구획실 화재(Enclosure fires)

소방관들이 가장 많은 화재진압 활동을 하는 환경은 주택, 사무실 등의 건축물 내부다. 건물 내부에 존재하는 가전이나 가구, 내장재 등은 가연물이고 건물의 건축재료와 건축양식은 건물 자체와 여러 개로 나뉜 구획실의 단열 정도를 결정한다.

 

또 건물의 단열 정도에 따라 건물 내외부로 이동하는 공기의 양이 달라진다. 단열효과가 뛰어난 건물은 밀폐도가 높아 건물 밖에서 내부로 신선한 공기 유입이 어렵다.

 

화재 현장에서 가연물과 구획실 환기 특성은 미연소 화재 가스 생성에 있어 매우 중요한 요소다. 특정 상황에서 화재의 위험을 나타내는 정도(열 방출율)에 큰 영향을 미친다.

 

1970년대 이후 석유화학물질(플라스틱)을 바탕으로 한 가전이나 가구, 내장재 등이 많이 생산됐다. 에너지 절약을 위해 단열효과가 뛰어난 건축재료와 건축양식을 사용하는 일도 많아졌다. 이 때문에 일반적인 주택(아파트 포함)이나 건축물 내부에는 석유화학물질로 이뤄진 가연물이 더 많아졌다.

 

석유화학물질의 높은 화재하중(플라스틱 제품의 높은 에너지 함량)과 목재 가연물에 비해 낮은 열분해 온도 때문에 구획실 화재가 발생하면 그 화재는 굉장히 빠르게 성장한다.

 

이뿐만 아니라 화재실은 밀폐 효과가 뛰어나 신선한 공기의 급기가 어려워 발화 후 화재는 금세 연료지배형 조건에서 환기지배형 조건으로 바뀐다. 

 

이렇게 화재가 빠르게 성장하다 산소가 부족한 상태가 되면 성장이 멈추고 연소반응이 약해지다가 스스로 소멸하기도 한다. 하지만 화재가 거짓 감쇠기로 접어들어 천천히 소멸하고 있을 때 개구부가 생겨 신선한 공기가 유입되면 다시 성장한다.

 

이렇게 소멸하던 화재가 신선한 공기의 유입으로 다시 성장할 땐 여러 형태의 화재 프로파일1)이 만들어진다. 

 

개구부가 생기는 건 화재실의 고열, 고압에 의해 창문 등의 약한 곳이 파괴2)되면서 구멍이 생기거나 소방대원이 현장에 도착해 문을 열고 화재실로 진입하려고 할 때다.

 

이때 화재를 진행시키는 가연물의 종류나 화재실의 크기와 모양, 가연물의 위치(배치), 미연소 가스의 양과 온도 등 여러 조건에 따라 이후의 상황이 달라진다.

 

▲ [그림 1] 환기지배형 화재의 다양한 화재 프로파일(출처 Enclosure fire Fig. 2)  © 소방방재신문

[그림 1]은 이러한 상황에서 발생할 수 있는 여러 화재 프로파일을 보여준다. 회색으로 표현된 곡선은 공기가 무제한으로 공급되면서 가연물이 모두 연소해 감쇠기로 이어지는 커다란 구획실 화재의 화재 프로파일이다.

 

대부분의 구획실 화재에서는 3번 곡선과 같은 화재 프로파일을 보인다(구획실에서는 화재가 발생한 후 성장하다가 산소가 부족해 더는 연소반응이 일어나지 않아 발열량이 감소한다.

 

이때 미연소 가스와 열기가 가득 찬 상태에서 갑자기 개구부가 생기면 신선한 공기가 유입되면서 다시 연소반응이 빨라져 발열량이 급격히 증가한다).

 

1번 곡선은 드물지만 갑자기 만들어진 개구부로 신선한 공기가 빨려 들어가 강력한 연소과정을 보여주는 화재 이상 현상(RFD3))을 나타낸다.

 

2번 곡선은 만들어진 개구부의 크기가 작아 유입되는 공기의 양이 적어 화재가 성장하다가 산소가 부족해 스스로 소멸하는 걸 보여준다.

 

4번 곡선은 개구부가 만들어지기 전 연료지배형 상태에서 화재실에 가연물이 거의 없거나 화재하중이 적은 가연물들이 서로 멀리 떨어져 있어 최초 발화물만 연소되고 더 연소 가능한 가연물이 없어 스스로 화재가 소멸한 걸 의미한다.

 

회색 영역에서의 여러 현상

(Grey areas between the various phenomena) 

산소가 부족한 조건의 구획실 화재에서 발생할 수 있는 몇 가지 화재 프로파일이 있다. 이는 산소가 부족했다가 다시 공급될 때 상황에 따라 다른 방식으로 화재가 성장할 수 있다는 걸 보여준다.

 

실제로 소방관들이 구획실 화재 현장에 도착해 문을 열고 화재실 내부로 진입할 땐 상황에 따라 서로 다른 현상이 벌어진다. 이렇게 구분하기 어려운 여러 현상에 대해 많은 CFBT 강사는 각 현상의 특징을 강조해 설명한다.

 

이제부터는 다양한 현상을 현장에서 빠르게 구분하기 매우 어려울 수 있는(그래서 ‘회색 영역’이라 말하고 싶은) 여러 가지 시나리오에 관한 이야기를 나눠 보려고 한다.

 

다양한 단체와 조직(미국, 캐나다, 유럽 소방 관련 기관)에서 말하는 여러 종류의 RFD에 대한 정의는 서로 정확히 일치하지 않는다.

 

따라서 여러 단체에서 정의하는 RFD 관련 용어의 정의에 관해서보다는 이 현상들이 어떻게 일어나는지와 관련 징후들을 알 방법을 이야기하는 게 현장 활동을 하는 소방대원들에게 더 도움이 될 것이다.

 

▲ [그림 2] 여러 CFBT 강사가 설명하는 환기지배형 화재 프로파일의 회색 영역(출처 Enclosure fire Fig. 118(위) Enclosure Fire FD203 Fig. 36(아래))

 

플래시오버와 백드래프트(Flashover and Backdraft) 

일반적인 플래시오버는 회색 영역으로 진입하기 전 화재실 내 공기 공급이 양호하고 일정량 이상의 가연물이 있을 때 발생한다. 플래시오버는 화재실 전체가 순간적으로 연소(화재실 전체가 순간적으로 화염으로 가득참)하는 현상이다. 

 

백드래프트는 완전히 다른 방식으로 발생하며 화재실에 산소가 부족한 상태에서 연소가 진행될 때 회색 영역에서 발생한다. 화재 가스(미연소 가스, 열분해 가스 등)가 대량으로 축적돼 연소범위를 초과하는 과농(too rich)하고 매우 뜨거운 상태일 때 신선한 공기가 공급되면서 화재 가스가 발화되는 현상이다. 

 

백드래프트는 신선한 공기와 뜨거운 화재 가스가 만든 중력류가 만나는 경계면의 가장 뜨거운 어느 지점에서 부분적으로 혼합된 화재 가스 일부에서 최초로 발화된다.

 

이렇게 연소반응을 통해 만들어진 열에너지가 화재 가스를 밀어내면서 추가로 화재 가스의 일부를 혼합시키며 발화하고, 개구부 쪽으로 화재 가스를 밀어내고 혼합시키며 발화하는 반복적인 과정을 통해 강한 압력파와 화염을 개구부 밖으로 분출시킨다([그림 5] 참조).

 

그렇다면 이러한 두 시나리오를 구분하는 게 왜 그렇게 어려울까?

 

▲ [그림 3] 예 혼합 상태의 화재 가스 (내부)재발화(출처 Enclosure fire Fig. 85)

 

환기지배형 화재에서 문이 열리거나 창문이 깨져 신선한 공기가 유입되는 상황을 가정해보자. 깨진 창문으로 화염이 천천히 분출된다면 강력한 백드래프트는 발생하지 않는다.

 

이 시나리오(FP, Fire Profile)는 ‘화재의 성장이 방해받고 있다가 다시 성장하는 것’인 ‘화재 재발화’로 설명되는 바로 그 상황이다([그림 3] 참조).

 

환기지배형 상태의 화재실에 만들어진 개구부를 통해 유입되는 산소와 과농한 화재 가스가 혼합되는 과정이 필요한 백드래프트를 비교해보자.

 

백드래프트에 비해 상대적으로 화재실 내 화재 가스의 양이 적고 개구부를 통해 유입된 산소와 상대적으로 짧은 혼합과정을 통해 연소범위 내의 화재 가스를 만들어 화재실 전체가 빠르게 연소한다. 

 

그 회색 영역에서의 순간은 화재 성장이 방해받고 있다가 다시 성장하는 것일까? 아니면 빠르게 연소하는 화재 가스의 양에 따라 화재가 얼마나 빨리 성장하는지가 결정되는 것일까? 그것도 아니면 화재 가스와 공기의 중력류가 만들어져 경계면에서 난류로 인한 혼합과정이 뒤따르는 백드래프트 상황일까?

 

물론 각 상황에 따라 다르게 평가해야 한다.

 

화재 가스 자동발화와 백드래프트(Smoke gases auto-igniting and Backdraft) 

개구부 밖으로 배출되는 화재 가스의 온도가 발화점보다 높을 때 화재 가스 자동발화 현상이 발생한다. 이럴 땐 난기류가 화재실 내부 전체로 확산되면서(개구부 밖에서 발화된 화염이 개구부 안쪽으로 이동) 상당한 압력을 발생시켜 소규모 백드래프트처럼 보이는 현상이 나타날 수 있다.

 

이는 드물지만 종종 발생한다. 화재 가스 자동발화는 분명히 동일한 회색 영역에 있지만 플래시오버나 백드래프트보다 화재 가스의 초기 온도가 높을 때 발생한다([그림 4, 6] 참조).

 

▲ [그림 4] 예 혼합 상태인 화재 가스 (외부)자동 발화(출처 Enclosure fire Fig. 86)

 

화재 가스 자동발화와 화재 재발화

(Smoke gases auto-igniting and A fire resuming its development) 

화재실의 개구부에서 화재 가스가 자동 발화되는 상황을 알아내는 건 어렵다. 어떤 경우에는 화염이 개구부에만 있는 것처럼 보이지만 실제로는 화재실 안쪽 깊은 곳으로부터 전파되면서 나왔을 수도 있다.

 

그러면 화재 가스가 자동 발화되는 것인지 아니면 화재의 성장이 방해받다가 다시 성장하는 것(화재 재발화)인지를 구별하는 건 매우 어렵다. 

      

백드래프트와 화재 가스 폭발

(Backdraft and Smoke gas explosion(or Fire gas ignition)) 

백드래프트와 화재 가스 폭발은 완전히 다른 방식으로 발생한다. 환기 조건이 바뀐 화재실(환기지배형 화재에서 개구부가 만들어져 신선한 공기가 공급된 경우)에서만 백드래프트가 발생한다.

 

즉 구획된 화재실에서 오랫동안 연소가 진행돼 산소 부족(열분해 과정은 산소 없이 고열로도 가능)으로 뜨거운 미연소 가스와 열분해 가스가 가득 찬 상태(too rich, 연소범위 초과)에서 개구부가 만들어져 중력류에 의해 유도된 환기(화재 가스와 공기층 경계면이 연소범위 이내로 바뀜)로 발화되는 경우다([그림 5] 참조).

 

▲ [그림 5] 중력류에 의해 예 혼합된 상태의 화재 가스 내부 발화(출처 Enclosure fire Fig. 92)

 

반면에 화재 가스 폭발은 화재실에 인접한 곳으로 누출된 화재 가스가 미리 산소와 혼합된 상태에서 가장 자주 발생한다. 비교적 낮은 온도에서도 발생할 수 있다. 일반적으로 백드래프트는 화재 가스 폭발보다 발생하는 압력이 더 낮다(RFD 중 화재 가스 폭발의 발생 압력이 가장 높다).

 

백드래프트는 환기 조건이 바뀌어야 발생한다. 따라서 화재 가스 폭발보다 그 자체로 압력이 덜 축적된 상태에서 일어난다. 화재 가스 폭발은 구획실에서 발생할 수 있지만 이는 굉장히 드문 일이다. 

 

화재 가스 주변에는 점화원의 종류가 매우 많아 가연성 기체 덩어리가 형성되자마자 연소되는 경우가 더 많기 때문이다. 대부분 형성되는 가연성 화재 가스 덩어리의 크기는 충분히 폭발을 일으킬 만큼 크지 않다.

 

환기 조건이 바뀌었는지, 바뀌지 않았는지와 예 혼합 상태의 화재 가스에 점화(추가 점화원)됐는지, 아닌지를 파악할 수 있다면 백드래프트와 화재 가스 폭발을 구분할 수 있게 된다. 환기 조건이 바뀌어 화재 가스가 점화된 경우 백드래프트가 발생한 것이다([그림 5, 6] 참조).

 

▲ [그림 6] 여러 RFD의 온도, 압력 비교(출처 Enclosure Fire FD 203 Fig. 35)

 

플래시 파이어와 롤오버(Flash-fire and Rollover) 

플래시 파이어, 롤오버는 백드래프트나 화재 가스 폭발과 같은 압력의 분출 없이 화재 가스를 통해 화염이 전파(이동)하는 걸 말한다. 플래시 파이어와 롤오버는 미리 산소와 혼합돼 연소범위 안에 도달한 화재 가스 일부(some of the smoke-air mixture)에서 화염이 이동하는 걸 의미한다.

 

플래시 파이어는 화재 가스의 온도가 낮아 별도의 점화원이 필요하지만 롤오버는 화재 가스가 자동발화 온도 이상에서 스스로 발화한 화염이 천천히 이동하는 걸 말한다. 일반적으로 플래시 파이어가 발전해 롤오버 현상을 일으키고 롤오버 현상이 발전해 플래시오버를 일으킨다. 

 

플래시오버와 화재 가스 폭발(Flashover and Smoke gas explosion(or Fire gas ignition)) 

구획실 화재에서 회색 영역에 도달하기 전 화재는 환기지배형 상태로 바뀌면서 거짓 감쇠기로 접어든다. 그 순간 큰 개구부가 만들어져 화재실에 대량의 산소가 공급되고 순간적으로 화재실 전체의 화재 가스가 연소한다. 이것이 회색 영역에서의 플래시오버다.

 

하지만 화재 가스 폭발은 화재실에서 누출된 화재 가스가 화재실과 떨어진 구획실에 축적되고 산소와 혼합되면서 연소범위 이내의 상태에서 점화원을 만나 발생한다.

 

따라서 회색 영역의 플래시오버는 순간적인 화재 가스 재발화 연소다. 반면 화재 가스 폭발은 화재실과 인접한 곳에서 미리 혼합된 상태의 화재 가스 연소와 관련이 있어 가장 간단하게 구별할 수 있다. 

 

정리(Summary) 

요약하자면, 화재 관련 현상을 이해하려면 무엇이 이 현상을 만들었는지를 알아야 한다. 실제로 어떤 과정을 통해 무슨 일이 일어났는지 파악해야 한다. 물론 근본적으로 사용되는 용어는 중요하다. 신속하고 적절한 조치가 필요한 화재진압 상황에서는 오해의 여지가 없어야 하기 때문이다.

 

하지만 아직도 우리 대한민국 소방에서는 이러한 (급속한) 화재 이상 현상에 대해 적확하지 않은 용어를 사용하는 경우가 많다.

 

소방관들이 기본적인 화재 역학(Fire Dynamics, Fire Fundamentals), 즉 화재 가스는 연료이며 화재의 행동에 환기가 중요하고 PV=nRT 원리에 따라 온도가 올라가면 화재 가스의 과압이 발생할 수 있다는 걸 이해하는 것과 어떤 징후를 통해 화재 상황이 악화될 거로 예상하는 게 중요하다.

 

하지만 어떤 종류의 시나리오가 펼쳐질지 또는 화재가 단순히 소멸할지를 예측하는 건 실질적으로 불가능하다. 같은 유형의 화염이 관련된 다양한 현상을 구분하긴 매우 어렵다.

 

예를 들어 플래시오버와 백드래프트는 화재실 내에서 발생한 화염이 화재실 밖으로 분출되는 비슷한 현상을 보인다. 이로 인해 둘을 구분하기 어려울 수 있다. 반면 연소 현상이 만들어내는 압력 차이에 의해 플래시오버와 화재 가스 폭발은 비교적 쉽게 구분할 수 있다.

 

또 환기가 불량한 환기지배형 조건의 화재 현장에서 환기 프로파일4)을 변경하는 건 여러 종류의 RFD를 유발하거나 축적된 화재 가스를 분산시킬 수 있다는 걸 알아야 한다. 주수를 통해 화재 가스를 냉각시켜 불활성 시킨다면 RFD를 지연시키거나 완화시킬 수 있다. 

 

덧붙임(Remark) 

화재 이상 현상을 공부하면서 동료 직원들과 이야기를 나누다 보면 ‘이 상황은 플래시오버냐 아니면 백드래프트냐?’라는 말이 자주 나온다. 하지만 현장의 모든 조건을 다 알지 못하는 상황에서 단순히 몇 개의 조건만을 가정해보고 화재 현상을 정의하는 건 매우 어렵다는 점을 다시 강조하고 싶다.

 

여러 동료 소방관이 이 글을 읽고 회색 영역에 대해 더 혼란스러워할 것 같아 걱정되기도 한다. 하지만 동료와 함께 여러 화재 이상 현상에 관해 이야기하면서 고민하는 시간을 가져보길 희망한다. 우리의 현장 활동이 더 안전해지길 바라는 마음으로…. 

 

 

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1) 화재 프로파일(FP, Fire Profile): 화재가 시작되고 진행(시간에 따른 열 방출율의 크기 변화)하는 방식을 표현한 곡선.

2) 두께가 1㎜이고 면적이 1㎡인 유리판은 1000~5000㎩ 사이의 압력으로 깨질 수 있다(디자인과 고정 방식에 따라 다름).

2) RFD(Rapid Fire Development): 플래시오버, 백드래프트, 화재 가스 폭발 등 화재 이상 현상(급속한 화재 성장 현상).

4) 환기 프로파일(VP, Ventilation Profile): 구획실 화재에서 여러 관찰 요소를 종합적으로 판단해 신선한 공기가 화점으로 유입되고 화점으로부터 연기가 배출되는 경로를 설명하는 것.

 

참고자료

Ⅰ Lars-Goran Bengtsson, Enclosure fires, Swedish Rescue Services Agency

Ⅱ Structural Firefighting Enclosure Fires FD 203, FROM KNOWLEDGE TO PRACTICE

 

Ⅲ CFBT-KR 강사들과의 메신저 대화

 

경기 군포소방서_ 최기덕 : smile9096@icloud.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2025년 3월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

 

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