제129회 소방기술사 2교시 참고답안

제129회 소방기술사 2교시 참고답안

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

문제 1. 구획화재의 화재성상 중 최성기 화재(Fully-Developed Fire)에서 나타나는 다음 사항에 대하여 설명하시오.

1. 개요

최성기 화재는 플래시오버(Flashover) 이후 구획실 내의 모든 가연물이 화염에 휩싸여 연소하며 열방출률(HRR)이 최대로 도달하는 단계를 말합니다. 이 단계의 화재는 주로 개구부(창문, 문)를 통해 유입되는 공기(산소)의 양에 의해 연소 속도가 지배되는 환기지배형 화재(Ventilation-Controlled Fire)의 특성을 보입니다.

1) 연소속도, 화재온도, 화재계속시간

(1) 연소속도 (Burning Rate, m_dot)

• 결정 요인: 환기지배형이므로, 연소 속도는 가연물의 양이나 종류보다는 개구부를 통해 유입되는 공기(산소)의 공급 속도에 의해 주로 결정됩니다.
• Thomas 식 (근사): 개구부 면적(A<0xE1><0xB5><0x92>)과 높이(H<0xE1><0xB5><0x92>)에 비례하는 공기 유입량(m_air_in)에 따라 연소 속도를 추정할 수 있습니다.
  m_air_in ≈ 0.5 × A<0xE1><0xB5><0x92> × (H<0xE1><0xB5><0x92>)½ [kg/s]

  연소 속도(m_dot)는 이 공기 유입량과 완전 연소에 필요한 공기/연료비(Air-Fuel Ratio, r)에 의해 결정됩니다.

  m_dot ≈ m_air_in / r
• 특징: 연소 속도는 플래시오버 직후 급격히 증가하여 최대치에 도달하며, 개구부 조건이 변하지 않는 한 비교적 일정하게 유지되다가 가연물이 소진되면서 감소합니다.

(2) 화재온도 (Fire Temperature)

• 특징: 구획실 내부 온도는 최고 수준(800 ~ 1,200°C 이상)에 도달합니다.
• 결정 요인:
  • 열방출률 (HRR): 연소 속도와 가연물의 연소열에 비례.
  • 환기 조건: 공기 유입량은 연소 속도에 영향을 주지만, 과도한 환기는 내부 열을 외부로 배출시켜 온도를 다소 낮출 수 있습니다.
  • 구획실 단열 성능: 벽, 천장, 바닥의 단열 성능이 좋을수록 열 손실이 적어 내부 온도가 더 높게 상승합니다.
  • 가연물의 종류: 연소열, 연소 효율 등.

(3) 화재계속시간 (Fire Duration)

• 개념: 최성기 상태가 지속되는 시간.
• 결정 요인:
  • 화재하중 (Fire Load): 구획실 내 가연물의 총량(단위 면적당 kg/m² 또는 MJ/m²)이 많을수록 연소할 연료가 많아 지속 시간이 길어집니다.
  • 연소 속도 (환기 조건): 환기가 잘 되어 연소 속도가 빠르면 지속 시간은 짧아지고, 환기가 제한되어 연소 속도가 느리면 지속 시간은 길어집니다.
• 관계 (근사): 화재계속시간 ≈ 총 화재하중(에너지) / 평균 열방출률(HRR)

2) 개구부의 화염분출 형상, 상층부 연소확대 방지대책

(1) 개구부의 화염분출 형상 (Flame Ejection from Opening)

• 원인: 최성기에는 구획실 내부에서 생성되는 연소 가스의 부피가 개구부를 통해 유입되는 공기 부피보다 훨씬 커집니다. 또한, 내부 산소 부족으로 불완전 연소된 가연성 가스가 개구부 밖으로 분출되어 외부의 신선한 공기와 만나면서 연소(2차 연소)를 지속합니다.
• 형상:
  • 개구부(창문, 문) 전체에서 화염이 외부로 세차게 뿜어져 나오는(분출되는) 형상.
  • 환기 조건에 따라 화염이 주기적으로 강약을 반복하며 분출(Pulsating Ejection)될 수 있습니다.
  • 분출된 화염은 부력에 의해 건물 외벽을 타고 수직으로 상승합니다.

[Image showing flame ejection from window during fully developed fire]

(2) 상층부 연소확대 방지대책

개구부에서 분출된 화염은 상층부 외벽, 창문, 발코니 등으로 직접적인 화재 확산(수직 확산)의 주요 원인이 됩니다. 이를 방지하기 위한 건축적 대책은 다음과 같습니다. (근거: 건축물의 피난·방화구조 등의 기준에 관한 규칙 제23조 등)

• 스팬드럴(Spandrel) 설치:
  • 창문 등 개구부의 상하부 사이 외벽 부분(스팬드럴)을 내화구조로 하고, 그 높이를 90cm 이상 확보합니다.
  • 이는 하층에서 분출된 화염이 상층 개구부로 직접 도달하는 것을 차단하는 수직 방화 구획 역할을 합니다.
• 캔틸레버(Cantilever) 또는 발코니 설치:
  • 개구부 상부에 수평으로 돌출된 캔틸레버 또는 발코니(내화구조)를 설치하여 화염의 수직 상승을 물리적으로 차단합니다.
• 개구부 이격 거리 확보:
  • 수직 방향의 개구부 간 이격 거리를 충분히 확보합니다.
• 외벽 마감재 불연화:
  • 건축물 외벽 마감재(단열재 포함)를 불연재료 또는 준불연재료로 사용하여, 분출 화염에 의해 외벽 자체가 연소하여 화재가 확산되는 것을 방지합니다.
• 자동 스프링클러 설치:
  • 창문 주위에 드렌처 설비(개방형 헤드)를 설치하여, 화재 시 수막(Water Curtain)을 형성함으로써 화염 및 복사열 전달을 차단합니다. (연소 확대 방지 설비)

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문제 2. 승강식피난기의 특징, 설치기준과 승강식피난기의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」 에서 정하는 승·하강 속도시험기준을 설명하시오.

1. 승강식피난기(Elevating Descent Control Evacuation Equipment)의 특징

• 개념: 사용자의 몸무게(하중)에 의해 별도의 동력 없이 자동으로 하강하고, 하강 완료 시 반대편 탑승 장치가 자동으로 상승하여 연속 사용이 가능한 무동력 승강 방식의 피난기구입니다.
• 주요 특징:
  • 무동력 자동 하강: 전원이 필요 없어 정전 시에도 사용 가능합니다.
  • 일정한 하강 속도: 내장된 속도 조절 장치(원심 브레이크 등)에 의해 탑승자 체중에 관계없이 안전한 속도(약 0.2~1.5m/s)를 유지합니다.
  • 연속 교대 사용: 한쪽 발판(또는 의자)이 하강하면 반대쪽 발판이 자동으로 상승하여 다음 사용자가 즉시 탑승할 수 있습니다.
  • 노약자/장애인 이용 가능: 발판에 탑승하여 하강하므로 완강기 등에 비해 거동이 불편한 사람도 비교적 용이하게 사용 가능합니다.
  • 설치 공간: 건물 내부에 수직 관통 공간(피난용 통로) 확보가 필요합니다.

2. 설치기준 (NFTC 301 제4조)

• 설치 장소: 피난층, 지상, 그 밖의 안전한 장소로 피난할 수 있는 곳에 고정하여 설치해야 합니다.
• 설치 위치:
  • 피난기구가 설치되는 개구부는 서로 동일 직선상 위치가 아닌 곳에 설치해야 합니다. (단, 피난통로 구조상 불가피 시 제외)
  • 내림 장소는 장애물이 없는 안전한 공간을 확보해야 합니다.
• 설치 높이: 피난기구 하강구(개구부)는 바닥면과 수평이 되도록 설치합니다.
• 피난 통로 (수직 관통부):
  • 설치 층부터 피난층까지 관통되는 구조여야 합니다.
  • 내화 구조로 구획되어야 합니다. (다른 부분과 방화구획)
  • 내부 마감은 불연재료로 해야 합니다.
  • 탑승 및 하강에 지장이 없는 충분한 공간(단면적)을 확보해야 합니다.
• 표지: 피난기구 위치 표시, 사용 방법 표시, 하중 제한 표시 등을 부착해야 합니다.
• 적응성: 노유자시설(3층), 의료시설(3층) 등에 적응성이 있는 피난기구입니다. (NFTC 301 [별표 1])

3. 승·하강 속도시험기준 (KFI 기준)

「승강식피난기의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」 제10조에서는 승강식피난기의 핵심 성능인 속도 조절 능력과 안전성을 검증하기 위해 다음과 같은 승·하강 속도 시험 기준을 규정하고 있습니다.

시험 항목	시험 방법	판정 기준
최대 하중 하강 속도 시험	- 최대 설계 하중(예: 150kg)의 추를 탑승 장치에 매달아 하강시킨다. - 하강 구간에서의 평균 속도를 측정한다.	- 평균 하강 속도가 1.5 m/s 이하여야 한다.
최소 하중 하강 속도 시험	- 최소 설계 하중(예: 25kg 또는 30kg)의 추를 탑승 장치에 매달아 하강시킨다. - 하강 구간에서의 평균 속도를 측정한다.	- 평균 하강 속도가 0.2 m/s 이상이어야 한다. - (너무 느리면 신속한 피난 불가)
최대 하중 왕복 소요 시간 시험	- 최대 설계 하중의 추를 탑승 장치에 매달아 1회 왕복(하강 및 상승)시키는 데 걸리는 시간을 측정한다.	- 1회 왕복 소요 시간이 3분 이내여야 한다. - (연속 사용성 확인)
반복 하중 승·하강 시험	- 최대 설계 하중으로 규정된 횟수(예: 100회)만큼 왕복 승·하강 작동을 반복한다. - 시험 후 속도 조절 장치 등 주요 부품의 마모, 변형, 파손이 없어야 하며, 상기 속도 시험 기준을 만족해야 한다.	- 구조 및 기능 이상 없을 것. - 속도 기준 만족.

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문제 3. 일반건축물 화재 시 발생하는 Roll Over현상과 LNG저장탱크에서 발생하는 Roll Over현상에 대하여 각각 설명하시오.

※ 이 문제는 제136회 4교시 4번 문제와 동일합니다. 아래는 해당 문제의 답안을 요약/정리한 내용입니다.

1. 개요

롤오버(Roll Over) 현상은 용어는 같지만 발생 장소와 메커니즘에 따라 전혀 다른 현상을 의미합니다. 건축물 화재에서는 '화염 전파' 현상을, LNG 저장탱크에서는 '액체 혼합 기화' 현상을 지칭합니다.

2. 비교 설명

구분	건축물 화재의 롤오버 (Flame Roll Over)	LNG 저장탱크의 롤오버 (LNG Roll Over)
정의	구획실 상부 고온의 미연소 가스층(Hot Gas Layer)이 발화하여, 화염이 연기층을 타고 급격히 확산되는 현상.	탱크 내 밀도가 다른 두 LNG 액층이 형성된 후, 두 액층이 갑자기 혼합(역전)되면서 하부 과열 LNG가 급격히 기화(증발)하는 현상.
발생 장소	건축물 구획실 (방, 복도)	초저온 액화가스(LNG) 저장탱크
주요 원인	- 불완전 연소 가스 축적 - 연기층 온도 상승 (발화점 도달)	- 밀도 다른 LNG 유입 (성층화) - 상하부 액층 온도/밀도 변화 - 밀도 역전으로 인한 급격한 대류
주요 현상	- 천장 면을 따라 화염이 굴러가듯 확산 - 플래시오버(Flashover)의 전조 현상	- 탱크 내 액면 요동 - 다량의 증기(BOG) 급격 발생 - 탱크 내압 급상승
위험성	- 피난 경로 차단 - 화재 급격 성장 (최성기 전이)	- 안전밸브 용량 초과 - 탱크 파열 및 대량 누출 - BLEVE 위험

3. 결론

건축물 롤오버는 기체(Gas Phase)의 연소 확산 현상이며, LNG 롤오버는 액체(Liquid Phase)의 물리적 혼합 및 상변화 현상으로, 발생 원리와 결과가 완전히 다릅니다.

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문제 4. 공사현장에서의 용접용단 작업 시 다음 사항에 대하여 설명하시오.

1) 비산불티의 특성 및 비산거리 영향요인

(1) 비산불티의 특성

• 고온의 금속 입자: 용접·용단 시 발생하는 불티는 용융된 금속(모재 또는 용가재) 입자로, 크기는 작지만 온도가 1,600°C 이상(철 기준)으로 매우 높습니다.
• 발화원 역할: 이 고온의 입자는 자체 열량만으로도 주변의 가연물(단열재, 목재, 폐기물, 인화성 액체 증기 등)을 쉽게 발화시킬 수 있는 강력한 점화원입니다.
• 작은 크기, 다수 발생: 불티는 크기가 수 mm 이하로 작지만, 작업 시 수천~수만 개가 동시에 발생하여 넓은 범위로 퍼져나갑니다.
• 잠재 발화 위험 (축열/틈새 침투): 불티가 단열재 내부, 가연물 더미 속, 구조물 틈새 등으로 들어가면 바로 꺼지지 않고 축열(Smoldering, 훈소) 상태로 남아 있다가, 상당 시간 경과 후(작업 종료 후에도) 발화할 수 있습니다.

(2) 비산거리 영향요인

불티가 날아가는 거리(비산 거리)는 다양한 요인에 따라 달라지며, 일반적으로 수평 방향으로 최대 11m까지 비산될 수 있습니다.

• 작업 방식 및 조건:
  • 용단 작업(Cutting) > 용접 작업(Welding): 일반적으로 절단 작업 시 더 많은 고온 불티가 발생하고 멀리 날아갑니다.
  • 작업 각도 및 높이: 높은 곳에서 아래 방향으로 작업하거나, 수평보다 약간 위쪽으로 작업 시 비산 거리가 늘어납니다.
  • 작업 전류/전압/압력: 작업 강도가 높을수록 불티 발생량 및 초기 비산 속도가 증가합니다.
• 작업 환경:
  • 바람 (Wind): 바람이 불면 불티가 훨씬 멀리까지 날아갈 수 있습니다. (옥외 작업 시 특히 중요)
  • 작업 공간 구조: 개방된 공간일수록 멀리 비산되며, 밀폐 공간에서는 반사되어 예상치 못한 곳으로 튈 수 있습니다.
• 불티 자체 특성:
  • 입자 크기 및 질량: 크고 무거운 입자일수록 더 멀리 날아갈 수 있습니다.

2) 용접·용단 작업 시 화재 및 폭발의 주요발생원인과 대책

(1) 주요 발생 원인

1. 비산 불티에 의한 직접 발화: 고온의 불티가 작업 반경(수평 11m, 수직 고려) 내에 있는 가연물(단열재, 목재, 포장재, 폐기물, 유류 등)에 직접 접촉하여 발화. (가장 흔한 원인)
2. 가연성 가스/증기 점화: 작업장 주변에 존재하는 인화성 액체의 증기, 가연성 가스(LPG, 아세틸렌 누설), 분진 등이 불티 또는 아크 열에 의해 점화되어 화재/폭발 발생.
3. 작업 부위의 열 전도/복사: 용접/용단 부위 자체의 고열이 벽체, 배관 등을 통해 인접 구역의 가연물에 전달(전도)되거나, 복사열에 의해 발화.
4. 용접 설비 자체 결함: 용접기, 케이블, 가스 용기(호스) 등의 관리 불량으로 인한 과열, 누전, 가스 누출 등으로 화재 발생.

(2) 대책

「화재예방, 소방시설 설치ㆍ유지 및 안전관리에 관한 법률 시행령」 제15조의7, 「건설 현장 화재안전성능기준(NFTC 604)」 등에 따른 대책은 다음과 같습니다.

단계	주요 대책
작업 전	- 화기취급 허가 및 화재감시자 지정. - 작업 반경 10m 이내 가연물 제거 (또는 불연성 덮개 방호). - 작업 지점 5m 이내 소화기(2개 이상) 등 비치. - 작업 지점 하부 11m 이내 가연물 방호 (불연성 덮개). - 가연성 가스/증기 농도 측정 (필요시). - 작업자 안전 교육.
작업 중	- 화재감시자 상주 감시 (자리 이탈 금지). - 불티 비산 방지 덮개, 용접 방화포 설치. - 가연성 물질 취급 작업(도장 등) 동시 진행 금지. - 환기 실시 (단, 과도한 바람 주의). - 용접 설비 상태 주기적 확인.
작업 후	- 작업 종료 후 최소 1시간 이상 잔불 감시 (화재감시자). - 작업 지점 및 불티 비산 가능 구역(하부층, 틈새) 확인. - 용접기 전원 및 가스 밸브 차단.
공통 (관리적)	- 안전 작업 절차 수립 및 준수. - 정기적인 설비 점검 및 관리. - 작업자 및 감시자 교육 강화.

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문제 5. 에너지저장장치(ESS, Energy Storage System)를 의무적으로 설치해야하는 대상, ESS 설비의 구성, 전기저장시설의 화재안전성능기준」에서 규정하고 있는 배터리용 소화장치에 대하여 설명하시오.

1. ESS 의무 설치 대상

「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」 및 관련 지침(산업통상자원부 고시 등)에 따라, 일정 규모 이상의 신재생에너지 발전 설비 또는 특정 전력 사용 시설에는 에너지 저장 장치(ESS) 설치가 의무화되거나 권장되었습니다. (단, 최근 ESS 화재 빈발로 인해 의무화 규정은 일부 유예 또는 변경될 수 있으므로 최신 규정 확인 필요)

과거 의무화 대상이었던 주요 예시는 다음과 같습니다. (현재 유효성 확인 필요)

• 신재생에너지 발전 사업자: 일정 규모 이상의 태양광, 풍력 발전소 연계 설치 (REC 가중치 부여 등 인센티브 연계).
• 공공기관: 계약전력 1,000kW 이상 공공기관 건물에 설치 의무화 (피크 저감 목적).
• 기타: 전력 다소비 사업장, 비상전원 대체 목적 등.

2. ESS 설비의 구성

ESS는 생산된 전력을 저장했다가 필요할 때 공급하는 시스템으로, 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 배터리 시스템 (Battery System): 전력을 직류(DC) 형태로 저장하는 핵심 장치.
  • 배터리 셀(Cell) → 모듈(Module) → 랙(Rack) → 뱅크(Bank) 단위로 구성됨. (주로 리튬이온 배터리 사용)
  • BMS (Battery Management System): 각 배터리 셀의 전압, 전류, 온도 등을 감시하고 제어하여 과충전, 과방전, 과열 등을 방지하고 성능 및 수명을 관리하는 시스템.
• 전력변환장치 (PCS, Power Conditioning System): 전력망(AC)과 배터리(DC) 사이에서 전력을 양방향으로 변환(충전 시 AC→DC, 방전 시 DC→AC)하고, 전압, 주파수 등을 제어하는 장치. (인버터/컨버터 기능 포함)
• 에너지 관리 시스템 (EMS, Energy Management System): 전체 ESS의 충·방전 스케줄, 운전 상태, 전력 품질 등을 모니터링하고 제어하는 최상위 운영 시스템. (소프트웨어)
• 기타 부대 설비:
  • 수배전반: 전력 계통 연계 및 보호.
  • 공조 설비: 배터리 및 PCS의 온도/습도 유지 (배터리 성능/수명/안전에 매우 중요).
  • 소방 설비: 화재 감지 및 자동 소화 시스템.

[Block diagram of Energy Storage System (ESS) components]

3. 배터리용 소화장치 (NFPC 607 기준)

「전기저장시설의 화재안전성능기준(NFPC 607)」 제7조는 ESS 배터리실(리튬계 이차전지) 화재의 특수성(열폭주, 재발화)을 고려하여 다음과 같은 자동소화장치 설치를 규정하고 있습니다.

• 설치 대상: 리튬·나트륨 등 알칼리금속 계열 이차전지가 설치된 배터리실 내부.
• 요구 성능: 해당 배터리 화재(열폭주 포함)에 적응성이 있는 자동소화장치로서, KFI 인정 또는 성능 인증을 받은 제품을 설치해야 합니다.
• 자동소화장치의 종류 (선택):
  1. 배터리 전용 소화시스템 (Listed for Battery Protection):
     • 국내/외 공인 기관(KFI, UL, FM 등)에서 리튬이온 배터리 화재에 대한 소화 성능을 인증받은 시스템.
     • (예시) - 특정 청정소화약제 시스템 (예: FK-5-1-12) - 미분무(Water Mist) 시스템 (냉각 효과 우수) - 에어로졸 소화장치 (초기 진압) - 특정 가스(CO2 등)를 이용한 시스템
     • 반드시 해당 배터리 종류, 랙 구조, 설치 환경에 대한 인증 범위 내에서 설계 및 설치되어야 합니다.
  2. 스프링클러설비 (조건부):
     • 표준형 또는 주거형 스프링클러 헤드를 설치할 수 있으나, 이 경우 배터리 제조사가 해당 스프링클러로 자체 시험(Self-Test)을 실시하여 화재 확산 방지 성능(인접 모듈/랙으로 전이 방지)을 입증하는 보고서를 제출하고, 소방관서의 검토를 받아야 합니다. (냉각 효과는 있으나 진압은 어려움)
• 기타 요구사항:
  • 자동소화장치는 배터리 관리 시스템(BMS) 또는 전용 감지 시스템(열, 가스 감지 등)과 연동하여 조기에 작동해야 합니다.
  • 배터리 랙 단위 또는 모듈 단위 국소 방출 방식 적용을 고려할 수 있습니다.

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문제 6. 소방시설의 성능확인을 위한 계측기에 대하여 다음 사항을 설명하시오.

※ 이 문제는 제132회 4교시 6번 문제와 동일합니다. 아래는 해당 문제의 답안을 요약/정리한 내용입니다.

(1) 참값, 측정값, 오차의 정의

• 참값 (True Value): 측정 대상의 이론적 실제 값 (현실적으로 알기 어려움).
• 측정값 (Measured Value): 계측기를 사용하여 실제로 읽은 값.
• 오차 (Error): 측정값 - 참값. 측정의 부정확성을 나타냄.

(2) 오차의 종류

• 계통 오차 (Systematic Error): 일정한 경향성(편의)을 가지는 오차. (원인: 계측기 결함, 환경 영향, 개인 습관) → 교정, 보정으로 제거/감소 가능.
• 우연 오차 (Random Error): 예측 불가능한 요인에 의해 무작위적으로 발생하는 오차. → 반복 측정 후 평균값 사용으로 감소 가능.
• 과실 오차 (Gross Error): 측정자의 명백한 실수로 인한 오차. → 데이터 검토 및 재측정으로 제거.

(3) 우연오차의 법칙

여러 번 반복 측정 시 우연오차는 다음과 같은 통계적 법칙을 따릅니다.

1. 대칭성의 법칙: (+)오차와 (-)오차 발생 확률 동일.
2. 소오차 우세의 법칙: 작은 오차가 큰 오차보다 자주 발생.
3. 극한 오차의 법칙: 오차 크기는 일정 한계를 넘지 않음.
4. 상쇄의 법칙: 측정 횟수를 늘려 평균하면 오차가 상쇄되어 참값에 근접.
5. 정규분포의 법칙: 오차 분포는 평균값 중심의 정규분포(종 모양)를 따름.