01.아치형 도로터널의 대기질 개선을 위한 횡류식 환기시스템의 적용성 연구

Abstract

최근 세계적으로 환경에 대한 중요성이 크게 부각되면서 터널 관리에 대한 관심이 급증하였으며, 이와 함께 터널 환기 시설에 관한 필요성도 증가하는 추세이다. 현재 우리나라는 산업발전과 더불어 급격한 자동차 증가로 인하여 장대 도로터널(2km이상인 터널)의 건설이 증가하고 있다. 이로 인해 터널 환기 시설을 도입하여 자동차의 배기가스로부터 오염된 터널내부의 공기를 효율적으로 환기시켜 운전자의 건강보호 뿐만 아니라 터널주변 거주민들의 쾌적한 생활환경 조성차원에서도 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 터널 내부에 정체된 자동차 배기가스(NOx, SOx, CO등)와 타이어 분진 등을 정화하기 위해서 현재는 전기집진기를 적용하고 있으므로, 이를 설치 및 가동하기 위해서는 큰 공간이 필요하기 때문에 By-pass형이나 천정형 터널환기 방법을 채택하고 있다. By-pass형의 경우 보조터널 건설에 막대한 비용이 들고 고전압을 이용함으로 높은 전력비용등이 발생하며 공사 및 유지관리에 큰 문제가 되고 있다. 또 터널에 적용되는 전기집진기의 경우 일부는 습식 전기집진장치를 사용하고 있으므로 이에 따른 폐수 및 폐 케이크의 2차 오염 저감시설이 추가적으로 요구된다. 또한 집진기 설비가격 이외에 터널내부에 집진기 설치 공간을 마련하기 위한 보조터널 건설에 막대한 비용이 필요하다. 이와 같은 이유로 전기집진기의 설치 및 유지 관리비에 어려움이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 여과 집진장치를 이용한 횡류식 아치형 도로 터널 환기시스템을 개발하고자 한다. 횡류식 아치형 도로 터널 환기시스템은 막대한 보조터널 공사비용이 절감되며 By-pass형 환기시스템에 비해 공기의 순환효율과 매연처리효율이 높은 것으로 보고된바 있다. 그러나 현재로서는 기존 터널 환기 방법에 대한 환기효율평가(대기오염물질 정화 효율 및 기류 흐름 등) 자료가 전무하여 새로 개발된 여과 집진장치의 효과를 객관적으로 비교 평가할 수 없는 실정이다. 따라서 본 연구는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics : CFD)을 이용한 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 기존에 적용되고 있는 각종 환기시스템의 기류흐름을 재평가하고, 분석 자료를 바탕으로 모형을 제작하여 기존 환기시스템 방법과 횡류식 아치형 터널환기시스템의 환기 효율을 비교하였다. S터널을 기본모델로 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 아주 다양한 형태의 터널에 대한 기류흐름을 파악하고 터널 내부와 출구의 오염물질의 농도 변화를 비교분석하였다. 그 중 효율이 가장 좋은 횡류식 환기 방식을 선택하여 상부 횡류식 분산방식과 횡류식 집중방식과 By-pass형 과 천정형 환기방식 네 가지 Case를 연구대상으로 선정하여 모형실험을 하였다. 실험은 기류흐름을 파악하고 내부의 오염물질 분포와 출구의 오염물질 배출상황을 비교분석하였다. 기류흐름 분석 및 가상오염물질인 이산화탄소의 농도분포 결과(터널내부농도와 출구농도)를 살펴보면 천정형이 제일 높고 By-pass형과 횡류식 집중형(아치형터널환기시스템) 순서로 나타났으며 횡류식 분산형(아치형터널환기시스템)환기방식이 제일 낮았는데 이는 집진효과가 기존 종류식 환기 시스템 보다 횡류식 아치형 터널환기시스템을 적용하는 것이 우수하다는 것을 증명할 수 있다.