< Previous기술강좌기사 환기 및 방재 위원회 88 자연,터널 그리고 지하공간 <표 3> WLTP 모드의 평균주행속도 Class123a3b Duration (s)1,6111,8001,8001,800 Idle time (s)199166235235 Avg. Speed (km/h)25.5145.2946.3846.52 Weighted average (km/h)41.34 2.4.4 오염물질별 기준배출량의 변화 이상의 국내 차종별 원단위 허용배출기준으로부터 오염물질별 기준배출량(q)을 정리하면 다음 표 4와 같다. 입자상 물질인 매연 (PM)의 경우는 가시도(1/m)의 허용농도기준으로 변환되어야 하기 때문에 기준배출량의 단위는 (m2/h)로 표시되며, 가스상 물질인 CO, NOx의 단위는 (m3/h) 이다. <표 4> 오염물질별 기준배출량 구분 승용차소형버스대형버스소형트럭중형트럭대형트럭특수트럭 GasolineDieselDieselDieselDieselDieselDieselDiesel 한도공 97/02 PM (m2/h)-18.89329.606172.19531.59483.018208.750265.832 CO (m3/h)0.1010.0800.0550.6520.0720.3200.7210.933 NOx (m3/h)0.0100.0150.0220.6420.0270.3150.7100.919 편람기준 (2011) (현기준) PM (m2/h)-0.7870.78723.3750.78711.48125.85733.460 CO (m3/h)0.0300.0140.0180.5540.0180.2720.6130.793 NOx (m3/h)0.0010.0030.0040.1660.0040.0820.1840.238 환경부 2013/14 PM (m2/h)-0.708 0.708 7.792 0.708 3.827 8.619 11.153 CO (m3/h)0.030 0.014 0.014 0.554 0.018 0.272 0.613 0.793 NOx (m3/h)0.001 0.001 0.001 0.038 0.002 0.019 0.042 0.055 환경부 2016/17 PM (m2/h)0.32060.87120.87127.79170.87123.82698.619111.1532 CO (m3/h)0.01780.01720.02170.55410.02170.27210.61290.7931 NOx (m3/h)-0.00170.00220.03820.00220.01880.04230.0547 2.4.5 터널내 허용농도 기준의 변화 국토교통부에서는 ‘도로법’에 기초해 ‘도로의 구조· 시설기준에 관한 규칙’(1999 제정)에 일산화탄소 100ppm과 질소산화물 25ppm 기준을 제시하였으며, 도로설계편람(617, 환기시설)(1999 제정, 2011 개정)에 매연(차속별 5~9×10-3m-1), CO(100을 70ppm로 개정), NOx(25를 20ppm로 개정)에 대한 허용농도 기준을 표 5와 같이 규정하고 있다. Vol. 23, No. 1 89 도로터널 환기기술 최신동향 - 정량적 환기설계 <표 5> 국내 허용농도 기준(도로설계편람 617 환기시설) 구분 차속 10km/h20km/h30km/h40km/h50km/h60km/h70km/h80km/h 도로설계 편람 (1999) 매연 (m-1) 0.008~ 0.009 0.007∼0.0080.005∼0.006 CO (ppm) 150100 NOx (ppm) 25 한국 도로공사 (2002) 고속 도로 매연 (m-1) (검토제외) 0.007 (LOS E 이하) 0.006 (LOS D 이상) CO (ppm) 100 NOx (ppm) 25 도로설계 편람 (2011) 일반범위 매연 (m-1) 0.0090.0070.0070.0070.0050.0050.0050.005 CO (ppm) 70 NOx (ppm) 20 도시지역 지하도로 설계지침 (2016) 도시지역 매연 (m-1) 0.0090.0070.0070.0070.0050.0050.0050.005 CO (ppm) 10km 이하 : 70ppm, 10km 초과 ~ 15km 이하 : 50ppm, 15km 초과 : FED 고려 NOx (ppm) 10km 이하 : 20ppm, 10km 초과 ~ 15km 이하 : 15ppm, 15km 초과 : FED 고려 그러나, 도시지역 지하도로 설계지침(2016, 국토부)에 따르면, 터널연장에 따라 가스상 물질의 허용농도를 달리 규정하는 방안을 마련하고 있는데, 15km 초과하는 터널에 대해서는 FED 값을 고려한 허용농도를 적용하도록 하고 있다. 그러나 이러한 연장에 따른 FED 값의 차등적용 방법에는 몇가지 문제가 제기될 수 있는데 다음과 같다(그림 6 참조). ① U-Smartway와 같은 대심도 장대터널(20~30km 이상)을 계획할 경우에는, 본선의 차도 단면적보다 더 큰 환기용 덕트 단면적을 계획해야 할 수도 있다는 점 ② 종류식보다는 횡류식 환기방식의 터널내 평균농도분포특성이 높게 나타나기 때문에 횡류방식을 적용하는 터널일 경우는 터널내 허용농도기준을 더욱 강화시켜야 한다는 점 ③ 초장대 터널일수록 허용농도기준이 더욱 강화되기 때문에 이를 만족시킬 환기시스템의 용량은 더욱 증대된다는 점 ④ 초장대 터널일수록 경우에 따라선 대기환경기준보다 더욱 강화된 농도기준을 터널내 허용농도기준으로 적용할 수 있다는 점 등을 지적할 수 있다. 기술강좌기사 환기 및 방재 위원회 90 자연,터널 그리고 지하공간 따라서, 터널연장 증가에 따라 가스상 물질의 허용농도기준을 FED 값과 연동하여 적용하는 방법에는 신중히 접근할 필요성이 제기 되며, 향후 장대터널 또는 초장대 터널의 건설 추세를 고려하여 합리적인 적용방안의 도입이 필요해 보인다. (a) 종류식(FEDlim=0.1)(b) 횡류식(FEDlim=0.1) (c) 종류식(FEDlim=0.3)(d) 횡류식(FEDlim=0.3) <그림 6> 연장에 따른 CO 허용농도 기준의 변화 3. 정량적 환기설계 및 평가모델 3.1 개요 환기시스템 결정의 주요변수인 소요환기량은 설계기준값과 터널설계제원에 영향을 받기 때문에 환기특성에 미치는 영향을 종합적 이고 정량적으로 평가 검토할 필요가 있다. 일반적인 기존의 교통환기도 모델은 노선계획시 다양한 토목제원의 반영이 곤란하며, 1차 원 혹은 3차원 수치해석 모델은 토목제원이 결정된 이후에 환기평가가 가능하다. 따라서 이는 수동적 평가(설계검증)라 할 수 있다. 반면 소요환기량의 결정변수를 설계기준값과 설계제원으로 구분하고, 설계제원에 따른 정량적인 환기평가가 가능하도록 소요환기량 특성도를 제시할 수 있다면, 경제적이고 효율적인 최적 환기시스템 결정을 위한 의사결정 방법이 될 수 있을 것이다.Vol. 23, No. 1 91 도로터널 환기기술 최신동향 - 정량적 환기설계 3.2 터널제원과 정량화 지표 터널환기 계획의 기본원리는 터널내를 주행하는 차량을 기준으로 환기량을 계산하고 터널제원에 적합한 기반시설 및 부대시설을 계획하는 것이다. 이때 터널의 제원은 환기시스템의 구축에 있어 반듯이 고려되어야 항목이며, 특히 내공단면적, 터널연장, 종단경사, 계획고(표고), 차선수 등은 주요항목이 된다. 또한 터널내 환경규제기준(배출량 기준, 허용기준 등)은 시간적, 공간적 특성을 가지며 변화하는 특성을 지니고 있는데, 터널 이용자 입장에서는 쾌적지수를 나타내기 위한 지표로 활용된다. 3.2.1 터널연장 국내 기준배출량(m2/h or m3/h)의 선정은 주행거리(g/km) 혹은 엔진출력(g/km· h)당으로 표현되는 제작차의 배출허용기준을 기 초하여 적용하고 있다. 따라서 소요환기량은 차량으로부터 배출되는 오염물질의 양을 처리하기 위한 필요 환기량을 의미한다. 즉, 차량으로 배출되는 오염물질의 양은 주행거리에 비례하여 배출량이 증가하며, 이를 처리하기 위한 소요환기량도 연장에 비례하여 증 가한다. 따라서 소요환기량과 터널연장은 선형적인 비례관계에 있다. 3.2.2 내공단면적 환기력의 크기 및 환기방식의 결정시 차도내 내공단면적은 중요한 변수로 장대터널일수록 대형 단면적을 요구할 수 있어 경제성, 시공성 등을 고려하여 신중히 고려하여야 하나, 소요환기량과 관련하여서는 아무런 영향을 미치지 못한다. 왜냐면 소요환기량 계산식 에는 단면적에 관한 항목이 없다. 따라서 환기력 및 환기방식 결정시와 소요환기량 산정시 내공단면적의 문제는 별도로 분리해서 고려 할 필요가 있다. 3.2.3 종단경사 현재 배출계수법에 의한 기준배출량의 산정 방법은 평균 주행거리의 종단경사(구배) 특성을 기반영하여 산출된 것임으로, 주행속도 에 대한 속도변환(보정) 외에 특별히 종단경사의 영향을 보정하기 곤란하다. 그러나 PIARC에서 제시하는 속도-경사 보정 테이블값을 기준으로 종단경사에 대한 영향을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 하향경사 구간에 대한 영향보다는 상향경사 구간에 대한 영향이 큰 것을 알 수 있으며, 일반적인 종단경사와 환기량의 관계는 0% 이하인 하향경사 구간에서는 보정계수의 영향이 적어 비교적 선형에 가까운 소요환기량의 증가경향을 보이나, 상향경사 구간에서는 제곱이상의 비례관계를 보여준다. 3.2.4 차로수 소요환기량은 교통량에 비례하며, 교통량은 주행속도에 따라 교통밀도식으로부터 계산되는 교통밀도(단위길이당 차량대수)를 산출 할 수 있으며, 이는 차로수에 비례하는 관계가 있다. 따라서 차로수 증가에 따른 계단식으로 비례하는 관계를 도출할 수가 있다. 이상의 결과를 정리하면 그림 7과 같다.기술강좌기사 환기 및 방재 위원회 92 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 7> 소요환기량과 터널제원의 상관관계 3.2.5 터널내 풍속과 허용농도의 관계 국내의 경우는 ‘도로의 구조· 시설 기준에 관한 규칙’에 의거 10m/s 이하를 일방향 터널의 표준 한계풍속으로 정하고 있다. 터널내 최대농도는 대상오염물질별 허용기준에 따라 서로 다른 단위(ppm 혹은 1/m)로 표현된다. 그러나 이를 상대농도로 표현하면 터널내 풍속조건에 따라 소요환기량 특성을 나타낼 수 있다. (Qr_1 > Qr_2 > Qr_3) 장대터널과 같이 소요환기량이 클수록 우상의 라인(Qr_1) 과 같은 환기량분포를 보이며, 이때는 종류식의 한계풍속이내에서는 허용농도 기준을 만족할 수 없게 된다. 반면 Qr_3 곡선과 같이 터널내 풍속이 너무 낮으면 허용농도 기준이 초과할 수 있으며, 반대로 허용농도 기준을 낮추기 위해 너무 높은 풍속을 주게 되면 적정 환기시스템을 구축할 수 없다. 이론적으로는 풍속 10m/s 라인과 상대농도 1 이내의 두 라인이 교차하는 빗금친 구간이 종류식 환기방식이 가능한 환기영역이다. 그러나 가장 경제적인 환기방식의 선정은 Qr_2 곡선과 같이 최대한의 허용농도 기준을 만족하면서 터널내 한계풍속 10m/s를 초과하지 않는 부분이 최적 환기방식의 결정영역이 될 것이다. <그림 8> 터널내 풍속과 상대농도의 관계(Qr_1 > Qr_2 > Qr_3) 3.3 모델의 구성원리 이상에서 언급된 내용을 종합적으로 정리하면 다음과 같은 특성도의 작성이 가능해 진다. 즉 터널제원으로 종단경사(Gr), 터널연장 (Lr) 그리고 내공단면적(Ar)에 대한 소요환기량(Qr)의 관계를 터널내 풍속(Vr)과 상대농도(R.C)에 기인한 특성으로 환원하여 종합적으 로 하나의 그래프로 표현할 수 있다. 즉 환기특성도(소요환기량 특성도)의 특징은 최초 내공단면적이 없어도 환기량 특성을 그릴 수 Vol. 23, No. 1 93 도로터널 환기기술 최신동향 - 정량적 환기설계 있으며, 이 그래프를 통해 연장과 종단경사에 적합한 내공단면적을 유도해 낼 수 있다는 것이다. 이를 통해 내공단면적이 결정되면, 다시 터널내 풍속과 농도해석을 통해 적용 가능한 환기방식에 대한 해석을 수행할 수 있다. 따라서 모델의 구성변수는 표 6과 같으며, 이에 대한 종합적인 이해는 그림 9와 같다. <표 6> 모별의 구성 변수 설계기준값오염물질기준배출량, 허용농도기준, 속도 및 경사보정계수 설계제원터널연장, 종단경사, 계획고(표고), 교통량, 차로수 기저변수 (Known) 설계기준으로 제시되는 오염물질배출량, 허용농도기준 터널제원에 상관없이 결정되는 속도보정계수 노선 선정시 차로수는 이미 알려져 있음 지표(특성)변수터널연장, 종단경사 나머지(입력)변수교통량, 계획고 (a) 환기특성도의 개념도(b) 환기특성도의 작성(예) <그림 9> 환기특성도(소요환기량 특성도) 3.4 환기특성도 모델의 작성 정량적 환기평가를 위한 환기특성도의 작성에 대한 흐름도는 그림 10과 같다. 흐름도와 같이 입력변수는 설계시 주어지는 교통량 (구성비)과 평균표고(계획고)뿐이다. 따라서 흐름도를 통해 그림 9와 같은 종단경사와 터널연장과의 관계에 따른 (최대)소요환기량의 특성도가 작성될 수 있다.기술강좌기사 환기 및 방재 위원회 94 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 10> 환기특성도 모델의 작성 흐름도Vol. 23, No. 1 95 도로터널 환기기술 최신동향 - 정량적 환기설계 다음으로 환기특성도는 터널내 발생하는 소요환기량을 기준한 것으로, 여기에는 각종 환기력에 대한 승압력이 나타나 있지 않다. 따라서 소요환기력 특성도만으로 경제적인 환기방식의 영역을 100%로 확정지울 수는 없지만, 승압력 분포와 제트팬의 설치가능 대수 등을 함께 plotting 해 본다면 보다 세부적인 검토가 가능하다. 이러한 특성도를 작성하기 위해서는 몇가지 사전 검토가 필요하다. 3.4.1 팬 점유율 제트팬간의 종간 상호 이격거리를 고려할 때, 터널 연장별로 설치 가능한 제트팬의 대수가 달라지므로 터널연장에 대한 적정 설치 대수를 결정하여야 한다. 현재 국내에는 이에 대한 기준은 없으며 다만 전기동력비 등에 대한 경제성을 분석하여 환기방식을 결정할 것을 권고하고 있는 실정이다. 그러나 제트팬 종류 환기방식의 터널 전체구간 100%에 제트팬을 설치할 수 없으므로 팬점유율 개념을 도입하여 설치하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 이는 터널간 피난연결통로갱 및 비상주차대 등과 같은 확폭, 변폭 구간에 제트팬 을 설치하는 것은 팬 설치 및 분류 효율을 저하시킬 수 있기 때문이다. 3.4.2 특정단면적에 대한 환기용량(제트팬 대수)의 계산 그림 11의 (a)는 소요환기량 특성도에 제트팬(1250mm)을 설치대수를 나타내고 있다. 제트팬 환기방식의 경우, 특정단면적에 대한 제트팬 설치대수에 대한 팬 점유율을 고려하면 제트팬 방식의 적용가능 연장 및 종단경사를 쉽게 파악할 수 있다. (a) 특정단면적에 대한 환기특성도 작성(b) 단면적별 환기특성도 작성 <그림 11> 환기특성도 작성(예)기술강좌기사 환기 및 방재 위원회 96 자연,터널 그리고 지하공간 3.4.3 내공단면적과 대표직경의 상관관계 계산 내공단면적은 소요환기량의 계산시에 아무런 영향을 미치지 못하였지만, 환기력의 계산시에는 중요한 요소가 된다. 이것은 터널내 작용하는 모든 환기력들이 터널내 기류속도의 함수로 정의되기 때문이며, 기류속도의 영향에 따라 터널내 소요승압력이 달라지며 팬 승압력 대비 환기팬의 용량이 달라지기 때문이다. 예를 들어 특정 터널연장에 대한 제트팬의 설치가능 대수는 종간 이격거리 준수조건 으로부터 일정한 설치한계를 가지고 있다. 즉 같은 용량의 제트팬을 설치하기 위해서는 팬 점유율 개념에 적절한 대수만을 설치하여야 한다. 그러나 어떤 경우는 터널연장 대비 제트팬 상호간 이격거리 준수가 원활하지 못할 경우가 발생하여 제트팬 방식으로 가능한 터널일지라도 다른 환기방식을 적용해야 하는 경우가 발생한다. 이때는 내공단면적을 일정 확폭하여 1개소당 제트팬의 병렬설치 대수 를 증가시키거나, 아니면 소요승압력 자체를 완화시켜 제트팬 설치가 가능한 대수로 줄이는 방안을 모색해야 할 것이다. 이러한 단면 적에 대한 검토를 위해 고려할 항목은 터널의 단면적과 둘레길이에 대한 관계이다. 터널과 같은 원형형상은 Duct 이론에 따라 유체의 흐름에 직접적인 영향을 주는 변수로 대표직경(Dh)를 고려하고 있다. 즉, 터널의 내공단면적 변화는 둘레길이(접수길이)의 영향을 미 치며, Ar을 터널내 차도단면적, ℓr을 주변장 혹은 둘레길이(접수길이)로 정의하면 대표직경(Hydraulic diameter)을 다음과 같이 표현 할 수 있다. × 그러나 내공단면적은 터널의 형상에 따라 다른 둘레길이를 가지며, 이때 대표직경의 값도 조금식 달라지는 결과를 가져온다. 따라 서 이에 대한 보정을 위해 각종 설계제원에 대한 데이터를 통한 회귀식을 적용할 수 있다. 일반적인 도로터널의 내공단면적과 대표직 경과의 회귀식은 다음과 같은 3차 다항식으로 표현된다(그림12 참조). Exp Exp Exp <그림 12> 설계사례를 통한 내공단면적과 대표직경의 관계Vol. 23, No. 1 97 도로터널 환기기술 최신동향 - 정량적 환기설계 3.4.4 내공단면적별에 대한 계산 앞의 그림 11의 (b)는 내공단면적별 제트팬의 설치대수 분포도를 나타내고 있다. 동일한 종단경사에 동일한 소요환기량이지만 내공 단면적의 확폭 유무에 따라 제트팬의 설치 가능한 연장은 더욱 증대될 수 있다. 3.5 기존 모델과의 비교 표 7에는 일본의 교통환기도 모델과 국내의 환기특성도(소요환기량 특성도) 모델에 대한 장단점을 비교 정리하였다. <표 7> 환기특성도 모델의 비교 구분 Sect. 교통환기도(일본) Traffic ventilation curve 소요환기량 특성도(본 연구) Qreq contour map 개요도 장점 ∙ 자연풍, 교통량 변화에 의한 기계/자연환기 영역 구분용이 ∙ 교통량변화에 따른 기계 환기시스템 필요여부 확인용이 ∙ 입력변수 간단(교통량, 표고) ∙ 초기시 Ar 없이도 작성가능 ∙ 터널제원(Lr, Gr → Ar)에 대한 반영 및 평가 가능 ∙ Jet Fan 가능영역 구분용이 ∙ Feedback 시스템 가능 ∙ 교통밀도식에 따른 전속도(10~80km/h) 검토가능 단점 ∙ 터널제원 고정시에 검토가능(Ar, Lr, Gr, HGV 등 고정시) ∙ JF 및 비JF 영역구분 곤란 ∙ 교통량 변동에 따른 HGV 변동 반영 곤란 ∙ 작도법이 비교적 어렵고, 특정 주행속도만 해석 가능함 ∙ 자연/기계 환기영역 구분곤란 ∙ 다양한 자연풍 조건 반영 미흡 활용도∙ 확정적 평가분석∙ 능동적 평가분석Next >