효과적인 화재진압과 피해 저감을 위한 제연 스프링클러 개발에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

스프링클러는 화재 발생 초기에 화재의 소화 및 확산 방지에 효과적인 자동식 소화설비로 인식되고 있으며, 이는 분사 패턴 및 감응 속도 위주로 연구되고 발전해 왔다. 그러나 스프링클러는 헤드 설치 직하단에서 분사량의 저하에 대한 한계와 함께 온도 저감 및 소화 효과는 우수하나 스모크 로깅 현상을 야기하여 연기로 인한 대피환경을 악화시킨다는 단점이 있는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 전술한 문제점을 극복하기 위해서 분사 패턴을 균일하게 할 수 있는 디플렉터(deflector)와 벤츄리 효과에 의해 연기 및 유독가스 제거 기능을 갖는 제연 스프링클러(fire smoke removal sprinkler, FSRS)를 개발하였으며, 실험을 통해 수직하단 분사 패턴을 균일화하는 효과와 초기화재진압 성능 및 연기와 유독가스 제거 효과를 확인하였다. 본 연구에서 개발한 스프링클러와 표준 스프링클러(flush형, glass bulb형)에 대해 각 5회씩 스프링클러 헤드 형식승인 및 제품검사 기술기준 및 소방청 고시 제2022-27호를 준용한 살수 분포 실험을 진행하였다. 그 결과 다수의 국가에서 통상적으로 사용하는 방수압력 0.1 MPa에서, 신규 스프링클러가 표준 스프링클러에 비해 수직 하단의 직근 거리에서 최대 64% 많은 물 분사량을 보였다. 또한 실화재 실험 결과, 신규 스프링클러는 표준 스프링클러에 비해 헤드 설치 수직 하단으로부터 2.3m 이내에 설치된 화원에 대해서도 최대 36.05% 빠른 소화 시간을 보였다. 또한 수치시뮬레이션을 통해 벤츄리의 길이 및 직경이 연기 유인 효과에 미치는 영향을 검토하였으며, 시작품을 제작하여 스프링클러 헤드의 일반적인 성능을 검증하고 연기 및 유독가스 제거 효과를 평가하였다.
본 연구에서 개발한 제연 스프링클러는 실화재 시 기존 스프링클러와 연기 제거 성능 비교 시험에서 가장 신속하게 연기를 완전히 제거하는 성능을 보이고 있으며, 유독가스 제거시험에서는 유독가스(암모니아, NH3)의 농도를 기존 스프링클러 보다 1.4배 빠르게 저감하는 것으로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Conventional automatic sprinkler systems play a pivotal role in the suppression of incipient fires; however, their performance is constrained by inherent structural limitations associated with the deflector geometry. In particular, conventional designs restrict the delivery of high-volume water discharge directly beneath the sprinkler head. Although such systems generally provide adequate cooling and flame suppression, they frequently intensify smoke accumulation within enclosed or semi-enclosed spaces. This phenomenon, commonly referred to as smoke logging, substantially degrades visibility and evacuation conditions, thereby elevating life-safety risks during fire events.
To address this long-standing limitation, the present study proposes a novel fire smoke removal sprinkler that integrates an advanced deflector geometry with a cylindrical Venturi-based structure. The proposed configuration is designed to enhance vertical downward water distribution while simultaneously inducing a localized airflow capable of actively entraining and removing smoke and toxic gases from the fire zone. By coupling suppression and smoke-removal mechanisms within a single device, the system aims to improve both early-stage fire control and tenability conditions.
The performance of the proposed sprinkler was evaluated through a combination of experimental and numerical approaches. Comparative water distribution experiments were conducted against conventional flush-type and glass-bulb sprinklers, with five replicates performed for each configuration in accordance with Fire Agency Notification of the Republic of Korea No. 2022-27. In parallel, numerical simulations were carried out to systematically investigate the influence of Venturi length and diameter on smoke-induction characteristics and airflow behavior. Based on the simulation outcomes, a prototype sprinkler was fabricated and subjected to comprehensive functional validation under representative fire conditions.
Experimental results demonstrate that, at an operating pressure of 0.1 MPa, the proposed sprinkler achieved up to a 64% increase in water discharge within the vertical downward region compared to conventional sprinkler heads. Fire demonstration tests further revealed a reduction in suppression time of up to 36.05% for fire sources located within 2.3m below the installation height. Moreover, full-scale fire performance verification indicated that the proposed system achieved the most rapid complete smoke clearance among all tested devices and reduced ammonia (NH₃) concentrations approximately 1.4 times faster than standard sprinkler systems.
Overall, these findings indicate that the proposed fire smoke removal sprinkler effectively overcomes fundamental limitations of traditional sprinkler designs by enhancing early-stage fire suppression while simultaneously accelerating smoke and toxic-gas removal. The demonstrated dual-function capability suggests significant potential for improving life safety, mitigating fire damage, and advancing next-generation fire protection technologies for enclosed and high-risk environments.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구목적 1
• 2. 연구 동향 및 선행연구 7
• 3. 연구목표 12
• 제2장 이론적 배경과 원리 15
• 1. 기존 스프링클러의 유체역학적 한계 15
• 2. 스모크 로깅(Smoke Logging) 이론 16
• 3. 층상형 디플렉터(Layered Deflector)의 유체역학 원리 17
• 4. 벤츄리(Venturi) 효과 기반 연기 유인 원리 21
• 제3장 물 분무 기반 성능평가 27
• 1. 층상형 디플렉터 설계 27
• 2. 층상형 디플렉터 성능시험 33
• 3. 층상형 디플렉터 성능시험 결과 37
• 4. 결과 해석 및 소화 성능검증 43
• 제4장 연기와 유독가스 제거 성능평가 47
• 1. 시뮬레이션 모델 47
• 가. 해석 대상 형상 및 모델링 개요 48
• 나. 격자 구성 및 수치해석 조건 50
• 다. 해석 목적 51
• 2. 공기 유인량 해석 결과 51
• 가. 목길이 및 직경의 영향 51
• 나. 설계 인자 선정 및 실증 실험 연계 53
• 다. 수치해석 결과의 물리적 의미 54
• 라. 노즐 방수압력의 영향 55
• 3. 공기 유인량 실험 결과 58
• 4. 연기 제거실험 62
• 5. 유독가스 제거실험 75
• 제5장 제연 스프링클러의 작동 메커니즘 및 성능 특성에 대한 종합적 고찰 80
• 제6장 결론 83
• 참 고 문 헌 86
• ABSTRACT 91