2020

도 로 설 계 요 령

AN01145-000145-12

발 간 등 록 번 호

제4권 터널

 

터 널

제 9 편 터널

제 9-1 편 터널 본체

제 9-2 편 터널 환기

제 9-3 편 터널 조명

제 9-4 편 터널 방재

제4권

 

제 9-2 편 터널 환기

 

제4권 터널

428

3.1 설계 일반

3.1.1 환기 설계의 개요

환기 설계 단계는 환기의 기본계획 단계, 터널 단면과 덕트 단면을 결정하는 단계 및 환기시

설 제원의 설계 단계 등 각 검토 단계마다 아래와 같이 실시해야 한다.

(1) 환기량의 설계

(2) 자연환기의 계산

(3) 기계환기의 설계

(4) 환기방식에 의한 환기 구분, 환기 덕트 및 연결 덕트 등의 환기계에 관한 설계

(5) 환기기, 관련 전기설비 및 환기소의 설계

(6) 환기 운용, 기타 사항 검토 및 설계

그러나 각 검토 항목의 내용 및 정밀도는 검토 목적에 따라 다르다.

3.1.2 환기 계산에 사용하는 단위

국제적으로 통일된 단위인 국제표준화기구(ISO)의 SI단위계에서는 질량, 길이, 시간을 바탕

으로 힘을 N(Newton)으로 표시하고, 압력을 Pa(Pascal = N/m2)로 표시하고 있다. 따라서

이 요령에서는 SI단위계의 사용을 원칙으로 하나, 기존 자료들의 호환성을 고려하여 병기하

여 표기한다.

. 중력 및 힘 : kgf

. 압력 : kgf/m2 혹은 mmAq(Pa)

(1 kgf/m2 = 1 × 10-3 mH2O = 1 mmAq = 9.8 Pa)

. 밀도 : kg/m3

3. 설 계

제9-2편 터널 환기

429

3.1.3 환기 계산에 사용하는 기호와 단위

(1) 공간을 표시하는 기호

. L(m) : 길이

. A(m2) : 단면적

. D(m) : 대표값

. 첨자 r : 교통공간을 표시(예, Ar)

b : 송기(예, Lb)

e : 배기(예, De)

d : 연결(예, Ld)

(2) 교통에 관한 기호

. N(대/h) : 시간 교통량

. n(pcu 혹은 대/km·lane) : 터널 내 교통밀도

. Vt(m/sec) : 평균주행속도

. 첨자 + : 교통량이 많은 방향의 교통을 표시(예, n+)

- : 교통량이 적은 방향의 교통을 표시(예, n-)

rL : 대형차 혼입율

rd : 디젤차 혼입율

. Am(m2) : 자동차 등가저항면적

(3) 풍속을 표시하는 기호

. U(m/sec) : 단면 평균 풍속

. 첨자 r : 교통 공간 (예, Ur)

b : 급기 덕트 (예, Ub)

e : 배기 덕트 (예, Ue)

d : 연결 덕트 (예, Ud)

. Un(m/sec) : 자연풍속

(터널 내를 흐르는 바람의 속도)

제4권 터널

430

. We(m/sec) : 기상풍속

(터널 외부에 부는 바람의 속도)

(4) 압력을 나타내는 기호

. P(mmAq or Pa) : 압력

. PT(mmAq or Pa) : 전 압력

. ΔP(mmAq or Pa) : 압력 차, 압력 손실

. 첨자 r : 교통 공간 (예, ΔPr)

b : 송기 덕트 (예, ΔPb)

e : 배기 덕트 (예, ΔPe)

d : 연결 덕트 (예, ΔPd)

t : 교통에 의한 것 (예, ΔPt)

j : 분류에 의한 것 (예, ΔPj)

. ΔPMTW(mmAq or Pa) : 양 갱구 간 압력차

. ΔPG(mmAq or Pa) : 터널 갱구와 연직갱(수직갱) 등 갱구 간의 압력차

[연직갱(수직갱) 등 갱구 압력을 기준으로 함]

. PTOT(mmAq or Pa) : 환기기의 소요 전 압력

(5) 환기량에 관한 기호

. Qreq(m3/sec) : 소요 환기량

. QT, QCO, QNOx(m3/sec) : 오염물질별 소요 환기량(매연, CO, NOX)

. q(m3/sec/m) : 단위 길이 당 환기량

. 첨자 b : 송기 (예, qb)

e : 배기 (예, qe)

. q0(m3/대/h 또는 m2/대/h) : 기준 배출량

. Qt(m3/대/h 또는 m2/대/h) : 보정 후 차종별 배출량

. Qt,aver(m3/대/h 또는 m2/대/h) : 차종별 환산승용차 대당 평균 배출량

. t : 차종(t=1 ~ 8)

. i : 차령군(i=1 ~ 3)

제9-2편 터널 환기

431

. Qs(m2/sec 또는 m3/sec) : 오염물질별 총 배출량

. nepm(v)(m3/대/h) : 속도별 비차량 분진 배출량

. EPP : Effective PCU Percentage, 유효 승용차 환산대당 점유 비율

. G : 유해성분량

. g : 단위 길이 당 유해성분량

. f : 보정계수

. 첨자 v,i : 속도 및 경사에 의한 것(fv.i)

h : 표고 보정(fh)

a : 차령 보정(fa)

. Klim(m-1) : 매연 설계농도

. COlim(ppm) : 일산화탄소 설계농도

. NOxlim(ppm) : 질소산화물 설계농도

. τ(%) : 매연투과율

3.1.4 공기 흐름에 관한 설정 조건과 정수

환기에서 취급하는 흐름은 국부적으로 보면 비교적 복잡하나, 거시적으로 보면 정상류 흐름

으로 가정하여도 실용상 지장이 없다. 또한 검토의 대상이 되는 유속도 일반적으로 30

m/sec 이하인 경우가 많아 압축성의 영향은 무시할 수 있다. 환기의 대상이 되는 터널 내

공기는 차량에서 배출된 각종 유해가스와 분진을 함유, 터널 밖의 공기와는 조성이 다르지

만 이것에 의한 공기 성질의 차이는 거의 무시할 수 있는 범위이다. 따라서 환기계산은 공기

의 흐름에 관한 아래의 여러 조건을 전제로 하여 실시해야 한다.

(1) 비압축성 유체

터널 환기에 있어서는 공기의 압축성의 영향을 무시하고 비압축성 유체로 취급한다.

(2) 정상류

덕트 및 차도 내의 흐름은 시간적으로 변화하지 않는 정상류로 취급한다. 또한 자동차의 교

통환기력에 대해서도 자동차 주행은 정상흐름으로 가정한다.

제4권 터널

432

(3) 공기의 성질

환기하는 공기는 송ㆍ배기를 불문하고 순수공기로 간주하고, 다음의 값을 표준으로 한다.

. 밀도 : ρ = 1.2 kg/m3

. 동점성계수 : ν = 1.52 × 10-5 m2/sec

(4) 벽면 마찰손실계수와 터널 입구 손실계수

특별한 경우를 제외하고는 일반적으로 다음과 같은 수치를 사용한다.

. 터널 덕트 벽면 마찰손실계수 : γb = γe = 0.015 ~ 0.025

. 연결 덕트 벽면 마찰손실계수 : γa = 0.015 ~ 0.025

. 터널 입구 유입손실계수 : ζe = 0.6

. 차도 벽면 마찰손실계수, γr = 0.020 ~ 0.025

단, 상기 벽면 마찰손실계수는 콘크리트 덕트를 기준으로 하며 덕트 및 연결 덕트의 재질이

변경될 경우 별도의 검토 과정 후 마찰손실계수를 적용한다.

3.2 환기량 산정

소요 환기량은 이 요령에서 제시한 설계농도를 만족하도록 산정한다. 소요 환기량은 광범위

한 국가에서 적용하고 있는 WRA(PIARC) 방식으로 산정하는 것을 원칙으로 한다.

3.2.1 환기량의 산정식

환기량은 목표연도의 차종별 구성비 및 차종별 오염물질 기준 배출량을 기초 자료로 하여

주행속도별 환기량을 그림 3.1의 흐름도에 의해서 구하고 이를 비교 검토하여 결정한다.

매연, 일산화탄소, 질소산화물에 대한 소요 환기량은 다음의 식들을 이용하여 산정한다. 각

식에 포함되어 있는 오염물질별 배출 총량 (q0T, q0CO, q0NOx), 배출량 보정계수(f) 및 설계기

준농도(Klim, COlim, NOxlim)는 ‘2.4 환기의 대상물질 및 농도’를 참조하며, 차종별 교통량(n)

은 ‘2.3 설계에 사용하는 교통량’을 참조한다.

소요 환기량은 이 요령에서 제시한 설계농도를 만족하도록 산정한다. 소요 환기량은 광범위

한 국가에서 적용하고 있는 WRA(PIARC) 방식으로 산정하는 것을 원칙으로 한다.

제9-2편 터널 환기

433

주행속도별 교통량 산정

(목표연도 차종혼입률 적용)

각 주행속도에 따른

차종별 교통량 결정

차종별 매연 기준

배출량 결정

차종별 CO 기준

배출량 결정

속도별 총 배출량 산정

(비차량 배출 분진 고려)

(속도·경사, 차령, 표고 보정)

설계기준 반영 매연,

CO, NOX 허용농도

주행속도별 CO에 의한

소요 환기량 산출

주행속도별 NOX에 의한

소요 환기량 산출

공기치환율

최소 환기속도

소요 환기량 산출

소요 환기량 결정

주행속도별 매연에 의한

소요 환기량 산출

차종별 NOx 기준

배출량 결정

<그림 3.1> 환기량 산출 흐름도

(1) 차종별 실주행 차종 구성비

차종별 실 주행 차종 구성비(%)

= PCU 차종 구성 비율(%) × 차령 구성 비율(%) × 주행거리 비율(%) (3.1)

(2) 유효승용차 환산대당 점유 비율(EPP, Effective PCU Percentage)

EPP  차종별 실주행 차종구성비×승용차환산계수 

(3.2)

제4권 터널

434

(3) 차종별 배출량

Qt  qo × fv i × fh × fa  n epm v  (3.3)

Qt : 차종별 배출량

(8개차종, 차종별 15차령, 총 120 차령별 차종)

qo : 기준배출량 (매연 m2 /h대, CO 및 NO2 m3/h대)

fv,i : 속도 및 경사 보정계수

fh : 표고보정계수

fa : 차령 보정계수

nepm(v) : 속도별 비차량 배출분진 (m2/h대)

(4) 차종별 환산승용차 대당 평균배출량

Qt aver  Qt × 

i  



EPPti ×  (3.4)

Qt,aver : 차종별 환산승용차 대당 평균배출량

(매연 m2/h 대, CO 및 NOx m3/h 대)

t : 차종 (8개 차종, 차종별 3차령구분, 총 24 개 차종구분)

Qt : 차종별 기준배출량 (속도, 경사, 표고, 중량 보정 및 비차량 배출량 포함)

i : 차령군 (차량 0-14년까지를 5년씩 3개군으로 구분)

EPPti : 차종 및 차령군별 EPP

5 : 차령구분 단위(5년)

(5) 소요 환기량 계산

. 매연 QT 

t

Qt aver × n ×



× K lim Kamb



(3.5)

. CO QCO 

t

Qt aver × n ×



×COlim  COamb



(3.6)

. NOx Q

NOx



t

Qt aver × n ×



×NOxlim NOxamb



(3.7)

QT, Qco, QNOx : 소요환기량(m3/sec)

Qt,aver : 차종별 환산승용차 대당 평균배출량

제9-2편 터널 환기

435

(매연 m2/h 대, CO 및 NOx m3/h 대)

L : 터널 길이(km)

n : 차종별 터널 내 환산승용차량 대수(PCU, 대)

lim : 설계농도(매연 : m-1, CO : ppm, NOx : ppm)

amb : 외부농도(매연 : m-1, CO : ppm, NOx : ppm)

3.2.2 기타 유의사항

(1) 환기량 계산 시 주의사항

앞서 기술한 것처럼 소요 환기량은 교통상태 등에 의해 크게 좌우된다. 즉, 교통량에 비례하

든가 주행속도에 따라 경사 보정계수가 변화하며 동시에 환기설계 농도도 변한다.

또한 차종 구성에 따라 대폭적으로 소요 환기량이 달라진다. 따라서 어떤 터널에서 환기량

계산을 구체적으로 실시할 경우에는 출현이 예상되는 교통상태에 대하여 충분한 검토를 실

시, 예상되는 교통 상태마다 환기량 계산을 실시하고, 도로의 특성과 터널의 성격 및 유해성

분의 배출량에 영향을 미치는 각종 요인을 정확하게 판단, 최종적인 검토의 대상이 되는 교

통상태와 환기량을 결정하는 것이 바람직하다.

(2) 교통지체 시의 환기량

교통지체는 교통량이 가능 교통량을 초월한 상태일 때 발생하는 자연지체와 교통사고 등 이상

교통 시에 발생하는 사고지체가 있다.

자연지체는 본래 도로가 갖는 서비스 정도라고는 말할 수 없으므로 일반적으로 이것을 터널

환기의 대상으로 채택하지는 않는다. 그러나 자연지체 주행이 부득이하게 발생하는 경우도

있으므로 실정을 고려하여 적절한 환기량을 산정할 필요가 있다. 자연지체의 경우는 보통 승

용차가 많은 교통으로서 매연보다는 일산화탄소가 검토 대상이 되는 사례가 많다.

사고지체에 대해서 충분히 만족하는 환기량을 고려하는 것은 일반적으로 경제적인 면에서

불리하다. 그러나 사고지체가 발생한 경우에 그 터널이 가진 환기시설의 범위 내에서 환기운

용을 실시할 때 어떠한 환기상태가 나타나는지 검토해 둘 필요가 있다.

이때, 바람직하지 않은 환기상태가 나타날 것이라고 예상될 때에는 엔진 정지와 교통 규제를

포함한 별도의 대책도 함께 검토해 두어야 한다.

제4권 터널

436

(3) 도심지 터널의 환기 설계농도와 환기량

도심지 터널 등에서 갱구 주변의 연직갱(수직갱) 및 환경 조건에 따라 터널 출구에서 분출되

는 환기량 또는 농도를 제한해야 한다. 이 경우 환기의 설계 농도는 터널 내부 환경 확보라는

조건만이 아니라 외부 환경에 미치는 영향도 포함하여 검토되어야 한다.

(4) 화재와 배연량의 관계

터널 내에 화재가 발생한 경우의 대책 중 하나로 화재 초기단계와 본격 소화 활동 등의 단계

에서 배연 기능의 확보가 요구되는 경우가 많다. 보다 유효하고 합리적인 배연량의 산정은

기술적ㆍ경제적으로 곤란한 문제이므로 소요 환기량의 범위 내에서 효과적인 배연 기능을

발휘할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

(5) 입기 공기의 오염상태

주변 공기의 배경 농도, 갱구 부근의 교통에 의한 배기가스, 다른 갱구로부터의 배출가스,

또는 환기탑에서의 배기ㆍ흡입 등에 의해서 환기에 사용하기 위하여 도입된 공기가 이미 어

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

환경조사를 실시하는 것 이외에 환기방식 및 환기량 결정에 유의해야 한다. 특히 일방향 터

널의 경우 배출가스가 인접 터널로 유입될 가능성이 크므로 세심한 검토를 하고 필요 시에는

터널 구조물 설계에 적극 반영해야 한다

(6) 단터널의 저속 시 매연 및 CO 처리 문제

도심지 터널을 제외한, 제연팬이 설치되지 않고 정체발생 빈도가 높지 않는 일반국도 및 고

속국도의 단터널(500 ~ 1,000m 이하)의 경우는 정체 시(10 km/h 이하) 매연 및 CO 처리를

위한 계획 제트팬(단면 내 허용 구경 제트팬)의 설치 대수가 1대 미만일 경우가 종종 발생할

수 있다. 이때는 교통 상황 및 경제성 등을 고려하여 자연환기방식을 채택하는 것이 합리적

일 수 있다.

3.2.3 소요 환기량 산정 방법

2004년도의 WRA(PIARC) 권고 기준에서는 1995년도 기준 제시 때와는 달리 소요 환기량

의 계산을 위한 구체적 방법을 명확히 하지 않고 있다. 이 요령에서는 PB(Parsons

제9-2편 터널 환기

437

Brinckerhoff Quade & Douglas)사가 2006년도에 WRA(PIARC)(2004)를 바탕으로 제

시한 오염물질의 총 배출량을 산정하는 방법(소위 유효 PCU 방법)을 총 배출량 산정 방법

으로 제안한다.

이 요령에서 제시하는 소요 환기량 산정 방법은 Step 1. 교통량 및 차종 구성비 정의, Step 2.

전체 교통량에 대한 배출량 평균치를 추정하기 위한 가중치(차종구성비)의 추정, Step 3.

가중치를 추정한 후에 각 차종별 배출량을 계산하고, 전체 배출량을 추정한 후, Step 4.

설계농도를 고려한 소요 환기량을 산정하는 단계를 거친다.

(1) 교통량 및 차종 구성

이 요령 2.3.3의 “도로용량과 추정 교통량”에서 기술한 바와 같이 환기설계 시의 교통량은

도로용량편람에 제시된 설계속도별 도로용량을 기준으로 적용한다. 설계목표연도의 교통량이

도로용량 보다 현저히 적어 C수준 이상(A, B, C)일 경우에는 첨두설계시간교통량을 적용한다.

① 차종 구분

WRA(PIARC)(2004)에서는 차종 분류를 승용차(3.5ton 이하 소형차의 총칭)와 대형차

(HGV, 중형, 대형차의 총칭)으로 구분하나, 이 요령에서는 표 3.1에서와 같이 현재의 환

기설계 시 적용하는 7개 차종에 경유 승용차 1종을 추가하여 총 8개 차종으로 구분한다.

환경부 대기환경보전법 시행령의 제작차 배출허용기준상의 차종 구분이 이 요령의 차종

구분 방법과 상이하여 기준 배출량 산정에 혼선을 빚을 가능성이 있다. 표 3.2는 ‘대기환

경보전법 시행규칙 별표 17’의 차종을 이 요령상의 환기설계를 위한 8개 차종으로 재분

류한 결과이다. 표 안의 내용은 대기환경보전법상의 차종 분류 항목이다.

<표 3.1> 차종 구분

구 분

승용차 버 스 트 럭

휘발유 경유 소형 대형 소형 중형 대형 특수

제4권 터널

438

<표 3.2> 대기환경보전법 제작차 배출 허용 기준상의 차종 재분류

적용시기

승용차 소형버스 소형트럭

경유 휘발유 경유 경유

1999년 이전

승용

자동차

승용

자동차

소형화물

자동차(가)

소형화물

자동차(나)

2000 이후

승용

자동차

승용(가)

소형화물

자동차(가)

소형화물

자동차(나)

2001 이후

승용

자동차

승용

자동차(가)

중형

자동차(가)

중형

자동차(나)

2002.7 이후 승용1 승용1(가) 승용2(나) 화물2

2006 이후

소형

승용

소형

승용(가)

중형

승용(2)

중형

화물(2)

2009 이후

소형

승용

소형승용 기준2(가)

중형승용

1,305＜RW≤1,760

중형승용

1,305＜RW≤1,760

1999년 이전

중량

자동차

중량

자동차

중량

자동차

중량

자동차

2000 이후

중량

자동차

중량

자동차

중량

자동차

중량

자동차

2001 이후 대형자동차(가) 대형자동차(가) 대형자동차(가) 대형자동차(가)

2002 이후 대형자동차(나) 대형자동차(나) 대형자동차(나) 대형자동차(나)

2002.7 이후 승용4/화물3 화물3 화물3 화물3

2006 이후 대형승용 대형화물 대형화물 대형화물

2009 이후

대형화물

(ETC)

대형화물

(ETC)

대형화물

(ETC)

대형화물

(ETC)

② 차령 분포

차종별로 차령 분포 비율을 정의함이 바람직하나, 만일 차령 분포 자료가 없는 경우에는

WRA(PIARC)(1991, Road tunnels, report of the committee)에서 제안한 선진 산업

국가(Industrialized countries)의 차령 분포 자료를 적용할 것을 권고한다.

WRA(PIARC) 1991에 따른 차령 분포는 차령 0 ~ 14년 까지 총 15년을 고려 대상으로

하며 표 3.3과 그림 3.2와 같다. 따라서 차령을 고려한 총 차종은 8개 차종과 차령 15년

의 곱인 120개로 구분한다. 그러나 계산상의 편의를 위하여 이 요령에서는 차령을 5년

단위로 나누어 0 ~ 4년, 5 ~ 9년, 10 ~ 14년의 3단계로 구분한다. 3단계로 구분된 차령

별 분포 비율은 표 3.4에 제시되었다.

제9-2편 터널 환기

439

<표 3.3> 차령 분포 비율

차령(년) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

구성 비율

(%)

10 10 10 10 10 9.5 8.5 7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5

<표 3.4> 5년 단위의 차령 분포 비율

차령(년) 0 ~ 4 5 ~ 9 10 ~ 14

5년 단위

구성 비율(%)

각 10 각 7.5 각 2.5

<그림 3.2> 차령 분포 비율

③ 상대주행거리비 (relative mileage, REM)

상대주행거리비(REM)은 신차일수록 차령이 높은 차에 비하여 많이 주행함을 반영하기

위함이다. WRA(PIARC) 1991에는 REM에 관한 정확한 수치는 제시하지 않았으나 개략

적 그래프를 제시하고 있으며, 제시된 그래프에서 해석한 REM은 표 3.5 차령별 상대주

행거리(REM)와 같다. 이 요령에서는 표 3.6과 같이 5년 단위의 차령별 상대주행거리비

로 단순화하여 적용한다. 단, 차령에 따른 주행거리에 관한 자료의 획득이 가능한 경우에

는 이를 적용하는 것이 바람직하다.

<표 3.5> 차령별 상대주행거리비(REM)

차령(년) 0 ~ 9 10 11 12 13 14

주행거리비율(%) 101.3 99.7 98.6 97.4 96.3 95.2

제4권 터널

440

<표 3.6> 5년 단위의 차령별 상대주행거리비(REM)

차령(년) 0 ~ 4 5 ~ 9 10 ~ 14

5년 단위

주행거리비율(%)

각 101.3 각 101.3 각 97.4

④ 유효승용차 환산대당 점유 비율(EPP)

승용차환산계수는 차종별 점유 도로 공간의 상대적 크기를 고려한 것이다. 전술한 바와

같이 2001년 개정된 환산계수는 표 3.7과 같다. 한편, 환산계수의 역수는 1대의 환산

승용차가 나타내는 트럭이나 버스의 대수를 의미하므로, 다음과 같은 식으로 정의되는

유효승용차 환산대수 비율(EPP, Effective Percentage)은 차종별 실주행 차종 구성비를

계산 한 후에 모든 차종을 승용차로 환산한 경우, 환산 승용차 1대가 배출량 중에서 점유

하는 비율을 의미한다. 예를 들어 환산계수가 2인 평지를 주행하는 대형버스[PCU 환산

차종 구성비 9.2%, 차령(0 ~ 4년) 구성비 10%, 상대 주행거리 비율 101.3%]의 경우에는

승용차로 환산한 대수가 1.5대이므로, EPP는 다음 식으로 계산하면 0.62%이다[3.2.4

(8) 참조]. 즉, 0.62%은 대형버스를 승용차로 환산한 경우, 환산 승용차 1대의 배출량

점유비율이다.

EPP  차종별 실주행 차종구성비 ×승용차환산계수PCE



<표 3.7> 승용차환산계수

구 분 평 지

소형(2.5톤 미만 트럭, 12인승 미만 소형버스) 1.0

중형(2.5톤 이상 트럭, 버스) 1.5

대형(세미 트레일러, 풀 트레일러) 2.0

(2) 차종별 배출량

① 차종별 배출량 계산

표 3.8의 차종별 기준 배출량에 속도 및 경사 보정계수, 표고 보정계수, 차령 보정계수를

곱한 후, 매연 배출량의 경우는 비차량 배출 분진량을 더함으로써 차종별 배출량을 산정

한다.

제9-2편 터널 환기

441

Qt  qo × fv i × fh × fa  n epm v 

Qt  차종별 배출량

(8개 차종, 차종별 3차령 구분, 총 24개 차종 구분)

qo : 기준배출량

fv,i : 속도 및 경사 보정계수

fh : 표고 보정계수

fa : 차령 보정계수

nepm(v) : 속도별 비차량 배출 분진

② 환산 승용차 대당 평균 배출량 계산

승용차로 환산한 후, 환산 승용차 1대당 평균 배출량은 다음 식으로 계산할 수 있다. 5년

단위로 구분한 차령군의 각 차령군별 EPP 값이 같으므로 각 차령군별로 EPP값을 계산한

후 5를 곱하는 식이다. 따라서 평균 배출량(Qreq)은 승용차환산계수로 환산한 후의 승용차

1대당 평균 배출량이다.

Qt aver  Qt × 

i  



EPPti × 

Qt aver : 차종별 환산승용차 대당 평균 배출량

매연 m2/h대, CO 및 NOx m3/h대)

t : 차종(8개 차종, 차종별 3차령구분, 총 24개 차종구분)

Qt : 차종별 기준 배출량(속도, 경사, 표고, 중량 보정 및 비차량 배출량 포함)

i : 차령군(차령 0 ~ SIM 14년까지를 5년씩 3개군으로 구분)

EPPti : 차종 및 차령군별 EPP

5 : 차령구분 단위(5년)

③ 차종별 총 배출량 계산

승용차환산계수로 환산한 후, 차종별 승용차 1대당 평균 배출량(Qt aver )에 터널 내의 차

종별 차량 대수(nt , 환산 승용차 대수)를 곱하여 차종별 총 배출량을 계산한다.

Qs 

t

Qt aver × nt

제4권 터널

442

<표 3.8> 기준 배출량(qo)

구분

승용차 버스 트럭

휘발유 경유 소형 대형 소형 중형 대형 특수

매연

(m2/h)

0.000 0.787 0.787 23.375 0.787 11.481 25.857 33.460

CO

(m3/h)

0.030 0.014 0.018 0.554 0.018 0.272 0.613 0.793

NOx

(m3/h)

0.001 0.003 0.004 0.166 0.004 0.082 0.184 0.238

<표 3.9> 보정계수의 적용

보정계수 적용 배출 물질 적용 차종 참조

속도, 경사 매연, CO, NOx 모든 차종

그림 2.6

그림 2.8

그림 2.9

표고 매연, CO, NOx 모든 차종 그림 2.7

차령 CO, NOx

소형차

(휘발유)

표 3.4

표 3.6

(3) 소요 환기량 계산

총 배출량(Qs )을 설계농도로 나누어 오염물질별 소요 환기량을 계산한다. 전술한 단계를 전

속도(10 ~ 80 km/h) 범위 내에서 10 km/h에서 시작하여 10 km/h 단위로 증가시키면서

반복 수행한다. 속도별 매연, CO, NOx 기준 소요 환기량 중 최대값을 소요 환기량으로 최

종 선택하게 된다. 단, 환기 검토 제외속도 식(식 5-2)을 참조하여 지정체가 발생하지 않을

것으로 예상되는 터널의 경우는 일부 저속 구간의 차속은 제외할 수 있다.

참고적으로 백그라운드 농도인 외부 농도(amb)는 일반적으로 0으로 취급할 수 있으나, 도심

지 터널이나 갱구부 주변의 인근 거주지역에서 민원 문제 등이 야기될 수 있는 경우에는 주

변 대기환경 지표를 참조하여 계획할 필요가 있다.

제9-2편 터널 환기

443

. 매연

QT 

t

Qt aver × n ×



× K lim Kamb



. CO

QC O 

t

Qt aver × n ×



×COlim COamb



. NOx

Q

NOx



t

Qt aver × n ×



×NOxlim NOxamb



QT, Qco, QNOx : 소요 환기량(m3/sec)

Qt,aver : 차종별 환산승용차 대당 평균 배출량

(매연 m2 /h 대, CO 및 NOx m3/h 대)

L : 터널 길이(km)

n : 차종별 터널 내 환산승용차량 대수(PCU 대)

lim : 설계농도(매연 : m-1, CO : ppm, NOx : ppm)

amb : 외부농도(매연 : m-1, CO : ppm, NOx : ppm)

3.2.4 소요 환기량 산정 예

(1) 터널 제원

구분 적용값 개요도

터널 연장(km) 5

O O 방향 →

. 차량진행방향

.1.00%

5,000 m

내공 단면적(m2) 75

대표 직경(m) 8.8

종단경사(%) 1

차로수(lane) 2

평균 표고(m) 400

제4권 터널

444

(2) 교통량 제원

<교통량 제원 및 적용 승용차환산계수>

차종

구분

승용차 버스 트럭 AADT

(대/일)

HGV

휘발유 경유 (%) 1) 소형 대형 소형 중형 대형 특수

교통량 18,040 12,026 3,069 3,098 211 5,475 1,789 866 44,574

25.2

구성비(%) 40.5 27.0 6.9 7.0 0.5 12.3 4.0 1.9 100.0

승용차 환산계수 PCE

승용차

환산계수

1.0 1.0 1.0 1.5 1.0 1.5 1.5 2.0 1.13566

구성비(%) 35.6 23.8 6.1 9.2 0.4 16.2 5.3 3.4 100.0%

주) 1) 단, 경유 승용차의 구성비는 전체 승용 차량의 40%로 계획한다.

(3) 기준 배출량

구 분

승용차 버 스 트 럭

휘발유 경유 소형 대형 소형 중형 대형 특수

매연

(m2/h)

0.000 0.787 0.787 23.375 0.787 11.481 25.857 33.460

CO

(m3/h)

0.030 0.014 0.018 0.554 0.018 0.272 0.613 0.793

NOx

(m3/h)

0.001 0.003 0.004 0.166 0.004 0.082 0.184 0.238

※ 환경부, 대기환경보전법 시행규칙의 2009년 이후 제작차 허용 배출 기준 적용

(4) 차령 및 상대주행거리(REM)비에 따른 연도별 보정계수(5년 단위)

차령 구성비(%) REM(%) CO NOx CO 보정 NOx 보정

0 10.0

10.00

101.3

101.30

1.00 1.00

1.093 1.132

1 10.0 101.3 1.00 1.00

2 10.0 101.3 1.10 1.11

3 10.0 101.3 1.16 1.22

4 10.0 101.3 1.21 1.33

5 9.5

7.50

101.3

101.30

1.32 1.45

1.520 1.669

6 8.5 101.3 1.42 1.56

7 7.5 101.3 1.52 1.67

8 6.5 101.3 1.62 1.78

9 5.5 101.3 1.73 1.89

10 4.5

2.50

99.7

97.44

1.83 2.00

1.830 2.000

11 3.5 98.6 1.83 2.00

12 2.5 97.4 1.83 2.00

13 1.5 96.3 1.83 2.00

14 0.5 95.2 1.83 2.00

제9-2편 터널 환기

445

(5) 매연의 주행속도별 비차량 배출 분진의 배출량

차속(km/h) 10 20 30 40 50 60 70 80

승용차, 소형버스, 소형트럭(m2/h) 0.9 1.8 2.6 3.6 4.4 5.4 6.2 7.2

대형버스, 중형 ~ 특수트럭(m2/h) 4.5 9.1 13.7 18.2 22.8 27.3 31.9 36.5

(6) 터널 내 설계농도

차속(km/h)

구분 10 20 30 40 50 60 70 80

매연(m-1) 0.009 0.007 0.007 0.007 0.005 0.005 0.005 0.005

CO(ppm) 70

NOx(ppm) 20

주) 단, 설계목표연도를 2010년으로 기준하여 적용 시 CO, NOx 는 각각 70ppm, 20ppm 을 적용한다

(7) 터널 내 차량대수(PCU) 계산

① 교통밀도 계산

<조건> Do(정체 시 교통량) : 0 km/h 시, 150 pcu/km lane

Mmax (도로용량) : 2200 pcu/h lane

<주행속도별 교통밀도>

주행속도(km/h) 10 20 30 40 50 60 70 80

교통밀도(pcu/km·lane) 109 83 66 53 44 37 32 27

② 교통량 계산

<주행속도별 교통량>

주행속도(km/h) 10 20 30 40 50 60 70 80

차량대수(대/km·lane) 96 73 58 47 39 33 28 24

총 차량대수(대/km) 192 146 116 93 77 65 56 48

교통량(대/h) 1920 2923 3487 3734 3874 3910 3945 3804

※ 차량대수PCE

교통밀도 , 교통량 차량대수×차로수×차속

제4권 터널

446

<주행속도별 차종별 교통량>

차속

(km/h)

승용차 버스 트럭

대/시

휘발유 경유 소형 대형 소형 중형 대형 특수

10 777 518 132 133 9 236 77 37 1920

20 1183 789 201 203 14 359 117 57 2923

30 1411 941 240 242 17 428 140 68 3487

40 1511 1007 257 259 18 459 150 73 3734

50 1568 1045 267 269 18 476 156 75 3874

60 1582 1055 269 272 19 480 157 76 3910

70 1597 1064 272 274 19 485 158 77 3945

80 1540 1026 262 264 18 467 153 74 3804

※ 주행속도별 차종별 교통량 = 주행속도별 교통량 × 차종구성비/100

③ 터널 내 차량대수(PCU) 계산

차속

(km/h)

승용차 버스 트럭

PCU(대)

휘발유 경유 소형 대형 소형 중형 대형 특수

10 388 259 66 100 5 177 58 37 1090

20 296 197 50 76 3 135 44 28 830

30 235 157 40 61 3 107 35 23 660

40 196 131 33 50 2 89 29 19 550

50 158 105 27 41 2 72 24 15 444

60 132 88 22 34 2 60 20 13 370

70 114 76 19 29 1 52 17 11 320

80 96 64 16 25 1 44 14 9 270

※ 터널내차량대수PCU 차속

주행속도별차종별교통량×터널길이×승용차환산계수

제9-2편 터널 환기

447

(8) 차종별 EPP 계산

차종 연식(년)

(PCU차종별)

구성비(%)

차령 비율

(%)

주행거리

비율

(REM,%)

차종

구성비율

(%)

PCU 대당

배출비율

(1/PCE,%)

EPP

(%)

A B C A×B×C D A×B×C×D

승용

(휘발유)

0 ~ 4 35.64 10.00 101.30 3.610 100.000 3.610

5 ~ 9 35.64 7.50 101.30 2.707 100.000 2.707

10 ~ 14 35.64 2.50 97.44 0.868 100.000 0.868

승용

(경유)

0 ~ 4 23.76 10.00 101.30 2.407 100.000 2.407

5 ~ 9 23.76 7.50 101.30 1.805 100.000 1.805

10 ~ 14 23.76 2.50 97.44 0.579 100.000 0.579

버스

(소형)

0 ~ 4 6.06 10.00 101.30 0.614 100.000 0.614

5 ~ 9 6.06 7.50 101.30 0.461 100.000 0.461

10 ~ 14 6.06 2.50 97.44 0.148 100.000 0.148

버스

(대형)

0 ~ 4 9.18 10.00 101.30 0.930 66.667 0.620

5 ~ 9 9.18 7.50 101.30 0.697 66.667 0.465

10 ~ 14 9.18 2.50 97.44 0.224 66.667 0.149

트럭

(소형)

0 ~ 4 0.42 10.00 101.30 0.042 100.000 0.042

5 ~ 9 0.42 7.50 101.30 0.032 100.000 0.032

10 ~ 14 0.42 2.50 97.44 0.010 100.000 0.010

트럭

(중형)

0 ~ 4 16.22 10.00 101.30 1.643 66.667 1.096

5 ~ 9 16.22 7.50 101.30 1.233 66.667 0.822

10 ~ 14 16.22 2.50 97.44 0.395 66.667 0.263

트럭

(대형)

0 ~ 4 5.30 10.00 101.30 0.537 66.667 0.358

5 ~ 9 5.30 7.50 101.30 0.403 66.667 0.269

10 ~ 14 5.30 2.50 97.44 0.129 66.667 0.086

트럭

(특수)

0 ~ 4 3.42 10.00 101.30 0.347 50.000 0.173

5 ~ 9 3.42 7.50 101.30 0.260 50.000 0.130

10 ~ 14 3.42 2.50 97.44 0.083 50.000 0.042

주) 단, 구성비는 PCU 환산 차종별 구성비이며, 차종별 EPP 계산은 5년 단위로 계획한다.

제4권 터널

448

(9) 차속별 소요 환기량 계산

<매연 기준 소요 환기량, 차속 10 km/h>

구분

(차량대수;

pcu)

년식

매 연

qo

(㎡/h)

fv i

(경사/속도

보정계수)

fh

(표고

보정)

fa

(차령

보정)

nepm

(비차량

배출 분진)

Qt

(차종별

배출량) EPP Qt*EPPt

A B C D E A×B×C×D+E

승용차

(휘발유)

0 ~ 4 0.000 1.007 1.400 1.000 0.900 0.900 3.610 3.249

5 ~ 9 0.000 1.007 1.400 1.000 0.900 0.900 2.707 2.437

10 ~ 14 0.000 1.007 1.400 1.000 0.900 0.900 0.868 0.781

승용차

(경유)

0 ~ 4 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 2.407 4.837

5 ~ 9 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 1.805 3.628

10 ~ 14 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.579 1.163

버스

(소형)

0 ~ 4 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.614 1.234

5 ~ 9 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.461 0.926

10 ~ 14 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.148 0.297

버스

(대형)

0 ~ 4 23.375 1.007 1.400 1.000 4.500 37.459 0.620 23.223

5 ~ 9 23.375 1.007 1.400 1.000 4.500 37.459 0.465 17.417

10 ~ 14 23.375 1.007 1.400 1.000 4.500 37.459 0.149 5.584

트럭

(소형)

0 ~ 4 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.042 0.085

5 ~ 9 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.032 0.064

10 ~ 14 0.787 1.007 1.400 1.000 0.900 2.010 0.010 0.020

트럭

(중형)

0 ~ 4 11.481 1.007 1.400 1.000 4.500 20.688 1.096 22.666

5 ~ 9 11.481 1.007 1.400 1.000 4.500 20.688 0.822 17.000

10 ~ 14 11.481 1.007 1.400 1.000 4.500 20.688 0.263 5.451

트럭

(대형)

0 ~ 4 25.857 1.007 1.400 1.000 4.500 40.959 0.358 14.664

5 ~ 9 25.857 1.007 1.400 1.000 4.500 40.959 0.269 10.998

10 ~ 14 25.857 1.007 1.400 1.000 4.500 40.959 0.086 3.526

트럭

(특수)

0 ~ 4 33.460 1.007 1.400 1.000 4.500 51.678 0.173 8.956

5 ~ 9 33.460 1.007 1.400 1.000 4.500 51.678 0.130 6.717

10 ~ 14 33.460 1.007 1.400 1.000 4.500 51.678 0.042 2.154

Qtaver PCU대당 평균배출량 mh 대  Qt × EPP 7.85

Qs 총 배출량 mh   Qtaver × 터널내차량대수PCU 8560.56

Qreq 매연기준 소요환기량 m sec 설계농도

Qs

×



264.21

제9-2편 터널 환기

449

<CO 기준 소요 환기량, 차속 10 km/h>

구분

(차량대수;

pcu)

연식

CO

qo

(m3/h)

fi

(경사

보정계수)

fv

(속도

보정계수)

fh

(표고

보정)

fa

(차령

보정)

Qt

(차종별

배출량) EPP Qt*EPPt

A B C D E A×B×C×D×E

승용차

(휘발유)

0 ~ 4 0.030 1.083 0.909 1.400 1.093 0.046 3.610 0.164

5 ~ 9 0.030 1.083 0.909 1.400 1.520 0.063 2.707 0.172

10 ~ 14 0.030 1.083 0.909 1.400 1.830 0.076 0.868 0.066

승용차

(경유)

0 ~ 4 0.014 1.083 0.909 1.400 1.000 0.019 2.407 0.046

5 ~ 9 0.014 1.083 0.909 1.400 1.000 0.019 1.805 0.035

10 ~ 14 0.014 1.083 0.909 1.400 1.000 0.019 0.579 0.011

버스

(소형)

0 ~ 4 0.018 1.083 0.909 1.400 1.000 0.024 0.614 0.015

5 ~ 9 0.018 1.083 0.909 1.400 1.000 0.024 0.461 0.011

10 ~ 14 0.018 1.083 0.909 1.400 1.000 0.024 0.148 0.004

버스

(대형)

0 ~ 4 0.554 1.083 0.909 1.400 1.000 0.765 0.620 0.474

5 ~ 9 0.554 1.083 0.909 1.400 1.000 0.765 0.465 0.356

10 ~ 14 0.554 1.083 0.909 1.400 1.000 0.765 0.149 0.114

트럭

(소형)

0 ~ 4 0.018 1.083 0.909 1.400 1.000 0.024 0.042 0.001

5 ~ 9 0.018 1.083 0.909 1.400 1.000 0.024 0.032 0.001

10 ~ 14 0.018 1.083 0.909 1.400 1.000 0.024 0.010 0.000

트럭

(중형)

0 ~ 4 0.272 1.083 0.909 1.400 1.000 0.376 1.096 0.411

5 ~ 9 0.272 1.083 0.909 1.400 1.000 0.376 0.822 0.309

10 ~ 14 0.272 1.083 0.909 1.400 1.000 0.376 0.263 0.099

트럭

(대형)

0 ~ 4 0.613 1.083 0.909 1.400 1.000 0.846 0.358 0.303

5 ~ 9 0.613 1.083 0.909 1.400 1.000 0.846 0.269 0.227

10 ~ 14 0.613 1.083 0.909 1.400 1.000 0.846 0.086 0.073

트럭

(특수)

0 ~ 4 0.793 1.083 0.909 1.400 1.000 1.094 0.173 0.190

5 ~ 9 0.793 1.083 0.909 1.400 1.000 1.094 0.130 0.142

10 ~ 14 0.793 1.083 0.909 1.400 1.000 1.094 0.042 0.046

Qtaver PCU대당평균배출량 mh 대  Qt × EPP 0.16

Qs 총배출량 mh   Qtaver × 터널내차량대수PCU 178.18

Qreq CO기준 소요 환기량 m sec 설계농도

Qs

×



707.07

제4권 터널

450

<NOx 기준 소요 환기량, 차속 10 km/h>

구분

(차량대

수; pcu)

연식

NOx

qo

(m3/h)

fi

(경사

보정계수)

fv

(속도

보정계수)

fh

(표고

보정)

fa

(차령

보정)

Qt

(차종별

배출량)

EPP Qt*EPPt

A B C D E A×B×C×D×E

승용차

(휘발유)

0 ~ 4 0.0005 1.1667 0.3333 1.0000 1.1300 0.0002 3.6100 0.0008

5 ~ 9 0.0005 1.1667 0.3333 1.0000 1.6690 0.0003 2.7075 0.0009

10 ~ 14 0.0005 1.1667 0.3333 1.0000 2.0000 0.0004 0.8681 0.0004

승용차

(경유)

0 ~ 4 0.0030 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0012 2.4067 0.0028

5 ~ 9 0.0030 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0012 1.8050 0.0021

10 ~ 14 0.0030 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0012 0.5787 0.0007

버스

(소형)

0 ~ 4 0.0039 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0015 0.6142 0.0009

5 ~ 9 0.0039 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0015 0.4606 0.0007

10 ~ 14 0.0039 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0015 0.1477 0.0002

버스

(대형)

0 ~ 4 0.1662 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0648 0.6200 0.0402

5 ~ 9 0.1662 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0648 0.4650 0.0301

10 ~ 14 0.1662 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0648 0.1491 0.0097

트럭

(소형)

0 ~ 4 0.0039 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0015 0.0422 0.0001

5 ~ 9 0.0039 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0015 0.0317 0.0000

10 ~ 14 0.0039 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0015 0.0102 0.0000

트럭

(중형)

0 ~ 4 0.0816 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0318 1.0956 0.0349

5 ~ 9 0.0816 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0318 0.8217 0.0262

10 ~ 14 0.0816 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0318 0.2635 0.0084

트럭

(대형)

0 ~ 4 0.1839 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0717 0.3580 0.0257

5 ~ 9 0.1839 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0717 0.2685 0.0193

10 ~ 14 0.1839 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0717 0.0861 0.0062

트럭

(특수)

0 ~ 4 0.2379 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0928 0.1733 0.0161

5 ~ 9 0.2379 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0928 0.1300 0.0121

10 ~ 14 0.2379 1.1667 0.3333 1.0000 1.0000 0.0928 0.0417 0.0039

Qtaver PCU대당평균배출량 mh 대  Qt × EPP 0.0121

Qs 총배출량 mh   Qtaver × 터널 내 차량대수PCU 13.21

Qreq NOx기준 소요 환기량 m sec 설계농도

Qs

×



183.44

제9-2편 터널 환기

451

(10) 소요 환기량 산정

차속별 오염물질별 소요 환기량의 계산 결과는 다음 표와 같다. 소요 환기량은 차속 10

km/h CO농도를 설계농도 이하로 낮추기 위한 환기량인 707.1 m3/sec로 결정된다.

<오염물질별 차속별 소요 환기량>

구분

차속(km/h) Qreq

(m3/sec)

Max

10 20 30 40 50 60 70 80 Qreq

매연 264.2 312.2 326.3 348.0 507.3 457.0 477.4 525.9 525.9

707.1

CO 707.1 565.7 471.6 411.1 344.4 299.2 276.8 247.5 707.1

NOx 183.4 279.4 333.2 370.2 371.7 372.0 483.3 544.1 544.1

비고 CO CO CO CO Smoke Smoke NOx NOx CO

※ WRA(PIARC) - 최소 공기치환율(Minimum air exchange)

터널 공기 환경을 고려하여 시간당 환기 횟수를 최소 3회 이상하여 신선 공기를 공급하거나,

터널 내 풍속이 최소 1.5m/s 이상의 유속이 공급되도록 환기 용량을 계획할 필요가 있다[3.3.4 (5) 참조].

<소요 환기량 검토(예)>

① 오염물질에 대한 소요 환기량 : 707.1 m3/sec(at 10 km/h CO)

② 시간당 처리 횟수에 의한 소요 환기량 : 터널 단면적 × 터널 연장 × 시간당 환기 횟수

= 75 m2 × 5,000 m × 3 회/3,600 sec = 312.5 m3/sec

③ 최소 풍속에 대한 소요 환기량 : 터널 단면적 × 최소 풍속

= 75 m2 × 1.5 m/sec = 112.5 m3/sec

∴ 따라서 ① ＞ ② ＞ ③ 이므로 최종 소요 환기량은 오염물질에 대한 소요 환기량(①)으로

결정한다.

제4권 터널

452

3.3 환기시설의 필요성

3.3.1 환기 검토 개요

환기시설의 필요성은 먼저 소요 환기량을 계산하고, 소요 환기량에 따른 자연환기 가능 여

부를 결정해야한다. 만약 자연환기가 불가능한 터널이라면 제반 여건을 고려하고, 적정한

환기시설 용량을 산정하여 환기시설을 계획해야 한다. 따라서 환기시설은 자연환기가 불가

능한 경우에 해당 터널에 적정한 기계환기방식을 선정한다.

일반적으로 환기 검토 단계에서 환기방식은 자연환기와 기계환기로 크게 구분할 수 있다.

기계설비에 의한 환기 검토에 앞서 터널 내의 환기가 자연환기 방식으로 가능한지 여부를

검토해야 한다.

예를 들어 길이가 짧고 교통량이 적은 터널에서는 자연환기만으로도 충분할 수 도 있지만,

저속 시 매연 혹은 CO 등에 의한 환기시설의 설치가 필요한 경우도 발생할 수 있다. 이러한

경우, 지체 및 정체가 빈번하지 않는 터널에 기계환기방식을 적용하는 것은 다소 무리가

따를 수 있으므로 유지관리 및 경제성 등을 고려하여 환기시설의 설치 유무를 검토할 필요

가 있다.

그러나 자연환기의 한계는 터널 내부의 여러 가지 조건, 교통조건(교통 방향, 교통량, 차종

구성, 주행 속도) 및 기상조건에 따라 다르다. 특히 기상조건은 각각 터널별로 다른 것은

물론, 동일한 터널에 대해서도 시간적 계절적인 변화가 현저한 것이 보통이다. 또한 양방향

도로터널에서의 교통풍은 교통량 및 상ㆍ하행선별 교통량의 변동에 따라 시간마다 변화한

다. 때문에 자연환기의 효과를 정량적으로 결정하는 것은 매우 어렵다.

제9-2편 터널 환기

453

<그림 3.3> 자연환기의 표준(예, 일본)

그림 3.3은 터널 연장, 종단경사, 교통량 등이 크지 않은 평균적인 터널에서의 자연환기 한

계 중 하나의 기준이며, 경사가 급한 터널, 길이가 긴 터널, 지체가 발생하기 쉬운 터널 등

특수한 경우에 적용할 때는 주의가 필요하다. 여기서 표시한 한계는 자연환기로 충분한 것

이 아니라 그 수치에 근접한 터널 혹은 그것을 초과하는 터널에 대해 기계환기를 검토하는

것이 바람직하다는 것으로 이해해야 한다.

3.3.2 터널 제원에 대한 검토

환기시설은 터널 연장, 종단경사, 표고, 내공 단면적 등에 영향을 받으며, 특히 터널 연장 및

종단경사는 소요 환기량과 밀접한 관계를 가지고 있으므로, 터널 연장이 길어지거나, 종단경

사가 클수록 소요 환기량이 증가하는 경향이 있다. 반면 내공 단면적 등은 소요 환기량과 밀

접한 관계는 없으나, 터널 내 작용하는 환기력에 큰 영향을 미치므로 내공 단면적이 클수록

환기 용량은 작아지는 경향이 있다. 그러나 환기 용량을 줄이기 위해 터널의 내공 단면적

을 확대하는 것은 터널 본체 공사비의 증가를 가져오므로 신중히 검토할 필요가 있다.

3.3.3 교통량 제원에 대한 검토

터널환기 검토에 있어 가장 중요한 인자는 교통량 제원(통과 교통량 대수, 차로수, 주행속

도, 대형차 혼입률, 차령 등)이며, 일반적으로 터널을 통과하는 차량대수가 많을수록 환기시

설의 용량은 증대한다. 또한 동일한 토목 제원(연장 및 내공 단면적 등)을 가진 터널이라도

대형차 혼입률이 높은 경우, 혹은 차령이 오래된 차량이 많이 통과할수록 환기 용량은 증대

제4권 터널

454

한다. 반면, 기준 배출량 적용과 관련하여 동일한 제원의 터널에 동일한 차종 구성비의 교통

량이 통과하더라도 신차의 구성비의 클수록 제작차 허용배출기준이 낮아져 소요 환기량 및

환기 용량이 감소하는 경우도 있다. 또한 승용차환산계수(PCE)는 종단경사에 따른 각종 차

량에 대한 승용차량으로의 환산값을 나타내므로 평지, 구릉지, 산지 적용에 따른 소요 환기

량의 차이가 발생하는데, 이는 터널의 종단경사가 높을수록 실제 터널을 통과하는 시간교통

량이 줄어들어 소요 환기량의 감소를 의미한다. 따라서 동일 조건의 환기 검토에 있어 평지,

구릉지, 산지 구분은 승용차환산계수값의 적용과 밀접한 관계가 있으며, 종단경사에 따른

승용차환산계수값의 불연속적인 적용은 소요 환기량은 급격한 증감을 가져올 수 있으므로

연평균 일교통량(AADT)의 예측은 신중히 검토할 필요가 있다.

3.3.4 자연환기력 및 교통환기력 검토

(1) 자연환기력

터널의 자연환기력은 양 갱구 사이의 기상 조건 및 온도 차에 의한 압력 차와 터널 입구 또는

출구로 부는 자연풍에 의한 압력 차에 의해서 발생하는 것으로, 압력 차를 아는 경우에 자연

환기력은 터널 내를 Un의 풍속으로 맞바람이 부는 것을 고려하여 식 3.14로 계산할 수 있다.

PMTW    e   × D

L × 



× Un

 (Pa) (3.14)

여기서,

PMTW : 터널 양 갱구 간 자연환기력(Pa)

ζ e : 터널 입구 손실계수

λ : 터널 벽면 마찰손실계수

L : 터널 길이(m)

D : 터널 대표 길이(m)

Un : 자연풍에 의한 터널 내 평균풍속(m/sec)

ρ : 공기밀도(kg/m3)

실제 터널에 작용하는 자연환기력은 순간적 변동폭이 크므로 이로 인하여 터널 내로 유입되

는 기류의 풍속 및 방향 또한 항상 변화한다. 자연환기력은 외부풍으로 인하여 갱구에 작용

하는 풍압효과와 터널 내외부 공기 밀도의 차이에 의한 굴뚝효과에 따라서 발생하므로 정확

한 크기를 사전에 예측하기가 상당히 어렵다. 따라서 기존의 자연환기력의 처리 방법은 통

제9-2편 터널 환기

455

행방식을 고려하여 최악의 상황을 가정하여 검토한다. 즉 터널 내 주기류의 유동방향과 반

대 방향으로 자연환기력이 작용하는 것으로 가정하여 양방향 및 일방향 통행 터널 모두

2.5m/sec를 적용한다. 일반적인 터널 상황에서는 이를 표준 자연환기 풍속으로 적용하여도

무방하나 최근의 국내 장대터널에서 자연환기력에 의한 유입기류 풍속이 5 m/sec를 상회하

는 경우도 관찰되고 있어 정상적 환기 시 뿐만 아니라 터널 화재와 같은 비상 시의 시스템

운전에 심각한 문제를 야기하고 있다. 따라서 터널의 입지 조건, 지형, 기상 조건, 터널 특성

등을 고려하여 설계자는 풍압효과 및 굴뚝효과에 의한 자연환기력과 유입 풍속을 추정하여

이를 설계에 반영해야 한다.

(2) 교통 환기력

교통 환기력은 터널 내를 주행하는 차량의 피스톤 효과에 의해 발생하는 것으로 자연 환기력

에 비하면 큰 경우가 많으므로, 일방향 도로터널에서는 상당히 긴 터널이라도 교통 흐름이

순조로운 때는 교통 환기력 만으로도 충분한 환기를 행할 수 있다. 그러나 양방향 도로터널

에서는 교통 환기력이 양방향으로 서로 상쇄되어 반대로 저항으로 작용하는 수가 있으므로

비교적 짧은 터널이라도 기계환기시설이 필요하게 된다.

일반적으로 터널 내를 주행하는 자동차의 피스톤 작용에 따라 교통 환기력은 정상적인 상태

에서 아래의 식 3.15로 구할 수 있다.

Pt  A r

Am

×



×n × Vt   Ur  ×.Vt   Ur . A r

Am

×



×n ×Vt   Ur .Vt   Ur. (3.15)

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

환기풍 방향과 반대 방향을 의미한다. 즉, n+, n-는 각각 환기풍의 방향과 동일한 방향의 차

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

Am은 자동차 등가저항면적으로서 식 3.16으로 계산한다.

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

를 바탕으로 터널 내공 단면적, Ar(m2)과 대형차 혼입률( )과의 관계식 3.16으로 계산이 가

능하며, 결과는 표 3.10 및 그림 3.4와 같다. 화재 시 정체 차량의 차두 간격은 정상 주행

시보다 짧기 때문에 차량에 의한 항력계수가 감소하므로, 화재 시 등가저항면적(Am`)은 환기 시

적용하는 등가저항면적(Am)에 감소율 0.86을 적용하여 산정한다.

Am    A r



   Ar

 × L (3.16)

제4권 터널

456

<그림 3.4> 차량의 등가저항면적과 대형차 혼입율의 관계

<표 3.10> 차종별 교통환기력 계수

터널 내공 단면적(㎡) 64 55

차 종 대형 소형 대형 소형

자동차의 등가저항면적 Am(m2) 6.42 0.77 6.71 0.79

(3) 교통밀도의 영향(슬립 스트리밍 효과) 고려

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

고 있다. 차량의 항력은 차량 전면 및 후면에서 발생하는 형상항력과 표면마찰항력으로 나뉘

어 지며, 표면마찰항력은 전체 항력의 10% 정도에 불과하고, 터널과 같은 밀폐 공간 내에서

의 항력은 자유유동 기류 내에서의 항력에 비하여 상대적으로 크며, 그 정도는 폐색율에 비

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

효과, 슬립 스트리밍(slip streaming) 효과가 발생하게 된다. WRA(PIARC)는 정체 상황 하

에서는 교통환기력을 30% 정도까지 낮추도록 권고하고 있다. 따라서, 이 요령에서는 인증된

국내 연구 결과가 도출될 때까지 슬립 스트리밍에 의한 교통환기력의 감소 폭은 차속 10

km/h 이하 속도에서 30%를 적용하도록 한다. 단, 교통환기력이 저항으로 작용할 때는 제외

한다.

제9-2편 터널 환기

457

(4) 대면통행 시 차등차속 영향

① 일반사항

. 대면통행 터널에서는 대면 교통 환기력과 자연풍에 의한 환기력이 상쇄되는 경우, 터

널 내 기류의 풍속은 0에 가깝게 된다. 이 경우, 터널 내 농도는 급격하게 상승하게

되므로 대면통행 터널은 터널 연장이 짧은 경우에도 기계환기를 수행할 필요가 있다.

따라서, 대면통행 터널에서는 경제성을 고려한 환기기 용량 산정 기준이 필요하다.

. 터널 기류의 방향은 교통환기력과 자연풍에 의해 결정되기 때문에 대면통행 터널에서

는 주기류의 방향이 조건에 따라서 변하게 된다. 그러나 기류의 방향을 고려한 제트팬

의 빈번한 역전운전은 공기의 관성과 제트팬 전동기의 기계적 요인으로 보아 바람직하

지 못하므로 여유있게 계획할 필요가 있다.

. 갱구부의 오염물질의 확산을 제어할 필요가 있는 도심 터널의 경우에는 최대 환기 용

량으로 검토하고, 산악지형의 대면통행 터널에서는 환기설비 용량이 최소로 요구되는

방향으로 환기설비를 운전을 계획한다.

② 환기설계를 위한 교통량

. 대면통행 터널에서는 방향별 주행 속도가 다를 수 있으며, 따라서 방향별 차속을 고려

한 환기 검토를 수행한다.

. 교통량은 최대 도로용량을 기준으로 하며, 터널 내 교통(용)량의 중방향비는 50% :

50%인 교통(용)량 비율을 적용하고, 차등 차속 적용에 의한 터널 내 교통량 비를 중방

향계수(D)값이 넘지 않도록 하는 범위에서 차등 차속 차이의 단계를 설정한다.

. 역풍방향으로는 ‘설계에 사용하는 교통량’의 주행속도별 교통밀도 산정식으로 부터 구

한 교통량을 적용하고 순풍방향으로는 역풍방향 주행 속도보다 한 단계 낮거나 높은

주행 속도와 교통량을 적용(예를 들면 역풍방향 주행 속도가 60 km/h일 때에 순풍방

향으로 50 km/h이나 70 km/h의 주행 속도를 적용)하여 소요 환기량을 계산하고 이

에 따라 제트팬 대수를 결정한다.

③ 환기기 용량 산정 방법

. 환기방식은 차등 차속 범위에의 주행 조건에서 먼저 자연환기 만족여부를 다음과 같이

평가한다.

- 대면통행 터널에서는 자연풍이 환기력으로 작용할 수 있으므로 차등 차속법의 범위

제4권 터널

458

내에서 자연풍의 풍속을 . 2.5m/sec에서부터 + 2.5m/sec를 고려하여 풍속증분은

0.1m/sec 단위로 환기가능 여부를 검토한다(단, 기압장벽고 혹은 경정기압차 및 최

소 풍압 20Pa을 고려하여 자연환기력을 적용할 경우는 해당 풍압을 풍속으로 변경하

여 동일한 방식으로 검토한다).

- 자연환기의 가능 조건은 다음과 같다.

｜소요 환기량(Qreq)｜ ＜ ｜자연 환기량(Qvn)｜⇒ 자연환기 가능

｜소요 환기량(Qreq)｜ ＞｜자연 환기량(Qvn)｜⇒ 자연환기 불가능

- 차등차속법에서 자연환기가 불가능한 영역이 존재하면, 제트팬 대수 결정을 위한 임계

자연저항풍(Vn = Vr*)을 산출하여 제트팬 대수를 산출한다(이때, 자연저항풍이 클수록

자연환기가 가능하고, 작을수록 불리한 조건이 된다. 그러나, 환기 용량 산출 시 자연

저항풍이 작을수록 환기 용량이 작고, 클수록 환기 용량이 커지므로 임계 자연저항풍

을 산출할 필요가 있다).

. 차등차속법으로 자연환기 불가영역으로 검토된 주행 속도에 대해서는 자연풍을 제트팬

의 방향과 역풍조건(최대 2.5 m/sec)으로 하여 제트팬 대수를 산정하는 것은 교통환

기력 및 환기력으로 작용할 수 있는 자연풍을 환기 저항으로 고려하게 되어 과도한 환

기 용량의 증가가 예상된다. 따라서, 차등차속법에 따른 자연환기 불가능 시 우선 차등

차속 범위 내에서 임계 자연저항풍의 풍속(Vn = Vr*)을 구한다.

. 상기에서 구한 임계자연저항풍의 풍속을 역풍 조건으로 고려하여 제트팬 대수를 산정

한다.

<그림 3.5> 주행속도별 임계자연풍(Vn = Vr*) 도출(예)

제9-2편 터널 환기

459

(5) 최소 공기치환율(Air exchange)

도로용량으로 환기계획 시 WRA(PIARC)(2004) 에서는 운행 중 터널 내 소요 환기량의 급격

한 증가에 대처하기 위하여 시간당 최소 3회 이상의 공기치환을 권장하고 있다. 공기치환율

은 [급기량(m3/sec×3600)/(터널단면(m2)×길이(km)]로 정의되며, 또한 공기치환율과 더불

어 1 km 이상의 종류식 터널 내 최소 환기 속도를 1.5 m/sec 이상을 확보할 필요가 있다.

이와 같은 조건은 서비스 수준이 원활한 상태에서의 환기기 운전 조건이 아니라, 도로용량에

따른 환기계획 시 교통량의 급격한 증가에 따른 터널 내 소요 환기량의 부족분이 발생하지

않도록 하기 위한 설계기법으로 환기설비가 계획되는 모든 터널에는 이에 대한 고려가 반드

시 필요하다.

(6) 교통환기도

교통환기도는 자연풍에 의한 자연환기력 및 차량에 의한 교통환기력과 차도 내 풍속의 관계

를 교통량을 변수로 하여 나타낸 것으로 환기시설의 규모와 자연환기의 가능성을 검토하기

위해서 필수적으로 검토되어야 한다.

자연풍에 의한 자연환기력과 통행차량에 의한 교통환기력 및 터널 내 저항에 대한 압력방정

식은 식 3.17과 같다. 이 식에서 좌변은 터널 내 풍속이 Ur인 경우에 환기풍에 대한 마찰

저항을 나타내는 항이다.

  e   × D

L r

× 



× Ur

 ± ΔPt ΔPMTW (3.17)

차량의 통행조건과 자연풍의 방향에 따른 식 3.17의 부호 관계를 살펴보면 다음과 같다.

① 일방향 도로터널의 경우

가. 자연풍의 방향 및 교통 방향이 터널 내 풍향과 같은 경우

(Ur≥0, Un≥0 : 교통환기도 그림 3.6 의 I 상한)

  e   × D

L r

× 



× Ur

  Ar

Am

× 



× n × Vt  Ur     e   × D

L r

× 



× Un

 (3.18)

나. 자연풍의 방향이 터널 내 풍향 및 교통 방향과 반대의 경우

(Ur≥0, Un≤0 ; 교통환기도 그림 3.6의 II 상한)

  e   × D

L r

× 



× Ur

  Ar

Am

× 



× n × Vt  Ur     e   × D

L r

× 



× Un

 (3.19)

제4권 터널

460

다. 교통 방향이 터널 내 풍향 및 자연풍의 방향과 반대의 경우(Ur＜0, Un＜0 : 교통환기

도 그림 3.6의 III 상한)

  e   ×D

L r

×



×Ur

 A r

Am

×



×n×Vt  Ur     e   ×D

L r

×



×Un

 (3.20)

식 3.19는 교통환기력이 자연환기력보다 커서 환기풍이 기대하는 방향으로 흐르는

경우이며, 식 3.20은 교통 흐름과 역방향으로 작용하는 자연풍이 교통환기력보다 큰

경우로 결과적으로 환기풍이 기대하는 방향과 반대 방향으로 흐르는 경우로서 일반적

으로 드문 경우이다.

② 양방향 도로터널의 경우

양방향 도로터널의 경우도 일방향 도로터널의 경우에 대한 계산법을 응용하여 적용할 수

있다. 상하 방향별 교통량이 많고 차이가 있는 경우의 교통 상태에서는 자연풍(Un)이 없

을 때, 양방향 교통에서도 교통환기풍이 존재하므로 교통량이 많은 방향의 교통을 n+로

하고, 그 방향으로 부는 환기풍(Ur)을 양수로 하면, 다음과 같은 세 가지 조건이 발생한다.

가. 교통량이 많은 방향과 같은 방향으로 자연풍이 작용하는 경우(Ur≥0, Un≥0)

  e   × D

L r

× 



× U r

  Ar

A m

× 



× n × Vt

 U r  n × Vt

 U r     e   × D

L r

× 



× U n

 (3.21)

나. 교통량이 많은 방향과 반대 방향으로 자연풍이 작용하는 경우(Ur≥0, Un≤0)

  e   × D

L r

× 



× U r

  A r

A m

× 



× n × Vt

 U r  n × Vt

 U r     e   × D

L r

× 



× U n

 (3.22)

다. 교통량이 많은 방향과 반대 방향으로 자연풍이 작용하며, 자연환기력이 교통환기력보

다 큰 경우(Ur≤0, Un≤0)

  e   × D

L r

× 



× U r

  A r

A m

× 



× n × Vt

 U r  n × Vt

 U r     e   × D

L r

× 



× U n

 (3.23)

또 각 식에서 n+와 n-의 값이 접근하면 ( ) 내의 수치가 음의 값으로 되는 영역이 있다.

이 경우는 교통환기력이 저항이 됨을 나타내며 환기풍(Ur)은 대부분 자연풍(Un)의 크기와

방향에 지배된다.

그림 3.6은 연장 4 km, 내공단면적 m2, 평균 표고 200m인 터널에 대해 대형차 혼입률

29.4%, 주행속도 80 km/h인 경우에 대한 교통환기도를 나타낸 것이다.

제9-2편 터널 환기

461

(a) 교통환기도 1

(b) 교통환기도 2

<그림 3.6> 교통환기도 예 (일본)

이 터널의 경우, 시간당 2,500(대/h)의 교통량이 통행하는 경우에는 대략 . 4 ~ - 5

m/sec의 자연풍이 역풍이 작용하여도 자연환기가 가능하다는 것을 알 수 있다. 그러나

교통량이 시간당 5,000(대/h)를 초과하는 경우에는 자연환기가 불가능한 것으로 나타나

고 있다. 이처럼 교통환기도는 차량 혼입률이 일정할 경우 교통량 증감이나 자연풍의 작

용 방향 및 크기에 따른 터널 내 기류 풍속을 소요 환기량/내공 단면적(Qr/Ar) 곡선과

대비하여 환기 가능 여부를 평가할 수 있는 특징이 있다.

교통환기도는 자연풍 및 교통량 변화에 따른 기계환기시스템의 필요성을 이해하는 유용

한 도구이다. 그러나 최근 일본의 경우도, 교통환기력 및 자연환기력 산정을 위한 주요

설계 인자의 수정에 따라 그림 3.6은 단지 교통환기도의 개념을 이해하기 위한 사례로

평가하는 것이 바람직하다.

제4권 터널

462

3.3.5 정량적 환기 평가에 따른 환기 검토

앞서 기술한 것처럼 교통환기도란 자연풍에 의한 자연환기력과 통행 차량에 의한 교통환기

력으로 생긴 터널 내 승압력을 해석한 그래프이다. x축은 터널 내 풍속으로 교통과 자연풍

으로 터널 내 유도된 환기 풍속을 의미하며, y축은 자연풍의 풍속이다. Qr/Ar 곡선은 각

교통환기력에 대한 소요 환기량을 터널 단면적으로 나눈 것이며, 터널의 필요 환기 풍속의

궤적을 나타낸다.

그러나 교통환기도를 작성하면 교통량 및 자연풍에 따른 터널 내 풍속과의 관계를 통해 자

연환기 및 기계환기의 영역을 쉽게 구분하고 있지만, 특정 터널 제원에 대한 고려만이 가능

하므로 토목 제원의 변동 등에 따른 정량적 환기 평가는 곤란한 것으로 판단된다. 또한 시간

교통량의 변동은 대형차 혼입률의 변동을 반영하지 못하고 있으며, 이때 발생되는 소요 환

기량의 변화량을 반영하지 못하고 있는 단점을 가지고 있다. 반면, 각 교통량에 대한 교통환

기력 및 자연 풍속, 터널 내 풍속의 관계에서 기계환기의 필요성이나 환기의 규모, 환기제어

등에 대한 정량적인 정보를 알 수 있다.

<그림 3.7> 환기특성도 개념도

반면에 정량적 환기 검토를 위해서는 종합적인 환기 검토가 필요한데, 다음과 같은 특성도

의 작성을 통해서 정량화가 가능해 진다. 즉, 터널 제원으로 종단경사(Gr), 터널 연장(Lr)

그리고 내공 단면적(Ar)에 대한 소요 환기량(Qr)의 관계를 터널 내 풍속(Vr)과 상대농도

(R.C)에 기인한 특성으로 환원하면, 종합적인 하나의 그래프로 표현된다.

이 환기특성도의 특징은 최초 내공 단면적이 없어도 환기량 특성을 그릴 수 있으며, 이 그래

제9-2편 터널 환기

463

프를 통해 터널 연장과 종단경사에 적합한 내공 단면적을 추정해 낼 수 있다. 또한 내공

단면적이 결정되면, 다시 터널 내 풍속과 농도 해석을 통해 적용 가능한 환기방식에 대한

해석을 수행할 수 있다. 이에 대한 종합적 구성 원리(개념도)를 그림 3.7에 나타내었다. 즉,

환기특성도는 교통량, 표고값을 입력변수로 하여, 경사도와 터널연 장에 대한 관계로 환기

특성을 나타내고 있으며, 사업성 분석을 위한 초기 계획단계 시 노선의 합리적 선택이 가능

하며, 적정 내공 단면적 유도를 통한 경제적인 환기 평가가 가능하다.

따라서 적정 환기 검토를 위한 지표로서 환기특성도의 작성에 따른 정량적 환기평가가 필요

하다. 현재 사용되고 있는 일본 모델인 교통환기도는 자연풍 및 교통량의 변화에 대하여

기계 및 자연환기 가능 영역의 구분이 용이하고, 특히 교통량 변화에 따른 기계환기시스템

필요성 여부를 쉽게 확인할 수 있는 장점이 있으나, 터널 제원이 결정된 이후에만 환기 검토

가 가능한 단점이 있다.

반면 이 요령에서 소개한 소요 환기량 특성도는 자연 · 기계환기 영역의 구분이 미흡한 단점

은 있으나, 설계 초기단계에서 터널 제원(터널 단면, 연장, 경사 등)의 확정이 없이도 토목

분야와 피드백(Feedback) 시스템을 통한 능동적인 환기 검토 및 평가가 가능하다는 장점이

있다. 즉, 입력 변수(교통량, 표고)가 간단하고, 설계 초기단계에서 터널 단면의 결정 없이도

작도가 가능하며, 터널 제원(연장과 경사)의 변동에 따른 적정 내공 단면적을 유도 및 제트

팬 방식의 적용 가능 영역의 구분이 용이하고, 교통밀도에 따른 전 속도(10 ~ 80 km/h)에

대한 환기 검토가 가능한 장점 등을 가지고 있다.

<표 3.11> 교통환기도와 소요 환기량 특성도 비교

교통환기도(일본)

Traffic ventilation curve

소요 환기량 특성도

Qreq characteristic map

제4권 터널

464

표 3.11은 현재 사용되고 있는 일본 모델인 교통환기도와 이 요령에서 제시한 소요 환기량

특성도의 개요도를 비교하여 나타내고 있다.

3.3.6 소요 동력 및 경제성 검토

환기 검토에 따른 환기방식의 최종 선정에 앞서 소요 동력 등에 대한 경제성 분석이 필요하

다. 예를 들어 소비 동력이 동일할 때 집진기방식이나 연직갱(수직갱)방식의 환기 효과가

제트팬 방식보다 우수하므로 제트팬의 설치 대수가 과도하게 증가되는 경우에는 운영비 측

면에서 전기집진기나 연직갱(수직갱) 방식의 적용 필요성을 검토해야 한다. 특히 장대 터널

의 과도한 제트팬 설치 계획은 케이블 공사비의 증가 등으로 유지관리 및 운전동력비의 증

대가 예상되므로 ‘3.4.1의 기계환기방식 ① 제트팬 환기방식’을 참조하고, 경제성 등을 검토

한 후 환기방식을 선정할 필요가 있다.

또한 전기집진기 및 연직갱(수직갱) 방식과 제트팬 방식이 조합되는 환기방식에서는 일반적

으로 동일한 동력 하에서 집진기나 연직갱(수직갱)의 환기 효과가 우수하므로 환기기 운영

시 이에 대한 충분한 검토를 통해서 운전 단계를 결정하는 것이 바람직하다.

또한 최근 자동제어 로직의 자동화 및 동적 환기 해석 모델의 개발 등으로 하루 중 혹은

연중 목표연도까지의 교통량 변동에 따른 환기시설의 가동 시간 및 이에 따른 소요 동력의

예측이 가능하다. 이러한 예측 결과로부터 환기방식별 경제성 검토가 진행될 필요가 있다.

이 요령에서는 하루중 교통량 변화를 고려한 환기팬의 소요 동력 및 경제성 분석을 권장하

며, 교통량 변화는 AADT 값을 24시간에 대한 시간당 PDDHV로 계산하여 동적 해석을

수행한다. 이때, 환기팬의 가동 시간은 제어로직에 기반하여 단계별 혹은 시간대별 제어를

수행하고, 하루 중 해석 결과가 적정 허용 농도 이내가 되도록 환기팬의 제어를 수행하는

것을 원칙으로 한다.

그림 3.8은 24시간동안의 교통량, 차속, 내부 풍속 및 CO 농도의 동적 해석 예이다.

제9-2편 터널 환기

465

시간 (h)

(b) 동적 해석

<그림 3.8> 동적 해석 예(24시간)

3.4 환기방식의 선정

환기방식은, 그 특징을 충분히 살려서 터널의 길이, 지형, 지물, 지질, 교통 조건, 기상 조건,

환경 조건 등에 따라 효과적이고 경제적인 방식을 선정한다.

터널 환기는 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. 이를 환기에 대한 승압력 관계식은 식 3.24와 같다. 즉, 환기 저항

이 교통환기력보다 작은 경우에는 자연환기가 가능하며, 그렇지 못한 경우에는 기계환기가

필요하다.

ΔPMTW + ΔPr ≤ ΔPt -------- 자연환기 가능

ΔPMTW + ΔPr ＞ ΔPt -------- 자연환기 불가능 (3.24)

기계설비에 의한 환기는 일반적으로 터널 외부의 신선한 공기를 기계 환기력에 의해서 유입

하여 오염된 공기를 희석 . 배기하는 것으로 환기방식은 차도 내 기류의 방향에 따라 종류식,

반횡류식, 횡류식 등으로 구분된다. 또한 이들의 방식을 조합하여 사용하는 경우도 있다.

그리고 전기집진기에 의해 오염 공기를 정화하는 방식은 주로 종류 환기방식과 조합하여 이

용되고 있다.

제4권 터널

466

3.4.1 환기방식의 종류 및 특징

(1) 개요

① 환기 해석의 기본 가정

차량 터널 내 공기의 흐름에 관련된 기본식의 정립은 일반적으로 다음과 같은 가정 하에

서 이루어진다

가. 이상 기체 : 이상 기체라 함은 마찰저항에 따른 손실을 고려하지 않는 것이 아니라

보일-샤를의 법칙이 성립하는 기체를 말한다. 특별한 고압이나 저온 상태가 아닌 일

반적인 대기 상에서 점성계수(μ)가 속도경사에 독립적이며, 온도의 함수로 표현 가능

한 뉴톤(Newton) 유체와 같은 기체로서의 공기를 가정한 것이다.

나. 비압축성 기체 : 비압축성의 가정은 공기 밀도 변화를 고려하지 않는 것이 아니고,

일정 구간의 공기주(air column) 내의 밀도에 평균밀도 값을 적용하는 것이다.

다. 일차원적 유동 : 축방향으로의 유동은 레이놀즈(Reynolds) 수가 상당히 큰 난류이며,

횡방향으로는 차량 통행과 환기설비의 가동으로 인하여 순간적인 혼합이 이루어지므

로 축방향 즉, 차량 통행 방향으로의 일차원적 유동으로 단순화가 가능하다.

라. 준정상류 유동(quasi-steady state flow) : 풍속의 축방향 및 횡방향으로 순간적인

변동은 심한 편이나 시간가중평균이 거의 일정한 값을 보이는 준 정상류 유동으로 가

정한다. 이와 같은 특징은 그림 3.9에서 보는 바와 같이 터널 내 고정점에서의 CO

농도, 가시도(m-1) 및 풍속의 변화에서도 잘 나타나 있다.

<그림 3.9> 전형적인 터널 내 풍속, CO농도, 분진 농도 분포

제9-2편 터널 환기

467

② 각종 환기력의 기초

이상과 같은 가정 하에서 비압축성 일차원 유동(incompressible steady state one -

dimensional flow)에 적용되는 연속 방정식, 운동량 방정식 및 에너지 방정식이 차량 터

널 환기 시스템 내의 공기 흐름 분석의 기초가 된다.

일반적인 터널 환기에 관련된 환기력에는 차량 통행에 의한 교통환기력, 터널의 지형적

변수, 외부 기상 조건(외부 자연풍) 등에 의한 자연환기력, 터널 내의 점성마찰 및 충격손

실력, 그리고 환기설비에 의한 환기력[제트팬 환기력, 전기집진기 및 수직구(연직구) 등의

환기력, (반)횡류식 등과 같은 포트 환기력] 등으로 구분할 수 있으며, 식 3.25와 같이 표

현 가능하다. 그림 3.10은 터널 내 환기력 개념도를 나타낸 것이다.

<그림 3.10> 터널 내 환기력 개념도

Ploss  PVeh  Pw ind  Pjf  PE P  Pshaft  Pport (3.25)

ΔPloss : 터널 내 총 압력 손실력

ΔPveh : 교통환기력(piston effect)

ΔPwind : 외부 자연풍에 의한 자연환기력(설계 시 저항력으로 작용)

ΔPjf : 제트팬 환기력

ΔPep : 집진기 축류팬 환기력

ΔPshaft : 수직구(연직구) 축류팬 환기력

ΔPport : (반)횡류식 등 급배기 포트 환기력

(2) 자연환기방식

교통환기력만으로 소정의 환기가 가능한 것을 자연환기라 한다. 기계설비에 의한 환기 검토

에 앞서 터널 내의 환기가 자연환기로 충분한지를 검토해야 한다. 자연환기는 기상조건에 따

라서 터널 내를 지나가는 자연풍과, 터널 내를 주행하는 자동차의 영향으로 발생하는 교통환

기력에 의해 터널 입구로부터 신선한 공기가 유입됨으로써 가능해진다. 자연환기가 가능한

한계 길이는 터널의 기하 조건, 교통 조건(교통 방향, 교통량, 차종 구성, 주행 속도)과 기상

제4권 터널

468

조건 등에 따라 다르다. 기상 조건은 터널마다 다른 것은 물론 같은 터널이라도 시간적, 계절

적으로 변화가 심하다. 특히 양방향 교통 터널에 있어서의 교통환기력은 교통량 및 방향별

교통량 변동에 따라 시시각각 변한다. 따라서 기대할 수 있는 자연환기 효과를 정량적으로

정하는 것은 매우 어렵다. 따라서 자연환기의 한계 길이를 산술적으로 정하는 것은 불가능하며,

터널 환기에 영향을 미치는 각종 인자에 대해서 충분히 검토한 후에 결정해야 한다.

① 자연환기력의 계산식

△Pr  △Pt  △Pm (3.26)

△Pr : 통기저항력(Pa)

△Pt : 교통환기력(Pa)

△Pm : 저항자연풍력(Pa)

i. 통기저항력

△Pr    e  r × Dr

Lr × 



× Vr

 (3.27)

△Pr: 통기저항력 (Pa)

ξe : 터널 입구 손실계수

λr : 터널 벽면 마찰손실계수

Lr : 터널 연장(m)

Dr : 터널 대표 직경(m)

ρ : 공기밀도(1.2 kg/m3)

Vr : 터널 내 차도 풍속(m/sec)

ⅱ. 교통환기력

△Pt  A r

Am

× 



× n ×  Vt  Vr  (3.28)

△Pt : 교통환기력(Pa)

Ar : 터널 내공 단면적(m2)

Am : 자동차 등가저항면적(m2)

n : 터널 내 자동차 대수(대)

제9-2편 터널 환기

469

Vt : 터널 내 주행 속도(m/sec)

ⅲ. 저항자연풍력

△Pm     e  r × D r

Lr

 × 



× Vn

 (3.29)

△Pm : 저항자연풍력(Pa)

Vn : 자연풍에 의한 차도 내 풍속(m/sec)

② 자연환기력

자연풍의 방향이 차도 내 풍향 및 교통 방향과 반대인 경우

△Pr  △Pt  △Pm에 따라

  e  r ×Dr

Lr ×



×Vr

  .

.

×



× . × .  .     .  . × .

. ×



×.

(3.30)

여기서, K 

  e  r × . Dr

Lr

A

r

Am

× n

로 바꾸면

Vr

  K  Vt  Vr   Vn

 으로 된다.

위의 식에서 Vr , Vn의 방향에 의하여 다음과 같이 형태로 한다. Vr , Vn은 자동차의 진행

방향과 같은 경우 ( +) 반대인 경우( -)부호로 표기한다.

Vr 

  K

 K × Vt  K × Vt

     K  × Vn



(3.31)

이상에서 각 기호에 있어서의 각 수치를 다음과 같이 정해진 K, Vr로 각각 산정한다.

i. Am = (1 - γL) × Ap ×ξp + γL × At × ξt

ⅱ. n (터널 내 자동차 대수)

n     × Vt

N × Lr

여기서,

N : 시간당 교통량(대/시)

Vt : 차도 내 주행속도(m/sec)

제4권 터널

470

ⅲ. 터널 내 발생하는 자연환기량(Qn)

Qn = Vr × Ar

(3) 기계환기방식

기계설비에 의한 환기는 일반적으로 터널 밖의 신선한 공기력을 기계환기력에 의해서 유입하

여 오염된 공기를 희석하는 것으로, 환기방식은 차도 내의 공기 흐름의 방향에 따라 종류식,

반횡류식, 횡류식 등으로 구분된다. 또한 이들의 방식을 조합하여 사용하는 경우도 있다.

최근 도로 터널의 기계환기방식은 다양하게 변화되고 있으며, 이 장에서는 ① 제트팬 방식,

② 삭칼드 방식, ③ 수직구(연직구) 방식, ④ 집진기 방식, ⑤ 집중배기 방식, ⑥ 순환환기

방식, ⑦ 횡류식 및 반횡류식 등에 대하여 알아보도록 한다.

① 제트팬 환기방식

제트팬 방식은 터널 종방향에 작용하는 교통환기력 및 자연환기력을 보충하도록 제트팬

분류 효과에 의한 압력 상승을 발생시켜 소요 환기량을 확보하게 하는 방식이다. 그림

3.11은 제트팬 방식의 개요도이다.

종류식 환기방식에서 압력평형식은 식 3.32와 같다.

통기저항력(ΔPr) + 저항자연풍력(ΔPMTW) = 교통환기력(ΔPt) + 제트팬승압력(ΔPj) (3.32)

<그림 3.11> 제트팬 환기방식의 개요도

가. 제트팬 소요 대수 산정

제트팬을 i대 운전할 때 한 대당 승압력을 ΔPj로 하면, 소요 환기량을 만족하는 Ur값을

기준으로 하여 식 3.33으로 부터 제트팬 소요 대수를 구한다.

i ΔPj

ΔPr  ΔPMTW  ΔPt

(3.33)

단,

제9-2편 터널 환기

471

ΔPr    e   × D

L

r × 



× Ur

 (3.34)

ΔPMTW    e   × D

L r

× 



× Un

 (3.35)

ΔPt  A r

Am

× 



× n × Vt  Ur   A r

Am

× 



× n × Vt  Ur  (3.36)

ΔPj  Kj ×  × Uj

 × ø ×     (3.37)

여기서,

Uj : 제트팬의 분류 속도(m/sec)

Aj : 제트팬의 분류 면적(m2)

ø : Aj / Ar

ψ : Ur / Uj

Kj : 제트팬의 승압계수 이며,

식 3.36은 일방향 터널인 경우에 다음과 같이 되며,

ΔPt  A r

Am

× 



× n × Vt  Ur  (3.38)

또, 양방향 교통 터널에서는 상하 방향의 교통의 흐름이 동일한 경우에는

n  n  Am

  Am

 가 되어 교통환기력은 식 3.39가 된다.

ΔPt    × A r

Am



× 



×  × n × Vt × Ur (3.39)

식 3.35는 ΔPMTW가 저항, 자연풍이 차도 내 풍향과 반대인 경우이며, 이 식은 교통환

기도에서 II사분면의 영역된다. 자연풍이 차도 내 풍향과 동일한 방향인 경우에는 식

3.33은 식3.40이 된다.

i ΔPj

ΔPr  ΔPMTW  ΔPt

(3.40)

또 자연풍이 저항으로 작용하고 이것이 교통환기력보다 큰 경우에는 식 3.33은 식 3.41

이 된다.

제4권 터널

472

i ΔPj

ΔPr  ΔPMTW  ΔPt

(3.41)

일반적인 터널에서 제트팬 소요 대수는 식 3.33에서 구한 i를 표준으로 한다. 또, 제트팬

을 이용할 경우는 2대 이상의 병렬 배치를 표준으로 하고, 식 3.37에서 두 대 분의 ΔPj

를 계산하여 식 3.33에서 i(정수)를 구한다. 또, 식 3.33에서 Un 값은 특별한 자료가 없

을 경우 2 ~ 3 m/sec를 표준으로 하나, 풍압효과 및 굴뚝효과에 의한 자연환기력이

일반적인 경우보다 클 것으로 예측되는 경우는 예측 결과 값을 설계에 반영할 수 있도

록 해야 한다.

양방향 터널에서는 자연풍이 작용하는 방향은 단순하지 않기 때문에 제트팬을 역전 운전

해야 하는 경우가 발생하는데 역전 운전은 터널 내 공기의 관성과 제트팬 전동기의 기계

적 요인으로 보아 바람직하지 못하다. 이런 점을 감안하여 양방향 교통(용)량 비를 50

: 50으로 예상하고 자연풍은 터널 내 환기기 운전 방향과 반대 방향으로 작용하고 있는

경우를 가정하여 차등 차속에 따른 소요 환기량을 계산하고, 제트팬 대수를 구한다. 또

차량 대수의 정수를 구할 경우도 일방향 교통과 같은 방식으로 구한다

나. 제트팬의 설치 간격

일반적인 터널에서 제트팬의 설치 위치는 차도 상부의 시설한계를 벗어나는 위치에 설치

하는 것을 원칙으로 한다. 설치 간격은 분류에너지가 환기풍에너지로 충분히 치환되는

믹싱거리를 확보하도록 한다.

일본의 경우, 믹싱거리를 고려한 제트팬 설치 간격은 표 3.12와 같으며, 환기 풍속(Ur)이

크면 믹싱 거리는 길어지고, Ur이 작으면 믹싱 거리가 짧아도 되므로 이를 감안하여 작성

된 것이다. 따라서 이 요령에서는 터널 내 최대 풍속이 10m/sec 이하인 점을 고려하여,

10m/sec 이하에서는 종방향 간격이 100 ~ 140m 이내 설치 시 제트팬 승압 효율 감소

효과가 작으므로 제트팬의 종방향 설치 거리는 100m 이상을 표준으로 한다. 그러나 중

규모 터널(500 ~ 1000m)에서 이와 같은 설치 간격을 확보할 수 없는 경우에는 시뮬레이

션 분석을 통한 제트팬의 환기 효율을 검증 후 설치 간격을 축소할 수 있다.

경제성을 고려하여 제트팬의 설치 간격은 수전 위치(변전소) 및 수전 개소에 의해 배치하

며, 수전 위치에 따른 제트팬 설치 간격은 예산 절감을 위한 제트팬 설치 간격 지침을

준용한다.

제9-2편 터널 환기

473

다. 제트팬의 설치 위치와 승압 효과의 감소

터널에서의 제트팬 설치 방법은 천정에 매다는 식이 보통이며, 제트팬의 외경과 천정 벽

면까지의 이격거리는 0.5D(D는 제트팬 내경)이상으로 하는 것을 표준으로 삼고 있다.

시뮬레이션 분석을 통한 제트팬 승압 효율 분석 결과 이격거리 0.3D까지는 승압효율 감

소가 미미하므로 환기 효율 검토 후 선택 적용하여 벽면과의 이격거리를 축소할 수 있으

며, 세부 사항은 터널 단면 최적화 방안 검토 지침을 준용한다.

원칙적으로 천정부에 1개 또는 2대를 병렬로 설치하며, 제트팬은 보수점검 시의 차로 통

제와 설치 간격 등을 고려하여 1개소당 2대를 병렬로 설치하는 것이 효율적이다. 또한

병렬 설치 시 제트팬 간 이격거리는 제트팬 외경 사이 간격이 1D(D는 제트팬 내경) 거리

를 유지하도록 한다. 단, 1D를 유지할 수 없는 경우(터널 폭이 좁은 경우), 제트팬 간

이격거리에 의한 승압 감소 효과보다 터널 측벽과의 거리에 의한 승압 감소 효과가 우선

고려되어야 하므로 제트팬을 서로 밀착하여 병렬 설치할 수 있다.

이격거리가 작으면 분류가 벽면으로부터 마찰저항을 받기 때문에 승압효과가 감소하게

된다. 사각형 단면 터널의 모서리와 측벽 근처에 설치한 예는 우리나라에서는 경험이 없

어 이렇게 설치할 경우는 분류속도가 교통차량에게 주는 영향을 포함하여 수치해석 등으

로 충분하게 확인한 후 설치할 필요가 있다. 한편 제트팬의 승압계수는 표 3.13의 제시값

을 적용한다.

장대터널 내 사(死)공간 최소화를 위하여 제트팬 설치 구간과 미설치 구간의 단면 이원화

적용이 가능하며 터널 단면 변화각 5°이하일 경우 환기 효율 저하가 미미하며, 세부 사항

은 터널 단면 최적화 방안 검토 지침을 준용한다.

<표 3.12> 제트팬 설치 간격(예 : 일본)

차도 내 풍속(m/sec) 설치 간격

4 이하 100 m 이상

4 ~ 8 이하 120 m 이상

8 ~ 12 이하 140 m 이상

※ 일본 고속도로주식회사(2006) 기준 참고

제4권 터널

474

<표 3.13> 제트팬 승압계수 Kj(예 : 일본)

터널 내 풍속(m/sec) 승압계수 Kj

4 이하 0.99

4 ~ 8 0.92

8 ~ 12 이하 0.90

라. 터널연장 대비 제트팬의 설치 거리 점유율

터널 내 과도한 제트팬 설치는 전압 강하에 따른 케이블 비용의 증대, 전력비 상승 및

터널 내 풍속증가에 따른 팬 승압력 감소 및 분류 효율의 저하를 가져올 수 있다. 특히

비상주차대나 피난연락갱 주변 등의 확폭 단면 부근에서는 승압력의 손실을 가져오므로

바람직하지 못하다.

따라서 이 요령에서는 장대터널(1 km 이상)에 대하여 팬 점유율(터널 연장 대비 제트팬의

총 설치거리 비율)이 3/4을 초과하지 않는 범위 내에서 제트팬 방식의 적용을 권장한다.

마. 제트팬 승압력 이론

제트팬에 의한 추력(thrust)은 다음 식으로 얻을 수 있다.

F   × Aj × Uj × Uj  Ur  (3.42)

또, 제트팬에 의한 승압력을 ΔPj 라고 하면,

F  ΔPj × Ar (3.43)

ΔPj  Kj ×  × Uj

 × A r

Aj ×   Uj

Ur  (3.44)

여기서, Aj / Ar = ø, Ur/Uj = ψ 라고 두면 식 3.45를 얻을 수 있다.

ΔPj  Kj ×  × Uj

 × ø ×     (3.45)

② 삭칼드(Saccardo) 환기방식

삭칼드 방식은 비교적 대형분류장치(삭칼드)로 압력 상승을 일으킴과 동시에 교통환기력

을 효과적으로 이용하여 이들 합성환기력이 터널 마찰 손실, 자연환기력 등의 저항에 이기

도록 설계, 계획하는 방식으로 제트팬 방식과 같은 종류이다. 이 방식은 대풍량 고속 분류

를 차도로 흐르게 하기 위해 일방향 도로터널에 적용하는 것이 일반적이다. 그림 3.12는

분류 장치의 개요를 나타낸 것이다.

제9-2편 터널 환기

475

<그림 3.12> 삭칼드 환기방식의 개요도

가. 분류 장치에 의한 차도 내 압력상승 : ΔPj

ΔPj는 다음 식으로 계산한다.

그림 3.12에서 단면 ①과 단면 ②로 구분된 구간에 운동량 법칙을 적용하면 다음식과 같

이 된다.

Ar×ΔPj = ρ.Qr×Ur2 - [ρ×(Qr - Qj)×Ur1 + Kj×ρ×Qj×Uj×cosβ] (3.46)

Ar×ΔPj : 압력 차이

ρ×Qr×Ur2-[ρ×(Qr-Qj)×Ur1] : 나오는 운동량 Kj×ρ×Qj×Uj×cosβ : 들어가는 운동

량에 의한 힘과 같다.

여기서, 연속방정식은 다음과 같다.

Ur  A r

Qr  Qj

 Ur  Ar

Qr

식(46)에 연속방정식을 대입하여 정리하면 다음 식을 얻을 수 있다.

ΔPj   × Qr

Qj

× 

Ur

KjUj × cos

   Qr

Qj × 



× Ur

 (3.47)

여기서,

Qr : 소요 환기량

Qj : 분류 장치 풍량(급기팬 풍량)

Uj : 분류 속도(20 ~ 30m/sec 정도가 바람직함.)

β : 분류와 터널의 축방향을 이루는 각도

Kj : 급기 노즐의 승압계수

이다.

제4권 터널

476

소요 압력과 ΔPj의 관계는 제트팬 환기방식의 경우와 같기 때문에 여기서는 생략한다.

나. 분류장치의 노즐 면적

분류장치의 노즐 면적 Aj(m2)은 다음 식으로 구할 수 있다.

Aj  U j

Qj

(3.48)

실제 설계에서는 Aj 크기에 구조상 제약이 있어, 최대 가능한 노즐 계획을 전항의 계산에

앞서 해 두면 편리하다.

다. 환기팬의 풍량, 풍압

Qj 가 정해지면 환기팬 풍량이 결정된다. 또 팬 전압 ΔPTOT는 10%의 여유를 두고 다음

식에 따른다. 여기서Pd는 급기 덕트 손실, 노즐 손실 등의 전압 손실을 말한다.

P (3.49)

라. Kj 값과 실험 결과

식(40)의 Kj, 즉 급기 노즐의 승압계수는 급기 노즐이 본 갱과 합류할 때의 형상 및 분류

와 터널 축방향이 이루는 각도(β)에 지배된다.

Kj값의 일례로서, 그림 3.13은 일본 건설성 토목연구소의 실험 결과 개요를 나타낸 것이

다. Kj값은 분류가 빠져나가는 영역에서는 0.95 ~ 0.90의 값을 나타내고 있다.

급기노즐의 일부를 본갱 단면 내에 만드는 계획은 마제형 터널인 경우에 일반적이지만,

이 경우 β값에도 제약이 있다. 일본도로공단이 행한 실험에 의하면 급기노즐의 차도 측

면을 차도와 평행하게 하고, 급기노즐의 천정면을 약간 경사지게 하여(그림 3.14 참조)

분류 천정면에 의한 마찰손실을 줄이면, Kj = 1.0을 거의 확보할 수 있다고 한다.

제9-2편 터널 환기

477

<그림 3.13> 급기노즐에 의한 압력 상승과 Kj

제4권 터널

478

<그림 3.14> Kj(경사지게 불어 넣음, 사각 단면)

마. 삭칼드 환기방식의 실제 예

현재 삭칼드 환기방식을 단독으로 채용한 터널의 실제 예는 우리나라에는 없다. 따라서,

합리적인 설계를 하기 위한 구체적인 내용을 제시할 수는 없지만 환기소의 형상과 덕트

의 접속 방법 등에 의한 연락 덕트 손실, 환기량과 분류장치의 유량 및 유속 관계 등을

충분히 비교 검토하여 경제적으로 운용되도록 배려해야 한다. 또 다른 환기방식과 병용

할 경우는 특히, 승압력 부담비에 대하여 상당수의 조합을 고려해야 하므로 충분한 경제

성 비교가 필요하다.

③ 연직갱(수직갱) 급배기 종류환기방식

이 환기방식은 그림 3.15와 같이, 연직갱(수직갱)에서 차도 공간의 공기를 교환함으로써

종류환기방식의 적용 길이를 확대하는 방식이다. 또 연직갱(수직갱) 밑의 배기노즐과 급

기노즐 사이의 단락 흐름이 발생하여 역류가 생기지 않도록 계획하는 것이 일반적이다.

제9-2편 터널 환기

479

<그림 3.15> 터널 내 풍속, 압력 및 농도분포

가. 연직갱(수직갱)급배기 종류환기방식의 이론

급기노즐 측과 배기노즐 측의 승압력 이론식은 운동량 법칙을 적용하여 각각 유도한다.

ⅰ. 급기노즐 측 이론식

급기노즐에 대한 운동량 방정식은 식 3.50으로 표시된다.

Pr  Pr  Q r

Qj ×

.

.

.U r

Kj.U j.cos

   Q r

Qj .

. .





× Ur

 (3.50)

ⅱ. 배기노즐 측 이론식

급기노즐에 의한 승압력식은 그림 3.16의 터널의 단면 ① 및 ②로 구분된 검사 체적에

운동량 법칙을 적용하면 식 3.51이 된다.

Ar × (Pr2 - Pr1) = ρ × Qr1 × Ur1 - ρ × Qr2 ×Ur2 - ρ × Ke × Qe × Ue (3.51)

여기서, Qr2 = Qr1 - Qe, Ur2 = Qr2 / Ar, Ar = Qr1 / Ur1 관계를 대입하여

Qr2, Ur2, Ar 를 소거하면, 식 3.51은 식 3.52로 표현된다.

제4권 터널

480

Pr  Pr   × Q r

Qe ×

.

.

.  U r

Ke.U e  Q r

Qj .

. .

× 



× Ur

 (3.52)

또, 연직갱(수직갱)을 사이에 둔 좌우 구간에서 급배기량을 같게 하는 경우,

즉, Qr1 = Qr4 = Qr, Qe = Qj라고 하면, 식 3.51과 식 3.52은 각각 다음식으로 표시된다.

Pr  Pr   × Q r

Qj ×

.

.

.U r

Kj.U j

× cos

   Qr

Qj .

. .

× 



× Ur

 (3.53(a))

Pr  Pr   × Q r

Qj ×

.

.

.  U r

Ke × Ve

 Qr

Qj .

. .

× 



× Ur

 (3.53(b))

여기서,

Qr : 차도 내 환기 풍량

Ur : 차도 내 환기 풍속

Qj : 급기노즐에서 차도로 불어넣는 풍량

Qe : 차도에서 배기노즐로 불어넣는 풍량

Uj : 급기노즐에서 차도로의 분출 풍속

Ue : 차도에서 배기노즐로의 분출 풍속

Pri : 차도 내 i 지점에서의 압력

β : 분류와 터널 축방향이 이루는 각도

Kj : 급기노즐의 승압계수

Ke : 배기노즐의 계수

이다.

<그림 3.16> 급 . 배기 노즐

나. 급배기 환기팬의 소요 풍압

급배기 환기팬의 풍량이 결정되면, 급배기 환기팬의 전 압력 ΔPTOT는 다음 식으로 구해

진다.

제9-2편 터널 환기

481

ΔP j  



× Uj

 ΔPd  Pm×  [3.54(a)]

ΔP e  



× Ue

 ΔPd  Pm×  [3.54(b)]

여기서,

ΔPd : 연락 덕트 손실, 노즐 손실 등의 전압 손실

Pm : 급 . 배기 노즐 중간의 차도 전압

이다.

다. Kj 와 Ke 값

ⅰ. Kj 값

Kj 값은 5.4절의 삭칼드 환기방식에서와 같고, 0.95 ~ 0.90 값으로 한다.

ⅱ. Ke 값

그림 3.17은 일본건설성 토목연구소의 실험 결과로부터 얻어지는 Ke값을 나타낸 것이다.

즉, Ke값은 본류의 풍량과 배출 풍량의 비율 및 본류의 단면적, 배출구 면적(본류의 유선

에 접하는 면적)비에 의해서 지배되지만 더욱 연구해야 할 필요가 있는 부분이다.

<그림 3.17> Ke 와 Q4 / Q3의 관계

TOT

TOT

제4권 터널

482

또 그림 3.17에 도시된 실선으로 부터 실험 범위 내에서는 식 3.53(a)의 값은 다음 식과

유사함을 알 수 있다.







× Ur

Pr  Pr   (3.55)

따라서, 일반적으로 차도 풍속 Ur를 4 ~ 7 m/sec 라고하면 배기노즐에 의한 승압력은

3.92 ~ 11.76 Pa (0.4 ~ 1.2 mmAq) 정도이며, 이것은 급기노즐의 승압력에 비해 극히

작기 때문에 일반적으로 무시한다.

ⅲ. 간편 계산 방법

연직갱(수직갱) 급배기 환기방식에 대한 실제 환기운용 경험이 많지 않으므로 현재 단계

로는 연직갱(수직갱) 급배기 환기장치의 승압력에 약간의 여유를 두고 설계하는 것이 바

람직하며, 배기노즐의 승압을 무시하고, Kj = 1.0할 것을 권장한다. 따라서 급기노즐의

승압력 식은 식 3.56과 같다.

Pr  Pr   × Qr

Qj ×

.

.

.U r

Uj × cos

  Q r

Qj .

. .

× 



× Ur

 (3.56)

전술한 일본 건설성 토목연구소의 실험 결과는 식 3.56을 이용하여 유도가 가능하지만

별도로 행해진 그림 3.18의 실험 결과에도 적용이 가능하다.

라. 연직갱(수직갱)급배기 종류환기방식의 실제

연직갱(수직갱) 급배기방식의 환기방식에 의한 실제 운용 경험이 많지 않지만, 유사한 집

진기 종류환기방식에 의한 실제 경험으로부터 다음과 같이 제시할 수 있다.

ⅰ. 대상 터널

교통환기력을 최대한으로 활용하는 환기방식이기 때문에 일방향 교통 터널에 적용하는

것을 원칙으로 한다. 또 양방향 도로터널에 적용을 검토할 경우에는 단계 시공을 전제로

하며 조기에 일방향 교통으로 하는 것이 바람직하다.

ⅱ. 환기방식의 요소

㉠ 이 환기방식에서는 교통환기력의 면에서 차도 내 풍속 6 ~8 m/sec 정도의 범위에 적

용하는 것이 경제적이다.

㉡ 이 환기방식의 터널 전 길이에 대한 배기가스의 농도 분포는 터널 입구부터 거의 직선

제9-2편 터널 환기

483

적으로 상승하여 연직갱(수직갱) 바로 밑 부근에서 최고값에 달하고, 급기구를 지난

위치에서 급격히 농도가 떨어진 후, 다시 직선적으로 상승한다. 수개의 연직갱(수직갱)

이 있는 경우는 이와 같은 경향이 반복하게 된다.

<그림 3.18> Kj 와 Qj / Qr의 관계

㉢ 연직갱(수직갱) 바로 밑의 배기구와 급기구 사이의 공기 흐름은 역류가 발생할 수가

있지만 환기계획상 이 사이의 흐름의 유속을 0 m/sec 로 해도 교통에 의한 확산 작용

으로 농도에는 영향이 없다.

㉣ 연직갱(수직갱)에 의해 구분되는 각 환기 구간에 있어서 환기 효과가 만족되면 이론상

터널의 한계 길이는 존재하지 않는다.

㉤ 교통량 증대에 의한 교통지체, 사고에 의한 교통지체 등으로 인한 이상 교통 상태에서

는 환기 상태를 악화시킬 수 있다. 또 방재대책 상 그 외에 쉽게 알 수 없는 실제 운용

상의 요소들에 대해서도 고려할 필요가 있다. 이들 대책에 대해서는 충분한 검토가

필요하며, 환기시설 외에 교통감시시설의 운용 등을 포함한 종합적이고 세심한 배려

가 필요하다.

ⅲ. 환기기 계획상의 제요소에 대한 유의사항

㉠ 연직갱(수직갱)의 위치

연직갱(수직갱)의 위치는 자연환기에 의해서 환기하는 경우에 터널 입구로부터 유입

되는 환기풍에 의한 오염물질의 농도가 허용 농도에 달하는 부근에서 설치하는 것이

제4권 터널

484

이상적이며 경제적이다. 이 위치를 크게 벗어난 지형, 지질일 때는 위치 선정과 동력

비교를 포함한 종합적 경제성을 비교한다.

㉡ 연직갱(수직갱) 급배기량

연직갱(수직갱)으로 구분된 환기 구간 중 연직갱(수직갱) 급기구가 분담하는 구간의

소요 환기량은 연직갱(수직갱) 바로 밑을 빠져나가는 공기의 양과 그때의 농도를 감안

하여 산정하고, 맞는 급기량을 급기풍량으로 한다.

㉢ 급기구 면적과 풍속

연직갱(수직갱) 급기구에 의한 차도 내 압력 상승 효과를 기대할 필요가 없는 환기설

계에서는 급기구에서의 분류 풍속은 최대 30 m/sec를 표준으로 한다. 급기구 면적은

설계 상태에 따라 결정되며, 풍량 제어 등을 목적으로 한 면적 제어는 현재로서는 행

해지지 않고 있다.

㉣ 배기구 면적과 풍속

배기구는 일반적으로 차도 공간에 대해 거의 직각 위치로 설치하는 경우가 많으며,

이때 차도 공간 이용자에게 주는 영향을 적게 하기 위하여 배기구 평균 단면 풍속을

약 6 m/sec 이하로 계획한다. 또 차도에 접한 단면 부근에는 정류격자와 철망 등을

설치하여 이용자의 안전을 도모한다.

④ 집진기 부착 종류환기방식

종류환기방식은 특히 일방향 교통 터널에 주행 차량에의한 교통환기력을 효과적으로 활용

할 수 있을 경우 건설비 및 환기동력비 측면에서 효과적이다. 터널 길이가 길면 소요 환기

량이 증가하므로 종류환기방식의 적용이 곤란해지지만 CO에 대한 소요 환기량보다 매연

에 대한 소요 환기량이 압도적으로 많을 경우에는 집진기를 이용하여 매연의 일부를 제거

하는 방법을 도입하면 종류환기방식의 적용 길이를 더 확대할 수 있으므로 이 환기방식이

효과적이다.

가. 집진기 부착 종류환기방식의 매연 농도 개선

ⅰ. 그림 3.19와 같이 집진장치를 포함하는 검사 단면 ①, ②를 대상으로 하여 매연 농도 개선

효과를 구해 보면,

Qr : 차도 내 환기 풍량(m3/sec)

Qc : 집진기의 처리 풍량(m3/sec)

제9-2편 터널 환기

485

Qs : Qr - Qc

Cn : 집진기실 직전의 차도 공간 평균 매연농도비

Cn : 집진기실 직후의 차도 공간 평균 매연농도비

단, Cn', Cn 모두 절대농도로 표현하지 않고, 설계농도에 대한 비율로 나타낸 농도비이다

(예 : Cn' 이 설계농도와 같을 때, Cn’ = 1.0 로 표시한다).

ηVI : VI(매연투과율) 개선율

이들 정의로부터 집진기계실 직후의 차도 공간 농도 Cn 은 다음 식에서 산출된다.

Qr × Cn'- Qc × Cn'×ηVI = Qr× Cn (3.57)

식 3.57을 정리하면,

Cn = (1 - α×ηVI)×Cn' (3.58)

단, α = Qc / Qr, Qc ＜ Qr

이때의 Qs 농도는 Cn' 에 dx 구간의 배출량이 가해진 농도로 되어 dx 구간의 소요 환기량

을 dQreq 라고 하면 다음 식으로 표현된다.

Qs의 ②의 단면 농도 = Cn' + Qs

dQreq

일반적으로 dx는 50~100m 정도이며, Qs를 너무 작게 계획하지 않는 한 거의 무시할

수 있는 정도이다.

<그림 3.19> 집진기 종류환기방식의 환기 계통도

전기집진기방식은 그림 3.19에 나타낸 것과 마찬가지로, Cn'이 허용 농도 내에서 집진장

치를 설비하도록 하면 그 처리 풍량 Qc는 임의의 크기로 선택할 수 있지만, Qc × ηVI

양이 다음 구간의 매연에 대한 환기량이 되기 때문에 집진장치의 설치 간격과 설치 수에

영향을 준다. 따라서, Qc는 대상으로 하는 터널 조건에 따라 경제성 등을 종합적으로 비

교하여 구한다.

제4권 터널

486

나. 집진장치의 압력 상승

그림 3.19에서 주행 차량의 교통환기력과 환기시설에 의한 환기력에 의해서 차도 내 환

기풍속이 발생하므로 집진장치에 의한 승압력은 특별히 기대하지 않아도 좋다.

집진장치배치방식은 소용량의 집진기를 터널 축방향으로 다수를 배열하는 분산 배치 방

법과 터널 본 갱의 외측에 집진기실을 건설하여 대용량의 것을 수용하는 대용량 집진기

방식이 있다. 신설터널의 경우, 일반적으로 대용량 집진기방식을 채용하는 경우가 많다.

집진장치가 대용량일 때는 토출구의 크기에 대한 구조상의 제약이 있으므로 일반적으로

삭칼드 환기방식과 같이 급기노즐을 통해서 고풍속으로 급기하는 경우가 많다. 이 경우

에 Qc = Qe = Qj로 하면, 연직갱(수직갱)급배기방식과 완전히 똑같은 압력 상승을 계산할

수 있다.

다. 집진기 부착 종류환기방식의 실제

이 환기방식은 그 특성이 연직갱(수직갱)급배기 환기방식과 유사하므로 연직갱(수직갱)

급배기 환기방식에 제시된 이론을 적용할 수 있으며, 이외에 다음과 같은 사항을 고려해

야 한다.

ⅰ. 집진장치의 매연투과율(VI) 개선율

집진장치를 환기용으로 이용하는 경우에 효율은 매연투과율을 개선하는 비율, 즉 VI 개

선율로 표시한다. 현재 일본의 자동차 터널에 대한 조사 결과에 의하면 전기집진기를 사

용하는 경우에 약 80%의 개선 효과가 있다고 보고되고 있다.

ⅱ. 집진처리 공기 이용의 한도

집진장치에 의해 집진 처리된 공기를 재처리하는 한도는 없지만, 실제 환기계획에서는

CO에 대한 허용 농도 등을 고려하여 재처리 한도를 정한다. 현재 고려되고 있는 실용적

인 재이용 한도로는 집진기 처리 풍량의 합계가 터널 입구에서 유입하는 풍량의 두 배까

지로 하고, 또 처리된 공기의 재처리는 3회 이내로 하고 있으며 재처리 횟수가 3회 이상

이되면 CO를 대상으로 하는 소요 환기량이 이보다 적을 경우라도 신선한 공기와 교체하

도록 집진장치를 배치하거나 다른 환기방식을 조합하여 계획한다.

ⅲ. 집진장치의 전력

전기집진기식 환기방식은 집진기와 환기팬으로 구성되어 있으며, 집진장치 자체가 소비

하는 전력은 30 m3/sec의 공기를 처리하기 위해서 약 1 kW가 필요하다.

집진장치는 집진기에 공기를 유입하여 다시 차도로 급기하기 위한 환기팬(축류팬)이 필

제9-2편 터널 환기

487

요하고, 전력도 비교적 크므로 집진기실 내의 각종 압력손실과 배기동압 등을 고려하여

압력손실을 산정해야 한다. 일반적으로 집진기 자체의 압력손실은 약 145 Pa정도이다.

ⅳ. 집진기에 접근하는 풍속분포

집진기실 내에 집진기의 배치 계획과 덕트 형상을 계획하는 경우에 각 집진 장치마다의

VI 개선율이 일정하게 하기 위해서 집진기에 접근하는 부분의 풍속의 분포가 가능한 한

일정하게 하는 것이 바람직하다. 급격한 단면 변화에 의한 흐름의 혼란과 소용돌이가 생

기지 않도록 덕트의 형상을 설계해야 하며, 집진기의 통과 풍속은 일반적으로 7 m/sec

이하로 한다.

ⅴ. 기타

화재가 발생했을 때 집진기실 내에 연기가 유입되지 않도록 설계하는 것이 바람직하다.

따라서 집진기를 사용하는 환기방식에서는 배연 대책을 별도로 검토할 필요가 있다.

전기집진기의 경우, 매연 이외에 CO, NOx 등의 물질을 제거하는 능력은 전혀 기대할

수 없다. 집진기는 작동 원리상 오존(O3)등을 발생시키기 쉽지만, 실제 장치는 이것을

허용값 이하로 억제하도록 배려한다.

집진기실에 의해 포집된 먼지 처리 방법은 여러 가지 방법이 있으며, 주로 산업폐기물로

처리하는 것 외에 분말을 고형화하여 저장하기 쉽게 하거나 다른 물질과의 혼화제로 적

극적으로 활용하는 등의 방법이 있다.

⑤ 연직갱(수직갱) 배기방식(집중배기방식)

연직갱(수직갱) 배기식 환기방식은 차도 내에 연직갱(수직갱)을 연직갱(수직갱)에 의해서

분할되는 두 개의 터널의 공기를 유입 배기하는 방식이다. 연직갱(수직갱) 대신에 경사갱

(사갱)과 횡갱을 설치하는 경우도 있다. 이 환기방식은 일반적으로 교통환기력을 기대할

수 없는 왕복 도로터널에 적용되며, 터널 중앙 부근에 연직갱(수직갱)을 설치하는 것이 보

통이다. 이때의 배기의 형상은 양 갱구에서 외기를 흡입하고, 연직갱(수직갱) 하부에서 합

류하여 배기되게 된다[그림 3.20(a) 참조].

또한 이 환기방식은 도심지 터널의 경우에 일방향 교통 터널에서도 출구 측 갱구로 부터

의 오염물질 배출을 억제하기 위해서 사용되는 경우도 있다. 이때의 터널 내 공기의 흐름

은 T자형 합류형태가 되는 경우에 본류 중 일부는 연직갱(수직갱)을 통해서 배기되고, 일

부는 터널의 출구 측으로 배기되는 경우가 있다[그림 3.20(b) 참조].

제4권 터널

488

<그림 3.20(a)> 연직갱(수직갱) 배기 환기방식의 계통도(합류형)

<그림 3.20(b)> 연직갱(수직갱) 배기 환기방식의 계통도(출구배출형)

연직갱(수직갱) 배기 환기방식의 일반형인 합류형의 경우, 교통 조건과 자연풍의 영향에

의해 연직갱(수직갱) 및 전후 터널 구간에 풍량의 불균형이 생긴다. 따라서, 어느 구간도

제9-2편 터널 환기

489

의도한 환기량보다 부족하지 않도록 배기 풍량에 여유를 둘 필요가 있다.

여유 배기량이 너무 커지면 건설비와 동력비 측면에서 경제적이지 못하기 때문에 터널 천

정부에 저항판을 설치하거나 제트팬 환기방식을 병용하는 방안을 검토해야 한다

또, 양방향 터널에서는 상하행선의 교통량의 불균형과 자연풍의 영향으로 경우에 따라서

는 출구로 터널 내 오염공기가 유출되는 되는 수가 있다. 교통량이 적을 때에 이런 흐름이

생기는 수가 많으며, 바람직한 환기상태라고는 할 수 없으므로 환기방식의 선정과 환기기

운용상의 주의를 요한다.

한편, 갱구 부근의 환경 보전을 목적으로 이 환기방식을 일방향 터널의 출구 부근에 적용

할 경우, 예를 들면 출구로부터의 토출량(풍량)을 0 또는 이에 가깝게 하는 것이 가능하지

만, 일반적으로 대개의 경우 집중 배기 능력을 필요로 할 뿐만 아니라 차량 자체가 차도

공기의 일부를 가지고 나가는 현상이 있어 오염물질의갱구를 통한 배출량은 0이 되지 않

는 경우가 있으므로 이에 대한 주의가 필요하다.

가. 연직갱(수직갱) 배기식 환기 방식에 있어서의 공기 흐름의 기초

ⅰ. 합류 흐름의 경우

그림 3.20(a)에 있어서 ΔPG는 갱구와 연직갱(수직갱)구 사이에 존재하는 기상적 압력

차를 나타내는 것으로, 배기구를 기준으로 작용하는 압력이 배기구 전.후가 서로 다르므

로 ΔPMTW와 구별하여 정의한다.

ΔPG를 가압력이라 하고, A1 = A2 일 때 각 U가 그림 3.20(a)에 나타낸 방향으로 흐르

면 연직갱(수직갱) 밑의 합류 후 전압 PT3는 다음 식으로 표현된다.

PT   ΔPG  ΔPt  e   × D

L r

× 



× U

  ′   × 



× U

 [3.59(a)]

PT   ΔPG  ΔPt  e   × D

L r

× 



× U

  ′   × 



× U

 [3.59(b)]

A × U  A × U  U  (3.60)

여기서,

ΔPG1 : ① 구간의 터널과 연직갱(수직갱)구 사이의 기상적 압력 차

ΔPG2 : ② 구간의 터널과 연직갱(수직갱)구 사이의 기상적 압력 차

(어느 것이나 자연풍이 터널을 향하는 방향일 때 양수가 됨)

ΔPt2 : 교통 환기력(n+ 는 ① → ②로, n- 는 ② → ① 구간으로 향하는 차량대수)

제4권 터널

490

ΔPt   A r

Am

× 



×  n  ×  Vt  U   n  ×  Vt  U   (3.61)

ΔPt   Ar

Am

× 



×  n  ×  Vt  U   n  ×  Vt  U   (3.62)

위 식 중의 ξ'1-3 및 ξ'2-3 은 하류[연직갱(수직갱)] 풍속을 기준으로 한 전압 손실계수로서

③처럼 구할 수 있다.

ⅱ. 터널 출구로 유출되는 흐름이 있는 경우

그림 3.20(b) 에 나타낸 것과 같이 터널 출구로 흐름이 있는 경우에는 연직갱(수직갱)

밑에서의 지류의 분기가 생기며 분기손실계수는 본류(제 ①구간)풍속을 기준으로 하여

표시하며 다음과 같이 계산된다.

지류의 분기 손실계수는 ξ'1-3, 본류의 분기 손실계수ξ'1-2로 각각 전압 손실계수로 표현

하고, 기타는 ⅰ합류 흐름과 같이 취급하면 식 63과 같이 각 부의 압력을 얻을 수 있다.

① 구간 끝의 전 압력(분기 직전의 전 압력), PT1

PT   ΔPG  ΔPt  e   × D

L r

× 



× U

 [3.63(a)]

② 구간 시점의 전 압력(분기 직후의 전 압력), PT2

PT   ΔPT      × 



× U

 [3.63(b)]

③ 구간 끝(출구)의 전 압력

ΔPG   



× U

  ΔPT    × D

L r

× 



× U

  Pt  [3.63(c)]

연직갱(수직갱) 밑의 전 압력 ΔPT3

PT   ΔPT      × 



× U

 [3.63(d)]

ⅲ. 합류 및 분기 손실계수

T자 합류관의 경우 그림 3.21(a)처럼, 합류 부분의 흐트러짐 등의 국부적인 현상에 영향

을 받지 않는 위치에 ①, ②, ③과 같이 검사 단면을 설정하면 연직갱(수직갱) 저부의 압

력은 다음과 같이 표시된다.

PT   ΔPT      × 



× U

 [3.64(a)]

제9-2편 터널 환기

491

PT   ΔPT      × 



× U

 [3.64(b)]

ξ'1-3, ξ'2-3 은 합류관의 단면적비, 유량비, 합류 각도 및 우각부의 형상에 의해 영향을

받는 값으로, 그 예를 표 3.14 및 그림 3.22에 나타내었다.

<표 3.14> T자 합류관의 손실계수

주) 모형치수 A1 = A2 = A3 = 50 cm × 50 cm,

합류부 8각형 치수 5 cm × 5 cm 양측

<그림 3.21(a)> T자 합류관 압력선도(계통도)

Q1/Q3 Q2/Q3 ξ′1-3 ξ′2-3 ξ′1-3 - ξ′2-3

1.00 0 0.91 0.55 0.36

0.95 0.05 0.84 0.50 0.34

0.90 0.10 0.78 0.46 0.32

0.85 0.15 0.71 0.42 0.29

0.80 0.20 0.64 0.38 0.26

0.75 0.25 0.58 0.35 0.23

0.70 0.30 0.52 0.33 0.19

0.65 0.35 0.46 0.31 0.15

0.60 0.40 0.40 0.29 0.11

0.55 0.45 0.34 0.29 0.05

0.50 0.50 0.31 0.31 0

제4권 터널

492

<그림 3.21(b)> T자 합류관 압력선도(계통도)

<그림 3.22> 합류 손실계수

제9-2편 터널 환기

493

<그림 3.23> 본류의 분기 손실계수

<그림 3.24> 지류의 분기 손실계수

제4권 터널

494

U1 = U2일 경우 표 3.14에서 ξ'1-3 - ξ'2-3 = 0 이기 때문에 식 3.64(a)와 식 3.64(b)는,

e   × D

L r

× 



× U

  e   × D

L r

× 



× U

  ΔPG ΔPG  ΔPt ΔPt (3.65)

이라고 표현할 수 있다.

출구로의 유출이 있는 경우 그림 3.21(b)에서 ①, ②, ③ 검사 단면을 설정하면 다음 식이

성립한다.

PT   ΔPT      × 



× U

 (3.66(a))

PT   ΔPT      × 



× U

 (3.66(b))

그림 3.21(b)의 압력선도는 일반적인 다음 조건을 표시하고 있다.

U3 ＞ U1(지류의 속도가 증대)

A1 = A2

ξ'1-2, ξ'1-3 은 분기관의 단면적비, 유량비, 분기 각도 및 우각부의 형상에 의해 영향을 받는

값이며, 그림 3.22 ~ 그림 3.24는 그 예를 나타낸 것이다.

ⅳ. 저항판의 저항계수

최근 지능형교통시스템(ITS)의 터널 상단부 설치가 일반적이므로 이들 저항판에 의한 저

항력은 터널 내 환기력 계산 시 반드시 검토되어야 한다.

저항판은 그림 3.25에서와 같이 다양한 형태가 있지만 가장 일반적인 형태는 A타입이다.

저항판의 설치 장소가 3개소 이상이 되면 1개소당 저항판의 손실계수 ζj값은 안정된 값

을 나타낸다. A타입의 저항판(설치 장소 수 : 3)일 경우, ζj와 설치 간격 및 값의 관계는

그림 3.26(a)와 그림 3.26(b)와 같다.

이상에서 일반적으로 볼 수 있는 반원형단면 도로 터널의 아치 부분에 시설한계 끝까지

저항판을 설치했을 경우를 예상하면 h/H = 0.23 ~ 0.31 정도이며, 이때 차도 내 풍속의

동압에 대한 손실계수로 표현되는 ζj의 값은 0.35 ~ 0.45 정도(A타입)이다.

압력손실은 다음 식에 따라 계산한다.

ΔP  j ×



× Ur

 × n (3.67)

여기서, n : 저항판의 설치 장소(개소) 수이다.

제9-2편 터널 환기

495

<그림 3.25> 저항판의 종류

<그림 3.26(a)> 설치 간격의 영향

<그림 3.26(b)> 저항판 값에 의한 영향

나. 환기기의 소요 풍압

전술한 바와 같이 각 구간의 풍량, 풍속 및 압력이 결정되면 연직갱(수직갱) 밑의 전압

PT3와 연직갱(수직갱) 및 이후의 손실에 의해 환기기의 소요 풍압이 구해진다. 즉, 설계

상태에서 환기기 소요 풍압 PTOT는 연직갱(수직갱)(경사갱(사갱) 또는 횡갱) 밑의 전압

제4권 터널

496

PT3에 연직갱(수직갱) 및 이후의 연결 덕트의 압력 손실(전압 기준)의 합계를 가산하여

계산 값에 여유율을 10%로 하여 다음 식으로 구한다.

ΔP  PT   ΔPd  ×  (3.68)

참고로 차량이 존재하지 않는 간단한 경우 합류 흐름에 대한 압력선도 개념 예를 나타내

면 그림 3.27과 같다.

(U1＞U2, U3＞U4, 차량이 존재하지 않을 경우)

환기기동압

환기기

배기탑 토출동압

(입갱구 대기압)

환기기흡출축

압력손실

(입갱)

압

력

풍

속

<그림 3.27> 연직갱(수직갱) 배기 방식의 압력선도

⑥ 순환환기방식

그림 3.28에서와 같은 순환환기방식(Air Interchange Ventilation System)이란 상대적

으로 깨끗한 한 쪽 터널의 공기를 다른 쪽 터널인 상대터널로 치환할 수 있도록 계획된

환기방식을 의미하며, 종래에는 개념적으로만 상상되었다.

제9-2편 터널 환기

497

(a) 대만 쉐산터널의 환기방식

(b) 호주 시드니 M5 터널의 환기방식

<그림 3.28> 순환환기방식의 예

이러한 환기방식은 상하행선의 교통량 차이가 클수록 경제성이 큰 방식이라 할 수 있으며,

기본적으로 수직구(연직구) 건설과 병행하여 순환환기소의 운전을 고려해야 하기 때문에

실제 수직구(연직구)방식과의 운전동력비에 대한 비교를 통해서 타당성을 검토할 수 있다.

특히 순환환기방식은 상하행선별 교통량의 차이가 클 때 유리하므로, 방향별 교통량의 분

포 차이가 크고, 특히 저속 시 환기 용량이 결정되는 터널에 적합한 환기방식이라 할 수

있다. 동일 용량의 (순환)환기팬이라고 가정할 경우, 기본적으로 터널 내 유속이 적을수록

기설비 가동에 의한 상대적으로 신선한 공기의 유입에 따른 터널 내 농도 분포가 낮아질

수 있기 때문이다. 따라서 고속시 환기 용량이 결정되는 터널에서는 경제성을 기대키 어려

운 방식이다. 또한 여기서 교통량의 차이가 크다는 것은 방향별 차등 차속에 대한 고려가

필요하다는 것을 의미하는데, 이는 도로용량과 첨두시교통량에 대한 세부 검토가 병행되

어야 운전동력비에 대한 효과적인 검토가 수행 될 수 있음을 의미한다. 따라서 순환환기

제4권 터널

498

방식의 적용을 위해서는 상하행선의 교통량 분포 및 차량의 주행속도에 따른 환기설비의

가동 필요 여부를 함께 고려할 필요가 있다. 그림 3.28은 순환환기방식의 예 이다.

⑦ 반횡류식 및 횡류식 환기방식

터널 내에 덕트를 설치하여 급기 또는 배기하는 방식으로 전자는 급기 반횡류식이라 하며,

후자는 배기 반횡류식이라 한다. 이 시스템은 터널의 입구나 출구 한 쪽에만 환기탑을 두

는 경우와 터널의 입출구 양 쪽에 환기탑을 설치하여 양방향에서 급기하는 방식이 있으며,

또 터널을 두 개의 구간으로 나누어 한 쪽은 급기하고 따른 한 쪽은 배기하는 시스템이

있다.

가. 덕트 및 차도 내 압력 계산

ⅰ. 차도 내 압력분포

그림 3.29에서 급기 덕트와 배기 덕트를 포함하는 검사 체적(Control Volume)에 대한

운동량 방정식 및 연속 방정식은 다음과 같다.

<그림 3.29> 급 . 배기 덕트에 대한 검사 체적

운동량 방정식 :

dx

dPr

 k ×  ×dx

d Ur



 k    × Ur

×dx

dAr

 Dr

r

× 



× Ur

± Pr (3.69)

연속 방정식 :

dx

dUr

 A r



× qb  qe  (3.70)

여기서,  k ×  ×dx

d Ur



  × k ×  × Urdx

dUr 은 포트로 흡입되거나 송출되는 공기

의 유속 변화에 의한 운동량 변화량,  k    ×  × Ur

× dx

dAr

은 단면적 변화에 의한

제9-2편 터널 환기

499

운동량 변화량,  dr

r

× 



× Ur

 은 벽면 마찰에 의한 운동량 변화량, △Pt는 교통환기력

에 의한 운동량 변화량이다.

또 윗 식에서 k는 포트운동량계수로 다음과 같이 정의된다.

급기 포트(efflux or supply port) :

Kb  



×   Cs

 

Cs   qb   msec.m일때 kb  

Cs   qb  msec.m일때 kb  

배기 포트(influx or exhaust port):

Ke  

  Ks

Ks  일때Ke  

미국연방도로국에서는 ke와 kb에 각각 0.5, 0.5를 적용하고 있으며, 일본 수도공단 보고

서에는 0.5, 1.0을 적용하고 있다.

차도 내 압력 분포는 급기 덕트로 부터 터널 전 길이에 일정량의 신선 공기 qb(m3/sec)가

공급되고, 토출되는 공기는 터널의 종축 방향에 수직한 방향으로 공급된다는 가정 하에

다음과 같이 구할 수 있다.

ⅱ. 급.배기 덕트의 압력 분포

급.배기 덕트의 압력 분포에 대한 미분방정식은 식 3.71과 같다.

dx

dPb

 k ×  ×dx

d Ub



 k    ×  × Ub

×dx

dAb

 d b

b

× 



× Ub

 (3.71)

나. 급기 반횡류방식의 계산

급기 반횡류방식은 급기 덕트를 통해서 터널 단위 길이 당 일정량의 신선 공기

qb(m3/sec)를 급기하게 되며, 이때 급기되는 공기는 기상 조건 및 터널 내의 압력 분포

에 따라서 입.출구 어느 한 쪽 방향으로 흐르거나 그림에 나타낸 바와 같이 분기되어 터널

의 입.출구 양 방향으로 흐르는 흐름이 형성된다. 내부 풍속 분포는 그림 3.30과 같으며,

차도 내 풍속이 0이 되는 지점을 중성점이라고 한다.

급기 반횡류식에서 중성점이 차도의 중앙에 위치하는 경우에 차도의 최대 풍속은

제4권 터널

500

8m/sec로 권장하고 있다.

이 방식의 설계는 우선적으로 차도 내 압력 분포와 덕트에서의 압력 분포를 구하는 것이

중요하므로 이에 대해서 자세히 알아보기로 하자.

ⅰ. 차도 내 압력 분포

차도 내 압력 분포는 급기 덕트로부터 터널 전 길이에 걸쳐 일정량의 신선 공기(qb)가

공급되고, 공기는 터널의 종축 방향에 대해서 수직한 방향으로 토출된다는 가정 하에 식

3.69를 중성점을 기준으로 x1(상류방향) 및 x2(하류방향)에 대해서 적분하면 다음과 같이

구해진다.

가. 차량의 진행 방향과 기류의 방향이 반대인 경우

Pr

x Prx  

r

× D r

x  × 



× U r x   × L r

x × 



× Ur

 Ut × Urx 



× Urx

 

(3.72)

나. 차량의 진행 방향과 기류의 방향이 같은 경우

Pr

x Prx  

r

× D r

x  × 



× Urx

   × Lr

x × 



× Ut

 Ut × Urx 



× Urx

 

(3.73)

여기서,   Ar

Am

× Ut

Nveh × Lr 이며, Nveh는 단위시간당 통과하는 차량 수(대/sec)이다.

ⅱ. 급기 덕트의 압력 분포 및 덕트 시작점의 동압

급기 덕트의 압력 계산은 급기 덕트의 설계 및 송풍기의 용량 산정을 위해서 필수적인

사항으로 이 절에서는 급기 덕트의 단면적이 일정하고, 단위 길이 당 차도로 급기되는

신선 공기의 양이 덕트 전 길이에 걸쳐서 일정하다는 가정 하에 압력 분포를 계산한다.

급기 계통의 압력 분포는 그림 3.30에 나타낸 바와 같으며 각 요소는 다음과 같이 계산

할 수 있다.

㉠ 덕트 시작 부분의 풍속 및 동압

덕트 풍속 : Ubi  A b

Qb

(3.74)

덕트 시작부 동압 : Pbd  



× Ubi

 (3.75)

㉡ 덕트의 정압 차

제9-2편 터널 환기

501

덕트 내 풍속, Ub는 덕트 말단으로 갈수록 감소하며, 임의 지점 x에서 덕트 내 풍속

Ub(x)는 다음과 같다.

Ubx   Ubi ×   Lb

x  Ab

Qb

×   L b

x  (3.76)

단, x = 0 덕트의 시작점, x = Lb 덕트의 말단부이다.

따라서, 덕트의 정압 차는 식(71)을 적분하여 구하며, 미국연방도로국에 의해서 유도된

식과 Holland 터널 설계 시 사용한 식을 소개하면 다음과 같다.

<미국연방도로국> :

Pbx   Pbi   × 

Ubi



×









kF  d b

b × Lb × L b

x

  × kb   × kF  d b

b × Lb × L b

x 

 



× kF  kB   



× d b

b × Lb × Lb

x 









(3.77)

여기서, Pbi는 덕트 시작점에서의 압력이며, kF와 kB는 각각 덕트의 시작점과 말단에서

유효 포트 운동량계수(effective port momentum coefficient)로 덕트의 종횡비에 따

라서 변하며, kF = 0.8 ∼ 0.5의 범위이며, kB = 0.1로 일정하다.

여기서 평균 포트운동량 수( )는 식 3.78과 같이 정의되며, 식 3.77에서 덕트의 시단과

말단의 포트운동량계수가 같다고 가정하면, 덕트 내 정압 분포는 식 3.79와 같다.

. .  .   (3.78)

Pbx   Pbi   × 

Ubi



×









k  d b

b  Lb × L b

x

   × k  d b

bLb × L b

x 

  



× db

b × Lb × Lb

x 









(3.79)

따라서, 급기 덕트에서 정압 차는 윗 식에 x = Lb를 대입하면 다음 식이 된다.

Pbi  Pbo   × 

Ubi



× 



× d b

b  Lb   ×k  (3.80)

여기서, Pbo는 덕트 말단에서의 압력이다.

식 3.80은 K = 0.5인 경우에 일본의 수도공단에서 제시하는 식과 동일하다. λb는 급기

덕트의 마찰손실계수로 일반적으로 덕트의 유속은 차도의 유속보다 변화 폭이 크기 때문

제4권 터널

502

에 상세 계산을 위해서는 속도에 대한 고려가 있어야 하며, λb는 풍속이 큰 덕트의 시작

부분에서는 대략 0.015정도이며, 덕트의 말단에서는 0.04가 된다. 일본의 수도공단의 보

고서에서는 0.015를 권장하고 있다.

<Singstad의 식>

Pbx   Pbo   × db



×

.

.

.Ubi

 ×  × db

a × Lb × Z  



×   KZ  

 × db



b × Lb × Z .

.

. (3.81)

여기서,

Pbo : 덕트 말단 압력

a : 콘크리트의 마찰계수 관련 값, 0.0035

b : 콘크리트의 마찰계수 관련 값, 0.01433

z  Lb

Lb  x

K : 0.615 (난류에 관계된 계수)

㉢ 급기 덕트의 말단 압력(Pbo-Pro)

덕트의 말단 압력은 차도 내 압력 분포나 교통 상황 및 기상 상황에 의해서 영향을

받기 때문에 이를 고려하여 충분한 여유를 두고 설계해야 한다. 일본의 경우 동명고속

도로 등의 실험 결과에 의해서 15 mmAq(147 Pa) 정도를 권장하고 있다.

㉣ 급기 포트(slot)의 개도 계산

급기 포트의 개구율은 설계 조건에서 차도 내 압력이 일정할 때 급기 풍량에 터널 전

연장에 걸쳐서 일정하게 유지되도록 설정되어야 하며, 급기량 qb를 얻기 위해서 급기

덕트 및 차도의 정압 차와 개도의 관계는 다음식과 같다.

Pb  r      × 



× Us

     × 



× Ub

 (3.82)

여기서, 교축부의 유속은 Us  K  ab

b × qb

. : 급기 포트의 피치

.. : 급기 포트의 개구면적

K : 급기포트의 개구율

K  ab : 교축부의 면적

제9-2편 터널 환기

503

 : 교축손실계수 스롯의 개도

 : 분기손실계수, 슬롯의 개도

㉤ 연결 덕트의 압력 손실(ΔPcn)

급.배풍기에 외기 도입을 위한 덕트 및 급.배풍기에서 발생하는 공기를 터널 덕트로

연결하기 위한 덕트의 손실로 덕트의 굴곡, 변형, 직관부의 손실 등이 포함되며, 소음

장치나 집진장치의 압력손실도 고려해야 한다.

㉥ 송풍기의 소요 정압

급.배풍기의 소요 정압의 위에서 설명한 전체 압력 손실의 합이 되며, 여기에 안전율

을 10% 정도 고려하면 다음 식으로 나타낼 수 있다.

ΔPtotal1 = 1.1×[(Pbo-Pro) + (Pbi-Pbo) + ΔPed + ΔPcn + Pr] (3.83)

속도분포

압력분포

<그림 3.30> 급기 반횡류식의 개요도

다. 배기 반횡류방식

배기 반횡류방식의 개요도는 그림 3.31과 같다. 이 방식은 배기 덕트를 설치하여 오염된

공기를 흡입하여 배출하는 방식으로 터널의 입출구를 통해서 신선 공기가 유입되기 때문

에 터널의 출구를 통해서 배출되는 오염물질의 양을 줄일 수 있는 효과가 있다.

이 경우에 중성점에서는 풍량이 0 m/sec가 되므로 오염물질의 농도는 이론적으로는 무

한대가 되나 일본의 실측 결과에 의하면 목표 농도의 수 배 정도임이 밝혀지고 있다. 이

제4권 터널

504

절에서 환기 계산은 터널 전 길이에 걸쳐서 단위 길이 당 qe(m3/sec)의 공기가 배기되

고, 터널은 일방향 교통인 조건에서 수행하기로 한다.

ⅰ. 차도 내 풍속

전술한 바와 같이 단위 길이 당 배기되는 풍량이 qe로 일정하다면 중성점을 기준으로

하여 차도 내 풍속은 중성점에서 멀어질수록 증대하며 다음 식으로 표시할 수 있다.

Ur x   A r

qe x (3.84)

ⅱ. 차도 내 압력 분포

차도 내 압력 분포는 급기 덕트의 경우에 같이 계산할 수 있으며 식 84 를 적분하면 다음과

같다.

가. 차량의 진행 방향과 기류의 방향이 동일한 경우

Pr

x Prx  

r

× Dr

x  × 



× Urx

   × Lr

x × 



× Ut

 Ut × Utx 



× Urx

  (3.85)

나. 차량의 흐름과 기류의 흐름이 반대인 경우

Pr  Prx  

r

× D r

x  × 



× Urx

   × Lr

x

× 



× Ut

 Ut × Urx 



× Urx

 (3.86)

ⅲ. 배기 덕트의 압력 분포

배기 반횡류식 터널에서 덕트 및 차도의 압력 분포는 그림 3.31과 같으며, 각 압력 성분

은 다음과 같이 구한다.

㉠ 배기 덕트 시작단의 풍속 및 동압

풍속 : Ueo  Ae

Qe

배기 덕트 시작단의 동압력 : Ped  



Ueo



㉡ 배기 덕트에서 압력 분포 및 정압 차

제9-2편 터널 환기

505

<그림 3.31> 배기반횡류식의 개요도

배기 덕트의 압력 분포는 급기 덕트의 경우와 같은 방법으로 구할 수 있으며, 자세한

유도 과정은 생략하고, 미국연방도로국과 Singstad의 식을 소개하면 다음과 같다.

<미연방도로국>

Pex   Pei   × 

Uei

 .

. .

 × kB × Le

x 

 



× kF  kB   



× d e

r × Le 

× L e

x 

.

. .

(3.87)

여기서, kB와 kF는 전 절에서 설명한 바와 같으며, 급기 덕트와 마찬가지로 덕트의

정압 차를 구하면 식 3.88과 같다.

Pei  Peo   × 

Ueo



× 



× e × de

Le

  ×k  (3.88)

여기서, K =0.5 이며, Peo는 배기덕트 말단부의 압력이다. 그러나 일본 수도공단 보

고서에서는 K =1.0 으로 하고 있다.

제4권 터널

506

<Singstad의 식>

이 식은 덕트의 압력 분포를 구하는 식으로 가장 오랫동안 여러 개의 터널에 적용된

식으로 다음과 같다.

Pex   Pex  L    ×  ×  ×











Ueo



×   C × de

a × Le

× 

   C



× Z 



 × de

 ×   C

b × Le

× Z









(3.89)

여기서, C = 0.25이며, 그 외의 상수는 급기 덕트의 압력 분포 계산에 사용한 값과

동일하다.

㉢ 배기 덕트 시단의 필요 압력

배기 덕트의 시점부 압력은 이론적으로 차도의 압력보다 낮게 설정하면 되며, 배기가

원활하게 이루어지도록 하기 위해서 차도의 압력보다 98Pa(=10mmAq) 정도 낮게

설정하는 것이 바람직하다.

㉣ 배기구의 개도 계산

배기구의 개도는 급기 덕트의 설계 시와 마찬가지로 덕트의 압력과 차도의 압력 차에

의해서 결정된다.

㉤ 배풍기 소요 풍압

Prd   ×  Pri  Pei   Pei  Peo   Ped  Pcn  Pr  (3.90)

라. 횡류식 환기 시스템

이 방식은 1924년 홀랜드 터널(Holland Tunnel)에 최초로 적용된 가장 오래된 환기방

식으로 시설비, 토목공사비, 유지관리비 등에 있어서 가장 고가이지만 화재 발생 시 대응

능력이 우수하고 터널의 길이에 제한을 받지 않는다.

그림 3.32는 터널의 차도부에 급기 덕트를 설치하여 환기탑으로 부터 유입되는 신선 공

기를 급기하고, 터널의 천정부에 배기 덕트를 시설하여 배기하도록 하는 전형적인 횡류

식 환기방식을 나타낸 것이다. 횡류식 환기방식에서 일반적으로 급기구는 차량에서 발생

하는 매연을 즉시로 희석할 수 있다는 관점에서 터널의 하부에 설치하며, 배기구는 급기

구에서 급기되는 기류가 터널을 횡단하는 흐름을 유지할 수 있도록 급기구와 마주보는

위치의 터널 천정에 설치하게 된다.

제9-2편 터널 환기

507

차도 내 풍속은 그림 3.32에 도시한 바와 같이 터널 전체에 걸쳐서 일정하며 이때 풍속은

교통환기력에 의해서 야기된다. 일반적으로 오염물질의 농도 분포는 터널 입구에서 터널

의 출구까지 점차적으로 증가하며, 터널 출구로 갈수록 증가율은 둔화되는 경향을 보인

다. 일방향 교통인 경우에는 터널 출구로 일정한 풍속으로 터널 내 공기가 유출되기 때문

에 터널 갱구를 통해 오염물질의 일부가 배출되게 된다.

횡류식환기 시스템에서 가장 중요한 것은 급기 덕트나 배기 덕트에서 공급 또는 흡입되

는 공기량이 덕트계 전 연장에서 균일하게 되도록 설계하는 것과 송풍기의 풍량 및 풍압

결정이다. 이에 대해서 자세히 알아보기로 하자.

㉠ 차도 내 압력 분포

단위 길이 당의 송풍량 qb와 배기량 qe가 동일한 횡류식 환기방식에 대해서는 차도 내

풍속은 일정하며 다음의 압력평형식에 의해서 구할 수 있다. 또한 이 경우에는 반횡류식

환기방식에서 나타나는 중성점은 생기지 않는다.

Pr Ar

 × Qb × Ur  PMTW  Pt (3.91)

여기서, Qb는 급기 덕트와 배기 덕트를 통해 유출입되는 공기의 정미차

Qb = Lr × (qb - qe) 이다.

일반적으로 횡류식 환기방식에서 qe = qb 이므로 차도 내 풍속은 자연환기방식에서의 풍

속과 일치한다. 차도 내압은 반횡류식과 동일한 이론으로 식 85로 구하며, 일반적으로 횡

류식 설계에서 차도 내압은 0으로 하고 있다.

Pr  Prx 



× d r

x × 



× Urx

  × Lr

x × 



× Ut

 Ut × Urx 



× Urx

  (3.92)

㉡ 덕트 내 압력 분포

반횡류식과 동일한 방식으로 구한다. 급기 및 배기 덕트의 압력 분포는 앞 절에서 설명한

것과 같다. 따라서 급 · 배풍기의 소요 풍압은 반횡류식의 경우와 동일하게 구해진다.

제4권 터널

508

덕트압력분포

(송기측)

덕트압력분포

(배기측)

<그림 3.32> 횡류식 배기덕트계의 압력 분포

3.4.2 환기방식의 선정

환기방식의 결정에 영향을 가장 크게 미치는 것은 주행 속도에 따른 소요 환기량으로, 소요

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

충분한 검토가 요구된다. 터널 주위의 환경 조건, 화재 시 환기기의 운용, 유지관리, 경제성,

단계건설, 기타 조건 등에 대해 종합 검토하여 가장 적절한 방식으로 결정해야 한다. 이들

변수들에 대한 각 환기방식의 특징은 표 3.15에 정리되어 있다.

제9-2편 터널 환기

509

<표 3.15(a)> 환기방식의 특징 (일방향 터널)

환기방식 종 류 식 반 횡 류 식 횡류식

기본적

특징

터널 내 종방향의 기류가 발생하며, 교통환기력을 유효하게

이용할 수가 있다. 터널 내 덕트는 필요하지 않다.

터널에 평행하게 설치된

덕트에 의해서 급기 또

는 배기되고 차도 내 종

방향의 흐름이 발생한다.

터널

덕트에

의하여

급기와

배기가

동시에

이루어지기

때문에

횡방향의

흐름이

발생하고

차도를

흐르는

풍량은

비교적

작다.

대표적

형식

제트팬식 샤카르트식

집중배기

방식

연직갱

(수직갱)

급배기방식

전기

집진기식

급기반

횡류식

배기반

횡류식

개 요

제트팬

및

교통환기력

급기노즐의

분류에

의한

승압력

및

교통환기력

갱구로 부터

흡입되는

풍량이 있음,

교통환기력

이 저항으로

되는 구간

존재

급기노즐의

승압력

및

교통환기력에

의함

급기노즐의

승압력

및

교통환기력,

집진에

의한

오염물질

처리효과

터널 내

급기

덕트에

의해서

신선공기가

공급되고

오염물질이

희석됨

터널 내

배기

덕트에

의해

오염물질이

배기되고

양갱구를

통해서

신선공기가

공급됨

개

략

도

환기

계통도

차도

내압

차도

내 풍속

농도

분포

적용 연장 약 2500m 약 2500m 약 3500m

환기상

제한 없음

(급기공이

필요함)

약 4500m 약 3000m 약 3000m

연장 상한은

없음

차도

내 풍속

역풍상태에서 한계속도는 10 m/sec 이하

중성점이 터널의 중앙에

있는 상태에는 8m/sec를

유지하고, 국부적인

한계풍속은 10m/sec

이하로 한다.

덕트계의

분할이

가능하며,

일반적으로

차도 내

풍속은

교통환기력

에 의한다.

경제속도는

6m/sec

제트팬과

병용하는

경우에

약 6m/sec

제트팬과

병용하는

경우에

약 6m/sec

약 6m/sec

이하

약 6m/sec

이하

제4권 터널

510

표 3.15(b)> 환기방식의 특징 (일방향 터널)

환 기 방 식 종 류 식 반 횡 류 식 횡 류 식

구 조

천장에

제트팬

설치

공간 필요

제트팬을 병용하지 않는 경우에는

천장 공간 불필요

덕트 공간이 필요

급배기

덕트 공간이

동시에 있어야

하므로 내공

단면적이

가장 큼

유

지

관

리

설비동력

차도 공간에 있어서 환기를 위한 에너지 효율은

타 방식에 비하여 불리함

겉보기

환기량이

저감되어

비교적 좋음

배기

반횡류식에

비하여

동력비가

저렴함

급기반횡류

식에 비해서

동력비가 큼

반횡류식에

비해서

고가임

제어성

풍량단계와 가동팬의

수는 비례

하지 않음

풍량 단계와

가동율은 비례하지

않고, 교통량

자연풍의 적정한

운용은 비교적 곤란

풍량단계와 가동팬의

수는 비례하지 않음

교통량의 변동에 비례해서 제어됨

기타

정비시

터널 내

차도공간에서

작업이

진행됨

갱구 부근의

환기소에

팬을 설치하기

때문에

용이함

환기소에 팬을 설치하기 때문에

정비가 용이

환기설비 전체의 유지관리 작업량이

종류식에서 보다 증가함

오염물질의

배출

출구측 갱구로

전량 배출

일부 또는 전량이

배기탑으로 배출,

갱구로의

배출제어가 가능

배기탑 및

출구측

갱구로 배출

출구측

갱구로

배출, 집진된

오염 물질의

처리

출구측

갱구로

거의

전량 배출

갱구에서

오염공기를

배출하지

않고 배기탑을

통해서

배출함

배기탑을

통해서

배출되나

일부는

터널 출구로

배출됨

화재 시

배연

출구 측

갱구로의 배연

입갱을 통해서

일부

또는

전량을

배연

출구측

갱구를

향한

배연으로서

운영할 수

있음

화재 시에는

기능 정지

환기기의 조합에 의해서

터널 구간의 배기와

급기가 자유로우므로

화재대응력이 좋다.

각종

조합운전이

가능하므로

화재 대응력이

가장

우수하다.

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 개통 후에도

환기설비의 추가 설치가 가능. 단 집진기실은 제외

차도공간과는 별도의 덕트를 필요로하기

때문에 환기설비의 증설변경은 곤란하다.

설비비

환기 덕트는 차도 공간 자체가 되기 때문에

다른 방식에 비하여 경제성이 좋음

종류식 보다 고가임

기타

환기 덕트로 차도공간 자체를 사용하기 때문에 압력손실이 적다

전기집진기와 병용하여 적용연장을 늘릴 수 있다.

차도 또는 차도근방에 제트팬이 설치되므로 소음에 대한 고려가

있어야 한다.

집진 정화된 공기를 3회 이상으로하는 경우에는 주의를 요함.

차량의

피스톤작용을

저해하기

때문에

에너지효율

면에서

종류식보다

떨어진다.

중성점에서

오염물질의

농도는

이론적으로

무한대가

된다.

종합적으로

볼 때 가장

신뢰성있는

환기가

가능하다.

제9-2편 터널 환기

511

(1) 터널의 제원

터널의 길이, 종단경사, 내공단 면적이 영향을 미치게 된다. 이중에 경사는 환기방식에 아주

큰 영향을 미치는 인자로 경사가 ‘-’인 경우에는 주로 저속에서 CO나 NOx 등 가스상 물질

의 처리가 환기기 용량을 결정하게 되며, 경사가 ‘+’인 경우에는 일반적으로 정상 주행 시

매연을 처리하기 위해서 환기기 용량이 결정된다. 교통환기력이 커지는 장대터널의 경우에는

피스톤 효과(piston effect) 영향으로 터널 내 풍속이 증대하여 제트팬 방식인 경우에는 팬

의 승압 효율이 감소하여 소비 동력이 증가하는 문제점이 있으므로 터널 내 풍속이 지나치게

커지는 것은 안전측면 뿐만 아니라 유지관리 면에서도 고려해야 한다. 또한 설계 시 적용되

는 자연풍 저항력, 즉 외풍에 의해 터널 내로 유도되는 저항 풍속의 경우, 일반적인 2 ~

3m/sec의 역풍 조건은 실제 터널에서 이보다 초과할 수 있으므로 환기방식 선정 시 면밀한

검토 후 적용되어야 할 것이다.

(2) 터널의 통행방식

환기방식의 특징은 터널의 통행방식에 따라 크게 달라질 수 있다. 즉 일방향 교통에서는 교

통환기력을 유효하게 이용할 수 있는 종류식 환기방식이 유리하며, 양방향 교통의 경우에는

교통환기력을 기대할 수 없으므로 횡류방식이나 집중배기방식을 선택하는 것이 유리하나, 초

기 건설비가 증가하므로 경제성을 고려한 선택이 필요하다.

(3) 주변 환경에 대한 영향

최근 들어 터널 주변 환경에 미치는 영향에 대한 문제가 부각되고 있으며, 제트팬 종류환기

방식에서는 터널에서 발생하는 오염물질의 전량이 터널 출구를 통해서 배출되며, 연직갱(수

직갱)방식에서는 환기탑과 출구에서 오염물질이 배출되는 특성이 있으므로 이에 대한 고려가

필요하다. 또한 전기집진기 방식은 제트팬 방식과 조합하여 적용하고 있으며, 오염물질을 집

진 처리 한다는 점에서 오염물질에 대해 가장 적극적으로 처리한다고 볼 수 있으나 일부 오

염물질은 터널 출구를 통해서 배출된다. 따라서 오염물질에 대한 터널 출구로의 오염물질 배

출을 완전히 억제하기 위해서는 집중배기방식이나 배기 반횡류방식의 적용이 요구된다. 그러

나 집중배기방식의 경우에는 배기량이 소요 환기량보다 증대하므로 이에 대한 운영측면에서

의 경제성 검토가 요구되며, 배기 반횡류식의 경우에는 덕트의 설치로 인한 초기 투자비가

증대하고, 중성점(풍속이 0이 되는 지점) 형성에 따른 터널 내 오염 농도가 초과되는 현상이

제4권 터널

512

발생할 수 있으므로 이에 대한 종합적인 고려가 필요하다. 또한 최근 도심지 장대터널의 대

형차 혼입률이 저하되는 경향에 따른 소요 환기량의 감소현상은 도심 환경을 고려할 때 추가

보정 환기량의 확보에 대한 필요성이 요구된다. 즉, 터널 출구부 오염물질의 배출(확산)에 따

른 주변의 대기환경기준을 만족할 수 없는 경우는 터널 내부 환경조건을 역산하여 도심지

터널의 소요 환기량을 확보할 수 있는 환기방식의 검토가 바람직 할 것으로 판단된다.

(4) 차도 내 한계 풍속

터널의 차도 내 풍속이 지나치게 크면 안전적 측면에서 보행자나, 차량의 고장 등으로 터널

내에서 하차한 운전자에게 위험을 야기할 수 있으며, 또한 풍속이 증가할수록 분류에 의한

승압력이 감소하여 환기시스템 효율이 감소할 수 있으므로 차도 내 풍속을 일정 한도 이하로

억제시켜야 한다. 따라서 일방향 통행 터널일 경우 10m/sec 이하를 적용하고, 양방향 통행

터널에서는 8m/sec 이하를 적용한다. 특히 종류식 환기방식에서는 터널 연장이 증가하면 교

통환기력에 의한 자연환기의 풍속이 10m/sec에 근접하게 되어 제트팬의 설치가 불가능해지

는 경우가 있으며, 제트팬의 효율이 감소하여 소비 동력에 대한 환기 효율이 저하되므로 터널

내공 단면적의 확대나 연직갱(수직갱) 또는 전기집진기 방식의 적용으로 터널 환기구간을 나

누는 방법이 있으나 초기투자비가 증대되므로 터널 환기구간을 나누는 방법이 있으나 또한

터널 내 풍속 저감 목적으로 저항판 등을 고려할 수 있으나, 환기 효율을 저하시킬 수 있으므

로 신중한 나누는 방법아 요구된다. 표 3.16은 각국의 차도 내 한계 풍속을 나타낸 것이다.

<표 3.16> 터널 내 한계 풍속 현황

국가/기관 일방통행(m/sec) 양방통행(m/sec)

일본 동·중·서 고속도로주식회사, 2006 12 8

WRA(PIARC), 1995 10 ~ 12 8

독일 RABT, 2004 10 8

노르웨이 10 7

한국(「도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙」) 10 8

(5) 소비 동력

소비 동력이 동일할 때 집진기방식이나 연직갱(수직갱)방식의 환기 효과가 제트팬 방식보다

우수하므로 제트팬의 설치 대수가 과도하게 증가되는 경우에는 운영비 측면에서 전기집진기

제9-2편 터널 환기

513

나 연직갱(수직갱) 방식의 적용 필요성을 검토해야 한다.

또한 전기집진기 및 연직갱(수직갱) 방식과 제트팬 방식이 조합되는 환기방식에서는 일반적

으로 동일한 동력 하에서 집진기나 연직갱(수직갱)의 환기 효과가 우수하므로 환기기 운영

시 이에 대한 충분한 검토를 통해서 운전 단계를 결정하는 것이 바람직하다.

3.5 환기 풍압

3.5.1 일반사항

(1) 환기 계산의 개요

터널 제원 및 소요 환기량이 결정되면 환기방식의 선정과 터널 덕트, 연결 덕트 등의 환기계,

환기기계 사양 등의 설계 검토가 가능하게 된다.

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

속 분포가 교통의 안전과 쾌적성에 지장이 없도록 고려한 후에 환기계에 대한 경제성, 시

공성의 검토를 실시하여 가장 적합한 환기방식을 선정한다.

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

에서는 우선, 터널 제원, 환기 제원의 확인을 실시하고 소요 풍압 이외에 환기기계의 사양

및 설치 대수 등의 설계 검토를 실시해야 한다.

③ 최종 실시단계에서는 환기계의 세부적인 구조 치수를 명확하게 하고 계획 내용의 확인을

실시한 후 소요 풍압 등을 정확하게 계산, 환기기계 사양을 결정, 환기운전 시의 각종 상

태(풍속, 풍압, 농도 분포 등)의 예측 및 부분 부하 운전 특성 등을 검토해야 한다.

위의 3가지 사항을 검토하는데 각각의 환기 계산은 공기의 흐름을 파악하는 면에서 본질적인

차이는 없다. 그렇지만 분.합류의 어떤 부분에 있어서 풍량 평형을 구할 때 계산 예, 또는

소요 동력을 구하기 위해서 각 부분의 압력 손실을 계산할 때의 유로의 형상, 치수 및 그

손실계수를 계산한 사례 등, 각 검토 단계에 따라서 간단한 계산에 의한 경우와 최종적으로

정밀한 계산을 실시하는 경우에 차이점이 인정되면 구체적인 계산수법상의 차이가 있다.

이에 대해서는 환기방식마다 다르고 교통조건 및 터널 제원 등의 상정 정밀도에도 좌우되기

때문에 일반적인 지침은 없고 그때의 검토 목적에 따라 실시된다. 따라서 환기 계산의 정밀

도 등이 검토 또는 설계의 목적으로 하는 내용의 결과에 어떠한 영향을 미치는가 하는 평가

제4권 터널

514

를 항상 염두에 두어야 한다.

(2) 환기 계산에 관한 일반적 주의사항

터널 환기의 흐름은 차도 공간, 터널 덕트 및 연결 덕트의 공기 흐름을 대상으로 하는 것이

며, 일반적으로 관로(또는 덕트) 내부의 흐름에 대한 계산과 같지만 계산에 있어서는 다음과

같은 사항을 주의해야 한다.

① 유속과 압력의 변화

덕트의 치수는 각 부분에서 여러 가지로 변화하여 송풍기 등에 따라 흐름에 외력이 가해

지기도 하며, 그때마다 유속과 압력은 변한다.

복잡한 덕트계에 대한 환기 계산은 압력선도면(풍속의 변화를 알기 쉽게 전압선과 정압선

을 동시에 기입한 도면)을 병용하면 유속과 압력의 변화를 확인하기 쉽다.

매우 간단한 사례로서의 그림 3.33에서처럼 입구와 확대 부분을 갖는 덕트에서 연속방정

식은 다음과 같다.

A1 × U1 = A2 × U2 (3.93)

여기서,

A : 덕트 단면적

U : 덕트 내 풍속

<그림 3.33> 압력선도의 예

제9-2편 터널 환기

515

또한 베르누이의 식은 「덕트 내의 저항이 있으면 덕트 내의 전압은 어디에서도 같다」처럼

나타나고 전압 변화는 저항과 압력 손실에 따라서 발생하며, 그림 3.33과 같이 압력선도

를 나타낼 수 있다.

확대 부분 등의 압력 손실은 국부 저항이라 부르며, 전압기준에 표시된 손실(또는 저항)계

수와 정압기준에 표시된 것이 있기 때문에 단면적이 변화하는 변형 및 구부러짐에는 사용

상의 주의가 필요하다.

② 저풍속 덕트계와 고풍속 덕트계의 주의사항

덕트 내 풍속을 저속과 고속으로 구분하는 것은 관용적인 것으로 명확한 구분은 없지만

일반적으로 15 m/sec 이하의 경우를 저속, 16 m/sec 이상의 경우를 고속이라고 한다.

일반 터널의 덕트에서는 고풍속의 영역이 많고, 차도 공간에서는 거의 저속 영역이다.

저속의 덕트계에서는 일반적으로 송풍기 소요 전압도 적게되므로 덕트의 변형과 휨에 의

한 압력 손실 등을 지나치게 적은 것으로 계산하면 결과적으로 송풍기의 풍량이 부족하여

환기량 부족을 초래할 수 있으므로 압력 손실의 계산에는 충분한 배려가 필요하다.

고속의 덕트계에서는 풍속이 빨라지면 급격하게 소요 전압이 증가하여 전력비가 크게 증

가하는 경향이 있으므로 덕트의 구조.치수 등의 선택과 휨.변형의 수를 적게 하는 전체적

인 덕트 계획이 보다 중요한 문제가 되는 경우가 많다.

③ 교통환기력의 취급

환기 계산에 있어서 교통환기력은 환기계에 의해 여러 가지 형태로 영향을 받으므로 그

취급에는 주의를 기울여야 한다.

과거 일본 방식의 환기 계산에서는 양방향 도로터널(왕복차로 도로터널)에서는 교통환기

력을 보통 환기계에 대해 저항이 최대가 되는 교통량이 많은 상태에 대해 환기 계산을 실

시하여, 이것에 기준을 두어 환기 설비 용량을 결정, 기타 교통조건에 있어서도 환기량이

부족한 경우가 발생하지 않도록 하였다. 그러나, 일방향 도로터널에서는 에너지 절약을

위해 교통 환기력을 환기의 기동력으로서 유효하게 이용하기 위해, 도로의 설계 도로용량

을 대상으로 하여 환기 계산을 실시한 결과 교통상태에 따라서는 환기량 부족이 발생할

수도 있었다.

따라서 이러한 문제점을 방지하면서 적정한 환기 풍압을 산정하기 위해서는 전체 주행속

도에 대하여 교통환기력을 검토해야 한다. 즉, 각 주행속도별 교통밀도로부터 산정된 교통

제4권 터널

516

량으로 인한 교통 환기력과 소요 환기량 산출에서 산출된 주행속도별 소요 환기량을 적용

하여 검토해야 한다.

3.6 환기기

일반적으로 환기기라고 하면 송풍기, 배풍기 및 제트팬 등을 의미하나 종류환기방식에 적용

되는 전기집진기도 일종의 환기기로 포함하고 있다.

전기집진기는 차도 공간의 오염 공기를 신선한 공기로 환기시킬 목적은 아니지만 터널 내

공기중의 매연의 일부를 제거하여 터널 내 환경을 개선하도록 하기 위한 것이며, 광범위한

의미로는 환기기라고 말할 수 있다.

따라서, 이 절에서는 송.배풍기, 제트팬 및 집진기, 부속장치와 같이 3항목으로 구별하여 설

명한다.

3.6.1 급배기 환기팬

(1) 급배기 환기팬의 형식

터널 환기용으로서 사용되는 급배기 환기팬(이하 환기팬라고 함)은 보통 대풍량, 저풍압의

것이므로 이것에 적합한 축류송풍기를 채택하는 것이 바람직하다. 축류식은 원심식에 비해

소형이며 관로 일부를 용이하게 조립할 수 있으며, 효율면에서도 다른 것에 비해 우수하지만

가격이 비싸고 소음이 크다.

원심식은 압력 상승을 용이하게 할 수 있는 형식이므로 풍압이 높아질수록 소형이 되기 때문

에 필요 송풍기 전압이 500 mmAq(= 4900 Pa) 정도일 때는 축류식과 원심식을 비교.검토할

필요가 있다.

또한, 화재 시 배연 등에 관해서는 축류식이 역전운전법의 채택에 의해 배기가 비교적 용이

하지만 원심식에서는 덕트 교체를 실시하면 배기 운용을 할 수 없는 단점이 있다.

급배기 환기팬의 종류와 특성 비교를 표 3.17에 표시하였다.

제9-2편 터널 환기

517

<표 3.17> 급배기 환기팬의 종류와 특성

형식

날개바퀴 형상과

주요 특징

비속도

(Ns)

전풍압

(mmAq)

전압효율

(%)

소음

형상

치수

부착

면적

가격 특 성 곡 선

원

심

식

터보팬

(기본형)

후퇴날개

곡선 또는

직선

300

~ 750

150

~ 1,200

65 ~ 80 中大大中

축동력

풍

압

풍량

풍압

축동력

터보팬

(날개형)

후진날개

날개형 단면

400

~ 800

150

~ 1,200

75 ~ 85 小大大中

레디암팬

반지름반향

날개 직선

또는 곡선

200

~ 500

200

~ 1,500

60 ~ 75 中中中中

축동력

풍압

다익팬

전경익(前傾

翼)폭이 좁은

날개 다수

500

~ 700

15

~ 400

45 ~ 65

조금

작음

조금 조금 小

축동력

풍압

축

류

식

밴축류팬

날개형 정익

(靜翼)부착

1000

~ 2,000

20

~ 700

65 ~ 90 大小小大

축동력

풍압

튜브

축류팬

날개형 또는

판날개부

정익 없음

1,800

~ 3,000

0

~ 40

50 ~ 65

조금

큼

小小大

이중반전

축류팬

날개형

두단의 날개

바퀴가 반대

로 회전

700

~ 1,200

200

~ 700

85 ~ 90

매우

큼

小小大

(2) 급배기 환기팬의 대수

환기계(1터널 덕트 혹은 1환기 구간 )에 환기팬을 1대만 설치하는 경우 그 송풍기가 고장으

로 정지되면 그 환기계는 완전히 환기 능력을 잃게 된다.

또한 1개의 환기계에 2 ~ 3대의 환기팬을 병렬 설치할 경우 2대 중 1대를 작동하면 65% 정

도, 3대 중 2대를 작동하면 80% 정도의 환기량을 확보할 수 있다. 따라서 환기방식과 터널의

운용 상태에도 영향을 받지만 일반적으로는 하나의 환기계에 대해 2 ~ 3대의 환기팬을 병렬

설치하여 고장 등에 대처할 수 있도록 한다.

1개의 환기계에 3대 이상의 환기팬을 병렬 운전할 때 서어징 상태라고 하는 불안정한 송풍기

의 운전상태가 나타나며, 병렬 운전의 수가 증가함에 따라 그러한 경향이 강하다. 현재 사용

중의 터널에서는 3대까지 병렬 운전한 실적과 경험이 있지만 그 이상의 실적은 없다.

환기팬의 고장 등으로 장시간 환기량이 부족한 상태가 발생할 수 있는 터널에 있어서는 기존

제4권 터널

518

의 사례에서는 입형환기팬의 감속기와 날예비기를 준비하는 경우도 있으며, 날개바퀴형으로

구성되는 주요 부분만을 예비기로서 준비한 사례도 있다. 또한 상.하행선 터널의 환기계가

2계통인 경우에 연결 덕트와 교체 장치의 운용에 따라서 지원 송풍을 할 수 있도록 배려한

사례도 있다.

(3) 축류팬의 사양

축류팬의 사양은 사용 조건에 따라 각각 다르지만 그림 3.34로부터 풍량 및 풍압별로 구경,

회전수, 동력에 대한 값을 알 수 있다. 예를 들면 그림 3.34에서 Q = 90m3/sec, P = 70

mmAq(= 686 Pa)의 경우 환기기계의 구경 2,800 mmØ, 회전 450 rpm 및 전동기출력이

90 kW임을 알 수 있다.

즉, 이 그림의 전 풍압은 날개 1 단당의 전 풍압을 표시한 것이며, 날개부 단수의 증가에

따라 압력을 단수의 배로 할 수가 있다.

단수는 3단을 한계로 한다. 또한 날개의 선단속도가 90 ~ 100 m/sec 이하 일 때는 알루미

늄합금주물제의 날개로 충분하지만 선단속도(날개끝속도)가 90 ~ 100 m/sec 이상이 되면

재질과 시공상의 문제로 송풍기 가격이 고가가 되고 소음도 커지기 때문에 주의해야 한다.

풍 량(㎥/s)

풍 량(㎥/s)

선단속도

<그림 3.34> 축류팬의 제원선도

제9-2편 터널 환기

519

① 비속도, 유량계수, 압력계수

축류팬 제원의 결정에 있어서 부착 장소의 환경 등에 따라 축류팬의 크기, 중량 등의 제한

이 있고, 또한 사용 조건(특히 풍량 조절 방법)에 따라 다소 다르게 설계를 하는 등 주의가

필요하다.

일반적으로 축류팬의 비속도 Ns , 유량계수 Φ, 압력계수 Ψ는 축류팬에 적합한 값이 되지

않으면 안 된다.

비속도란 어떤 축류팬의 모든 부분을 상사형으로 변경하여 풍량 1m3/min, 전체풍압 1

mmAq를 얻도록 할 때의 필요 회전수이며, 각종 축류팬의 형식 선정의 기준이 되는 것이다.

비속도는 다음 식에서 구한다.

Ns  N × 





P 



Q

 N ×

H





Q

 N × 





P 



q

 N ×

H





q

(3.94)

Ns : 축류팬의 비속도

N : 축류팬의 회전수(rpm)

Q : 축류팬의 풍량(mmin )

q : 축류팬의 풍량(msec )

P : 축류팬의 전체 풍압(mmAq or Pa)

H : 축류팬의 압력수두(m)

 : 공기의 비중량(kgfm )

Ns 가 커지면 회전수와 풍량이 크고, 풍압이 적으면 N s가 적어지며 회전수, 풍량에 비해

풍압은 커진다.

축류식에서는 Ns가 1,000 ~ 3,000 정도까지 제작 가능하지만 1,200 ~ 1,800의 범위에

서 효율이 가장 좋다. 유량계수와 압력계수는 다음 식에 의해 산출할 수 있다.

  U o

Cm

 

 × Do

×     × N

Q

(3.95)

  U o

g

H



 × N ×  × Do



  × P × g

(3.96)

 : 유량계수

 : 압력계수

제4권 터널

520

Cm : 날개부를 통과하는 기체의 축류속도(m/sec)

Uo : 날개 선단속도(m/sec )

Q : 풍량(m3/min)

Do : 날개부 바깥 지름( ≒ 축류팬의 구경)(m)

 : boss 비(boss 지름/날개부 바깥 지름)

N : 회전수(rpm)

H : 압력수두(m )

P : 전체 풍압(mmAq or Pa)

g : 중력 가속도(msec )

 : 공기의 비중량(kgfm )

위의 유량계수와 압력계수는 송풍기의 성능을 송풍기의 구경 D o과 회전수 N에 따라

무차원화한 것이며, 식 3.95, 3.96에서 보듯이 각각 D o, N과의 관계는 다음과 같다.

 ∝ Do

 × N



 ∝ Do

 × N 



병렬 운전의 조건으로서 Ψ = 0.27 이하가 안전하며, Φ= Ψ+ (0.05 ~ 0.10)이 안정된 특

성이 있다.

boss비는   ～   가 무난하게 압력을 얻을 수 있는 값이다.

그림 3.34의 선도는       ,    , AK W MK W   일 때의 값을 표시

한 것으로서 풍량, 풍압에 따라서 개략적인 환기기의 구경, 회전수 소요 동력을 알 수

있다.

② 축류팬의 동력과 전동기

축류팬의 동력은 압력이 낮기 때문에 다음과 같이 산출할 수 있다.

AK W  Q × P (3.97)

SK W  

AK W

 Q × P (3.98)

AK W : 이론공기동력(kW)

제9-2편 터널 환기

521

SK W : 축류팬축동력(kW)

Q : 풍량(msec )

P : 전체 풍압(mmAq or Pa )

 : 축류팬 효율(일반적으로 80% )

또한 축류팬의 축동력은 온도 및 대기압에 대해 다음과 같이 보정한다.

SK W   SK W o ×  t

  to

× P o

P (3.99)

SKW : t 1 , P 1으로 변화할 때의 축동력

SKWo : to   ℃ Po   mmHg 일 때의 축동력

to , t : 온도(℃)

Po , P 1 : 대기압(mmHg )

표고에 따른 대기압의 변화는 대류권(표고 11 km 이하)에서는 식 3.100과 같다.

P  P     H  (3.100)

전동기의 출력, 입력은 다음 식처럼 산출한다.

전동기 출력 MK W  SK W  ×    

전동기 입력 M1 =MKW /η m

α : 전동기 여유계수(일반 10%)

η m : 전동기 효율(일반 90 ~ 95%)

③ 배기팬의 내열성

터널 환기시설은 터널 안에 화재 등이 발생하였을 때의 대응 운용으로서 배기 운전이 요

구된다. 따라서 배기 운전모드로 운용되는 경우가 많다. 그때의 연기를 함유한 고온 공기

의 온도가 문제가 되며(일반적으로 100℃ 까지의 공기 온도), 따라서 공기냉각설비를 별

도로 설치하는 사례가 많다.

④ 축류팬의 설치 및 배치

축류팬은 구조상, 수직형 . 가로형이 있지만 최근에는 수직형이 많이 채택되고 있다. 이것

은 주로 설치 면적을 줄일 수 있기 때문이다. 그러나 전동기 출력이 큰 경우에는 감속기와

제4권 터널

522

전동기가 원통형에 들어가지 않으므로 가로형을 채택해야 한다.

표 3.18에 두 가지 형태를 비교하였다. 가로형과 수직형 축류팬의 대표적인 구조도를 그

림 3.35 및 그림 3.36에 나타내었다.

전동기

중간측

송풍기 본체 토출측 댐퍼

캡링크 측수

<그림 3.35> 가로형 축류팬

벨마우스관

송풍기 본체

전동기

레벨감속기

토출측 댐퍼

프로펠라 샤프로

맨홀

<그림 3.36> 수직형 축류팬

제9-2편 터널 환기

523

비교

항목

가로형 수직형

운영

1. 분할 및 현지 조립이 간단하며 분할 구조가

가능하고, 화물차 운송이 용이하다.

2. 부착 장소에 천장 크레인을 필요로 한다.

1. 전동기 내장의 경우는 축방향 길이가 길기

때문에 분해하지 않고 운송하는 경우, 특수

트레일러와 해상 운송이 필요한 경우가 있다.

2. 전동기 외장형은 축방향 길이가 짧고, 일반

화물차에 의한 운송이 가능한 경우가 많다.

3. 부착 장소에 체인블럭에 의한 특수 크레인이

필요하다.

부착

면적

1. 원통을 가로로 눕히기 때문에 부착하는 면적이

넓다.

2. 분해 점검 공간을 필요로 한다.

1. 환기팬 구경보다 약간 큰 부착면적이면

충분하다.

2. 환기팬의 배치에 따라 반입로가 필요하다. 단,

이 공간은 분해점검 시 공간으로 이용할 수 있다.

3. 가로형보다 부착면적은 적다.

부착

높이

구경의 약 3배 이상의 천정 높이를 필요로 한다.

구경 2.0 ~ 2.5배 정도의 천정높이가 필요하다.

가로형보다 천장을 낮게 할 수 있다.

보수

1. 베어링 점검, 그리스의 교환이 용이하다.

2. 정기 점검 등의 분해도, 케이싱을 외부에

부착하면 내장되어있는 각 부분은 노출되어

있으므로 점검이 용이하다.

3. 운전 중에 가변피치(pitch)를 실시하는 것은 2 ~

3년에 한번은 크게 분해하고 정기점검을 함께

실시하지만 다른 경우에 정기점검은 오버홀을

하지 않고 그리스 팻킹, 실 등의 교환, 기타

점검을 실시하면 충분하다.

4. 축심(軸芯)의 체크를 필요로 한다.

1. 내부의 점검은 분해하지 않으면 곤란하다.

2. 그리스의 급유도 특별한 장치를 사용할 필요가

있다.

3. 3 ~ 5년에 1번 분해를 실시하고 정기점검도

한다. 분해 조립이 비교적 간단하다.

4. 축수 온도, 감속기 기름 온도, 기름면은 송풍기

외부에서 감시한다.

제작

케이싱을 상 . 하로 분할한다. 조절이 용이하다는

점이 장점이다.

케이싱은 축방향만으로 여러 개 분할하기 때문에

합친 프란지면을 기계가공, 정밀도를 높일 필요가

있다.

구조

1. 횡축이 되므로 베어링부 등의 축봉(軸封) 장치는

비교적 간단하다.

2. 환기팬 구경에 대한 전동기 출력이 크며

전동기를 외장(外裝)으로 하면 제작 가능 범위에

제한이 없다.

3. 환기팬을 외장으로 할 경우에는 흡입 측 또는

토출 측에 곡관부를 설치할 필요가 있다.

4. 환기팬을 실외장치로 하는 것이 용이하다.

1. 수직축이 되므로 축봉부에서 기름이 새는 것을

방지하기 위해 오일실, 래비딘스 등이 필요하다.

2. 전동기 내장의 경우에는 환기팬 안쪽 직경보다

전동기 외경이 적으면 제작이 불가능하다.

3. 전동기 내장의 경우는 화재 시에 통기온도 및

설치 방법 등에 따라 특수 형태가 되며

고가이다.

<표 3.18> 축류팬의 가로형과 수직형의 비교

제4권 터널

524

<표 3.19> 풍량 제어 방법의 비교

댐퍼 제어 속도 제어

(극 수 변경)

속도 제어

(무단계)

베인 제어

가변핏치

제어

대수

토출측 흡입측 제어

효율(전동기

효율을 포함)

양 양

구조의 용이성 ① ① ④ ⑤ ③ ⑤ ②

조정 범위의 크기 소 중 대 대 중 대 중

가격 저 저 고 고 저 고

(주) 표 중의 숫자는 순위를 표시

⑤ 풍량 제어 방법과 단계

풍량제어 방법은 다음과 같다.

. 댐퍼(damper) 제어법

. 속도 제어법

. 베인 제어법

. 가변핏치 제어법

. 대수 제어법

이 중 제어가 용이하고 비교적 효율적이며 설비 비용도 많이 들지 않는 전동기의 극수 변

경에 의한 속도 제어법과 대수 제어법을 조합한 방법이 많이 채택되고 있다.

표 3.19에 정리된 터널 환기시스템 제어법의 특성은 다음과 같다.

가. 속도 제어법

축류팬의 회전수를 N A에서 N B로 변화시킨 경우의 성능변화는 압력비가 적은 경우,

다음 식처럼 표시된다.

Q

B

QA

 N b

NA  (3.101)

P

B

PA

 NB

NA 

(3.102)

L

B

LA

 N B

NA 

(3.103)

Q : 풍량(m3/sec) L : 축동력(kW)

제9-2편 터널 환기

525

p : 풍압(mmAq or Pa) N : 회전수(rpm)

관로계의 저항이 풍량의 2배로 변화한 경우는 그림 3.37 처럼 되고 송풍기는 회전수의

변화에 따라 고범위의 풍량 조절을 실시할 수가 있다. 단, 회전수의 변화가 크면 레이놀

즈수가 변화하는데 레이놀즈수 2×106 이하에서는 특히 급격하게 효과가 나빠진다.

나. 전동기의 속도 제어법

속도 제어법은 축류팬의 풍량 조절에 매우 적합하지만 실제의 경우에는 구동전동기의 회

전수를 변화시키는 것이 용이하지 않다. 터널 환기에서 회전수를 바꾸는 방법은 다음과

같다.

(가) 무정류자(無整流子) 전동기(thyristor motor)

최근 반도체 기술을 공유하여 브러쉬(brush)와 정류자에 의한 기계적 정류기구를 제거

하고 광범위의 속도 제어가 가능한 무정류자 전동기(thyristor motor)가 개발되어 터널

환기에 채택되고 있으나 가격이 높은 것이 단점이다.

<그림 3.37> 속도제어 작동도

(나) 극 수 변환전동기

유도전동기의 극 수를 2단 또는 3단으로 바꾸는 방법은 가격도 그다지 높지 않고 비교

적 간단하지만 회전수의 변화가 극 수에 따라 제약받기 때문에 단계적으로 제어된다.

이 극 수의 변화 방법으로는,

. 동일 철심상에 극 수를 다르게 하여 2조 이상의 독립된 코일을 설치한 것

. 1조의 코일만을 설치하지만 중간에 사이 선을 내어 코일을 꿰이음으로써 극 수를 바

제4권 터널

526

꾸는 것 등이 있다. 전자는 다단 속도 변화에 사용되고, 후자는 속도 비 2 : 1의 경우에

사용된다.

(다) 코일형 유도전동기

전동기의 2차 회로에 저항을 삽입하여 회전수를 변화시킨다.

속도제어는 60 ∼ 70% 까지이며, 회전수를 줄이면 2차 저항에 의한 열손실을 수반하므

로 전동기의 효율은 떨어진다.

또한 집전환 및 외부저항을 필요로 하기 때문에 유지관리가 어렵다.

(라) 유체이음매

정속 전동기와 송풍기 사이에 유체이음매를 삽입하여 회전수를 변화시킨다. 이 방법은

제어 범위는 넓지만 회전수가 낮아 효율이 나쁘고 부하 변동에 대한 회전이 불안정하게

된다. 그렇지만 유체이음매를 사용함으로서 기동이 원활하게 되고 무리한 충격과 진동

을 흡수할 수 있는 장점이 있다.

(마) 유압모터유압식 오일 모터를 사용하는 경우에는 기름 탱크, 펌프 구동용 전동기를 필요

로 하지만 속도 제어 및 역회전이 가능하다는 장점이 있다.

다. 축류팬의 가변피치 제어법

날개바퀴형의 날개 설치 각을 바꾸어 풍량 조절을 실시하는 방법을 가변피치 제어라고

한다. 일정한 회전수로 날개의 각도를 바꾸면 축류속도 및 방향각이 변화하여 기타 제어

방법보다 부분 부하에서의 효율이 좋고 동력비가 절약된다. 그림 3.38에 가변피치 특성

의 사례를 표시하였다.

<그림 3.38> 가변피치 특성

제9-2편 터널 환기

527

날개바퀴형의 가변피치 방식은 그 조작 방법으로 다음과 같이 3종류로 분류할 수 있다.

. 정지 시 1매씩 날개 각도를 변경하는 방법

. 정지 시 동시에 날개 각도를 변경하는 방법

. 운전 중 가변피치로 하는 방법

일본의 경우 몇 개소 터널의 송.배풍기에 가변피치로 하는 방법을 채택하였지만 180° 가

변피치로 인한 구조의 복잡성 때문에 실시 사례는 적다.

최근에는 40° 정도의 가변피치 범위이지만 구조가 비교적 단순한 유형의 가변 피치팬과

유사한 종류의 송풍기를 사용하는 사례가 있다.

라. 대수 제어법

환기기 몇 대를 1조로 하여 병렬운전을 실시하고, 대수를 제어해서 풍량 조절을 실시하는

방법이다. 효율은 나쁘지만 간단하게 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

단, 병렬 운전은 일반적으로 2 ~ 3대 까지가 한계이다. 4대 이상인 경우, 소풍량일 때 효

율이 현저히 저하하기 때문에 피하는 것이 좋다.

마. 풍량 제어단계의 결정

풍량 단계를 결정하는 데에는 시간별 변화를 조사하여 각 단계를 결정할 필요가 있다.

터널 환기는 그 대상물(터널 내 유해물질의 희석)의 적응성이 완만하기 때문에 아주 세밀

한 풍량 단계는 무의미하고 제어성도 나빠진다. 풍량 단계는 대수와 속도의 조합에 따라

여러 단계를 설치하지만 그 대수는 보통 2 ~ 3대, 속도는 2 ~ 3종류 정도이다.

조합의 예로서 그림 3.39는 2대 2속도의 경우, 그림 3.40은 3대 2속도의 경우, 그림

3.41은 2대 3속도의 경우를 나타낸 것이다. 이 그림에 따라 제어 단계를 선택할 경우는

소비 동력을 충분히 고려해야 한다. 예를 들어 그림 3.39의 2대 2속도의 경우 송풍량과

소비 동력과의 관계를 표시한 것이 표 3.20이다. 이러한 결과에 이른 경우 고속 1대의

제어 단계는 선택할 필요가 없다.

제4권 터널

528

<그림 3.39> 병렬운전 작동선도(2 대 2 속도)

<그림 3.40> 병렬운전 작동선도(3 대 2 속도)

<그림 3.41> 병렬운전 작동도(2 대 3 속도)

제9-2편 터널 환기

529

고 · 저속

운전대수

회 전 수 송 풍 량 축 동 력

고 속 2 대 100 % 100 % 100 %

저 속 2 대 75 % 73.3 % 42 %

고 속 1 대 100 % 60 % 43 %

저 속 1 대 75 % 45 % 18 %

<표 3.20> 송풍량과 소비 동력(2대 2 속도의 경우)

바. 전동기의 역전

평상 시 환기용으로서 사용한 환기기를 화재 발생 시 배풍용으로 사용하는 경우가 있다.

이때 전동기의 역전이 실시된다. 삼상유도 전동기는 고정자의 코일상을 변환함에 따라

회전자계를 역전시킬 수 있다.

급속으로 역전시킬 경우, 브레이크 제동을 걸어 전동기를 그대로 역전시킨다. 이때 제동

력이 커지고 변화 시의 전류가 커지므로 주의가 필요하다.

무정류자 전동기(thyristor motor)에는 점고(點菰) 순서의 교체에 따라 간단하게 역전시

킬 수 있고 교체 시에 전류가 억제된다.

⑥ 환기팬의 소음

환기팬의 소음은 일반적으로 식 3.104에 따라 추정할 수가 있으며, 이 식을 근거로 한

계산값을 그림 3.42 및 그림 3.43에 나타내었다.

LA  LSA   log Q × P  (3.104)

L : 소음레벨 dB(A)

LSA : 비소음레벨 dB(A)

Q : 풍량(mmin )

P : 전 풍압(mmAq or Pa)

축류팬에서는 LSA = 30 dB(A) 정도를 채택하는 것이 바람직하다. 또한 기본 주파수는 식

3.103에서 구할 수 있고, 이 기본 주파수의 1, 2, 3배의 주파수로 현저한 피크가 발생하

는 것이 일반적이다.

F  

N

× Z (3.105)

F : 기본 주파수(Hz)

제4권 터널

530

N : 환기팬의 회전수(rpm)

Z : 날개 수

기 종

비소음레벨

LSA[dB(A)]

터보팬 14 ~ 26

익형팬 4 ~ 19

다익형팬 13 ~ 23

축류팬 21 ~ 38

<그림 3.42> 각종 환기팬의 소음

<그림 3.43> 2 소음의 합성계산도

3.6.2 제트팬

(1) 구조

제트팬의 일반적인 구조 예를 그림 3.44 및 그림 3.45에 또한, 현재 사용되고 있는 팬의 표

준치수를 표 3.21에 표시하였다.

그 밖에 현재 400형이 있다. 또한 제트팬의 성능 곡선 예를 그림 3.46에 나타내었다. 기존

터널 등에 설치할 때에 충분한 스페이스를 확보할 수 없는 경우는 400형 ~ 600형의 제트팬

을 사용하든가 터널을 일부 넓게 할 필요가 있다(이때에는 분류효율의 저하에 주의를 기울여

야 한다).

제9-2편 터널 환기

531

슬림형 제트팬은 형상 및 부품 개선을 통하여 동일 성능 대비 전력 비용이 절감되었고, 길이

및 중량 감소로 시공성 및 경제성을 향상시켰다. 역방향 성능은 정방향 성능의 60%로 역방

향 사용이 미고려 되어 성능 특성상 고속국도 일방향 도로터널만 적용 가능하다. 슬림형 제

트팬의 표준 치수는 표 3.21에 표시하였으며, 세부 사항은 고속국도 터널 환기 및 방재용

슬림형 제트팬 적용 계획 수립 지침을 준용한다.

안정판

글래스을

다공철판 입구 노즐

단면 A-A 단면 B-B

모터 날개끝부분 소음제거통

훅구멍 송풍통 부분

점검창

방향안정금속(W1아이볼트)

다공철판

연성 튜브

방수 그랜드

메달아 놓은 금속(W1¼아이볼트)

리드선

<그림 3.44> 1,000형 제트팬 구조도의 예

<그림 3.45> 600형 제트팬 구조도의 예

제4권 터널

532

<그림 3.46> 1,000형 제트팬 성능곡선(60Hz)

<그림 3.47> 제트팬 설치 상황

<그림 3.48> 제트팬 설치 방법의 예

제9-2편 터널 환기

533

형 식

사 양

JF-600 JF-1,000 JF-1,250 JF-1,500

구경(mm)

취출 평균 풍속(m/sec 이상)

효율(% 이상)

소음[dE(A) 이하]

전장(mm)

외경(mm)

(토출 풍량)(m3/sec 이상)

(유효 토출 면적)(m2)

취출 방향

630

30

60

90

3,000

800

8

0.27

양방향

1,030

30

60

95

4,900

1,200

25

0.83

양방향

1,280

30

65

95

5,200

1,450

37

1.23

양방향

1,530

30

65

98

5,500

1,750

55

1.84

양방향

전압(V)

출력(kW 이하)

정격

절연종별(이상)

440 / 380

11

연속

H종

440 / 380

30

연속

H종

440 / 380

40

연속

H종

440 / 380

55

연속

H종

개산중량(kg) 600 1,300 2,100 2,700

<표 3.21> 제트팬 사양(예)

형 식

사 양

JF-1,250 JF-1,400 JF-1,530

구경(mm)

취출 평균 풍속(m/sec 이상) - 정회전

취출 평균 풍속(m/sec 이상) - 역회전

효율(% 이상)

소음[dE(A) 이하]

전장(mm)

외경(mm)

(토출 풍량)(㎥/sec 이상) - 정회전

(토출 풍량)(㎥/sec 이상) - 역회전

1,250

30 이상

18 이상

63 이상

95 이하

3,600 ~ 3,960

1,450

36.8 이상

22 이상

1,400

30 이상

18 이상

63 이상

95 이하

4,400 ~ 4,840

1,600

46.2 이상

28 이상

1,530

30 이상

18 이상

63 이상

95 이하

4,600~5,060

1,750

55 이상

33 이상

전압(V)

출력(kW 이하)

절연종별(이상)

3 / 380

30

H종

3 / 380

37

H종

3 / 380

45

H종

개산중량(kg) 1,420 이내 1,950 이내 2,250 이내

슬림형 제트팬 사양(예)

제4권 터널

534

(2) 설치 방법

팬의 설치 방법에는 고정식, 자유 메달기식이 있으며, 적절하게 알맞는 방식을 선택해야 한다

(그림 3.47, 그림 3.48 참조).

또한 설치에 있어서 기초 볼트를 포함, 팬 본체의 강도는 실제 하중의 15배 이상으로 하는

것이 바람직하다.

또한 기초 볼트는 팬의 부착 전에 재하시험 혹은 인발시험을 실시할 필요가 있다.

(3) 제어

제어는 대수에 의한 단계 제어를 표준으로 하며, 회전수 제어는 실시하지 않는 것으로 한다.

자연 풍압이 과대할 때의 역전 제어도 고려할 필요가 있다.

그러나 실제 팬은 단시간에 역전하여도 터널 내 공기는 그 관성 때문에 역전에 몇 분 경과되

므로 그 사이 오염공기가 축적되어 바람직하지 못한 상태가 된다. 그러므로 역전은 빈번하게

실시하지 않는 것이 바람직하다.

3.6.3 전기집진기 및 부속장치

(1) 전기 집진기의 원리

미립자를 함유한 공기를 이온샤워 (ionshower) 공간에 통과시키면 미립자에 전하가 걸리고

그 중 일부는 응집, 그리고 대전된 미립자는 전계의 힘에 의해 집진기판에 부착 집진된다.

미립자에 전하를 띠게 하는 장소와 집진 장소가 동일하면 일단식 전기집진기(그림 3.49 참

조)라고 부르며, 각각 다른 장소에 있는 것을 2단식 전기집진기(그림 3.50 참조)라고 부른다.

터널용 전기집진기는 2단식 전기집진기에 속한다. 터널용 전기집진기는 저농도의 매연 미립

자를 함유한 대용량의 공기를 처리해야 하므로 집진 부분의 통과 풍속을 터널 내의 일반적인

풍속인 1 ~ 5 m/sec에 비해 고속인 7 m/sec 정도로 하는 것이 보편적이다. 따라서 소형으

로 집진율이 높은 것이 연구 · 개발되고 있는 추세에 있다.

제9-2편 터널 환기

535

<그림 3.49> 일단식 집진기(평판형)

<그림 3.50> 이단식 전기집진기

(2) 터널용 전기집진기의 사양

터널용 집진기의 대표적인 사양 예를 표 3.22에 나타내었다. 이 예에 적용된 집진기 유니트

를 그림 3.51에 나타내었다. 매우 미세한 매연 입자(입자지름 0.2 μm 이하가 대부분)를 함

유한 공기에서 집진하기 때문에, 중량법(하이볼륨샘플러)에 의한 농도에서 구하는 집진율과

매연투과율(VI)에 의한 농도에서 구하는 VI 개선율과의 사이에 명료한 상관 관계를 얻기 어

렵지만 디젤차의 매연을 대상으로 한 집진기의 성능 시험에 있어서 중량법으로 집진율을

80% 이상 확보하면 VI 개선율도 거의 80%를 기대할 수 있다는 시험 결과가 있다.

전기 집진기는 그 비용 절감과 터널에 적용하는 것을 용이하게 하려는 의도에서 유니트화

하고 있다. 기본 유니트는 7.5 m3/sec 용량으로 하여 이것을 2단으로 조합시켜 15 m3/sec

의 용량인 것을 예시했다(그림 3.51 참조).

주요 부재인 집진극판에는 스테인레스를 사용하는 등, 내용 연수의 향상을 도모했지만 아직

충분한 실적은 없고, 방전선에 대해서는 현재 소모품으로 취급되고 있다.

터널용 전기집진기의 구성 예는 그림 3.52에 표시하였다.

제4권 터널

536

<그림 3.51> 집진기 유니트 (15 m3/sec)

<그림 3.52> 터널용 집진기의 구성 예 (공기세정방식)

(3) 기타 유의사항

① 처리 풍속과 집진율의 관계

처리 풍속과 집진율의 관계에 대한 연구 결과의 예를 그림 3.53에 나타내었다. 이 그림

중 실선과 파선은 어떤 풍속에서의 시험기에 의한 실측 집진율을 집진효율식인 도이취식

에 적용하여 미립자계의 실효이동속도 Ve를 산출함으로써 집진율의 풍속 의존성을 계산

한 예이다.

제9-2편 터널 환기

537

집진기 자체의 집진율을 높게 하기 위해서는 처리 풍속을 낮게 하면 좋지만 터널 설비

및 집진기계실의 구조.치수 등 전체 터널 계획의 경제성을 고려하여 처리 풍속을 높게

하는 대신에 설비를 컴팩트한 것을 채택하는 것이 바람직하다.

표 3.22는 처리 풍속 7 m/sec에서 80%의 집진율을 얻을 수 있는 터널용 집진기 사양의

예를 나타내고 있다.

<표 3.22> 전기집진기의 사양(예)

항목 사양

형식

강판제 자립펴안형

수평가스류 2단식

집진 처리 풍량

240 m3/sec

(120 m2/sec x 2군)

집진기 유니트

15 m2/sec 처리기 x 2대 x 2군

30 m2/sec 처리기 x 3대 x 2군

포집 덕트의

세정방식

공기세정방법

집진 처리 풍속 7 m/sec

집진률 중량식  = 80％ 이상

압력 손실

12 mmAq 이하

(혹은 117.6 Pa 이하)

인가 전압

대전부 DC 11 kV

집진부 DC 5.5 kV

전원 3 3W 210V 60Hz

집진기 소비 전력 약 12 kW

기타

에어블로용 콤프레샤,

압기콤프레샤, 흡인팬,

덕트회수용 버그필터

② 집진기 부근의 풍속 분포

집진기 상류 측의 풍속 분포가 불규칙하면 적절한 집진율을 얻을 수 없기 때문에 덕트 내

의 풍속분포는 가능한 일정한 상태가 되도록 배려할 필요가 있다.

또한 덕트의 경제 풍속에 비해 집진기의 처리 풍속은 낮기 때문에 그림 3.55에 표시한

집진기의 배치 예처럼 구조 단면을 절약하여 집진기 부근의 풍속을 저감시키는 연구가 이

루어지고 있다.

제4권 터널

538

<그림 3.53> 처리 풍속과 집진율

A-A′ 단면도 B-B′ 단면도 C-C′ 단면도

집진기 127.5㎥/s

집진기 127.5㎥/s

전기실

송풍기

흡입

<그림 3.54> 칸에쯔 자동차도로의 터널집진기실 구조도

제9-2편 터널 환기

539

3.7 환기 덕트

환기 덕트는 연결 덕트와 터널 덕트로 구분되며, 덕트의 설계는 공기역학적으로 합리적이고

건설비, 유지비가 경제적이 되도록 설계해야 한다.

3.7.1 터널 덕트

터널 덕트는 터널을 따라서 설치된 덕트를 가리키며 횡류환기방식 및 반횡류환기방식에 사

용된다. 터널 덕트에는 급기 덕트와 배기 덕트가 있고, 각각 급.배기공이 설치된다. 터널 덕

트의 배치는 그림 3.55와 같다.

(a) (b) (c)

배기덕트

배기덕트 송기덕트

배기덕트

송기덕트

송기덕트

(d)

송기덕트

<그림 3.55> 터널 덕트 배치 예

환기방식 및 환기량이 결정되면 터널 덕트가 부담하는 급기량 혹은 배기량을 계획할 수 있

다. 이러한 경우 1환기구간 길이를 길게 하면 터널 덕트 단면적이 커져 건설비가 많이 드는

경향이 있으므로 터널 덕트 분할 수와 단면적의 관계를 터널의 입지 조건, 지형 조건의 각종

요소를 충분히 검토하여 경제적인 설계를 해야 한다. 여기서 1환기구간 길이란 횡류와 반횡

류환기방식의 경우는 1터널 덕트 구간으로 구분되고, 다른 터널 덕트 구간과 풍량 제어를

독립적으로 실시하는 구간의 길이를 말한다. 또한 종류환기방식의 경우는 차도 공간의 공기

가 교차되는 구간을 1환기구간 길이로 본다.

경제적 설계의 구체적인 순서는 다음과 같다.

(1) 환기계 비교 안 작성

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

(2) 각 비교 안의 소요 동력 상정 및 비교 항목에 대한 설비 계획

각 비교 안에 의한 설계 조건을 근거로 개략적인 소요 풍량의 산정을 실시, 송풍기 등의 사양

제4권 터널

540

과 소요 동력을 상정한다. 다음에 환기소와 전기설비 등에 대한 각 비교 안의 차이점을 명확

하게 밝혀 건설비 상정 자료가 되도록 계획한다.

(3) 각 연도별 유지비 산정

각 비교 안에 있어서 유지비의 차이는 전력비의 차이가 많으므로 주로 전력비의 추이를 산정

한다.

(4) 경제성 비교

각 비교 안에 있어서 건설비[터널 본체공, 연직갱(수직갱), 천장판 등의 덕트공, 환기소, 환기

기설비, 전기관계설비 등]를 산정하여 감가상각연수를 고려하여 다음 식처럼 총 비용을 산출

하여 경제성의 비교를 실시한다.

C  CB   r Y  

n  

Y

CE   r Y  n (3.106)

C : 총 비용

CB : 건설비

r : 연 이율

Y : 감가상각연수

CE : 유지비(연간 전력비)

3.7.2 연결 덕트

연결 덕트는 횡류환기방식 및 반횡류식에 있어서 터널 덕트와 환기소를 연결하는 덕트를

말하며, 종류식에 있어서는 본 갱과 환기소를 연결하는 덕트를 가르키고, 지하환기소방식

등에서 환기소와 대기 공간을 연결하는 연직갱(수직갱) 등도 연결 덕트에 포함된다.

환기기의 소요 풍압을 산출할 때에 환기소 내 각종 덕트에 의한 압력 손실을 환기소 내 압력

손실이라고 지칭하기도 하지만 전체 덕트로 연결 덕트의 압력 손실은 덕트 길이에 비례하는

마찰손실에 의한 것 이외, 덕트의 변형(휨, 확대, 축소, 분기, 합류 등)에 의한 것도 고려해야

한다. 연결 덕트의 단면적, 연장, 변형 등의 계획에 있어서는 터널 덕트와 같은 방법으로

경제성을 비교할 수 있다.

제9-2편 터널 환기

541

3.7.3 환기 덕트에 관한 일반적 유의사항

(1) 환기 덕트의 설계 시에는 다음과 같은 사항을 유의해야 한다.

① 마찰 저항을 줄이기 위해 내면을 평탄하게 한다.

② 환기 덕트의 단면 형상, 특히 변형 부분의 형상 결정에는 표 3.23에 표시한 주의사항을

충분히 검토해야 한다.

③ 갱구 혹은 배기구에서 배출되는 터널 내 오염공기와 환기기를 손상시키는 이물질이 급기

구에 흡입되지 않도록 해야 한다.

④ 콘크리트 시공에 있어서 마감 치수가 설계 치수보다 적게 되지 않도록 해야 한다.

⑤ 한냉지에서 동결에 의한 덕트 단면적(특히 급.배기구 단면적)이 축소되지 않아야 한다.

⑥ 송풍기 앞의 흡입 측 덕트는 편류, 선회류가 일어나지 않도록 형상에 주의해야 한다. 예를

들면 90°휨이 발생한 경우 반드시 코너 베인 등을 넣어야 한다.

⑦ 환기소 내 연결 덕트는 별도로 풍량제어방식, 비상 시 운전방식들을 충분히 고려하여 그

형상과 교환방식을 결정해야 한다.

⑧ 배기팬을 터널 화재 발생 시에 운전할 때는 공기냉각용 설비로서 물분무장치를 배기 덕트

에 설치하는 것이 일반적이다.

⑨ 급.배기용 콘크리트 덕트 내 풍속은 팬의 정압 및 구조물의 안전성을 고려하여 계획하되,

최대풍속이 15 ~ 20 m/sec 이내로 계획하는 것이 바람직하다.

⑩ 환기소 간 거리 증대를 위한 고정압 축류팬(4 ~ 5 kPa 내외)을 적용하는 경우에는 콘크리

트 덕트내 마찰계수(0.015 ~ 0.025)를 고려하되, 축류팬의 정압 손실 계산서를 반드시 작

성해야 한다.

제4권 터널

542

덕트 변형부 주 의 사 항

휨 굴곡 . R ＞ 1.6D이면 가이드 베인을 부착하지 않아도 된다. . 구부러진 후의 흐름은 편류한다.

휨 굴곡

. R ＜ 1.6D의 경우, 코너 베인을 부착하면 손실이 적어

지고 편류도 적어진다. . 휨 내측은 원만하다. . 휨 외측은 원만하지 않아도 좋다.

굴절

. θ ＞ 30°의 굴절은 될 수 있는 한 피한다. . 연속 굴절에서는 L / D 및 θ를 적당히 선택하면 손실을

꽤 줄일 수 있다.

예를 들면, θ = 30°의 경우 L = 3D가 가장 좋다.

확대

. θ = 6 ~ 10°가 가장 좋다. . θ = 60 ~ 70°에서 손실이 최대이므로 이런 경우는

오히려 θ의 급확대가 바람직하다.

축소

. 급격하게 축소하는 것은 피한다.

θ ＜ 60°이면 좋다. 또한 θ ＞ 60°의 경우 벨마우스

상태로 하면 손실이 적어진다.

분지.합류

. 벨마우스 반지름은 0.10 이상이 좋다. 분기, 합류손실은

바람량의 비 Q1, Q2 및 면적비에 따라 다르기 때문에

일괄적으로 말할 수 없지만 Q는 가능한 한 적게 한다.

<표 3.23> 각종 덕트의 변형부

(2) 환기 덕트 내에는 조명설비, 비상용시설 등의 기기, 배관 등이 포함되어 있으므로 이러한 시설의

보수 점검에 필요한 맨홀, 계단, 조명 등의 설비를 설치해야 한다.

또한 환기 덕트 내에 침입한 물의 배수에 대해서도 고려해 두어야 한다.

(3) 터널 덕트는 그림 3.56처럼 차도 상부, 하부 혹은 측부에 설치되며, 손상될 경우의 보수,

교체는 매우 곤란하다. 따라서 터널 덕트의 설계는 특히 내구성을 중요 시 해야 한다. 또한

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

차도 상부에 터널 덕트를 설치하는 경우, 강판, 경량기포 콘크리트판(ALC 판), PC 판 및 RC

구조 등이 사용된다. 각각 장단점이 있으므로 터널마다 여건을 고려하여 선정할 필요가 있다.

구체적인 사례는 다음 항을 참고한다.

제9-2편 터널 환기

543

① 구조 일반

천장판의 구조는 마찰 저항이 적고, 기밀성, 내식성이 우수하고 소정의 강도를 갖고 있으

며 경제적인 것을 채택한다.

② 설계 하중

사하중 : 마무리를 포함한 재료의 자체 중량

활하중 : 풍하중

(환기 계획에 따라 얻는 송.배풍시의 최대 풍압) 및 하중(사람의 체중)(100 kgf/m2)

③ 처짐

사하중 및 풍하중, 하중(사람) 중에서 어느 것이든 큰 하중을 재하한 경우의 처짐량은 스

판(span)의 1/500 이하로 한다.

④ 구조 치수

천장판의 두께는 100 mm 이하를 표준으로 한다. 단, 터널 조명기구를 천장판 내에 부착

하는 경우에는 조명기구의 중량을 고려하여 150 mm 까지 증가하여도 좋다. 또한 덕트

단면에 여유가 있고 비교검토 결과, 두께를 늘리는 편이 경제적인 경우에도 그러하다.

⑤ 차도 하부 혹은 차도 측부에 터널 덕트를 설치하는 경우, 상판 또는 측벽은 ‘도로교설계시

방서’에 따라 설치해야 한다.

⑥ 터널 덕트용 재료에 금속 특히 강재를 사용한 경우에는 녹 방지에 대해 충분히 고려하여

적절한 녹 방지 조치를 강구해야 한다.

(4) 터널 덕트에 풍량 조절이 가능한 급.배기공의 설치 면적 및 간격은 다음사항을 표준으로 한다.

① 급기공

급기공의 면적 및 간격은 송기공의 위치, 소요 환기량, 급기공 수에 따른 경제성 그리고

배기공의 면적 및 위치를 고려하여 결정해야 한다.

② 배기공

환기뿐만 아니라 화재 시 배연용으로도 사용되는 배기공은 2016년도 “도로터널방재시설

설치 및 관리지침”에 배기공의 설치 간격을 50 ~ 100 m로 규정하고 있다. 따라서 배기

공 간격은 환기 및 배연 효과를 동시에 고려하여 50 ~ 100 m 범위에서 결정해야 한다.

제4권 터널

544

(5) 환기기를 2대 이상 병렬 운전하는 경우는 환기기 전 또는 후에 개폐장치를 설치한다. 개폐장

치에는 다익(多翼)댐퍼, 호형(戶形)댐퍼, 셔터 등이 있지만 일반적으로 다익댐퍼를 사용한다.

댐퍼는 환기기의 운전, 정지와 연동하여 개폐하고 공기가 새는 것이 적도록 해야 한다.

또한 환기계가 2계 이상 있는 경우에 비상 시 및 환기기의 수리 등에 따라 1환기계에서 다른

환기계로 풍량을 배분 또는 전환이 필요한 경우에는 전환장치를 설치하는 것이 바람직하다

(그림 3.56 참조).

상하선 모두

교통량이 많은

경우

A기 수리의 경우

B기 수리의 경우

(b) 관문터널(일본)

송풍기

토출댐퍼

상행선 변환댐퍼 하행선

고장시

1기2덕트 2기2덕트 3기2덕트

송

풍

기

댐

퍼

A B C D

A B C D A B C D

1대 2대

1대

혹은 2대

1대

1대

혹은 2대

A B C D A

2대

(a) 천왕터널(일본)

(c)

<그림 3.56> 덕트 전환(변경) 장치

제9-2편 터널 환기

545

3.8 환기소

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

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

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

식의 경우는 터널 갱구에서 배출되는 오염 공기를 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 주재하는 환기소의 설계에 있어서는 건축 관련 법규에 적합하도록 해야 한다.

환기소는 될 수 있는 한 터널 본체에 가깝고 설치되는 여러 설비의 보수 점검이 용이한 위치

에 설치하는 것이 바람직하다. 환기소는 일반적으로 터널 또는 환기용 입갱 등의 갱구에 설

치하나, 연직갱(수직갱)의 밑 부분에 가까운 지하에 설치하는 경우도 있다.

3.8.1 갱구 환기소

갱구 환기소는 설치하는 위치에 따라 터널 갱구부에 설치하는 경우와 입갱 등의 갱구에 설

치하는 경우로 크게 구분되며, 터널 갱구에 설치하는 경우는 노상에 설치하는 경우와 도로

의 측면에 설치하는 경우가 있다. 어떠한 경우에도 환기소의 외관은 주위 경관과 조화를

고려하여 설계할 필요가 있고, 터널 갱구의 노상에 설치하는 경우에는 터널에 진입하는 운

전자에게 위화감을 주지 않도록 해야 한다.

갱구 환기소의 환기기에서 발생하는 소음이 제한 수치 이상인 경우는 대책을 강구해야 한다.

3.8.2 지하 환기소

환기용 입갱이 있는 터널에 지형과 기계구조 등에 의해 갱구에 환기소를 설치하는 것이 곤

란한 경우는 입갱 밑 부분과 터널 사이에 지하 환기소를 설치하는 경우가 있다.

지하 환기소는 갱구 환기소에 비교하여 일반적으로 공사비가 많이 소요되지만 터널에서 직

접 환기소로 진입하여 여러 설비의 유지관리를 실시하는데 편리하다.

지하 환기소에는 특히 환기소 내의 온도 조절, 방진, 방습 등에 유의해야 한다.

제4권 터널

546

3.8.3 전기집진기실

전기집진기 부착 종류환기방식에 대용량 집진기를 설치할 때는 본 갱 단면 외부에 본 갱

단면과 같은 규모의 바이패스 풍로를 건설하여 그 안에 전기집진기 및 부속시설과 전기실을

배치하는 방법이 있다.

3.8.4 배기탑

배기탑을 건설하는 경우, 배기탑을 설치한 위치 및 그 부근의 배기 확산 경향 등을 고려한

대기환경 영향을 검토해 둘 필요가 있다.

외부 풍속이 낮고 대기가 안정되어 있어 대기의 오염물질 확산 능력이 낮은 수준일 때에는

지표 가까이에서의 오염 농도는 일반적으로 낮다. 반면 외 부풍속이 어느 정도 불고 배기탑

을 통하여 배출되는 오염체(plume)가 신속하게 확산되어 하강하게 되면 지표 부근에서의

농도는 높아진다. 이와 같이 배기탑 주변의 환경 영향은 외부 기상조건에 큰 영향을 받으므

로 이에 대한 면밀한 검토가 요구된다. 특히 도심지 터널이나 환경적 영향평가가 요구되는

터널의 경우, 갱외 확산은 3차원 시뮬레이션 분석이 요구되는 과제이다.

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

멘텀과 부양력이 상향 확산을 돕게 되기 때문이다. 배기탑이 높을수록 확산 효과가 좋아지

므로 지상에서의 오염 농도가 낮아지게 된다. 따라서 주변 건축물보다 높은 위치에 배기점

이 있는 경우, 즉 건축물의 영향을 받지 않은 대기층으로 배출 확산 되는 경우가 확산 효과

가 한층 더 좋아지게 된다.

배기탑의 배출 방식은 측면 배출보다 상부 배출 방식이 외부 빗물 등의 유입수 처리에는

불리하나, 외부 자연풍의 역풍 조건에는 유리하고 배출된 공기를 대기 중으로 수직 상승

및 확산시키는 효과는 우수하다.

배기탑의 토출 풍속에 대한 규정은 나라별로 10 ~ 25 m/sec 정도이므로, 일반적인 토출 풍

속은 10 m/sec 이상으로 계획하되 배기팬의 정압 및 동력에 무리가 없도록 계획할 필요가

있다. 다만, 소음 등에 민감한 지역의 경우는 최대 15 ~ 20 m/sec 를 초과하지 않도록 계획

하는 것이 바람직하다.