이 글의 목적은 용도별 화재위험도에 맞춘 스프링클러 설계밀도, 방호면적, K-계수, 방수량과 압력 계산, 헤드 수 산정 절차를 표준식과 예시로 정리하여 현장에서 즉시 활용할 수 있게 하는 것이다.
1. 계산 전에 정해야 할 기본 입력값
스프링클러 유량 및 헤드 수 계산은 아래 5가지를 먼저 정의해야 한다.
- 화재위험등급(Light, Ordinary-1/2, Extra, 저장·창고 등)이다.
- 설계밀도(밀도)와 방호면적이다.
- 헤드 유형과 K-계수이다.
- 설계구역의 유효 방수면적과 유효 헤드 수이다.
- 급수원 조건과 관경·배관계통이다.
위 5가지가 결정되어야 유량, 압력, 마찰손실, 펌프용량, 급수량을 산정할 수 있다.
2. 필수 공식과 단위 변환
2.1 방수량–압력 관계
스프링클러 1개 헤드의 유량 Q는 K-계수와 헤드 유입압력 P로 계산한다.
Q = K × √P 이다.
- SI 단위: Q[L/min], K[(L/min)/√bar], P[bar]이다.
- US 단위: Q[gpm], K[gpm/√psi], P[psi]이다.
대표 K-계수 상호 변환
| K(US) | K(SI) 근사값 | 주요 용도 |
|---|---|---|
| 5.6 | 80 | 사무실, 주거, 주차장 등 보편적 용도이다. |
| 8.0 | 115 | 천장고가 높거나 저장위험이 있는 구역이다. |
| 11.2 | 160 | 고위험, 대구경 라인, 랙저장 일부 구역이다. |
2.2 설계밀도–면적–총유량 관계
총 설계유량 Qtotal = 설계밀도 D × 유효 방호면적 A 이다.
- SI 단위: D[L/min·m²], A[m²]이다.
- US 단위: D[gpm/ft²], A[ft²]이다.
헤드당 평균유량 Qavg = Qtotal ÷ N 이다.
헤드당 필요한 압력 Phead = (Qavg/K)² 이다.
2.3 마찰손실(배관 수리계산) 개요
유압해석에는 Hazen–Williams 공식을 많이 사용한다.
hf = 10.67 × L × Q1.852 ÷ (C1.852 × d4.87) 이다.
- hf[m], L[m], Q[L/s], d[m], C(일반적으로 신강관 120 내외 가정)이다.
- 유효고저차와 말단 안전여유압을 합하여 펌프 토출압을 산정한다.
3. 장소별 설계 입력값 선정 절차
장소별 특성과 화재하중을 반영하여 위험등급과 밀도를 정한다.
| 장소 | 위험등급 예시 | 설계밀도 D(US) | 설계면적 A(US) | 설계밀도 D(SI) 근사 | 면적 A(SI) 근사 |
|---|---|---|---|---|---|
| 사무실, 학교 교실, 병동 | Light Hazard | 0.10 gpm/ft² | 1,500 ft² | 4.1 L/min·m² | 140 m² |
| 기계실, 소규모 공정, 식당홀 | Ordinary Hazard Gr.1 | 0.15 gpm/ft² | 1,500 ft² | 6.1 L/min·m² | 140 m² |
| 가공·조립, 창고 보관구역 일부 | Ordinary Hazard Gr.2 | 0.20 gpm/ft² | 1,500 ft² | 8.2 L/min·m² | 140 m² |
| 도장부, 가연성 액체 사용 공정 | Extra Hazard Gr.1 | 0.30 gpm/ft² | 2,500 ft² | 12.3 L/min·m² | 232 m² |
| 고열·분사공정, 고위험 생산 | Extra Hazard Gr.2 | 0.40 gpm/ft² | 2,500 ft² | 16.3 L/min·m² | 232 m² |
창고·랙저장은 저장높이, 포장상태, 스프링클러 배치(천장형, 랙내형 등)에 따라 별도 기준을 적용한다.
국내 적용 전에는 해당 법령과 설계기준의 등급·밀도·면적을 최종 확인해야 한다.
4. 헤드 배치와 면적 배분 원칙
- 헤드 최대 피복면적과 간격은 제조사 데이터시트와 기준에 따른다.
- 천장 높이, 보, 덕트, 천장경사에 따라 패턴이 왜곡되므로 유효 피복면적을 보수적으로 본다.
- 유효 설계면적 A는 일반적으로 직사각형으로 가정하여 말단 위험구역에 배치한다.
- 설계헤드수 N은 A를 헤드당 피복면적으로 나눈 값의 올림 처리이다.
5. 단계별 계산 알고리즘
- 위험등급과 D, A를 확정한다.
- 헤드 피복가능 면적과 간격을 선택하여 N을 산정한다.
- Qtotal = D × A로 총 유량을 구한다.
- Qavg = Qtotal/N으로 헤드당 목표유량을 구한다.
- K-계수를 정한 뒤 Phead = (Qavg/K)²로 말단 압력을 계산한다.
- 배관망을 설정하고 루프 또는 트리에서 말단으로부터 역해석하여 마찰손실과 고저차를 합산한다.
- 펌프 토출압 = 말단 필요압 + 마찰손실 + 고저차 + 안전여유로 산정한다.
- 펌프 유량 = 설계구역 최대 동시유량 + 소화전 등 동시 요구량을 고려한다.
6. 장소별 표준 예시 계산
6.1 사무실층(천장 높이 3.0 m, Light Hazard, K80)
- 가정: D=0.10 gpm/ft², A=1,500 ft²이다.
- 총유량 Qtotal = 0.10×1,500=150 gpm이다.
- 헤드 피복 12 m²/개 근사(약 130 ft²/개)로 배치하면 N≈1,500/130=11.5 → 12개이다.
- 헤드당 Qavg = 150/12=12.5 gpm이다.
- K5.6 헤드 사용 시 Phead = (12.5/5.6)² ≈ 4.99 psi이다.
- SI 환산 K80 사용 시 Q=K√P이므로 P=(Q/K)²=(47.3/80)²≈0.35 bar이다.
6.2 제조 공정실(Ordinary Hazard Gr.2, K115)
- 가정: D=0.20 gpm/ft², A=1,500 ft²이다.
- 총유량 Qtotal=0.20×1,500=300 gpm이다.
- 헤드 피복 9 m²/개 근사(약 97 ft²/개) 적용 시 N≈1,500/97=15.5 → 16개이다.
- 헤드당 Qavg=300/16=18.75 gpm이다.
- K8.0 사용 시 Phead=(18.75/8.0)²≈5.49 psi이다.
- 라인 마찰손실과 고저차를 더해 펌프 요구압을 산정한다.
6.3 지하주차장(경량위험 또는 보통위험, 습식, K80)
- 주차장 화재하중과 차고 배치에 따라 Light 또는 Ordinary-1을 선택한다.
- Light 가정 시 Qtotal=150 gpm, N=12, Phead≈5 psi 수준이다.
- 차량 밀집, 충전구역 등 위험이 증가하면 OH1 밀도 적용을 검토한다.
6.4 일반 창고(바닥저장, 높이 4 m, K115)
- 저장물의 가연성, 포장, 높이에 따라 창고 전용 기준을 적용한다.
- 보수적 예시로 OH2 수준 D=0.20 gpm/ft², A=2,000 ft² 가정 시 Qtotal=400 gpm이다.
- 헤드 피복 9 m²/개 기준 N≈2,000/97=20.6 → 21개이다.
- Qavg=400/21≈19.05 gpm, K8.0 사용 시 Phead≈5.67 psi이다.
6.5 화학물 저장실(가연성액체 소량, Extra-1, K160)
- D=0.30 gpm/ft², A=2,500 ft² 가정 시 Qtotal=750 gpm이다.
- 헤드 피복 8 m²/개 가정 시 N≈2,500/86=29.1 → 30개이다.
- Qavg=750/30=25 gpm이다.
- K11.2 사용 시 Phead=(25/11.2)²≈4.98 psi이다.
7. 헤드 간격과 피복면적 산정 요령
- 표준형 천장헤드는 보통 3.0 m 내외 간격을 기본으로 하되, 보와 장애물을 고려하여 2.4~3.6 m 구간에서 최적화한다.
- 벽체형은 커버리지 폭과 길이가 데이터시트로 제한되므로 모서리 누락을 주의한다.
- 경사진 천장이나 단차가 있는 경우 열집적이 빠른 상부를 우선 보호한다.
- 랙저장용 인랙헤드는 단락별, 통로별, 층별 규칙을 지켜야 한다.
8. 펌프·저수조 산정 체크리스트
| 항목 | 점검 포인트 | 실무 팁 |
|---|---|---|
| 펌프 정격유량 | Qpump ≥ 설계구역 최대 동시유량이다. | 소화전 동시운전 시 합산한다. |
| 펌프 정격양정 | 말단압+마찰손실+고저차+여유이다. | 설계여유 10~20%를 고려한다. |
| 저수조 용량 | 필요 방수지속시간×총유량이다. | 보조용량과 상수도 공급을 확인한다. |
| 주전원·예비전원 | 디젤 또는 비상전원 확보이다. | 기동순서와 자동절환 시험을 기록한다. |
9. 단위 변환과 현장 계산 예제
9.1 단위 변환
- 1 gpm ≈ 3.785 L/min이다.
- 1 ft² ≈ 0.0929 m²이다.
- 1 psi ≈ 0.0689 bar이다.
9.2 빠른 근사 예
- Light Hazard: 0.10×1,500=150 gpm → 대략 568 L/min이다.
- OH1: 0.15×1,500=225 gpm → 대략 852 L/min이다.
- OH2: 0.20×1,500=300 gpm → 대략 1,136 L/min이다.
10. 배관 수리계산 간단 절차
- 배관망을 구획하고 관경·길이·피팅을 리스트업한다.
- 말단에서 시작하여 헤드 유량을 분배한다.
- 각 구간 유량으로 hf를 산정하고 누적한다.
- 상승구간은 고저차를 더하고 하강구간은 뺀다.
- 가장 불리한 말단에서 필요한 P가 확보되는지 확인한다.
11. 설계 검증과 문서화
- 유압계산서: 입력값, 도면 좌표, 헤드별 Q·P, 가장 불리한 루프를 제시한다.
- 펌프성능곡선: 정격점, 150% 유량점, 차단점 비교를 포함한다.
- 시험·검사: 플로우테스트, 압력시험, 기능시험 기록을 표준 양식으로 제출한다.
- 유지관리: 정기개방점검, 밸브 개방상태, 감시신호 점검을 포함한다.
12. 공간 유형별 입력값 선택 가이드
| 공간 | 권장 K-계수 | 간격(예시) | 특기사항 |
|---|---|---|---|
| 사무실 | K80 | 3.0 m × 3.0 m | 천장 장애물 적고 균일 패턴이다. |
| 주차장 | K80 또는 K115 | 3.0 m × 3.0 m | 기둥·배관으로 인한 차폐 주의이다. |
| 기계실 | K115 | 2.7 m × 2.7 m | 열원 근접 배치를 검토한다. |
| 소규모 공정 | K115 | 2.7 m × 2.7 m | OH1~2 밀도 검토이다. |
| 창고 바닥저장 | K115~K160 | 2.4 m × 2.4 m | 저장물 성상에 따라 상향 조정이다. |
13. 체크리스트: 놓치기 쉬운 오류
- 천장 경사, 홀 포켓, 보 하부 차폐 반영 누락이다.
- 유효 설계면적을 실제 배치와 불일치하게 가정한 오류이다.
- 헤드 K-계수와 사용 압력 범위 불일치이다.
- Hazen–Williams C값을 과대 가정하여 펌프양정이 부족한 사례이다.
- 시험 드레인 유량과 압력계 위치가 부적절하여 성능확인이 불가한 사례이다.
14. 실무 예제: 단계별 산정 표
| 단계 | 사무실층 | 제조공정실 | 창고 |
|---|---|---|---|
| 위험등급 | Light | OH2 | 저장 기준 준용 |
| D | 0.10 gpm/ft² | 0.20 gpm/ft² | 0.20~이상 |
| A | 1,500 ft² | 1,500 ft² | 2,000 ft² |
| Qtotal | 150 gpm | 300 gpm | 400 gpm |
| 헤드 피복 | ≈130 ft²/개 | ≈97 ft²/개 | ≈97 ft²/개 |
| N(올림) | 12 개 | 16 개 | 21 개 |
| K | 5.6 | 8.0 | 8.0~11.2 |
| Q/헤드 | 12.5 gpm | 18.75 gpm | 19.05 gpm |
| P(말단) | ≈5 psi | ≈5.5 psi | ≈5.7 psi |
15. 현장 적용 절차 요약
- 위험등급 분류와 요구 밀도·면적을 공식 기준으로 확정한다.
- 헤드 타입과 K-계수, 온도정격, 반응등급을 선정한다.
- 도면에 헤드 레이아웃과 배관 루팅을 작성한다.
- 유압계산으로 말단압 확보와 펌프·저수조 용량을 검증한다.
- 시공 후 유량·압력 시험과 알람 연동 시험을 수행한다.
- 정기 점검과 변경관리로 성능을 유지한다.
FAQ
헤드 수를 줄이기 위해 K-계수를 키우면 되는가
K-계수를 키우면 동일 압력에서 헤드 유량이 증가하나 설계밀도와 방호면적 요구는 변하지 않는다. 또한 반경과 패턴 한계가 있어 헤드 수 감소에는 한계가 있다. 제조사 데이터시트 범위 내에서만 변경한다.
말단 필요압은 몇 psi를 목표로 해야 하는가
계산식으로 도출된 값 이상을 확보하면 된다. 다만 헤드 작동 신뢰성을 위해 약간의 여유압을 둔다. 일반적으로 5 psi 내외가 자주 산출되나 현장 여건에 따라 달라진다.
창고구역은 왜 별도 기준을 쓰는가
저장높이와 포장상태에 따라 화재성장과 복사열 특성이 크게 달라지기 때문이다. 천장형만으로 부족한 경우 랙내형을 병행한다.
배관 C값은 어떻게 정하는가
재질과 사용연수, 부식상태를 고려하여 보수적으로 정한다. 신강관은 120 전후, 오래된 배관은 더 낮게 본다.
펌프 여유는 얼마나 가져가야 하는가
설계오차, 온도, 마모를 고려해 10~20% 범위에서 결정한다. 프로젝트 요구조건을 따른다.