1. 서 론

최근 대도시의 교통량 증대에 따른 도로정체 문제를 해소하기 위해 도심터널의 건설이 증가하고 있는 상황이다. 도심터널은 교통량이 많아 터널내 교통정체 가능성이 높기 때문에 화재시 종류식 제연이 곤란한 상황이 발생할 수 있으므로, 대부분 횡류식 또는 반횡류식 환기방식을 적용하고 있다. 따라서 외부로의 환기구 설치가 필요하나 도심지역의 지상부에는 도심의 과밀로 여유 공간이 거의 없고 주변 환경오염에 대한 지역주민의 우려로 환기구 설치가 곤란한 상황이 발생하곤 한다. 이의 대표적인 예는 서울 동북부 지역의 용마터널로써 지역주민의 환경민원에 따라 시점부에 계획된 환기탑을 삭제한 첫 번째 사례이다. 이와 같이, 횡류식 환기방식의 특성상 환기구의 설치가 불가피하나 민원 문제 등으로 환기구의 수를 최소화할 필요가 있다.

그러나 횡류식 환기방식의 특성상 환기구의 수를 줄이는 경우, 환기구간의 길이가 길어져 터널 내 환경이 악화되는 문제가 발생할 수 있다. 이론적으로 터널 전 구간에 걸쳐 균일하게 외기를 공급하고 오염물질을 배출하는 것으로 환기시스템을 설계하나 환기팬에서 점점 멀어질수록 급배기 성능이 현저히 떨어져 터널내 환경문제가 악화될 수 있다. 최근에 이런 횡류식 환기를 적용한 터널에서 이러한 문제가 관찰되었고, 이를 해결하기 위해 TAB(Testing, Adjusting and Balancing)를 통한 대배기구 포트의 개도율을 조정한 사례가 보고되고 있다. 따라서, 횡류식 또는 반횡류식 환기방식을 적용할 경우에 설계단계에서부터 급배기 포트의 개도율을 최적화하여 이러한 문제를 미연에 방지할 필요가 있다.

전술한 대도심에 건설되는 터널의 횡류식 환기방식을 위해 환기거리 증대의 필요성 또한 가중되므로, 환기구 설치에 따른 민원문제를 최소화하고 일정 크기의 급배기 포트를 적용함으로 인한 환기거리 증대에 따른 터널내부 환경악화 방지를 위해 급배기 포트 크기의 최적화에 대한 요구가 증대되고 있다.

따라서, 본 논문에서는 대도심에 건설되는 횡류식 환기방식이 적용된 터널에 적합한 급배기 포트의 최적화를 위해 터널 교통량 및 급배기 풍량 등을 통해 차도와 풍도내의 압력차를 기반으로 포트 개도율을 최적화할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 또한, 급기 반횡류 방식에 대하여 Tunven Duct 프로그램의 포트 크기 계산결과의 비교를 통해 개발된 프로그램의 적용성을 평가하였으며 다양한 환기구간 거리를 대상으로 최적화된 포트 크기 및 덕트 압력을 제시하였다.

2. 횡류식 환기방식 개도율 관련 기준조사 및 프로그램 개발 방향

본 절에서는 횡류식 도로터널의 급배기구 설치기준 및 개도율 조정 관련 부분에 대하여 조사 및 분석을 수행하였고(Fig. 1 참조), 또한 개도율 적용을 위해 사용된 프로그램 현황을 조사하였다.

국내의 도로 설계편람(MOLIT, 1999)에서는 도로터널에 횡류식 환기방식을 적용할 경우에 급기구 면적은 토출풍속이 6∼8 m/s 정도가 되도록 하고 설치간격은 5 m를 표준으로 정하고 있다. 또한, 배기구 면적은 배기구의 흡입풍속이 4 m/s 이하가 되도록 하고 배기구 간격은 급기구 간격의 2배를 표준으로 하며 위치는 급기구 간격의 중앙에 위치하도록 설계기준을 제시하고 있다. 그러나 최근 개정된 도로 설계편람(MOLIT, 2011)에서는 급기구 면적 및 간격은 급기구의 위치, 소요환기량, 급기구 수량에 따른 경제성 그리고 배기구의 면적 및 위치를 고려하여 결정하도록 하였고 배기구는 환기뿐만 아니라 화재시 배연효과를 동시에 고려하여 배치간격을 50∼100 m 범위로 규정하고 있다. 그러나 터널 내에 균일한 풍량분배를 위한 급배기 포트의 개도율 조정에 대한 기준은 구체적으로 규정되어 있지는 않지만, 터널 전체 연장에서 일정한 급배기량(q_b)을 얻기 위한 급배기 포트(Slot) 개도율과 덕트 및 차도의 정압차에 대한 관계식을 아래 식 (1)과 같이 제시하고 있다(MOLIT, 2011).

여기서, 교축부의 유속은 다음과 같다.

 : 덕트 및 차도의 정압차 [Pa]          : 급(배)기포트의 피치 [m]

    : 급(배)기량 [m³/s]                 : 급(배)기포트의 개구면적 [m²]

    : 급(배)기포트의 개도율 [%]       : 교축부의 면적 [m²]

     : 교축손실계수, 슬롯의 개도          : 분기손실계수, 슬롯의 개도

조형제 등의 연구(2016)에서는 상기의 포트개도 계산식에 대한 설명을 통해, 터널내 각 위치의 급배기구의 포트면적이 부적절할 경우 불균일한 토출 및 흡입풍량에 의해 터널내 공기질을 균일하게 유지하기가 곤란해져서 급배기 포트의 개도면적 선정이 횡류식 환기시스템의 환기효율과 관련된 주요 인자임을 밝히고 있다. 유지오 등의 연구(2016)에서는 횡류환기방식이 일방향 통행이 대부분인 국내에는 적용사례가 적고 일부 도시터널이나 대면통행 터널에만 적용되고 있어, 해당 환기방식의 설계기법 정립을 위한 연구가 미미한 실정에 있으며, 터널 전연장에 걸쳐 급배기 풍량을 균일하게 유지하기 위한 포트의 개도조정을 해야 하나 운영중인 터널 또는 터널 설계시 이에 대한 고려가 적절히 이뤄지지 않음을 지적하고 있다.

국내의 도로터널 방재시설 설치 및 관리지침(MOLIT, 2009)에서는 급배기 덕트에서 공급 또는 흡입되는 공기량이 덕트계 전연장에서 균일하게 되도록 설계하는 것과 송풍기의 풍량과 풍압결정이 횡류식환기시스템에서 가장 중요하다고 밝히고 있으며, 횡류식터널에 균일배기방식을 적용하는 경우 급기구의 개도를 TAB를 통해 배기시 균일 풍량이 토출되도록 개도를 조정하여 운영하도록 규정하고 있다. 국외의 기준을 살펴보면, 세계도로협회(PIARC, 2007)에서는 화재시에 중점을 맞춰 배기구의 설치기준을 규정하고 있으며, 200∼600 m 길이의 배연구역 및 댐퍼의 개방 수량에 따라 배기구의 설치간격을 50∼100 m로 권장하고 있고, 배연댐퍼의 풍속은 10∼15 m/s로 제시하고 있다. 오스트리아의 RVS 코드(2009)에서는 일반적인 급기구 설치간격은 55 m 이하, 배기구 설치간격은 110 m 이하로 규정하고 있다. 또한, 급기구는 풍량조절이 가능해야 하며 배기구는 화재시 조작이 가능하도록 배연댐퍼를 적용하고 터널 전구간에 균일풍량이 분배되도록 개도조정을 하도록 규정하고 있다.

국내외 기준을 분석한 결과, 국내 기준에는 조형제 등(2016)과 유지오 등(2016)이 밝힌 바와 같이 횡류식 환기방식의 적용에 있어 균일한 풍량분배를 위한 개도조정에 대한 규정이 미비하므로 이의 개선이 시급한 실정이다. 국내의 경우, 횡류식 환기방식의 설계 단계에서 급기 또는 배기풍량이 포트를 통해 균일하게 분배된다는 가정하에 1차원 분석 툴을 사용하여 터널내 환경예측을 하고 있다. 최근 유지오 등(2016)은 반횡류식 환기방식을 대상으로 급기시 또는 배기시의 포트의 개도율을 산정하는 프로그램을 개발하였고 개도 조정 전후의 화재시 배연효과가 2배 이상 개선됨을 해석적으로 검증하였다. 또한, 김효규 등(2017)은 네트워크 타입의 터널에서의 종류식 및 횡류식 환기시 터널내 환경을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하였으나 횡류식 포트 개도율 최적화 기능은 고려되지 않았다. 국외의 경우를 살펴보면, 미국 연방 도로협회(FHWA,1974)에서 도로터널의 환기용 계산 프로그램인 TUNVEN을 개발하면서 동시에 반횡류 급기 환기방식에 대한 포트 개도율 조정 평가 프로그램인 TUNVEN DUCT를 개발 및 검증한 사례가 있다. 하지만, 최근의 횡류식 포트 개도 조정 평가 프로그램 개발 또는 적용에 대한 자료는 찾을 수 없었다.

프로그램 현황에 대한 조사 결과를 종합하면, 1974년에 개발된 TUNVEN DUCT 프로그램은 반횡류 급기 환기방식을 대상으로 하고 최근 국내에서 개발된 프로그램은 반횡류 급기 또는 배기 환기방식을 대상으로 하고 있으므로, 본 연구에서는 반횡류 급기 또는 배기, 그리고 횡류식 환기방식 전체에 적용할 수 있는 프로그램 개발을 목표로 진행되었다.

3. 개도율 최적화 프로그램 개발

3.1 횡류식 환기방식의 터널 및 덕트부 지배방정식

시스템을 통한 유체의 유동시 그 질량은 연속적으로 보전되어야 하고, 그에 따른 운동량도 보존되어야 한다. 횡류식 환기방식이 적용된 터널은 각 포트를 기준으로 하는 일정 크기의 control volume 이 터널 연장만큼 연속된 시스템으로 표현될 수 있으며, 차도내를 주행하는 차량에 의한 교통환기력과 급배기 포트 사이의 각각의 control volume 에서는 이러한 질량 및 운동량이 보전되어야 한다(Fig. 2 참조).

이를 차도 및 덕트 공간내의 압력계산을 위한 차분 방정식으로 표현하면 다음과 같이 정리된다.

여기서, 

 : 터널 내압 [Pa]            : 터널 풍속 [m/s]             : 차도 단면적 [m²]

 : 덕트 내압 [Pa]            : 덕트 풍속 [m/s]             : 덕트 단면적 [m²]

 : 마찰계수(터널)           : 터널 대표직경 [m]           : 포트 급기풍량 [m³/s]

 : 마찰계수(덕트)           : 덕트 대표직경 [m]           : 포트 배기풍량 [m³/s]

 : 포트운동량 계수

지배방정식에 대한 부연설명을 하면, 운동량방정식 우변의 첫 번째 항은 포트로 배기되거나 급기되는 풍량에 따른 차도공간의 풍속변화에 의한 운동량 변화량을 나타내고, 두 번째 항은 단면적 변화에 의한 운동량 변화량, 그리고 마지막 항은 벽면마찰에 의한 운동량 변화량이다. 유지오 등의 연구(2016)에서는 위 식의 급기와 배기시의 정압재취득계수로 미국연방도로국(FHA, 1980)에서는 급기와 배기의 경우, 각각 0.5와 0.5로 적용하고 있으며, 일본 수도공단 보고서(1993)에서는 0.5 와 1.0의 적용을 권장하고 있음을 밝히고 있다.

3.2 개도율 최적화 계산 과정

본 연구에서 개발된 포트 개도율 최적화 프로그램은 터널내 압력 및 덕트내 압력을 1차원적으로 계산하며 프로그램 내부적으로 균일풍량을 확보하기 위한 개도율의 계산 모듈과 포트 풍량 계산 모듈로 구성되어 있다. 포트의 개도율을 선정하기 위한 본 프로그램의 입출력 및 계산과정은 Fig. 3에 나타나 있다.

본 프로그램은 현재 도로설계편람(MOLIT, 2011)에 기술된 터널 환기시 고려사항을 동일하게 적용하고 있으며, 터널 입구 풍속 및 교통 흐름을 반영하여 식 (2)를 통해 터널내 풍속을 선정하고 식 (3)의 압력평형식과 압력의 변동 편차를 계산한다. 이 편차는 수렴 기준인 0.0001 이하가 될 때까지 Half-interval method 를 적용하여 반복 계산되며, 이를 통해 수렴된 해를 구하게 된다. 덕트의 풍속은 식 (2)의 연속방정식을 통해 덕트풍량과 포트로 급배기되는 풍량을 고려하여 계산된다.

터널내 풍속과 덕트 풍속이 계산되면 각각의 이산 압력방정식을 통해 압력분포가 계산된다. 그런 다음, 포트의 유동손실계수(C_p)를 고려하여 각각의 포트풍량(Q_p)을 유지하기 위한 최소정압차를 구하고, 해당 포트의 터널부와 덕트부 사이의 압력차이가 이 값 이상 유지되도록 덕트내 압력을 수정하게 된다. 각 포트에서 터널과 덕트의 정압차를 계산하여 입력한 포트 기준풍량을 유지하기 위한 포트 면적 및 개도율을 아래의 식 (5)를 통해 계산한다. 포트별 풍량은 계산된 포트 단면적을 기준으로 식 (6)을 통해 계산된다. 이후 포트의 전체풍량을 계산하여 입력한 풍량과 비교하여 이를 고려하여 포트풍량을 수정하고 다시 터널과 덕트의 압력차를 반복계산하여, 포트풍량의 변동범위가 0.1% 이하가 될 경우 계산을 종료하게 된다.

이러한 계산결과는 프로그램 내부에서 그래픽적으로 시각화될 수 있으며 엑셀 또는 기타 외부 데이터 처리 프로그램에서 활용할 수 있도록 엑셀 포맷으로 데이터를 출력하게 된다.

3.3 프로그램 인터페이스 및 적용성

프로그램의 GUI(Graphical User Interface)는 크게 포트의 설계제원을 입력하는 부분과 포트 최적화 계산 부분으로 구성되어 있다. 포트의 설계제원 입력창(Fig. 4 참조)에는 포트의 위치, 구간거리, 터널 단면적, 급기포트의 유량, 배기포트의 유량, 포트의 크기 등을 입력하게 된다. 포트 최적 면적 산정을 위한 입력창(Fig. 5 참조)에는 포트의 계산을 위해 필요한 상세 데이터가 입력된다. 프로그램은 이러한 입력값을 기반으로 전술한 이산 압력방정식을 풀어서 포트 개도율과 포트 풍량을 최종 선정하게 된다.

본 프로그램의 특징 및 적용범위를 정리하면 다음과 같다.

첫째, 터널 내부 단면변화를 모델링할 수 있으며 둘째, 특정 속도대 뿐만 아니라 터널 내에서의 주행속도 변화도 고려할 수 있다. 셋째, 일반적으로 횡류식 환기방식은 터널 연장이 길 경우에 덕트의 가운데를 막아서 터널 양쪽에서 급기 및 배기를 수행하게 되는데 이렇게 덕트를 분리한 격벽을 bulk head 라고 하며, 개발된 프로그램은 이러한 bulk head 가 설치되는 경우 또한 고려할 수 있다. 넷째, 횡류식 환기방식뿐만 아니라 반횡류 급기 또는 반횡류 배기 환기방식에도 적용할 수 있다.

따라서 본 프로그램을 포트 최적설계에 적용시 다양한 설계 시나리오에 대응할 수 있고 최적화된 포트의 크기를 신속히 도출할 수 있어 설계업무에 상당히 유용할 것으로 판단된다. 상기 프로그램의 성능에 대한 검토는 다양한 측면에서 수행하였으며, 그와 관련된 사항에 대해서는 4장에 정리되어 있다.

4. 프로그램 성능 검증

본 연구에서 개발한 프로그램의 성능 검증을 위해 다음과 같이 임의의 터널을 대상으로 하여 국외에서 개발된 TUNVEN DUCT 프로그램과 포트 개도율 최적화 프로그램에서 예측한 개별 포트의 사이즈 및 풍량에 대한 비교 검토를 수행하였다. TUNVEN DUCT 프로그램이 반횡류 급기 환기방식에만 적용할 수 있기 때문에 해당 환기 방식을 대상으로 포트 최적화 비교를 수행하였다.

4.1 프로그램 성능 비교 분석

본 연구에서 개발한 프로그램의 성능을 검증하기 위한 개도율 계산에 적용한 터널 제원은 아래 Table 1와 같다. 덕트를 통한 풍량의 공급은 단일 환기소에서 급기하는 방식으로 덕트 중간에 Bulk head 가 없는 방식으로 환기소 인근의 풍량이 가장 크고 포트를 통해 터널 내로 풍량이 계속 공급됨으로 인해 터널 종점으로 갈수록 풍량이 점차 줄어든다. 두가지 프로그램의 계산을 통해 포트에서 균일한 풍량이 급기되도록 하는 경우 포트의 면적과 풍량을 나타내면 Fig. 6∼7과 같다.

Fig. 6에서 보여지는 것과 같이 포트의 크기는 두 프로그램 모두 터널 입구에서 끝으로 갈수록 증가하며 그 변화 패턴 및 포트 크기의 예측값이 유사함을 알 수 있다. 각 포트에서의 풍량을 비교해 보면(Fig. 7 참조) 포트 최적화 프로그램에서는 포트별로 0.944 m³/s 의 일정한 풍량을 보이고 있는 반면, TUNVEN DUCT 프로그램은 포트에서 공급되는 풍량이 일정하지 않고 목표 풍량에서 약간씩 변동되고 있으며 특히 말단에서는 포트별로 터널로 급기되고 남은 잔여풍량이 영향을 미쳐 말단부의 풍량이 소폭 증가하고 있다.

두 프로그램을 통한 포트 크기 및 포트 풍량을 비교하면 포트 크기의 경우 ±11.71%, 포트 풍량의 경우 ±1.36% 의 차이가 발생하는 것으로 분석되어 프로그램 개발의 1차 목표인 15% 수준의 변화폭은 충분히 만족하고 있다. 그러나 부드러운 포트 크기 증가 패턴 및 일정한 풍량을 확보할 수 있다는 측면에서 본 연구를 통해 개발된 포트 최적화 프로그램이 Duct 프로그램에 비해 더 정밀도가 개선되었음을 확인할 수 있었다.

본 절에서 국외 프로그램과의 비교 분석을 통해 프로그램 예측 성능의 유사성을 검증하였고 다음 절에서는 이 포트 최적화 계산 프로그램을 사용하여 횡류식 터널 급배기 포트 개도율 계산을 진행하였다.

4.2 개도율 계산 프로그램을 이용한 횡류식 터널 급배기 포트 개도율 계산

횡류식 터널의 급배기 포트 개도율을 조정하지 않는 경우 환기소에 인접한 덕트 시점부에서의 급배기 풍량이 과다하게 공급되는 현상이 발생하므로 포트를 통해 균일한 풍량을 공급하지 못하여 터널내 오염물질 농도를 적정 수준으로 관리하기 어렵다. 따라서, 횡류식 환기방식을 적용할 경우 균일 풍량 공급을 위한 포트 개도율 조정은 필수적이다. 아래에는 개발된 프로그램의 적용성을 평가하기 위해 수행된 다양한 조건하에서의 포트 최적화 결과를 정리하였다. 개도율 계산에 적용한 터널연장은 2,000∼4,000 m(500 m 간격)를 대상으로 하며(Case01∼05), 급배기 포트 설치간격 3조건을 고려하여, 전체 15 케이스를 선정하였다(Table 2∼3 참조).

본 연구를 통해 개발된 프로그램을 통한 급배기 포트 개도율 계산을 수행하기 위해 Table 2 와 3에서 언급한 터널 제원을 기준으로 각 Case별 필요 풍량과 급배기 포트 수량 및 개별 포트별 풍량을 선정하였으며 Table 4에 나타내었다. Fig. 8은 개도율 계산에 적용한 터널의 개요도이다.

급배기 포트 개도율 계산에 적용된 환기소의 위치는 터널 시점부에 위치하는 것으로 가정하였으며, 급배기가 동시에 수행되고 터널 내 차량의 운행은 고려하지 않는 조건이다. Table 5∼9에는 개도율 계산 프로그램에 의해 계산된 포트 면적과 덕트 및 차도에서의 압력을 정리하였다.

개도율 계산 프로그램을 통해 계산된 급배기 포트의 단면적은 환기소가 설치된 터널 입구부에서 최소값을 보이며, 터널 출구부로 갈수록 증가하고 있고, 반대로 급기 및 배기 덕트의 압력은 환기소가 설치된 터널 입구부에서 최대값을 보이며, 터널 출구부로 갈수록 감소하고 있다.

이러한 다양한 연장 및 급배기 포트 배치 수량에 대하여 포트 최적화 프로그램을 실행해 본 결과, 아주 짧은 시간에 필요한 인풋 데이터 작성 및 계산과정이 이뤄질 수 있음을 확인하였다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 프로그램을 사용하여 도로터널의 횡류 및 반횡류 환기방식의 포트 최적화를 위한 다양한 시나리오 검토를 통한 최적의 솔루션 확보가 단시간내에 가능하므로, 이 프로그램은 실제 횡류 및 반횡류식 환기방식의 포트 최적화 설계에 상당한 도움이 될 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 횡류환기방식 터널의 급배기 포트에서 균일한 풍량을 구하기 위해 개도율 계산 프로그램을 개발하였고, 국외에서 개발된 프로그램의 결과와 비교하였다. 이를 통해 개발된 개도율 계산 프로그램의 성능을 검증하였다.

1.본 연구에서 개발한 개도율 계산 프로그램과 국외에서 개발된 TUNVEN DUCT 프로그램의 해석결과를 비교한 결과 두 프로그램은 상당히 유사한 예측성능을 보이고 있으며 두 프로그램의 계산차는 포트 사이즈의 경우 ±11.71%, 포트 풍량의 경우 ±1.36%로 나타나고 있다.

2.15% 이내의 오차율을 보이고 있는 개도율 계산 프로그램을 통한 횡류식 터널의 급배기 포트면적 및 풍량 해석결과 전 Case에서 포트면적은 환기소 부근에서 가장 작고 터널 종점측으로 갈수록 증가하는 것을 볼 수 있으며, 포트 풍량은 전 Case에서 균일하게 공급되는 것으로 나타나고 있다.

3.본 연구를 통해 개발된 포트 최적화 프로그램의 예측 성능 개선을 위해 향후 특정 케이스에 대한 3차원 수치해석과의 비교를 수행할 것이며 이를 통해 3차원 해석결과에 근접한 포트 개도율을 제시할 수 있도록 프로그램을 개선할 것이다.