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Gas Cooling 위한 효율적인 주수기법을 찾아서 Vol.1

경기 안산소방서 최기덕 | 기사입력 2020/09/22 [15:50]

Gas Cooling 위한 효율적인 주수기법을 찾아서 Vol.1

경기 안산소방서 최기덕 | 입력 : 2020/09/22 [15:50]

우리는 훌륭한 화재진압 능력을 갖춘 소방관이 되기 위해 노력하고 있습니다. 그렇다면 우리가 사용하는 관창 주수기법들이 화재를 진압하는 데 효과적이라는 걸 어떻게 알 수 있을까요? 저는 화재 현장에서 적용 가능한 효과적인 화재진압 방법을 찾고 싶어 CFBT에 관심을 두기 시작했습니다.

 

이때 간접공격 전술 중 ‘Gas Cooling’ 기법이 매우 효과적이라는 걸 알게 됐죠. 웹서핑하다가 ‘어떤 소방관이 (주수기법을 중심으로) 훌륭한 화재진압 능력을 갖췄느냐?’는 기준을 연구한 논문1)을 발견했습니다. 이 연구를 많은 소방대원분과 나누고 싶어 소개하고자 합니다. 이 글은 2014년 International Structural Fire Conference에서 발표된 글을 의역한 겁니다. 관련 수식을 덧붙여 읽는 분들이 최대한 쉽게 이해할 수 있도록 했습니다.

 

우리는 정말 제대로 하고 있는가?

“우리는 우리의 훈련이 효과적인지 어떻게 알 수 있을까?” 

 

관창 주수기법에 대한 교육훈련이 효과적이라는 건 소방관들이 화재실 환경을 통제하고 화재를 진압하는 방식으로 알 수 있을 겁니다.

 

“우리는 화재 현장에서 주어진 상황에 맞게 장비를 활용해 20%의 효과 혹은 50% 이상의 효과가 발휘되는지 측정하는 방법이 있을까? 있다면 어떤 측정방법을 사용하는가?” 

 

“우리가 모두 효율적으로 대응하고 있다고 할만한 기준은 없을까?” 

 

“만약 우리가 훌륭한 화재진압 능력을 갖춘 소방관을 추구한다면 소방관의 훈련 중 대응능력을 측정하고 실제 화재 현장에서의 대응능력 향상 정도를 측정해야 한다. 이를 과학적으로 가능케 할 방법이 있는가?”

 

이 글은 과학적 방법을 통해 위 질문 중 몇 가지에 대한 객관적인 답을 제공하려 합니다. 소방관의 능력을 파악하기 위해 수량화할 수 있는 행위를 측정하고 기록함으로써 객관적인 답을 얻을 수 있기 때문입니다. 우리는 과학적인 방법을 찾아 그 방법을 보완해야 합니다.

 

만약 이러한 훈련이 없다면 소방관의 능력을 평가하는 기준은 단순히 경험으로만 치부될 수 있습니다. 불행히도 같은 화재 현장에서 진압 활동을 한 경험은 소방관마다 크게 다를 수 있습니다. 그러므로 다른 나라 소방관들이 사용하는 가장 효과적인 전술과 기법이 우리가 사용하는 전술과 차이가 난다는 건 그다지 놀라운 일이 아닙니다.

 

다양하고 불규칙한 변수들

과학적인 방법을 화재 현장에 적용할 때 가장 큰 문제는 변수가 너무 많다는 겁니다. 일반적으로 과학실험의 신뢰도는 매개변수를 완벽하게 파악하고 제어하면 높아집니다. 그러나 이는 또 다른 문제를 발생시킵니다. 실험에서 제거되는 변수가 많을수록 ‘현실성’이 줄어들 수 있기 때문입니다. 이는 곧 현실과 동떨어진 상황을 구현하는 거로 받아들여질 수 있습니다.

 

따라서 일선 소방관들의 ‘실험실’ 연구결과에 대한 불신은 당연한 건지도 모르겠습니다. 실험 결과들은 소방관이 화재 현장에서 직접 목격하고 있는 것과 다르기 때문입니다. ‘실험실에서는 괜찮지만 실제 화재 현장에선 OO하게 될걸?’과 같은 비난은 피하기 힘듭니다. 하지만 과학적 방법이 화재 현장에 필요 없다는 걸 의미하는 건 아닙니다. 

 

과거 많은 경험이 더 큰 지식으로 이어진다는 믿음을 기초로 경험은 지식의 바탕이 됐습니다. 전통적으로 많은 소방관은 경험이 지식과 같다고 믿도록 배워왔습니다. 일반인도 화재 출동 경험이 많은 소방관이라면 화재 현장에 대해 더 잘 알 거라고 여깁니다. 저 또한 화재 현장에서의 제 경험과 시간이 제가 실제로 가진 지식보다 더 많은 걸 알고 있다고 믿는 함정에 빠지곤 합니다.

 

화재 현장에서는…

화재 현장을 전반적으로 살펴보면 화재 발생 시 얼마나 효과적으로 화재를 진압할 것인가에 영향을 주는 여러 가지 변수를 알 수 있습니다. 지배적인 변수에 근거해 우리 행동이나 결정과 같은 효율에 영향을 미칠 수 있는 중요한 요소들이 많이 있습니다. 

 

화재는 어느 정도 진행됐는가? 우리가 올바른 전술을 선택했는가? 우리는 그 전술을 신속하게 실행했는가? 

 

우리는 늦게 도착했지만 올바른 전술을 채택한 출동대가 될 수도, 일찍 도착했지만 잘못된 전술을 채택한 출동대일 수도 있습니다. 잘못된 장비로 올바른 기법을 사용했거나 올바른 장비로 잘못된 기법을 사용한 소방관일 수도 있고, 충분한 소방력으로 잘못된 전술을 시행하려고 노력하는 출동대와 부족한 소방력으로 올바른 전술을 시행하려는 출동대가 될 수도 있습니다. 

 

변수들 안에는 또 다른 하위변수가 있습니다. 예를 들어 관창 주수기법을 살펴보면 관창수가 사용하는 주수기법은 상황에 가장 적합한 기법일 수도, 아닐 수도 있습니다. 게다가 그게 올바른 기법이라고 가정하면 그 기법이 잘 시행될 수도, 나쁘게 시행될 수도 있습니다.

 

더 자세히 들여다보면 어떤 기법이 잘, 혹은 나쁘게 시행되는지는 그 변수들 안에서 적절하게 수행된 행동의 조합에 의해 결정됩니다. [그림 2]는 화재진압 활동 중 소방관들이 ‘간접공격’을 사용할 때 관련된 변수와 행동을 보여줍니다. 이 변수에 대한 다양한 가능성만으로도 1천여 개의 다른 결과가 나타날 수 있습니다.

 

간접공격은 적절히 사용할 때(특히 완전히 폐쇄된 구획화재를 진화할 때) 매우 효과적일 수 있습니다. 간접공격은 주수된 물방울이 열을 흡수해 증기로 전환되고 증기가 화재 현장의 연료와 공기(산소)를 밀어내 질식 소화하는 효과를 이용합니다. 효율을 극대화하기 위해 두 현상이 올바르게 수행되려면 여러 가지 조치가 필요합니다.

 

여러 조건이 밀접하게 연관돼 있어 어떤 특정 행동들이 다른 행위보다 선행돼야 합니다. 예를 들어 적당한 ‘물방울 크기’를 달성하기 위해서는 적정한 ‘주수 속도’와 ‘주수 압력’, ‘주수 각도(cone angle)’가 만들어져야 합니다(적정한 물방울 크기를 생성할 수 있는 관창이 있다고 가정합니다).

 

마찬가지로 ‘주수 기간(duration, 밸브를 열고 있는 시간)’과 ‘주수 빈도(frequency, 일정시간 밸브를 여닫는 횟수)’도 ‘주수 위치(placement, 주수되는 물방울이 도달하는 장소)’가 정확하지 않으면 별 영향을 끼치지 않습니다.

 

매우 우수하고 효과적인 간접공격을 수행하려면 7가지 요소(Frequency, Duration, Placement, Cone angle, Flow rate, Pressure, Drop size)를 모두 올바르게 수행해야 합니다.

 

▲ [그림 2] 간접공격에서의 변수와 행동들


물을 사용하는 화재진압

이제 물을 어떻게 사용해야만 불을 잘 관리하고 끄는질 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 물은 액체상태로 화염에 주수돼 수증기로 변합니다. 이때 흡수된 열(열량=에너지)을 알기 위해 우리는 몇 가지 요소를 살펴봐야 합니다.

 

1. 물의 비열 

물 일정량을 가열하기 위해선 일정량의 에너지가 필요합니다. 물의 비열2)로 알려져 있으며 c자로 표기합니다. 단위는 J/㎏ㆍK입니다. 이 값은 물의 경우 4186J/㎏ㆍK입니다. 우리는 물을 사용해 연기를 냉각시킬 때 연기층에 숏 펄싱 기법을 사용합니다. 주수된 물방울이 100℃(373K)의 온도에 도달할 때까지 연기로부터 차가운 물방울로써 열에너지를 흡수합니다. 흡수된 에너지 양은 물의 질량(m)과 비열(c), 온도변화량(ΔT)을 곱해 계산합니다. 

 

Q = m × c × ∆T [ J ]

 

2. 물의 증발 잠열

물이 수증기 상태로 변할 때 훨씬 더 많은 에너지를 흡수합니다. 이 값은 물의 증발 잠열3)로 알려져 있습니다. 물의 증발 잠열은 L자로 표기되고 단위는 kJ/㎏입니다. 이 값은 물의 경우 2260kJ/㎏입니다. 물이 완전히 증발할 때까지 에너지는 연기에서 뜨거운 물방울로 흡수될 겁니다. 흡수된 에너지 양은 물의 질량(m)에 증발 잠열(L)을 곱해 계산합니다.

 

Q = m × L [ J ]

 

두 값(c와 L)을 비교할 때 100℃의 물이 100℃ 수증기로 바뀌는데 필요한 에너지는 상온의 물이 100℃에 도달할 때까지 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 흡수하는 걸 알 수 있습니다. 물을 수증기로 변화시키려면 100℃로 가열하는 데 필요한 에너지보다 6배나 많은 에너지가 필요합니다.

 

3. 수증기 비열

수증기가 연기층으로 확산하면 더 많은 에너지가 연기층에서 수증기로 흡수될 겁니다. 그 결과 수증기 온도는 상승하게 되죠. 이 과정은 수증기와 연기 사이에 열평형이 존재할 때까지 계속됩니다. 수증기의 비열 값은 물의 비열 값과는 다른 값을 갖습니다. 수증기 비열 값은 수증기 온도에 따라 달라집니다. 

 

이 계산에서는 수증기의 비열 값을 평균값으로 사용하려 합니다. 이 평균값은 2080J/㎏ㆍK입니다. 물에 사용된 열량 계산 공식과 같습니다. 온도차(ΔT)는 수증기의 최종온도(열평형 상태의 온도)와 373K(물의 끓는점)의 차이입니다. 계산하기 위해선 수증기의 최종 온도를 가정해야 합니다. 이 글에서는 최종온도를 300℃(573K)로 합니다(K : 켈빈 온도).

 

▲ [표 1] 1㎏의 소화수 온도에 따른 흡수 열량

4. 총 흡수 열량

이상적으로 연기층을 냉각하기 위해 물을 사용할 때 사용되는 모든 물은 수증기로 변한다고 가정합니다. 수증기의 최종온도인 300℃까지 흡수되는 에너지의 양을 추정하기 위해선 세 가지 ‘열’ 요소(물의 비열, 물의 증발 잠열, 수증기의 비열)를 모두 고려해야 합니다. 소화수의 온도를 고려하면 [표 1]과 같은 결과를 얻게 됩니다.

 

[표 1]을 통해 총 흡수 열량이 소화수의 온도에 영향을 받는다는 걸 알 수 있습니다. 계산을 단순화하기 위해 1ℓ의 물이 흡수할 수 있는 에너지의 양에 대해 3MJ/㎏을 기본값으로 사용할 겁니다.

 

관창수가 물을 사용할 때 결코 100%의 효과를 거두지는 못할 겁니다. 소화수를 주수하면 소화수가 수증기로 변합니다. 수증기가 화염 주변(화재실)의 모든 열에너지를 흡수해 열평형이 이뤄진다 해도 이론적으로 계산한 만큼의 냉각효과를 얻을 수 없기 때문입니다.

 

▲ [그림 3] 주수기법 연습 중인 벨기에 소방관


5. 수증기로의 상태변화

물은 수증기로 변할 때 부피가 팽창합니다. 물 1ℓ는 대량의 수증기를 발생시킬 겁니다. 이는 이상기체방정식으로 계산할 수 있습니다.

 

P × V = n × R × T

 

P는 파스칼(Pa)의 압력이고 V는 ㎥의 부피, n은 해당 기체 분자의 ㏖ 수, R은 일반 기체상수(8.314J/kgㆍK), T는 켈빈(K)4)의 온도입니다. V에 대한 방정식으로 치환하면 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있습니다.

 

V = (n × R × T)/P [㎥]

 

물의 분자량5)은 18g/㏖입니다. 따라서 1㎏(ℓ)의 물에는 55.55㏖6)이 존재합니다. 수증기의 최종 온도에 따라 물 1ℓ에 의해 생성되는 수증기의 부피가 결정됩니다. 

 

▲ [표 2] 1ℓ의 물이 주변 온도에 따라 수증기로 상태가 변하면서 만들어지는 부피

수증기는 불활성 기체7)입니다. 이는 화재진압의 중요한 요소가 됩니다. 가연성 기체 혼합물에 수증기를 넣으면 연소범위가 줄어듭니다. 특정 지점에서 혼합물은 가연성이 없어지고 이에 따라 화재가 진압됩니다.

6. 물방울의 크기

물방울의 크기는 중요한 매개변수입니다. 물방울 크기가 매우 작으면 관창을 떠난 후 너무 빨리 증발하고 관창수에게 가장 가까운 연기층만 냉각됩니다. 물방울 크기가 너무 크면 완전히 증발하지 않고 연기층을 통과하게 됩니다. 어떤 물방울들은 천장에 부딪힐 수도 있고 천장에서 열을 흡수하면서 증발합니다. 

 

또 다른 가능성은 물방울이 천장과 벽에 부딪혀 바닥으로 떨어진다는 겁니다. 이 경우 물방울들은 연기층을 다시 한번 통과하게 됩니다. Grimwood는 지름 0.3㎜의 물방울이 가장 이상적인 크기라고 말합니다. 이 크기의 물방울은 뜨거운 연기에 침투할 수 있을 만큼 충분히 크고 쉽게 증발할 수 있을 만큼 아주 작습니다.

 

위에 서술한 내용을 통해 물을 소화약제로 사용하는 것에 대한 기본적인 과학지식을 이해하게 됐을 거라고 생각합니다. 다음 단계는 소방관들이 현장에서 사용하는 주수기법에 대한 지속적인 평가와 그 지식을 정리하는 겁니다.

 

이 과정을 통해 우리의 능력 수준을 더 정확하게 평가하는 데 도움이 되는 몇 가지 방법을 알 수 있을 겁니다. 궁극적으로는 화재진압을 위한 최소 필요 유량과 관창의 수, 진압대원의 규모, 전술ㆍ전략을 결정할 수 있는 근거를 제공할 수 있습니다. 다음 호에서는 우리가 ‘주관적인’ 진압기법과 행동을 과학으로 어떻게 ‘정리’할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

▲ [그림 4] 홍콩 소방관의 관창 주수 연습

 


1) International Structural Fire Conference, 09-10 June 2014, Ryn John McDonough, Karel Lambert: Training with intent – effective hose stream techniques 

※ 논문 저자(John McDonough)와 협의 후 본 글을 번역해 소개합니다.

 

2) 비열용량(比熱容量, Specific heat capacity) 또는 비열은 단위 질량의 물질 온도를 1℃ 높이는 데 드는 열에너지를 말한다. 비열은 물질의 종류에 따라서 결정되는 상수이며 밀도, 저항률 등과 같이 물질의 성질을 서술하는 데 중요한 물리량이다. 1g의 물 온도를 1℃만큼 올리는 데 필요한 열량은 1㎈이므로 물의 비열은 1이 된다. 그러나 비열은 단순히 숫자가 아니라 단위를 갖는 양이다. 1g을 1℃ 올리는 데 필요한 칼로리 수가 비열이므로 비열의 단위는 ㎈/gㆍ℃다. 따라서 정확하게 말하면 물의 비열은 1㎈/gㆍ℃가 된다.

 

3) 잠열(潛熱)은 숨은열을 뜻한다. 어떤 물체가 온도 변화 없이 상태가 변할 때 방출되거나 흡수되는 열이다. 증발과 응결에 의해 발생하는 열로써 물이 수면이나 습윤한 흙의 표면으로부터 증발할 때 열에너지가 수증기 속으로 들어가는 현상으로 나타난다. 

 

4) 켈빈(kelvin)은 온도의 국제단위다. 켈빈은 절대 온도를 측정하기 때문에 0K는 절대 영도(이상 기체의 부피가 0이 되는 온도)이며 섭씨 0도는 273.15K에 해당한다. 상대온도의 단위로는 섭씨 도와 같다. 켈빈 경의 이름을 땄으며 기호는 K다.

 

5) 분자 질량(分子質量) 또는 분자량(分子量, molecular weight 또는 molecular mass)은 원자 질량 단위로 나타낸 분자의 질량이다. 탄소-12를 기준으로 한 상대적 질량이므로 상대 분자 질량이라고도 한다. 

 

6) 물질의 양을 나타내기 위한 기준. 1㏖은 원자량이 12인 탄소(C-12) 12g에 들어 있는 탄소 원자의 수와 같은 수의 원자ㆍ전자ㆍ이온ㆍ분자가 들어 있는 물질의 양이다.

 

7) 불활성 기체 : 다른 원소와 화학 반응을 일으키기 어려운 기체. 소화약제로도 사용.

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경기 안산소방서_ 최기덕

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 9월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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