본문으로 바로가기 대메뉴로 바로가기 바닥글 바로가기

소방방화시설의 역사 Ⅲ
(스프링클러설비)

2018년 2월 신촌 세브란스병원에서 화재가 발생해 병원관계자 등 300여명이 대피하는 소동이 있었다. 다행히 단 한명의 인명피해도 발생하지 않았는데 그 이유 중의 하나가 바로 스프링클러설비였다.
스프링클러설비는 화재가 난 공간의 열기를 감지하고 자동적으로 그 공간 안에 물을 뿌려주는 기능을 하는 소화설비이다. 하지만 스프링클러의 이 간단해 보이는 기능은 설비를 구성하고 있는 펌프, 배관, 헤드 등 여러 구성요소들이 유기적으로 연동해야하는 복잡한 설비이다.
그렇다면 오늘날 건축물에 설치되는 가장 강력하고 효과적이며 복잡한 스프링클러설비의 시작과 지금까지의 모습은 어떻게 변화해 왔을까? 이 지면을 통해 간략한 스프링클러설비의 변천사를 헤드(천공)와 밸브를 중심으로 살펴보고자 한다.

최초의 자동소화시스템은 1723년 독일에서 태어난 영국의 화학자인 Ambrose Godfrey에 의해 발명되었다. 이 발명품[그림1]은 나무로 만든 물통인 배럴 내부에 물이 채워져 있고 배럴 중심에는 도화선과 연결된 점화퓨즈와 화약이 들어 있다. 작동원리는 화재가 발생하면 도화선에 착화되어 점화퓨즈와 화약이 폭발하는 힘과 열로 물통 안에 채워놓은 물과 수증기, 가스를 비산시켜 화재를 자동으로 진압하는 원리이다. 17세기에 있었던 런던대화재와 18세기 중반에 태동한 산업혁명으로 많은 공장이 생겼던 점을 미루어 볼 때 이 발명품의 탄생배경은 화재에 대한 경각심과 많은 자본이 집약된 공장에서의 화재를 대비하기 위한 자동소화시스템이 필요했던 사회적 요구가 있었음을 추측할 수 있다.

자동소화시스템, 현대식스프링클러설비 발명(그림1) 왼쪽: Ambrose Godfrey(1723년 영국), 오른쪽: Henry S. Parmelee(1874년 미국)

1850년에는 미국의 공장에서 산업시설을 보호하기 위해 배관에 구멍을 뚫은 다공관 설비가 등장했다. 최초의 다공관 설비는 섬유공장 지붕을 보호할 목적으로 설치되었다. 다공관설비의 작동원리는 화재가 발생하면 화재구역의 밸브를 수동으로 열어, 천장의 배관에 뚫어 놓은 구멍에서 물이 나오도록 한 것이다.

다공관설비의 단점은 밸브 작동방식이 사람에 의한 수동방식이라는 것과, 배관에 뚫어 놓은 구멍이 막히면 방수에 장애를 주는 점. 무엇보다도 너무 많은 밸브가 열리면 수압이 부족하여 화재지역에 충분한 물을 보낼 수 없다는 점이다.
이런 단점에도 불구하고 불을 끄는데 도움을 주었기에 1852년경부터 1855년 뉴잉글랜드 전역의 섬유공장에서 널리 사용되었다.
오늘날과 유사한 최소의 스프링클러 헤드는 1874년 미국 Henry S. Parmelee에 의해 개발됐다. Parmelee헤드는 밸브와 구멍이 뚫려 있는 장치로 구성되어 있어 평상시 강한 스프링으로 수압을 견디어 닫힌 상태[그림1]를 유지한다. 1875년 Parmelee는 헤드를 단순화 하여 방수구를 놋쇠뚜껑으로 납땜한 구조로 만들었는데 형태는 단순하나 장치 내부에서 납땜이 물에 닿아 원래 설계보다 감도가 저하되었다.
이 Parmelee의 습식 스프링클러설비는 미국 뉴헤븐의 피아노공장에서 겨울철 동파방지를 위해 건물난방과 같이 겸용하여 사용했다.
스프링클러헤드의 성능이 개선되면서 1880년 FM(Factory Mutual)승인기관에서는 공장 보험가입자들에게 스프링클러 설비를 설치하도록 장려하였다.
이후 30년에 걸쳐 Parmelee, Buel 등에 의한 스프링클러 설비의 발전으로 설치비용은 절감되었고, 기기의 수명도 늘어나게 되었으며, 유지보수도 용이해져서 스프링클러에 의한 안정적인 화재방호가 가능해졌다.
1950년대 이전 미국 건축물의 천장은 목조골조가 주였기에 천장보호를 위해 40%정도는 상향으로 물을 방수하는 스프링클러헤드를 설치하였는데, 이를 Old스프링클러헤드[그림2]라고 한다. 프레임 폭보다 훨씬 작은 디플렉터를 가지고 있어 오리피스를 떠나는 물의 약 40%가 아래로 향하지 않고 위로 향하는 것이 특징이다.

산업 환경변화에 따른 건물 스프링러헤드 설치 변화(그림2), 왼쪽: Old 스프링클러헤드의 방수패턴, 오른쪽: 분사형 스프링클러헤드의 방수패턴

20세기 전반에 걸친 수많은 건축 산업의 환경변화는 스프링클러 시스템을 진화하게 만들었다. 미국에서는 1950년대를 기점으로 건물의 천장구조가 나무에서 철강과 콘크리트로 대체되었다. 또한 랙 저장창고 사용이 늘고, 창고 안에서 물건을 들어 올리는 기술이 발달하면서 팔레트형 저장이 일상화되었다.
천장면이 내화구조로 바뀌면서 천장면을 보호할 필요성은 줄고, 상대적으로 바닥면과의 거리가 멀어지면서 스프링클러설비의 헤드 또한 천장면과 하방향으로 방수하던 것에서 바닥면에 더 많은 물을 보내게 되었다.

1952년 FM(Factory Mutual)은 분사형 스프링클러헤드[그림2]를 승인하는데, 분사형의 특징은 균일한 방수패턴, 더 큰 냉각효과, 화원을 빠르게 제어할 수 있는 점이다.
하방향 60%의 물을 방수하는 Old헤드에서 100%로 물을 방수하는 분사형 스프링클러헤드의 변화는 스프링클러헤드에서 가장 큰 변화중의 하나이다. 이후 미국에서는 분사형 스프링클러헤드가 표준형(Standard)이 된다.

재산보호관점에서 미국의 창고시설을 중심으로 스프링클러 헤드의 발달과정을 살펴보면 제2차 세계대전이 끝날 때 쯤 창고의 높이는 바닥에서 25피트에서 30피트 정도였으며, 지게차의 발달로 점점 더 높이 화물을 적제 할 수 있게 되었다.
랙 창고에서 기존에 천장면에 설치된 분사형 스프링클러헤드는 적재 물품 아래에 설치된 개방되지 않은 헤드를 적시는 문제점이 발생하여, 선반과 선반사이를 보호할 필요성이 커지게 된다. 2단 이상 적재물품에 설치된 선반과 선반사이에서 상부의 헤드가 작동하여 하부 스프링클러헤드가 냉각되어 미작동할 가능성을 낮추기 위해 헤드에 차수판을 설치한 인랙 헤드를 1960년대 후반에 설치하기 시작했다.
플라스틱의 발명은 생활의 풍요로움은 주었지만 기존의 섬유, 목재 등 다른 저장물품들 보다 더 큰 방출열량을 가져 분사형 스프링클러헤드로는 소화가 어려워졌다. 플라스틱 등으로 인한 고강도 화재의 특징은 빠른 화염전파속도와 큰 방출열량으로 기존의 분사형 스프링클러 헤드의 작은 오리피스구경 13.5mm의 물방울로는 화염으로부터 상승기류를 뚫고 바닥면에 닿기가 어려워졌다. 또한 상승기류로부터 개방된 헤드의 물방울이 개방되지 않은 헤드를 적시는 스키핑 현상도 발생했다.
라지 드롭헤드는 기존의 분사형 스프링클러헤드보다 공칭구경을 16.3mm로 크게 한 헤드이다. 0.2MPa의 압력으로 분사되는 물방울의 체적평균은 약 1.5mm로 분사형 스프링클러헤드의 0.9mm보다 커서 상대적으로 많은 양의 물이 화염을 뚫고 바닥면에 닿게 된다.
라지 드롭헤드는 기존의 분사형에서 헤드만 바꿔서 사용할 수 있는 특징을 가졌으며, 라지 드롭헤드의 등장은 그동안의 면적밀도의 소화 개념에서 방수압력과 개방된 헤드 개수에 따른 소화 개념으로 전환하는 계기가 되었다.
1983년 FM(Factory Mutual)에서는 빠른 화재진압을 목적으로 ESFR헤드 실험을 하였는데 이 실험을 통해 대규모 화재에서도 4개 이하의 헤드만으로 화재를 진압할 수 있음을 확인하게 된다.
1980년대는 보관 물품 중에 플라스틱류의 비중이 높았으며 이에 따른 화재강도도 커지게 되었다. 고가 물품의 적재가 늘어나면서 건물보호뿐만 아니라, 생산물품보호의 중요성이 커지게 된다. 라지 드롭 보다 확실한 소화를 목적으로 하는 스프링클러설비가 필요하였다. ESFR은 Early Suppressiom Fire Response로 영어 그대로 해석하면 화재를 진압하고, 조기에 감지하기 위한 설비이다. 기존의 스프링클러는 화재제어인 컨트롤의 개념으로 보고 있으나, ESFR은 화재진압으로 표현된다.

인명보호관점에서 미국의 주택을 중심으로 스프링클러헤드의 발달과정을 살펴보면 1970년대 미국에서의 대부분 화재사망자는 주택에서 발생하였다. 주거 공간은 단열이 잘 되고, 가연물질이 많아서 화재초기에 빠른 진화와 거주자의 빠른 피난이 요구된다.
주택에 스프링클러설비를 적용하기 위해서는 몇 가지 기술적인 개선이 필요하였는데, 첫째는 주택은 상업용 건물보다 사용할 수 있는 물의 양이 적고 또한 물의 압력이 낮은 점, 둘째는 주택에서 화재가 발생하면 상층 가구 및 내부가구가 많이 타게 되어 일산화탄소와 유해가스가 생산되는 점. 세 번째는 주택은 거주자의 안전을 위해 빠른 작동이 필요하다는 점을 들 수 있다.
1967년 개발 초기에는 특정거주지에서 스프링클러헤드의 빠른 반응으로 인명안전이 가능하다고 보았고, 1971년 NFPA기술위원회서는 상설 소위원회를 두었다.
1975년 몇 차례 회의를 통해 NFPA13D에서 1가구 및 2가구 주택과 이동식 주택의 표준을 두었으며, 미국소방청(USFA)에서는 주택에서의 인명피해를 줄이기 위해 스프링클러설비와 연기감지기가 필요하다고 결론지었다.
1972년 소위원회 회원인 Rolf Jenson은 인명안전기준을 제안하는데 그 내용은 다음과 같다.

① 1.7m 및 0.9m 높이에서 온도는 최대 150°F(65℃)로 제어가 가능하여야한다. ② CO는 스프링클러헤드 작동 전 900ppm으로 제어, 작동 후에는 400ppm으로 제어 가능하여야 한다. ③ 연기는 최대 Ringleman수 4로 제어, 산소 결핍은 15%이상이어야 한다.

이 측정기준은 미국소방청(USFA)이 후원하는 연구에서 UL(Underwriter’s Laboratory)과 FM(Factory Mutual)에서 주거용 스프링클러헤드의 성능을 평가하는 시험기준이 되었다. 주거용 스프링클러헤드의 특징은 거주자의 신속한 피난을 위해 빠른 작동, 넓은 살수 분포를 갖는 것이다.
1970대 후반 미국 소방청(USFA), FM(Factory Mutual), 미국방화협회 NFPA(National Fire Protection Association), 로스앤젤레스 소방국은 철거예정인 주택에서 실험으로 빠른 응답 특성의 주거용 스프링클러설비가 1층 및 2층 주택의 거주자가 생존 가능한 환경을 제공한다는 것을 입증한다. 몇 년 후에는 높이 4층까지 주거용 건물에 스프링클러설비를 허용하는데, 이는 NFPA13R의 표준이 된다.
1988년에는 속동형 스프링클러헤드와 표준형 스프링클러헤드의 비교시험이 있었다.
속동형은 주거용과 같은 작동빠르기를 가지고 있으면서 표준형의 물의 양을 갖는 스프링클러헤드를 말한다.
시험목적은 화재제어 조건에서 속동형과 표준형의 개방개수를 비교하는 것이다.

재제어 조건에서 속동형과 표준형의 개방개수를 비교
제조회사적용스프링클러 수
표준형속동형
F사258
M사106
K사209
Q사710
S사87
Y사7
W사11
평균148.3

FMRC 실험조건은 플라스틱 용품과 주름진 마분지 상자에 폴리스틸렌 컵을 1.8m 높이로 올려놓고, 열 두 번의 실대 실험을 한다. 상향형 스프링클러설비 바닥에서 천장까지 6.1m 거리에 설치하고 스프링클러는 수직 아래에서 점화한다. 표준형과 속동형 스프링클러설비의 실험 결과 속동형 스프링클러설비는 화재를 진압하지는 못하지만 빠르게 작동하여 제어가 가능한 것으로 확인되었다. 실험을 통해 1989년 NFPA 13판에서는 경급위험용도에 속동형 스프링클러설비를 사용할 수 있도록 하였다.
미국에서는 1930년 가벼운 화재 부하에 소량의 급수만으로 소화할 수 있는 경급위험표준은 경급위험 거주자의 보호공간에서 예상되는 하중에 기초한 최초 기준이 된다. 경급위험은 이후 1931년 NFPA 스프링클러설비의 표준에 포함된다. 1927년 Henry Fiske는 화재를 위험용도별로 분류하고 테스트하였고, 이는 1940년 이전의 경급위험용도와 중급위험용도 그리고 상급위험용도로 나누어 최대허용 스프링클러헤드 수를 제한한다.
1980년부터 NFPA 13판에는 속동형 사용은 선택사항이며, 습식시스템, 경급 또는 중급주거용도, 천장높이 6.1m이하이면 설계면적 수정 없이 사용가능하다. 1996년 NFPA 13판에는 속동형 헤드의 표준 시험조건 측정으로 RTI 50의 조기반응으로 정의하고 있으며, 1996년에는 속동형을 사용할 경우 소요설계면적 감소가 입증된다.

스프링클러설비의 밸브(유수검지장치)를 처음에는 일반산업용을 사용하였다. 산업용 밸브는 알람기능이 없어 초기에 사람들에게 화재사실을 전달하지 못하는 문제점이 발생하였다. 또한, 화재진압 후에도 수손피해가 발생할 우려가 있었다.
1881년 로드아일랜드 프로비던스에 있는 J. C. Meloon이 경보밸브에 대한 특허를 받아 영국에서 개발하였다. 19세기 후반의 경보밸브와 스프링클러설비의 결합은 단일화재 보호에 중요한 변화가 된다. Henry S. Parmelee의 스프링클러는 하나 이상의 헤드가 작동 시 벨이나 휘파람장치를 작동하는 경보밸브를 설치하고, 경보밸브의 체크밸브 클레퍼 끝에 힌지가 연결된 레버로 된 주 입상관에 설치된 체크밸브로 구성하여 성능을 개선시켰다.
창고저장은 목공, 목재 공장에서 원자재나 최종제품을 건물에 가져와야했기에 빈번한 출입으로 건물난방에 어려움이 있었다. 스프링클러설비를 습식으로 할 경우 겨울철 동파문제가 있어, 처음에는 창고에 스프링클러설비를 설치하지 않았으나, 난방기기와 전기조명화재가 종종 있어, 스프링클러설비가 필요하였다.
이에 급수압력보다 더 높은 공기압을 가지는 특수밸브를 설치하고 스프링클러 배관 밖으로 물을 흘려보내는 방식으로 밸브를 개선시켰는데, 이는 건식시스템이 된다. 스프링클러 발명 이후 몇 개의 건식밸브가 개발하였지만, 처음 사용한 것은 1885년 Grinnell이 발명한 건식 밸브이다. 1890년 Grinnell은 최초의 차동 드라이파이프밸브를 출원하였다. 차동 건식밸브는 1900년 이전에 가장 많이 사용하였고, 현대의 차압 건식밸브의 시초가 된다. 건식밸브의 종류는 여러 가지였으며, 1920년 중반까지 많이 사용된다. 건식밸브의 문제점은 습식에 비해 복잡하고, 높은 습도에서 스케일 축적이 쉬우며, 상시 공기압을 일정하게 유지해야하기에 신뢰도가 높지 않다. 준비작동식은 배관설비가 파손되어 공기압이 빠지면서 경보를 발하는 방식이다. 준비작동식과 일제살수식을 통해 스프링클러 설비의 기능이 개선된다. 준비작동식과 일제살수식은 1920년대에 개발되기 시작하여 1950년대에 꽃피운 스프링클러설비로 가장 발달된 설비이다.

1. 스프링클러설비 관련 법령

국내 소방시설 법령에서는 건축물의 용도와 규모, 수용인원을 고려하여 스프링클러설비의 설치장소를 정하고 있고, 설치기준은 소방청 고시인 스프링클러설비의 화재안전기준(NFSC103)에서 스프링클러헤드의 기준을 정하고 있다. 성능ㆍ구조 등 시험기준은 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 규정하고 있다.
스프링클러헤드란 화재시의 가압된 물이 내뿜어져 분사됨으로써 소화기능을 하는 헤드를 말하며, 스프링클러헤드의 분류기준은 다양하다. 감열부의 유무에 따라 폐쇄형과 개방형이 있으며, 헤드의 설치형태에 따라 상향형, 하향형, 측벽형이 있다. 감열부의 구조에 따라 용융형과 파열형이 있으며, 감도에 의한 분류는 표준반응, 특수반응, 조기반응으로 나눌 수 있다. 이 외에도 스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 간이, 라지드롭형, ESFR헤드의 형식을 정하고 있다.
속동형의 한 형태인 조기반응형 설치장소는 공동주택은 2004년 6월 4일자에, 노유자시설의 거실, 오피스텔, 숙박시설의 침실, 병원의 입원실은 2007년 12월 28일자에 설치하였다. 조기반응형 헤드는 습식이나 부압식에 설치가 가능하다.

2. NFPA 스프링클러설비 관련 법령

미국방화협회NFPA(National Fire Protection Association)13 에서는 위험용도구분을 수용품의 양, 가연성 정도, 열방출률에 따라 경급, 중급, 상급용도로 구분한다.

NFPA 스프링클러설비 관련 법령
NFPA13 위험용도의 구분
경급 동물의 우리, 교회, 클럽, 아래에 가연재가 없는 가연구조의 처마 및 돌출부, 교육시설, 동물 병원과 시설을 포함한 병원, 관공서, 사육장, 대형서고제외한 도서관, 박물관, 요양원, 정보처리실을 포함한 사무실, 주거용도, 레스토랑 객석, 무대 및 무대 앞부분을 제외한 극장 및 강당, 사용하지 않는 다락방
중급그룹 Ⅰ 자동차 주차장 및 전시실, 제과점, 음료 제조소, 통조림 공장, 낙농제품 제조 및 처리공장, 전자제품 공장, 유리 및 유리제품 제조공장, 세탁소, 레스토랑 주방
그룹 Ⅱ 사료공장, 마구간, 피혁제품 제조공장, 도서관의 대형서고, 기계공장, 금속가공, 상품판매시설, 종이 및 펌프공장, 종이처리공장, 부두 및 선창, 플라스틱 제조, 우체국, 인쇄 및 출판소, 마구간, 사육장 지역, 자동차 정비차고, 수지사용지역, 무대, 직물제조공장, 타이어 제조공장, 담배제조공장, 목재 가공공장, 목재제품 조립공장
상급그룹 Ⅰ 항공기 격납고, 가연성 유압유를 사용하는 지역, 다이캐스팅, 금속압출, 합판 및 파티클보드 제조공장, 인쇄, 고무재생, 합성 건조, 가공, 경화, 제재소, 직물피킹, 양모재생
그룹 Ⅱ 아스팔트 함침, 인화성 액체 분무도장, 플로우 코팅, 조립식 주택 또는 건물 부재, 개방형 기름 담금질, 플라스틱 생산, 솔벤트 세탁, 도료 및 페인트 침지도장

미국방화협회NFPA(National Fire Protection Association)13 에서는 속동형헤드는 경급 및 중급위험용도, 그리고 최대천장높이가 6.1m이내인 장소에는 설치가 가능하다. 하지만, 속동형은 대규모실물크기시험을 거치지 않았기에 상급위험용도에는 사용할 수 없다.

맺음말

스프링클러설비는 급격하게 변화한 사회적 환경에 맞춰 발전한 건축물의 그 내부 공간을 화재로부터 보호하기 위해 탄생하였으며 최초 변화한 산업 환경으로 대량 생산물을 보호하기 위해, 이후에는 인명을 보호하기 위해 지속적으로 발달하였다.
지금 우리는 여러 용도의 공간과 이동하는 거리를 압축한 초고층 건축물, 대형 복합 건축물을 이용하며 편익을 누리지만 그 편리함의 반대에는 화재와 같은 재난상황이 닥쳤을 때 오히려 내부에 있는 사람을 치명적인 공간에 가두는 위험성 또한 분명하게 존재함을 상기해야 한다. 건축물 내부를 화재로부터 보호하는 가장 효과적이고 기본적인 소방시설은 스프링클러설비이다. 앞서 보았듯 스프링클러설비는 산업과 사회의 변화에 발맞추어 재산보호, 인명보호의 목적에서 진화해 왔다. 현재 우리나라에서의 스프링클러설비는 설치목적을 합리적으로 정하는 제도적 측면과 시설 자체의 능력을 높일 수 있는 기술적 측면에서 변화가 필요한 시점에 와있다고 판단된다.
대형화재로 인한 직‧간접적인 사회적 피해는 수치로 계량할 수 없는 차원의 것으로 사고이후 대응 보다 예방이 중요함이 강조된다. 따라서 초대형 규모의 건축물의 초기화재 진압에 많은 기능을 하는 스프링클러설비의 지속적인 연구와 성능개선은 사고 당시에만 해야 하는 것이 아닌 끊임없이 수행할 노력이다. 이 노력을 현실에 적용하는 것에는 적지 않은 비용이 수반되므로 국가, 관련 업계, 더 나아가 국민전반 모든 주체의 화재 안전에 대한 관심과 의식 전환이 필요하다고 생각한다.

글. 서주완|중앙소방학교 예방안전학과 전임교수

top