 진압하거나 억제하는 소방 설비이다. 1812년 수동식 스프링클러 시스템이 처음 개발되었고, 이후 자동식 스프링클러가 등장했다. 헨리 S. 파르말리는 최초의 자동식 스프링클러 시스템을 제작 및 설치했으며, 프레데릭 그리넬은 성능을 개선한 그리넬 스프링클러를 설계했다. 스프링클러는 열에 의해 작동하며, 폐쇄형과 개방형으로 나뉜다. 미국 소방 협회(NFPA)는 스프링클러 시스템 설치 및 설계에 대한 표준을 제공하며, 일부 주에서는 신규 주택에 스프링클러 설치를 의무화하고 있다.
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| 화재 스프링클러 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 종류 | 소방 설비 |
| 목적 | 화재 진압 또는 억제 |
| 작동 방식 | 온도 감지 후 자동 작동 |
| 관련 표준 | NFPA 13 EN 12845 AS 2118 |
| 구성 요소 | |
| 수원 | 상수도 소방 펌프 물탱크 |
| 배관 | 강관 또는 CPVC 배관 |
| 스프링클러 헤드 | 유리 벌브형 퓨즈 링크형 |
| 작동 원리 | |
| 온도 감지 | 스프링클러 헤드 내의 감열체가 특정 온도에 도달하면 파괴됨 |
| 방수 | 배관 내의 물이 방출되어 화재를 진압 |
| 장점 | |
| 신속한 화재 진압 | 화재 감지 즉시 작동하여 초기 진압에 효과적임 |
| 인명 보호 | 화재 확산 방지 및 유독 가스 감소로 인명 피해를 줄임 |
| 재산 보호 | 화재로 인한 재산 손실을 최소화함 |
| 단점 | |
| 오작동 가능성 | 드물게 오작동으로 인한 물 피해 발생 가능 |
| 설치 비용 | 초기 설치 비용이 비교적 높음 |
| 유지 보수 필요 | 정기적인 점검 및 관리가 필요함 |
| 설치 장소 | |
| 건축물 | 주거 시설 상업 시설 산업 시설 |
| 특정 장소 | 데이터 센터 병원 학교 |
| 스프링클러 헤드 종류 | |
| 감열 방식 | 퓨즈 링크형 유리 벌브형 |
| 설치 형태 | 상향식 하향식 측벽형 |
| 반응 속도 | 표준 반응형 신속 반응형 |
| 기타 정보 | |
| 주의사항 | 스프링클러 헤드 주변에 장애물을 두지 않도록 주의 |
| 관련 법규 | 소방시설 설치 및 관리에 관한 법률 등 관련 법규 준수 필요 |
2. 역사
화재 스프링클러 시스템은 여러 발명가들의 노력으로 긴 시간에 걸쳐 발전했다. 초기 수동식 시스템에서 자동식 시스템으로, 그리고 더 효율적인 방식으로 진화했다.
2. 1. 초기 발전
1812년, 영국의 발명가 윌리엄 콩그리브 경은 천장을 따라 구멍이 뚫린 파이프를 사용하는 수동식 스프링클러 시스템에 대한 특허를 받았다.[4][5] 화재 발생 시 건물 외부에 있는 밸브를 열어 파이프를 통해 물을 보낼 수 있었다.[6] 얼마 지나지 않아, 가구 공장에서 화재가 반복적으로 발생한 결과, 하이럼 스티븐스 맥심이 재발 방지 방법에 대한 자문을 받아 최초의 자동식 소화 스프링클러를 발명했다. 이 스프링클러는 화재가 발생한 지역에 물을 뿌리고 소방서에 화재를 알렸다. 맥심은 다른 곳에 이 아이디어를 판매하지 못했지만, 특허가 만료된 후 아이디어가 사용되었다.[7][8]1872년, 토마스 J. 마틴은 소화기 개선에 대한 특허를 받았다.[9][10][11][12] 이는 건물 화재 진압을 위해 천장에 밸브가 있는 파이프를 사용하여 물을 위로 전달하는 방식이었다.[13]
2. 2. 파르말리와 그리넬의 공헌
1874년, 코네티컷주 뉴헤이븐의 헨리 S. 파르말리는 최초의 자동식 스프링클러 시스템을 제작 및 설치했다. 그는 화재 시 녹아서 물 파이프의 구멍을 막는 납땜을 사용했다.[14] 파르말리는 Mathusek Piano Works의 사장이었는데, 지나치게 높은 보험료 때문에 스프링클러 시스템을 발명하게 되었다. 그는 이 아이디어에 대한 특허를 받았고, 미국에서 큰 성공을 거두었으며, 자신의 발명품을 "자동 소화기"라고 불렀다.[15] 이후 파르말리는 유럽으로 건너가 건물 화재를 완전히 파괴되기 전에 막는 자신의 방법을 시연했다.파르말리의 발명품은 처음에는 그가 계획했던 만큼 큰 주목을 받지 못했는데, 이는 대부분의 사람들이 스프링클러 시스템을 설치할 여력이 없었기 때문이다. 이를 깨달은 파르말리는 보험 회사에 자신의 시스템을 교육하는 데 노력을 기울였다. 그는 스프링클러 시스템이 손실률을 줄여 보험 회사에 비용을 절감할 수 있다고 설명하며, 보험료 인하를 통해 합리적인 수익을 보장받을 수 있다면 사업주들이 자신의 시스템을 설치할 것이라고 생각했다.
파르말리는 보험 업계에 연줄이 있는 두 사람의 도움을 받았다. 첫 번째는 볼턴에서 큰 사업을 하는 면 방적공인 메이저 헤스케스로, 볼턴 면직물 상호 보험 회사의 회장이었다. 이 회사의 이사들과 비서인 피터 케반은 파르말리의 초기 실험에 관심을 보였다. 헤스케스 덕분에 파르말리는 볼턴의 애스틀리 브리지에 있는 존 스톤스 & 컴퍼니의 면 방적 공장에 스프링클러를 설치하는 첫 번째 주문을 받았다. 곧이어 같은 마을의 존 버틀러가 소유한 알렉산드라 공장에서도 주문이 들어왔다.
파르말리는 노력 끝에 두 건의 판매를 올렸지만, 볼턴 면직물 상호 보험 회사는 지역 외에서는 큰 영향력이 없었다. 파르말리는 더 넓은 영향력이 필요했고, 맨체스터의 상호 화재 보험 법인의 매니저인 제임스 노스 레인에게서 그 영향력을 찾았다. 이 회사는 높은 보험료에 대한 항의로 랭커셔와 요크셔의 섬유 제조업자 협회에 의해 1870년에 설립되었으며, 위험 관리를 장려하고 화재 진압을 위한 최신의 과학적인 장비 사용을 장려하는 정책을 가지고 있었다. 파르말리가 스프링클러 시스템에 대해 대중을 교육하는 데 많은 노력과 시간을 쏟았지만, 1883년까지 파르말리 스프링클러로 보호받는 공장은 약 10개에 불과했다.
한편, 미국에서는 파르말리 스프링클러를 제조하던 프레데릭 그리넬이 보다 효과적인 그리넬 스프링클러를 설계했다. 그는 퓨즈 연결부를 물과의 접촉에서 제거하여 감도를 높였고, 유연한 다이어프램 중앙에 밸브를 설치하여 저융점 납땜 연결부에 가해지는 수압의 부담을 덜었다. 이로 인해 밸브 시트는 수압에 의해 밸브에 밀착되어 자체적으로 닫히는 작용을 했다. 수압이 클수록 밸브는 더 조여졌다. 유연한 다이어프램은 땜납 접합부가 완전히 절단될 때까지 밸브와 그 시트가 동시에 바깥쪽으로 이동하게 하는 중요한 기능을 했다. 그리넬은 자신의 스프링클러 시스템 버전에 대한 특허를 받았다.[16] 그는 또한 자신의 발명품을 유럽으로 가져갔는데, 파르말리 버전보다 훨씬 더 큰 성공을 거두었다. 결국 파르말리 시스템은 철수되었고, 그리넬과 그의 발명품에 길을 열었다.[17]
3. 작동 원리
각 폐쇄형 헤드 스프링클러는 열에 민감한 유리 전구 또는 융합 합금인 우드 금속(Wood's metal)[26] 및 유사한 조성을 가진 기타 합금으로 구성된 두 부분으로 된 금속 링크로 고정된다.[27] 유리 전구 또는 링크는 스프링클러 주변의 온도가 개별 스프링클러의 설계 활성화 온도에 도달할 때까지 물의 흐름을 방지하는 마개 역할을 하는 파이프 캡에 압력을 가한다. 각 스프링클러는 미리 정해진 온도에 도달하면 독립적으로 작동하므로, 작동하는 스프링클러의 수는 화재 근처에 있는 스프링클러로만 제한되어 화재 발생 지점의 가용 수압을 최대화한다.
전구는 전구 내부 액체의 열팽창 결과로 파손된다.[28] 전구가 파손되기까지 걸리는 시간은 온도에 따라 다르다. 설계 온도 이하에서는 파손되지 않고, 설계 온도 이상에서는 파손되며, 설계 임계값을 초과하여 온도가 증가함에 따라 파손되는 시간이 줄어든다. 응답 시간은 응답 시간 지수(RTI)로 표현되며, 일반적으로 35m½s½~250m½s½ 사이의 값을 가지며, 낮은 값은 빠른 응답을 나타낸다.[29] 표준 테스트 절차(2.5m/s 속도의 135°C 공기)에서 68°C 스프링클러 전구는 RTI에 따라 7~33초 이내에 파손된다.[30] 열전소에 페인트가 칠해져 있으면 스프링클러의 감도가 부정적인 영향을 받을 수 있다.
3. 1. 폐쇄형 헤드 스프링클러
폐쇄형 헤드 스프링클러는 열에 민감한 유리 전구 또는 융합 합금인 우드 금속(Wood's metal)[26] 및 유사한 조성을 가진 기타 합금으로 함께 고정된 두 부분의 금속 링크로 고정된다.[27] 유리 전구 또는 링크는 스프링클러 주변의 온도가 개별 스프링클러의 설계 활성화 온도에 도달할 때까지 물의 흐름을 방지하는 마개 역할을 하는 파이프 캡에 압력을 가한다. 각 스프링클러는 미리 정해진 온도에 도달하면 독립적으로 작동하므로, 작동하는 스프링클러의 수는 화재 근처에 있는 스프링클러로만 제한되어 화재 발생 지점의 가용 수압을 최대화한다.
전구는 전구 내부 액체의 열팽창 결과로 파손된다.[28] 전구가 파손되기까지 걸리는 시간은 온도에 따라 다르다. 설계 온도 이하에서는 파손되지 않고, 설계 온도 이상에서는 파손되며, 설계 임계값을 초과하여 온도가 증가함에 따라 파손되는 시간이 줄어든다. 응답 시간은 응답 시간 지수(RTI)로 표현되며, 일반적으로 35m½s½~250m½s½ 사이의 값을 가지며, 낮은 값은 빠른 응답을 나타낸다.[29] 표준 테스트 절차(2.5m/s 속도의 135°C 공기)에서 68°C 스프링클러 전구는 RTI에 따라 7~33초 이내에 파손된다.[30] 열전소에 페인트가 칠해져 있으면 스프링클러의 감도가 부정적인 영향을 받을 수 있다.
| 최대 천장 온도 | 온도 등급 | 온도 분류 | 색상 코드(융착 링크 포함) | 유리 전구 액체 색상 |
|---|---|---|---|---|
| 38°C | 57°C~77°C | 일반 | 무색 또는 검은색 | 오렌지색(57°C) 또는 빨간색(68°C) |
| 66°C | 79°C~107°C | 중간 | 흰색 | 노란색(79°C) 또는 녹색(93°C) |
| 107°C | 121°C~149°C | 높음 | 파란색 | |
| 149°C | 163°C~191°C | 매우 높음 | 빨간색 | 보라색 |
| 191°C | 204°C~246°C | 매우 매우 높음 | 녹색 | 검은색 |
| 246°C | 260°C~302°C | 초고 | 오렌지색 | |
| 329°C | 343°C | |||
미국 화재 예방 협회(NFPA) 13 2007년판 표 6.2.5.1은 최대 천장 온도, 스프링클러의 공칭 작동 온도, 전구 또는 링크의 색상 및 온도 분류를 나타낸다.
4. 종류
- 조기 반응형
- 표준 반응형
- CMSA (제어 모드 특정 적용)
- 주거용
- ESFR (조기 억제 신속 반응)
ESFR(조기 진압 신속 반응)은 스프링클러의 신속한 반응과 효과적인 방출 밀도를 통해 화재를 진압하는 개념 및 스프링클러 유형을 말한다. ESFR 스프링클러는 높은 랙(rack) 적재 창고에서 사용하도록 제작되었다.[32]
4. 1. 스프링클러 헤드 종류
스프링클러 헤드에는 다음과 같은 여러 종류가 있다.[31]- 조기 반응형
- 표준 반응형
- CMSA (제어 모드 특정 적용)
- 주거용
- ESFR (조기 억제 신속 반응)
4. 2. ESFR (조기 억제 신속 반응) 스프링클러
ESFR(조기 진압 신속 반응)은 개념이자 스프링클러 유형을 모두 지칭한다. 이 개념은 스프링클러의 신속한 반응이 효과적인 방출 밀도, 즉 불타는 연료 덩어리를 진압할 수 있을 만큼 충분한 양으로 화염 기둥을 뚫고 내려갈 수 있는 스프링클러 살수와 함께 이루어진다면 화재에 유리할 수 있다는 것이다.[32] 이 개념을 위해 개발된 스프링클러는 높은 랙(rack) 적재 창고에서 사용하도록 제작되었다.ESFR 스프링클러 헤드는 특정 고난이도 화재 위험을 진압하기 위해 최신 신속 반응 화재 스프링클러 기술을 활용하기 위해 1980년대에 개발되었다. 이러한 스프링클러가 도입되기 전에는 소방서 도착 시까지 화재를 제어하도록 방호 시스템이 설계되었다.
5. 관련 규정 (미국)
자동식 화재 스프링클러는 미리 정해진 온도에서 작동하는 퓨즈 요소를 사용한다. 퓨즈 요소가 녹거나 깨지기 쉬운 액체가 들어 있는 유리 전구가 깨지면 화재 스프링클러 배관의 수압으로 인해 스프링클러 오리피스에서 플러그가 밀려나와 물이 분사된다. 물줄기는 스프링클러 유형의 목표(예: 제어 또는 억제)를 지원하도록 설계된 분사 패턴으로 물을 형성하는 디플렉터(분산판)에 부딪힌다. 최신 스프링클러 헤드는 아래쪽으로 분사하도록 설계되었다. 대부분의 자동식 화재 스프링클러는 화재 발생 시 개별적으로 작동한다.[19][20] 영화에서처럼, 특수 델루지형이 아닌 한 전체 스프링클러 시스템이 동시에 작동하지는 않는다.
개방형 오리피스 스프링클러는 물 분사 시스템 또는 델루지 스프링클러 시스템에만 사용된다. 이는 자동식 스프링클러와 동일하며, 열 감지 작동 요소가 제거되어 있다.
깨지기 쉬운 전구를 사용하는 자동식 화재 스프링클러는 작동 온도를 나타내는 표준화된 색상 코딩 규약을 따른다. 작동 온도는 스프링클러 시스템이 보호하는 화재 위험 유형에 해당한다. 주거 시설에는 생명 안전을 목표로 하는 특수 유형의 신속 반응 스프링클러가 사용된다.[21][22]
5. 1. NFPA 표준
미국 소방 협회(NFPA)는 NFPA 13, 13D, 13R 표준을 통해 화재 스프링클러 시스템의 설치 및 설계 지침을 제공하며, 이는 지역 관할 구역에서 시행한다.캘리포니아, 펜실베이니아, 일리노이 등 일부 주에서는 최소한 일부 신규 주택 건설에 스프링클러 설치를 의무화하고 있다.[18]
5. 2. 신속 반응 스프링클러
미국 소방 협회(NFPA) 13 표준(2002년판 3.6.1절)은 반응 시간 지수(RTI)가 50(m·s)1/2 이하인 스프링클러를 신속 반응형 스프링클러로 정의한다.[23] RTI는 스프링클러의 열 반응 요소가 얼마나 열에 민감한지를 나타내는 지표로, 스프링클러 전구의 온도를 뜨거운 공기 흐름 온도 63%까지 올리는 데 걸리는 시간에 공기 흐름 속도의 제곱근을 곱하여 측정한다.[23]'신속 반응'이라는 용어는 빠른 반응의 해제 요소뿐만 아니라 스프링클러 전체(간격, 밀도, 위치 포함)의 목록을 의미한다. 확장 적용 범위 일반 위험(ECOH) 스프링클러와 같은 많은 표준 반응 스프링클러는 화재 테스트 통과를 위해 빠른 반응(낮은 열 질량 요소)을 갖추고 있다. 신속 반응 스프링클러는 표준 분사 방해판과 함께 사용하거나, 확장 적용 범위 방해판과 함께 사용할 수 있다.[24]
| 반응 시간 지수 (RTI) (m·s)1/2 | 공칭 직경 (mm) | 노어벌브 모델 | 작동 시간 (초) |
|---|---|---|---|
| < 50 | 2.5 | N2.5 | 9 |
| < 50 | 3 | N3 | 11.5 |
| < 50 | 3.3 | N3.3 | 13.5 |
| > 50 | 5 | NF5 | 23 |
| > 50 | 5 | N5 | 32 |
6. 대한민국 관련 규정
대한민국에서는 소방시설 설치 및 관리에 관한 법률에 따라 특정 소방대상물에 스프링클러 설비를 설치하도록 규정하고 있다.
특정소방대상물 중 층수가 6층 이상인 건축물에는 모든 층에 스프링클러를 설치해야 한다. 또한, 문화 및 집회시설, 판매시설, 운수시설, 의료시설, 노유자 시설 등은 층수나 면적에 따라 스프링클러 설치 기준이 달라진다.[1]
스프링클러 설비는 화재 발생 시 자동으로 작동하여 화재를 진압하거나 확산을 지연시키는 중요한 소방시설이다. 따라서 정기적인 점검과 유지보수를 통해 항상 정상 작동 상태를 유지해야 한다.[2]
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