제 2 장 계 획

지하도로 설계지침

6 환 기

 

제6장 환기

지하도로 설계지침 203

제6장 환 기

6.1 개 요

6.1.1 적용범위

본 지침은 지하도로에 설치되는 환기설비에 적용한다.

【해 설】

본 지침은 지하도로의 환기시설을 설치하는 경우에 적용하는 것으로 기존의 산악터널과 상이

한 특성을 가지는 지하도로에 최적화된 환기설계를 달성하기 위한 것이다.

본 지침에서 환기시설은 「도로의 구조 ․ 시설기준에 관한 규칙」제42조에 “터널에는 안전

하고 원활한 교통소통을 위하여 필요하다고 인정되는 경우에는 도로의 계획교통량, 설계속

도 및 터널길이 등을 고려하여 환기시설 및 조명시설을 설치하여야 한다.”라는 규정에 기

초한다.

버스정류장, 영업소 등 지하도로에 설치되는 부속시설의 실내 공기질은 「실내공기질 관리법

(환경부)」에 따라 유지될 수 있도록 계획되어야 한다.

6.1.2 조사

지하도로의 환기시설을 계획할 때에는 해당 지하도로의 교통, 기상, 환경과 지형, 지물 및 지질 등에

대하여 조사를 하여야 한다.

【해 설】

가. 교통량 조사

교통량 조사는 환기량 추정, 환기력(압) 계산, 지하도로 내 ․ 외부 환경영향 평가를 위한 기초

자료의 확보를 위하여 수행한다. 단순한 총 차량 대수가 아니라 차종 구성, 방향별 분포, 시

간 ․ 요일 ․ 계절변동, 첨두시간교통량, 혼잡 및 정체시의 교통특성, 승용차 환산계수 등에 관

하여 파악할 필요가 있다.

교통량을 분류하는 방법은 여러 가지가 있으나 환기설계 및 운전자료에 반영하기 위해서는

7종의 교통량(승용차, 소형버스, 대형버스, 소형트럭, 중형트럭, 대형트럭, 특수트럭)으로 분

류되어야 한다.

또한, 지하도로의 경우에는 지하도로 내에 진출입을 위한 분기구간이 존재할 수 있으며 이

제6장 환기

204 지하도로 설계지침

러한 경우에는 구간별로 교통량이 상이한 경우가 많고 진출구간과 진입구간에서는 지하도로

내부가 대형 단면으로 형성될 수 있으므로 환기설계 시 구간별 교통량을 모두 조사하여 환

기설계에 반영할 수 있도록 해야 하는 등의 세심한 고려가 필요하다.

단순히 일최대교통량을 이용하여 환기설비의 용량을 산정하는 경우에는, 개통초기의 교통량

에 비하여 과다한 설비가 산정될 우려가 있으며, 또한 유지관리비용의 산정이 불명확해지므

로 민자사업 등에서 경제성을 평가하기 어려운 측면이 있으므로 이를 주의하여야 한다.

나. 기상조사

지하도로의 환기설계를 위하여 기상자료를 조사하는 목적은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫

번째는 지하도로 내 저항자연풍의 추정을 위한 것이며, 두 번째는 지하도로에서 발생된 오

염물질이 주변지역에 미치는 영향을 예측하기 위한 것이다.

일반적인 산악터널에서는 종단경사가 한쪽 방향으로 형성되는 것이 일반적이므로 풍압에 의

한 자연환기력과 부력에 의한 굴뚝효과가 비교적 일정하게 작용하는 것으로 예상할 수 있지

만, 지하도로는 U형태(또는 W형태)의 종단경사를 가지며, 진출입부에 따라 내부의 자연환

기조건이 복잡하게 형성될 수 있으므로 주변기상조건의 영향을 더 크게 받을 수 있다.

환기설계 시 해당 지하도로에 적합하도록 지하도로 내 ․ 외부에 작용하는 압력차와 부력효과

등을 적용하기 위해서는 기본사항인 풍향풍속의 조사가 반드시 수반되어야 한다.

일반적으로 풍향풍속은 인접지역에 위치한 기상관측소의 데이터를 기반으로 하지만, 지형적

인 특성이 터널의 갱구와는 차이를 보이는 문제점이 있다. 따라서 기상관측소에 기초한 데

이터와 인접지역의 자동기상관측장치(AWS)에 의하여 측정된 데이터를 모두 조사하여 적절

한 값을 반영할 수 있도록 하여야 한다.

다. 환경조사

지하도로는 장대화 될 가능성이 높아 지하도로 출구에서의 오염물질 배출량이 많고 환기탑

이 설치되는 경우가 많으며 주거지역에 인접해 건설되는 경우가 많아 설계 및 시공과정에서

인근 주민과의 마찰이 빈번하게 발생할 수 있다. 따라서 설계단계에서 주변지역 오염 및 소

음에 대한 영향을 적극적으로 고려할 필요성이 있으며 특히 사업시행 전 백그라운드 소음

및 각종 오염물질의 현황농도에 관한 조사가 필요하다.

대도시는 각 자치구별로 대기환경 측정장치가 있으므로 현장조사가 원활하지 않은 경우에는

최근접점에서 기존에 측정된 데이터를 이용하여 주변지역의 현황농도를 산정할 수 있다.

주변지역의 대기오염농도가 높은 경우에는 이를 지하도로 내 환기설계에도 반영하여야 하

며, 환기탑이나 지하도로 출구를 통해 배출되는 오염물질의 양을 제어할 필요성이 발생되므

로 충분히 고려하여 계획하여야 한다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 205

6.2 유해물질 농도기준

6.2.1 유해성분의 종류와 영향

지하도로 내 차량운행에 의해 배출되는 유해물질은 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 매연 등이 있

으며 이들 오염물질의 특성은 “대기환경 보전법 시행규칙 별표 17-제작차 배출 허용기준”에서 제시

한 유해물질의 발생량에 기초한다.

【해 설】

가. 유해물질의 종류

차량으로부터 배출되는 물질은 연료와 관계가 있다.

현재의 사용연료는 휘발유, LPG, 경유가 있으며 주로 휘발유와 경유이다.

이들 연료를 사용하는 경우의 차량배출물질은 연료의 주성분이 탄화수소이므로 완전 연소가

되는 경우에는 탄산가스, 물 및 산소의 공급원인 공기 중의 질소가스로 구성된다.

그러나 실제로는 불완전 연소에 따라 CO, CO2, NOx, HC 및 HC의 산화생성물, SO2, 포름알데

히드, 매연 등의 물질이 함유된다.

매연은 배출가스 중에 포함된 입자상 물질의 총칭으로서 주로 디젤차량에서 배출되며 휘발

유 차량의 경우는 거의 배출되지 않는다.

차량으로부터 배출되는 질소산화물의 대부분은 NO이나 오존(O3)이 존재할 경우 NO2로 산화

된다.

<그림 6.2.1>는 홍콩 테이트 케언즈 터널(Tate Cairn's tunnel)내의 NOx 중 NO2비율 및 O3의

전형적인 분포를 보여 주며 NO2는 터널내에서 NOx의 약 10%정도를 점하고 있는 것으로 알

려지고 있다.

<그림 6.2.1> 도로터널 내 NOx 중 NO2 비율 및 O3 농도분포 사례

CO는 최근 차량으로부터의 배출량이 급격히 감소하였으나, 오염물질의 허용농도가 낮아짐

에 따라 환기설계 시 저속에서 환기설비용량을 결정하는 물질이다.

제6장 환기

206 지하도로 설계지침

특히, 승용차의 경우에도 경유 승용차의 보급이 증가하고 있으며 대형차의 경우에는 경유차

량이 대부분임에 따라 가시거리 확보 문제가 정상운행 시의 환기설비용량을 결정하는 가장

중요한 과제가 되었다.

거의 모든 유해물질의 배출량이 감소함에 따라 비차량 배출물질인 타이어 및 브레이크 마모

분진, 도로마모분진 등이 더욱 중요한 유해물질로 부각되었다.

이들 비차량 배출분진들의 평균 입자 크기는 <그림 6.2.2>에서 보는 바와 같이 입자의 크기

가 미립자인 매연입자보다 크고 입도분포 상에 다른 최빈도(mode)를 보이며 매연과는 상이

한 광학적 특성을 보이고 있다.

<그림 6.2.2> 제작차 배출가스 규제강화에 따른 매연배출량 감소전망

나. 유해물질의 인체영향

일반적인 디젤기관의 배출가스를 고려할 경우 N2, CO, CO2, NOx, SO2, 매연(smoke), 수증기

등 다양한 오염물질이 배출된다. 이들 배출물질의 양 및 농도는 엔진의 설계, 유지관리, 배출

물질 제어장치, 운전속도, 고도, 경사도 등에 좌우된다. 이들 물질 중 지름 약 1㎛정도의 매

연(Smoke)은 검댕(Soot), 미연소 연료, 알데하이드가 결합된 입자로 인체 유해성이 높은 동시

에 지하공간 내 확산으로 인하여 가시거리가 저하되어 운전자의 안전에 문제를 야기한다.

호흡기로 흡입되는 경우에는 허파꽈리까지 도달하여 체류할 확률이 높은 입자이며 다공성

및 섬유상 구조를 가지므로 다핵 방향족탄화수소(Polynuclear Aromatic Hydrocarbon)가 흡

착되어 기름기가 있는 입자 형태로 생성되므로 높은 인체 유해성을 띄게 된다.

매연은 입자의 직경이 수 ㎛(마이크로미터) 이하의 미세한 물질로서 빛을 흡수하거나 산란시

켜 터널 내 차량 주행 시 전방 가시도를 저하시켜 안전운행에 지장을 초래하게 된다.

일산화탄소는 휘발유 차량에서 가장 많이 배출되는 오염물질로 연료의 불완전 연소로 인하

여 생성되는 것으로 무색, 무취이며 혈액 중 헤모글로빈(Hb)과의 결합력이 산소보다 200배나

높아 인체에 흡수되면 CO-Hb를 형성하여 산소의 운반능력을 저하시키게 된다.

따라서 체내 산소 공급의 부족으로 신경계통에 영향을 주어 반사신경의 둔화로 운전자의 판

단능력을 저하시킴으로서, 교통상황 판단의 지연으로 인한 교통사고 유발 가능성이 높아지

는 것으로 알려져 있다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 207

참고로 <그림 6.2.3>의 CO 가스에 노출 시 시간에 따른 혈중 CO-Hb 농도의 변화와 인간의

신체활동 별로 신체에 미치는 영향을 나타낸 것이다.

<그림 6.2.3> 신체활동 정도 및 노출시간을 고려한 CO가스의 생리적인 효과

산소는 허파꽈리벽을 통과하여 혈액 속으로 혼입되어 헤모글로빈과 결속하여 매우 불안정한

옥시헤모글로빈(O2·Hb)을 형성하는데 반하여 CO 가스는 헤모글로빈과 친화력이 300배 정

도로 높아 용이하게 혈액 속에서 안정성이 높고 쉽게 분리되지 않는 카복시헤모글로빈

(CO·Hb)을 형성하여 혈액 중 산소공급 역할을 하는 적혈구의 숫자를 감소시킴으로써 뇌와

심장과 같이 산소를 필요로 하는 주요 인체기관에 산소결핍효과가 나타나고 농도별로 뚜렷

한 생리학적 효과를 보인다.

CO 가스에 중독된 경우에는 따뜻하게 체온을 유지하고 오염된 지역에서 대피하여야 한다.

카복시 헤모글로빈의 농도가 정상수준으로 회복되기까지는 24시간 정도가 소요되기도 하며

심한 두통이 동반되나 순수 산소를 호흡함으로써 신속하게 정상 수준으로 회복할 수 있다.

CO 가스는 혈액 중 헤모글로빈과 친화력이 아주 높은 동시에 분리에 소요되는 시간도 길므

로 사고발생지역에 진입하는 구난요원들은 반복적 노출의 위험성을 최소화하기 위하여 주의

하여야 한다.

<표 6.2.1>과 같이 HSE(영국산업안전청)에서는 CO-Hb 농도에 대한 일반적인 생리학적 자각

증상을 제시하고 있다.

또한 WHO(세계보건기구)의 "Air Quality Guidelines for Europe"과 EPA(미국환경청)의 “Air

Quality Criteria for Carbon Monoxide"의 자료를 검토한 결과 <표 6.2.2>와 같은 CO-Hb 농도

별 증상을 제시하고 있다.

반면, NO, N2O, NO2와 같은 질소산화물은 내연기관의 연소시에 생성된다. 이들 중 N2O의 농

도가 상대적으로 적은 편이며 NO는 공기 중에서 수증기와 혼합하여 빠르게 독성이 가장 강

한 NO2로 산화된다. 2NO + O2 → 2NO2

제6장 환기

208 지하도로 설계지침

<표 6.2.1> 혈중 CO-Hb 농도에 따른 생리학적 자각 증상(HSE)

혈중 CO-Hb(%) 생리학적 자각증상

2.5 ~ 5 ∙ 증상 없음

5 ~ 10 ∙ 약간의 자각증상

10 ~ 20

∙ 약간의 두통 및 약간의 호흡곤란,

∙ 비정상적인 시각증상

20 ~ 30 ∙ 확실한 두통증세, 피로감, 졸린 증상 및 현기증

30 ~ 40 ∙ 현기증, 구역질과 함께 심한 두통

40 ~ 50 ∙ 심한 두통 및 혼란한 정신상태, 기절증상

60 ~ 70 ∙ 의식불명, 경련, 호흡곤란 및 사망

80 이상 ∙ 급속하게 치명적 상태에 도달

<표 6.2.2> 혈중 CO-Hb 농도에 따른 생리학적 자각 증상(WHO)

CO-Hb(%) 생리학적 자각증상

0.4 ~ 1 ∙ 비흡연자의 정상적인 상태

2.5 ~ 3 ∙ 협심증 환자의 운동 기능 감소

4 ~ 5 ∙ 비흡연자의 산소 결핍 또는 교통 경찰이 느끼는 두통, 나른한 증상

5 ~ 10 ∙ 시각적 인식, 손으로 하는 기능 습득 능력의 유의적인 통계적 감소

10 ~ 20 ∙ 편두통에 의한 시력 장애, 메스꺼움, 구토, 현기증, 혼동

30 ∙ 심각한 두통, 가벼운 의식 손실, 실신, 과민성, 피로도, 판단력 저하, 눈의 침침함

> 40 ∙ 의식 불명, 실신, 발작, 호흡 부전, 혼수, 간헐적 경련, 저산소증에 의한 사망

지하공간내의 일반적인 온도 범위 내에서 NO2는 유사한 생리학적 효과를 보이는 N2O4와 같

이 존재하기도 한다. NO2는 물에 쉽게 용해되어 아질산 및 질산으로 변화된다. 2NO2 + H2O

→ HNO2 + HNO3

이들 산은 호흡기를 자극하고 고농도에서는 치명적인 손상을 입히기도 한다.

<표 6.2.3> NOx가스의 생리학적 효과

NOx 농도(ppm) 효 과

40 냄새로 감지 가능

60 목 자극

100 기침 시작

150 심각하게 불편함. 향후 폐렴 유발 가능

200 치명적 일수 있음

NO에 비하여 독성이 강한 NO2는 1ppm정도의 농도 하에서 건강한 사람에게도 영향을 미치

며 천식이 있는 경우에는 0.1ppm정도의 낮은 농도에서도 심각한 영향을 미치는 것으로 나타

난다. NO2에 중독된 경우의 응급처리방법은 산소호흡기로 산소를 공급하고, 몸을 고정시키

고 따뜻하게 해주어야 하며, 초등대처가 미흡할 경우, 초기에는 회복된 듯하나 곧 급성 기관

지폐렴(Bronchopneumonia)으로 옮아가는 경우도 있으므로 주의가 필요하다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 209

다. CO-Hb 예측모델

국내의 경우 대기환경기준(환경정책기본법 제12조제2항)에 따라 법적 허용기준을 제시하고

있으며 미국의 경우 환경청(United States Environmental Protection Agency, EPA)에서 시간

을 고려한 일산화탄소의(CO)의 대기환경 기준을 제시하고 있다. 일산화탄소의 국내 ‧ 외 환

경기준은 <표 6.2.4>와 같다.

<표 6.2.4> 국내외 일산화탄소(CO) 대기환경 기준

구분 8시간 평균 1시간 평균 비고

국내 대기환경기준 9ppm 이하 25ppm 이하 비분산 적외선 분석법

EPA (미국 환경청) 9ppm 이하 35ppm 이하

CO-Hb 2.0%에 준하는

농도기준임

일산화탄소(CO)가 혈액 중 헤모글로빈(Hb)과 결합하여 생성되는 CO-Hb(%)의 계산을 위한

예측식은 다음과 같은 방법을 적용할 수 있다.

(1) Coburn 등(1965)의 CFK 예측모델(Acute Exposure Guideline Levels, 2010)

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여기서, B = 1/DL + PL / VA

M = 산소에 대한 일산화탄소의 혈액친화도 (218)

OHb = 혈액 1mL당 O2의 mL (0.2), COHb = 혈액 1mL당 CO의 mL

PO2 = 폐 모세 혈관에서 산소의 평균 부분 압력 (100mmHg)

VCO = 내부적으로 발생하는 일산화탄소의 생산율 (0.007 mL/min)

DL = CO에 대한 폐의 확산, PL = 대기압 - 체온에서의 수증기압 (713mmHg)

Vb = 혈액의 체적(5500mL)

PCO = 흡입공기중의 일산화탄소의 부분압력 (mmHg)

VA = 폐세포의 환기량 (6000mL/min-활동시, 4000mL/min-취침시)

t = 노출시간 (min)

(2) 영국 산업안전보건청(HSE) 적용 제안식(Smith 등(1996))

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여기서, t : 노출시간

A, B : lung diffusing capacity 변수

제6장 환기

210 지하도로 설계지침

(3) Perterson과 Stewart(1970)의 제안식 (Acute Exposure Guideline Levels, 2010)

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여기서, A = PO2/M OHb, B = 1/DL + PL / VA

M = 산소에 대한 일산화탄소의 혈액친화도 (218)

OHb = 혈액 1mL당 O2의 mL (0.2)

COHb = 혈액 1mL당 CO의 mL

PO2 = 폐 모세 혈관에서 산소의 평균 부분 압력 (100mmHg)

VCO = 내부적으로 발생하는 일산화탄소의 생산율(0.007 mL/min)

DL = CO에 대한 폐의 확산, Vb = 혈액의 체적 (5500mL)

PL = 대기압 - 체온에서의 수증기압 (713mmHg)

PCO = 흡입공기중의 일산화탄소의 부분압력 (mmHg)

VA = 폐세포의 환기량 (6000mL/min-활동시, 4000mL/min-취침시)

t = 노출시간 (min)

CO의 농도가 25 ~ 523ppm 범위, 노출시간 15min ~ 8hour를 만족하는 경우 다음과 같은 예측

모델을 적용할 수 있다.

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여기서, CO : 농도 (ppm), t : 노출시간 (min)

(4) 미국 소방기술사회(Society of Fire Protection Engineers, SFPE) 적용 제안식

SFPE는 Stewart 등(1973)에 의한 제안식을 적용하고 있으며 호흡량에 따라서 COHb 값은 상

이하게 나타날 수 있고 일반적인 70kg의 성인을 기준으로 휴식상태, 경작업, 중작업 등과 같

은 조건별 RMV에 따라 값이 상이한 분포를 나타낼 수 있다.

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여기서, RMV : 호흡량 (L/min), t : 노출시간

제6장 환기

지하도로 설계지침 211

라. CO-Hb 분석 결과

CO-Hb(%) 예측 모델 및 <표 6.2.5>의 검토 조건을 적용하여 터널 연장에 따른 CO-Hb(%)를

예측하였으며, 예측모델별 한계연장은 <표 6.2.6>을 참고할 수 있다.

<표 6.2.5> CO-Hb(%) 예측 모델별 검토조건

구분 적용조건

CO 농도 70ppm (｢도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침(국토교통부)｣ 외)

차량속도 10km/h

모델적용

구분 모델 비고

Case-1 Coburn -

Case-2 Smith CO-Hb 초기값 1%적용

Case-3 Peterson&Stewart non smokers 적용

Case-4 SFPE 휴식, 경작업 기준 적용

적용기준

기준-1 CO-Hb 2% EPA 대기환경기준

기준-2 CO-Hb 4% WHO, EPA 3단계기준

<표 6.2.6> CO-Hb(%) 예측 모델에 따른 지하도로 한계연장

구분 Case-1 Case-2 Case-3 Case-4-1 Case-4-2

CO-Hb 2%적용 11.03km 3.08km 6.76km 14.49km 4.93km

CO-Hb 4%적용 22.07km 10.43km 20.30km 28.99km 9.86km

지하도로 내 차량 지․정체(차량속도 10km/h) 및 CO 농도 70ppm 조건에서 CO-Hb

4%(Increased symptoms in traffic policemen가 발생하는 최소치) 기준을 적용시 한계연장은

약 10km 이다.

이에 본 지침에서는 연장 10km를 기준으로 구분하여 지하도로 내 유해물질 허용농도 기준

을 제시하였다.

제6장 환기

212 지하도로 설계지침

6.2.2 설계농도

지하도로 내부의 일산화탄소 및 질소산화물의 농도는 연장을 고려하여 다음의 농도 이하가 되도록

적용하여야 한다.

(1) 10km 이하 : 일산화탄소 70ppm, 질소산화물 20ppm

(2) 10km 초과 : 일산화탄소 50ppm, 질소산화물 15ppm

【해 설】

가. 연장 10km 이하 지하도로 내 유해물질 설계농도

터널 또는 지하도로 내 유해물질에 대한 설계농도는 환경성 및 유지관리작업의 안전성을 확

보하는데 필요한 수치로서 최근에는 점진적으로 강화되고 있는 추세이다.

설계농도는 차량의 오염물질 발생량에 기초하여 상대적인 수치를 설정하므로 차량에서 발생

되는 오염물질의 양을 명확하게 정의할 필요성이 있다. 현재 차량의 발생오염물질량은 환경

부의 ｢대기환경보전법｣상의 오염물질별 제작차 배출기준에 의거한 것이다. 이에 따르면, 현

재 생산중인 차량은 휘발유 및 가스사용 자동차의 경우 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소,

포름알데히드의 발생량을 규제하고 있으며, 경유를 연료로 사용하는 자동차의 경우에는 상

기 항목 외에 입자상 물질인 매연을 추가로 규제하고 있다.

터널 내의 오염물질 농도는 ｢도로의 구조 ․ 시설 기준에 관한 규칙(국토교통부)｣에서 일산화탄

소와 질소산화물 2개 항목에 대해서 허용농도를 규정(일산화탄소 70ppm, 질소산화물 20ppm)

하고 있으며, ｢도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침(국토교통부)｣에서는 도로터널 내

오염물질 허용농도 기준을 일산화탄소 70ppm, 질소산화물 20ppm로 규정하고 있다.

｢터널설계기준 : 터널환기, 조명, 방재설비(KDS 27 60 00, 국토교통부)｣ 에서는 터널 내 환기

설계 시 허용농도 기준을 관리주체가 정하는 바에 따르는 것을 원칙으로 하며 이에 대한 기

준이 없는 경우에는 WRA (PIARC) 권고치를 고려하여 정할 수 있도록 하고 있다.

본 지침에서는 연장 10km 이하 지하도로의 경우 ｢도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지

침(국토교통부)｣에서 규정하고 있는 기준인 일산화탄소 70ppm, 질소산화물 20ppm을 준용하

도록 한다.

나. 연장 10km 초과 지하도로 내 유해물질 설계농도

대부분 도시지역에 건설되어 이용 교통량이 많은 장대 지하도로의 경우에는 지하도로 내부

에서 지정체가 발생할 가능성이 높고 이러한 경우에는 운전자가 지하도로 내에 장시간 체류

하게 되므로 두통이나, 메스꺼움 등의 신체적 문제를 겪게 될 가능성이 높아진다.

현재의 농도기준은 운전자의 체류시간에 상관없이 터널 내에서의 최대 농도 값만을 규정하

고 있으므로 장대 지하도로에서는 기준을 강화할 필요가 있다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 213

해외의 경우에는 터널 내 체류시간을 고려하여 기관별, 국가별로 다양한 농도기준을 제시하

고 있으며 지하도로(또는 터널) 내 체류시간이 증가할수록 강화된 환기기준 값을 적용하고

있다(<표 6.2.7> 참조).

<표 6.2.7> 해외의 터널 내 오염물질 농도 기준

구분 최처유효농도 평균 시간 해당 국가(기관) 및 목표연도

CO

100 ppm

15 분 WRA(PIARC, 1995)

5 분 홍콩

90 ppm 15 분 프랑스

70 ppm 15 분 WRA(PIARC, 2010)

50 ppm 30 분 프랑스, 호주(시드니 Cross City and Lane Cove 터널)

NO2

1 ppm

15 분 뉴질랜드

5 분 홍콩

0.75(1.5) ppm 15 분 노르웨이(( )안은 터널 종점부 기준)

0.4 ppm 15 분 프랑스(2010)

해외에서 적용하고 있는 유해물질 및 체류시간에 따른 허용농도의 경우 일산화탄소 및 이산

화질소에 대하여 평균 체류시간에 따른 기준을 제시하고 있다. 터널 내 질소산화물 중 이산

화질소의 비율은 약 10%(홍콩 테이트 케언즈 터널 사례) 또는 20%∼30%(유럽(WRA, 2012))

를 차지하는 것으로 알려져 있지만 국내에서는 이에 대한 연구가 미흡한 실정이므로 질소산

화물의 허용농도 기준 보완을 위한 추가 연구가 필요하다.

본 지침에서는 연장 10km 초과 지하도로는 해외 기준, 연장에 따른 체류시간 및 질소산화물

중 이산화질소의 비율 등을 고려하여 일산화탄소 50ppm, 질소산화물 15ppm을 설계농도 기

준으로 적용할 것을 권장한다.

6.3 환기량 산정

6.3.1 소요환기량 산정을 위한 기준배출량

지하도로의 소요환기량 산정을 위한 차종에 따른 오염물질별 기준배출량과 비엔진 입자상물질 발생

량에 대한 차량 속도 및 차종별 기준발생량은 「도로터널 방재・환기시설 설치 및 관리지침」을

준용하여 적용하여야 한다.

【해 설】

소요환기량은 지하도로의 터널을 운행하는 차량에서 배출되는 오염물질을 허용농도 이하로

희석하거나 제거하기 위한 풍량을 말하며, 터널의 교통·선형 등을 근거로 산출한다.

지하도로의 환기설비 규모는 소요환기량 크기 변화에 민감하며, 소요환기량 증가시 환기설

비 규모 및 비용이 증가하게 된다.

제6장 환기

214 지하도로 설계지침

기준배출량은 환기시스템 결정과 관련하여 가장 기본이 되는 소요환기량 산정을 위한 기준

인자이며, 이용 차량의 오염물질 배출량은 차종, 차령, 주행상태, 터널특성(종단선형 및 표

고) 등에 따라 다르게 나타난다.

현재 환기설계시 적용되고 있는 기준배출량은 1996년 환경부의 대기환경보전법 시행령에 기

초하고 있으며, 차종별 기준배출량은 ‘제작차 배출허용기준’에 근거하여 원단위(g/km 또

는 g/kWh) 오염물질 배출량을 차종 및 오염물질별로 환산한 것이다.

차종에 따른 오염물질별 기준배출량은 「도로터널 방재・환기시설 설치 및 관리지침」에 규

정된 값을 따르며 다음의 <표 6.3.1>과 같다.

<표 6.3.1> 차종에 따른 오염물질별 기준배출량

구 분

승용차 버 스 트 럭

휘발유 경유 소형 대형 소형 중형 대형 특수 입자상물질

(m2/h) 0.0000 0.8712 0.8712 7.7917 0.8712 3.8269 8.6191 11.1532

CO(m3/h) 0.0178 0.0172 0.0217 0.5541 0.0217 0.2721 0.6129 0.7931

NOx(m3/h) 0.0000 0.0017 0.0022 0.0382 0.0022 0.0188 0.0423 0.0547

<표 6.3.1>은 「대기환경보전법 시행규칙」의 ‘별첨 17. 제작차 배출허용기준’을 근거로

산정하여 「도로터널 방재・환기시설 설치 및 관리지침」에서 규정하고 있는 값이며, 향후

관련 규정(기준) 개정시에는 해당 기준을 준용하여 적용하여야 한다.

차량 제작기술 및 오염물질 배출기준 강화에 따라 차량의 엔진 이외의 요인에 의해서 발생

하는 오염물질에 대한 중요성이 높아지고 있다.

비엔진 발생 입자상물질(non exhaust emission)은 타이어 및 브레이크 마모에 의한 입자상물

질, 도로표면 마모에 의한 입자상물질, 재부유 입자상물질 등 을 의미하며, 차량 속도 및 차

종(승용차, 대형차)에 따라 제시된 기준 발생량을 적용하여야 한다.

비엔진 입자상물질의 기준 발생량은「도로터널 방재・환기시설 설치 및 관리지침」에 따라

<표 6.3.2>과 같이 적용하여야 한다.

지하도로는 방향별 분리된 터널의 형태로 계획 및 설계함을 원칙으로 하나, 불가피하게 양방

향 터널을 계획하는 경우에는 <표 6.3.3>에 따라 비엔진 입자상물질의 기준 발생량을 적용하

여야 한다.

소요환기량 산정을 위한 차종은 일반적으로 7개 차종으로 구분(승용차, 버스(소형, 보통), 트

럭(소형, 보통, 대형, 특수))하며, 승용차는 사용연료에 따라 휘발유와 경유로 구분한다.

소형차 전용 지하도로를 계획할 때에는 「도로의 구조·시설기준에 관한 규칙」과 「도로터

널 방재·환기시설 설치 및 관리지침」에 규정된 차종별 차량제원을 고려하여 승용차, 소형

버스, 소형트럭으로 구분하여 적용할 수 있다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 215

<표 6.3.2> 비엔진 입자상물질 기준 발생량(방향별 분리 터널)

속도(km/h) 승용차(m2/h) 대형차(m2/h) 속도(km/h) 승용차(m2/h) 대형차(m2/h)

0 0.0 0.0 60 3.9 26.5

10 0.7 4.4 70 4.6 30.9

20 1.3 8.8 80 5.3 35.3

30 2.0 13.3 90 5.9 39.8

40 2.6 17.7 100 6.6 44.2

50 3.3 22.1 110 7.2 -

<표 6.3.3> 비엔진 입자상물질 기준 발생량(양방향(대면) 터널)

속도(km/h) 승용차(m2/h) 대형차(m2/h) 속도(km/h) 승용차(m2/h) 대형차(m2/h)

0 0.0 0.0 60 6.7 30.3

10 1.1 5.1 70 7.8 35.4

20 2.2 10.1 80 9.0 40.4

30 3.4 15.2 90 10.1 45.5

40 4.5 20.2 100 11.2 50.6

50 5.6 25.3 110 12.3 -

6.3.2 환기량 산정 방법

소요환기량은 본 기준에서 제시한 설계농도를 만족하도록 산정한다. 소요환기량은 광범위한 국가에

서 적용하고 있는 WRA(PIARC) 방식으로 산정하는 것을 원칙으로 하며, 환기량은 목표년도의 차종

별 구성비 및 차종별 오염물질 기준배출량을 기초자료로 하여 주행속도별 환기량을 계산한다.

【해 설】

소요환기량 흐름도는 다음의 <그림 6.3.1>과 같다.

주행속도별 교통량 산정

( 목표년도 차종혼입률 적용)

각 주행속도에 따른 차종별 교통량 결정

차종별 CO 기준 배출량 결정

차종별 매연 기준 배출량 결정 차종별 NOX기준 배출량 결정

속도별 총 배출량 산정

( 비차량 배출분진 고려)

(속도, 경사, 차령 표고보정)

설계기준 반영 매연, CO, NOX 허용농도

소요환기량 산출

주행속도별CO에 주행속도별매연에 의한 소요환기량산출 의한 소요환기량산출 주행속도별NOX에 의한 소요환기량산출

공기치환율 최소 환기속도

소요환기량 결정

<그림 6.3.1> 소요환기량 흐름도

제6장 환기

216 지하도로 설계지침

매연, 일산화탄소, 질소산화물에 대한 소요환기량은 다음의 식들을 이용하여 산정한다.

(1) 차종별 실주행 차종구성비

차종별 실주행 차종구성비   P CU차종구성비율  × 차령구성비율 

× 주행거리비율 

(2) 유효승용차 환산대당 점유비율(EPP, Effective PCU Percentage)

E P P  차종별 실주행 차종구성비 ×승용차환산계수 

(3) 차종별 배출량



  ×  × ×  

여기서,   : 차종별 배출량(8개차종, 차종별 15차령, 총 120 차령별 차종)

 : 기준 배출량 (매연 mh대,  및  x mh 대)

   : 속도 및 경사 보정계수,  : 표고 보정계수,  : 차령 보정계수

nepm v  : 속도별 비차량 배출분진 ( mh대)

(4) 차종별 환산승용차 대당 평균배출량



 aver  Qt ×

i  



EPPti ×

여기서,    aver : 차종별 환산승용차 대당 평균 배출량 (매연 mh대,  및  x mh 대)

  : 차종 별 기준 배출량 (속도, 경사, 표고, 중량 보정 및 비차량 배출량 포함)

 : 차령군 (차량 0∼14년 까지를 5년씩 3개군으로 구분)

E P P ti : 차종 및 차령군별 EPP, 5 : 차령구분 단위 (5년)

(5) 소요환기량 계산

∙ 매연  



     ×  ×  



× 

lim   



∙ CO  



     ×  × 



×  lim   



∙ NOx 

 x



t

Q t aver × n × 



× N O x lim  NO x  



여기서,  ,  ,   x

: 소요환기량 (ms)

   aver : 차종별 환산승용차 대당 평균 배출량 (매연 mh대,  및  x mh 대)

 : 차종별 터널 내 환산승용차량 대수 (PCU대)

lim : 설계농도 (매연 :   , CO : ppm, NO x : ppm)

 : 외부농도 (매연 :   , C O : ppm, NO x : ppm)

제6장 환기

지하도로 설계지침 217

6.3.3 기타 유의사항

지하도로의 환기 특성을 고려하여야 하며 백그라운드 오염농도, 교통량의 지정체 특성, 환기구 주변

의 환경조건, 화재시 배연효과 등을 충분히 검토하여 계획하여야 한다.

【해 설】

가. 교통지체시의 환기량

교통지체는 교통량이 가능교통량을 초월한 상태일 때 발생하는 자연지체와 교통사고 등 이

상 교통시에 발생하는 사고지체가 있다. 사고지체는 본래 도로가 갖는 서비스 정도라고는

말할 수 없으므로 일반적으로 이것을 터널 환기의 대상으로 채택하지는 않는다. 그러나 자

연지체 주행이 부득이하게 발생하는 경우도 있으므로 실정을 고려하여 적절한 환기량을 산

정하여야 한다.

나. 급기 공기의 오염상태

주변공기의 배경농도, 갱구 부근의 교통에 의한 배기가스, 다른 갱구로부터의 배출가스, 또

는 환기탑에서의 배기 ․ 흡입 등에 의해서 환기에 사용하기 위하여 도입된 공기가 이미 어느

정도 오염되어 있는 경우가 있다. 이에 따라 나쁜 영향이 미친다고 판단될 때에는 주변의 환

경조사를 실시하는 것 이외에 환기방식 및 환기량 결정에 유의하여야 한다. 특히 일방향 지

하도로의 경우 배출가스가 반대방향 지하도로로 유입될 가능성이 크므로 세심한 검토를 하

고 필요시에는 터널 구조물설계에 적극 반영하여야 한다.

6.4 환기시설 설치

환기시설의 필요성은 먼저 소요환기량을 계산하고 소요환기량에 따른 자연환기 가능여부를 결정하

여야 한다. 자연환기가 불가능한 도시지역 지하도로에서는 적정한 환기시설 용량을 산정하여 기계

환기방식을 적용한 환기시설을 계획하여야 한다.

【해 설】

가. 환기방식의 선정

환기방식은, 그 특징을 충분히 살려서 터널의 길이, 지형, 지물, 지질, 교통조건, 기상조건, 환

경조건 등에 따라 효과적이고 경제적인 방식을 선정하며 대표적인 환기방식의 종류는 <그림

6.4.1>와 같이 분류할 수 있다.

제6장 환기

218 지하도로 설계지침

자연환기

Natural

2등급 이상 제연설비

Smoke control(Exhaust) system

제트팬

Jet fan

환기시스템

Ventilation

System

종류식

Longitudinal

삭카르도

Saccardo

기계환기

Mechanical

연직갱(수직갱)

Shaft

집진기

Electrostatic

Precipitator

반횡류식

Semitranseverse

횡류식

Transverse

기타 조합식

Combined

집중배기

Central Vent.

Shaft

<그림 6.4.1> 환기방식 종류

터널환기는 자연환기와 기계환기로 크게 구분되며, 자연환기는 소요 환기량을 교통 환기력

만으로 충족할 수 있는 경우이며, 그렇지 못한 경우에는 환기기에 의한 환기를 수행하게 되

며 이를 기계환기라 한다. 즉, 환기저항이 교통환기력보다 작은 경우에는 자연환기가 가능하

며, 그렇지 못한 경우에는 기계환기가 필요하다.

ΔPMTW + ΔPr ≦ ΔPt ----- 자연환기 가능

ΔPMTW + ΔPr > ΔPt ----- 자연환기 불가능

기계설비에 의한 환기방식은 차도 내 기류의 방향에 따라 종류식, 반횡류식, 횡류식 등으로

분류할 수 있고 이들의 방식을 조합하여 사용하는 경우도 있다.

환기방식의 결정에 영향을 가장 크게 미치는 것은 주행속도에 따른 소요환기량으로 소요환

기량은 터널의 기하학적인 제원 및 터널을 통행하는 교통류에 영향을 받으므로 이에 대한

충분한 검토가 요구된다. 즉, 터널 주위의 환경조건, 화재 시 환기기의 운용, 유지관리, 경제

성, 단계건설, 기타 조건 등에 대해 종합 검토하여 가장 적절한 방식으로 결정하여야 한다.

이들 변수들에 대한 각 환기방식의 특징은 <표 6.4.1>을 참고할 수 있다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 219

<표 6.4.1> 환기방식의 특징 (일방향 터널)

환기방식 종 류 식 반 횡 류 식 횡 류 식

기본적

특징

터널 내 종방향의 기류가 발생하며

교통환기력을 유효하게 이용할 수 있음,

터널 내 덕트는 필요하지 않음

터널에 평행하게

설치된 덕트에

의해서 급기 또는

배기되고 차도 내

종방향의 흐름이

발생함

터널 덕트에

의하여 급기와

배기가 동시에

이루어지기

때문에 횡방향의

흐름이 발생하고

차도를 흐르는

풍량은 비교적

작음

대표적

형식

제트팬식 샤카르트식

집중배기

방식

연직갱(수

직갱)급배

기방식

전기

집진기식

급기

반횡류식

배기

반횡류식

개 요

제트팬

및

교통

환기력

급기노즐

의 분류에

의한

승압력 및

교통

환기력

갱구로

부터

흡입되는

풍량이

있음,

교통

환기력이

저항으로

되는

구간이

존재

급기

노즐의

승압력 및

교통

환기력에

의함

급기

노즐의

승압력

및

교통

환기력,

집진에

의한

오염물질

처리효과

터널 내

급기

덕트에

의해서

신선한

공기가

공급되고

오염

물질이

희석됨

터널 내

배기

덕트에

의해서

오염

물질이

배기되고

양갱구를

통해서

신선한

공기가

공급됨

차도내

풍속

역풍상태에서 한계속도는 10m/s이하 중성점이 터널의

중앙에 있는

상태에는 8m/s를

유지하고 국부적인

한계풍속은 10m/s

이하로 함

덕트계의 분할이

가능하며,

일반적으로 차도

내 풍속은

교통환기력에

의함

경제속도

는 6m/s

제트팬과

병용하는

경우에

약 6m/s

제트팬과

병용하는

경우에 약

6m/s

약 6m/s

이하

약 6m/s

이하

구 조

천장에

제트팬

설치 공간

필요

제트팬을 병용하지 않는 경우에는

천장공간 불필요

덕트공간이 필요

급배기 덕트공간이

동시에 있어야

하므로

내공단면적이

가장 큼

유

지

관

리

설

비

동

력

차도공간에 있어서 환기를 위한 에너지 효율은

타방식에 비하여 불리함

겉보기

환기량

이

저감되

어

비교적

좋음

배기

반횡류식에

비하여

동력비가

저렴함

급기반

횡류식

에

비해서

동력비

가 큼

반횡류식에 비해서

고가임

제

어

성

풍량단계와 가동팬의 수는 비례

하지 않음

풍량

단계와

가동율은

비례하지

않고

교통량

자연풍의

적정한

운용은

비교적

곤란

풍량

단계와

가동팬

의 수는

비례하

지 않음

교통량의 변동에 비례해서 제어됨

기

타

정비시 터널 내

차도공간에서

작업이 진행됨

갱구부근의

환기소에

팬을

설치하기

때문에

용이함

환기소에 팬을

설치하기 때문에

정비가 용이

환기설비 전체의 유지관리작업량이

종류식에서 보다 증가함

제6장 환기

220 지하도로 설계지침

<표 6.4.1> 환기방식의 특징 (일방향 터널)(계속)

환기방식 종 류 식 반 횡 류 식 횡 류 식

오염물질

배출

출구측 갱구로

전량 배출

일부 또는

전량이

배기탑으로

배출,

갱구로의

배출제어가

가능

배기탑 및

출구측

갱구로

배출

출구측

갱구로 배

출, 집진된

오염

물질의

처리

출구측

갱구로

거의

전량

배출

갱구에서

오염공

기를

배출하지

않고

배기탑을

통해서

배출함

배기탑을

통해서

배출되나

일부는

터널출구로

배출됨

화재 시

배연

출구측 갱구로 배연

입갱을

통해서

일부 또는

전량

을 배연

출구측

갱구를

향한

배연으로서

운영할 수

있음

화재

시에는

기능정지

환기기의 조합에

의해서 터널구간의

배기와 급기가

자유로우므로

화재대응력이 좋음

각종

조합운전이

가능하므로

화재 대응력이

가장 우수함

자연풍의

영향

자연풍 및 피스톤작용에 의한 효과를 기대할 경우에는

이들의 영향을 정확히 평가할 필요가 있음

자연풍의 영향을 비교적 받지 않음

설치의

곤란성

덕트를 필요로하지 않기 때문에 터널의 개통후에도

환기설비의 추가 설치가 가능. 단 집진기실은 제외

차도공간과는 별도의 덕트를

필요로 하기 때문에

환기설비의 증설변경은 곤란함

설비비

환기덕트는 차도공간 자체가 되기 때문에 다른 방식에

비하여 경제성이 좋음

종류식에 비해서 고가임

기타

환기덕트로 차도공간 자체를 사용하기 때문에 압력손실이

적음, 전기집진기와 병용하여 적용연장을 늘릴 수 있음,

차도 또는 차도근방에 제트팬이 설치되므로 소음에 대한

고려가 있어야 함, 집진 정화된 공기를 3회 이상으로 하는

경우에는 주의를 요함

차량의

피스톤

작용을

저해하기

때문에

에너지효

율 면에서

종류식보

다 떨어짐

중성점

에서

오염물질

의 농도는

이론적으로

무한대가

됨

종합적으로

볼 때

가장 신뢰성

있는

환기가

가능함

최근에는 기존의 종류식과 (반)횡류식이 상호 결합된 조합형 환기방식과 같이 다양하고 새로

운 환기방식이 환기측면과 방재측면을 고려하여 지하도로(또는 도로터널)의 환기방식으로

계획되고 있는 추세이다. 예를 들어 종류식 터널상부에 배연덕트를 추가 설치한 Burrly 터

널, 상하행 교통력 차이를 활용한 공기치환방식의 쉐산터널, 출구부 오염공기를 최소화한

M5터널 등이 대표적이다(<그림 6.4.2> 참조).

최근 효율적이고 에너지 절약적인 환기팬의 기술들이 지속적으로 개발되고 있으므로 이를

반영하여 지하도로에 대한 적용성을 검토할 필요가 있다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 221

(a) 호주 Burrly 터널(제트팬+상부배연덕트 방식) (b) 대만 쉐산터널(Air Interchange 방식)

(c) 호주 시드니 M5터널(터널 갱구부 오염배출 최소화 방식)

<그림 6.4.2> 새로운 환기방식 적용사례

(a) Banana Jet Fan (b) MoJet(Momentum Jet) (c) GRP 팬 : 저소음 축류팬

: Coanda 효과 이용 : Convergent Nozzle 부착

<그림 6.4.3> 새로운 팬 기술의 개발

나. 자연환기력 및 교통환기력 검토

환기시설을 검토하기 위해서는 환기력의 기초가 되는 자연환기력 및 교통환기력의 검토가

필수적이다.

(1) 자연환기력

지하도로의 자연환기력은 양 갱구 사이의 기상조건 및 온도차에 의한 압력차와 지하도로 입

구 또는 출구로 부는 자연풍에 의한 압력차에 의해서 발생하는 것이다. 압력차를 아는 경우

에 자연환기력은 지하도로 내에서 Un의 풍속으로 맞바람이 부는 것으로 고려한다.

실제 지하도로에 작용하는 자연환기력은 순간적 변동폭이 크므로 이로 인하여 지하도로 내

로 유입되는 기류의 풍속 및 방향 또한 항상 변화한다. 자연환기력의 처리방법은 통행방식을

고려하여 최악의 상황을 가정하여 검토한다. 즉 지하도로 내 주기류의 유동방향과 반대방향

으로 자연환기력이 작용하는 것으로 가정하여 2.5m/s를 표준으로 적용한다.

일반적인 지하도로 상황에서는 이를 표준 자연환기풍속으로 적용하여도 무방하나 최근의 국

내 장대터널에서 자연환기력에 의한 유입기류 풍속이 5m/s를 상회하는 경우도 관찰되고 있

제6장 환기

222 지하도로 설계지침

어 정상적 환기 시 뿐만 아니라 지하도로 화재와 같은 비상시의 시스템 운전에 심각한 문제

를 야기하고 있다. 따라서 지하도로의 입지조건, 지형, 기상조건, 지하도로 특성 등을 고려하

여 설계자는 풍압효과 및 굴뚝효과에 의한 자연환기력과 유입 풍속을 추정하여 이를 설계에

반영하여야 한다. 또한 자연환기력의 검토를 위하여 수치해석적인 방법 등을 통하여 검증절

차를 거치도록 하는 것이 바람직하다.

① 기상관측자료의 활용방안

기상관측자료를 활용할 경우에는 관측지점에서의 풍향, 풍속자료를 지하도로 내 작용 압

력으로 환산하려면 지하도로 축방향으로의 보정이 필요하다. 또한 관측지점의 풍속계의

높이(일반적으로 10m 정도)와 터널갱구 고도차가 존재하므로 이를 보정할 필요가 있다. 따

라서 다음과 같이 보정하여 적용할 수 있다.

 w ind  K 

a V w ind d cos  w ind cos 

 w ind  V  × H 

Hportal n

여기서, wind 는 외부자연풍의 크기이며,  및 은 관측소 풍속계의 풍속과 측정높이

를 의미한다.

② 해면기압자료의 활용방안

기상월보에서는 관측지점의 대기압(hPa)을 제시하는 대신, 해면기압으로 보정한 기압을 제

시하고 있다. 이것은 일기도 작성을 위해 제공되는 데이터 특성 때문이다. 따라서 지하도

로 양 갱구부에 작용하는 (경정)기압차는 인근 기상대의 해면기압(hPa) 자료로부터 지하도

로 입 ․ 출구와 관측지점간의 거리에 대한 선형보정을 한 후, 높이에 따른 보정은 지하도로

의 평균고도를 기준으로 환산할 필요가 있다. 이때 공기주(Air column)의 높이에 따른 온도

보정은 양 갱구간의 평균온도를 기온감률에 따라 보정할 수 있다. 또한 국내 대기상의 기

온감율은 고도 1km 당 -6.25℃/km 정도로 감소하는 것으로 알려져 있으며, 중앙기상대에

서 사용하는 경정기압은 다음 식으로 표현할 수 있다.

    ⋅exp







⋅  

    Δ 

  

⋅Δ 





여기서,   : 경정기압,   : 원기압,  : 고도차,  : 건조공기 기체상수,

 : 현지 중력가속도,  : 온도,  : 기온감율,  : 수증기 영향 보정치

(2) 교통 환기력

교통 환기력은 지하도로 내를 주행하는 차량의 피스톤 효과에 의해 발생하는 것으로 자연

환기력에 비하면 큰 경우가 많다. 일반적으로 지하도로 내를 주행하는 자동차의 피스톤 작용

에 따라 교통 환기력은 정상적인 상태에서 아래의 식으로 구할 수 있다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 223

 

  



 ⋅



⋅⋅  

   ⋅∣ 

  ∣  



 ⋅



⋅ ⋅ 

  ∣ 

  ∣

위의 식에서 교통환기풍속(Ur)의 방향을 기준으로 하여 +는 환기풍 방향과 동일한 방향, -는

환기풍 방향과 반대방향을 의미한다. 즉, n+, n-는 각각 환기풍의 방향과 동일한 방향의 차량

수와 반대 방향의 차량수를 나타낸다. 또 Vt(+), Vt(-)는 차량의 주행속도를 의미한다. 또한

Am은 자동차 등가저항면적으로서 다음 식으로 계산한다.

     





   





 × 

한편, 차량의 전면투영면적 Am(㎡)은 일본에서 연구된 결과(일본고속도로주식회사, 2006)를

바탕으로 지하도로(터널) 내공단면적, Ar(㎡)과 대형차 혼입률( )과의 관계식으로 계산이 가

능하며 결과는 <표 6.4.2> 및 <그림 6.4.4>와 같다.

<표 6.4.2> 차종별 교통환기력 계수

지하도로(터널) 내공 단면적(㎡) 64 55

차 종 대형 소형 대형 소형

자동차의 등가저항면적 Am (㎡) 6.42 0.77 6.71 0.79

대형차 혼입률(%)

Ar = 55m2

Ar = 64m2

차량등가 저항면적, Am(m2)

0 50 100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

 

<그림 6.4.4> 차량의 등가저항 면적과 대형차 혼입률의 관계

(3) 교통밀도의 영향(슬립스트리밍 효과) 고려

WRA(PIARC, 1995)는 교통밀도의 변화가 교통환기력에 미치는 영향을 고려할 것을 권고하고

있다. 차량의 항력은 차량 전면 및 후면에서 발생하는 형상항력과 표면마찰항력으로 나뉘며

표면마찰항력은 전체 항력의 10% 정도에 불과하며, 지하도로(터널)과 같은 밀폐공간 내에서

의 항력은 자유유동기류 내에서의 항력에 비하여 상대적으로 크며 그 정도는 폐색율에 비례

한다. 그러나 차량항력은 앞차의 후미에서 발생하는 난류로 인해 뒤차의 항력이 감소하는

효과, 슬립스트리밍(slip streaming)효과가 발생하게 된다. WRA(PIARC)는 정체상황 하에서는

제6장 환기

224 지하도로 설계지침

교통환기력을 30%정도까지 낮추도록 권고하고 있다. 따라서 본 지침에서는 슬립스트리밍에

의한 교통환기력의 감소폭은 차속 10km/h 이하 속도에서 30%를 적용하도록 한다. 단, 교통

환기력이 저항으로 작용할 경우에는 제외한다.

(4) 지하도로의 터널 내 한계풍속

한계풍속은 터널 내 환기시설 등에 의해 형성되는 기류속도의 최대값을 규정해 놓은 한계치

를 말하며, 터널 내 풍속기준은 다음의 한계풍속 기준을 만족하여야 한다.

① 1km 이상의 종류환기방식 터널은 최소 1.5m/s 이상의 환기 풍속을 확보하여야 한다.

② 터널의 차도내 풍속은 일방향 터널인 경우에는 10m/s 이하로 하며, 국부적인 최대풍속은

12m/s를 초과하지 않도록 한다.

다. 환기풍압

터널제원 및 소요환기량이 결정되면 환기방식의 선정과 터널덕트, 연결덕트 등의 환기계, 환

기기계 사양 등의 설계검토가 가능하게 된다.

① 환기방식의 선정 단계에서는 각 환기방식의 특성을 충분히 파악하여 터널 내 농도

및 풍속분포가 교통의 안전과 쾌적성에 지장이 없도록 고려한 후에 환기계에 대한 경

제성, 시공성의 검토를 실시하여 가장 적합한 환기방식을 선정한다.

② 환기방식이 결정되면 그 방식에 대한 환기계의 규모를 결정하는 단계로 들어간다.

이 단계에서는 우선, 터널제원, 환기제원의 확인을 실시하고 소요풍압 이외에 환기기

계의 사양 및 설치대수 등의 설계검토를 실시하여야 한다.

③ 최종 실시단계에서는 환기계의 세부적인 구조치수를 명확하게 하고 계획내용의 확인

을 실시한 후 소요풍압 등을 정확하게 계산을 실시, 환기기계 사양을 결정, 환기운전

시의 각종상태(풍속, 풍압, 농도분포 등)의 예측 및 부분부하 운전특성 등을 검토하여

야 한다.

6.5 환기덕트

환기덕트는 연결덕트와 터널덕트로 구분되며 덕트의 설계는 공기역학적으로 합리적이고 건설비, 유

지비가 경제적이 되도록 설계하여야 한다.

【해 설】

가. 덕트

지하도로 덕트는 지하도로를 따라서 설치된 덕트를 가리키며 횡류환기방식 및 반횡류환기방

식에 사용된다. 지하도로 덕트에는 급기덕트와 배기덕트가 있고 각각 급 ․ 배기구가 설치된

제6장 환기

지하도로 설계지침 225

다. 지하도로 덕트의 배치는 <그림 6.5.1>과 같다.

<그림 6.5.1> 지하도로 덕트 배치(예시)

환기방식 및 환기량이 결정되면 지하도로 덕트가 부담하는 급기량 혹은 배기량을 계획할 수

있다. 이러한 경우 1환기구간 길이를 길게 하면 지하도로 덕트 단면적이 커져 건설비가 많이

드는 경향이 있으므로 지하도로 덕트 분할 수와 단면적의 관계를 지하도로의 입지조건, 지

형조건의 각종 요소를 충분히 검토하여 경제적인 설계를 하여야 한다. 여기서 1환기구간 길

이란 횡류와 반횡류환기방식의 경우는 1지하도로덕트 구간으로 구분되고, 다른 지하도로 덕

트 구간과 풍량 제어를 독립적으로 실시하는 구간의 길이를 말한다. 또한 종류환기방식의

경우는 차도공간의 공기가 교차되는 구간을 1환기 구간 길이로 본다. 경제적 설계의 구체적

인 순서는 다음과 같다.

(1) 환기계 비교안 작성

덕트 구분 수, 덕트 단면적 및 관련 연결 덕트를 계획하여 안을 세운다.

(2) 각 비교안의 소요동력 상정 및 비교항목에 대한 설비계획 각 비교안에 의한 설계조건

을 근거로 개략적인 소요풍량의 산정을 실시, 송풍기 등의 사양과 소요동력을 상정한

다. 다음에 환기소와 전기설비 등에 대한 각 비교안의 차이점을 명확하게 밝혀 건설비

상정 자료가 되도록 계획한다.

(3) 각 연도별 유지비 산정

각 비교안에 있어서 유지비의 차이는 전력비의 차이가 많으므로 주로 전력비의 추이를 산

정한다.

(4) 경제성비교

각 비교안에 있어서 건설비(지하도로 본체공, 연직갱(수직갱), 천장판 등의 덕트공, 환기소,

환기기설비, 전기관계설비 등)을 산정하여 감가상각연수를 고려하여 다음 식처럼 총 비용을

산출하여 경제성의 비교를 실시한다.

       

  



     

여기서,  : 총비용,  : 건설비,  : 년 이율,  : 감가상각연수,  : 유지비 (연간전력비)

제6장 환기

226 지하도로 설계지침

나. 연결덕트

연결 덕트는 횡류환기방식 및 반횡류식에 있어서 지하도로 덕트와 환기소를 연결하는 덕트

를 말하며 종류식에 있어서는 본갱과 환기소를 연결하는 덕트를 의미한다. 또한, 지하환기소

방식 등에서 환기소와 대기공간을 연결하는 연직갱(수직갱) 등도 연결덕트에 포함된다.

환기기의 소요풍압을 산출할 때에 환기소 내 각종 덕트에 의한 압력손실을 환기소 내 압력

손실이라고 지칭하기도 하지만 전체 덕트로 연결덕트의 압력손실은 덕트길이에 비례하는 마

찰손실에 의한 것 이외에, 덕트의 변형(휨, 확대, 축소, 분기, 합류 등)에 의한 것도 고려하여

야 한다. 연결덕트의 단면적, 연장, 변형 등의 계획에 있어서는 지하도로 덕트와 같은 방법으

로 경제성을 비교할 수 있다.

다. 환기덕트에 관한 일반적 유의사항

(1) 환기덕트의 설계 시에는 다음과 같은 사항을 유의하여야 한다.

① 마찰저항을 줄이기 위해 내면을 평탄하게 한다.

② 환기덕트의 단면형상, 특히 변형부분의 형상결정에는 휨굴곡, 굴절, 확대 축소, 분지‧

합류 등에 따른 주의사항을 충분히 검토하여야 한다.

③ 갱구 혹은 배기구에서 배출되는 지하도로 내 오염공기와 환기기를 손상시키는 이물

질이 급기구에 흡입되지 않도록 하여야 한다.

④ 콘크리트 시공에 있어서 마감치수가 설계치수보다 적게 되지 않도록 하여야 한다.

⑤ 송풍기 앞의 흡입측 덕트는 편류, 선회류가 일어나지 않도록 형상에 주의하여야 한

다. 예를 들면 90°휨이 발생한 경우 반드시 코너베인 등을 넣어야 한다.

⑥ 환기소 내 연결덕트는 별도로 풍량제어방식, 비상시 운전방식들을 충분히 고려하여

그 형상과 교환방식을 결정하여야 한다.

⑦ 배풍기를 지하도로 화재발생 시에 운전할 때는 공기냉각용 설비로서 물분무장치 등

을 배기덕트에 설치하여 배풍기로 유입되는 뜨거운 공기를 냉각시키는 것도 필요하다.

⑧ 급․배기용 콘크리트 덕트내 풍속은 팬의 정압 및 구조물의 안전성을 고려하여 계획하

되, 최대풍속이 15∼20m/s 이내로 계획하는 것이 바람직하다.

(2) 환기덕트 내에는 조명설비, 비상용시설 등의 기기, 배관 등이 포함되어 있으므로 이러

한 시설의 보수점검에 필요한 맨홀, 계단, 조명 등의 설비를 설치하여야 한다. 또한 환

기덕트 내에 침입한 물의 배수에 대해서도 고려해 두어야 한다.

(3) 지하도로 덕트는 차도상부, 하부 혹은 측부에 설치되며 손상될 경우의 보수, 교체는 매

우 곤란하다. 따라서 지하도로 덕트의 설계는 특히 내구성을 중요시하여야 한다. 또한

누풍이 있으면 계획한 대로 환기가 되지 않기 때문에 누풍이 없는 구조로 설계되어야

한다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 227

(4) 지하도로 덕트에 풍량조절이 가능한 급 ․ 배기구의 설치 면적 및 간격은 다음사항을 표

준으로 한다.

① 급기구

급기구의 면적 및 간격은 급기구의 위치, 소요환기량, 급기구 수에 따른 경제성 그리고 배

기구의 면적 및 위치를 고려하여 결정하여야 한다.

② 배기구

환기뿐만 아니라 화재 시 배연용으로도 사용되는 배기구는“도로터널방재시설 설치 및 관

리지침(국토교통부)”에 배기구의 설치간격을 50∼100m로 규정하고 있다. 따라서 배기구

간격은 환기 및 배연효과를 동시에 고려하여 50∼100m 범위에서 결정하여야 한다.

네트워크형 지하도로의 환기방식 및 환기량 산정방법은 다양한 조건에 대한 고려가 필요하

며 추가 연구에 의해 향후 구체적인 기준이 마련되어야 한다.

6.6 환기탑

지하도로 환기소는 환기기, 전기설비, 제어설비, 기타 보조기기를 기능적으로 배치하여 효율적으로

환기를 실시하도록 흡 ․ 배기구 및 터널 본체와 연결덕트를 갖춘 구조로 되어야 한다.

【해 설】

환기소 흡기구의 위치와 구조에 대해서는 횡류식 혹은 입갱 급 ․ 배기의 경우 배기구에서, 반

횡류식의 경우는 터널 갱구에서 배출되는 오염공기를 흡입하지 않도록 주의할 필요가 있다.

환기소의 내부는 설치한 기기의 감시, 점검, 간단한 수리 등에 지장이 없도록 넓게 하고, 특

히 환기기 등 대형기기에 대해서는 반 ․ 출입이 용이한 구조가 필요하다. 또한 관리원이 주재

하는 환기소의 설계에 있어서는 건축관련법규에 적합하도록 하여야 한다. 환기소는 될 수

있는 한 터널 본체에 가깝고 설치되는 여러 설비의 보수점검이 용이한 위치에 설치하는 것

이 바람직하다. 환기소는 일반적으로 터널 또는 환기용 연직갱 등의 갱구에 설치하나, 연직

갱(수직갱)의 밑부분의 가까운 지하에 설치하는 경우도 있다.

환기소 구조물 계획시 전원공급용 전기설비 설치를 위한 공간(전기실, 발전기실 등)을 계획

하여야 하며, 환기소내 전기실과 도로를 연력하는 횡단 공동구를 기준에 적합하도록 시설하

여야 한다.

제6장 환기

228 지하도로 설계지침

6.6.1 사전조사

지하도로는 대부분 도시지역 등 인구밀집지역에 건설되므로 지하도로 내에 집적된 오염물질(매연분

진 및 가스상 물질)의 고농도 배출로 인한 갱구부 및 환기탑(배기구) 인접지역의 심각한 오염이 문

제된다. 또한 장대화에 따른 내부 구조물 또는 시설물에 대한 부식 및 열화 현상 그리고 지하도로

통행자들이 느끼는 쾌적성 등과 관련있는 지하도로 내 열환경(온도 및 습도)에 대한 제어가 필요하

며, 배기구 간격이 길어지는 초장대 지하도로(터널)의 경우 열환경 문제가 심각해질 가능성이 있다.

따라서 도시지역에 위치한 초장대 지하도로의 경우 환기탑(배기구) 또는 갱구부로부터의 고농도 오

염물질 배출로 인해 인접지역의 환경 문제를 최소화할 수 있는 방안을 모색하여야 한다.

【해 설】

가. 국내 대기환경기준 조사

환기소 계획 시 국내 환경정책기본법 대기환경기준에 의해 대기오염물질별 기준 농도에 대

한 검토가 필요하며, 환경영향평가 업체 등 환경분야의 전문가가 참여하여 배출되는 오염물

질에 대한 대책을 수립한다.

<표 6.6.1> 국내 대기오염물질별 기준농도(대기환경기준)

항 목 기 준 측정방법

아황산가스

(SO2)

연간평균치 0.02ppm 이하

자외선형광법(Pulse U.V. 24시간평균치 0.05ppm 이하 Fluorescence Method)

1시간평균치 0.15ppm 이하

일산화탄소

(CO)

8시간평균치 9ppm 이하

비분산적외선분석법(NonDispersive

Infrared Method)

1시간평균치 25ppm 이하

이산화질소

(NO2)

연간평균치 0.03ppm 이하

24시간평균치 0.06ppm 이하 화학발광법(Chemiluminescent Method)

1시간평균치 0.10ppm 이하

미세먼지

(PM-10)

연간평균치 50㎍/㎥ 이하

베타선흡수법(βRay

Absorption Method)

24시간평균치 100㎍/㎥ 이하

초미세먼지

(PM2.5) 연간평균치 15㎍/㎥ 이하 중량농도법 또는 이에 준하는 자동측정법

24시간평균치

35㎍/㎥ 이하

8시간평균치 0.06ppm 이하

자외선광도법(U.V Photometric Method)

1시간평균치 0.1ppm 이하

납 (Pb) 연간평균치 0.5㎍/㎥ 이하 원자흡광광도법(Atomic Absorption Spectrophotometry)

벤젠 연간평균치 5㎍/㎥ 이하 가스크로마토그래프법(Gas Chromatography)

※ 1시간 평균치는 999천분위수(千分位數)의 값이 그 기준을 초과하여서는 아니된다.

미세먼지(PM10)는 입자의 크기가 10㎛ 이하인 먼지를 말한다.

초미세먼지(PM2.5)는 입자의 크기가 2.5㎛ 이하인 먼지를 말한다.(2015년부터 적용)

제6장 환기

지하도로 설계지침 229

나. 국외 대기환경기준 비교

<표 6.6.2> 해외 대기오염물질별 기준농도

항목 기준 시간 한국 미국 일본 영국 캐나다 호주 홍콩 중국20) EU WHO

SO2

(ppm)

10분 0.188 15분 0.107)

1시간 0.15 0.10 0.13211) 0.2015) 0.3017) 0.188 0.1311)

24시간 0.05 0.141) 0.04 0.04712) 0.0815) 0.132) 0.056 0.04712) 0.008

1년 0.02 0.03 0.02 0.03 0.023

CO

(ppm)

15분 85.8

30분 51.5

1시간 25 351) 2517) 8.6 25.7

8시간 9 91) 20 8.6 915) 91) 8.6 8.6

24시간 10 3.4

PM-2.5

(㎍/㎥)

24시간 354) 3519) 304) 25 25

년 153) 15 25 8 25 10

Pb

(㎍/㎥)

30일 1.5

3개월 0.15 1.5

년 0.5 0.25 0.5 1.5 0.5 0.5

PAH

(ng/㎥)

년 0.25 0.01

NO2

(ppm)

1시간 0.10 0.105 0.1215) 0.1117) 0.063 0.10513) 0.105

24시간 0.06 0.04∼0.06 0.061) 0.042

년 0.03 0.053 0.021 0.03 0.03 0.021 0.021 0.021

O3

(ppm)

1시간 0.1 0.125) 0.0617) 0.1015) 0.1217) 0.08

4시간 0.0815)

8시간 0.06 0.0756) 0.058) 0.065 0.0614) 0.05

PM-10

(㎍/㎥)

1시간 200

24시간 100 1502) 100 509) 50 1801) 150 5010) 50

년 50 40 5016) 55 100 40 20

주 1) 1년에 1회 이상 초과하면 안됨

주 2) 최근 3년간 24hr 평균 PM10 농도가 150을 1회 이상 초과하면 안됨

주 3) PM2.5의 연간 산술평균 농도의 3년 평균치가 15㎍/㎥을 초과하면 안됨

주 4) PM2.5의 24시간 농도의 98percentile의 3년 평균치가 35㎍/㎥을 초과하면 안됨

주 5) 1시간농도가 0.12ppm을 초과하는 일수가 년간 1회를 초과하면 안됨

주 6) 1년간 측정된 일중 8시간 평균 오존농도의 최고치 중 4번째로 높은 농도의 3년 평균치가 0.08ppm을 초과하면 안됨

주 7) SO2 15분 농도가 1년에 35회를 0.10ppm을 초과하면 안됨

주 8) O3 일중 8시간 평균농도 최고치가 1년에 10회 초과하면 안됨

주 9) PM10 24시간 농도가 1년에 35회를 50㎍/㎥을 초과하면 안됨

주 10) PM10 24시간 농도는 1년에 7회 이상 초과하면 안됨

주 11) SO2 1시간 농도는 1년에 24회 이상 초과하면 안됨

주 12) SO2 24시간 농도는 1년에 3회 이상 초과하면 안됨

주 13) NO2 1시간 농도는 1년에 18회 이상 초과하면 안됨

주 14) O3 8시간 농도는 1년에 25회 이상 초과하면 안됨

주 15) 일중 시간별 평균농도 최고치가 1년에 1일 이상 초과하면 안됨

주 16) 일평균 최고치가 1년에 5일 이상 초과하면 안됨

주 17) 1년에 3회 이상 초과하면 안됨

주 18) 오존 및 PAN과 같은 광화학 반응생성물

주 19) PM2.5의 24시간 농도의 98percentile이 35㎍/㎥을 초과하면 안됨

주 20) 2급구역(도시계획중 확정된 주거구역, 상업교통주거혼합구역, 문화구역, 일반공업지역과 농촌지역)에 적용한 기준임

※ WHO, EU, 영국의 환경기준 Conversion factor 는 20°C, 101.3kPa를 환산 적용한 값 (환경부 국립환경과학원, 2011)

제6장 환기

230 지하도로 설계지침

다. 지하도로 내 열환경 조사

특히 장대 지하도로에서 종류식 환기방식 구간이 긴 경우에는 지하도로 내 온도에 따른 문

제 발생이 가능하므로 반드시 설계 시 고려하여야 한다. 해결방안으로 고온의 기류를 배기

하고 상대적으로 저온의 기류로 교체하는 환기탑의 효율적 운영, 고온 분포 구간인 출구부

근의 팬 역방향운전 (교통량 적을 경우), 종류식을 횡류식으로 교체하는 등의 방안을 검토할

필요가 있다. 특히, 환기탑이 다수 설치되므로 하절기 외부온도가 고온 다습한 경우의 지하

도로 내 열환경에 대한 면밀한 분석이 요구된다.

라. 환기소 오염물질 저감시설 조사

장대 지하도로에서는 환기방식과 무관하게 일정 연장이상일 경우 환기소 설치가 필요하다.

또한 환기소에서는 지하도로 내 오염물질이 집중적으로 배출되게 되므로 도시지역 지하도로

의 경우에는 주변의 대기환경영향을 최소화하기 위해 다음과 같은 저감시설을 고려할 필요

가 있다.

터널에 설치되는 오염물질 저감시설은 입자상물질을 제거하기 위한 집진설비와 가스상 물질

(CO와 NOx)을 저감하기위한 일산화탄소(CO) 저감시설 및 탈질(deNOx)설비 등이 있다.

국내에는 오염물질 저감시설에 대한 설치 규정이 없어 적용사례가 많지 않다. 또한 저감시설

의 설비용량 또한 정해진 기준이 없어 환기소로 배출되는 오염물질을 전량 처리하는 사례가

드물다. 해외에서는 일본 및 유럽 등에서 도심 지하도로 및 장대터널에 저감설비의 설치사

례가 있으며 국내외 설치사례는 <표 6.6.3>과 같다.

<표 6.6.3> 오염물질 저감시설 적용사례

구 분 국 내 해 외

전기집진기

∙ 사패산터널(서울외곽순환선) ∙ 화랑지하차도(분당-내곡) ∙ 우면산터널

∙ 치요다터널(동경) ∙ 칸에츠터널

제진필터 ∙ 광장지하차도(판교 국지도23호선) ∙ 나고야 동산터널

토양대기정화시설 (EAP) ∙ 용마터널(사가정-암사간 민자사업) ∙ 일본 소규모 19개소 시범운영

NO2제거설비 ∙ 설치사례 없음 ∙ 중앙환상신주쿠선 야마테터널(동경) ∙ 래르달터널(노르웨이)

국내에서는 NO2 제거설비의 설치사례가 없는 것은 비용 문제와 설치공간의 확보가 어려운

문제가 있는 것으로 판단된다. 지하도로의 경우 환기구를 통한 오염물질의 배출을 최소화하

기 위해 저감설비의 적용방법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 231

6.6.2 환기소 설치형식

환기소의 형식은 주변 대기환경, 소음 및 경관 등을 종합적으로 고려하여 계획하되 주변 시설

물 및 거주지역 등에 영향이 없도록 그 형식을 결정할 수 있다. 환기소 형식은 크게 외부 환기

소와 지하(내부) 환기소로 구별하여 설치할 수 있다.

【해 설】

가. 외부 환기소

지하도로 외부 환기소는 설치하는 위치에 따라 지하도로 입출구부에 설치하는 경우와 수직

갱 등의 갱구 외부에 설치하는 경우로 크게 구분되며 지하도로 입출구부에 설치하는 경우는

노상에 설치하는 경우와 도로의 측면에 설치하는 경우가 있다. 어떠한 경우에도 환기소의

외관은 주위경관과 조화를 고려하여 설계할 필요가 있고 지하도로 입출구부의 노상에 설치

하는 경우에는 지하도로에 진입하는 운전자에게 위화감을 주지 않도록 하여야 한다. 외부

환기소의 환기기에서 발생하는 소음이 제한수치 이상인 경우는 대책을 강구하여야 한다.

나. 지하 환기소

환기용 수직구가 있는 지하도로에 지형과 기계구조 등에 의해 외부에 환기소를 설치하는 것

이 곤란한 경우는 수직갱 밑부분과 지하도로 사이에 지하 환기소를 설치하는 경우가 있다.

지하 환기소는 외부 환기소에 비교하여 일반적으로 공사비가 많이 소요되지만 지하도로에서

직접 환기소로 진입하여 여러 설비의 유지관리를 실시하는데 편리하다. 지하 환기소의 경우

에는 환기소 내의 온도조절, 방진, 방습 등에 유의하여야 한다.

다. 환기소 설치 시 고려사항

환기소를 지하도로 외부에 설치할 경우, 환기탑을 통한 오염물질의 효율적 대기확산을 위해

서는 배출속도 및 환기탑 높이에 대한 검토가 요구된다. 또한 외부로의 소음저감을 위한 설

비를 계획할 필요가 있는데, 소음감쇄장치(noise attenuator), 소음차단벽(noise barrier), 소음

흡수패널(rear-side acoustic absorbing panel)의 설치 그리고 저소음 포장을 통하여 입출구

갱구 및 교차로 부근에서의 소음수준을 저감시킬 수 있는 방안의 검토가 필요하다.

지하 환기소의 경우에는 많은 전력을 필요로 하는 지하도로 환기설비(제트팬, 축류팬, 집진

기 등) 가동과 직접적으로 관련 있는 지하도로환경 측정시스템(VI, CO, NO, 풍속, 풍향 등)의

측정값 정확도 및 신뢰성 향상 방안을 함께 검토할 필요가 있다. 이는 집진 및 탈질 설비를

설치할 경우, 지하도로 내부 환기소 뿐만 아니라 입 ․ 출구측 오염물질 농도를 상시 측정할

수 있는 체계를 구축하여 해당설비에 대한 효율성능을 파악하고 적정한 유지보수를 통해 환

기소 설비와 연동 및 성능 향상 및 고가 설비의 내구연한을 증대하는 것이 바람직하다. 즉,

내 ․ 외부 환기소의 경우 모두 오염물질 필터링 및 이를 측정 관리할 수 있는 방안을 수립할

제6장 환기

232 지하도로 설계지침

필요가 있으며, 특히 매연분진 및 NO2 제거 기술(집진 및 탈질 설비)을 적극적으로 검토할

필요가 있다. 형태는 <그림 6.6.1>과 같으며 매연 및 NO2 제거 시스템 설치터널 사례는 일본

Aio-cho 터널, Nonmachi 터널, Nishishinjuku 터널, Yoyogi 터널, Kanayamacho 터널, Ohashi

터널, Shinjuku 터널, 노르웨이 Lerdal 터널, 스페인 Sur M30 터널 등이 있다.

<그림 6.6.1> 도시지역 환경제어용 환기구 사례 (예, 탈질(De-NO2) + GRP 팬 시스템)

라. 환기소 설치간격

환기소는 환기측면에서는 지하도로와 같은 초장대 터널에서 내부의 오염공기를 배기하고 외

부의 신선공기를 유입하여 터널내 오염물질 농도를 기준치 이하로 유지하기 위해서 필요한

시설이며, 화재시에는 화재연기를 배기하기 위한 시설이다.

환기소 설치간격은 오염배출량 특성, 환기소 설비용량(팬 정압)특성, 주변환경(대기환경기준)

특성 및 화재발생 시 배연능력 등을 종합적으로 고려하여 설치간격을 결정하되 최대 5.0㎞

를 초과하지 않은 것이 바람직하다. 다만 고정압팬 등 관련 설비 및 장치의 성능 증가 여건

에 따라 환기와 배연 측면의 기준을 모두 만족하는 경우에는 설치간격을 5.0km 이상으로 확

대하는 방안을 적용할 수 있다.

「도로터널 방재・환기시설 설치 및 관리지침(국토교통부)」에서는 방재측면을 고려하여 터

널연장이 3,000m 이상인 경우에 대해 배연을 위해서 환기소의 설치를 권장하고 있다.

도시지역에 건설되는 환기소는 주요 민원 및 갈등 요인으로 작용될 우려가 높다. 따라서 환

기소를 계획할 때에는 환기소(수직갱) 개소수를 최적화하여 환기소 설치와 관련된 민원 문제

를 최소화 하는 것이 바람직하다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 233

6.6.3 환기탑 높이

환기탑을 건설하는 경우 배기탑을 세운 위치 및 그 부근의 배기확산 경향 등을 고려한 대기환

경영향을 검토하여 그 높이를 결정한다.

【해 설】

가. 일반적인 고려사항

외부풍속이 낮고 대기가 안정되어 있어 대기의 오염물질 확산능력이 낮은 수준일 때에는 지

표 가까이에서의 오염농도는 일반적으로 낮다. 반면 외부풍속이 어느 정도 불고 배기탑을

통하여 배출되는 오염체(plume)가 신속하게 확산되어 하강하게 되면 지표부근에서의 농도는

높아진다. 이와 같이 배기탑 주변의 환경영향은 외부기상조건에 큰 영향을 받으므로 이에

대한 면밀한 검토가 요구된다. 특히 지하도로나 환경적 영향평가가 요구되는 터널에서의 외

부 확산은 3차원 시뮬레이션 분석이 요구된다.

산악지 배기탑의 높이는 20m 이상이 일반적이다. 이 높이에서는 배출 오염체(plume)의 모멘

텀과 부양력이 상향 확산을 돕게 되기 때문이다. 배기탑이 높을수록 확산효과가 좋아지므로

지상에서의 오염농도가 낮아지게 된다. 따라서 주변 건축물보다 높은 위치에 배기점이 있는

경우, 즉 건축물의 영향을 받지 않은 대기층으로 배출 확산 되는 경우가 확산효과가 한층 더

좋아지게 된다.

배기탑의 배출방식은 측면배출보다 상부배출 방식이 외부 빗물 등의 유입수 처리에는 불리

하나, 외부 자연풍의 역풍조건에는 유리하고 배출된 공기를 대기 중으로 수직상승 및 확산

시키는 효과는 우수하다.

배기탑의 토출풍속에 대한 규정은 나라별로 10~25m/s 정도이므로, 일반적인 토출풍속은

10m/s 이상으로 계획하되 배기팬의 정압 및 동력에 무리가 없도록 계획할 필요가 있다. 다

만, 소음 등에 민감한 지역의 경우는 최대 15m/s 를 초과하지 않도록 계획하는 것이 바람직

하다.

환기소는 환기기, 전기설비, 제어설비, 기타 보조기기를 기능적으로 배치하여 효율적으로 환

기를 실시하도록 흡 ․ 배기구 및 터널 본체와 연결덕트를 갖춘 구조로 되어야 한다.

특히 흡기구의 위치와 구조에 대해서는 횡류식 혹은 입갱 급 ․ 배기의 경우 배기구에서, 반횡

류식의 경우는 지하도로 갱구에서 배출되는 오염공기를 흡입하지 않도록 주의할 필요가 있

다.

환기소의 내부는 설치한 기기의 감시, 점검, 간단한 수리 등에 지장이 없도록 넓게 하고, 특

히 환기기 등 대형기기에 대해서는 반 ․ 출입이 용이한 구조가 필요하다. 또한 관리원이 주재

하는 환기소의 설계에 있어서는 건축관련법규에 적합하도록 하여야 한다. 환기소는 될 수

있는 한 터널 본체에 가깝고 설치되는 여러 설비의 보수점검이 용이한 위치에 설치하는 것

제6장 환기

234 지하도로 설계지침

이 바람직하다. 환기소는 일반적으로 지하도로 또는 환기용 입갱 등의 갱구에 설치하지만

연직갱(수직갱) 밑부분에서 가까운 지하에 설치하는 경우도 있다.

다. 환기탑 높이 검토

지하도로 내 오염물질 배출을 위한 환기탑 설치 시 환기탑에서 배출되는 오염물질로 인해

주변 주거지역 피해가 발생할 수 있으며, 민원발생의 가능성이 있다. 따라서 환기탑 설계과

정에서 민원발생 최소화를 위한 환기탑 설계의 적정성을 판별하고, 환기탑에서 발생하는 오

염물질의 주변건축물의 영향여부를 판별하기 위해서는 환기탑 설계 방안을 통한 검토가 필

요하다.

<그림 6.6.2>는 환기탑 높이 설계법을 간단한 Flow Chart로 나타낸 것이다. 각 단계별 기준

만족 시 환기탑 높이의 설계는 적절한 것으로 판단하며, 기준 불만족 시 다음단계의 분석을

수행하며 최종단계(확산 시뮬레이션)에서 기준 불만족 시 환기탑 높이 설계가 적절하지 않은

것으로 판단하며, 설계변경을 통해 환기탑 높이를 수정하여야 한다.

<Step 1> : 주변현황조사(대기오염측

정망 조사, 주변건축물

높이 및 이격거리 조사,

관련 법적기준 조사)

<Step 2> : 환기탑 배출높이 계산

<Step 3> : 오염물질 확산거리 분석

<Step 4> : 확산시뮬레이션

<그림 6.6.2> 환기탑 높이 설계 Flow Chart

주변현황 조사(Step1)에 따른 환기탑 인근 건물의 높이가 초고층 빌딩일 때 환기탑 배출높이

가 그 건물 높이를 초과하는 것은 사실상 불가능하므로(설계비 과중) 오염물질 확산거리 분

석(Step2)을 통해 그 건물에 미치는 오염물질의 영향을 분석한다. 오염물질 확산거리분석

(Step2)을 통한 주변건물의 오염물질 농도가 기준치 이상일 때 확산시뮬레이션(Step4)을 통

해 오염물질의 영향을 분석한다. 최종단계(Step4 : 확산 시뮬레이션)에서 기준 불만족 시 환

기탑 높이설계가 적절하지 않은 것으로 판단하며, 설계변경을 통한 환기탑 높이수정 및 오

염저감설비 설치를 통해 주변건물의 영향을 최소화 하여야 한다.

다음은 본 지침에서 제시하고 있는 흐름에 따라 환기탑 높이 설계를 검토한 예이다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 235

(1) Step 1 : 주변현황 조사

① 대기오염 측정망 조사

환기탑에서 배출되는 오염물질의 확산 영향을 분석하려면, 그 지역의 대기오염농도를 조사하여

환기탑에서 배출하는 오염물질의 농도와의 보정을 통해 법적 기준농도 이하를 만족하여야 한다.

국내 국가 및 지자체 대기오염 측정망은 아래 표와 같이 총 447개소이며, 환기탑 설치 지역과 가

장 근접한 측정소의 대기오염 농도를 조사한다. 각 측정망의 설치 목적 및 측정항목은 상이하므

로 검토가 필요한 측정항목을 고려하여 측정망을 선택할 필요가 있다.

<표 6.6.4> 국가 및 지자체 대기오염 측정망 설치현황

구 분 총계

국 가 측 정 망 지 자 체 측 정 망

교외

대기

국가

배경

유해

대기 광화학 산성

강하물

지구

대기

도시

대기 도로변 대기

중금속

계 447 16 5 31 26 40 1 243 36 49

국 가 110 16 5 31 17 40 1 - - -

지자체 337 - - - 9 - - 243 36 49

② 주변건축물 높이 및 이격거리 조사

환기탑 계획 부지 주변의 대기오염 측정망을 이용한 대기오염농도 조사와 함께 환기탑 주변의

건축물 에 대한 현황조사가 필요하다. 환기탑 주변 건축물의 높이, 환기탑과의 이격거리 등을 조

사하여 환기탑의 배출높이 기준을 산정하여야 한다.

예를 들어 주변 건축물의 최고높이가 100m라 가정하면 환기탑의 배출 높이 기준은 100m로 설정

하여야 하며 이때 환기탑의 높이가 100m가 아니라 기류속도 등을 고려한 환기탑의 배출높이를

적용하여야 한다.

(2) Step 2 : 환기탑 배출높이 계산

환기탑에서 배출되는 오염물질은 환기계획에 따른 배출풍속에 의해 배출높이가 결정되므로 배연

상승모델을 이용하여 배출량에 따른 배출높이를 예측하여 환기탑 높이선정의 적정성을 판별한다. 연

기상승 계산공식을 제시하기 전에 오염 배출원과 기상인자의 함수로써 Δ를 계산하는데, 각종 경

험치 및 이론적 방법이 존재한다. Δ은 풍속과는 반비례관계가 있으며 열 배출속도와는 비례관계

가 있다.

① 배연상승모델의 종류

배연상승 모델은 <표 6.6.7>과 같이 다양한 종류가 있으며 대기오염방지와 관련해서는 Bosanquet

식을 주로 사용한다.

<표 6.6.5> 배연상승모델의 종류

구 분 적용규모 비 고

Bosanquet Ⅰ식 소규모 배열 배출원 Bosanquet Ⅱ식 중~대규모 배열배출원 대기오염방지에 이용

Moses - Carson 식 소~대규모 배열배출원 총량규제에 적용

CONCAWE식 중규모 배열배출원 NOx총량규제에 사용

Briggs "Plume Rise" 무배열 또는 중~대규모 배출원 US-EPA ISC로 사용

제6장 환기

236 지하도로 설계지침

- Briggs 제안식(1969, 1971, 1975)

먼저 배출 연기특성을 파악하기 위해서 아래와 같이 배출연기의 열부력(Fb)과 관성력(Fm)을 각각

계산하다.

- Bosanquet 제안식

∙ 운동량에 의한 배출높이(Hm)

       ÷   × 

 ×   ×   

여기서,   : 가스실유량(㎥/sec),   : 실제배출속도(m/sec),   : 외기평균풍속, 2.6m/s

∙ 온도에 의한 배출높이(Ht)

   × 

 ×  ×  × Δ ln       

    ×   

 

 ×  ×   ÷  ×      ×  ÷  ×  × Δ 

 

여기서,  : 중력가속도 (9.8m/s2),   : 외기평균온도 (285.6K(=12.6℃)),

Δ : 가스와 외기의 온도차, K or ℃

∙ 유효높이(He)

      ×      

통상 풍하지역으로 건물높이의 5∼10배에 이르는 지역에 와류가 형성되고, 연직방향으로는 건물

높이의 2배에 해당되는 높이까지 와류가 형성된다. 배출이 건물주변에 위치하고 이 와류지역 내

에 배출연기가 혼입되면, 연기가 상승하지 못하고 와류지역으로 혼입되는 건물세류현상(building

downwash)이 발생한다. 통상 이와 같은 건물 세류현상을 방지하기 위해서는 배출의 높이를 주변

건물높이의 2.5배 이상 높게 설계하여야 한다.

② 배출높이 계산

배연상승 모델을 이용하여 계획된 배출풍량에 따른 오염물질의 배출높이를 계산한다. 이 계산결

과와 계획된 환기탑높이의 합이 주변건물 중 최고높이(m)를 초과하면, 환기탑에서 배출되는 오염

물질에 따른 주변건물의 영향이 미미한 것으로 판단한다.

그러나 결과가 주변건물 중 최고높이(m) 미만이면, 환기탑에서 배출되는 오염물질에 따른 주변건

물의 영향이 있을 것으로 예상되므로 확산모델 적용에 따른 세부분석이 필요하다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 237

<표 6.6.6> 배연상승모델별 유효배출높이 계산조건(예시)

구 분 적용 구분 적용 환기탑개요

배출유량 80 m3/s 외기평균기온 15 ℃

배출유속 5 m/s 배출온도 25 ℃

배출구내경 4.5 m 외기평균풍속 2.5 m/s

<표 6.6.7> Bosanquet 식 적용 시 배출높이(예시)

구 분 적용식 배출높이

운동량에 의한

배출높이      ÷  ×

 ×  ×  31.4m

온도에 의한

배출높이

   × 

 ×  × × Δ ln      

   × 



 ×  ×   ÷  ×     × ÷  ×  × Δ 

 

42.4m

유효높이      ×   56.5m

배연상승모델 계산식에서 배출높이를 결정하는 주요 요소는 배출유속과 오염물질과 대기와의 온

도차에 의한 열부력 등이며 도시지역 지하도로 환기탑 설계 시 오염물질과 대기와의 온도차가 발

생하지 않는(열부력 효과 발생 없음) 상황을 고려해야 하므로, 배출높이를 고려하지 않은 유효높

이(  )는

    ×

   ×



  



× 

 ⋅  





  

를 적용하는 것이 적절할 것으로 판단되며 유효높이는 30m로 산정할 수 있다.

(3) Step 3 : 오염물질 확산거리 분석

환기탑에서 배출되는 오염물질은 환기계획에 따른 배출풍속에 의해 배출높이가 결정되므로 배연상

승모델을 이용하여 배출량에 따른 배출높이를 예측하여 환기탑 높이선정의 적정성을 판별한다. 연기

상승 계산공식을 제시하기 전에 오염 배출원과 기상인자의 함수로써 Δ를 계산하는데, 각종 경험

치 및 이론적 방법이 존재한다. Δ은 풍속과는 반비례관계가 있으며 열 배출속도와는 비례관계가

있다.

배연상승모델의 적용에 따른 오염물질 배출높이가 주변건물높이 미만으로 분석되면 오염물질에 따

른 주변건물의 민원이 발생할 수 있다. 오염물질의 확산은 거리에 따라 감소되므로 확산거리에 따른

영향분석이 필요하다.

Screen3 모델은 미환경청(US EPA)에서 제공하는 대표적인 스크린모델로 대기질 영향을 간단한 형태

로 예비검토하기 위해 개발된 모델이다. 대기질 영향이 최악이 되는 기상조건을 선정하여 모델링 할

수 있으며 Screen3을 이용한 거리에 따른 오염물질 농도를 분석하여 주변건물의 오염물질 영향을

검토할 수 있다.

제6장 환기

238 지하도로 설계지침

① 오염물질 확산거리 도출

Screen3 모델을 이용하여 오염물질 확산거리를 분석한 결과 주변건축물과의 이격거리 이하로 분

석되면 환기탑에서 발생하는 오염물질의 영향이 없는 것으로 판별한다. 오염물질 확산거리 분석

결과 주변건축물과의 이격거리 이상으로 분석되면 지형 및 대기의 영향을 고려한 확산시뮬레이

션을 통해 환기탑설계의 적정성을 판별한다.

- Screen 3 시뮬레이션 예시

<표 6.6.8> Screen 3 시뮬레이션 분석조건(예시)

구 분 적용 구분 적용 환기탑개요

배출량 0.3 g/s 외기평균기온 15 ℃

배출유속 5 m/s 배출온도 25 ℃

배출구내경 4.5 m 외기평균풍속 2.5 m/s

배출량 선정 ∙ 설계속도 : 100km, 총연장 : 7km, AADT : 47,854대인

장대터널 10km/h주행시 매연발생량 적용

<그림 6.6.3> Screen 3 시뮬레이션 해석영역(예시)

상기와 같은 예시조건으로 Screen3 시뮬레이션을 통한 거리별 오염물질 농도를 분석한 결과는

다음과 같다.

<그림 6.6.4> Screen 3 시뮬레이션을 통한 거리별 오염물질 농도 분석결과(예시)

<표 6.6.9> Screen 3 시뮬레이션을 통한 거리별 오염물질 농도 분석결과(예시)

오염물질 배출높이 분석결과

약 23.5m 주변건물 영향농도 113.7ug/㎥ ⇨ 24시간 기준 100ug/㎥ 초과

제6장 환기

지하도로 설계지침 239

(4) Step 4 : 확산 시뮬레이션

오염물질 배출높이 및 확산거리 분석결과를 통해서 환기탑에서 배출되는 오염물질이 주변건물에 영

향을 미칠 것으로 예상되면 확산모델을 이용한 시뮬레이션을 통한 정확한 예측이 필요하다. 확산시

뮬레이션 결과 주변건물 오염물질 농도가 기준치 이상으로 분석되면 재설계를 통한 환기탑 높이의

수정이 필요하다.

확산에 사용되는 모델로는 AERMOD와 ISC모델 등이 있으며 2005년 12월부터 미국 EPA 가이드라인

모델이 ISC에서 AERMOD로 변경됨에 따라 국내에서도 대기 예측모델을 AERMOD로 변경할 것을 권

고하고 있다. 현재 영향평가에 대부분 사용되는 ISC3의 경우 면오염원을 입력할 경우 지형의 효과가

반영되지 않는 반면에 AERMOD는 지형 효과에 대한 고려가 가능한 특징이 있다.

지형과 기상데이터 적용을 통한 확산시뮬레이션 분석결과 주변건축물의 오염물질 농도가 대기환경

기준치 이하로 분석되면 환기탑 설계가 적절한 것으로 판단한다. 반면 오염물질 농도가 기준치 이상

으로 분석되면 환기탑 높이에 대한 재설계를 실시하여 법적기준치를 초과하지 않는 적정한 환기탑

높이를 산정하여야 한다.

<그림 6.6.5> AERMOD 확산 시뮬레이션 결과(예시)

<표 6.6.10> AERMOD 확산 시뮬레이션 결과(예시)

항목 배출량 배출유속 배출구내경 외기평균기온 배출온도 외기평균풍속

적용사항 0.3g/s 5m/s 4.5m 15℃ 25℃ 2.5m/s

분석결과 ∙ AERMOD를 이용한 오염물질 확산농도 분석

∙ 환기탑(0.3g/s로 오염물질 배출)과 200m 떨어진 건물의 오염물질농도 : 53.63ug/㎥

제6장 환기

240 지하도로 설계지침

6.6.4 환기탑 형식

지하도로의 환기탑 형식은 주변 대기환경, 경관, 거주지역 주민과의 갈등 등을 복합적으로 검토

하여 계획하여야 한다.

【해 설】

가. 개요

지상에 돌출된 환기소의 배기탑(환기탑)은 주변에 혐오시설로 인식되어 민원이 많이 발생하

고 있으므로 주변 경관과 조화롭게 건설될 뿐 아니라 오염물질로 인한 환경영향성도 고려해

야한다. 또한, 지상부지의 효율적인 활용과 타 시설물(전기실, 제어실, 복합 휴게공간 등)과

연계성을 고려하여 다양한 활용방안도 모색하는 것이 바람직하다.

나. 환기탑 계획

환기탑은 오염물질 배출에 의한 악영향을 최소화하기 위해서 오염물질 저감시설 설치뿐 아

니라 설치위치 및 높이, 배기의 토출 방향 등을 함께 고려하여 계획하여야 한다.

일본 동경의 도시지역에 있는 신주쿠중앙환상선 지하도로의 환기탑은 주변 건물보다 높게

계획하여 터널에서 배출되는 오염물질이 대기 중으로 확산되도록 계획하였다.

<그림 6.6.6> 고층형 환기탑 구조물

일본 홋카이도의 에루무 터널 환기탑은 환기탑의 높이와 배출기류 속도를 고려하여 주변의

건물 등 구조물보다 높은 지점에서 오염물질이 확산되도록 유효높이 확보형으로 계획하였

다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 241

<그림 6.6.7> 유효높이 확보형 환기탑 구조물

또 다른 구조물 형식으로는 프랑스 A86 터널 환기구에 적용된 사례와 같은가 공원형(은폐형)

환기탑 구조물이 있다. 주변 녹지공원 경관과 조화를 이루도록 환기탑을 낮게 설치하고 오

염물질을 저속으로 배출하는 형식이다. 이러한 형식의 환기탑은 환기소 내에 오염물질 저감

설비를 설치하여 배출되는 공기에 오염물질이 포함되지 않는 것이 전제되어야 한다.

<그림 6.6.8> 공원형(은폐형) 환기탑 구조물

나. 환기탑 형식

환기탑 형식은 건축물과 일체화 시키거나 지형을 이용하여 거부감을 없애거나 조형물 형태

로 설계하여 주변 경관과 조화롭게 계획한다. 환기탑 구조물 형식에는 <그림 6.6.9>와 같이

다양한 사례가 있다.

제6장 환기

242 지하도로 설계지침

(a) 영국 Queensway 터널 (b) 미국 Holland Tunnel (c) 호주 Clem7 터널

(d) 지형을 고려한 위치(Kingsway터널(영국)) (e)주변건물보다 높게 설치(IOGO터널(일본))

(f) 주거지 이격설치 및 환기시설 차폐한 경관조형(신월여의지하도로 계획안)

(g) 주변지역 특성과 유지관리를 고려한 조형물 및 외장재 계획 (강변북로 지화화(양화대교∼원효대교) 계획안)

<그림 6.6.9> 환기탑 구조물 예시

제6장 환기

지하도로 설계지침 243

6.7 환기시설 제어 최적화

환기검토가 완료되어 환기방식이 최종 선정되면 소요동력 등에 대한 경제성 분석을 수행하여 제어

계획을 수립하는 것이 바람직하다.

【해 설】

가. 환기시설 제어 최적화 필요성

터널연장이 장대화됨에 따라 터널 내 풍속이 고속인 경우에는 제트팬에 의한 종류환기 방식

은 타방식에 비해서 환기기 운전동력이 증가할 우려가 있다. 따라서 환기시설의 경제성 측

면에서는 수직갱 방식 또는 바이패스방식을 검토하는 것이 바람직하다.

조합환기방식(제트팬과 오염물질 저감방식 또는 제트팬과 수직갱 방식)에서는 환기기 운전

조합에 따라서 발생 풍량이 동일할지라도 소비동력의 차이가 발생할 수 있으므로 반드시 소

비동력을 최소로 할 수 있는 운전단계를 검토하고 이에 따른 환기기 제어 계획을 수립하도

록 한다.

나. 환기시설 운전조합에 따른 운전 단계선정(예시)

환기를 위해 적용되는 축류팬의 용량제어는 대수제어, 극수제어, 유압에 의한 가변익제어,

인버터에 의한 회전수제어방식에 의해서 수행되며, 소요동력은 풍량의 3제곱에 비례하기 때

문에 풍량증가는 전력비를 크게 증가시키게 된다. 이에 전력비 절감을 위한 제어방안 및 운

전단계의 설정이 반드시 필요하다.

환기기별 운전단계는 제어방식에 따라 달라진다. 즉, 제트팬과 같이 대수제어하는 경우에는

제트팬 대수(n)+1(0대 운전포함)의 운전단계가 발생할 수 있으며, 대형 축류팬의 경우에는 극

수제어하는 경우에는 설정극수(n)+1단계, 가변익제어나 화전수제어하는 경우에는 무단계로

제어가 가능하며, 일반적으로 최소풍량(30%)에서 10%단계로 제어한다면 9단계의 운전단계

를 설정하는 것이 가능하다. 따라서 아래 예와 같이 제트팬(36)대과 수직갱 등의 축류팬을

회전수 제어한다면 아주 많은 운전단계가 발생할 수 있다.

예) 제트팬 : 36대(2대 1조로 하여 운전)

→ 운전단계(0, 2, ... 34, 36대) : 19단계

축류팬 : 30%∼100% 회전수 제어

→ 운전단계(0, 30, ... , 90, 100%) : 9단계

총운전단계 ⇒ 제트팬 운전단계 19단계(0~36대) × 9단계 = 171단계

조합환기방식에서는 환기기에 따라서 소요동력에 따른 발생환기량이 차이가 발생하기 때문

에 <그림 6.7.1>과 같은 검토를 통해서 운전단계를 최적화할 필요가 있다.

제6장 환기

244 지하도로 설계지침

1단계 ⇨ 2단계 ⇨ 3단계 ⇨ 4단계

터널환기 시스템 분석

환기기 운전조합 선정

운전조합에 따른 발생

환기량 및 운전동력계산

확보 환기량과

소요동력을 변수로 정열

동일 환기량 범위에서

최소 운전동력 조합 선정

<그림 6.7.1> 조합 환기방식의 운전단계선정방안

조합 환기방식의 운전단계선정 예시

(1) 1단계 : 환기기 용량 산정 및 시스템 분석

① 터널제원

- 터널연장 : 5,000m(소형차 전용), 경사도 : 1%, 단면적 : 36.2㎡

- 교통량

구분 승용차 가솔린 디젤 버스 소형 트럭 소형 합 계

교통량(AADT) 15,981 10,654 461 3,590 30,686

혼 입 율(%) 52.08 34.72 1.5 11.7 0

차 중 량(ton) 1.31 1.31 2.06 2.19

환산대수 1 1 1 1

② 환기시스템별 환기기 용량산정

ㄴ

환기방식 구분 내용

수직갱

방식

환기기 용량 ∙ 제트팬 8대+수직갱풍량(90㎥/s, 2EA)

소비동력 ∙ 최대 환기기 운전동력 : 제트팬(37kW×8EA)+ 수직갱 축류팬

(239kW×2EA = 774kW)

공기정화

방식

환기기 용량 ∙ 제트팬 8대+공기정화시설용량(100㎥/s), 공기정화시설의 제거효율 90%

소비동력 ∙ 최대 환기기 운전동력 : 제트팬(37kW×8EA)+ 공기저화시설 축류팬

(239kW×2EA)+ 공기정화시설 자체동력*30kW) = 804kW

횡류환기

방식

환기기 용량 ∙ 제트팬 8대 + 급배기풍량(140㎥/s×2존)

소비동력 ∙ 제트팬(37kW×8EA) +급배기용 축류팬(186kW×4EA) = 1,040kW

③ 운전조합선정

- 제트팬 운전단계 : 0, 2, 4, 6, 8 → 5단계

- 수직갱 또는 축류팬의 운전단계 : 0, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100% → 9단계

- 총 운전단계 : 45단계(5×9)

(2) 2~3 단계 : 운전조합에 따른 환기량 및 운전동력

<그림 6.7.2>, <그림 6.7.3> 및 <그림 6.7.4>는 각각 수직갱 방식, 공기정화방식, 횡류

환기방식에 대한 운전조합별 소요동력과 확보환기량을 나타낸 것으로, 그림에서

“ㅇ”는 모든 환기기 운전조합, “▲”은 최적화하지 않고 제트팬을 우선 운전하고

환기량을 충족하지 못하는 경우에 수직갱 또는 공기정화시설을 운전하는 경우, “•”

은 환기량이 동일한 범위에서 소요동력을 최소로 할 수 있는 운전조합으로 운전단계를

구성한 경우이다.

제6장 환기

지하도로 설계지침 245

① 수직갱 및 공기조화방식 방식의 운전단계 선정

그림에서 주행속도가 저속인 경우에는 동일 풍량에 대한 운전동력을 최소로 하는 운

전단계와 최적화하지 않은 운전단계의 차이가 거의 없는 것으로 나타나고 있으나, 주행

속도가 고속 80km/h에서는 운전동력의 차이가 큰 것으로 나타나고 있다. 따라서, 주행

속도가 고속일 때 환기기 운전이 요구되는 조건의 터널에서 운전동력의 절감효과가 보

다 크게 나타날 것으로 예상된다.

② 횡류환기방식에 대한 분석

횡류환기방식의 경우에는 운전동력은 제트팬을 우선 운전하고 축류팬을 순차적으로

가동하는 경우나 운전단계를 최적화한 경우가 거의 비슷한 경향을 보이고 있다. 그러나,

주행속도가 고속인 경우에는 최적화한 경우가 동일풍량에서 소요동력이 작게 나타고 있

다. 그러나 이 경우에도 최적화에 따른 동력저감효과가 종류환기방식보다는 작을 것으

로 예상된다.

(a) 수직갱방식 - 주행속도 10km/h (b) 수직갱방식 - 주행속도 80km/h

<그림 6.7.2> 환기기 운전조합에 따른 환기량과 동력 - 수직갱방식

(a) 공기정화방식 - 주행속도 10km/h (b)공기정화방식 - 주행속도 80km/h

<그림 6.7.3> 환기기 운전조합에 따른 환기량과 동력 - 공기정화방식

제6장 환기

246 지하도로 설계지침

(a) 횡류환기방식(급배기) - 주행속도 10km/h (b) 횡류환기방식(급배기) - 주행속도 80km/h

<그림 6.7.4> 환기기 운전조합에 따른 환기량과 동력 - 횡류환기방식

(3) 4단계 : 운전단계의 선정

<표 6.7.1>, <표 6.7.2> 및 <표 6.7.3>는 환기방식별 운전단계별 운전조합을 나타낸 것으로,

최적화된 운전조합은 주행속도에 따라서 다르기 때문에 추행속도가 저속(10km/h)인 경우와

고속(80km/h)인 경우로 구분하여 환기기 운전제어를 수행할 것을 제시한다. 환기기 운전단계

는 수직갱이나 공기정화시설을 우선 가동하는 것이 보다 효과적이며, 주행속도가 고속일수

록 운전비용 절감효과가 클 것으로 예상된다.

<표 6.7.1> 환기방식별 운전단계 선정 : 공기정화방식

운전

단계

주행속도

운전

단계

주행속도

10km/h 80km/h 10km/h 80km/h

제트팬

공기정화시설

풍량

제트팬

공기정화시설

풍량

제트팬

공기정화시설

풍량

제트팬

공기정화시설

풍량

1 0 30 0 30 7 4 60 0 90

2 0 40 0 40 8 4 80 0 100

3 0 50 0 50 9 6 80 2 100

4 0 60 0 60 10 8 80 4 100

5 2 50 0 70 11 8 90 6 100

6 2 70 0 80 12 8 100 8 100

<표 6.7.2> 환기방식별 운전단계 선정 : 수직갱방식

운전

단계

주행속도

운전

단계

주행속도

10km/h 80km/h 10km/h 80km/h

제트팬 수직갱 풍량 제트팬 수직갱 풍량 제트팬 수직갱 풍량 제트팬 수직갱 풍량

1 0 27 0 27 7 6 45 0 81

2 0 36 0 36 8 8 45 6 72

3 0 45 0 45 9 6 72 2 90

4 2 36 0 54 10 8 72 4 90

5 2 54 0 63 11 8 81 6 90

6 4 45 0 72 12 8 90 8 90

제6장 환기

지하도로 설계지침 247

 

<표 6.7.3> 환기방식별 운전단계 선정 : 횡류식

운전

단계

주행속도

운전

단계

주행속도

10km/h 80km/h 10km/h 80km/h

제트팬 축류팬 제트팬 축류팬 제트팬 축류팬 제트팬 축류팬

1 2 0 0 42 7 8 70 2 98

2 4 0 0 42 8 8 84 0 112

3 6 0 0 42 9 8 98 6 98

4 8 0 0 70 10 8 112 8 105

5 8 42 0 84 11 8 126 8 112

6 8 56 0 91 12 8 140 8 140

다. 환기시설 운전 자동제어기법 최적화 (예시)

터널내 환기시스템 운전제어는 운전단계가 정해지면 비교적 단순하며, 입력변수 또한 단

순하기 때문에 기존에는 특별한 제어알고리즘이 없이 허용농도에 따른 목표치를 설정하고

터널내 농도가 목표치 이하이면 환기기 가동을 정지하고 목표치 이상이면 가동을 정지하

는 On/Off방식의 단순피드백제어를 적용하는 것이 대부분이다. 본 예시는 현재의 농도와

제어주기 동안의 농도변화를 제어입력으로 하는 퍼지알고리즘에 의한 제어로직의 예를 보

여주고 있다.

퍼지제어로직은 <그림 6.7.5>에 나타낸 바와 같이 제어입력을 퍼지화과정을 거쳐 소속함수

(membership function)로 변화하고, 퍼지규칙(fuzzy rule)을 적용하여 추론과정(fuzzy

inference engine)을 통해 퍼지출력을 추론한 후, 이를 비퍼지화과정(defuzzifier)을 통해 제

어대상의 제어출력(OpSTEP)를 계산하게 된다.

전술한 퍼지제어로직을 터널환기시스템 제어에 적용하기 위해서 터널내 VICO센서에서 계

측되는 CO농도와 가시도(VI) 및 제어주기동안에 이들의 변화량(COVI)을 제어입력으

로 하였다. 또한 현장제어의 편리성을 위하여 퍼지추론과정을 생략하고 입력치에 대한 소

속함수를 정량화 테이블(Quantization table)에 의해서 구하고 이에 따른 제어출력(운전단

계)을 제어결정표(Lookup table)에 의해서 구할 수 있도록 간략화 하였다.

또한 제어대상 오염물질은 오염물질 별로 제어출력을 구한 후에 운전단계가 높게 요구되

는 오염물질을 대상으로 하였으며, 주행속도가 저속인 경우에는 VI에 대한 제어를 선택적

으로 수행할 수 있도록 하였다.

<그림 6.7.5> 터널환기 퍼지제어로직

제6장 환기

248 지하도로 설계지침

<표 6.7.4>에 정량화테이블 및 <표 6.7.5>에 제어결정표의 예시를 나타내었다. 적용 예에서

와 같이 현재의 농도가 동일할 지라도 제어주기 동안의 농도변화량에 따라서 제어출력에

차이가 발생할 수 있다.

즉, 터널내 오염물질의 농도가 동일할지라도 농도가 증가하고 있는 상태이면 제어출력은

가중되나 농도가 감소하는 상황에서는 제어출력은 작게 결정된다.

(1) 적용예 1 : 현재의 CO농도가 110ppm이고 제어주기 동안에  CO가 10ppm이라면 현재

농도와 농도변화량에 대한 정량화 값은 각각 1과 1이며, 이 경우 제어출력은 1이 된다.

(2) 적용예 2 : 현재의 CO농도가 110ppm이고 제어주기 동안에  CO가 -10ppm이라면 현재

농도와 농도변화량에 대한 정량화 값 각각 1과 -1이며, 이 경우 제어출력은 0이 된다.

Level

소광계수(K; Extinction Coefficient) 일산화탄소(CO)

저속 Vt <= 30 중속 30< Vt <60 고속 Vt >=60 km/h 전속도

K ΔK K ΔK K ΔK CO ΔCO

min max min max min max min max min max min max min max min max

6 15.5 ∞ 7.3 8.0 13.6 ∞ 6.4 7.0 11.7 ∞ 5.5 6.0 194 ∞ 92 ∞

5 14.0 15.5 6.0 7.3 12.2 13.6 5.3 6.4 10.5 11.7 4.5 5.5 175 194 75 92

4 12.5 14.0 4.7 6.0 10.9 12.2 4.1 5.3 9.3 10.5 3.5 4.5 156 175 58 75

3 11.0 12.5 3.3 4.7 9.6 10.9 2.9 4.1 8.3 9.3 2.5 3.5 138 156 42 58

2 9.7 11.0 2.0 3.3 8.5 9.6 1.8 2.9 7.3 8.3 1.5 2.5 121 138 25 42

1 8.5 9.7 0.7 2.0 7.4 8.5 0.6 1.8 6.4 7.3 0.5 1.5 106 121 8 25

0 7.5 8.5 -0.7 0.7 6.6 7.4 -0.6 0.6 5.7 6.4 -0.5 0.5 94 106 -8 8

-1 6.6 7.5 -2.0 -0.7 5.8 6.6 -1.8 -0.6 5.0 5.7 -1.5 -0.5 83 94 -25 -8

-2 5.4 6.6 -3.3 -2.0 4.7 5.8 -2.9 -1.8 4.1 5.0 -2.5 -1.5 67 83 -42 -25

-3 4.1 5.4 -4.7 -3.3 3.6 4.7 -4.1 -2.9 3.0 4.1 -3.5 -2.5 51 67 -58 -42

-4 2.6 4.1 -6.0 -4.7 2.3 3.6 -5.3 -4.1 2.0 3.0 -4.5 -3.5 33 51 -75 -58

-5 1.1 2.6 -7.3 -6.0 1.0 2.3 -6.4 -5.3 0.8 2.0 -5.5 -4.5 14 33 -92 -75

-6 0.0 1.6 -8.0 -6.7 0.0 1.4 -7.0 -5.8 0.0 1.2 -6.0 -5.0 0.0 20 -∞ -83

<표 6.7.4> 정량화표(Quantization Table)의 예시

C ΔC -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

-6 -6 -6 -6 -5 -4 -4 -4 -3 -2 -2 -2 -1 0

-5 -6 -5 -5 -5 -4 -3 -3 -3 -2 -1 -1 0 1

-4 -6 -5 -4 -4 -4 -3 -2 -2 -2 -1 0 1 2

-3 -5 -5 -4 -3 -3 -3 -2 -1 -1 0 1 1 2

-2 -4 -4 -4 -3 -2 -2 -2 -1 0 1 2 2 2

-1 -4 -3 -3 -3 -2 -1 -1 0 1 1 2 3 3

0 -4 -3 -2 -2 -2 -1 0 1 2 2 2 3 4

1 -3 -3 -2 -1 -1 0 1 1 2 3 3 3 4

2 -2 -2 -2 -1 0 1 2 2 2 3 4 4 4

3 -2 -1 -1 0 1 1 2 3 3 3 4 5 5

4 -2 -1 0 1 2 2 2 3 4 4 4 5 6

5 -1 0 1 1 2 3 3 3 4 5 5 5 6

6 0 1 2 2 2 3 4 4 4 5 6 6 6

<표 6.7.5> 제어결정표(Lookup table) 예시