1. 서 론

온실가스에 의한 지구온난화로 다양한 이상기후가 발생하여 큰 피해가 발생하고 있다. 이에 따라 전세계적으로 온실가스 배출량 감축하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 국내에서는 온실가스 배출을 줄일 수 있는 수소연료전지차(FCEV)의 보급을 확대하기 위해 다양한 정책을 실행하고 있으며, 2022년 2분기 기준 4만 4,000대의 수소연료전지차가 보급되었다(Ministry of Foreign Affairs, 2021; KECO, 2022).

도로터널은 입구와 출구를 제외한 모든 면이 막혀있는 반밀폐공간으로 화재가 발생할 경우 화재 연기는 화재로 인한 열부력과 터널 내 상시 존재하는 기류에 의해 종방향으로 확산하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도로터널에는 연기의 이동방향을 제어하거나 화재지점에서 직접 배연함으로써 안전한 대피환경을 확보하고 신속한 구조 및 소화 활동을 위해 제연 설비를 설치하고 있다(Ryu and Na, 2020).

도심지에서는 인구 증가에 따른 교통량 증가로 인해 도심지 도로의 서비스 수준이 저하되어 극심한 정체현상이 빗어지고 있으며, 이에 대한 해결방안으로 도심지에 지하도로의 건설이 증가하고 있는 추세이다. 대표적인 도심지 지하도로로는 신월여의지하도로, 서부간선지하도로가 있으며, 만덕~센텀 도시고속화도로, 사상~해운대 대심도 고속도로, 동부간선도로 지하화 사업 등이 현재 건설 중이거나 설계 중에 있다. 특히, 현재 운영중인 신월여의지하차도로나 서부간선도로는 제연 대책으로 집중배기방식을 적용하고 있으며, 현재 계획되는 대부분의 도심지 터널이 대배기구를 이용한 집중배기방식을 계획하고 있다.

집중배기방식을 적용하는 경우 배연풍량은 기류제어를 위한 부가풍량을 고려하여 연기발생량 + 부가풍량으로 산정하는 것이 일반적이다. ‘도로터널 방재 ‧ 환기시설 설치 및 관리지침’(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021)에서 부가풍량을 결정하기 위한 Vr은 일반적으로 화재지점에서 예상되는 종방향 풍속 이상이 되도록 정하며, 모형실험이나 시뮬레이션을 통해서 신뢰성을 검토하여 산정하도록 규정하고 있다.

Ryu and Lee (2021)의 연구에 따르면 수소연료전지차(FCEV)의 TPRD를 통한 수소 누출 시 화재가 발생하는 경우, 화재강도는 누출량에 의존하며, 최대 화재강도는 TPRD의 오리피스 직경에 따라 3.22~51.36 MW에 달하는 것으로 연구되었다.

Lee and Ryu (2022)의 연구에서는 도로터널에서 수소차의 사고로 인해 수소가 누출되는 경우, 가연성 가스구름에 의한 화재 가능성을 평가하기 위해 표준단면의 도로터널에서 현재 운행 중인 H사의 N차를 모델로 수소확산에 따른 수소농도를 수치해석적인 방법으로 구하고 가연영역을 구하고 있다.

또한 각종 규정에 제시된 터널 내 화재 발생 시 집중배기방식의 대배기구 제연방법을 대배기구의 이격거리와 배연거리만 제시할 뿐, 터널 내 교통환기력에 따른 종방향 풍속과 이에 따른 배기구의 개방 방법 등은 고려하지 않고 있다.

따라서 본 연구에서는 선행연구에 따른 오리피스 직경 1.8 mm를 고려하여 최대 화재강도가 15 MW일 때, 터널 내 차도 풍속과 대배기구의 개방 간격에 따른 화재연기의 확산거리에 대해 분석하였다.

2. 해석대상

본 연구에서 수치해석 대상이 되는 터널은 소형차 전용 2차로 일방통행 터널이며, 연장 1,000 m, 내공단면적 36.25 m², 대표직경 5.23 m이고, 개요도와 상세 제원은 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Schematic diagram

터널과 덕트 사이에는 단면적 3.38 m² (2.25 m × 1.50 m)의 대배기구가 설치되어 있으며, 대배기구는 해석종류에 따라 Fig. 2에 나타낸바와 같이 화재를 중심으로 상류와 하류에 50 m, 75 m, 100 m 간격으로 개방된다.

Fig. 2.

Schematic diagram of damper interval

대배기구를 통해 덕트로 유입된 화재연기는 차량 진행 방향의 덕트 끝부분을 통해 외부로 배출되는 것으로 가정했다.

3. 해석조건 및 경계조건

3.1 해석조건

본 연구에서는 소형차 전용터널을 주행 중이던 수소연료전지차(TPRD 오리피스 직경 1.8 mm)가 터널 중앙부 지점에서 사고가 발생하여 15 MW의 화재가 발생한 것으로 가정하였다.

화재 발생 시 터널 내 차도 풍속과 대배기구의 개방 간격에 따라 화재연기의 확산거리를 확인하기 위해 Table 2와 같이 해석종류를 설정하였다.

대배기구의 개방간격은 50 m, 75 m, 100 m이고 터널 내 차로 풍속은 0 m/s, 1.25 m/s, 2.5 m/s 4.0 m/s이다.

3.2 경계조건

터널의 입구에는 차로 풍속에 따라 속도조건을 부여하여 차로 풍속이 0 m/s인 경우를 제외한 나머지 해석에서는 속도조건을 적용했으며, 0 m/s인 경우 대기압조건을 적용했다. 출구조건은 모든 경우에서 대기압조건을 적용하였으며, 덕트의 제연풍량 Q_E는 아래의 식 (1)을 사용하였으며 114.38 m³/s를 적용하였다(Fig. 3 참조).

여기서, Q_s : 연기발생량(60 m³/s), A_r : 터널 내공단면적(36.35 m²)

Fig. 3.

Schematic diagram of boundary conditions

화원은 Volumetric Heat Source를 사용하여 15 MW를 단위 체적당 발열량으로 적용하였으며, 일산화탄소 발생량은 PIARC (1999)에서 제시한 20 MW 화재시 발생하는 0.1025 kg/s를 15 MW의 비율에 맞게 적용했다. 이외의 터널 바닥과 벽면의 유동은 점착조건, 온도는 단열조건, 농도는 Zero Flux를 적용하였다.

4. 수치해석 방법

본 연구에 사용된 지배방정식은 연속 방정식, 운동량 방정식, 성분 방정식, 에너지 방정식, 난류운동에너지 방정식, 난류운동에너지소산율 방정식으로써 이러한 지배방정식의 수학적 표현은 식 (2), 식 (3), 식 (4), 식 (5), 식 (6), 식 (7)과 같다.

여기서, μt=Cμρk2ϵ,Cμ=0.09,σk=1.0,σϵ=1.3,σt=1.0,C1ϵ=1.44,C2ϵ=1.92,G=μtσtgiβ∂T∂xi이다.

해석에 적용된 격자의 총 수는 약 300만개로 생성된 격자의 크기는 대배기구 주변 및 화재 주변부는 0.1 m 간격으로 설정하였으며, 그 외 주변부는 0.3 m 간격으로하였다. Fig. 4에 터널 단면상의 격자를 나타내었다. 본 연구에서는 Open-FOAM6 기반의 코드를 사용하여 수치해석을 수행하였다.

Fig. 4.

Analysis mesh of schematic diagram

5. 해석결과

Figs. 4, 5, 6, 7은 터널 내 차도 풍속이 각각 0 m/s 1.25 m/s, 2.5 m/s. 4 m/s일 경우, 화원으로부터 200~225 m 내에서 대배기구를 화재 상 ‧ 하류방향으로 50 m, 75 m, 100 m의 간격으로 개방한 경우에 온도분포 해석결과를 나타낸 것이다.

Fig. 4와 Fig. 6은 대배기구의 간격이 50 m와 100 m 간격인 경우에 터널 내 풍속이 0 m/s와 1.25 m/s 일 때 온도분포를 나타낸 것으로, 화재연기의 확산거리는 화재 상 ‧ 하류 방향으로 200 m 이내로 제어되는 양상을 보였다. Fig. 5는 대배기구 설치간격이 75 m인 경우로 화재연기의 확산거리가 200 m를 초과하는 것으로 나타나고 있으며, 이것은 대배기구의 개방 간격이 75 m일 때 화재 상 ‧ 하류방향으로 225 m지점에서 개방되기 때문으로 분석된다.

Fig. 5.

Temperature distribution for damper interval = 50 m

Fig. 6.

Temperature distribution for damper interval = 75 m

Fig. 7.

Temperature distribution for damper interval = 100 m

터널 내 풍속이 2.5 m/s 이상인 경우에는 모든 경우에 화재연기가 화재 하류측으로 확산되며 45℃이상의 화재연기가 터널 하류까지 확산되는 것을 알 수 있다. 이것은 터널 내 차도 풍속이 2.5 m/s 이상부터 대배기구의 제연이 어렵다는 것을 분석할 수 있다.

대배기구를 통과하는 풍량을 분석한 결과, 50 m, 75 m, 100 m로 제연하는 경우 화재시 개방되는 배기구는 각각 9개, 7개, 5개이며, 대배기구 설계 통과 풍량은 각각 12.71 m³/s, 16.34 m³/s, 22.86 m³/s이다.

대배기구의 배연풍량은 터널 내 풍속과 관계없이 배연팬에 근접할수록 증가하며, 멀어질수록 감소하는 양상을 나타내고 있다. 이는 배연팬에 근접할수록 배기구에 걸리는 압력이 증가하기 때문으로 판단된다.

또한 터널 내 차도 풍속이 증가할수록 터널 입구 주변 대배기구의 배연풍량이 증가한다. 배연팬과 근접한 배기구에서 배연풍량이 증가하는 현상은 배기구 면적이 클수록 배기구 통과시 발생하는 압력손실이 상대적으로 감소하기 때문으로 판단된다.

모든 해석에서 터널 중앙의 대배기구가 배연풍량이 급격히 증가하는 현상을 보이는데 이는 화재에서 나오는 연기가 100 m 간격으로 제연했을때 대배기구를 통과하는 풍량이 가장 컸는데 이는 배기구의 간격이 커질수록 대배기구 1개당 담당하여 배연하는 풍량이 커지기 때문으로 판단된다.

‘도시부 소형차 전용터널 방재시설 설치 및 관리지침’에서는 대배기구를 이용하여 제연을 하는 경우 화재연기는 화재차량을 기준으로 200 m 이내에서 제연이 가능하도록 규정하기 때문에 터널 내 차도 풍속은 1.25 m/s이하로 제어하고 대배기구의 개방 간격은 50 m 또는 100 m 간격으로 개방하여야 할 것으로 분석된다.

6. 결 론

본 연구에서는 소형차 전용터널에서 수소연료전지차(TPRD 오리피스 직경 1.8 mm)의 수소 누출에 따른 화재강도가 15 MW이고 배연풍량이 114.38 m³/s 인 경우 터널 내 차도 풍속과 대배기구의 개방 간격에 따른 화재연기의 확산거리에 대해 분석하였으며, 다음과 같이 정리하였다.

1. 수소탱크의 TPRD 개방에 따른 15 MW 화재 발생 시 터널 내 차로 풍속의 크기에 따라 화재연기가 화재 하류로 밀려나가는 것을 볼 수 있었으며, 특히, 터널내 풍속이 2.5 m/s 이상인 경우 모든 화재연기가 화재 하류로 확산하였으며, 1.25 m/s 이하의 경우에서만 200 m 이내로 제연되는 것을 확인할 수 있었다.

2. 대배기구의 설치간격이 50 m, 100 m 인 경우 화재연기가 화재 상 ‧ 하류 200 m 이내에서 제연되는 것을 확인할 수 있었으며, 75 m 인 경우 화재연기가 225 m 지점에서 제연되는 것으로 나타났으며, 화재구역 내의 대배기구 풍량이 부족하기 때문으로 예상된다.

3. TPRD 오리피스의 직경이 커질수록 최대 화재강도는 커지기 때문에 터널과 같은 반밀폐공간의 추가적인 연구가 필요한 것으로 예상된다.