1. 서 론
2. 선행연구의 고찰 및 본 연구의 차별성
3. 실험 방법 및 측정 기준
3.1 살수밀도 실험구역 설정
3.2 물분무소화설비 운전 및 계측 절차
3.3 살수밀도 환산식
3.4 성능판정 기준 및 구간 구분
4. 실험 결과
4.1 기존 물분무소화설비 살수밀도
4.2 차세대 물분무소화설비 살수밀도
4.3 살수밀도 비교 분석
5. 결론 및 고찰
1. 서 론
국내 도로교통 인프라는 지난 10년간 급속히 확충되었으며, 산악지형이 많은 지리적 특성상 터널은 도로 연결성 확보의 핵심 인프라로 자리 잡았다. 그러나 터널은 반밀폐 공간과 환기 흐름의 제약으로 인해 화재 발생 시 열과 연기가 축적되며 복사열 확산이 빠르게 진행될 수 있어 대형 인명 및 재산 피해로 이어질 위험이 크다(MOLIT, 2025). 이러한 배경에서 ｢도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침｣(MOLIT, 2025)은 1등급 터널의 물분무소화설비 설치를 의무화하고 단위면적당 6.0 L/min 이상의 살수밀도 확보를 성능 기준으로 제시하고 있다.
하지만 선행연구 결과에 따르면 두 가지 구조적 한계가 확인된다(So and Park, 2011). 첫째는 공간적 불균일성으로 고정식 물분무소화설비는 정해진 분사각에 따른 분사패턴에 의해 터널 단면의 갓길 및 길어깨 부근에서 살수 사각지대(coverage gap)와 과잉 살수영역이 동시에 발생한다. 둘째는 기준 미달 취약개소의 잔존으로, 평균 유량을 증가시키거나 하이브리드형 노즐을 적용하더라도 도로면 중앙부의 과잉 살수 영역과 가장자리의 저살수 영역이 병존하여 전 구간에서 설계기준(6.0 L/min·m2)을 만족하기 어렵다. 특히, 최근 전기차(electric vehicle, EV) 및 수소차량의 급속한 보급은 터널 내 화재 양상을 근본적으로 변화시키고 있다. 배터리 모듈의 열폭주(thermal runaway) 및 폭발적 복사열 방출은 기존 내연기관 차량 화재보다 초기 열방출률(heat release rate, HRR)이 현저히 높아서 단기간 내 고열 확산이 이루어진다(Hashash et al., 2001; Bobet, 2003). 이와 같은 조건에서는 화재 초기 냉각과 복사열 차폐를 위한 균일한 살수밀도의 확보가 소화성능의 핵심 요건이 된다. 그러나 현행 고정식 물분무소화설비는 분사각 및 분사패턴이 일정하여 화원의 위치 변화, 공기 유동, 차량 장애물에 따른 분사 차폐 등에 유연하게 대응하지 못하는 한계를 가진다. 특히, 최근 전기차(EV) 및 수소차량의 급속한 보급은 터널 내 화재양상을 변화시키고 있으며 물분무소화설비에 의한 초기 냉각, 복사열 차폐 및 연기 제어의 중요성이 부각되고 있다(Sun et al., 2022; Chen et al., 2023; Feng et al., 2025).
이에 본 연구에서는 동일한 운전조건(노즐 전단 0.35 MPa, 유량 390 LPM)하에서 기존 고정식 물분무소화설비(방사구 1개, 2개)와 차세대 물분무소화설비를 동일한 실험구역 내에서 정량적으로 비교하였다. 차세대 물분무소화설비는 분사각도 및 분사주기를 제어하여 과잉 살수구역의 용수를 재분배하고 취약개소의 살수밀도를 보정하는 공간 재분배형 제어기술을 적용하였다. 본 연구는 실제 터널 환경과 동일한 규모의 실험체계에서 살수밀도 균일성 개선효과를 실험적으로 규명하고, 차세대 물분무소화설비의 적용 타당성을 제시함으로써 향후 EV 및 수소차 등 신유형 차량 화재에 대응 가능한 터널 화재안전 설계기준 고도화의 기초자료를 제시하는 데 목적이 있다.
2. 선행연구의 고찰 및 본 연구의 차별성
국내 도로터널에 적용되는 물분무설비의 핵심 성능지표는 단위면적당 살수밀도 확보이며, 선행 연구는 실제 터널 환경에서 기존 물분무소화설비 방사구 1개의 형태의 노즐 A, B를 이용하여 압력0.35 MPa, 0.5 MPa, 0.4 MPa의 변화를 주어 실험을 진행하였으며, 불균일 분포와 기준 미달 구역의 상존을 반복적으로 제시하였다. 대표적으로, 표준 압력 0.35 MPa 조건에서 6.0 m × 6.0 m 평가구역을 설정하고 25개 트레이를 이용한 실험에서 평균 살수밀도는 기준에 미달하거나 근접하는 수준에 머물었으며, 전·후, 좌·우 방향 비대칭성으로 인해 최대 최소의 살수밀도 편차가 크게 나타난다고 지적하였다. 또한, 단순 압력 상승은 평균값을 높일 수 있으나 균일성을 악화시킬 수 있음이 보고되었다. 노즐 근접부의 저살수 영역과 터널 중앙부의 과잉살수와 같은 구조적 패턴이 주된 문제점으로 야기되었다(So and Park, 2011). 다만 이러한 선행연구는 6.0 m × 6.0 m 터널 중앙부에 한정하여 판정한 결과에 머물며 물분무소화설비의 구조적 한계와 살수밀도의 불균일성을 문제로 지적하여 불균일성 정량화 및 시험 규격 도입의 필요성을 제시하는 수준에서 실제 성능 개선을 위한 구체적인 해법을 제시하지 못하였다.
이에 본 연구는 단순히 불균일성 존재를 진단하는데 머무르지 않고 차세대 물분무설비를 실험적으로 적용하여 기존 설비의 성능을 직접 개선하고자 하였다. 구체적으로 스윙 및 가변분사 기능을 통해 과잉 살수구역의 용수를 취약개소에 재분배함으로써 살수밀도의 공간적 균일성을 향상시키고자 하였으며, 실제 화재 시 인명 대피, 차량 정차, 차폐물 영향이 집중되는 측벽부(갓길, 길어깨)를 포함한 터널 전반의 구역의 영역으로 확장하였다. 이를 통해 기존 물분무소화설비의 구조적 한계를 정량적으로 개선하고자 차세대 물분무소화설비의 실효성을 실험으로 진행하였다.
3. 실험 방법 및 측정 기준
3.1 살수밀도 실험구역 설정
살수밀도 실험은 동일한 설비 구성과 운전 조건하에서 실제 도로터널의 운용 사례 및 ｢도로의 구조·시설기준에 관한 규칙｣을 반영하여 6.0 m × 9.0 m의 실험구역을 Fig. 1과 같이 설정하였다. 가로 6.0 m는 기준 노즐의 분사패턴과 터널 차로 폭을 고려하여 설정하였으며, 세로 9.0 m는 80 km/h 이하 설계속도의 도로에서 차로 폭 3.25 m와 길어깨 2.75 m, 중앙부 여유폭 등을 포함하여 실제 1차로 단면을 대표할 수 있도록 구성하였다.
살수 분포의 공간적 균일성과 취약개소 발생 특성을 정량적으로 파악하기 위해, 실험구역 전반에 5 × 5 형태의 샘플링 격자를 설정하고 각 격자점마다 0.3 m × 0.3 m × 0.3 m 크기의 트레이를 Fig. 2와 같이 배치하였다. 이때 기준 노즐을 중심선으로 하여 노즐 직하단, 갓길부, 반대편 길어깨 등 터널 단면 전 영역이 포함되도록 하였으며, 노즐 분사에 따른 비산수의 확산 범위와 집수 경계를 명확히 구분하여 위치별 수계밀도의 차이를 계측하였다. 또한 트레이 간 간격은 실제 도로 단면 비율을 고려하여 일정하게 유지하였으며, 실험 반복 시 동일 조건 재현이 가능하도록 실험구역을 설정하였다.
3.2 물분무소화설비 운전 및 계측 절차
물분무소화설비는 터널 단면 형상을 고려하여 바닥면 기준 3.5 m 높이에 설치하였으며, 운전 조건은 ｢도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침｣에서 제시한 1등급 터널 기준을 준용하였다. 노즐 전단 압력은 0.35 MPa, 단일 노즐 유량은 390 LPM으로 고정하여 실제 터널의 펌프스테이션 운전 조건과 동일하게 설정하였다. 분사 시간은 시스템 구동 신호 입력 이후 실제 분사가 개시되는 시점을 기준으로 1 min 동안 유지하였으며, 초기 충수시간은 별도 배제하였다.
각 격자별 집수 체적은 0.3 m × 0.3 m 트레이에 낙수된 물을 눈금 비커로 정밀 계측하였고, 측정 오차를 최소화하기 위해 3회 반복 측정 후 평균값을 사용하였다. 실험 중에는 전자식 유량계 및 압력계를 이용하여 배관 기점–입상부–노즐 전단의 압력 및 유량을 Fig. 3과 같이 실시간으로 모니터링하였다.
3.3 살수밀도 환산식
구역별 살수밀도 는 측정 체적 와 분사 시간 t 및 유효 면적 로부터 식 (1)과 같이 환산하였다.
해당 실험에서 이며, 는 트레이의 유효 면적을 사용하였다.
3.4 성능판정 기준 및 구간 구분
성능판정 기준은 지침의 설계기준을 따라 ≥6.0 L/min·m2으로 설정하였고 취약개소는 6.0 미만의 구역은 성능기준을 충족하지 못하는 ‘취약개소’로, 12.0 L/min·m2 이상으로 기준의 2배를 초과하는 구역은 ‘과잉살수구역’으로 구분하였다. 이를 통해 각 실험구역 내에서 살수의 공간적 편중과 불균일성을 정량적으로 평가하였으며, 구역별 분포 경향을 Fig. 4와 Fig. 5를 비교함으로써 차세대 물분무소화설비의 균일성 향상 여부를 판단하였다.
4. 실험 결과
4.1 기존 물분무소화설비 살수밀도
기존 물분무소화설비 방사구 1개의 살수밀도를 측정한 결과 Fig. 6과 같이 25개 구역의 평균 살수밀도는 5.54 L/min·m2으로 기준 6.0 L/min·m2에 미달하였다. 각각의 구역별 데이터는 Table 1과 같이 측정되었으며, 표준편차는 6.56으로 확인되었다. 또한, 분포는 노즐 직하단 갓길을 기준으로 광범위한 저살수 영역이 형성되었으며, 반면 좌측 상단을 중심으로 국소적인 살수 과잉영역이 나타나 편중된 양상을 보였다. 이로 인해 기준 미달의 취약개소는 15개로 전체 개소의 60%에 달했으며 단일 방사구로는 실험구역 전면에서 기준 충족을 확보하기 어렵다는 한계가 확인되었다.
Table 1.
Results of spray density measurement of existing water spray fire extinguishing facility (1 radiation hole)
동일한 조건의 현행 터널에서 사용중인 방사구 2개의 디플렉터형과 선회류형이 결합된 노즐을 이용하여 살수밀도를 측정한 결과 Fig. 7과 같이 평균 살수밀도는 7.06 L/min·m2으로 상승하였으며, 각각의 구역별 데이터는 Table 2와 같이 측정되었으며, 표준편차는 6.38로 확인되었다. 또한, 기준 미달의 취약개소는 12개소로 방사구 1개 대비 3개소 감소하였다. 이는 분사특성이 다른 두 개의 방사구의 효과로 디플렉터와 선회류형의 방사패턴에 따라 중첩되는 부분의 기준치 2배이상의 과잉살수 영역이 국부적으로 발생하였다. 하지만, 여전히 저살수 영역이 잔존하였다. 살수밀도 평균과 기준 충족 지점 증가에는 유효하나 방향성 편중으로 인해 중앙 영역의 고살수와 노즐 직하단 갓길과 길어깨 영역의 저살수 취약개소가 동시에 나타나는 공간 균일성에 대한 개선 효과는 제한적이였다.
Table 2.
Results of spray density measurement of existing water spray fire extinguishing facility (2 radiation hole)
4.2 차세대 물분무소화설비 살수밀도
차세대 물분무소화설비의 스윙 기술을 적용하여 살수밀도를 측정한 결과, Fig. 8과 같이 평균 살수밀도는 7.84 L/min·m2로 각각의 구역별 데이터는 Table 3과 같이 측정되었으며, 표준편차는 6.26으로 확인되었다. 이는, 기존 물분무소화설비 대비 성능 개선의 효과를 확인하였다. 추가적으로, 기존 물분무소화설비에서 나타났던 노즐 직하단의 취약개소 영역이 1개소를 제외한 모든 개소에서 기준 이상의 성능 확보를 확인할 수 있었으며, 구조적 한계의 기존 설비에서 해결하지 못하는 점을 소화하는 효과를 확인했다. 반면, 원접부 길어깨 부근에서는 저하되는 경향성을 보았다.
Table 3.
Results of spray density measurement of next generation water spray fire extinguishing facility
4.3 살수밀도 비교 분석
최종 분석 결과는 Fig. 9와 같이 차세대 물분무소화설비의 살수밀도가 기존 물분무소화설비 분사구 1구 대비 41.5%, 분사구 2구 대비 10.7% 향상하였으며, 기준 미달 취약개소 역시 8개소로 고정식 분사 패턴에서 나타나는 구조적 한계를 유의미하게 완화하였다. 특히 노즐 인접부와 중심부 영역의 저살수 지점이 소거되면서 기준 충족 개소가 확대되었으며, 표준편차를 통해 6.56, 6.38, 6.26으로 기존 물분무소화설비 대비 분포의 균일성이 개선되는 경향을 확인하였다. 다만, 노즐 원접의 길어깨 부분에서는 여전히 살수밀도 저하가 관찰되어 분사 각도 및 운영 매뉴얼을 통한 가장자리 보정이 향후 과제로 보여진다.
5. 결론 및 고찰
본 연구는 6.0 * 9.0 m 실험구역에서 동일한 설비 및 운영조건으로 기존 고정식 물분무소화설비(방사구 1, 2개)와 차세대 물분무소화설비의 살수밀도 분포를 실제 소형차 전용도로의 실규모 조건에서 비교 분석하였다. 주요 결론과 해석은 다음과 같다.
1. 동일한 노즐 방수량 조건 0.35 MPa, 390 LPM에서 집수 결과를 비교한 결과, 차세대 물분무소화설비의 평균 살수밀도와 저살수 영역인 취약개소는 7.84 L/min·m2 기존 물분무소화설비 방사구 1구 대비 41.5%, 방사구 2구 대비 10.7%로 향상되었다. 표준편차 또한 6.56 → 6.38 → 6.26으로 감소하며 저살수 영역인 취약개소 역시 감소 15/25 → 12/25 → 8/25개소로 감소하여 성능기준 충족 면적이 개선되었다. 단, 본 연구에서 정의한 평균 살수밀도는 노즐 총 방수량을 터널 단면 전체 면적으로 나눈 이론값이 아닌 Fig. 1의 평가구역(6.0 m * 9.0 m) 내 25개 트레이에 실제로 집수된 체적을 이용하여 산정한 구역 평균값으로 정의하였다.
2. 단순한 물분무소화설비 노즐의 변화로는 평균 살수밀도를 향상시키는 것을 확인하였지만, 과잉과 부족의 양극화를 키워 전면 기준 충족에 한계가 있다. 반면 차세대 물분무소화설비의 스윙기술은 용수를 공간적으로 재분배하여 취약개소를 우선적으로 보정하는 효과를 가진다. 실제 터널 적용에는 분사 각도와 범위, 스윙 속도 및 가변 분사의 시간을 조정하여 균일 분포도와 화재 대응력 향상에 효과적인 개선책으로 사료된다.
3. 선행연구는 단일 노즐을 대상으로 6.0 * 6.0 m 터널 중심부에 국한되어 갓길 및 길어깨의 취약성을 과소 평가할 소지가 있었다. 본 연구는 갓길부터 반대편 길어깨까지 포함한 6.0 * 9.0 m로 확장하여 평가한 결과 기존 노즐의 직하단 인접부의 저살수 지점 소거와 균일성 향상을 확인하는 한편, 기존 1구의 물분무소화설비 대비 길어깨 취약개소의 살수밀도가 극명하게 저하되는 것을 확인하였다. 이에 향후, 최적의 분사 각도와 운영 매뉴얼(분사 시간 조정)을 이용하여 가장자리의 보정을 도출하고자 한다.
4. 차세대 물분무소화설비의 취약개소의 보정을 위해 3개의 방사구 노즐을 가지는 하이브리드 노즐 설계를 적용하여 사각지대 최소화와 과농도 완화를 동시에 달성하는 방향으로 후속 실험을 준비중에 있다. 또한, 실제 지하도로의 조건을 반영한 3.5 m 수준의 천장부를 구축하여 상향으로 비산되는 손실 수량을 저감하는 실험을 병행 계획중에 있다.
5. 본 연구에서는 실제 터널의 제트팬 환기, 종·횡류 바람 및 차량 등으로 인한 차폐물(대형트럭, 버스) 등 교란 요인을 배제한 조건에서 수행하였다. 또한 실제 터널 내 화재 가능 구역의 살수밀도 평가에 초점을 두었으며, 열방출률(HRR)과의 직접 연계 검증은 포함하지 않았다. 따라서 터널과 같은 특수 환경에서는 기류 및 차폐물 영향으로 본 연구 결과보다 변동성이 커지거나 성능이 불리하게 나타날 수 있음을 유의할 필요가 있다.
