석(박)사학위논문

냉장·냉동창고 내 스프링클러시스템 및 공기흡입형 감지기의 실증적 성능평가 연구

(21∼24point)

가천대학교 대학원

설비·소방공학과

소방방재공학 전공

홍     길     동

석(박)사학위논문

냉장·냉동창고 내 스프링클러시스템 및 공기흡입형 감지기의 실증적 성능평가 연구

A Study on the Empirical Performance Evaluation of Sprinkler Systems and Aspirating Smoke Detectors in Refrigerated Warehouse

가천대학교 대학원

설비·소방공학과

소방방재공학 전공

홍     길     동

석(박)사학위논문

지도교수 김철수

냉장·냉동창고 내 스프링클러시스템 및 공기흡입형 감지기의 실증적 성능평가 연구

A Study on the Empirical Performance Evaluation of Sprinkler Systems and Aspirating Smoke Detectors in Refrigerated Warehouse

위 논문을 공학 석(박)사학위 논문으로 제출함.

20xx년  2월(or 8월)

가천대학교 대학원

설비·소방공학과

소방방재공학 전공

홍     길     동

이 논문을 홍길동의

공학 석사학위 논문으로 인준함

20xx년  2월(or 8월)

심사위원장             김철수  ㊞

심사위원            김영희  ㊞

심사위원            김민준  ㊞

이 논문을 홍길동의

공학 박사학위 논문으로 인준함

20xx년  2월(or 8월)

심사위원장             김철수  ㊞

심사위원            김영희  ㊞

심사위원            김민준  ㊞

심사위원            김영수  ㊞

심사위원            김미영  ㊞

국문초록

냉장·냉동창고 내 스프링클러시스템 및 공기흡입형 감지기의 실증적 성능평가 연구

홍길동

설비·소방공학과

가천대학교 대학원

국가화재정보시스템(NFDS) 통계에 따르면, 냉장·냉동창고의 화재는 매년 약 80건 이상 꾸준히 발생하고 있다. 그러나 창고의 대형화, 복합화, 지하화에 따라 피난이 어려워지고, 단열재 사용으로 인한 급격한 화재 확산으로 대형 인명 및 재산 피해가 발생하고 있다. 그럼에도 불구하고, 스프링클러설비의 화재안전기술기준(NFTC 103) 및 자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기술기준(NFTC 203)에서는 수계 소화설비의 동결, 결로로 인한 비화재보, 유지관리의 어려움 등을 이유로 냉장·냉동창고 내 스프링클러설비 및 감지기 설치 제외를 허용하고 있어, 화재 발생 시 신속한 대응이 어려운 상황이다.

반면, 국외 화재안전기준(NFPA 13, NFPA 72, FM Global 등)에서는 냉장·냉동창고에 소방설비 설치를 의무화하고 있으며, 소화설비로는 준비작동식 스프링클러, 감지설비로는 공기흡입형 감지기 설치를 제안하고 있다. 또한, 설치 방법, 동결방지대책, 유지관리 방안을 명확히 규정하고 있어 보다 체계적인 대응이 가능하다.

이에 본 연구는 국외 화재안전기준에서 제안하는 준비작동식 스프링클러설비와 공기흡입형 감지기의 냉장·냉동창고 적용 가능성과 효과성, 발생 가능한 문제점을 분석하기 위해 6건의 성능평가 시나리오(소화 3건, 감지 3건)를 개발하였다. 신뢰성 있는 화재 대응 방안 도출을 위해 실제 냉장·냉동창고를 재현한 성능검증장에 화재대응시스템을 설치하고, 성능평가 실험, FDS 기반 화재 시뮬레이션, 현장 분석을 통해 성능을 검증하였다.

소화 분야에서는 2차측 배관 내 소화수 동결 시간을 측정하여 준비작동식 스프링클러 적용 시 최소 방출 가능 시간을 확인하였으며, 15분 이내 방출되지 않으면 소화 효과가 상실됨을 확인하였다. 이에 감지기 및 헤드 작동 조건이 모두 충족돼야 방출되는 더블인터락 시스템 적용을 제안하였다. 또한, 응축수 및 결빙 주요 발생 지점이 벽체 관통부임을 확인하고, 분리형 배관을 적용해 결빙 최소화 방안을 도출하였다. 화재 시뮬레이션을 통해 창고 유형별 스프링클러 헤드 작동 시간 차이를 분석한 결과, 조기 반응형 헤드가 저온 환경에 적합함을 검증하고 이에 따른 개선 방안을 제시하였다.

감지 분야에서는 –20 ℃ 환경에 48시간 노출 후 5종 감지기(열, 연기, 불꽃, 광전식 분리형, 공기흡입형)를 실험한 결과, 공기흡입형 감지기가 가장 적합함을 확인하고 설치 당위성을 확보하였다. 또한, 저온 환경에서의 민감도 저하를 정량적으로 확인하고 최적화된 민감도 설정 방안을 제시하였다. 샘플링 파이프의 변형 문제 해결을 위해 PVC와 스테인리스 배관의 변형 정도를 비교하고, 효과적인 배관 재질 및 지지대 설치 방법을 도출하였다.

본 연구는 성능검증장 실험, 화재 시뮬레이션, 현장 검증을 통한 종합적 성능평가를 통해 기존 연구보다 높은 신뢰성의 데이터를 확보하였으며, 냉장·냉동창고에 적합한 소방설비 적용 및 유지관리 개선 방안을 구체적으로 제시하고, 이를 토대로 국내 화재안전기술기준의 개정 방향을 제안하였다는 점에서 학문적·실무적 의의가 크다.

이러한 연구 결과는 향후 화재 안전 기준 개정과 소방설비 설치·운영 방안 개선을 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 연구에서 도출된 화재대응시스템을 실제 현장에 적용할 경우, 냉장·냉동창고에서 반복적으로 발생하는 초기 소화 지연, 소화수 동결, 감지기 오작동 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있을 것이다. 이를 통해 물류 환경의 화재 대응 체계를 강화하고, 인명 및 재산 피해를 실질적으로 저감하는 데 기여할 수 있을 것으로 확신한다.

주제어 : 냉장·냉동창고, 스프링클러설비, 공기흡입형 감지기, 화재대응

시스템, 성능평가

목   차

제1장 서 론	1

1.1 연구 배경 및 목적	1

1.2 연구 내용 및 방법	4

제2장 냉장·냉동창고의 화재 현황 및 위험성	6

2.1 냉장·냉동창고 화재현황	6

2.2 냉장·냉동창고의 화재 위험성	9

2.2.1 냉장·냉동창고 화재 사례	9

2.2.2 발화 위험 요인 분석	11

2.2.3 화재 피해 확대 요인 분석	14

제3장 화재대응시스템 성능평가 시나리오 개발	27

3.1 화재대응시스템 선정	27

3.2 냉장·냉동창고 내 화재대응시스템 작동특성	29

3.2.1 스프링클러설비의 작동 특성	29

3.2.2 공기흡입형 감지기의 작동 특성	32

제4장 성능평가 수행 및 결과	39

4.1 성능검증장 구축	39

4.1.1 성능검증장 구축	39

4.1.2 소화분야 화재대응시스템 구축	41

4.2 소화분야 성능평가 수행 및 결과	50

제5장 냉장·냉동창고의 화재 안전성 증대 방안	90

5.1 스프링클러시스템의 개선방안	90

5.2 화재 감지시스템의 개선방안	93

5.3 국내 화재안전기술기준 개정안 제언	96

5.3.1 조문대비표	96

5.3.2 기대효과	101

제6장 결 론	103

참고문헌	106

ABSTRACT	109

표  목  차

<표 2-1> 국내 냉장·냉동창고 연도별 화재 사례	1

<표 2-2> 국외 냉장·냉동창고 연도별 화재 사례	5

<표 2-3> 스프링클러설비의 화재안전기술기준 (NFTC 103)	10

<표 2-4> 자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기술기준	11

<표 2-5> 창고시설의 화재안전기술기준 (NFTC 609)	12

<표 2-6> NFPA 13 스프링클러 관련 기준	13

<표 2-7> NFPA 72 감지기 관련 기준	15

그 림 목 차

<그림 1-1> 연도별 온라인 음·식료품 거래액 추이	1

<그림 2-1> 연도별 냉장·냉동창고업 누적 및 신규 등록 현황	5

<그림 2-2> 연구진행 Flow-chart	6

<그림 2-3> 냉장·냉동창고 화재 발생 건수	7

<그림 3-5> 냉장·냉동창고 화재 재산 피해	8

<그림 3-6> 냉장·냉동창고 화재 인명 피해	9

<그림 3-7> 냉장·냉동창고 화재의 발화 요인	10

제1장 서  론

1.1 연구 배경 및 목적

코로나19 팬데믹 이후 온라인 식자재 상품의 매출이 급격히 증가함에 따라, 신선식품 유통을 중심으로 한 물류산업이 빠르게 성장하고 있다. 통계청 자료에 따르면, 연간 온라인 음·식료품 및 농·축·수산물 거래액은 <그림 1-1>과 같이 2019년 약 16조 9,613억 원에서 2023년 약 40조 692억 원으로 증가하여, 불과 5년 사이에 230% 이상의 성장률을 기록하였다.1)

<그림 1-1> 연도별 온라인 음·식료품 거래액 추이1)

신선식품 거래 규모의 확대는 기존에 장기 보관 목적으로 활용되던 냉장·냉동창고의 수요 증가로 이어졌으며, 이러한 추세는 국가물류통합정보센터에서 제공한 <그림 1-2> ‘최근 5년간 냉장·냉동창고업 업소 수 현황’을 통해 확인할 수 있다. 냉장·냉동창고 산업의 지속적인 성장과 함께 창고 규모의 대형화 및 복합화가 이루어지고 있으며, 이에 따라 내부 저장 물품의 종류가 다양해지고 있어 화재 발생 시 위험성이 더욱 증대되고 있다.

<그림 1-2> 연도별 냉장·냉동창고업 누적 및 신규 등록 현황2)

냉장·냉동창고는 저온 환경을 유지해야 하는 특성상 폴리우레탄 폼 및 샌드위치 패널과 같은 단열재를 주로 사용하고 있으며, 이는 화재 발생 시 급격한 연소 확산을 유발하는 요인으로 작용한다.3) 그러나 국내 화재안전기준(NFTC)에서는 냉장·냉동창고 내 스프링클러 헤드 및 감지기의 설치를 제외할 수 있도록 허용하는 조항이 존재하며, 이에 따라 화재 발생 시 조기 감지 및 진압이 지연될 가능성이 높다.

2024년 1월에 개정된 창고시설의 화재안전기술기준(NFTC 609)에서는 냉장·냉동창고에 스프링클러 및 감지기를 설치할 수 있도록 명시하고 있으나, 설치 의무 사항이 아니며, 냉장·냉동창고 환경에 적합한 유지관리 방법에 대한 구체적인 기준이 미흡한 실정이다. 이에 본 연구는 성능평가를 통해 냉장·냉동창고의 화재대응시스템 설치의 필요성을 분석하고, 냉장·냉동창고 환경에 적합한 소화설비 및 감지설비를 제안함과 동시에, 효과적

참고문헌

1) 국가통계포털(KOSIS), “온라인쇼핑 동향조사”, (2024).

2) 국가물류통합정보센터, “물류창고업 통계”, (2024).

3) 임우섭, “국내·외 냉동창고 화재사고 사례조사 및 분석 연구”, (2010).

4)  김민석, “산소농도와 화재위험성 간의 연관성 분석을 위한 냉장·냉동창고의 화재 시뮬레이션 연구”가천대학교 일반대학원, (2023).

5) 소방청, “국가화재정보시스템 화재 통계”, (2025).

6) 국토교통부, “물류창고 화재안전 관리 매뉴얼”, (2021).

7) 이정일, “냉동창고 제어반 전자접촉기(Magnetic Contactor)의 발화위험성 연구.”, (2019).

8) 이창종, “샌드위치 패널구조 물류창고 화재의 연기와 유독가스의 유동특성 및 피난시간 분석”, (2022).

9) 국가기록원, “코리아냉동창고화재”,(2014)

10) 최영, “38명 사망한 이천 물류창고... 대형 화재 불러온 최악의 조건들”, 소방방재신문, 2020.05.01.,

https://www.fpn119.co.kr/136212

11) Matt Schooley, “Worcester honors 6 firefighters killed in 1999 Warehousee fire with somber ceremony”, CBS NEWS, 2024.11.3.

https://www.cbsnews.com/boston/news/worcester-cold-storage-and-Warehousee-fire-ceremony/

12) 국가화재안전기술기준, “스프링클러설비의 화재안전기술기준 (NFTC 103)”, (2024).

13) 국가화재안전성능기준, “자동화재탐지설비 및 시각경보장치의 화재안전기술기준 (NFPC 203)”, (2024).

14) 국가화재안전기술기준, “창고설비의 화재안전기술기준 (NFTC 603)”, (2024).

15) National Fire Protection Association, “NFPA 13 Standard for the Installation of Sprinkler Systems”, (2022)

16) National Fire Protection Association, “NFPA 72 National Fire Alarm and Signaling Code”, (2022)

17) Factory Mutual Insurance Co“FM Global Installation Guidelines for Automatic Sprinklers”(2022)

18) 안병국, “샌드위치패널 창고의 벽 천장 접합부 방호용 스프링클러설비 실험”, (2019).

19) James G.Quintiere,“Principles of Fire Behavior 2nd edition”, CRC Press, (2016)

20) 소방시설 설치 및 관리에 관한 법률, “스프링클러헤드의 형식승인 및 제품검사의 기술기준”, (2024)

21) 소방시설 설치 및 관리에 관한 법률,“감지기의 형식승인 및 제품검사 기술기준”, (2024)

22) Honeywell, “Aspirating Smoke Detection Application Guide”(2022).

23) 이종규, 민세홍 “냉장·냉동창고 내 스프링클러설비의 작동 특성 및 적응성 분석에 관한 연구”, (2025)

24) 주민언, 민세홍 “성능평가를 통한 냉장·냉동창고 공기흡입형 감지기의 작동 특성 분석 및 적응성 확보 방안에 관한 연구”, (2025)

ABSTRACT

A Study on the Empirical Performance Evaluation of Sprinkler Systems and Aspirating Smoke Detectors in Refrigerated Warehouse

Gildong Hong

Department of HVAC & Firefighting Engineering

Graduate School of Gachon University

According to statistics from the National Fire Data System (NFDS), more than 80 fires occur annually in refrigerated Warehousees. However, due to the increasing scale, complexity, and underground construction of Warehousees, evacuation becomes more difficult, and the use of combustible insulation materials often results in rapid fire spread, leading to large-scale casualties and property damage. Despite this, current domestic fire safety codes—such as NFTC 103 for sprinkler systems and NFTC 203 for automatic fire detection and visual alarm systems—allow exemptions for the installation of sprinkler and detection systems in refrigerated Warehousees. This is due to concerns regarding water-based system freezing, condensation-induced false alarms, and maintenance challenges, resulting in delayed emergency response.

In contrast, international standards (e.g., NFPA 13, NFPA 72, FM Global) mandate the installation of fire protection systems in refrigerated Warehousees, recommending preaction sprinkler systems and aspirating smoke detectors. These standards clearly define installation methods, anti-freezing measures, and maintenance procedures, enabling a more systematic response.

This study analyzed the applicability, effectiveness, and potential limitations of preaction sprinkler systems and aspirating smoke detectors in refrigerated Warehousees as suggested by international standards. Six performance evaluation scenarios (three suppression and three detection cases) were developed. A full-scale performance verification facility simulating actual refrigerated Warehousee conditions was constructed, and experimental testing, fire simulations using FDS, and on-site analysis were conducted to verify system performance.

In the suppression domain, water discharge delay within the secondary piping of the preaction system was measured, confirming that extinguishing effectiveness is compromised if discharge does not occur within 15 minutes. Based on this, the application of a double-interlock preaction system—requiring both detector and sprinkler head activation—was proposed. Additionally, condensation and freezing issues were identified at wall penetration points, where detachable piping was suggested to minimize freezing risk. Fire simulations revealed that early suppression fast response (ESFR) heads showed better suitability in low-temperature conditions compared to standard heads.

In the detection domain, five types of detectors (heat, smoke, flame, photoelectric spot-type, and aspirating smoke detectors) were tested after 48-hour exposure to –20 °C. The aspirating smoke detector demonstrated the highest performance, justifying its installation. Sensitivity degradation in low temperatures was quantitatively assessed, and optimized sensitivity settings were proposed. Material deformation of sampling pipes was compared between PVC and stainless steel, leading to recommendations for suitable materials and support configurations.

This study provides highly reliable data through integrated evaluations involving full-scale testing, simulation, and field analysis. It offers specific strategies for the application and maintenance of fire protection systems in refrigerated Warehousees and proposes revision directions for domestic fire safety codes. These findings are expected to serve as foundational data for future regulatory updates and system improvement efforts. Applying the fire response system derived from this study in real-world scenarios can effectively address issues such as delayed suppression, water freezing, and detector malfunction—ultimately enhancing fire safety in logistics environments and reducing casualties and property losses.

Keywords: Refrigerated Warehousee, Sprinkler System, Air Sampling Detector Fire protection system, Performance evaluation