서 론
화재성상 및 고체에어로졸화합물
침대 매트리스 화재시험
침대 매트리스 화재성상
고체에어로졸화합물
고체에어로졸화합물 적용 화재실험
시험개요
화재실험 사양
실험방법 및 순서
실험결과
화재성상 관찰
열방출율(Heat release rate)
결 론
서 론
침대 매트리스는 주로 스프링을 기반으로 하여 직물, 스펀지 등으로 가연물로 구성되어 화재하중이 높아 화재시 인명 및 재산피해에 주된 영향을 끼치고 있다. 특히 병원, 숙박시설 등 침대 매트리스가 다수 사용되는 시설에서 화재 발생 시에는 침대 매트리스의 급격한 연소확대로 인하여 대형사고로 이어져 화재위험성이 높은 실정이다.
따라서 침대 매트리스의 화재안전성을 향상시키기 위한 방안으로 소화약제중 하나인 고체에어로졸화합물을 적용하기 위하여 고체에어로졸을 활용한 프레임을 침대 매트리스 하단에 설치하여 침매 매트리스 화재시 고체에어로졸화합물이 자체연소 가능여부 및 생성된 에어로졸의 소화성능을 검증하기 위한 실험적 연구를 수행하고자 한다.
화재성상 및 고체에어로졸화합물
침대 매트리스 화재시험
침대 매트리스의 실물규모 화재시험 방법은 CPSC 16 CFR Part 1633 및 ISO 12949 에 규정되어 있다. 이 시험 방법은 규격화된 착화원인 상단버너 18 kW 를 70 s, 측면버너 9 kW 를 50 s 간 사용하여 통제된 시험 구역에서 자유 연소시킨다. 이때 화재진행시간에 따른 열방출률은 배기 덕트의 측정장치를 이용하여, 산소 소모 열량기법에 의해 측정된다. 시험은 30분간 진행 또는 시험관계자, 시험 장비 및 설비 안전에 위협이 발생할 때까지 지속한다.
침대 매트리스 화재성상
일반적인 침대 매트리스 화재성상은 측면버너 및 상단버너를 차례로 제거 후 화재초기에는 상부, 측면 및 내부 방향으로 화재가 서서히 성장하면서 진행하나, 상부연소생성물 및 스프링 낙하로 하부의 매트리스로 화재가 성장되면서 상하방향의 Pool fire를 형성하여 약 3분 이후부터는 침대 매트리스 전체로 급속도로 화재가 성장 및 플래시오버가 진행된다.
침대 매트리스 화재성상에 따른 열방출율은 초기에 서서히 증가하며 약 3분 이후에는 급격한 성장을 나타내어 약 1,000 kW 이상의 플래시오버 수준을 나타낸다. 이때 침대 매트리스의 표면 및 내부온도는 화재초기에는 약 500℃ 내외수준이며, 이후 플래시오버 진행시에는 약 800 ~ 1,000℃ 이상의 온도분포를 나타낸다(Table 1).
Table 1. Photo of fire behavior and thermo-graphic
| Fire behavior | Thermo-graphic |
 |  |
| Time (min:sec) 01:00 | |
 |  |
| Time (min:sec) 01:30 | |
 |  |
| Time (min:sec) 03:30 | |
고체에어로졸화합물
기존 이산화탄소 소화약제 및 할론계 소화약제의 사용이 제한됨에 따라 대체 소화약제중의 하나인 고체에어로졸화합물은 질산칼륨(KNO3)을 주성분으로 만들어지며, 자체 화합물이 연소되면서 알칼리 금속염이 함유된 에어로졸1)을 발생시키며 자체적인 탄력으로 화재구역내 분포된다. 이때 발생된 K염은 화염에 의해 분해되어 라디칼을 생성하고, 이 라디칼은 연소 표면에서 발생하는 OH- 및 H+가 산소와 반응하는 것을 차단하여 연소의 연쇄반응 고리를 끊음으로써 소화하게 되는 부촉매소화원리이다. 또한 고체에어로졸은 생성되는 입자의 크기가 작고 생성되는 입자의 수가 많아, 즉 표면적이 넓어 K염의 분해반응이 활발히 일어나고, 이로 인해 결과적으로 높은 농도의 K염을 생성하여 높은 소화성능을 지니게 된다(Table 2).
1) 비전도성의 미세입자
Table 2. Comparison of extinguishing agent
일반적인 고체에어로졸 자동소화장치는 고체에어로졸화합물, 작동장치, 냉각장치, 방출구, 저장용기로 구성되어 있으며, 이중 고체에어로졸화합물을 연소시키기 위해 유리벌브방식, 전기작동장치, 수동작동장치, Bi-Metal 작동장치의 방식을 사용하고 있다. 또한 고체에어로졸화합물 자체연소도 가능하다.
고체에어로졸의 발화온도를 측정하기 위하여 KS M ISO 11358-1:2017 에 따른 측정결과 약 200℃에서부터 열분해 반응을 시작하여 약 400℃에서 자체발화 되는 것으로 분석되었다(Figure 1).
고체에어로졸화합물 적용 화재실험
시험개요
침대 매트리스의 화재안전성 향상을 위하여 고체에어로졸화합물 프레임을 적용한 스프링 침대 매트리스에 대하여 침대 매트리스 및 매트리스 세트의 열방출률 측정에 관한 표준 시험방법(KS F ISO 12949 : 2011) 및 고체에어로졸자동소화장치의 형식승인 및 제품검사의 기술기준에서 규정한 시험방법을 준용하여 화재시험을 수행하였다.
화재실험 사양
실험실은 길이 3.6 m, 나비 2.4 m, 높이 2.4 m 규모의 크기로 나비 중 한 벽면 중앙에 개폐문 출입구 나비 0.8 m, 높이 2.0 m 를 설치하였다.
고체에어로졸화합물을 설치하기 위해 상기와 같은 목재프레임을 제작하였다. 버너의 위치가 침대 매트리스의 세로방향의 모서리 가운데 지점임을 고려하여, 고체에어로졸화합물 설치 위치도 목재프레임 세로방향의 가운데 부분에 1개 설치하여 실험을 진행하였다. 기타 구성사양은 Table 3, 4 와 같다.
Table 3. Test Specification
Table 4. Photo of test specification
 |  |
| Bed Mattress (SS) | Bed Mattress (SS) |
 |  |
| Frame | Fixed aerosol frame |
 |  |
| Installation | Test room |
실험방법 및 순서
실험방법 및 순서는 실험실내 중앙의 바닥에서부터 받침 프레임, 고체에어로졸화합물 프레임, 침대 매트리스의 순으로 설치한다. 침대 매트리스에 상단용 및 측표면용 버너를 설치하고, 기류 안정을 위해 규정된 스크린을 설치한다. 상단용 버너는 18 kW로 70초, 측표면용 버너는 9 kW로 50초 동안 시료를 가열한다. 두 개의 버너가 꺼지면, 버너 장비 및 스크린을 회수하여 시험에 대한 간섭을 최소화한다. 침대 매트리스 연소에 의하여 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출시 실험실 출입문을 닫고 감시창을 통하여 고체에어로졸화합물의 방출 종료 후 60초 이내에 소화되어야 하며 600초 이내에 재연 여부를 확인한다. 마지막으로 600초 이후 출입문 개방하여 재연 여부를 최종 확인한다.
실험결과
화재성상 관찰
고체에어로졸화합물을 설치한 프링 침대 매트리스의 실물규모 화재실험 관측결과는 Table 5, 6 과 같다.
Table 5. Fire behavior observations
Table 6. Photo of fire behavior and thermo-graphic
| Fire behavior | Thermo-graphic |
 |  |
| Time (min:sec) 00:50 | |
 |  |
| Time (min:sec) 01:20 | |
 |  |
| Time (min:sec) 01:50 | |
상기 침대 매트리스 시료 측면 50 s 및 상부 70 s 에 버너를 차례로 제거 후 자유연소가 시작되었으며, 상부, 측면 및 내부 방향으로 화재가 진행하였다. 상부 연소생성물 및 스프링 낙하로 하부의 매트리스가 동시에 연소되면서 침대 매트리스 표면 및 내부 온도가 급격히 상승하였다. 침매 매트리스 하부 연소로 인하여 침대 매트리스 하단에 설치된 고체에어로졸화합물에 화염, 열 등 열적 영향이 지속적으로 미쳐 약 3분 내외의 시간에서 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출되는 것을 확인되었다.
이때 고체에어로졸화합물 방출시간은 약 30 s 이며, 방출 종료 후 실험실은 소화되었다. 600초 이내 재연 되지 않았으며, 600초 이후 출입문 개방한 결과 최종 소화된 것으로 확인되었다(Table 7).
Table 7. Photo of test
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| Opening the door | Fire extinguishing |
열방출율(Heat release rate)
고체에어로졸화합물을 설치한 프링 침대 매트리스의 실물규모 화재실험 진행간에 열방출율을 측정하였다(Figure 2). 침대 매트리스(SS) 실험결과 버너착화 후 170초에 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출 되었으며, 이 시점의 최대 열방출율 약 220 kW 측정되었다. 방출 종료 후 60초 이내에 소화되며, 600초 이내에 재연 되지 않는 것으로 측정되었다. 안됨. 600초 이후 출입문 개방결과 재연 되지 않았다. 침대 매트리스(Q) 실험결과 버너착화 후 183초에 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출 되었으며, 이 시점의 최대 열방출율 약 255 kW 측정되었다. 방출 종료 후 60초 이내에 소화되며, 600초 이내에 재연 되지않는 것으로 측정되었다. 600초 이후 출입문 개방결과 재연 되지 않았다.
결 론
침대 매트리스의 화재안전성을 향상시키기 위하여 고체에어로졸을 활용한 프레임을 침대 매트리스 하단에 설치하여 침매 매트리스 화재시 고체에어로졸화합물이 자체연소 가능여부 및 생성된 에어로졸의 소화성능을 검증하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.
(1) 고체에어로졸화합물의 적용을 위한 발화온도측정결과 약 200℃에서부터 열분해 반응을 시작하여 약 400℃에서 자체발화 되는 것으로 분석되었다.
(2) 상기 침대 매트리스 시료에 버너착화 후 자유연소가 시작되었으며, 상부, 측면 및 내부 방향으로 화재가 진행하였다. 상부연소생성물 및 스프링 낙하로 하부의 매트리스가 동시에 연소되면서 고체에어로졸화합물에 화염, 불꽃 및 열 등 열적 영향으로 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출되었다.
(3) 침대 매트리스(SS) 실험결과 약 170초에 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출 되었으며, 이 시점의 최대 열방출율 약 220 kW 측정되었다. 방출 종료 후 60초 이내에 소화되며, 600초 이내에 재연되지 않았다. 600초 이후 출입문 개방결과 최종 소화된 것으로 확인되었다.
(4) 침대 매트리스(Q) 실험결과 약 183초에 고체에어로졸화합물이 자체연소 및 방출 되었으며, 이 시점의 최대 열방출율 약 255 kW 측정되었다. 방출 종료 후 60초 이내에 소화되며, 600초 이내에 재연되지 않았다. 600초 이후 출입문 개방결과 최종 소화된 것으로 확인되었다.
향후 고체에어로졸화합물의 효과적 적용을 위하여 고체에어로졸화합물의 발화온도저감, 소화성능향상 연구 및 설치위치, 수량 등의 최적화 적용방안에 대한 실험연구가 필요하다.
