소방부하 발전기 용량산정

왜 배우는가: 건축물 비상전원은 소방설비와 일반 비상부하를 한 대의 발전기로 감당하는 경우가 많다. 이때 용량을 잘못 잡으면 화재 시 과부하로 소방설비가 멈추거나, 반대로 과대 설치로 건축비와 연료 낭비가 생긴다. 그래서 수용률과 겸용 발전기 용량 산정 원리가 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제116회 1교시 10번, 제101회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

겸용 발전기는 소방·비상·기타 부하를 합산해 용량을 정하고, 수용률은 부하의 동시 사용 비율로 적용한다

• 소방부하: 옥내소화전, 스프링클러, 제연설비처럼 화재 시 반드시 기동하는 설비의 부하.
• 비상부하: 정전 시 인명 안전과 업무 연속성에 필요한 조명, 엘리베이터 등의 부하.
• 기타부하: 공조, 일반 콘센트처럼 정전 시 차단해도 되는 부하.
• 수용률: 부하설비 용량 합계 대비 실제 최대 수요전력의 비율.
• 소방전원 보존형 발전기: 화재 시 기타부하를 자동 차단해 소방부하를 보호하는 겸용 발전기.
• 유휴 용량: 정전 시 실제로 쓰이지 않고 남는 발전기 여유 용량.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발전기 한 대로 소방설비와 일반 비상설비를 함께 감당하게 하는 방식이다. 발전기 수를 줄이면 건축비와 설치 면적이 줄지만, 두 부하가 동시에 걸릴 때 용량이 부족해질 수 있다. 그래서 용량 산정에서 어떤 부하를 합산하고 어떤 부하에 수용률을 곱할지가 핵심이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 소방부하 겸용 발전기는 소방부하, 비상부하, 기타부하를 모두 합산해 정격출력용량을 정하는 자가발전설비이다. 부하를 합산하는 방식이므로 용량이 가장 크게 나온다.

수용률은 설비 용량을 그대로 더하지 않고 실제 동시에 쓰일 가능성을 반영하는 계수다. 식은 다음과 같다.

$\text{수용률}=\frac{\text{최대 수요전력(kW)}}{\text{부하설비 용량 합계(kW)}}\times 100\%$

수용률은 1 이하이며, 동시에 기동하지 않는 부하일수록 낮게 잡을 수 있다. 다만 소방부하는 화재 시 동시 기동을 전제로 하므로 수용률을 보수적으로 잡는 것이 원칙이다. 기타부하처럼 정전 시 차단이 가능한 부하에 수용률을 적용하는 것이 일반적이다.

유휴 용량은 정전 시 사용되지 않고 남는 여유분이다. 수용률을 과도하게 낮추면 용량이 부족해지고, 합산을 그대로 하면 유휴 용량이 커진다. 두 극단 사이에서 소방부하 보호와 경제성을 함께 맞추는 것이 설계의 과제다.

소방전원 보존형 발전기는 이 문제를 제어로 푼다. 평상시와 정전 시에는 모든 부하에 비상전원을 공급하고, 화재로 과부하에 접근하면 기타부하의 일부 또는 전부를 자동 차단한다. 제어장치가 있으므로 합산 용량보다 작은 발전기로도 소방부하를 연속 공급할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물이 대형화되고 소방설비의 종류가 늘면서 비상발전기 용량이 커졌다. 소방전용 발전기를 따로 두고 비상부하용 발전기를 추가하면 설치 공간과 연료 저장, 배출가스 관리 부담이 함께 늘어난다. 이 때문에 한 대로 여러 부하를 감당하는 겸용 방식이 등장했다.

겸용 방식은 용량 산정 방법에 따라 세 가지로 나뉜다. 소방전용 발전기는 소방부하만 대상으로 한다. 소방부하 겸용 발전기는 세 부하를 모두 합산해 용량을 정한다. 소방전원 보존형 발전기는 소방부하와 비상부하를 합산하되 기타부하는 화재 시 차단하도록 제어한다.

세 방식의 용량 차이는 뚜렷하다. 소방부하 겸용 발전기의 정격출력은 소방전용 발전기의 2배 이상이고, 소방전원 보존형 발전기보다 약 1.5배 크다는 자료가 있다. 소방전원 보존형에 비해서는 약 1.3~1.7배 용량이 증대된다. 이 차이가 연료 소비, 배출가스, 건축비 증가로 이어진다.

겸용 발전기를 선정할 때 안전성과 경제성을 함께 고려해야 한다. 안전성은 소방전용, 소방부하 겸용, 보존형 모두 제공한다. 경제성까지 함께 제공하는 방식은 소방전원 보존형 발전기이다. 경제성을 무시한 소방부하 겸용 선정은 유휴 용량을 키워 시공비와 자원 낭비를 부른다.

국내에서는 LH공사 전기정보통신 설계지침처럼 화재 시 부하와 정전 시 부하를 겸용하는 경우 두 부하 중 더 큰 쪽 부하 용량 이상을 기준으로 정격출력용량을 정하는 방식이 쓰인다. 이 기준은 보존형 발전기를 바탕으로 한 것이다.

마지막으로 부하 누락이나 수용률 과다 적용은 법령 위반과 화재 시 비상전원 중단으로 이어질 수 있다. 그래서 겸용 발전기 설계는 부하 목록 작성, 수용률 검토, 제어장치 방식 선정을 하나의 절차로 묶어 다뤄야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

소방부하 겸용 발전기는 소방부하, 비상부하, 기타부하를 한 대의 발전기로 감당하는 방식이다. 이때 소방전원 보존형 제어가 핵심 구성요소가 된다. 발전기 본체와 함께 부하를 판별해 차단하는 제어장치가 설비의 성능을 결정한다.

소방부하 겸용 발전기는 제어 방식으로 부하를 나눈다. 정전 시에는 모든 부하에 동시에 전원을 공급한다. 화재 시에는 과부하가 가까워지면 기타부하를 자동으로 차단한다. 소방부하와 비상부하는 끝까지 연속 공급한다. 제어장치는 작동 상태를 램프로 표시한다.

용량 감소를 위한 부하 제어 원리는 다음과 같다. 발전기 정격은 동시에 가동되는 부하의 합으로 정한다. 화재 시 긴급하지 않은 부하를 차단하면 피크 부하가 낮아진다. 그 결과 정격출력을 줄일 수 있다.

화재 시 기타부하를 자동 차단하면 소방·비상부하의 연속 공급이 보장된다

절차는 다음과 같다.

• 소방부하, 비상부하, 기타부하를 목록으로 나누고 각 부하의 입력용량(kW)을 구한다.
• 부하별 수용률과 역률을 적용하여 필요 출력을 구한다.
• 정전 시 동시 투입 부하(시동 돌입 부하 포함)를 합산한다.
• 화재 시 차단 대상 기타부하를 정하고, 차단 후 소방·비상부하만의 용량을 검토한다.
• 두 경우 중 큰 값을 기준으로 정격출력용량을 정하고, 여유율을 더해 발전기를 선정한다.

용량 산정의 기본식은 다음과 같다.

$P_G = \frac{\sum (P_i \times K_i)}{\cos\theta} \times \alpha$

여기서 P_G는 발전기 정격출력(kVA), P_i는 부하별 설비용량(kW), K_i는 부하별 수용률, \cos\theta는 부하 역률, \alpha는 여유율이다. 시동 돌입 전류가 큰 전동기가 있으면 그 기동 용량을 따로 더하여 전압강하를 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

소방부하 전원의 용량과 연속 공급은 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」(약칭 소방시설법)과 화재안전기준에서 정한다. 현행 성능 기준은 화재안전성능기준(NFPC)이며, 구체 수치와 방법은 화재안전기술기준(NFTC)에 있다. 2022-12-01부터 이 체계로 바뀌었다(구 화재안전기준(NFSC)의 후속).

건축 전기설비의 발전기 설계는 「건축전기설비 설계기준」과 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 한국전기설비규정은 2021-01-01부터 적용됐다. 국내 설계 실무에서는 LH공사 전기정보통신 설계지침의 용량 선정 방식도 참고한다.