<지난 호에서 이어지는 내용입니다.>

 

구획실 화재진압에 필요한 유량

폴 그림우드(Paul Grimwood) 박사는 2002~2003년까지 영국 소방관 전체를 대상으로 화재 현장에서 화재를 진압할 때 필요한 유량과 실제 소방대원들이 사용했던 유량에 관해 연구했다.

 

그 결과 영국 소방대원들은 실제 필요한 유량의 절반만을 사용해 화재를 진압하고 있는 걸 확인했다.

 

이와 함께 1990년대 후반 영국에서는 일반 직사 주수만 가능한 관창을 직사/분무 주수를 선택할 수 있는 콤비네이션 관창으로 바꿨다. 

 

영국 소방대원들은 펄싱기법을 사용한 화재진압 방법을 도입한 이후 모든 구획실 화재 현장에서 적은 유량으로도 효과적인 진압 활동이 가능하다는 믿음이 생겨 필요한 유량보다 적은 유량을 사용하는 사례를 많이 발견했다.

 

2004~2005년 영국에서 발생한 소방대원들의 순직 사건에 대한 조사보고서의 결론에서도 순직의 여러 원인 중 하나가 관창으로 주수된 물이 부족했기 때문이라고 판단했다. 

 

구획실 화재 현장에서 필요한 유량을 계산하기 위해 만들어진 유량 공식은 여러 개가 있다. 그중 실질적인 측면에서 화재 현장에 적용 가능한 공식은 다음과 같다.

 

• 미국 아이오와 대학(Royer/Nelson), 간접 공격에 필요한 유량 공식   V(화재실 체적, ㎥)/0.75 = liters/min   • 미국 국립 소방학교(National Fire Academy), 직접 공격에 필요한 유량 공식   A(화재실 면적, ft2)/3 = gallons/min  * 이 유량은 공격 소방호스와 백업 소방호스 모두를 포함한다.   • 폴 그림우드의 화재진압(직ㆍ간접 소화) 전술 유량(TFR, Tactical Flow Rate) 공식   A(화재실 면적, ㎡) × 4(6) = liters/min

 

여기서 전술 유량(TFR)을 언급하기 전에 우선 임계 유량(CFR, Critical Flow Rate)에 대해 알아보자. 소방대원이 화재 현장에 도착했을 때 주어진 구획실의 크기(면적)에 대한 실제 임계 유량은 매우 다양한 값을 가질 수 있다.

 

소방대가 현장에 도착했을 때 화재 성장단계가 성장기부터 감쇠기까지 다양할 수 있기 때문이다. 

 

성장기부터 최성기까지 화재로 인한 열 방출률은 지속해서 증가할 거고 감쇠기를 지난 화재는 열 방출률이 감소할 거다. 감쇠기에서는 화재로 인한 열 방출률이 감소하더라도 구획실의 냉각 효과가 없다면 내부 온도는 느리지만 계속 증가할 수 있다. 

 

임계 유량은 소방대가 현장에 도착하는 순간의 화재 성상(여건)에 따라 달라지지만 구획실 화재를 완전히 억제(fully suppress)해 더 이상의 열 방출이 없도록 하는 데 필요한 (최소)유량을 말한다. 하지만 화재 현장에서 임계 유량만을 주수한다면 화재를 완전하게 진압하는 데 무척 오랜 시간이 걸릴 수밖에 없다. 

 

그럼 전술 유량은 무엇인가? 실제 화재 현장에서는 관창수의 관창 조작능력이나 오류가 발생할 수 있는 여러 요소와 이중화(백업ㆍ보강)를 통한 사고 예방을 위해 임계 유량보다 더 많은 유량이 필요하다. 이런 모든 요소를 고려한 유량이 전술 유량이다. 이 전술 유량은 일차 공격(선착대의 방수)에 필요한 양이다.

 

이후에 논의되는 전술 유량은 화재 성장기부터 플래시 오버, 최성기까지의 단계에서 필요한 양이다. 감쇠기의 화재를 진압하는 데 필요한 유량은 논하지 않겠다(구획실 화재가 감쇠기까지 진행되면 자동으로 화재가 소멸될 것이다. 따라서 감쇠기 화재를 진압하기 위한 전술 유량은 의미가 없으며 소방대원들이 내부진압을 통해 감쇠기 이전에 화재를 진압하려는 목적이다). 

 

이론적으로 구획실 화재진압에 요구되는 유량은 구획실 화재에서 알려진 열 방출률(㎿)과 유량을 비교하는 방법으로도 구할 수 있다. 많은 수의 실제 화재진압 활동 경험을 바탕으로 바닥면적과 화재 하중을 고려한 유량 공식을 사용해 구할 수도 있다. 

 

스웨덴의 스테판(Stefan Särdqvist)은 1999년 목재 연료를 바탕으로 한 100㎡ 이하 구획실 화재의 임계 유량을 120lpm(ℓ/min)이라고 발표1)했다.

 

하지만 그림우드는 구획실 화재에서 연료가 목재뿐 아니라 석유화학물질을 포함하고 있는 경우가 많을 것이므로 실제 아파트 화재의 임계 유량은 스테판 추정치의 최소 두 배일 거로 생각했다. 

 

따라서 그림우드는 환기가 양호한 조건 하에 100㎡(약 30평 내외) 규모의 실제 구획실 화재 현장에서 직접 공격(내부진압)에 필요한 유량이 240lpm이라는 결론에 도달했다.

 

흥미롭게도 1976년 미국 산업기술 엔지니어협회(IFPS)에서 스톨프(Stolp)는 100㎡ 구획실 화재의 임계 유량이 200lpm이라고 제안2)했다. 하지만 이 수량은 임계 유량이다. 실제 화재를 진압하기 위해선 더 많은 유량이 필요하다.

 

폴 그림우드는 1989~1990년 런던에서 발생한 120여 건의 화재진압 활동을 연구해 화재진압에 사용된 유량이 스테판과 스톨프가 설명한 임계 유량과 비슷한 경우를 찾아봤다.

 

위의 유량으로 화재가 진압된 경우는 감쇠기 단계에 소방대가 현장에 도착한 사례 중 50% 정도였다. 화재가 감쇠기까지 진행되면 자동으로 화재가 소멸될 거다.

 

따라서 감쇠기 화재를 진압하기 위한 유량에 대한 기준은 의미가 없다. 폴 그림우드는 구획실 화재 현장에서 진압에 필요한 유량을 추정하기 위한 ‘경험의 법칙(빅데이터 사례연구)’을 통해 다음의 공식을 만들어냈다.

 

• 화재 발생 면적(㎡) × 4(6) = 필요 유량(lpm)  * 화재로 인해 벽, 바닥, 천장이 파괴되거나 바람에 의한 화재(WDF)3)가 발생할 경우 필요 유량이 50% 증가한다(4 대신 6의 계수를 사용한다). 또 이 공식을 50~600㎡ 사이의 구획실 화재 규모에서만 적용하길 권고했다.

 

예를 들어보자. 바닥면적 300㎡인 단층 건물에서 화재가 발생해 바닥의 약 25% 정도까지 연소가 확대됐고 지붕으로 화염이 분출하고 있다면 내부공격(폴 그림우드는 지붕으로 화염이 분출되는 건축물 화재 현장은 구조적인 위험성이 존재하기 때문에 내부진입 전술은 적절하지 않을 수 있다고 말한다)에 필요한 유량이 얼마인지 알아보자. 

 

75(㎡)×6=450(lpm)이다. 1차 공격을 위한 관창(소방호스)4)의 최소 유량은 450lpm이다. 2차 백업 관창은 1차 공격팀의 안전을 위해 배치돼야 하고 1차 공격용 관창과 크기, 유량이 같아야 한다. 따라서 최소한 900lpm의 유량이 필요하다. 

 

그럼 폴 그림우드 공식과 미국의 NFA 공식(미국에서 실제 화재 현장 활동을 기반으로 만들어진 공식임)을 비교해 보자. 단층 건물의 바닥면적은 3250ft2(300㎡)이고 이 중 25%까지 연소가 확대됐다면 화재면적은 800ft2(75㎡)이다.

 

소화에 필요한 유량은 800(ft2)/3=266gpm(1천lpm)이다(이 유량은 공격 소방호스와 백업 소방호스 모두를 포함한 유량이다). 

 

우린 미국의 NFA 공식이 폴 그림우드의 공식(A×4(6))과 매우 유사하다는 걸 알 수 있다. 화재면적이 75㎡(800ft2)고 지붕으로 화염이 분출되는 구획실 화재를 진압하는 데 필요한 유량은 다음과 같다.

 

• 900lpm(폴 그림우드), 공격 소방호스와 백업 소방호스 모두를 포함한 유량   • 1천lpm(NFA), 공격 소방호스와 백업 소방호스 모두를 포함한 유량

 

75㎡(800ft2)의 면적은 영국의 평균적인 크기의 주택이며 이는 우리나라와도 비슷하다. 이런 주택이 완전히 화염에 휩싸였을 때 소방대가 도착한다면 450lpm의 소방호스 하나로 화재를 쉽게 진압할 수 있다. 하지만 백업 소방호스는 내부공격 소방호스가 건물 내부로 전개되는 지점에 추가로 배치돼야 한다.

 

이런 방식으로 유량을 비교할 때 각 공식에서 사용한 화재진압 방법도 고려해야 한다. 미국 IOWA 대학은 화재실 밖에 소방대원을 배치하고 분무 주수(fog stream)를 통한 간접소화(산소 배제와 냉각 효과) 방법에 바탕을 둔 소화 방법을 연구했다.

 

이 방법은 표면 냉각 효과가 분명히 존재하지만 기체 상태(gaseous phase)의 화재를 진압하는 걸 목적으로 한다. 미국 NFA의 연구는 소방대원들이 직접 내부로 진입(내부공격)해 연료 실체(fuel phase)의 화재를 직접 소화하는 방법을 기반으로 한다.

 

이상적인 내부공격용 관창(소방호스)의 유량과 압력

구획실 화재의 내부공격을 위한 가장 효율적인 소방호스의 유량과 압력에 관한 여러 연구가 있었고 이에 따라 고려해야 할 여러 요소가 있다.

 

소방대원의 육체적 한계와 구획실 내부의 화재 하중, 내부 구조 또는 바닥의 물품 배치, 사용 가능한 급수량 등이다. 여러 요소 중에서도 소방대원의 육체적 한계를 고려해야 한다. 

 

소방대원들이 화재 현장에서 관창과 소방호스를 전개하고 다루는 동안 대원의 심박수와 혈압, 최대 산소 섭취량 등을 조사한 여러 연구가 있었다. 화염이 없는 구획실 밖에서 활동할 때도 심박수가 180bpm, 화염이 있거나 고열 존재하는 현장에서 활동할 때도 심박수가 200bpm을 초과할 수 있다.

 

그렇다면 소방대원의 육체적 한계를 고려한 유량은 얼마고 이에 따른 최대 관창 반발력은 얼마인가?

 

잠시 NFPA 17105)에서 규정하는 구획실 화재진압을 위한 최소 유량을 알아보자. NFPA 1710에서는 ‘일반적인 화재 하중과 보통 거실 크기(약 65㎡)의 구획실 내부로 진입하는 공격팀은 100gpm(380lpm)의 유량을 갖고 있어야 한다’고 말한다.

 

강한 바람이 불지 않은 화재(not WDF)고 감쇠기가 시작되기 전에 화재의 성장단계에서 열 방출률을 제어할 수 있는 적절한 양의 유량이다. 그러나 건축물의 주요 구조가 목재 또는 기타 가연성 물질이면 화재 하중이 매우 증가하게 된다. 따라서 화재진압에 필요한 유량 또한 많이 증가할 거다.

 

우린 백업 소방호스도 공격 소방호스와 같은 용량의 유량이 필요하다는 걸 잊지 말아야 한다. 이 백업 소방호스는 공격대원의 안전을 위한 전술적 배치일 뿐 화재진압을 위한 유량 요구사항이 아니다.

 

일부 CFBT 전문가들은 “작은 물방울을 만들어 분무 주수하면 물방울이 더 큰 표면적을 만들어(더 큰 냉각 효과를 만들어) 적은 유량으로도 화재를 진압할 수 있다”고 말한다. 이론적으론 맞는 말이다.

 

분무 주수가 관창의 반발력을 줄여주는 건 사실이다. 하지만 이런 화재 성상 시뮬레이터(demo cell, attack cell) 훈련시설은 실제 구획실 화재 현장과는 다른 화재 현상을 보여준다. 

 

시뮬레이터에서는 목재 연료를 통한 3.0㎿(폴 그림우드는 1.5~2.8㎿로 설명함)의 열 방출률을 구현한다. 하지만 실제 구획실 화재에서는 연료 하중이 3~15㎿의 열 방출률을 보인다.

 

실제 구획실 화재의 연료 실체를 완전하게 진압하기 위해선 시뮬레이터에서의 화재보다 소화수가 더 깊이 침투하도록 주수해야 한다.

 

관창의 반발력(NR, Nozzle Reaction)은 관창으로부터 주수되는 물방울이 발생하는 힘의 반작용에 대한 효과다. 소방대원들이 관창을 닫아 놨을 땐 반발력이 생기지 않지만 개방해 주수를 시작하면 발생한다.

 

기존 여러 연구를 통해 관창을 개방했을 때 발생하는 실제적인 반발력과 소방대원이 이 반발력을 견뎌 낼 수 있는 한계에 대한 지침을 확인할 수 있었다. 

 

1989년 런던소방국(London Fire Bridge)에서 그림우드는 구획실 화재 현장에서 소방호스와 관창을 사용해 안전하게 화재를 진압할 수 있는 유량과 소방대원이 감당할 수 있는 최대 관창 사이에 반발력이 있다는 걸 발표했다. 이 결과와 구획실 내부 화재진압에 필요한 유량을 비교해 볼 수 있다. 

 

• 소방대원 1명: 266N(26㎏f) • 소방대원 2명: 333N(33㎏f) • 소방대원 3명: 422N(42㎏f)

 

하지만 현대의 콤비네이션 관창이 도입(영국 1990년대 후반)되면서 과거의 직사 관창과 유사한 유량을 공급하기 위해 더 높은 관창 압력이 필요해졌다.

 

7㍴의 압력에서 작동하는 콤비네이션 관창에서 600lpm의 기본 유량이 주수되면 356N(36㎏f)의 반발력이 발생한다. 이 경우 2인으로 구성된 공격팀이 관창을 개방하고 40㎜ 소방호스를 끌며 화점으로 전진하는 데 어려움을 겪을 수도 있다. 

 

더 낮은 관창 압력에서 적정 유량을 제공하는 콤비네이션 관창도 있다. 하지만 스스로 사용하는 관창의 주수 압력에 따른 주수 유량을 확인해 봐야 한다. 관창의 반발력을 계산하는 공식을 알아보자.

 

유럽에서 사용(미터법) • NR(newtons) = 0.22563 × liters/min × √P(European combination fog/jet or automatic nozzles)         미국에서 사용(인치법)   • NR(lbf) = 0.0505 × gallons/min × √P(US Combination fog/straight or automatic Nozzles)   여기서 P = 관창 압력이다.

 

그럼 우리 펌프차에 적재된 40㎜ 소방호스에 연결된 관창의 적정 압력과 유량(7㎏/㎠, 500lpm)에서의 반발력을 계산해 보자.

 

• 유럽식: NR = 0.22563 × 500(lpm) × √7(㎏/㎠) = 298(N) = 30㎏f • 미국식: NR = 0.0505 × 132(gpm) × √100(psi) = 66(lbf) = 30㎏f

 

이는 구획실 화재를 진압할 때 사용하는 관창(40㎜, 7㎏/㎠, 500lpm)에서 발생하는 반발력이 30㎏f로 그림우드가 발표한 소방대원 두 명이 견뎌 낼 수 있는 반발력 33㎏f(333N)보다 작다. 따라서 두 명의 소방대원이 충분히 화재진압을 위해 사용할 수 있는 반발력이다.

 

구획실 화재진압에 필요한 유량의 기준을 수립하기 위한 연구가 미국의 샌프란시스코(San Francisco)와 로스앤젤레스(LA), 시카고(Chicago)에서 수행됐다. 그 결과 주택 구획실 화재의 내부공격에 적용 가능한 소방용 관창의 유량을 550lpm(150gpm)으로 제시했다. 

 

미국 플로리다 세인트 피츠버그(Florida St. Petersburg)시에서도 비슷한 연구를 진행했다. 22㎜ 관창(45㎜ 소방호스 사용), 3.5㍴의 압력으로 주수하면 600lpm이 나오고 이는 266N(27㎏f)의 반발력이 나오는 것으로 계산됐다.

 

미국 뉴욕(NY)과 로스앤젤레스, 시카고 등 많은 소방본부에서도 경험치를 통해 구획실 화재 내부진압을 위한 관창과 소방호스의 유량을 45㎜, 570~700lpm을 기준으로 한다.

 

전술 유량에 관한 이야기를 마치며

지금까지 구획실 화재진압에 필요한 유량을 알아봤다. 이를 CFBT 개념과 비교해 보자. 분무로 주수되는 물방울은 직사로 주수되는 물방울과 비교할 때 동일 유량에서 더 큰 표면적을 갖고 더 큰 냉각 효과를 발휘한다.

 

하지만 더 중요한 건 화염 연소를 제어하거나 효과적으로 화재 가스를 냉각하기 위해선 분무 주수든, 직사 주수든 간에 화염에 충분한 양의 물방울이 주수돼야 한다는 점이다. 관창에서 주수되는 유량보다 화재 에너지 방출량이 너무 크거나 방출률(방출 속도)이 빠르게 커지면 화재는 계속 성장하게 된다.

 

CFBT 훈련시설은 상당히 심각한 화재 조건을 재현하지만 플래시오버 단계를 지나 최성기 상태(steady state)의 연소 단계로 진행되는 실제 구획실 또는 건축물 화재를 모두 재현하진 않는다.

 

또 화재가 성장기와 감쇠기에서 진압될 경우 훈련에 효과적인 유량은 실제 구획실 화재 현장에 적합하지 않을 수 있다. 

 

폴 그림우드는 CFBT 개념을 더욱 발전시키기 위해 구획실 화재진압에 필요한 유량을 해당 국가 수준에서 자체적으로 규정하는 게 필요하다고 제언한다. 

 

구획실 화재의 내부 공격에 사용되는 선착대 소방호스의 최소 유량을 국가 표준으로 제시하는 국가도 있다. 최소 380lpm(100gpm)의 유량을 권장하는 미국의 NFPA 1710에 대해 이미 짚어봤다(실제 구획실 화재진압에 필요한 유량은 최소 50% 더 높다). 

 

프랑스에서는 내부공격을 수행하는 각 소방호스에 최소 500lpm(130gpm)을 공급해야 한다는 국가적 표준(requirement)사항이 있다. 1차 공격 소방호스와 백업 소방호스의 유량을 고려하면 1천lpm의 유량이 필요하게 된다.

 

따라서 화재진압에 필요한 유량의 고려는 CFBT와 관련해 주요한 문제다. 앞으로 우리 대한민국 소방에서도 이와 관련한 연구를 통해 대한민국의 표준을 규정해 나가야 한다. 

 

‘우린 최근 CFBT 도입 이후 구획실 화재와 관련해 유행하는 진압기법에 집중하는 나머지 관창으로 오직 화재제어만을 신경 쓰고 화재진압은 충분히 생각하지 못하고 있는 건 아닐까?’

 

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1) Särdqvist S, Report 7003, Lund University Sweden 1996

2) M Stolp, The extinction of small wood crib fires by water, 5th IFPS 1976

3) WDF(Wind Driven Fire): 화재실 개구부에서의 강한 맞바람으로 화염과 열기가 화재실에 갇혀 있는 화재

4) 대부분은 관창과 소방호스의 규격(안지름)을 일치해 사용한다. 이 글에서는 동일 규격의 관창과 소방호스를 혼용해 사용한다.

5) NFPA 1710 Standard for the Organization and Deployment of Fire Suppressions, Emergency Medical Operations, and Special Operations to the Public by Career Fire Departments

 

참고자료

1. Euro Firefighter, p.198~p.209, Paul Grimwood

2. 소방장비표준규격, 소방용 관창-2-0025-2020-01, 2020.05.14.

3. 과학적 전술로 통하다, p.107, 서울특별시 소방재난본부 현장대응단

4. Different Types Of Fire Fighting Nozzles Explained!, Safety product finder, 31 JAN 2023 기사

5. Särdqvist S, Report 7003, Lund University Sweden 1996

6. M Stolp, The extinction of small wood crib fires by water, 5th IFPS 1976

7. NFPA 1710 Standard for the Organization and Deployment of Fire Suppressions, Emergency Medical Operations, and Special Operations to the Public by Career Fire Departments

8. 서울소방학교 (전)교관 최경보, 이형은과의 개인 대화, 2023.04.

 

경기 안산소방서(119+ 화재진압 발전 연구회)_ 최기덕 : smile9096@icloud.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2023년 6월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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