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사람이 없을 때 불이 난다면, 자동 스프링클러




헨리 스펜서 파메리
Henry Spencer Parmelee (1844~1902)

코네티컷의 사업가 출신으로 그가 운영하던 피아노 공장에 불이 난 것을 계기로 당시의 천장형 소화기를 몇 차례 개량해 자동 스프링클러의 초기형 모델을 만들었다.

예나 지금이나 원목으로 된 가구나 악기를 만드는 데에는 재료비가 적지 않게 들어간다. 뒤틀림이 없도록 잘 건조한 나무들을 차례차례 조립해서 만드는 만큼 불에도 약하지만 습기 방지도 잘 해야 하는 것이 사실. 자동 스프링클러도 불과 습기에 노심초사했던 피아노 공장의 주인, 헨리 파메리에 의해 처음으로 만들어졌다.

1874년, 코네티컷은 미국의 주요 제조업 산지이자 이주민들이 처음으로 밟게 되는 신대륙의 일부였다. 코네티컷 안에만 15개의 철도회사들이 있었고, 무역항이 있어 피아노 공장에서 일할 사람을 구하기도 쉽고 재료를 수급받기도 쉬운 환경이었다. 그러나 인구밀도가 높아지면서 작은 불씨가 화재로 연결되는 경우가 많았고, 이는 언제나 재산상의 손해로 이어졌다.

이 당시 화재 진압을 위해 설치된 장비는 대체로 수도 밸브를 열어서 작동시키는 천장형 소화기였다. 윌리엄 콩그리브에 의해 발명된 천장형 소화기는 소방관이 출동하기 전 화재 규모를 축소시킬 수 있다는 장점이 있었지만, 파이프가 설치된 모든 구역에 물을 뿌리기 때문에 불이 나지 않은 곳에도 물을 뿌린다는 단점이 있었다. 또한 물이 분사되는 것이 아니라 수도꼭지에서 트는 것과 다를 것이 없었기 때문에 화재의 시발점이 물의 배출구와 떨어져 있을 때는 해당 구역에 물이 차오를 때까지 기다릴 수밖에 없다는 것도 단점으로 뽑혔다.

헨리 파메리가 스프링클러에 대해 연구하기 시작 한 것도, 자신의 피아노 공장에서 천장형 소화기로 인해 값나가는 재료들이 못쓰게 된 것이 계기가 되었다. 처음에는 주로 물의 분사력을 어떻게 높여서 물을 덜 쓰고도 화재를 효과적으로 진압할 것인가가 주요 과제였다. 처음에는 물뿌리개의 마개를 본 따서 파이프에 부착하는 마개를 만들었지만, 생각보다 분사력이 좋지 않았다. 새로운 마개를 디자인해 분사력을 높이는 데 성공했지만 그것만으로는 현대적인 스프링클러를 발명한 사람으로 지목되기는 부족한 것이 사실. 자동 스프링클러에 대한 아이디어는 다른 공장에서 난 화재사건에서 시작되었다.

납땜을 이용해 자동 스프링클러를 고안하다

천장형 소화기가 공장에 설치되어 있다고는 하나 사람이 화재를 발견한 뒤 수도 밸브를 열어야만 한다는 한계는 남아있었다. 이로 인해 다른 사람의 가구공장이 밤 사이 전소된 것을 들은 파메리는 사람이 없어도 불이 나면 자동으로 불을 끄는 장치가 필요하다는 생각을 하게 된다. 그 아이디어에 길을 제시한 것은 대장간에서 뜨거운 불길에 녹아들던 납 용액이었다. 다른 금속과는 달리 녹는점이 낮았던 납으로 미리 만들어둔 파이프 마개에 납땜처리를 하고 수도 밸브를 항상 열어두는 것이 그가 고안한 자동 스프링클러의 원리였다. 평소에는 금속 파이프 안에 물을 가둬놓고 아무도 없는 현장에서 불이 난다고 해도 납땜이 자동으로 녹아 온 사방에 물을 분사한다는 아이디어는 다른 사업가들에게도 구미가 당기는 소식이었다.

Parmelee가 발명하여 특허 받은 스프링클러헤드 개념도, 비스무트(Bi) 합금을 덮개로 하여
약 71℃정도에서 녹게 되도록 함. (US patent No. 218564) 출처: explainthatstuff

결국 파메리는 그의 이름을 딴 파메리 스프링클러사를 세워 그의 발명품을 시장에 내놓았다. 보험회사가 스프링클러를 설치하면 화재보험료를 깎아주는 판촉행사를 진행하면서 그의 회사도 꾸준한 성장을 하게 되고, 영국 진출에도 성공했다. 이후 1896년까지 다양한 형태의 스프링클러가 제작되고 설치되면서 미국에서는 체계적인 스프링클러의 기준을 정할 필요를 느끼게 되었고 생산업자, 보험업자, 산업계 관계자들이 모여 기준을 제정하게 된다. 이때의 회합이 미국 방화협회(NFPA)의 태동이 되었다. 지금도 NFPA는 국제적으로 신뢰할만한 스프링클러의 기준을 ’NFPA 13’ 으로 정하고 있는데 2016년에 새로운 개정판이 나왔다.

파메리가 스프링클러 헤드를 발명한 이후, 이제까지 다양한 방식의 자동 스프링클러가 나왔으며, 그 종류로는 습식 스프링클러, 건식 스프링클러, 준비작동식 스프링클러, 부압식 스프링클러, 일제개방식 스프링클러 등이 있다. 습식 스프링클러는 유수검지장치(알람밸브)를 중심으로 1차측과 2차측 배관에 모두 물이 채워져 있는데 화재 시 헤드에 열이 가해지면 헤드가 개방되어 자동적으로 물이 방사되는 구조이다. 이 때 배관 내 물이 줄어들면 유수검지장치(알람밸브)가 자동으로 검지하여 경보를 울리고 펌프를 작동시켜 소화수를 지속적으로 공급하기 때문에 화재를 신속하게 진압하기 쉽다. 장점은 구조가 간단하고 공사비가 저렴하나 동파가 되기 쉬운 장소에는 설치하기 어렵고 헤드 오작동 시 수손피해가 발생할 수 있다.

[ 습식스프링클러 계통도 ]

반면 건식스프링클러는 건식 유수검지장치(드라이밸브)를 중심으로 1차측 배관에는 소화수를, 2차측 배관에는 압축공기나 질소가스 등을 채워놓는다. 화재 시 헤드에 열이 가해지면 헤드가 개방되면서 압축공기 또는 가압가스가 방출되고, 배관 내 압력차 발생으로 건식 유수검지장치(드라이밸브) 내 클래퍼가 개방됨으로써 1차측의 소화수가 2차측 배관을 거쳐 헤드로 공급되고, 화재를 진압하게 된다. 장점으로는 2차측 배관을 보온할 필요가 없어 옥외나 주차장처럼 추운 곳에서도 동파의 우려 없이 사용할 수 있다. 단점으로는 구조가 복잡하고, 살수 개시 시간이 지연될 수 있으며, 화재초기 압축공기에 의한 화재 촉진이 우려된다.

[ 건식스프링클러 계통도 ]

준비작동식 스프링클러는 준비작동식 유수검지장치(프리액션밸브)를 중심으로 1차측 배관에는 소화수를, 2차측 배관에는 압축공기가 아닌 대기압상태의 공기가 채워진 상태로 폐쇄형 헤드가 장착되어 있다. 습식 및 건식 스프링클러와는 달리 화재감지기를 별도로 시공해야 하며, 화재 시 A, B 감지기가 모두 작동하면 준비작동식 유수검지장치(프리액션밸브) 내 클래퍼가 개방되고 1차측의 소화수가 2차측 배관에 충수되어 대기상태로 있다가 헤드에 열이 직접 가해지면 헤드가 개방되어 자동으로 물이 방사되는 구조이다. 장점으로는 헤드 오작동으로 인한 수손피해의 우려가 없고, 헤드개방 전 경보로 조기 대처가 용이하며, 동결우려 장소에서의 사용이 가능하다. 단점으로는 구조가 복잡하고, 감지장치로 감지기를 별도로 시공함으로써 시공비가 고가이다.

[ 준비작동식스프링클러 계통도 ]

준비작동식 스프링클러와 비슷하게 감지장치를 별도로 시공하는 방식으로 부압식 스프링클러와 일제살수식 스프링클러가 있다.

부압식 스프링클러는 물로 인한 피해를 줄일 수 있게끔 오작동율을 최소한으로 낮춘 모델이다.
2차측 배관에도 소화수가 차 있지만 압력상태는 부압(진공)으로 유지되는 것이 특징이다. 스프링클러 헤드가 파손되는 등 비화재시 헤드가 개방되더라도 해당 부분이 부압(진공)으로 유지되어 헤드로 물이 떨어지지 않는다. 이 때문에 스프링클러가 오작동 되었을 때 피해가 큰 미술관, 박물관 등에 주로 설치가 된다. 작동 원리는 준비작동식 유수검지장치(프리액션밸브)를 중심으로 1차측 배관에는 항상 정압의 소화수가 가압되고, 2차측 배관에는 소화수가 부압으로 되어 있다가, 화재 시 감지기의 작동에 의해 정압으로 변화 후 2차측 배관에 충수되어 대기상태로 있다가 헤드에 열이 직접 가해지면 헤드가 개방되어 자동으로 물이 방사되는 구조이다. 단점으로는 구조가 복잡하고 동결우려 장소에 사용하는데 제한이 있다.

[ 부압식스프링클러 계통도 ]

일제살수식 스프링클러는 주로 연소할 우려가 있는 개구부(드렌처설비) 또는 무대부 등에 설치가 되는데, 스프링클러 헤드 부분이 개방형이며, 일제개방밸브를 중심으로 1차측에는 소화수, 2차측에는 대기압상태로 유지되어 있다가 화재 발생 시 감지기 작동으로 밸브가 개방됨으로써 해당 방수구역의 모든 헤드에서 소화수가 방출되는 방식이다. 장점으로는 초기화재에 신속히 대처가 가능하고 층고가 높은 장소에서도 소화가 가능하나, 대량 살수로 수손피해의 우려가 있다.

[ 일제살수식스프링클러 계통도 ]

글. 소방안전플러스 편집실

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