제135회 소방기술사 2교시 참고답안

제135회 소방기술사 2교시 참고답안

※ 본 답안은 수험생의 이해를 돕기 위한 참고용 예시 답안이며, 채점 기준과 다를 수 있습니다. (총 6문제 중 4문제 선택)

문제 1. 스프링클러헤드의 K-Factor에 대한 다음 사항을 설명하시오.

1) K-Factor의 소화효과

K-Factor (방출계수)는 스프링클러 헤드의 오리피스(구멍) 크기와 내부 마찰 등을 고려한 헤드 고유의 방수 성능 값입니다. 이는 방수량(Q)과 방수압력(P)의 관계식 Q = K × (10P)의 제곱근 (여기서 Q: L/min, P: MPa)에서 비례상수 K를 의미합니다.

K-Factor가 소화효과에 미치는 영향은 다음과 같습니다.

• 방수량 결정: 동일한 압력(P)에서 K-Factor가 클수록 더 많은 양의 물(Q)을 방수할 수 있습니다.
• 물방울 크기 (Droplet Size): K-Factor가 크면 오리피스 직경이 크므로, 일반적으로 더 큰 물방울이 생성됩니다.
• 소화 메커니즘:
  • 작은 K-Factor (예: 80): 비교적 작은 물방울을 생성하여 표면적을 넓힘으로써 화재의 냉각(Cooling) 및 질식(Oxygen Displacement via Steam) 효과를 극대화합니다. 이는 일반적인 화재(A급) 제어(Control)에 유리합니다.
  • 큰 K-Factor (예: 160 이상, ESFR/Large Drop): 크고 무거운 물방울을 생성합니다. 이는 강력한 화재 플룸(Plume)을 관통(Penetration)하여, 천장 가스를 냉각시키기보다 화원(연료) 표면에 직접 물을 도달시켜 조기 진압(Suppression) 및 선행 냉각(Pre-wetting)을 목적으로 합니다.

2) 「스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준」에 따른 K-Factor 값

각 스프링클러헤드의 종류별 K-Factor 기준은 다음과 같습니다. (주요 값 기준)

헤드 종류	관련 기준	K-Factor (방출계수) 값
표준형 헤드	NFTC 103	80 (57, 115 등도 사용 가능하나 80이 기준)
주거형 헤드	NFTC 103 (및 형식승인기준)	80 ± 5% (일반적으로 80 사용)
라지드롭(Large Drop)형 헤드	NFTC 103A (및 형식승인기준)	115, 160, 200, 240 (이 중 선택)
화재조기진압용(ESFR) 헤드	NFTC 103B (및 형식승인기준)	160, 200, 242, 286, 320, 363 (이 중 선택, K-160, K-200, K-242가 일반적)

3) 표준형 스프링클러헤드의 K-Factor값 80을 유도

표준형 스프링클러헤드(K=80)의 값은 「NFTC 103」에서 규정하는 최소 방수압력과 최소 방수량 기준점에서 유도됩니다.

1. 기준 공식: Q = K × (10P)의 제곱근
2. 법적 기준 (NFTC 103 제5조):
   • 스프링클러헤드 선단의 최소 방수압력(P) = 0.1 MPa (고층건물은 0.12 MPa)
   • 이때의 최소 방수량(Q) = 80 L/min
3. 값 대입: 위 기준값(P=0.1, Q=80)을 공식에 대입합니다.
4. 80 (L/min) = K × (10 × 0.1 (MPa))의 제곱근
   80 = K × (1)의 제곱근
   80 = K × 1
5. 결론: 따라서 표준형 헤드의 K-Factor 기준값은 80이 됩니다.

4) 방사압력이 높을 경우의 장단점

구분	내용
장점 (Pros)	물방울 미세화: 압력이 높으면 물방울이 더 잘게 쪼개져(Atomization) 총 표면적이 증가합니다. 이는 냉각 및 질식(증기화) 소화 효과를 극대화합니다. 방호면적 증가: 동일한 K-Factor의 헤드라도 압력이 높으면 물이 더 멀리, 넓게 방사되어 유효 방호면적이 증가할 수 있습니다. (살수밀도 충족 시) 관통력 증가 (일부): 초기 압력이 높으면 화염을 뚫는 힘이 강해질 수 있습니다. (단, 과도하면 단점으로 변함)
단점 (Cons)	과도한 미세화 (Misting): 압력이 너무 높으면(예: 0.7 MPa 이상), 물방울이 안개(Mist)처럼 너무 미세해져 강력한 화재 플룸을 뚫지 못하고 증발하거나 밀려나는 'Plume Stripping' 현상이 발생, 정작 화원에는 물이 도달하지 못할 수 있습니다. 펌프 동력 증가: 높은 압력을 유지하기 위해 펌프의 양정이 커져야 하므로, 펌프 동력(kW)이 증가하여 설비비 및 운영비가 상승합니다. 배관 손상 위험: 고압으로 인한 배관 내 진동, 소음, 수격(Water Hammer) 발생 가능성이 커져 배관 및 부속품의 피로도가 증가합니다. (※ NFTC 103에서 최대 1.2 MPa로 제한하는 이유)

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문제 2. 건축물 예비전원설비 중에서 자가발전설비의 용량 산정방법을 국토교통부 설비설계기준(KDS 31 60 20: 2021 예비전원설비)에 근거하여 설명하시오. (단, 현장 내 고조파 저감장치를 적용한 경우를 기준)

1. 개요

자가발전설비(비상발전기)는 상용전원(한전)이 중단되었을 때 소방시설, 피난설비, 중요 부하 등에 전력을 공급하는 핵심 예비전원입니다. KDS 31 60 20 기준은 발전기 용량 산정 시, (1) 연속운전 부하, (2) 최대 기동부하(전동기), (3) 비선형부하(UPS, VFD)를 모두 고려하여 가장 큰 값을 선정하도록 규정하고 있습니다.

2. 용량 산정 절차 (KDS 31 60 20)

발전기 용량(kVA)은 다음 3가지 조건(PG1, PG2, PG3)을 계산하여, 이 중 가장 큰 값을 기준으로 선정합니다.

1) 조건 1: 연속운전 정격용량 (PG1)

모든 비상부하가 동시에 운전될 때 필요한 총 용량을 계산합니다.

PG1 = [ (P1 + P2 + P3 + P4 + P5) / (pf × L) ] + P6

• P1: 소방부하 (kW) (예: 펌프, 제연 팬, 비상조명등 등)
• P2: 비상운전 상용부하 (kW) (예: 비상 엘리베이터, 급수펌프, 배수펌프)
• P3: 축전지 충전용량 (kW) (UPS, 직류전원장치 등의 충전 부하)
• P4: 기타 부하 (kW)
• P5: 부하설비의 여유율 (P1~P4 합계의 10~20% 권장)
• P6: 연속 운전되는 비선형(고조파) 부하의 환산용량 (kVA) (예: UPS 정격출력)
• pf: 부하 종합 역률 (일반적으로 0.8)
• L: 부하 운전율 (일반적으로 1.0 적용)

※ 고조파 저감장치 적용 시: 문제의 조건에서 고조파 저감장치(예: 액티브 필터, 다중 펄스 정류)가 적용되었으므로, P6 (비선형부하)는 정격출력(kVA)을 그대로 더합니다. 만약 저감장치가 없다면, UPS 용량의 1.5~2.0배를 적용하여 발전기를 증대시켜야 합니다.

2) 조건 2: 전동기 기동 돌입용량 (PG2)

가장 큰 전동기(보통 소방 주펌프)가 기동할 때, 규정된 순간 전압강하(보통 15~20%)를 견딜 수 있는 용량을 계산합니다.

PG2 = (P_M × K_s × C_v) / (V_d × pf_s) + (P_G1 - P_M)

• P_M: 기동 전동기 중 최대 용량 (kW)
• K_s: 전동기 기동 방식 계수 (직입기동: 6.0~7.0, Y-Δ: 2.0~2.5)
• C_v: 전압강하 보상계수
• V_d: 허용 순간 전압강하율 (예: 0.2 (20%))
• pf_s: 기동 시 역률 (약 0.2~0.4)
• (P_G1 - P_M): 기동 전동기를 제외한 나머지 연속운전 부하

※ 실무에서는 제조사의 '순간 전압강하 허용 곡선'이나 약산식 (예: `PG2 = 최대 기동 kVA × 2.5`)을 사용하기도 합니다.

3) 조건 3: 비선형부하(UPS/VFD) 정격용량 (PG3)

고조파에 의한 발전기 과열을 방지하기 위한 용량입니다.

• 고조파 저감장치 적용 시 (문제 조건): 비선형부하(UPS, VFD)의 총합(kVA)이 연속운전 정격용량(PG1)보다 크다면, 이 값을 기준으로 합니다.
  PG3 ≈ (UPS 정격용량 kVA) + (VFD 정격용량 kVA) + ...
• 고조파 저감장치 미적용 시: 발전기 권선의 과열을 막기 위해 비선형부하 용량의 1.5~2.0배를 적용해야 하나, 본 문제는 '적용된 경우'이므로 이 증대 계수는 불필요합니다.

3. 최종 용량 선정

위 3가지 조건으로 계산된 용량 중 가장 큰 값을 선정합니다.

P_Gen (kVA) = Max (PG1, PG2, PG3)

선정된 값에 여유율(10% 등)을 추가로 고려하고, 표준 규격 용량(예: 500kVA, 750kVA) 중 상위 규격을 최종 발전기 용량으로 선정합니다.

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문제 3. 「소화기구 및 자동소화장치의 화재안전기술기준(NFTC 101)」에 따른 상업용주방자동소화장치의 설치기준과 「상업용주방자동소화장치의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」의 감지부에 대하여 다음 내용을 설명하시오.

1. 개요

상업용주방자동소화장치는 K급 화재(식용유 화재)가 발생하는 주방의 후드, 덕트, 조리기구(튀김기 등)에 설치하는 전용 소화장치입니다. 식용유의 높은 발화점(약 280~380°C)과 재발화 특성을 고려하여 비누화(Saponification) 작용으로 소화합니다.

1) 상업용주방자동소화장치의 설치기준 (NFTC 101 제10조)

• 소화장치: 성능인증(KFI)을 받은 제품으로 설치해야 합니다.
• 감지부 (센서): 성능인증 받은 유효한 높이 및 위치(후드, 덕트 내부 등)에 설치해야 합니다.
• 차단장치: 소화약제 방출과 연동하여 연료(가스) 및 전기를 자동으로 차단하는 장치를 설치해야 합니다.
• 방출구 (노즐): 조리기구(튀김기, 렌지 등), 후드, 덕트 각 부분에 형식승인된 위치와 개수에 맞게 설치해야 합니다.
• 약제 저장용기: 조리기구와 가까운 곳에 설치하되, 화재 시 열의 영향을 받지 않고 점검이 용이한 곳에 설치해야 합니다.
• 수동기동장치: 화재 시 조작이 쉬운 위치(예: 주방 출입구 부근)에 설치해야 합니다.

2) 온도센서를 감지부로 사용하는 경우 작동시험 (KFI 기준)

"작동시험"은 감지부(온도센서)가 설정 온도에 도달했을 때, 소화장치의 연동 기능(차단장치, 방출)이 정상적으로 작동하는지 확인하는 시험입니다.

1. 시험 장치를 정상 상태로 준비합니다.
2. 온도센서를 가열 장치(히터 등)로 가열하여 공칭 작동 온도로 만듭니다.
3. 온도센서가 작동(신호 발생)함과 동시에 다음 사항이 정상적으로 연동되는지 확인합니다.
   • 제어반(수신부)의 화재 표시등 점등 및 경보음 발생 여부
   • 설정된 시간 지연(있는 경우) 후 소화약제 방출구(개방장치)가 정상 개방되는지 여부
   • 연동된 연료(가스) 및 전기 차단장치가 즉시 작동하는지 여부
4. 이 시험을 3회 반복하여 모두 정상 작동해야 합니다.

3) 온도센서를 감지부로 사용하는 경우 작동온도시험 (KFI 기준)

"작동온도시험"은 감지부(온도센서)가 정확한 온도에서 작동하는지 그 정밀도를 확인하는 시험입니다.

1. 시험할 감지부(센서)를 규정된 시험액(예: 실리콘 오일)이 담긴 항온조(Oil Bath)에 설치합니다.
2. 항온조의 온도를 공칭 작동 온도(제조사가 설정한 온도, 예: 180°C)보다 20°C 낮은 온도에서 10분간 유지합니다.
3. 이후 1°C/min 이하의 속도로 서서히 온도를 상승시킵니다.
4. 감지부가 작동하여 신호를 발하는 순간의 온도를 측정합니다.
5. 측정된 작동 온도가 "공칭 작동 온도 ± 7.5°C" 범위 이내여야 합니다. (예: 180°C 센서의 경우 172.5°C ~ 187.5°C 사이에서 작동해야 함)

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문제 4. 「할로겐화합물 및 불활성기체소화설비의 화재안전기술기준(NFTC 107A)」의 불활성기체 소화약제와 관련하여 다음을 설명하시오.

1. 개요

불활성기체 소화약제(Inert Gas Agents)는 질소(N2), 아르곤(Ar) 등을 주성분으로 하는 소화약제입니다. 이 약제들은 방호구역에 방출되어 공기 중의 산소 농도를 연소 한계(MOC) 이하(약 12~15%)로 낮추는 질식(Dilution) 작용을 주된 소화 원리로 합니다.

1) 소화약제량 산출식 (NFTC 107A)

불활성기체 소화약제의 필요 부피(X, m³)는 방호구역의 체적(V, m³)과 달성하고자 하는 설계 농도(C, %)를 기준으로 다음 공식을 사용하여 계산합니다.

이 공식은 공기를 100%에서 (100-C)%로 줄이고, 그 줄어든 부피를 약제로 채우는(대체하는) 개념입니다.

X = 2.303 × (V / S) × log10 [ 100 / (100 - C) ]
또는
X = V × [ C / (100 - C) ]

• X: 필요한 소화약제의 부피 (m³) (방호구역의 온도·압력 기준)
• V: 방호구역의 체적 (m³) (구조물에 의한 고정 체적 제외)
• S: 과압배출구 계산 시 사용되는 변수... (※ 약제량 공식은 위 두 번째 식이 기준서에서 사용되는 형태입니다.)
• C: 설계 농도 (%)

※ 산출된 약제량(X)은 저장용기 충전밀도, 온도/고도 보정계수 등을 적용하여 최종 저장용기 수량으로 환산합니다.

2) 체적에 따른 소화약제 설계농도

이 질문은 "방호구역 체적(V)이 아닌, 약제 자체의 체적비(농도)에 따른 설계 기준"을 묻는 것으로 해석됩니다. 불활성기체의 설계 농도는 화재 종류(A, B, C급)에 따라 법규로 정해져 있습니다.

약제 종류	A급 화재 (표면화재)	C급 화재 (전기)	B급 화재 (유류)
IG-01 (Ar)	41.9%	41.9% (A급 준용)	헵탄 기준 48.1%
IG-100 (N₂)	37.5%	37.5% (A급 준용)	헵탄 기준 43.1%
IG-55 (N₂ 50% + Ar 50%)	39.9%	39.9% (A급 준용)	헵탄 기준 45.3%
IG-541 (N₂ 52% + Ar 40% + CO₂ 8%)	37.5%	37.5% (A급 준용)	헵탄 기준 43.1%

※ A급(심부화재)의 경우, 20분간 농도 유지를 위해 1.35배의 소화약제가 필요할 수 있습니다.

3) 소화약제 종류에 따른 최대허용설계농도

최대허용설계농도는 사람이 상주하는 구역에 방출될 경우, 인체가 견딜 수 있는 한계 농도를 의미합니다. 이는 약제가 인체에 미치는 영향을 기준으로 NOAEL(무해 영향 농도)과 LOAEL(유해 영향 농도)을 기준으로 결정됩니다.

• IG-01, IG-100, IG-55:
  • NOAEL: 43%
  • LOAEL: 52%
  • 상주 구역에서는 43%를 초과하여 설계할 수 없습니다. 43%~52% 사이일 경우, 즉시 피난할 수 있는 경보 및 절차가 보장되어야 합니다.
• IG-541:
  • NOAEL: 52%
  • LOAEL: 52% 초과
  • 8%의 CO₂가 포함되어 호흡을 자극하므로, 산소 결핍 시에도 호흡 빈도를 높여 뇌에 산소를 공급합니다.
  • 상주 구역에서 52%까지 설계가 가능하여, 타 약제보다 인체 안전성이 가장 높습니다.

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문제 5. 지름이 다른 2개의 관로를 가정하여 두 관로가 등가(Equivalent)임을 증명하는 다음 식을 유도하시오. (유도식: l₂ = l₁ × (f₁/f₂) × (d₂/d₁)⁵ )

1. 유도 전제 (등가 관로의 조건)

두 관로(관 1, 관 2)가 "등가(Equivalent)"라는 것은 두 관로의 마찰손실수두(Δh)가 서로 같고, 흐르는 유량(Q)도 같음을 의미합니다.

• 조건 1: 마찰손실수두가 같다. (Δh₁ = Δh₂)
• 조건 2: 유량이 같다. (Q₁ = Q₂)

2. 기본 공식 (Darcy-Weisbach 식)

관로의 마찰손실수두(Δh)는 Darcy-Weisbach 공식을 사용하여 계산합니다.

Δh = f × (l / d) × (v² / 2g)

• Δh: 마찰손실수두 (m)
• f: 관 마찰계수
• l: 관 길이 (m)
• d: 관 직경 (m)
• v: 유속 (m/s)
• g: 중력가속도 (m/s²)

3. 유량(Q)과 유속(v)의 관계 적용

유량 Q = 면적(A) × 유속(v) 이고, 면적 A = (π × d²) / 4 입니다.
따라서 유속 v = Q / A = 4Q / (π × d²) 입니다.
이 식을 v² 에 대입하면, v² = 16Q² / (π² × d⁴) 입니다.

v²을 Darcy-Weisbach 식에 대입하여 식을 Q에 대해 정리합니다.

Δh = f × (l / d) × [ (16Q²) / (π² × d⁴) ] / (2g)
Δh = f × (l / d⁵) × [ 16Q² / (2g × π²) ]
Δh = [ 8 / (g × π²) ] × f × (l × Q²) / d⁵

여기서 [ 8 / (g × π²) ]는 상수(K)이므로, Δh = K × f × (l × Q²) / d⁵ 입니다.

4. 등가 조건 대입 및 유도

등가 조건인 Δh₁ = Δh₂ 이고 Q₁ = Q₂ = Q 를 위 식에 대입합니다.

Δh₁ = K × f₁ × (l₁ × Q²) / d₁⁵
Δh₂ = K × f₂ × (l₂ × Q²) / d₂⁵

Δh₁ = Δh₂ 이므로,

K × f₁ × (l₁ × Q²) / d₁⁵ = K × f₂ × (l₂ × Q²) / d₂⁵

양변의 공통 상수항인 (K × Q²)를 소거합니다.

(f₁ × l₁) / d₁⁵ = (f₂ × l₂) / d₂⁵

구하고자 하는 l₂에 대하여 식을 정리합니다.

l₂ = [ (f₁ × l₁) / d₁⁵ ] × (d₂⁵ / f₂)
l₂ = l₁ × (f₁ / f₂) × (d₂⁵ / d₁⁵)

최종적으로 유도된 식은 다음과 같습니다.

l₂ = l₁ × (f₁ / f₂) × (d₂ / d₁)⁵

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문제 6. 숙박시설의 안전 강화를 위한 숙박시설 소방안전 개선 종합대책을 설명하고, 「공기안전매트의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에서 규정하는 공기안전매트 구조기준을 설명하시오.

1. 숙박시설 소방안전 개선 종합대책

과거 다수의 인명피해를 낸 숙박시설(모텔, 펜션 등) 화재를 계기로, 정부는 다음과 같은 피난 및 방화 중심의 안전 강화 종합대책을 추진했습니다.

1) 초기 감지 및 경보 강화

• 단독경보형 감지기 연동: 객실마다 설치된 단독경보형 감지기를 무선 또는 유선으로 연동시켜, 한 객실의 화재를 건물 전체 거주자가 인지할 수 있도록 경보 시스템을 강화.
• R형 수신기(주소형) 도입: 일정 규모 이상 숙박시설에 발화 지점을 특정할 수 있는 주소형(R형) 수신기 설치를 의무화하여 신속한 초기 대응 유도.

2) 초기 소화설비 의무화

• 간이스프링클러설비 설치 기준 확대: 과거 면제 대상이었던 소규모 숙박시설(모텔, 여관, 펜션 등)에도 간이스프링클러설비 설치를 의무화하여 초기 화재 진압 능력을 확보.

3) 피난 경로 안전성 확보

• 방염 성능 기준 강화: 객실 내부의 침구류, 커튼 및 카펫 등 내부 마감재에 대한 방염 성능 기준을 확대 적용.
• 불법 용도변경 및 구획 단속: 복도, 계단 등을 '쪽방'으로 불법 개조하여 피난 경로를 차단하는 행위를 집중 단속 및 처벌 강화.
• 직통계단 이격거리: 2개소 이상의 직통계단 설치 시, 계단 간 이격 거리를 확보하여 피난 경로 선택권을 보장.

4) 전기화재 예방

• 아크차단기(AFCI) 설치: 전기 합선, 누전 등으로 인한 스파크(아크)를 감지하여 차단하는 아크차단기의 설치를 의무화/권고.
• 노후 전선 관리: 노후 숙박시설의 전선 상태 정기 점검 및 교체 지원.

2. 공기안전매트 구조기준 (KFI 기준)

공기안전매트는 고층 건물 화재 시 피난자가 안전하게 뛰어내릴 수 있도록 충격을 흡수하는 피난 기구입니다. 「공기안전매트의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에 따른 주요 구조기준은 다음과 같습니다.

구조 부분	주요 기준
본체 재질	- 난연성능이 있고 인장강도가 강한 재질 (보통 PVC 코팅 폴리에스테르 섬유) - 내후성, 내열성, 내한성이 우수해야 함.
구조 (형태)	- 2단 이상의 구조여야 함 (상부체, 하부체). - 상부체는 충격을 1차 흡수하고, 하부체는 피난자를 지지하며 안정성을 확보.
내부 격벽 (Baffles)	- 매트 내부에 공기 흐름을 조절하고 형태를 유지하는 격벽이 있어야 함. - 이 격벽은 피난자가 매트에 낙하 시 한쪽으로 쏠리거나 튕겨 나가는 것을 방지.
송풍기 (Blower)	- 지속적으로 공기를 주입하는 연속 송풍 방식이어야 함. - 2대 이상의 송풍기(주/예비)를 설치할 수 있어야 함. (단, 1대의 송풍기로도 성능 유지가 가능해야 함)
배기구 (Vents)	- 낙하 시 발생하는 순간적인 내부 압력을 배출하여 충격을 흡수할 수 있는 자동 배기구(통기구)가 있어야 함. - 배기구는 이물질이 들어가기 어려운 구조여야 함.
안전 표식	- 매트 상단 중앙에 명확한 낙하 지점(Target)을 표시해야 함. - 사용법, 주의사항, 제조사 정보 등을 명기한 표지를 부착해야 함.
부속 장치	- 이동 및 고정에 필요한 손잡이, 연결고리(D링) 등이 견고하게 부착되어야 함.