공동주택의 지하주차장 유형별 온도 분포 분석 : 배관의 ‘동결 가능 구역’ 도출을 중심으로

1.1. 연구의 배경 및 목적

도시의 건물 밀도 및 차량 이용률이 증가하며 대형 건물에는 지하주차장이 필수적으로 적용되고 있으며, 특히 공동주택은 세대별 보유 차량이 증가하면서 지하주차장 필요 면적이 증가하고 있다. 이에 우리나라는 ｢주택건설기준 등에 관한 규정｣ 및 지자체 조례에 의해 지하주차장 설치를 의무화하고 있다.

공동주택 지하주차장은 외기에 직접적으로 노출되지 않기 때문에 거주자 생활 편의성 및 차량 유지 관리에 유리하지만, 특성상 홍수 및 화재 등 재난·재해 대응에 취약한 부분이 있다. 특히, 화재 발생 시 진압을 위한 소방 차량 및 대원의 진입이 쉽지 않으며, 이에 따라 국내에서는 ｢건축법｣ 및 ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률｣에 의거하여 화재 진압을 위한 스프링클러(sprinkler) 설치를 의무화하고 있다.

이와 같은 소방시설 의무 적용에도 불구하고 2021년 8월 천안 불당동 화재로 666대의 차량 전손 및 약 60억 원의 피해액이 발생하였고, 2022년 9월 대전의 H아울렛 지하주차장 화재로 7명 사망, 2024년 8월 인천시 청라동 공동주택 화재로 959대의 차량과 배관 및 전선이 파손되는 등 약 38억 원의 재산 피해가 발생하였다. 이와 같이 지하주차장 화재는 빈번하게 발생하고 있으며, 해당 화재가 대형 피해로 이어진 것은 스프링클러 작동 방식 및 관리자와 관계가 높다.

스프링클러 방식은 크게 습식, 건식, 준비작동식(Pre-action), 일제살수식으로 구분할 수 있으며, 배관 내의 물 유무 및 분사 방식에 따라 구분이 된다. 국내 공동주택은 일반적으로 준비작동식이 설치되어 있으며, 이는 A, B 감지기 모두 작동 시 물이 분사되는 방식이다. 화재 발생 시 한 개의 감지기만 작동하였을 경우 관리자의 확인 및 대응에 따라 오작동으로 판단하여 작동이 지연 및 정지할 수 있다. 즉, 관리자의 대응에 따라 화재 진압이 지연될 경우 화재 확산의 우려가 있다. 앞서 언급한 지하주차장 화재 발생 사례 역시, 감지기가 화재를 감지하고 관리자의 확인 및 대응의 지연으로 큰 피해로 확산되는 결과를 초래하였다.

준비작동식은 이중 감지 방식(감지기+관리자)으로 오작동을 감소시킬 수 있는 장점이 있지만 작동 지연 가능성의 단점이 있기 때문에 우리나라 정부(국무총리실)에서는 전기차 화재로 인한 추가 피해 발생을 예방하고자 화재 발생 시 감지 및 작동이 신속한 습식 스프링클러 설비 설치 의무화를 추진하고 있다.

습식 방식은 화재 감지 시 헤드의 즉시 개방으로 화재를 빠르게 진압할 수 있는 장점이 있지만 동파 우려가 있다. 이에 따라 습식스프링클러는 단열재 및 열선 등 동파방지 설비가 필요하여 이는 공사비 및 유지·관리 비용 상승의 단점이 있다. 이를 절감하기 위해서는 온도 분포 기반의 동파 가능성에 따라 최적 설계를 할 수 있는 기준 수립이 필요하다. 하지만 우리나라는 지하 주차장 온도 분포와는 무관하게 일괄적으로 주차장 전체에 동일한 단열재 및 설비를 적용하여 비용 절감의 어려움이 있는 실정이다. 데이터 기반의 지하주차장 유형별 온도 분포를 활용하여 설계 기준을 수립할 경우 설치·유지 비용 절감을 기대할 수 있다.

온도 분포 기반의 지하주차장 배관 동결 관련 연구 조사 결과, 황창환(2016)[1]이 경기도 수원에 위치한 상업시설 4개소의 측정지를 대상으로 지하주차장 온도 분포 분석을 실시한 연구가 있다. 이는 상업시설을 대상으로 측정하였으며. 화재에 더욱 취약한 주거용 건물[2], 특히 재실 밀도가 높은 공동주택의 연구는 찾아볼 수 없었다. 공동주택에서의 화재 발생은 진압 대응에 더욱 취약하기 때문에 정밀한 연구가 필요하며, 이를 위해서는 일중 최저 및 최고 온도를 모두 파악할 수 있도록 최저 24시간 이상의 장시간 측정이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 공동주택의 지하주차장을 대상으로 유형 분석 및 장시간 온도 측정을 기반으로 동파 취약 부위를 분석하였다. 이를 통해 지하주차장 화재의 초기 진압에 용이한 습식 스프링클러의 적용 및 배관 최적 설계기준(안) 수립을 위한 기초 연구 자료를 도출하였다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

본 연구의 목표는 지하주차장 유형 및 온도 분포 기반의 동파 취약 부위 도출이며, 연구 수행 방법 및 범위는 다음과 같다.

첫 번째, 스프링클러의 이론 분석을 통해 동파 위험성 및 동결 방지 설비 관련 고찰을 실시하였다.

두 번째, 지하주차장 유형 분석을 위해 국토교통부 공동주택관리정보시스템 자료를 활용하여 세종특별자치시의 행정중심복합도시에 위치하고 있는 공동주택의 지하주차장을 전수 조사 및 분석하였으며 이를 통해 지하주차장의 대표 유형 3가지를 분류하였다. 세종시의 공동주택 비율은 전체 가구 대비 공동주택 비율이 84.5%로 매우 높은 수치이며 대부분 10년 이내에 준공된 단지이기 때문에 상대적으로 최근 설치된 지하주차장의 유형 분석이 용이하다.

세 번째, 지하주차장 대표 유형별 온도 분포 측정을 위해 각 유형별로 대표 단지를 선정하여 동절기 온도를 측정하였다. 정밀한 온도 분포 분석을 위해 개구부로부터 10m 간격의 그리드(grid)로 온도 측정을 실시하였다.

네 번째, 온도 데이터 기반, 지하주차장 유형별 온도 변화를 분석하였고, 이를 바탕으로 지하주차장 내 배관의 동결 가능성 및 습식 스프링클러의 적용 가능 범위를 도출하였다.

2.1. 스프링클러

건축물의 스프링클러 설비는 물을 소화약제로 사용하는 자동식소화설비로서 소방대상물의 천장, 벽 등에 설치된다. 스프링클러 헤드와 시스템연동 감지기로 화재를 감지해 헤드에서 물을 방출하는 방식으로 화재를 진압하는 소화설비이다. 스프링클러는 배관 내의 물에 따라 습식, 건식(준비 작동식 포함), 일제살수식으로 구분할 수 있으며, 스프링클러 헤드 적용 방식으로, 폐쇄형 헤드와 개방형 헤드 방식으로 구분할 수 있다.

폐쇄형 헤드 방식은 습식, 건식(준비작동식)이 적용될 수 있으며 개방형 헤드 방식은 일제 살수식이 적용된다. 습식 스프링클러는 스프링클러 헤드가 개방되는 동시에 소화수가 즉시 방수되는 방식으로 대응이 빠르다는 장점이 있지만 동결이 우려되는 장소에서는 소화수의 동결로 사용이 불가능한 단점이 있다. 현재 공동주택의 지하주차장에 적용된 스프링클러는 대부분 동결 우려가 적은 준비작동식인 경우가 많다. 준비작동식은 동결의 우려가 있는 곳에 설치할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 화재감지기에 의한 준비시간과 열에 의한 스프링클러 헤드의 개방으로 시간이 지연되는 단점이 있다[3~5].

Table 1.은 스프링클러 방식이다.

Table 1.

Overview by sprinkler system

NFPA (National Fire Protection Association)에서 정기적으로 조사하는 결과에 따르면, US Experience with Sprinklers (2024년 4월)에서 2017년부터 2021년도 동안 적용된 스프링클러 방식으로 주거 건물에서 습식 스프링클러 90%, 건식방식은 2%가 적용하는 것으로 발표하였다[6]. NFPA 13에서는 배관 내 수온이 4℃ 이상 유지하기 어려울 때 습식 이외의 방식을 설치하도록 규정하고 있고, 습식 설비를 사용하기 위해서는 동결 방지 스프링클러 설비(Antifreeze Sprinkler) 적용하도록 하고 있다[7].

Table 2.

Summary of NFTC 608 and NFPC 103 codes

2.2. 관련 법령

우리나라는 소방시설법, 건축법에서 스프링클러의 설치에 관한 관련 법령을 명시하고 있다. 소방시설법의 경우, “화재예방, 소방시설 설치·유지 및 안전관리에 관한 법률”에서 두 개의 법률로 분리되어 개정(2024년 12월)되었다. “소방시설 설치 및 관리에 관한 법률”에서는 소방시설의 설치 및 관리에 대한 사항을 세부적으로 규정하고 있다. ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률 시행령｣에서는 별표 4와 별표 5에서 주요 설치 기준과 면제 조건을 규정하고 있다.

법령에서 정하는 세부 기준으로는 공동주택의 화재안전기술기준(NFTC 608) 및 스프링클러 설비의 화재안전기준(NFSC 103)이 있다. NFSC 103은 스프링클러 설비의 화재안전기준으로, ｢소방시설 설치 및 관리에 관한 법률｣ 제9조 제1항에 따라 소방청장이 기준을 정하고 있다. 이 기준은 NFPA 13의 국제기준을 기초로하고 있으며, 국내 실정에 맞게 소방청 고시로 보완된 내용으로 스프링클러의 설치, 유지 및 안전관리에 필요한 사항을 규정하고 있다. 또한, 이와 관련한 기준으로 NFTC 608은 “주차장용 물분무소화설비의 화재안전기준”이 있으며, 아파트 지하주차장에 스프링클러 대신 또는 보완적으로 설치되는 물분무소화설비의 기준을 규정하고 있다. 즉, NFTC 608은 스프링클러와는 다른 설비지만, 동일한 적용 대상(지하주차장)에 대한 또 다른 대안적 소방설비 기준이라는 점에서 밀접한 관련이 있다[8].

3.1. 램프형(Ramp Type)

지면에서부터 경사로(램프)를 통해 지하주차장으로 내려가는 방식이며, 차량 동선이 명확하여 계획이 용이하기 때문에 일반적으로 가장 많이 적용되는 방식이다. 경사로의 길이 및 기울기는 1/6~1/8 이상이 필요하다. 램프형 중에서도 지면 대비 지하의 깊이가 낮은 유형이 있지만 본 연구에서는 지면 기준 3.3m 이상 지하로 내려가는 유형을 램프형으로 구분하였다(Fig. 1.).

Fig. 1.

Ramp type parking lot

Fig. 2.

Pilotis type parking lot

Fig. 3.

Sloped ground entry type parking lot

램프형은 경사로를 통해 외기가 유입되기 때문에 입구 주변부는 외기의 영향을 받게 되지만 높이 변화에 따른 온도층이 발생하여 온도 안정성이 높다. 따라서 외기 유입이 낮은 편이며, 지중열 및 피복 효과로 인해 내부 온도가 높기 때문에 동파 가능성이 상대적으로 낮다.

3.2. 필로티형(Pilotis Type)

기둥만 있는 필로티 구조로 하고, 차량이 수평 이동을 통해 지하로 진입하는 방식이며, 입면이 개방되어 통풍 및 자연광 확보에 유리하고 접근성이 우수하지만, 외기의 원활한 유입으로 동절기 배관 동파에 취약하다.

3.3. 상승형, 저층 진입형(Sloped Ground Entry Type)

경사지 대지에서 주로 적용되며, 지하주차장 출입구부터 계단식으로 상승하여 진입하는 방식이다. 출입구의 형상은 일반적으로 별도 램프 없이 도로에서 바로 진입할 수 있는 필로티형으로 적용된다. 경사로 면적을 낮출 수 있는 장점이 있지만, 배수계획을 철저히 해야 한다. 또한 다수의 출입구를 통한 기류의 흐름에 의해 외기 유입이 매우 원활하다, 따라서 동파 방지를 철저히 고려해야 한다.

Fig. 4.

Hybrid type parking lot

Fig. 5.

Map of Sejong city, South Korea

3.4. 혼합형(Hybrid Type)

램프형과 필로티형 또는 기타 방식이 복합된 형태로서, 주로 대단지에 적용된다. 동선이 다양하고 구조 및 설계가 복잡하기 때문에 유형에 따라 다양한 온도 분포가 발생할 수 있으며, 위험 예측이 쉽지 않다. 따라서 설계 시 면밀한 평가가 필요하다.

4.1. 조사대상지 선정

공동주택 지하주차장의 유형 분석을 위해 세종특별자치시의 행정복합중심도시 내에 위치한 공동주택을 조사하였다[9]. 세종시의 공동주택 단지는 총 259개이며, 137,896세대로 구성되어 있다. 이는 세종시 전체 가구 대비 공동주택 비율이 84.5%로 매우 높은 수치이고, 가장 오래된 공동주택의 준공이 2011년으로 비교적 최근에 준공된 지하주차장의 유형을 분석할 수 있다.

4.2. 조사 및 분석 방법

지하주차장 유형 분석을 위해 세종특별자치시의 259개 공동주택 단지 중 지하 주차대수가 300대 이상인 단지만 분류하여 149개 단지를 선정하였다. 149개 단지의 지하주차장에 대해서 개구부 유형에 따라 크게 4가지 ｢램프형｣, ｢필로티형｣, ｢상승형｣, ｢혼합형｣으로 구분하였다.

Table 3.

Type of opening in parking lot

Table 4.

Resul of the underground parking lot type survey

Fig. 6.

Complex build on slope

4.3. 지하주차장 유형 조사 결과

세종시 공동주택의 지하주차장 유형 조사 결과, ｢램프형｣ 단지가 91개(61.1%)로 가장 높은 비율로 나타났으며, ｢혼합형｣ 단지가 28개(18.8%), ｢필로티형｣ 단지는 27개(18.1%), ｢상승형｣ 단지는 3개(2%) 순으로 나타났다.

｢혼합형｣ 28개 단지는 모두 ｢램프형｣과 ｢필로티형｣의 혼합이었으며, 결과적으로 149개 단지 중 146개(97.9%)의 단지가 ｢램프형｣ 또는 ｢필로티형｣으로 나타났다. ｢상승형｣은 3개의 단지만 있었으며, 해당 단지는 모두 기존 지형이 경사지로 되어 있어 이를 활용하기 위한 설계로 사료된다.

또한 지하주차장의 출입구와는 별개로 개구부가 있는 지하주차장 유형이 조사되었다. 지하주차장 일부 면적 천장이 외부로 노출되어 있는 선큰(Sunken)과 주차장의 일부가 난간벽으로 구성되어 있어 외부로 노출된 데크형(Deck)이다. 선큰의 경우 1개의 단지가 확인되었지만, 천창이 설치되어 있어 외부와 직접 노출되지 않도록 설계되었다. 데크형의 경우 5개 단지가 확인되었으며, 모두 강변 또는 천변과 같이 경사지에 일부가 노출된 형태로 나타났다.

5.1. 측정 개요

앞 장에서 지하주차장의 유형 및 비율 분석을 위해 세종시를 대상으로 조사를 실시하였다.

이 결과를 활용하여 지하주차장 온도 분포 분석을 위한 대상지 선정에 활용하였다. 대상지는 3가지 유형을 선정하였으며, 가장 비율이 높은 ｢램프형(61.1%)｣과 ｢필로티형(18.1%)｣을 선정하고, 추가로 동파에 가장 취약할 것으로 예상되는 ｢데크형｣을 측정 대상지로 선정하였다. ｢데크형｣은 지하주차장 벽의 일부가 난간벽으로 구성되어 외기가 지하주차장 내부로 수월하게 유입되기 때문에 동파에 매우 취약하다 사료되어 선정하였다.

측정 기간은 2025년 1월 23일 부터 2025년 3월 14일 측정하였으며, 각 유형별 외기온도 대비 실내 온도를 비교·분석 하였기 때문에 측정 지점 3개소의 일정이 상이하여도 분석 결과에는 영향 없는 것으로 사료된다. 또한 측정개소 모두 분석기간 동안 최저 영하 10℃ 이하의 외기온도가 나타나 동절기 분석결과도 유의미하다고 볼 수 있다.

본 연구는 스프링클러 배관 동파 가능 범위를 예측하기 위한 연구로서, 지하주차장의 최악조건(최저온도)의 상황을 고려해야 한다. 이에 사전측정을 통해 ‘외기온도가 가장 낮은 시점’과, ‘지하주차장의 최심부의 온도가 가장 낮은 시점’을 비교하였다. 비교·분석 결과 최심부의 온도가 가장 낮을 때 전체 평균 온도가 가장 낮게 나타났으며, 최악조건으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 ‘최심부가 최저온도일 때’를 기준으로 온도 분석을 실시하였다.

5.2. 측정 방법

지하주차장 온도 분포 특성 분석을 위해 Fig. 7.과 같이 6단계로 분석을 실시하였다. Step 1: 온도 측정, Step 2: 외기의 빙점(0℃) 이하 구간 선정, Step 3: 데이터 분석 및 정제(양질의 데이터 선정). 지하주차장 환기시스템(Zet Fan) 등 가동 여부 등 고려, Step 4: 분석 구간 데이터 선정, Step 5: 분석을 위한 대푯값 선정. Case 1: 외기 최저온도, Case 2: 지하주차장 최심부 최저온도, Step 6: 온도 데이터 비교·분석을 실시하였다.

Fig. 7.

Temperature analysis process

온도 측정은 지하주차장의 출입구(개구부)를 기준으로 10m 간격으로 설치하였고, 지하주차장의 스프링클러에 근접한 배관 상부에 설치하였다. 외기 측정은 단지 내에 있는 백엽상에 설치하여 비교·분석 하였으며, 각 지점별 10분 간격으로 배관 주위 공기 온도를 측정하여 지점별 비교하였다. 측정에 사용된 온도 측정 기기는 MADGETech의 RFRHTemp2000A를 사용하였으며, 측정범위 -20℃~+60℃, 온도 분해능 0.01℃, 오차범위: ±0.5℃이다.

5.3. 측정 대상지

측정 대상지는 동절기 평균 온도가 상대적으로 낮은 경기 북부 지역을 대상으로 각 유형에 따라 선정하였으며, ｢램프형｣은 고양 지축 A단지, ｢필로티형｣은 파주 운정 B단지, ｢데크형｣은 하남 감일 C단지로 선정하였다. 건축물의 에너지 절약 설계 기준의 단열 기준으로 정의된 지역에 의해 고양시와 하남시는 ‘중부 2지역’이며, 파주시는 ‘중부 1지역’에 해당된다.

• 1) 램프형(고양 지축 A단지)
• · 위치: 경기도 고양시 지축동
• · 준공일: 2023년 07월 14일
• · 동수/세대수: 10개동/583세대
• · 지하주차대수: 총 707대
• · 측정기간: `25.02.14~`25.03.06(21일)
• · 측정개소: 28개소(외기포함)
• · 취득데이터: 85,980개(10분 간격)

• 2) 필로티형(파주 운정 B단지)
• · 위치: 경기도 파주시 동패동
• · 준공일: 2023년 12월 19일
• · 동수/세대수: 13개동/1498세대
• · 지하주차대수: 총 1,813대(지하1층: 888대, 지하2층: 925대)
• · 측정기간: `25.01.23~`25.02.13(22일)
• · 측정개소: 37개소(외기포함)
• · 취득데이터: 140,201개(10분 간격)

• 3) 데크형(하남 감일 C단지)
• · 위치 : 경기도 하남시 감일동
• · 준공일: 2020년 05월 08일
• · 동수/세대수: 4개동/672세대
• · 지하주차대수: 총 311대
• · 측정기간: `25.02.20~`25.03.07(16일)
• · 측정개소: 26개소(외기포함)
• · 취득데이터: 55,562개(10분 간격)

Fig. 8.

How to install thermometer

Fig. 9.

A-complex floor plan

Fig. 10.

B-complex floor plan

Fig. 11.

C-complex floor plan

5.4. 측정 결과

공동주택의 지하주차장 온도 분포 측정 결과 램프형이 동파 위험성이 가장 낮은 것으로 나타났다. 램프형은 다음과 같다.

3) 데크형(하남 감일 C단지)

데크형인 하남 감일 C단지의 경우, 개구부의 면적이 넓기 때문에 구역을 설정하여 분석하였다. 전체 측정 5,190분(3.6일) 동안 외기온도의 최저는 -6.3℃였으며, 1회 이상 온도가 빙점 이하로 낮아진 구역은 12구역으로 전체 구역의 44%이다. 데크형은 한쪽 벽면이 난간벽으로 개방되어 있기 때문에 외기 영향이 매우 크게 나타났으며, 난간벽으로부터의 거리가 멀어질수록 외기의 영향이 낮게 나타났다. 지하주차장 전체 평균 온도는 1.4℃이다.

Fig. 12.

A-complex temperature measurement result (graph)

Fig. 13.

A-complex temperature measurement result

Fig. 14.

B-complex temperature measurement result (graph)

Fig. 15.

B-complex temperature measurement result

Fig. 16.

C-complex temperature measurement result (graph)

Fig. 17.

C-complex temperature measurement result