Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. November 2019. 749-762
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2019.21.6.749


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 모델터널

  •   2.1 모델터널의 제원

  •   2.2 환기 시스템 설계

  • 3. 검토결과

  •   3.1 환기방식별 운전단계 검토

  •   3.2 환기방식별 제어결과 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

최근 들어 대도시의 교통란 해소 및 녹지공간을 확보하기 위하여 도심지 터널 건설계획 및 시공이 증가되고 있다. 또한, 서울 도심지 터널의 대형차 혼입율은 평균 6%정도로 낮기 때문에 경제성이나 교통안전 등을 고려하여 소형차 전용터널로 계획하는 것이 우세한 실정으로 현재, 서부간선지하도로 및 제물포터널이 소형차 전용터널로 공사가 진행되고 있다. 또한, 도심지에 건설되는 터널은 도심중심을 통과하거나 간선도로의 기능을 수행하기 때문에 장대화되는 추세를 보이고 있다.

특히, 도심지에 건설되는 터널은 인구밀집지역을 통과하기 때문에 갱구부에서 오염물질의 배출을 최대한 억제하기 위한 방안이 우선적으로 검토되어야 하며, 터널 내에서 차량이 정체할 가능성이 높기 때문에 정체상황에서 대피안전을 확보할 수 있는 제연방식이 요구된다. 이에 도심지 터널의 환기시스템은 복잡하고 대형화될 수 밖에 없는 실정이며, 환기기 용량이 증대함에 따라 환기방식의 선정이나 환기시스템의 설계에 있어서 초기 투자비 뿐만 아니라 운전비용 및 유지관리비용에 대한 검토가 반드시 필요하게 되었다(Poole, 2000).

또한, 환기기 용량이 증대하는 조합환기방식의 터널의 경우에는 제트팬과 축류팬의 조합에 따라서 수십가지 이상의 운전조합이 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 소형차 전용 터널에 대해서 제트팬방식, 집진기 + 제트팬, 수직갱 + 제트팬, 급기반횡류 + 제트팬방식을 적용하여 운전단계 최적화 방안을 검토하고 각 방식별 환기기 운전 소비전력을 비교하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 터널연장이 5 km인 소형차 전용터널을 모델로 하여 환기 방식별 환기기 용량을 산정하고 퍼지제어로직을 적용한 동적시뮬레이션을 수행하여 환기기 운전전력을 비교하였다.

2. 모델터널

2.1 모델터널의 제원

모델터널은 제트팬 방식을 포함하여 조합환기방식의 적용이 가능하도록 하기 위해서 터널연장을 5 km로 하였으며 단면적 및 교통량 등 제원은 현재 시공중인 서부간선 지하도로의 제원을 적용하였으며, 주요제원을 Table 1과 Table 2에 나타냈다.

Table 1. Specification of model tunnel

- Specification
Tunnel length (m) 5,000
Gradient (%) Maximum 5.0%
Cross sectional area (m2) 35.7
Diameter (m) 5.25
Height (m) 0
LV ratio (%) 0

Table 2. Annual average daily traffic

- PC Small bus Small truck Sum
AADT 53,270 921 7,180 61,371

2.2 환기 시스템 설계

2.2.1 소요환기량 검토

모델 터널에 대한 소요환기량 및 교통환기력에 의한 자연환기량은 도로설계편람 617. 환기시설(MOLIT, 2011)에 제시된 방법에 의해서 계산하였으며, Table 3과 같다. 오염물질별 허용농도는 CO는 70 ppm, NOx는 20 ppm, 입자상물질(PM)에 대한 허용가시도(10-3 m-1)는 주행속도별로 10~30 km/h에서는 9, 40~60 km/h에서는 7, 60~80 km/h는 5로 하였다.

Table 3. Required fresh air for ventilation & air volume by piston effect

Vehicle speed (km/h) 10 20 30 40 50 60 70 80
Natural ventilation air volume (m3/s) -2.6 58.5 99.7 153.1 185.0 213.2 238.5 261.4
Fresh air requirement (m3/s) CO 191.7 149.5 121.8 102.4 88.0 76.9 70.0 64.2
NOx 13.7 20.3 23.7 25.4 26.2 26.4 33.7 38.8
PM 44.5 73.1 80.6 89.4 124.5 125.0 122.0 107.2

Table 3에서 CO는 주행속도 30 km/h 이하의 경우에는 자연환기량이 소요환기량보다 작으므로 기계환기가 필요하며, NOx의 경우에는 전 속도에서 자연환기가 가능하며, 입자상물질(Particle material, PM)의 경우에는 20 km/h 이하의 주행속도에서 기계환기가 필요하다. 따라서 모델터널은 주행속도가 30 km/h이하로 낮은 경우에는 기계환기가 필요하다.

2.2.2 환기기 용량검토

터널의 경우, 환기용 환기기는 제연용 환기기를 겸용으로 하기 때문에 환기용 환기기 용량과 제연용 환기기용량을 구하여 용량이 큰 것을 적용하고 있다. 이에 본 연구에서는 제연용 제트팬 대수를 우선적으로 구하였다. 제연용 제트팬 댓수는 임계풍속은 2.5 m/s로 가정하여 구했으며, 이 경우, 임계풍속을 유지하기 위한 제트팬 수는 12대로 계산되나, 소손을 고려하여 14대로 선정하였다.

본 연구에서는 환기기 운전제어로직의 적용성 및 운전단계 최적화를 통한 에너지 절감효과를 비교 ‧ 검토하기 위해서 일반적으로 적용 가능한 환기방식인 ① 제트팬방식과 조합환기방식(② 제트팬 + 공기정화방식, ③ 제트팬 + 수직갱방식, ④ 제트팬 + 대배기구방식)을 고려하였다.

환기방식별 환기기 용량 및 소요동력은 Table 4에 나타냈다. 환기기 용량 산정시 허용농도는 소요환기량 산정시와 동일하게 적용하였으며, 환기기 용량은 전술한 바와 같이 저속에서 CO를 환기하기 위한 용량으로 결정된다.

Table 4. Required fresh air for ventilation & air volume by piston effect

Vent. system Jet fan Jet fan +
Air purification system
Jet fan +
Vertical shaft system
Jet fan + Semitransvere
(large port EA)
No. of jet fan 27 14 14 14
Power of jet fan (kW) 810 420 420 420
Axial fan flow rate (m3/s) 90 70 190
Axial fan
required
static
pressure
(Pa)
Duct etc. 686 686 686
Supply nozzle 540 540 0
E.P 196 0 0
Air purification 392 0
Duct for transverse system 490
Total 1,814 1,226 (SA) / 686 (EA) 1,176
Margin factor (10%) 181.4 122.6 / 68.6 117.6
Total pressure loss 1,995 1,348.6 / 754.6 1,293.6
Power of axial fan (kW) 257 134.86 (SA) / 75.46 (EA) 351.1
Power consumption of vent. system (kW) 810 677 630.32 771.1

조합환기방식의 경우에는 화재시 공기정화시설 및 수직갱은 임계풍속을 유지하기 위한 목적으로 가동하지 않는 것이 원칙이기 때문에 임계풍속은 제트팬에 의해서 발생시키게 된다. 이에 조합환기방식의 해석모델 터널은 제연을 위해서 14대의 제트팬을 설치하였다. 또한 제트팬 + 대배기기구 방식는 평상시 대배기구를 통해서 급기하는 하는 것으로 하였으며, 이 경우에도 화재시 배연효율 향상을 목적으로 기류제어를 위한 제트팬을 설치하는 것으로 하였다.

Table 4에서 축류팬의 소요정압(Axial Fan required static pressure)은 풍도등 일반적으로 고려되어야 하는 정압손실을 686 Pa (70 mmAq)로 하였으며, 각 시스템별로 특정압력손실(급기노즐의 동압손실, 집진기 및 공기정화시설의 압력손실, 급기덕트의 압력손실)을 고려하여 산정하였다. 급기노즐의 손실은 공기정화시설 및 수직갱방식의 경우에 급기되는 공기를 노즐을 통해 30 m/s로 고속급기하여 승압력을 발생하기 위한 노즐의 동압손실을 의미하며, 집진기 및 공기정화시설의 압력손실은 집진셀 및 필터메디아 통과시 발생하는 압력손실을 의미한다.

3. 검토결과

3.1 환기방식별 운전단계 검토

터널의 환기기는 에너지 절약을 위해서 터널 내 농도에 따라 풍량제어가 필수적이며, 이를 위해서 집진방식이나 수직갱 방식에서는 인버터에 의한 회전수 제어나 가변익 방식에 의한 급․배기팬의 풍량제어를 수행하고 있다. 따라서 단순 제트팬 방식의 경우에는 시스템의 특성상 댓수제어에 의한 제어가 불가피하나, 전기 집진기(공기정화)방식이나 수직갱 방식에서는 운전동력을 최소화하기 위한 운전단계에 대한 검토가 필요하다.

제트팬과 축류팬이 설치된 조합환기방식의 터널에서는 제트팬 댓수 곱하기 축류팬 용량제어단계에 해당하는 운전단계가 있을 수 있다. 즉, 모델터널과 같이 제트팬이 14대가 설치되고 축류팬을 일반적으로 30%~100%범위에서 10%단계로 풍량을 제어한다면, 15 × 8 = 120단계의 운전단계가 발생하게 된다. 이에 대부분의 터널에서 모든 운전단계를 제어로직에 수용하여 운전하는 것은 불가능하기 때문에 on-off 동작이 용이한 제트팬을 우선 운전하고 풍량이 부족하면 축류팬을 운전하는 풍량을 제어하고 있는 실정이다. 그러나 제트팬 댓수가 증가하는 경우에 소요동력이 축류팬보다 증가하며, 운전조합에 따라 소요동력이 동일할 지라도 발생하는 풍량이 달라질 수 있기 때문에 운전단계를 정하고 소요동력을 최소로 할 수 있는 운전조합을 검토할 필요가 있다.

이에 본 연구에서는 환기방식별로 운전조합에 따른 소요동력과 확보 환기량을 계산하여 환기량이 동일한경우에 소요동력을 최소로 하는 운전조합을 선정하는 방법으로 운전단계를 선정하였다.

축류팬의 부분부하시 풍량비(Q/Qmax)에 따른 운전동력의 비(P/Pmax)는 식 (1)로 검토하였다.

$$\frac{\mathrm P}{{\mathrm P}_\max}=-0.02737+0.6779\left(\frac{\mathrm Q}{{\mathrm Q}_\max}\right)-1.41147\left(\frac{\mathrm Q}{{\mathrm Q}_\max}\right)^2+1.75589\times\left(\frac{\mathrm Q}{{\mathrm Q}_\max}\right)^3$$ (1)

확보 환기량(Qr)은 주어진 주행속도에서 환기기 운전에 따라 터널로 유입되는 환기풍량을 의미하며, 터널입구에서 유입되는 풍량(Qin)과 횡류덕트의 급기풍량 또는 수직갱 방식 및 공기정화방식의 급기노즐에서 급기풍량(Qvs), 공기정화시설의 제거효율(ηvs)의 관계를 식 (2)와 같다.

$${\mathrm Q}_{\mathrm r}={\mathrm Q}_{\mathrm{in}}+\eta_{\mathrm{vs}}{\mathrm Q}_{\mathrm{vs}}$$ (2)

식 (2)에서 제트팬의 방식의 경우에는 Qvs는 0이며, ηvs는 공기정화방식에서 오염물질 제거효율로 본 분석에서는 입자상물질은 90%, 가스상물질은 80%로 하였으며, 수직갱 방식 및 급기횡류방식의 경우에는 신선공기가 급기되기 때문에 100%로 계산한다.

3.1.1 제트팬 방식

제트팬 방식은 댓수제어만 가능하며, 운전댓수가 증가하면 터널 내 풍속은 증가하기 때문에 운전단계에 따른 제트팬 대수의 비교적 간단하게 설정할 수 있다. Fig. 1은 모델터널에서 주행속도별로 제트팬 운전댓수에 따른 풍속을 나타낸 것이다. 그림에서 터널 내 풍속이 4 m/s 이상인 경우에는 제트팬 대수가 증가하면 풍속이 선형적으로 증가하나, 풍속이 4 m/s 이하인 경우에는 제트팬 댓수가 증가하면 풍속의 증가율이 증가하는 경향을 보이고 있다. 따라서 제트팬 방식 터널에서 댓수제어를 하는 경우에는 터널 내 풍속이 낮은 조건에서는 단계별 증가 댓수를 작게 설정하고 풍속이 높은 조건에서는 증가 댓수를 증가시키는 것이 필요하다. Table 5에 주행속도가 저속인 경우(10 km/h)와 고속인 경우(80 km/h)에 대해서 운전단계별 제트팬 운전댓수를 나타냈다. 주행속도가 저속인 경우에는 초기운전단계에서 단계별 증가 대수는 1대정도이나, 운전단계가 높아지면 2~5대로 산정되고 있다. 그러나 터널 내 주행속도가 80 km/h인 경우에는 터널 내 풍속이 최소 7 m/s 이상이기 때문에 운전단계가 증가하면 단계별 제트팬 증가댓수는 일정한 값을 보이게 된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-06/N0550210602/images/kta_21_06_02_F1.jpg
Fig. 1.

Tunnel air velocity according to the jet fans in tunnel of jet fan ventilation

Table 5. Operation step ventilation method

No. of operation step Jet fan Jet fan + EP Jet fan + SH Jet fan + Large port semi-transverse
Low speed High speed Low speed High speed Low speed High speed Low speed High speed
AX JF AX JF AX JF AX JF AX JF AX JF AX JF AX JF
1 - 1 - 2 36 0 0 2 28 0 21 0 0 4 57 0
2 - 2 - 4 45 0 27 0 42 0 28 0 57 4 76 0
3 - 3 - 6 54 0 36 0 35 2 35 0 76 4 95 0
4 - 4 - 8 45 2 45 0 49 2 42 0 57 6 114 0
5 - 5 - 10 63 2 54 0 42 4 49 0 95 6 133 0
6 - 7 - 12 54 4 63 0 35 6 56 0 76 8 152 0
7 - 9 - 15 54 6 72 0 49 6 63 0 114 8 171 0
8 - 11 - 17 54 8 81 0 49 8 70 0 114 10 190 0
9 - 14 - 19 54 10 81 4 49 10 70 4 114 12 171 6
10 - 18 - 22 72 10 81 8 49 12 70 8 152 12 190 6
11 - 22 - 24 81 12 90 8 63 12 70 10 152 14 190 10
12 - 27 - 27 90 14 90 14 70 14 70 14 190 14 190 14

3.1.2 공기정화방식

공기정화방식의 경우에는 전술한 바와 같이 제트팬 및 축류팬의 부분부하 운전조합에 따라 120단계의 운전단계가 있을 수 있다. 이에 환기기 운전조합에 따른 소요동력과 확보풍량을 검토하였으며, Fig. 2에 나타냈다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-06/N0550210602/images/kta_21_06_02_F2.jpg
Fig. 2.

Ventilation air volume and fan operation power according to combination of ventilation system in tunnel equipped air purification system

Fig. 2에 격자점은 조합운전점에 해당한다. 그림(a)는 주행속도가 10 km/h인 경우로 확보 환기량(Qr)이 동일할지라도 환기기 운전조합에 따라 소요동력이 차이가 있음을 보이고 있다. 그림(b)는 주행속도가 80 km/h로 터널 내 풍속이 높은 경우이다. 이 경우에 예로서 확보 환기량이 300 m3/s인 경우에 운전조합(제트팬대수 × 축류팬 풍량: 0대 × 45 m3/s (부분부하율: 50%))인 경우에는 소요동력은 약 75 kW이나, 운전조합(8대 × 27 m3/s)인 경우에는 약 300 kW 정도의 소요동력이 필요한 것으로 나타나고 있다. 따라서 이와 같이 확보 환기량이 동일할 지라도 운전조합에 따른 소요동력이 아주 크게 차이가 있음을 알 수 있다.

그림에서 ●는 운전단계를 12단계로 하는 경우에 최소풍량에서 부터 최대풍량에 이르는 범위에서 확보환기량이 동일한 경우에 운전동력을 최소화할 수 있는 운전조합을 나타낸 것이며, ○는 운전의 용이성 때문에 제트팬을 우선 운전하고 더 많은 환기량이 요구되는 경우에는 수직갱, 공기정화시설, 횡류급기를 위한 축류팬을 운전하는 경우에 운전조합에 따른 확보 환기량과 환기기 운전동력을 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 주행속도가 고속일수록 운전단계별 최적화에 따른 운전동력의 차이가 클 것으로 예상된다.

Table 6은 주행속도가 10 km/h (Low speed), 80 km/h (High speed)인 경우에 운전단계별 운전조합(JF댓수 × Axial 팬 풍량)을 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 주행속도가 고속이 될수록 제트팬 댓수의 증가보다는 Axial 팬 풍량을 높이는 것이 환기기 운전동력절감에 유리한 것으로 분석되었다.

Table 6. Operation simulation results (control interval = 6 min)

Ventilation
method
Operation
mode
Total power
consumption
Jet fan operation time AX fan operation time Total
operation time
Control
deviation
EA Time (min) Acc. flow rate Time (min)
ZF - 9378.0 3126 912 0.0 0.0 912 9.5
EP Jet fan priority 7607.7 1916 888 14346.0 624 888 8.2
Present 6189.8 1042 678 22086.0 822 894 6.7
SH Jet fan priority 7055.6 1908 876 11480.0 648 876 7.1
Present 5577.8 1004 600 18326.0 864 864 6.1
TS Jet fan priority 7227.4 1908 900 12293.0 618 900 7.5
Present 6089.6 1428 870 16093.0 822 900 9.5

3.1.3 수직갱 방식

수직갱 방식의 경우에도 공기정화방식의 경우와 마찬가지로 운전조합은 120단계가 된다. 환기기 운전조합에 따른 확보 환기량과 환기기 운전동력은 Fig. 3과 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-06/N0550210602/images/kta_21_06_02_F3.jpg
Fig. 3.

Ventilation air volume and fan operation power according to combination of ventilation system in tunnel with vertical shaft ventilation system

수직갱 방식의 경우에도 운전조합에 따른 확보 환기량 및 운전동력은 공기정화방식의 경우와 마찬가지로 운전조합에 따라서 확보 환기량이 동일할지라도 환기기 운전동력이 큰 차이가 발생하고 있으며, 운전동력의 차이는 터널 내 풍속이 큰 경우에 보다 크게 발생하는 것으로 나타나고 있다.

이것은 종류환기방식을 적용하는 산악터널에 대한 운전단계 검토결과(Yoo et al., 2002a)와 마찬가지로 터널 내 풍속이 높을수록 제트팬의 운전보다 수직갱 등의 축류팬을 운전하는 것이 환기에 유리하다는 것을 의미한다. 이것은 터널 내 풍속이 높으면 제트팬의 승압력은 제트팬 토출풍속과 터널풍속의 상대풍속의 제곱에 비례해서 감소하고 터널의 환기저항은 터널풍속의 제곱에 비례해서 증가하기 때문에 터널 내 풍속이 높은 경우에는 신선공기를 직접급기하는 것이 효과적인 것을 분석된다.

수직갱 방식에 대한 운전단계별 환기운전조합은 Table 5에 나타냈다.

3.1.4 급기 반횡류방식

급기 반횡류식에서 운전조합에 따른 확보 환기량과 운전동력은 Fig. 4에 나타냈다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-06/N0550210602/images/kta_21_06_02_F4.jpg
Fig. 4.

Ventilation air volume and fan operation power according to combination of ventilation system in tunnel with semi-transverse ventilation system

Fig. 4(a)는 주행속도가 10 km/h인 경우로 급기 반횡류식의 경우에는 주행속도가 저속인 경우에는 교통환기력이 작기 때문에 자연환기력 등에 의해서 터널입구에서 기류가 유출하는 경우가 발생하게 되는데, 이 경우에는 교통환기력에 의한 풍량이 존재하지 않기 때문에 덕트에서 급기되는 풍량이 확보 환기량이 된다. 그림에서는 제트팬 댓수가 약 4대 이하인 경우에 이와 같은 현상이 발생하는 것이다.

또한, 터널입구에서 기류가 유출하는 경우에는 터널 내 풍속이 0 m/s가 되는 정체영역이 발생하고 또한 역류시 화재가 발생하면 연기가 정체하는 차량을 덮칠 가능성이 있기 때문에 제연 목적상 터널입구에서 기류가 유입되도록 즉, 터널 내 풍속이 +가 되도록 제어할 필요가 있다.

이에 최적화된 운전단계의 운전조합은 그림에서 ●로 표시되며, Table 2에 나타낸 바와 같이 제트팬에 대한 최소운전댓수는 4대 이상으로 설정된다. 따라서 이와 같은 고려를 하는 경우에는 일반적으로 제트팬을 우선운전하는 경우와 운전동력의 차이가 다른 방식에 비해서 크지 않을 것으로 판단된다.

그러나 교통환기력이 증가하는 주행속도 80 km/h인 경우에는 초기운전단계에서 반횡류환기방식에 의한 급기가 선행되어야 하는 것으로 분석되며, 일반적으로 수행하고 있는 제트팬 우선 운전방식과 최적화된 운전단계(●)의 운전동력은 아주 큰 차이가 발생하는 것으로 나타나고 있다.

3.2 환기방식별 제어결과 분석

3.2.1 소비전력비교

운전단계를 12단계로 하여 환기방식별 소비전력을 검토하였으며, 운전주기에 대한 검토를 수행하기 위해서 제어주기를 3,4,5,6,8,10분으로 하였다. 운전전력 검토를 위한 교통량은 서울시 교통정보센터(Topis, 2018)에서 제공하는 현재 서부간선도로의 실제 주행속도로 부터 평일의 시간평균 주행속도를 구하여, 이에 따른 환기 설계시 적용하는 교통량 계산식에 의한 교통량을 구하여 적용하였으며, 최대 주행속도는 90 km/h, 평균주행속도는 48.4 km/h이다. 또한, 운전단계 최적화의 필요성을 평가하기 위해서 운전단계를 최적화하는 경우와 제트팬 우선 운전을 하는 경우에 환기기 운전을 위한 소비전력을 비교하였다.

환기방식별로 기개발된 도로터널 환기 동적시뮬레이션 프로그램(Yoo et al., 2002b)에 의해서 환기기 운전 시뮬레이션을 수행한 결과를 Fig. 5에 소비전력 및 운전시간, 제어편차는 Table 6에 나타냈다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-06/N0550210602/images/kta_21_06_02_F5.jpg
Fig. 5.

Results of operation simulation for ventilation system

Fig. 5(a)는 제트팬 방식의 환기기 운전 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 환기기는 주행속도가 40 km/h 이하로 감소하는 오전 7:20시 정도에서 부터 가동이 시작되어 주행속도가 40 km/h 이상으로 회복되는 21:30까지 지속되고 있으며, 주행속도가 20 km/h 이하로 감소하는 최대운전단계인 12단계로 운전되는 것으로 분석되었다.

이 경우 환기기의 총 가동시간은 912분이며, 총 소비동력은 9,378 kWh로 분석된다.

Fig. 5(b)는 전기집진기 방식을 적용하는 경우에 환기기 운전 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

이 경우에도 환기기 가동시간은 제트팬 방식과 아주 유사한 경향을 보이고 있으며, 환기기가 가동되는 총시간은 894분이고 총 소비전력은 6189.8 kWh이다. 환기기 운전단계를 최적화하는 경우에 소비전력은 제트팬 우선 운전모드보다 18.6%감소하는 것으로 나타나고 있다.

Fig. 5(c)는 수직갱방식의 환기기 운전 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

이 경우에도 제트팬 방식이나 공기정화 방식과 유사한 운전결과를 보이고 있으며, 주행속도가 급격하게 감소하여 환기기 운전단계가 급격하게 증가하는 시간동안 허용농도를 과도하게 초과하는 경향을 보이고 있으나 환기기가 가동되는 시간동안에 제어편차는 6.1%정도로 나타나고 있어 비교적 안정적인 제어결과를 보이는 것으로 판단된다.

수직갱 방식의 경우, 환기기 총 가동시간은 864분이며, 총 소비전력은 5,577.8 kWh이다. 운전모드별 운전동력을 비교하면 운전단계를 최적화하는 경우에는 제트팬 우선 운전대비 약 20.9%가 감소하는 것으로 나타나고 있다.

Fig. 5(d)는 급기반횡류방식에 대한 환기기 운전 시뮬레이션결과를 나타낸 것이다.

이 경우, 환기기 운전 단계의 변화는 전술한 종류환기방식과 비교하여 약간의 차이가 있으며, 환기기 운전시간은 제트팬 방식을 제외한 공기정화방식과는 동일하며 수직갱 방식 비교하면 약 4%정도 증가하는 것으로 나타나고 있으며, 제어편차 또한 9.5%로 약간 증가한다. 이 경우에 환기기 소비전력은 6089.6 kWh이며, 운전단계를 최적화하면 제트팬 우전 운전모드보다 15.7%감소하는 것으로 나타나고 있다.

3.2.2 제어주기에 따른 분석

Fig. 6은 제어주기에 따른 환기방식별 소비전력, 환기기 운전시간 및 제어편차를 비교하였다.

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Fig. 6.

Power consumption, operation time and control deviation by control interval

Fig. 6(a)는 환기기 운전동력을 비교한 것으로 소비전력은 제트팬 방식이 가장 크게 분석되고 있다. 조합환기방식의 경우에는 수직갱 방식이 가장 작은 것으로 검토되나, 실제 설계에서 축류팬 정압은 현장여건에 따라서 달라질 수 있으므로 엄밀한 상호 비교는 불가능하다. 그리고 일반적으로 수직갱방식은 급기팬과 배기팬이 각각 설치되어야 하나, 공기정화방식은 하나의 팬으로 급기와 배기를 동시에 수행하기 때문에 팬소요동력이 감소하는 것으로 알려져 있으나, 본 검토에서는 공기정화시설의 정압손실을 약 40 mmAq정도를 고려하고 있기 때문에 축류팬 정압이 증가하여 수직갱 방식의 소비전력이 낮은 것으로 평가되고 있다.

환기방식별로 제어주기에 따른 소비전력의 편차는 평균값에 대해서 -1.4~1.4% (제트팬 방식), -1.1~1.2% (공기정화방식), -0.2~0.5% (수직갱방식), -2.1~1.5% (급기반횡류식)로 거의 차이가 없는 것으로 나타나고 있다.

Fig. 6(b)는 제어주기에 따른 환기방식별 환기기 운전시간을 나타낸 것으로 다소 차이는 있으나, 제어주기가 증가하면 운전시간이 증가하는 경향을 보이고 있으나, 환기방식별로 평균값에 대한 편차가 -3.5~3.9% (제트팬방식), -2.7~3.7% (공기정화방식), -2.4~2.2% (수직갱방식), -1.6~1.4% (급기반횡류식)로 아주 작은 것으로 나타나고 있다.

Fig. 6(c)는 환기방식별 제어주기에 따른 제어편차를 나타낸 것으로 제어주기가 증가할수록 제어편차 또한 증가하는 것으로 나타나고 있으나, 제어주기가 3분에서 10분으로 증가하면 제어편차는 환기방식별로 2.5~4.3%증가하고 있다.

따라서 제어주기가 소비전력, 환기기 운전시간 및 제어편차에 미치는 영향은 크기 않은 것으로 평가된다.

4. 결 론

본 연구에서는 소형차 전용도로 터널에서 에너지 절약적인 환기기 운전을 실현하기 위해서 운전단계 및 제어로직의 최적화 방안의 필요성에 대한 연구를 수행하였다. 소형차 전용도로 터널(연장: 5 km/h, 단면적: 35.7 m2)에 대해 환기방식으로 ① 제트팬방식과 조합환기방식, ② 제트팬 + 공기정화방식, ③ 제트팬 + 수직갱방식, ④ 제트팬 + 급기반횡류환기방식을 적용하여 모델터널을 설계하였다. 각각의 환기방식별로 운전단계를 최적화하는 경우와 환기기 운전의 편의성 때문에 제트팬을 우선 운전모드에 대해서 제어주기를 변수로 하여 환기기운전에 따른 소비전력을 시뮬레이션하여 비교 ‧ 검토한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 제트팬 방식의 경우, 터널풍속이 클수록 제트팬 운전댓수 증가에 따른 환기량의 증가율은 감소하는 현상을 고려하여 운전단계를 선정할 필요가 있으며, 조합환기 방식의 경우에는 소비전력절감을 위해서 초기운전단계에서 제트팬 보다 축류팬을 운전하는 것이 효과적인 것으로 분석되었다.

2. 조합환기방식에서는 환기기 운전조합에 따라 발생하는 환기량이 동일할지라도 소요동력이 크게 차이가 발생하는 것으로 분석되어 운전비용절감을 위해서 운전단계의 최적화가 반드시 필요한 것으로 나타났다.

3. 모델터널의 경우에 환기방식별로 운전단계별 환기기 운전조합을 최적화함으로서 18.6% (공기정화방식), 20.9% (수직갱방식), 15.7% (급기반횡류환기방식)의 소비전력이 절감되는 것으로 분석되었다.

4. 제어주기를 3~10분 범위로 하여 제어주기가 소요동력, 환기기 운전시간, 제어편차에 미치는 영향을 검토한 결과, 환기기 소비전력에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 운전시간 및 제어편차는 제어주기가 증가하면 증가하는 경향을 보이나, 차이가 비교적 작아서 제어주기의 영향은 무시할 수 있는 정도로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2014년 건설기술연구사업의 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술개발(14SCIP-B088624-01)’ 연구단을 통해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

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