1. 서 론

지속적인 경제성장과 더불어 물자와 인력의 원활한 수송을 위해 정부에서는 도로의 건설을 늘리고 있다. 또한 수송시간의 단축과 물류비 절감을 위해 도로의 직선화는 가속화 되고 있다.

우리나라는 국토의 70%이상이 산악부로 구성되어 있어 지형적인 특성상 도로 터널의 건설이 증가되고 있는 추세이다.

최근에는 저탄소 녹생성장이라는 슬로건 아래, 에너지 절약에 대한 관심이 커지고 있고, 조명에너지 부분도 예외일 수 없는 실정이다. D광역시는 터널 지하차도의 소비전력을 낮추는 에너지 다이어트 시대에 들어갔으며, 전기료가 많이 발생하는 Y터널을 대상으로 KS C 3703 조도기준 범위 내에서 적정용량으로 낮추는 에너지 절약을 실시해 매년 1천만원의 예산절감을 한다고 한다.

우리나라 도로조명설치기준에서는 ‘터널 조명은 터널내부의 특수한 조건에서 교통의 안전과 원활한 확보를 목적으로 한다.’고 정의되어 있으며, 터널은 밀폐되고 특수한 공간으로 운전자에게 시각적인 정보를 제공하고 안전하게 주행할 수 있도록 충분한 밝기가 제공되어야 한다.

터널 조명에서는 개방구간에서 터널구간으로 진입시 인체의 생리적 현상인 명순응과 암순응에 의해 시각장애현상이 발생하며, 이러한 현상으로 인하여 터널에서는 교통저항이 증가하고 있다. 실제로 고속도로 운전자의 66%이상이 터널 진입시 속도를 줄이고 있으며, 차량사고의 대부분이 터널 전방에서 발생되고 있는 것으로 보고되고 있다(이미애 외, 2002).

일조가 강한 주간에 도로를 주행하는 차량이 터널에 진입하면 운전자의 눈은 야외휘도에 순응되어 있는 상태로 터널에 접근하기 때문에 터널내부가 모두 암흑으로 보이는 블랙홀 현상이 발생한다. 운전자가 주간의 3,000~6,000 cd/m²의 밝은 야외도로에서 2~10 cd/m²의 어두운 터널 내부로 진입함에 따라 선행하는 차량을 포함한 내부의 물체가 일정시간 동안 잘 구분되지 않는다. 입구부 조명은 이와 같이 운전자가 주간에 터널 진입 초기시점에 겪는 암순응 과정에 도움을 줄 수 있도록 하기 위함이다(이영규, 2007).

입구부 조명설비는 인공 조명만을 사용하는 방법이 일반적이나 입구부의 집중 조명 구간을 축소함으로써 조명시설비 및 유지관리 전력비를 절감절감하기 위하여 여러 가지 시각순응시설에 대한 연구가 이루어지고 있다(이은풍, 2006).

본 연구는 터널에서 대부분 인공조명에너지에 의존하여 시환경을 조절하는 터널에 자연채광을 유입하여 인공에너지 절감효과와 주간에 야외 도로를 주행하는 차량이 터널 내부 진입시 안전하고 쾌적하게 주행할 수 있도록 터널 입구부에 자연채광을 유입하는 방법으로 시각순응시설중에 하나인 반사거울 시스템을 적용하여 터널내 채광성능을 평가해 보았다.

2. 반사거울 시스템의 설계

본 연구에서는 터널의 경계부에 주광을 유입하기 위한 방법으로 기둥형식(pole type)의 시스템을 제작하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 바형식(bar type)의 채광성능이 더 우수한 것으로 검토되었으나, 이는 시뮬레이션 분석에 의한 결과값으로 실제 터널에서의 채광성능을 평가해보고자 기둥형식의 시스템을 우선 제작하였다(이범석, 2011).

반사거울 시스템은 수직높이와 수평거리의 조절이 가능하도록 설계되었으며, 수직높이는 기본 2 m이고 11 m까지 조절이 가능하도록 설계되었다. 반사거울 시스템의 상부에는 지름 1.2 m인 원형 반사거울을 부착하였고, 반사거울은 좌･ 우 각도 0~180°, 상･하각도 0~90° 까지 조절이 가능하여 태양의 고도에 따라 방향과 각도를 변화시키면서 반사된 주광을 터널의 벽면으로 유입시킬 수 있다. 기둥에 반사거울을 부착한 형태는 그림 1과 같다.

3. 실험의 개요 및 방법

터널의 진입부에 주광을 유입하기 위해 반사거울 시스템을 터널 입구에 설치하였고, 반사거울 시스템의 이격거리와 터널 입구부에 반사거울 시스템의 반사된 주광이 유입되는 타겟점(aiming point)을 변화하면서 터널내부의 조도를 측정하였다. 그림 2는 반사거울 시스템의 측정의 개요와 타겟점(aiming point)을 나타낸 그림이고, 표 1은 실험의 측정에 사용된 변수를 나타낸 것이다.

실험의 장소는 충북 영동군 황간면에 위치한 현재는 사용하지 않는 2차선 일방향 남북방향의 폐터널로 가로 5.3 m, 높이 5.3 m, 길이 170 m의 형상을 가지고 있다. 반사거울 시스템의 높이는 시뮬레이션으로 검토된 내용을 참고하여 반사거울이 운전자의 시야에 눈부심의 영향이 없는 8 m로 고정하여 측정했고(이범석, 2011), 반사거울 시스템의 적용은 터널의 입구에서 좌측면으로 했다. 실험의 측정값은 주간에 들어오는 주광과 반사거울 시스템의 영향만이 고려된 값이다.

조도계는 터널입구에서 4 m 떨어진 곳부터 터널 안쪽으로 4 m 간격으로 좌･우측에 설치해서 조도를 측정했고, 평균 조도비로 계산했다.

그림 3은 터널내부의 조도계측정점과 반사거울 시스템의 위치를 나타낸 그림이다.

주광율(daylight factor)은 천공의 상태가 담천공인 경우를 기준으로 외부 천공 조도에 대한 내부 수평면 조도를 의미한다. 그러나 담천공을 제외한 다른 천공상태(청천공, 부분담천공)에서는 직사일광이 존재하여 주광률을 이용한 주광 특성 분석에 적합하지 않을 뿐만 아니라 태양의 고도가 낮은 동절기에는 실내의 깊숙한 부분까지 직사일광이 접하기 때문에 오차가 커지게 된다(송규동 외, 2005). 따라서 외부 전천공 수평면조도에 대한 내부 작업면 조도를 나타내는 조도비 식 (1)를 사용하는 것이 적합하다.

4. 측정결과

4.1 이격거리에 따른 조도비

다음의 표 2는 반사거울 시스템을 터널의 입구로부터 10 m, 20 m, 30 m, 40 m 이격하면서 터널 내부의 조도를 측정한 뒤 조도비를 계산한 결과를 나타낸 것이다. 그림 4에서 보는 바와 같이, 터널입구에서 반사기둥 시스템을 10 m, 20 m, 30 m, 40 m 이격 할수록 각각 평균조도비는 낮아졌다.

반사거울 시스템이 적용되었던 좌측면의 평균조도비보다 반사거울 시스템이 적용되지 않았던 우측면의 조도비가 높게 나온 이유는 터널의 뒤쪽 곡선으로 이루어진 출구부의 영향이 있었던 것으로 고려된다.

4.2 타겟점에 따른 조도비

다음의 표 3은 반사거울의 반사된 주광을 터널 입구부로 유입할 때, 타겟점(aiming point)의 거리와 높이에 따른 각각 좌･우측 차선의 평균조도비를 나타낸 것이다.

그림 5~8은 반사거울 시스템의 이격거리(설치위치)가 10 m, 20 m, 30 m, 40 m로 변화될 때, 각각의 좌･우측차선의 평균조도비를 그래프로 나타낸 것이다.

반사거울 시스템의 이격거리에 따라 좌측면의 조도비는 타겟거리 20 m, 타겟높이 2 m에서 조금 더 높게 나타났다. 그러나 반사거울 시스템이 적용되었던 좌측면 보다 시스템의 영향을 받지 않았던 우측면의 조도비가 높았던 것은, 그림 9와 같이 뒤쪽의 곡선부분인 터널 출구에서 주광이 유입되었기 때문으로 판단된다.

5. 결 론

반사거울 시스템의 위치 선정을 위한 기초연구로 터널 입구에 기둥형식의 반사거울 시스템을 설치하였으며, 시스템의 이격거리(설치위치), 타겟점(타겟거리와 높이)을 변화시키면서 측정한 터널내 채광성능 분석결과는 다음과 같다.

1.반사거울 시스템의 이격거리를 10 m, 20 m, 30 m, 40 m로 이격하여 설치할수록 평균조도비는 낮아졌다.

2.반사거울 시스템의 이격거리(10 m, 20 m, 30 m, 40 m)에 따른 타겟높이(2 m, 3 m)에서의 평균조도비는 타겟높이 2 m인 경우가 높게 나타났다.

3.반사거울 시스템의 이격거리(10 m, 20 m, 30 m, 40 m)에 따른 타겟거리(20 m, 30 m, 40 m)에서의 평균조도비는 타겟거리 20 m와 30 m 구간이 높게 나타났다.

4.반사거울 시스템이 적용되어 측정되는 동안 터널 출구부분의 곡선에서 우측면으로 주광이 유입되었기 때문에 전반적인 조도비의 평균값은 좌측면보다 우측면이 조금 더 높게 나타났다.

5.향후 연구과제본 연구는 반사거울 시스템의 위치 선정을 위한 기초연구로 최적의 시스템 위치 선정을 위하여 다음과 같이 지속적인 연구를 수행하고자 한다.가. 바형식 시스템의 제작 및 채광성능 분석나. 반사거울의 크기에 따른 채광성능 분석다. 반대편 차선 운전자의 눈부심 분석