축전지 용량 산출

왜 배우는가: 축전지 용량을 잘못 산출하면 정전 시 소화펌프와 제어반이 작동하지 못해 초기 진화가 실패한다. 시험에서는 종류 선정과 용량 산출 순서를 묻는 용어형·논술형 문제와, 부하 조건을 주고 Ah를 계산하는 문제로 반복해 나온다.

출제 이력: 제119회 2교시 4번, 제97회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

축전지 용량 산출은 소방부하 전류·방전시간·보수율로 필요한 축전지 용량(Ah)을 정하는 일이다.

핵심 키워드

• 축전지 용량(Ah)
• 보수율
• 용량환산시간(K)
• 방전전류
• 방전시간
• 연축전지
• 비상전원

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 상용전원이 끊겼을 때 소화펌프와 제어반이 일정 시간 버틸 수 있도록 전기를 저장해 두는 장치의 크기를 계산하는 것이다. 축전지설비는 상용전원이 정전되면 곧바로 전력을 공급하는 비상전원으로 쓰인다. 정식으로는 축전지가 부하에 공급할 수 있는 전기량을 암페어시(Ah)로 나타내고, 부하 조건에 맞춰 이 값을 정하는 절차를 축전지 용량 산출이라 한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 방전전류는 부하가 축전지에서 뽑아 쓰는 전류(A)다. 방전시간은 비상전원이 유지해야 하는 시간이다. 옥내소화전설비는 20분 이상 유효하게 작동할 수 있어야 한다(NFTC 102 2.5.3.2). 보수율은 사용 기간에 따른 용량 저하와 온도 등을 감안해 곱하는 여유 계수다. 문제 조건에 따라 보수율이 주어진다. 용량환산시간(K)은 방전시간과 방전율에 따라 정해지는 계수로, 축전지 제조사 특성표에서 구한다.

연축전지는 납과 묽은 황산을 쓰는 축전지로 소방설비에 널리 쓰인다. 축전지의 실제 용량은 방전전류가 커질수록 줄어든다. 따라서 용량 산출에서는 부하 전류를 그대로 곱하지 않고 방전시간별 계수를 반영해야 한다. 이 점이 단순히 전류와 시간을 곱하는 계산과 다른 이유다.

부하는 평상시와 화재 시에 나눠 본다. 평상시에만 켜지는 표시등과 화재 시에만 동작하는 펌프는 동시에 작동하는 기기만 합산한다. 이렇게 해야 과대 산정을 막을 수 있다. 기술사 답안에서는 이 구분을 먼저 밝히는 것이 감점을 줄이는 방법이다.

3. 등장 배경과 필요성

상용전원이 정전되면 소화설비가 작동하지 않아 화재 초기 진압에 실패할 수 있다. 그래서 법령은 일정 규모 이상의 건축물에 비상전원을 설치하도록 한다. NFTC 102 2.5.2에 따르면 7층 이상으로서 연면적 2,000㎡ 이상인 특정소방대상물이나, 그 밖의 대상으로서 지하층 바닥면적 합계가 3,000㎡ 이상인 경우가 해당한다. 다만 2 이상의 변전소에서 동시에 전력을 받거나 가압수조방식인 경우에는 설치하지 않을 수 있다.

비상전원은 자가발전설비, 축전지설비, 전기저장장치 중에서 고른다. 축전지설비는 기동이 빠르고 소음과 배기가 없어 실내에 설치하기 쉽다. 반면 방전 후 재충전에 시간이 걸리고, 장시간 공급에는 적합하지 않다. 그래서 소요 시간이 길거나 대용량이 필요하면 자가발전설비와 함께 쓰거나 발전기를 우선 고려한다.

축전지 용량을 정확히 산출하지 않으면 방전 후 펌프가 멈추는 사고가 생긴다. 또한 감시제어반은 예비전원이 확보되고 그 적합 여부를 시험할 수 있어야 한다(NFTC 102 2.6.2.6). 용량 산출은 설비가 실제로 약속한 시간 동안 작동하는지 입증하는 근거가 된다. 따라서 설계 단계에서 부하 목록, 방전시간, 보수율, 용량환산시간을 한 표로 정리해 두어야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

축전지설비는 축전지, 충전장치, 인버터장치(필요 시), 배선·보호장치로 구성된다. 상용전원이 정전되면 축전지가 직류 전력을 공급하고, 충전장치는 평상시 축전지를 충전 상태로 유지한다. 옥내소화전설비에서는 감시제어반과 복합형수신기 등 제어계통의 비상전원으로 쓰이는 경우가 많다.

표의 각 구성요소는 설계 용량 산정과 직접 연결된다. 충전장치 용량은 부하 전류와 축전지 충전 전류의 합으로 정하고, 인버터 용량은 교류 부하의 피상전력으로 정한다. 축전지 용량 산정은 충전장치와 별도로 방전 조건을 기준으로 한다.

축전지의 원리는 전기화학 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이다. 방전 시 전류가 클수록 유효 용량이 줄어드는 특성이 있다. 이 특성 때문에 용량 산정에서는 방전율과 보수율을 함께 적용한다. 보수율은 노화, 온도, 설계 여유를 반영하는 계수로, 본 절의 계산 조건에서는 보수율을 쓴다. 방전 시간은 기준 조건(소방용은 법정 작동시간)을 따른다.

용량 산정 절차

• 비상전원 적용 대상과 법정 작동시간을 확인한다. 옥내소화전설비는 20분 이상 유효하게 작동해야 한다.
• 동시에 작동하는 기기별 수량과 소비전류(또는 소비전력)를 조사한다.
• 기기별 소비전류에 수량을 곱하고 합산해 부하 전류의 합 I(A)를 구한다.
• 방전 시간 T(h)와 보수율 L을 정한다.
• 축전지 용량 C(Ah)를 식으로 계산한다.
• 계산 결과에 여유율을 더하거나 표준 용량 규격으로 올림한다.

$C = \frac{1}{L} \times I \times T$

여기서 C는 필요 용량(Ah), L은 보수율, I는 동시 작동 부하의 합계 전류(A), T는 방전 시간(h)이다. 보수율 L은 용량을 키우는 방향으로 작용한다. 방전율 보정(용량 환산시간 계수 K)이 주어지면 C = K \times I / L 형태로 쓴다.

다음 도식은 답안지에 옮겨 그리는 용량 산정 흐름이다.

5. 관련 법령·기준·표준

옥내소화전설비의 비상전원 기준은 화재안전기술기준(NFTC 102)이 정한다.

위 표의 값은 기준 원문에 있는 값이다. 축전지 용량 계산에 쓰는 보수율과 방전 시간 계수는 계산 문제의 주어진 조건이다.

개정 연혁으로는 화재안전기준이 NFPC(성능)와 NFTC(기술)로 나뉘었다. 옛 명칭은 NFSC다. 본 기준의 시행일과 개정일은 기준 원문 표기를 따른다. 연혁 세부 내용은 근거가 없어 확정하지 않는다.