1. 개요

- 냉매는 에어컨이나 냉장고 같은 제품에서 열을 운반하기 위한 매개체로 자연냉매와 할로카본계 냉매 및 차세대 냉매로 구분된다.
- 자연냉매에는 암모니아(NH3, R717), 이산화탄소(CO2, R744) 등의 무기화합물과 메탄(R50), 에탄(R170), 프로판(R290), 이소부탄(R600a) 등 HC(탄화수소)계열의 냉매가 있다.
- 할로카본계 냉매는 CFC(염화불화탄소, 프레온가스), HCFC(수소염화불화탄소), HFC(수소불화탄소) 등의 합성냉매이다.
- 오존층 파괴 문제로 CFC(염화불화탄소, 프레온가스) 냉매는 1990년대 초반부터 HFC(수소불화탄소) 냉매로 대체되어 왔다. HFC는 CFC와 HCFC와 달리 염소를 포함하고 있지 않아 오존층을 파괴하지는 않지만 지구온난화에 영향을 미치는 물질이기 때문에 친환경 냉매로 대체되고 있다.

- 본 연구에서는 오존층파괴지수(ODP)와 지구온난화지수(GWP)를 낮추기 위해 친환경 냉매로 사용되고 있는 HFC 계열에 R-32 1) (기존 R-410A 대비 GWP 70%, 냉매량 20% 저감), 차세대 냉매 중 냉장고에 사용되는 R-600a와 자동차에 사용되는 R-1234yf 등 가연성가스의 위험성을 각각 비교 분석하고, 에어컨에서 화재가 발생하는 경우 친환경 냉매가 화재 성장에 미치는 영향에 대해 알아보고자 한다.

2. 친환경 냉매(가연성가스)의 위험성

가. 배관 및 배관 부속품 파열에 의한 화재 위험성

- 오존층파괴지수(ODP)와 지구온난화지수(GWP)를 낮추기 위해 사용되고 있는 친환경 냉매는 고압가스 안전관리법 시행규칙에는 가연성가스2), 산업안전보건법 시행령에는 인화성 가스3)로 분류되어 취급상에 주의가 필요하나 대부분은 CFC(프레온가스) 냉매처럼 불연성 가스로 인식되고 있다.

- 본 실험에서는 R-32(가연성가스로 분류되지 않은 B社 제품 선정), 차세대 냉매 중 냉장고에 사용되는 R-600a와 자동차에 사용되는 R-1234yf 등 친환경 냉매의 위험성을 확인하고자 한다.

가. 실험방법

- R-32와 R-600a 및 R-1234yf 냉매를 각각 아크 발생기에 분사하여 착화여부를 확인하고자 실험하였다.

나. 실험결과

- 아크 발생기에 의해 R-32와 R-600a 및 R-1234yf 냉매는 각각 착화되었다.

3. 친환경 냉매(가연성가스)가 에어컨 화재 성장에 미치는 영향

- 기본적으로 기화열에 의한 냉각이다. 액체가 기체로 기화할 때 열을 흡수하고, 기체가 액체로 응축될 때에는 열을 방출하는 원리를 이용한 것이다. 에어컨에 의한 냉각은 다음과 같은 냉방원리를 통해 이루어진다.

- 2023년 에어컨 화재의 원인은 전기적 요인이 약 80%로 가장 많았고, 과열 등 기계적 요인(7.5%), 담배꽁초 등 부주의(8%) 순으로 나타났다. 전기적 요인 중 접속단자 등의 전기적 접촉상태가 불완전할 때 발생하는 접촉불량에 의한 단락(29.1%), 전선이 노후화되어 발생하는 절연열화에 의한 단락(25.6%), 상호 전위차를 가지는 전극 사이의 절연체 표면에 습기, 도전성 분진 등 이물질이 부착될 때 발생하는 트래킹에 의한 단락(6.0%) 등이다.

- 에어컨에서는 다음과 같은 전기적인 원인 또는 부주의에 의해 화재가 발생하는 경우 불꽃방전(아크)이 생성될 수 있으며, 불꽃방전에 의해 냉매 배관이 용융되어 친환경 냉매(가연성가스)가 누출되는 경우 연소가 확대될 수 있다.

가. 전선 접속부의 접촉불량 또는 절연열화에 의한 화재위험성

1) 화재원인

빈가) 접촉불량

빈 - 에어컨 전선은 접속점이 생기지 않도록 설치하는 것이 원칙이나 에어컨 이전설치 시 전선을 절단해서 연결하는 경우가 있다.
빈 - 전선을 비틀림 접속으로 연결하면 에어컨 가동과 정지 시 열팽창과 수축으로 접촉이 헐거워지면서 접촉불량이 발생하고, 접촉불량에 의한 지속적인 고열(줄열, H=0.24I2RT[cal])에 의해 주위 가연물(전선 피복, 보온재 등)이 착화될 수 있다.

빈나) 절연열화

빈 - 경년열화, 규격에 맞지 않는 전선 사용으로 온도가 과도하게 상승 또는 에어컨 마감 테이프가 부식되어 자외선에 노출되는 경우 등으로 절연열화가 발생하며, 절연열화에 의한 단락에 의해 화재가 발생한다.

2) 실험방법

- 접촉불량 또는 절연열화 등으로 절연이 파괴될 때 생성된 줄열에 의해 주위 가연물의 착화여부를 확인하기 위해 전선을 비틀림 접속한다.
- 연소가 확대되는 과정에서 생성된 불꽃방전에 의해 냉매 배관이 용융되는 상황을 가정하여 별도로 분기된 냉매 배관에서 친환경 냉매(R-32)를 분사하고, 친환경 냉매가 화재 성장에 미치는 영향을 확인하고자 한다.

3) 실험결과

- 전원을 투입한 지 약 6분 후에 전선 접속부에서 접촉불량에 의한 지속적인 고열에 의해 주위 가연물이 착화되고, 불꽃방전이 발생하였다.
- 별도로 분기된 냉매 배관에서 친환경 냉매를 분사하자 연소가 확대 되는 것을 확인할 수 있었다.

- 업계에서는 시공 편이성을 높이고 자재비를 낮추기 위해 알루미늄 엠보페어 배관(동과 알루미늄이 접합됨)을 사용한다. 알루미늄 배관(융점 660℃)은 동 배관(융점 1,082℃)보다 용융점이 낮아 불꽃방전이나 화재 열기에 의해 용융 되기 쉽다.

나. 트래킹에 의한 실외기 전원 단자대의 화재위험성

1) 트래킹 현상

- 전압이 인가된 이극도체 간 고체 절연물 표면에 오염물질(분진, 오존 등)이나 이를 함유하는 액체의 증기 또는 금속분 등의 도전성 물질이 부착되면 오염된 표면을 따라 누설전류 및 미소발광방전에 의해 발열이 지속되고 절연물을 탄화시켜 전극 간에 탄화도전로가 형성되는 것을 말한다.
- 실외기 대부분은 건물 외벽 등 노출된 장소에 설치되어 있어 먼지, 습기 등 도전성 분진이 누적되기 쉽다.

2) 실험방법

- 전원 단자대의 흑연가루를 적치시키고 소금물을 침투시킨 상태에서 에어컨에 전원을 인가(에어컨의 설정온도는 16℃)하여 전원 단자대에 나타나는 발열현상을 분석하였다.

3) 실험결과

- 전원 단자대에 도전성 분진과 수분이 누적된 상태에서 전원을 인가하자 오염된 표면을 따라 누설전류 및 미소발광방전에 의해 탄화도전로가 형성되고 전원 충전부 사이를 절연파괴 및 단락시켜 화재로 이어지게 되었다.
- 탄화도전로를 통해 단락전류가 흐르면서 전원 단자대 상부는 소실되고, 전원 단자대 지지대(철: 융점 1,540℃)는 용융된 상태로써 전원 단자대 주변에 위치한 냉매 배관은 불꽃방전에 의해 충분히 용융되어 친환경 냉매가 누출될 수 있으며, 친환경 냉매로 인해 연소가 가속화될 수 있다.

다. 에어컨 화재 원인 중 흡연 등 부주의(8%)

1) 에어컨 실외기는 좁은 골목이나 건물 후면 등에 밀집 설치되며, 에어컨 실외기 주변에서 흡연하는 경우가 많다. 다음 화재사례처럼 에어컨 실외기 주변에 쓰레기통, 종이박스 등 가연물이 위치하는 경우 담배꽁초 또는 담배꽁초의 불티 등에 의해 화재가 발생할 수 있다. 에어컨 실외기 배관에 알루미늄 소재를 사용하는 경우 화재로 인한 열기에 의해 알루미늄 배관이 용융(660℃) 되면서 친환경 냉매(가연성가스)가 누출되고, 이로 인해 연소가 확대될 수 있다.

2) 담뱃불 화재가 친환경 냉매(가연성가스)에 의해 확산한 사례

빈가) 일반사항

빈 (1) 소재지: 충청북도 ○○시 소재 판매점
빈 (2) 화재일: 2023년 11월 24일(금)
빈 (3) 인명피해: 없음

빈나) 발화원인

빈 (1) 판매점의 관계자가 담배를 피우면서 에어컨 옆에 쓰레기통 부근으로 이동한 후 약 10분 만에 화재가 발생한 상태로써 담배꽁초 또는 담배꽁초의 불티가 쓰레기통 하부 또는 주변에 위치한 종이박스 등에 떨어지면서 화재가 발생하였다.
빈 (2) 화재로 인한 열기에 의해 알루미늄 엠보페어 배관 중 알루미늄 배관이 용융 되면서 친환경 냉매가 누출되고, 이로 인해 연소가 확대되었다.
빈 3) 실험방법
- 알루미늄 엠보페어 배관으로 시공된 에어컨 실외기 우측 쓰레기통에서 화재가 발생하여 실외기 측으로 연소가 확대되는 것을 가정하였다. 알루미늄 엠보페어 배관 중 알루미늄 배관이 용융되면서 누출된 친환경 냉매에 의해 화재 성장에 미치는 영향을 확인하고자 한다.

4) 실험결과
- 에어컨 실외기 우측에 위치한 쓰레기통 화재로 인한 열기에 의해 에어컨 전선의 절연이 열화 및 파괴되면서 불꽃방전이 생성되었다.
- 불꽃방전에 의해 알루미늄 배관이 용융되면서 친환경 냉매가 누출되었으며, 누출된 친환경 냉매에 의해 연소가 확대되었다.

4. 화재예방대책

가. 에어컨, 냉장고, 자동차에 사용되는 친환경 냉매는 가연성가스이므로 냉매를 충전하거나 누출되는 경우 열, 화염, 스파크 및 기타 점화원에 의해 착화될 수 있으므로 환기를 철저히 하는 등 취급상에 주의가 필요하다.
나. 에어컨 실외기 주변에서 흡연하는 행위는 될 수 있는 대로 금지하고, 가연물(쓰레기통, 종이박스 등)은 적치되지 않도록 주의한다.
다. 에어컨 실외기를 밀집 설치하거나 종렬로 설치하는 경우 연소가 확대될 수 있으므로 타 설비와 이격 설치하는 것을 권장한다.
라. 에어컨은 규격에 맞는 전선을 사용하고, 전선은 되도록 접속점이 생기지 않도록 설치한다.
마. 에어컨 이전설치 시 부득이하게 전선을 절단해서 연결하는 경우 압착 슬리브 등 접속기구를 사용한다. 접속기구를 사용하는 경우에도 지속적인 진동 등에 의해 접촉력이 약해지면서 접촉불량이 발생할 수 있으므로 정기적인 점검(열화상 카메라)이 필요하다.

바. 실외기 전원 단자대에 먼지나 수분 등이 쌓이지 않도록 주의하고, 정기적인 점검을 통해 누적된 이물질 등을 제거하는 것을 권장한다.
사. 실외기 전원 단자대는 난연재질의 제품을 사용한다.

아. 에어컨 시공 시 꺾이는 부분은 주름 배관 또는 엘보 등을 사용하는 것을 권장한다. 에어컨 냉매 배관을 시공하는 중에 과도하게 꺾이는 경우 가연성가스 냉매가 누출될 수 있으며, 누출된 가연성가스 냉매는 공기보다 증기밀도가 높기 때문에 지면을 따라 흐르거나 움푹 파인 곳에 체류하다가 미소화원에 의해 화재가 발생할 수 있다.

자. 알루미늄 엠보페어 배관은 에어컨 냉매 배관이 동 배관과 알루미늄 배관을 복합적으로 사용하는 경우 이종금속간 접속에 의한 전이 부식, 냉매 배관의 결로현상에 의한 부식 등으로 가연성 가스 냉매가 누출될 수 있다. 동은 알루미늄보다 용융점이 높고 내식성, 열전도성 등 물리적 특성이 우수하므로 동 배관을 사용하는 것을 권장한다.