1. 서 론

1.1 연구의 배경

지속적인 경제성장과 더불어 물자와 인력의 원활한 수송을 위해 정부는 도로의 건설을 늘리고 있다. 또한 수송시간의 단축과 물류비 절감을 위해 도로의 직선화는 점점 가속화되고 있는 추세이다. 이런 추세에 따라서 국토의 70%이상이 산악부로 구성되어 있는 우리나라는 지형적인 특성상 도로 건설비 절토사면에 의한 자연 훼손과 함께 일반도로, 고속국도와 산업도로에서 도로의 터널이 차지하는 비중은 점점 증가하고 있다.

국내 고속국도의 경우, 1980년대 이전에는 터널의 수가 20여개에 불과하였으나, 점차 증가하여 2009년 통계에 의하면 터널의 수는 1,267개 총 연장은 910 km까지 증가하였다.

터널의 조명은 주간과 야간에 걸쳐 터널 내 도로에서 차량의 교통수송이 설계주행속도로 안전하게 통과하기 위한 것으로 차량을 운전할 경우에는 운전자의 눈에 보이는 주위의 상황을 모두 알아야 하므로 터널 내부를 조명함으로써 차량의 운전자에게 주위의 상황을 알리고 안전하게 주행할 수 있도록 충분한 밝기를 제공해 주어야 한다.

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).

1.2 연구의 목적 및 방법

우리나라 터널의 조명환경을 파악하기 위해 전라남도 내에 시설되어 있는 터널을 중심으로 조사한 결과, 측정조도는 기준조도의 50% 이하였고, 터널 내부 및 접속도로에서 20% 이상 불량 램프가 존재하였으며, 짧은 터널의 경우 출구조명을 설치지 않아 조명환경의 문제로 인해 운전자의 안전에도 위험한 상황임을 확인하였다(서성기, 2003).

이런 문제점을 해결하기 위한 조명환경 개선방안과 터널의 조명으로 소비되는 에너지 절약의 방법으로 주광의 도입을 고려하였고, 터널입구에 자연채광 반사거울시스템을 설치하여 반사된 빛을 터널 안쪽으로 유입하는 방안을 적용해 보았다.

본 연구는 3차선 도로 터널의 입구에서 일정간격 떨어진 곳에 반사거울을 설치하여 반사된 빛이 터널 안쪽에서 어느 정도의 조도 향상에 기여하고 운전자로 하여금 시각적 쾌적성을 어느 정도 유지하는지에 대한 분석을 함에 그 목적이 있다.

반사거울을 설치하기 위해서 바형식(bar type)과 기둥형식(pole type)의 반사거울 설치형태를 고려하였고, 높이 8 m(5 m와 8 m에서의 눈부심 시뮬레이션 결과, 자동차 거울에 반사판에 의한 직광 유입으로 눈부심이 발생하지 않는 높이)지점에 2 m×2m 크기의 반사거울(정반사, 반사율 98%)을 부착하여 터널입구로부터의 외부 방향으로 10 m, 20 m, 30 m 지점에 위치시켜 시뮬레이션 분석을 실시하였다.

터널 내부 조도측정을 위한 위치 선정은 터널입구로부터 각 차선별 중앙에 5 m 간격으로 70 m 까지 14개의 측정점을 선정(3차로 총 42개)하여 각각의 경우에 대한 터널내 조도를 분석하였고 터널입구로부터 20 m 지점에서 자동차 운전자의 시각적 쾌적성에 대한 간단한 결과를 도출해 보았다.

2. 연구방법론

2.1 조명시뮬레이션 소프트웨어 개요

RADIANCE 프로그램은 미국 국립 Lawrence Berkeley Laboratory(LBL)의 조명 연구팀이 개발한 프로그램으로 1987년 이래로 버클리의 캘리포니아 대학 건축공학과에서 사용되어 오고 있으며 Unix 환경의 워크스테이션급 컴퓨터에서 적합하게 실행되며 C 언어로 컴파일링 되어왔으나 현재는 Windows 환경에서도 사용할 수 있도록 개발되어 있는 상태이다.

RADIANCE 프로그램은 무료로 배포되고 있어 인터넷 사용자들이 쉽게 프로그램을 얻을 수 있으며, 많은 개발자와 사용자들로부터 쉽게 도움을 받을 수 있다. 전 세계적으로 인터넷 사용자들의 그룹이 형성되어 있으므로 사용상의 문제에 대한 토론과 정보교환이 자유롭게 이루어지고 있다.

RADIANCE 프로그램은 역광선추적기법(backwards ray-tracing technique)을 기초로 하며, 광선이 자연적으로 진행하는 방향의 반대 방향으로 추적하여, 실제 광선이 발생한 광원의 활동을 예측하는 것을 의미한다. 그 과정은 눈으로부터 시작하여 공간의 대상물들의 표면들을 따라 모든 물리적 상호작용을 계산하여 광원까지의 광선을 쫓아가게 된다(Ward, 1994).

RADIANCE 프로그램 내부에서 사용되는 과선은 [W/m2sr]로 표현되는 복사에 의해 이루어진다. 이러한 복사는 red, green, blue의 세 가지 주요 색체에 의해 세 가지 채널(RGB)나누어 지게 되고 그에 따라 총 복사값은 세 가지 채널에 의해 공급된 Rr, Rg, Rb의 합으로 구성되고 이러한 색 채널의 의한 광선을 모델링하는 방법을 통해 빛의 스펙트럼 분포가 좁은 파장대역에서 많은 채널을

사용할 경우에 비교적 정확하지 못한 결과를 낳을 수도 있으나, 재료나 천공에 대한 색을 표현할 경우에는 유용한 결과를 얻을 수 있다.

2.2 반사거울시스템의 설치 형태

반사거울의 설치 형태는  그림 1~ 2와 같이 바형식(bar type)과 기둥형식(pole type)으로 구분된다.

우선 바형식의 반사거울은 3개 차선의 중앙에 위치하여 터널내 각각의 차선 바닥(깊이 20 m지점)으로 빛을 반사하는 형태이고 기둥형식의 반사거울은 도로의 양쪽 끝에 위치하여 터널안쪽 반대방향 벽면(깊이 20 m, 높이 3 m)으로 빛을 반사하는 형태이다. 반사거울의 설치 높이는 두 형식 모두 8 m 지점에 위치하고 반사거울(2 m×2 m, 반사율 98%)을 부착하여 터널입구로부터의 외부 방향으로 10m, 20m, 30m의 3가지 지점에 위치하게 된다.

2.3 조도측정을 위한 측정점 선정

터널 내부 조도측정을 위한 측정점은 그림 3과 같이 터널입구로부터 터널내부방향으로 각 차선별 중앙에 5 m 간격으로 70 m까지 14개를 선정하여 3개 차로 총 42개의 측정점을 선정하였다.

3. 변수별 조도 분석

42개의 측정점을 기준으로 반사거울의 설치 형태별 터널내 조도를 표 2와 같이 사계별(춘하추동)･시간별(09시, 12시, 16시)별･ 위치별(10 m, 20 m, 30 m)로 시뮬레이션 분석하여 각 측정점의 조도를 측정하였다.

시뮬레이션 분석결과, 측정점이 P8(40 m)를 넘어갈 경우 조도가 100 lx이하로 빛의 유입이 미세하고 반사거울시스템에 의한 조도의 변화량이 거의 없어 조도의 변화량 측정이 가능한 유효측정구간(P5~P8)의 조도만을 분석하였고, 기둥형식(pole type)의 경우 모든 변수에 있어 조도의 변화가 나타나지 않아 변수별 조도 측정 결과를 언급하지 않았으며, ����4.4 조도측정 종합결과����에서 그 결과를 언급하였다.

3.1 춘추분 분석 결과

09시의 경우, 타겟점에 가까운 P5(25 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 10 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 1,040 lx로 미설치 대비 4.4배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

12시의 경우, P5(25 m)~P7(35 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 10 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 2,224 lx로 미설치 대비 8.0배 이상 밝은 것으로 측정되었다, 20 m와 30 m의 경우도 1,395 lx와 1,488 lx로 5.0배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

16시의 경우, 타겟점에 가까운 P5(25 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 10 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 901 lx로 미설치 대비 3.6배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

3.2 하지 분석 결과

09시의 경우, 타겟점에 가까운 P5(25 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 에 근접했고, 반사거울의 위치가 20 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 532 lx로 미설치 대비 1.2배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

12시의 경우, P5(25 m)와 P6(30 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 20 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 2,907 lx로 미설치 대비 6.5배 이상 밝은 것으로 측정되었다. 10 m의 경우도 1,890 lx로 4.2배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

16시의 경우, 타겟점에 가까운 P5(25 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 에 근접했고, 반사거울의 위치가 30 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 490 lx로 미설치 대비 1.1배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

3.3 동지 분석 결과

09시의 경우, P5(25 m)와 P6(30 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 20 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 1,498 lx로 미설치 대비 11.4배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

12시의 경우, P5(25 m)~P7(35m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 10m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 3,170 lx로 미설치 대비 15.8배 이상 밝은 것으로 측정되었다. 20m와 30m의 경우도 2,651 lx와 2,192 x로 10.0배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

16시의 경우, P5(25 m)와 P6(30 m) 지점의 조도값이 1,000 lx 이상이었고, 반사거울의 위치가 20 m일 경우 평균 조도값이 가장 높은 1,833 lx로 미설치 대비 13.9배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

3.4 조도분석 종합결과

바형식(bar type) 변수별 측정결과는 다음과 같다.

춘추분의 경우 09시와 12시에 반사거울의 위치가 10 m 일 경우 1,000 lx 이상으로 일평균 1,388 lx로 미설치 대비 5.5배 이상 밝은 것으로 측정되었고, 12시의 경우 모든 위치에서 1,300 lx 이상의 조도가 측정되었다.

하지의 경우 태양의 고도가 높아 12시에 반사거울의 위치가 20 m 일 경우 1,000 lx 이상으로 일평균 1,298 lx로 2.9배 이상 밝은 것으로 측정되었고, 10 m와 20 m의 경우는 미설치 대비 조도의 변화량이 거의 없는 것으로 측정되었다.

동지의 경우 태양의 고도가 낮아 매시간별 10 m와 20 m 일 경우 1,300 lx 이상으로 일평균 12.9배 이상 밝은 것으로 측정되었고, 12시의 경우 모든 위치에서 2,100 lx 이상의 조도가 측정되었다.

기둥형식(pole type) 변수별 측정결과는 다음과 같다. 모든 변수의 경우, 미설치 대비 조도가 100 lx 이하로 조도의 변화량이 거의 없는 것으로 측정되었다.

4. 시각적 눈부심 분석

그림 18과 같이 터널입구로부터 내부방향으로 20 m 지점에서 각 차선별 운전자가 차량내부에서 느낄 수 있는 시각적 눈부심을 형상화 하였다. 실제의 눈부심 현상(글레어)은 주변과의 휘도 차이가 클수록, 즉 휘도비가 1:10 이상일 경우 발생하지만, 본 연구의 시각적 눈부심 분석의 경우는 시뮬레이션을 통한 차량내부의 밝기 차이에 의해 눈부심이 발생이 가능한 지점을 예측해 보는데 그 목적이 있다.

4.1 눈부심 분석 결과

표 7과 같이 바형식(bar type)의 경우, 10 m지점에서는 반사광에 의한 눈분심 형상이 거의 없었으며, 20 m 지점에서는 반사광에 의한 차량내부의 부분적인 밝기 차이로 눈부심 형상이 나타났고, 30 m 지점에서는 전체적으로 밝아 눈부심이 없는 것으로 나타났다.

5. 결 론

반사거울 설치를 위한 최적의 조건을 찾기 우해 RADIANCE 프로그램을 이용한 사계별(춘하추동)･ 시간별(09시, 12시, 16시)별･위치별(10 m, 20 m, 30 m)로 시뮬레이션을 분석한 결과는 다음과 같다.

1) 바형식(bar type)의 반사거울 설치 결과

①터널입구로부터 반사거울의 이격거리 10~20 m 일 경우 터널내 일평균 조도값이 높게 측정되었다.

②춘추분에는 미설치 대비 일평균 5.5배 이상, 하지에는 미설치 대비 일평균 2.9배 이상, 동지에는 미설치 대비 일평균 12.9배 이상 밝은 것으로 측정되었다.

2) 기둥형식(pole type)의 반사거울 설치 결과

모든 변수의 경우, 미설치 대비 조도의 변화량이 100 lx 이하로 측정되어 설치효과가 거의 없는 것으로 분석되었다. 이는 기둥형식의 경우, 반사거울시스템에 의해 1차 반사된 빛을 터널내부 벽면에 재반사하여 성능을 측정한 것으로 터널내부에서 2차 반사된 빛의 경우, 빛의 밝기가 현저히 저하하여 그 효과가 거의 없는 것으로 판단된다.

3) 눈부심 분석 결과

터널입구로부터 반사거울의 이격거리가 20 m 일 경우 눈부심 현상이 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 그러나 차내부에서 운전자의 눈부심 발생 유무는 운전상태에서 분석하여야 정확하므로 추후 이에 대한 연구가 필요하며, 양방향 터널에 적용시 반대편 터널에서 나오는 차량 운전자의 눈부심이 발생할 수 있으므로 근접한 반대방향 터널 운전자의 눈부심에 대한 연구도 필요하다고 하겠다.

4) 향후 연구 과제

시뮬레이션 결과를 기초로 반사거울 시스템을 실제 폐터널에 적용하고 설치형식별･설치높이별･이격거리별 조도 및 휘도에 대한 터널 내 채광성능을 평가하여 터널에 적용 가능한 최적의 반사거울 시스템을 제안하고자 한다.