본 글은 CFBT-BE를 운영하는 Karel Lambert의 허락을 득하고 그의 article을 참고해 작성했습니다.

 

다시 주수기법(Nozzle Technique)을 생각해보자

CFBT 역사를 공부하다 보면 미 해안경비대 출신의 소방관 로이드 레이먼(Lloyd Layman)을 빼놓지 않고 이야기한다. 그의 저서인 ‘Attacking and Extinguishing Interior Fires’는 1952년 처음 발간됐다.

 

이 책은 현대 소방 전술의 핵심인 ‘간접 공격법(Indirect Attack)’과 ‘분무 관창(Fog Nozzle)’을 이용한 화재 진압 이론을 체계화한 고전으로 평가받는다.

 

뜨거운 연기로 가득 찬 실내에 분무(안개) 형태로 물을 주수하면 물방울이 급격히 수증기로 팽창하며 화재 가스를 냉각시키고 산소를 차단해 화재를 억제한다는 원리를 이용한다.

 

로이드 레이먼은 해안경비대 함정에서 발생하는 화재를 더 효과적으로 진압할 방안을 연구했다.

 

해군(해안경비대) 함정은 물과 공기가 통하지 않는 수밀 격실(A Water-tight Compartment)이라 화재가 발생한 격실의 문이 닫혀 있다면 열연기가 빠져나올 수 없는 밀폐된 구조다. 현대의 주택화재 환경과 매우 비슷하다.

 

따라서 로이드 레이먼은 고열의 화재실에 직접 진입하는 대신 분무 주수 관창을 이용한 간접 공격에 대해 생각하기 시작했을 것이다(레이먼은 볼티모어에 해안경비대 소방학교를 설립했다). 그 후 웨스트버지니아주 파크스버그에서 20여 년간 소방관으로 근무한 뒤 퇴직했다.

 

현재 대한민국 소방에서도 펄싱 주수기법이 하나의 표준으로 사용된다. 펄싱 기법은 짧고 통제된 분무 주수로 적은 양의 물을 사용해 화재실의 시야를 유지하고 과도한 수증기 발생을 방지한다는 장점이 있다.

 

그러나 현장 대원이라면 모든 구획실의 화재 상황에서 화점을 향해 이동 중 또는 구조대상자 검색 중 3D Pulsing만으로 화재 가스 냉각이 충분했는지에 대한 의문을 한 번쯤 가져보지 않았을까 싶다.

 

▲ [그림 1] Attacking and Extinguishing Interior Fires 출처 www.worthpoint.com

이 글은 여러 주수기법의 옳고 그름을 가리려는 게 아니다. 구획실 화재현장에 사용하는 주수기법이 어떻게 발전해 왔고 또 다른 선택지는 없는지를 알아보기 위함이다.

 

따라서 로이드 레이먼의 Fog Stream에서 시작해 네덜란드 공공 안전 연구소1)에서 2021년 12월 발표한 연구보고서 ‘When Water Goes Up in Smoke’까지 정리해 보고자 한다.

 

로이드 레이먼의 Fog Stream에서 3D Pulsing 주수기법과 Arc Method

 

▲ [그림 2] 저압 분무 노즐을 이용한 셀라 관창의 적절한 배치 출처 Attacking and Extinguishing Interior Fires

 

로이드 레이먼은 당시 소방관들이 화염에 직접 주수하는 것에만 집중해 분무 주수로 고온의 연기층에 축적된 과도한 열에너지를 낮춰 화재를 진압할 수 있다는 걸 놓치고 있다고 주장했다.

 

이렇게 분무 주수를 통한 연기층을 냉각하는 기법과 함께 장비가 개발되기 시작했다. 그에 따른 여러 기법과 전술도 개발됐다. 이는 펄싱 주수기법으로 알려진 현재의 ‘화재 가스 냉각 주수기법’으로 발전해 왔다.

 

한편 스웨덴에서는 근래에 환기 지배형 화재 상황에서 화재 가스를 냉각하기 위해 아크 형태의 주수기법(Arc-shaped Method)이 활용되고 있다. 미국에서는 아크 기법의 대안적 운용 방식에 대한 새로운 접근법이 제시됐다.

 

▲ [그림 3] 아크 기법. 직사 주수로 1-2-3-4-3-2-1 출처 IFV

 

미국식 아크 기법(American Arc Method)은 시애틀 소방국(Seattle Fire Department)의 Aaron Fields가 개발한 이동 전술의 결과물이다.

 

그들은 ‘The Nozzle Forward’라는 개념 아래 체계적인 이동 방법을 발전시켰다. 이 전술은 구성 요소가 다양하며 그중 하나가 네덜란드 연구진이 ‘아크 기법(Arc Method)’이라고 명명한 방식이다.

 

해당 기법은 ‘바닥-벽-천장-벽-천장-벽-바닥’이라는 반복적인 구호와 함께 일종의 매뉴얼화 된 주수 순서를 기반으로 운용된다. [그림 3]은 아크 기법의 작동 원리를 명확하게 보여준다. 진압대가 내부로 진입한 후 관창을 개방하며 관창은 직사(Straight Stream) 상태로 설정된다.

 

주수되는 물방울은 바닥에서 시작해 벽면을 따라 상승한 뒤 천장을 따라 이동한다. 이어 실 또는 복도의 반대편 벽을 따라 이동한 후 다시 바닥으로 향한다. 이후 물방울은 같은 경로를 따라 출발 지점을 향해 되돌아오는 방식으로 운용된다.

 

이러한 주수 동작은 지속적인 이동 동작과 결합해 수행된다. 관창수는 이동하는 동안 아크 기법을 연속해서 적용한다. 

 

미국에서는 이 기법을 직경 65㎜ 호스와 800ℓ/min의 유량으로 운용한다. 이는 매우 효과적일 수 있으나 효율성 측면에서는 재검토의 여지가 있다.

 

네덜란드 IFV의 연구 When Water Goes Up in Smoke

네덜란드 IFV는 기존의 펄싱 기법과 미국식 아크 기법을 비교하는 연구를 했다. 다만 이 연구에서는 숏 펄싱을 사용하지 않고 롱 펄싱2)만 적용했다. 

 

연구를 위해 L자 형태의 구조물이 제작됐다. 구조물 긴 구간의 벽체는 규산칼슘 벽돌(Sand-lime Brick)로 시공됐다. 천장은 콘크리트 블록(Concrete Vaults) 구조로 구성됐다.3) 짧은 구간은 해상운송용 컨테이너를 활용해 제작됐고4) 크기는 2.4×2.4m다.

 

▲ [그림 4] 네덜란드 IFV 연구 실험 출처 IFV

 

L자 구조물의 긴 구간은 길이 20, 폭 2m로 복도를 모사하도록 설계됐다. L자 구조의 짧은 구간에는 6~8㎿ 규모의 열방출율을 발생시키는 화점실이 설치됐다. 이 화점실에서 발생한 고온의 화재 가스는 복도로 유입되고 진압대는 해당 복도를 따라 화점까지 이동하는 시나리오로 설정됐다.

 

모든 소방 호스 전개는 숙달된 소방대원들에 의해 수행됐다.

 

이로 인해 복도 내에는 동적인 연기(Dynamic Smoke Layer)이 형성됐고 고온의 화재 가스가 화점실로부터 지속해서 복도를 통해 유출되는 조건이 만들어졌다. 이 같은 동적 연기층을 최악의 조건으로 간주했다. 실험 중 측정된 최대 온도는 약 450℃에 이르렀다.

 

연구진은 복도를 높이에 따라 여러 구역으로 구분했다([그림 5] 참조). 각 구역에서는 복도(출입문) 입구로부터 2, 7, 12, 17m 지점에서 일정한 간격으로 온도를 측정했다. 이를 통해 고온 구역(복도의 상층부)과 저온 구역(복도의 하층부) 모두에서 에너지 감소ㆍ증가 양상을 분석할 수 있었다.

 

이 연구에서는 서로 다른 관창 주수 기법과 여러 유량 조건을 비교해 실험했다. 하지만 이 글에서는 저압 유량 250, 450ℓ/min을 주로 비교해 논하겠다. 총 18회의 실험 중 5회의 LP 250ℓ/min 실험과 4회의 LP 450ℓ/min 실험을 진행했고 5회의 HP, 3회의 CAFS, 1회의 Baseline 실험이 시행됐다.

 

이 연구에서는 두 가지 관창 주수 기법을 비교했다. 

 

• 3D 기법: 화재 가스 냉각을 위한 롱 펄싱 기법(숏 펄싱이 아님). 구체적으로는 펄싱당 관창 개방시간은 3초다. 이동 과정에서 3m마다 정지해 이 같은 펄싱을 1회 적용하는 방식이다(실제로 네덜란드 진압대원들은 현재의 위치에서 화점까지의 거리를 모르고 좁은 복도와 같은 구조의 구획실에서는 숏 펄싱보다는 롱 펄싱 기법을 더 선호한다). • 아크 기법(Arc Method): [그림 3] 참조

 

▲ [그림 5] 연구용 구조물, 20m 길이의 회랑과 화점실 연료 적재 출처 IFV

 

두 가지 주수 기법 모두 ‘4인 1 호스(Four on One Hose)’ 배치 방식으로 수행됐다. 소방 호스 전개는 네 명의 소방대원이 협력해 이동하는 방식으로 진행됐다. 대한민국의 운용 현실에서는 많은 출동대가 주로 주택화재 현장에서 최대유량(유량 조절 관창)이 약 500ℓ/min인 40㎜ 관창을 사용한다.

 

한편 네덜란드 연구진이 이 연구에서 시험한 최대유량은 450ℓ/min이었다. TFT F06 관창(Automatic, Slide Valve, 40~500LPM, 40㎜ 소방 호스)을 사용했다.

 

네덜란드 IFV의 연구 결과

이 연구를 통해 매우 중요한 두 가지 결론이 도출됐다. 모든 주수 기법은 화점으로 이동하는 과정에서 화재 구역에 대해 일정 수준의 냉각 효과를 제공하는 거로 확인됐다. 

 

모든 화재 가스 냉각 기법에서 안전한 작전 수행을 위한 한계 기준값은 초과되지 않았다(연구에서 적용된 모든 화재 가스 냉각 기법은 진압대원의 안전한 내부 진입ㆍ이동 과정을 저해할 수준의 열적 한계를 초과하지 않았다).

 

▲ [그림 6] 구역 모델. 상부의 연기층은 고온 구역이고 하부의 공기층은 저온 구역이다. 출처 IFV

 

따라서 화재 가스 냉각은 그 주수 기법과 무관하게 효과적으로 적용됨이 확인됐다. 연기층의 온도가 최대 450℃에 도달하는 조건에서도 진압대원의 안전을 위협하지 않고 6~8㎿ 규모의 화재 환경에서도 약 20m의 이동 작전을 수행하는 게 가능함이 입증됐다.

 

네덜란드 연구는 ‘구역 모델(Zone Model)’에 기반한 가설하에 수행됐다. 이는 실내 공간을 두 개의 구역으로 구분하는 개념이다.

 

상부에는 상대적으로 고온 구역(Hot Zone), 즉 연기층([그림 6]의 회색 영역)이 형성된다. 하부에는 상대적으로 저온 구역(Cold Zone), 즉 비교적 차가운 공기만 존재하는 영역([그림 6]의 흰색 영역)이 위치한다.

 

이 연구에서는 가스 냉각이 이뤄지는 구간의 범위 또한 비교ㆍ분석했다. 펄싱 기법에 따라 냉각되는 구간의 길이가 제한적이라는 점과 펄싱 주수에 의해 냉각된 가스가 비교적 빠르게 사라진다는 점은 이미 알려져 있었다. 본 연구는 이런 현상을 실제로 계측해 정량화했다.

 

가스 냉각 효과는 진압대의 전방 구간뿐 아니라 후방 구간에서도 분석됐다. 이 결과는 아크 기법이 3D 펄스 기법보다 화재 가스를 더 먼 거리까지 냉각시키는 효과를 가진다는 점을 보여준다. 이런 차이는 유량이 450ℓ/min일 때 더 두드러졌다.

 

주수 기법・유량 전방 냉각 구간 후방 냉각 구간 LP 250 3D-pulse 6m >17m LP 250 arc 9m >17m LP 450 3D-pulse 6m 9m LP 450 arc 15m >17m ▲ [그림 6]구역 모델. 상부의 연기층은 고온 구역이고 하부의 공기층은 저온 구역이다. 출처 IFV

 

▲ [그림 7] 전ㆍ후방 냉각 구간(위: 3D 기법, 아래: 아크 기법) 출처 IFV

 

[그림 8]과 같이 열전대를 설치했다. [그림 9]는 유량 250ℓ/min 조건에서 아크 기법(Half Moon)이 3D 기법보다 더 우수한 성능을 보여주는 걸 나타낸다. 해당 그림에는 복도 입구로부터 2, 7, 12, 17m 지점에서 측정된 온도 분포가 제시돼 있다. 

 

실험 과정에서 진압대는 복도 시작 지점에서 끝 지점까지 이동했다. 이에 따라 냉각 작용 역시 실험 동안 0m 지점에서 20m 지점으로 이동하는 양상을 보였다.

 

▲ [그림 8] 열전대 설치 출처 IFV

[그림 9, 10]은 유량 250, 450ℓ/min 조건에서 수행된 동일한 분석 결과를 보여준다. 이 경우에도 유사한 결론을 도출할 수 있다. 아크 기법은 3D 기법보다 더 큰 냉각 효과를 보일 뿐 아니라 더 먼 거리까지 화재 가스를 냉각시키는 거로 나타났다.

 

 

▲ [그림 9] 3D 기법과 아크 기법의 비교(at LP 250ℓ/min). 2, 7, 12, 47m 는 복도 출입구로부터의 거리. 왼쪽 그래프와 오른쪽 그래프의 온도, 시간 척도가 다른 것을 참고 출처 IFV

 

 

▲ [그림 10] 3D 기법과 아크 기법의 비교(at LP 450ℓ/min). 2, 7, 12, 47m 는 복도 출입구로부터의 거리. 위 그래프와 아래 그래프의 온도, 시간 척도가 다른 것을 참고 출처 IFV

 

그러나 아크 기법의 진정한 ‘이점(Gain)’은 유량 250ℓ/min의 3D 기법 그래프와 유량 450ℓ/min의 아크 기법 그래프를 비교할 때 가장 뚜렷하게 나타난다. 이 경우 아크 기법의 화재 가스 냉각 효과가 현저하게 큰 거로 확인됐다.

 

이 연구는 3D 펄싱 기법 효과의 편차가 아크 기법보다 더 크게 나타난다는 점도 보여준다. 이는 아크 기법이 3D 펄싱 기법보다 숙련도에 따른 효과의 편차가 적고 보다 일관되게 정확한 수행이 가능함을 의미한다.

 

이 연구 결과로부터 아크 기법을 적용한 경우가 3D 펄싱 기법을 적용했을 때보다 진압대원의 이동 속도가 더 빠르다는 점을 간접적으로 도출할 수 있었다.

 

구체적으로 유량 450ℓ/min의 아크 기법은 복도 진입 후 화점실까지 이동에 75초가 소요됐지만 유량 250ℓ/min의 3D 기법은 110초가 걸렸다. 반면 실험 참가자들은 아크 기법을 적용할 때 3D 펄싱 기법보다 더 큰 불편함과 부담을 경험한 거로 보고됐다.5)

 

즉 유량 450ℓ/min을 지속해서 방수하면서 호스를 이동시키는 건 신체적으로 더 큰 체력이 소모된다. 이런 결과는 펄싱 기법이 효과적으로 적용되려면 충분한 반복 훈련이 필수임을 시사한다.

 

연구진은 다음과 같은 결론도 도출했다. 네덜란드에서는 3D 펄싱 기법이 구획실 화재 표준 운용 기법으로 교육된다. 그런데 영상 분석 결과 아크 기법이 3D 펄싱 기법보다 수행이 용이하고 관창수의 숙련도에 대한 의존도가 더 낮은 거로 나타났다.

 

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1) IFV(Institute for Physical Safety / Instituut Fysieke Veiligheid) 네덜란드 공공 안전 연구소. 소방학교를 산하에 두고 있으며 소방 조직을 위한 교육ㆍ학습 자료를 체계적으로 관리ㆍ감독하는 역할과 소방서가 대응해야 하는 다양한 재난ㆍ사고 상황에 관한 연구를 수행한다.

2) 필자도 국외 훈련시설, 외국 소방관들과 실화재 훈련 시 숏 펄싱의 주수량이 부족해 숏 펄싱보단 롱 펄싱을 주로 사용했다.

3) 이러한 재료들은 비교적 큰 열용량과 연관이 있고 화재 시 열 축적이나 복사열 형태가 실제 건축물과 유사하게 나타나도록 설계됐다.

4) 강재로 구성된 이 구역은 적은 열용량과 높은 열전도를 특징으로 실험 조건에 따라 내부온도 변화가 더 빠르게 나타나는 특성을 보인다.

5) 참고자료 Ⅲ의 Appendix 3 ‘Questionnaire on subjective perception of thermoregulation, pain and effort’ 설문지를 참고하라.

 

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’ 2026년 2월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

 

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