불활성 기체 소화약제량·설계농도·최대허용설계농도

왜 배우는가: 불활성 기체 소화약제는 방호구역 체적에 따라 저장량을 정확히 산정해야 설계농도를 확보하고 사람이 있는 곳에서 최대허용 설계농도를 넘지 않는다. 설계농도와 최대허용 설계농도는 기술사 시험에서 반복해 출제되는 핵심 기준이다. 저장량 산식의 원리를 이해해야 계산과 기준 적용을 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제135회 2교시 4번, 제100회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

불활성기체 소화약제량은 방호구역 체적과 설계농도로 산출한 소화약제의 부피를 저장량으로 환산한 값이다.

• 불활성기체 소화약제
• 방호구역 체적
• 체적에 따른 소화약제 설계농도
• 선형상수(S)
• 비체적(Vs)
• 최대허용 설계농도
• 최소예상온도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 방 크기만큼 가스를 넣되 산소 농도를 떨어뜨려 불이 꺼지게 하는 것이 불활성기체 소화설비다. 불활성기체는 헬륨, 네온, 아르곤, 질소 중 하나 이상을 기본성분으로 하는 약제를 말한다(NFTC 107A 1.7.1.3).

정식 정의는 다음과 같다. 불활성기체 소화약제는 주로 질소·아르곤 등 불연성 가스를 이용해 공기 중 산소 농도를 낮추는 방식으로 화재를 소화하는 약제다. 방호구역 체적에 대해 필요한 약제의 부피를 설계농도에 맞게 산출한다.

설계농도는 방호대상물 또는 방호구역의 소화약제 저장량을 산출하기 위한 농도로서, 소화농도에 안전율을 고려하여 설정한 농도다(NFTC 107A 1.7.1.10). 설계농도는 상온에서 제조업체 설계기준에 따라 인증받은 소화농도에 안전계수를 곱한 값 이상으로 한다(2.4.1.3).

최대허용 설계농도는 사람이 상주하는 곳에 적용하는 설계농도로서, 인체 안전에 영향을 미치지 않는 농도를 말한다(1.7.1.13). 산출된 소화약제량은 사람이 상주하는 곳에서 이 값을 넘을 수 없다(2.4.2).

선형상수는 소화약제별로 방호구역 최소예상온도에 따라 정해지는 값이며, 식에서 S = K1 + K2 × t 로 구한다(t는 ℃). 불활성기체 저장량은 산출식의 비체적 Vs와 함께 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

할론 소화약제는 오존층 파괴 문제로 생산과 사용이 제한되었다. 이에 따라 할로겐화합물과 불활성기체 소화약제가 대체 약제로 사용되기 시작했다. 불활성기체는 잔여물을 남기지 않고 전기 비전도성이라는 장점이 있다.

다만 소화에 필요한 농도가 높아 사람이 머무는 곳에서는 안전 문제가 생긴다. 그래서 저장량 산정과 함께 최대허용 설계농도 관리가 필요하게 되었다. 설계농도를 높이면 소화 효과는 커지지만 인체 위험도 함께 커진다는 점이 설계의 핵심 균형이다.

기준 체계상 성능은 NFPC 107A, 구체 수치와 식은 NFTC 107A에 있다. 저장량 산식은 NFTC 107A 2.4.1.2에 규정되어 있다.

4. 구성요소·원리·절차

불활성기체 소화설비는 저장용기, 집합관, 선택밸브, 배관, 분사헤드, 기동장치, 제어반, 감지기, 음향경보장치, 과압배출구로 구성된다. 소화약제량은 방호구역 체적과 설계농도에서 산출하며, 이 값이 설비 전체의 규모를 정한다.

표만 두고 설명을 생략하지 않는다. 저장용기는 방호구역 외에 두는 것이 원칙이며, 방호구역 내에 둘 경우 피난구 부근에 설치한다. 분사헤드는 방출시간을 맞추도록 개수를 정하며, 오리피스 면적은 연결 배관 구경 면적의 70% 이하로 한다.

원리는 불활성기체 약제가 공기를 희석해 산소농도를 낮추는 질식 효과다. 그래서 약제량은 체적당 주입량으로 계산하고, 방출은 기준에서 정한 시간 이내에 최소설계농도의 95% 이상이 전 구역에 도달하도록 배관을 설계한다.

불활성기체 약제량은 방호구역 체적 V와 설계농도 C, 선형상수 S로 정한다

흐름의 핵심은 경보 후 방출이다. 방출지연스위치가 있으면 타이머를 잠시 정지시켜 인명 대피 시간을 확보한다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 절의 기준은 NFTC 107A(할로겐화합물 및 불활성기체소화설비의 화재안전기술기준, 2024-08-01 시행)와 NFPC 107A 제7조를 따른다. 불활성기체 약제량 식과 설계농도 기준은 NFTC 107A 2.4.1.2 및 2.4.1.3에 있다.

표 2.4.1.3의 안전계수는 상온 소화농도에 곱하는 값이다. 표 2.4.2의 최대허용 설계농도는 약제별로 다르므로 설계 시 해당 표를 직접 확인한다. 최근 개정(2024-08-01)에서 과압배출구 검토 항목(누설면적, 최대허용압력, 방출 최고압력, 소화농도 유지시간)이 신설됐다.

표 2.3.2.1(1)·(2)에 약제별 충전밀도·충전압력·최소사용설계압력이 있다. 예를 들어 IG-541 최소사용설계압력 값은 표의 값을 그대로 쓴다. 본문에 수치를 옮기지 않은 이유는 표 원문이 그림이기 때문이다.

6. 유형과 비교

할로겐화합물과 불활성기체는 저장량 산출식이 다르다. 할로겐화합물은 농도 비 C/(100-C)를 쓰고, 불활성기체는 로그식을 쓴다. 두 식은 같은 설계농도라도 값이 다르므로 약제 종류를 먼저 구분해야 한다.

할로겐화합물은 kg 단위 질량으로 바로 산출한다. 불활성기체는 공간체적당 더해진 부피(X)를 먼저 구한 뒤 비체적(Vs)으로 나누어 질량으로 환산한다.

선형상수 S는 방호구역 최소예상온도 t에 따라 달라진다.