1. 머리말

스프링클러설비에 사용되는 신축배관은 가지배관과 스프링클러헤드를 연결시켜주는 유연성을 가진 배관으로, 일정 간격으로 나란히 설치된 가지배관에 비해 스프링클러헤드는 방호구역의 구조와 여건에 따라 불규칙하게 설치되어야 하는 경우가 많으므로 신축배관은 이러한 문제를 비교적 쉽게 해결해주어 작업의 편리성과 용이함 때문에 현장에서 많이 사용된다. 따라서 굽힘이 용이한 재질과 구조로 제작되며 대부분의 상용품은 나선형의 주름관 형태를 가지므로 이로 인해 가지배관과 같은 직관에 비해서 소화수 방수압의 마찰압력손실이 상대적으로 크게 발생한다.

특히 캐비넷형 간이스프링클러설비의 경우 설치배관의 길이가 길어지면 말단부의 간이스프링클러헤드에서 방수되는 압력이 최소사용압력(0.1MPa)에 미치지 못하게 되어 방수량이 부족하게 되므로 신축배관의 마찰압력손실을 최소화할 필요가 있다.

신축배관은 제품의 특성상 내부 유로의 변화가 연속적이고 반복적으로 이루어지며 소화수의 마찰에 의해 압력손실이 발생하게 되는데 배관의 형상, 즉 골지름 및 피치의 크기에 따라 제품마다 다소 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 신축배관의 설치형태, 즉 굽힘횟수나 굽힘각도에 따라서도 마찰압력손실은 크게 달라지지만 이에 따른 정량적인 실험결과나 연구는 없는 상태이다.

따라서 본 연구에서는 간이스프링클러설비에 가장 많이 사용되는 5개 제품을 대상으로 신축배관의 성능인증 및 제품검사의 기술기준에 규정된 마찰손실시험방법을 준용하여 제조사별 제품에 따른 마찰손실특성을 살펴보고자 한다. 즉 제조사별 신축배관의 굽힘횟수에 따른 마찰압력손실을 비교하고, 또한 최소굽힘 시 굽힘각도에 따른 마찰압력손실을 정량적으로 고찰하여 신축배관의 마찰압력손실을 최소화하기 위한 방안을 검토해보고자 한다.

2. 마찰압력손실 실험장치 및 실험방법

가. 마찰압력손실 실험장치

신축배관의 마찰압력손실을 측정하기 위한 실험장치는 [그림 1]과 같이 ‘스프링클러 신축배관의 성능인증 및 제품검사의 기술기준(소방청 고시)’에 규정된 실험장치를 이용하였다. 실험장치는 크게 펌프와 배관, 유량계, 압력계, 유량제어밸브 등으로 구성되며 실험체인 신축배관을 굽힘조건에 따라 형상을 만들어 실험장치의 빗금친 부분에 설치하게 된다. 실험에 사용한 계측장치는 터빈유량계(0~100L/min)와 디지털차압계(0~100kPa)를 이용하였다. 실험에 사용한 신축배관은 시중에 가장 많이 설치되는 5개사 제품으로 [그림 2]와 같이 총 5종이다. 길이는 모두 1m의 제품으로 골지름과 피치의 크기가 조금씩 차이가 있는 것으로 나타났다.

나. 마찰압력손실 실험방법

신축배관의 굽힘횟수는 성능인증기준에 따라 최소굽힘과 최대굽힘 조건을 적용하였으며 각 1회와 4회 굽힘에 해당한다. 굽힘횟수에 따른 신축배관의 형상은 [그림 3]과 같다.

한편 신축배관의 굽힘각도에 따른 마찰압력손실을 비교하기 위해 [그림 4]와 같이 최소굽힘 조건에서 굽힘각도를 0°(굽힘 없음), 30°, 60°, 90°로 달리하며 유량에 따른 압력손실을 살펴보았다. 유량조건은 간이스프링클러헤드의 규정 방수량인 50L/min을 기준으로 삼아 이를 전후하여 30~70L/min까지 10L/min의 간격으로 적용하였다. <표 1>에 전체 실험조건을 정리하여 나타내었다.

3. 실험결과 및 고찰

가. 굽힘횟수에 따른 마찰압력손실 특성

신축배관의 굽힘횟수에 따른 마찰압력손실실험에서 제조사별 실험결과는 다음과 같이 나타났다. 먼저 A제품의 경우 <표 2> 및 [그림 5]와 같이 마찰압력손실은 동일한 굽힘횟수에서 소화수의 유량 증가에 따라 크게 늘어나는 것으로 나타났으며, 동일한 유량에서는 굽힘횟수가 많은 경우 압력손실이 더 큰 것으로 나타났다. <표 2>에서 보듯이 간이헤드의 규정 방수량인 50L/min의 경우 굽힘횟수가 최대일 때 압력손실은 최소조건일 때에 비해 약 5kPa이 증가하여 간이스프링클러설비의 최소사용압력인 0.1MPa의 5%에 해당하는 방수압을 감소시키는 것으로 나타났으며, 유량이 60L/min인 경우에는 압력손실 차이가 10kPa 이상이 되어 방수압력의 약 10%를 감소시키는 것으로 판단된다.

다음으로 B제품의 경우 <표 3>과 [그림 6]에서 보듯이 동일한 굽힘횟수에서 유량 증가에 따른 압력손실의 증가와, 동일한 유량에서 굽힘횟수가 많은 경우 압력손실의 증가현상은 A제품과 유사하게 나타났으며, 유량 50L/min에서 최대 및 최소굽힘간 압력손실차이도 약 5kPa로 비슷한 결과를 나타내었다.

<표 4> ~ <표 6>은 각각 C, D, E 제품의 굽힘횟수별 유량에 따른 압력손실을 나타낸다. 이 제품들도 굽힘횟수와 유량에 따른 압력손실의 변화는 위 두 가지 제품과 유사한 경향을 나타내었는데 특히 5개 실험체 중 C 제품의 압력손실이 가장 큰 것으로 나타났으며, 유량이 50L/min일 때 굽힘횟수에 따른 압력손실이 8kPa 차이가 나는 것으로 나타나 최대굽힘 시 최소굽힘조건에 비해 약 36% 증가하였다. 반면 D, E 제품은 상대적으로 압력손실이 작은 것으로 나타났는데 가장 차이가 작은 D제품의 경우 유량 50L/min일 때 최소굽힘조건에 비해 최대굽힘 시 압력손실이 약 17% 증가하였다. 따라서 신축배관 시공 시 가급적 굽힘횟수를 최소화하는 것이 유리할 것으로 판단된다.

<표 7> ~ <표 8>은 유량에 따른 압력손실 변화를 제품별로 비교한 것이다. 유량 50L/min을 기준으로 비교하였을 때 최소굽힘조건에서는 3.4kPa, 최대굽힘조건에서는 7.8kPa의 최대 압력손실 차이가 발생하였다. 이 차이는 유량이 70L/min이 되면 더 증가하여 최소굽힘에서 10.5kPa, 최대굽힘에서는 9.7kPa로 증가해 제조사에 따라 길이 1m의 신축배관에서 최소사용압력(0.1MPa)의 10%에 해당하는 압력손실 차이가 발생할 수 있다. 따라서 시공 시 먼저 제품에 표시된 등가길이(마찰압력손실)가 작은 제품을 선택하는 것이 바람직하겠다.

나. 굽힘각도에 따른 마찰압력손실 특성

스프링클러 신축배관의 설치 시 굽힘각도에 따른 압력손실 차이를 살펴보고자 5개 실험체 중 중간값을 가지는 A제품을 대상으로 최소굽힘조건에서 굽힘각도에 따른 압력손실을 측정하고 그 차이를 정량적으로 분석하고자 하였다.

실험결과 <표 9>에서 보듯이 동일한 유량에서 굽힘각도가 증가함에 따라 압력손실도 증가하는 것을 알 수 있다. 유량 50L/min일 때 압력손실은 굽힘각도가 30°일 때에 비해 90°로 증가 시 3kPa 증가하였으며, 유량이 70L/min일 때는 굽힘각도가 90°가 되면 30°에 비해 약 7kPa 압력손실이 증가하는 것으로 나타났다. 즉 굽힘각도가 30°에서 90°로 커지게 되면 유량에 따라 압력손실이 약 17% ~ 20% 증가하는 것으로 나타나 1회 굽힘 조건에서도 굽힘각도의 크기에 따라 압력손실의 차이가 뚜렷함을 알 수 있다

8. 맺음말

본 연구에서 신축배관의 굽힘횟수 및 굽힘각도에 따른 마찰압력손실을 비교하고 정량적으로 고찰한 결과 얻은 결론을 다음과 같다.

1) 신축배관은 굽힘횟수가 증가함에 따라 압력손실도 증가하며, 압력손실의 차이는 유량이 증가할수록 더욱 커진다.
2) 유량이 50L/min일 때 굽힘횟수 증가에 따른 압력손실은 신축배관의 종류에 따라 평균 5kPa 가량 증가하였다. 이는 간이헤드의 방수압력을 5% 가량 저감시킬 수 있다.
3) 신축배관을 굽히는 경우 1회 굽힘 시에도 굽힘각도의 증가에 따라 압력손실은 증가하며, 굽힘각도가 30°에서 90°로 증가 시 유량에 따라 17%~20% 증가한다.
4) 스프링클러 신축배관의 마찰압력손실 저감을 위해서 등가길이가 짧은 제품을 선택하는 것이 바람직하며, 시공 시 굽힘횟수를 최소화하고 굽힘각도를 가급적 작게 하는 것이 유리하다.

참고문헌