KR100403866B1 - 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법, 및 이를 이용한 허용오염도 및 허용가시도 유지방법 - Google Patents

종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법, 및 이를 이용한 허용오염도 및 허용가시도 유지방법 Download PDF

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Abstract

수직환기갱과 전기집진기 및 제트팬을 구비한 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법은 차량의 종류, 차량대수, 및 차량의 속도를 측정함으로써 터널을 통과한 차량들이 터널의 전반부를 통과하면서 터널 내부에 방출한 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 구하는 단계와, 상기 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 이용하여 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 전반부에 존재하는 순수 CO가스 및 매연의 총량을 구하는 단계와, 상기 터널 입구부 및 출구부의 검사면을 설정하여, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 이동된 검사면 끝부분의 CO가스 및 매연의 농도를 구하는 단계와, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 부분의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계와, 상기 수직환기갱을 통하여 배출된 CO가스량 및 매연의 농도를 구하는 단계와, 상기 터널 후반부로 이송된 CO가스량 및 매연량을 구하는 단계와, 상기 각 단계에 의해 구해진 CO가스량과 매연량 및 CO가스농도와 매연농도를 이용하여 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법, 및 이를 이용한 허용오염도 및 허용가시도 유지방법{Pollution level and visibility prediction methods of a longitudinal-flow type tunnel, and permitted pollution level and visibility maintenance methods therefron}
본 발명은 수직환기갱과 전기집진기 및 제트팬을 갖춘 종류식 환기방식을 채택한 도로터널의 환기시설 운전에 관한 것으로, 특히 이러한 종류식 도로터널 내부를 세부 구간으로 분리하여 각 구간에서의 CO농도 및 매연농도를 예측하고 이를 허용되는 수준으로 유지하도록 하는 터널 내부의 풍속을 결정하므로써 터널 내부의 허용오염도 및 허용가시도를 유지하는 방법에 관한 것이다.
종래 전기집진기 및 제트팬을 갖춘 종류식 환기방식을 채택한 도로터널의 환기방식은 터널 내부의 상태 즉, 터널 내부의 차량에 의한 CO농도 및 매연에 의한 가시도를 고려하지 않은 채 터널의 크기에만 기준을 두고 전기집진기 및 제트팬을 가동하는 실정이었다.
그러나, 이러한 전기집진기 및 제트팬의 무분별한 구동은 효율적인 터널 관리를 어렵게 하여 불필요한 전력 소모를 초래할 뿐만 아니라 쾌적한 터널 환경을 해치는 중요한 요인이 되었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종류식 도로터널 내부의 오염도 및 가시도를 예측하는 방법을 제공하는 것이며, 더불어 이러한 오염도 및 가시도를 예측하는 방법을 이용하여 터널내부의 허용오염도 및 허용가시도를 유지하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 종류식 도로터널의 수직환기갱을 중심으로 터널 전반부와 터널 후반부로 편의상 구분하며, 터널 입구에서 전방 집진기까지 부분을 구간 1, 전방 집진기에서 수직환기갱까지의 부분을 구간 2, 수직환기갱에서 후방 집진기까지의 부분을 구간 3 그리고 후방 집진기에서 터널 출구까지의 부분을 구간 4로 구분하여, 각 구간별로 오염도 및 가시도를 예측하고 이를 이용하여 터널 내부의 허용오염도 및 허용가시도를 결정한다.
도 1은 일반적인 종류식 환기방식을 갖춘 도로터널의 개요도.
도 2는 거리에 따른 터널 전반부의 CO농도의 변화를 나타내는 그래프.
도 3은 수직환기갱에 의한 환기방식의 계통도.
도 4는 도 1에 나타낸 도로터널의 전방 집진기에서 수직환기갱까지의 내부 풍속변화에 따른 가시도 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법을 나타내는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 종류식 도로터널의 허용오염도 및 허용가시도 유지방법을 나타내는 흐름도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 ----- 전기집진기 20 ----- 수직환기갱
30 ----- 수직환기갱 배출부 40 ----- 수직환기갱 흡입부
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 종류식 환기방식을 갖춘 도로터널의 개요도로서, (a)는 터널을 길이단위로 분할하여 나타내고 있으며, (b)는 거리에 따른 터널 내부의 CO농도의 변화를 나타내고, (c)는 거리에 따른 가시도의 변화를 나타낸다.
도시하는 바와 같이 터널의 내부에는 전기집진기(10) 및 수직환기갱(20)이 설치되어 있으며, 제트팬(도시하지 않음)이 추가로 설치되어 있다.
상기한 터널의 입구에서는 외부의 신선한 공기가 유입되므로 CO농도와 가시도 모두 '0'으로 처리했으며, 전기집진기는 CO농도 변화에 영향을 미치지 못하므로 전기 집진기 부근의 CO농도는 변화가 없는 것으로 하였고 수직환기갱의 배출구 입구부분의 CO농도와 흡입구 출구부분의 CO농도가 다르게 나타날 것이므로 각각CO vi와CO vo라고 하였다. 그리고 터널 출구부의 CO농도는CO e라고 하였다.
마찬가지로, 매연농도 역시 집진기 입출구 및 수직환기갱에서 다르게 나타날 것이므로 전방 집진기 입·출구부와 후방 집진기 입·출구부의 가시도를 각각K ci l,K co 1,K ci 2,K co 2라 하고 수직환기갱 입·출구 부분에서의 가시도는K vi ,K vo 로 그리고 터널 출구부의 가시도는K ce 라고 하였다.
이들 오염농도를 나타내는 방법으로는 n번째 제어주기에서의 값을 표시할 경우에는 오염농도 뒤에 (n)으로 구분하고 제어주기가 끝나는 순간 측정되거나 예상되는 값을 하첨자f로 나타내기로 한다.
터널은 총 연장이Lm이며, 터널 입구에서 전방 전기집진기까지의 거리는L c1m이고 전방집진기에서 수직환기갱까지의 거리는 L c 2m, 수직환기갱에서 후방전기집진기까지의 거리는L c 3m, 그리고 후방집진기에서 터널 출구까지의 거리는L c 4m이다. 또한 터널 입구에서 수직환기갱까지의 거리는L v 1m이며 수직환기갱에서 터널 출구까지의 거리는L v 2m이다.
n번째 제어주기동안 터널을 통과한 차종별 차량의 대수를N(i)대, 그리고i차종의 통과속도를v[k] car (i) m/s라고 하고,i차종이v[k] car (i)의 속도에서 배출하는 CO가스량을q[k]CO(i), 배출되는 매연의 양을q[k]SM(i)라고 한다.
현재 차종의 구분은 5종으로 하고 있으며, 속도구분도 3종으로 하고 있으므로 본 발명에서는 현재의 이 기준을 적용하기로 하지만 이 기준이 바뀌더라도 본 발명은 적용이 가능하며 특별히 한정되는 것은 아니다.
CO농도를 추정할 경우 수직환기갱을 중심으로 터널 전반부와 터널 후반부로 편의상 구분하며, 터널 입구에서 전방 집진기까지 부분을 구간 1, 전방 집진기에서수직환기갱까지의 부분을 구간 2, 수직환기갱에서 후방 집진기까지의 부분을 구간 3 그리고 후방 집진기에서 터널 출구까지의 부분을 구간 4로 구분한다.
이하에 기술하는 본 발명은 수직환기갱, 전기집진기 및 제트팬 모두를 갖춘 터널은 물론 이 가운데 일부를 조합한 터널에도 적용이 가능하다.
- CO농도의 추정 및 허용 CO농도 유지방법 -
도 2는 거리에 따른 터널 전반부의 CO농도의 변화를 나타내는 그래프로서, 이하에 도 2를 참고로 하여 터널 내부의 CO농도의 추정 및 허용 CO농도의 유지방법에 대하여 기술한다.
터널을 통과한 차량들이 터널의 전반부를 통과하면서 터널 내부에 방출한 순수 CO가스량은 다음과 같다.
이를 이용하여 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 전반부에 존재하는 순수 CO가스의 총량V COv 1 ti (n+1)을 구하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
여기에서 터널 내부의 풍속을 n+1번째 제어주기에서도 n번째 제어주기에서의 터널 내부풍속v r (n)으로 동일하게 유지한다고 가정하고 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 터널 내부 각 지점에서의 오염농도를 추정하기로 한다.
터널 내부의 풍속이v r (n)로 일정하게 유지되고 있으므로 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 검사체적을 차지하는 검사면 중 터널 전반부 검사면의 끝인 수직환기갱의 위치, 즉, 터널 입구로부터 거리L v 1에 위치하고 있던 검사면은 제어주기t n 초가 흘러 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간에 터널의 입구로부터L v 1+v r (n)·t n 의 위치로 이동하게 되어 제어주기 시작시 터널 입구부터 수직환기갱까지의 검사체적이 제어주기가 끝나는 시점엔 터널 입구로부터L v 1+v r (n)·t n 까지로 확장되게 된다.
따라서 해당 제어주기가 시작되는 순간 터널의 전반부에 존재하던 순수 CO가스량이 해당제어 주기가 끝나는 순간에는 터널 입구에서L v 1+v r (n)·t n 만큼의 거리에 걸쳐 선형적으로 분포하게 된다고 생각할 수 있다.
이로부터 해당 제어주기가 끝나는 순간 이동된 검사면의 끝부분 CO농도CO vief (n+1)은 다음과 같이 얻어진다.
n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 부분의 CO농도CO vif (n+1)는 다음과 같다.
도 2에 나타낸 CO농도 변화 그래프에서L v 1이후의 농도 변화를 나타내는 순수 CO가스량은 n+1번째 제어주기동안 일부는 수직환기갱을 통하여 외부로 유출되고 나머지는 터널 후반부로 이송되었음을 알 수 있다.
계속해서, 외부로 유출된 CO가스량과 터널 후반부로 이송된 CO가스량을 추정하기 위하여 다음의 도 3에 도시한 수직환기갱에 의한 환기방식의 계통도를 살펴보기로 한다.
터널 전반부에서 후반부로 이송되는 CO가스량은 수직환기갱 배출부의 입구에 설정한 검사면 ①을 통하여 일부는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 수직환기갱 배출부(30)를 통하여 외부로 유출되고 나머지는 수직환기갱 흡입부(40)의 출구부(40a)에 도달하여 흡입되는 신선한 공기와 혼합되고 이후 설정한 검사면 ②에 도달하게 된다.
먼저, n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널의 전반부에 존재하던 순수 CO가스량 가운데 수직환기갱을 통하여 외부로 유출된 CO가스량과 터널 후반부로 이송된 순수 CO가스량을 구하기 위하여, 도 3의 검사면 ①을 통하여 해당 제어주기 동안 이송된 총 CO가스 량Vco t 12(n+1)을 구하면 다음과 같다.
이제 수직환기갱의 단면적을A v m 2라고 하고 환기갱 배출 통로내의 유속을v v m/s라고 하면, n+1번째 제어주기동안 수직환기갱을 통하여 외부로 유출된 CO가스량Vco 1 v (n+1)과 터널 후반부로 이송된 CO가스량Vco 12(n+1)은 다음과 같다.
도 1에서 n번째 제어주기가 끝나는 순간 하나의 계로 설정한 터널 내부에 존재하는 순수 CO가스의 총 체적과 n+1번째 제어주기 동안 도 3의 검사면 ②이후 즉, 터널 후반부에 남아있는 CO가스의 총량Vco v 2 tf (n+1)는 다음과 같다.
도 3의 검사면 ②의 오염농도는 미소시간dt동안에 검사면 ②부근의 미소거리dx만큼을 통과하는 검사체적은 검사면 ①과 동일한 CO농도의 유량Q r -Q v 가 수직환기갱을 통하여 유입되는 유량Q v 와 합해져 미소 검사체적A r ·dx에서 합해진다고 할 수 있으므로, 다음과 같이 근사화 할 수 있다.
이제 터널 출구부의 CO농도CO ef (n+1)을 구하기 위하여 앞서 추정했던 것과 동일한 방식을 적용하게 되면 터널 내부의 풍속이v r (n)로 일정하게 유지되고 있으므로 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 검사체적을 차지하는 검사면 중 터널 출구부에 위치하고 있던 끝단 검사면은 제어주기t n 초가 흘러 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간에 터널 출구로부터v r (n)·t n 만큼 거리를 이동하여 위치하게 되며, 터널 출구로부터v r (n)·t n 만큼의 위치의 CO농도CO eef (n+1)을 다음과 같이 구할 수 있다.
이로부터 터널 출구부의 CO농도CO ef (n+1)을 얻는다.
이제는 환기시설을 운전하는 방법에 대하여 고찰하기 위하여 n번째 제어주기에서 측정된 각 부분의 CO농도 값CO vif (n),CO vof (n) 및CO ef (n)과 n번째 제어주기 동안 터널을 통과한 차종, 통과대수, 및 통과속도를 알고 있는 상태에서 예측한 다음, 제어주기에서 유지할 수 있는 수직환기갱의 배출부 입구의 CO농도CO vif (n+1) 또는 터널 출구부 CO농도CO ef (n+1)이 터널내 CO농도의 제한값인CO lim을 초과하였다고 가정하자.
그러면, 초과된 다음 제어주기CO vif (n+1)을CO lim으로 유지하기 위해서CO vif (n+1)이CO lim과 같다고 놓으면CO lim를 유지하기 위한 새로운 터널 내부 풍속v r (n+1)을 다음의 식으로부터 얻을 수 있다.
또한, n+1번째 제어주기가 끝난 후 터널 전반부에 남게될 CO가스량Vco 1 f (n+1)는 다음과 같이 얻어진다.
위 식에 의해 터널 전반부의 CO농도를 다음 제어주기 내에CO lim으로 유지하기 위하여 터널 전반부로부터 전반부 후방으로 배출되는 순수 CO가스량Vco t 12(n+1)은 다음의 식에 의하여 구해진다.
여기에서 수직환기갱을 통하여 유입되고 유출되는 공기의 체적을 n번째 제어주기와 동일하게 유지한다고 가정한다.
그러면, 수직환기갱 유입부 출구 부근의 CO농도CO von (n+1) 및 검사체적 끝부분의 검사단면에서의 CO농도CO een (n+1)은 다음과 같다.
따라서, 수직환기갱도 내의 풍속을v v (n)으로 유지했을 경우 터널 출구부의 CO농도CO en (n+1)은 다음과 같음을 알 수 있다.
이로부터 n+1번째 제어주기에서 유지하여야할 수직환기갱도 내의 풍속v v (n+1)을 구하면 다음과 같다.
수직환기갱의 풍속을 조절하기 위한 축류팬의 운전은 대부분 가변속 운전을 하므로 팬 특성곡선 상의v v (n+1)에 해당하는 회전수로 축류팬을 운전한다.
이제, n+1번째 제어주기 동안 결정된 터널 내부v r (n+1)을 유지하기 위하여 운전하여야 할 제트팬의 수를 구한다.
먼저, n번째 제어주기의 풍량을Q r (n), 제트팬을 이용하여 발생시켜야 할 풍량을Q j (n+1), 그리고 축류팬에 의한 풍량을Q v (n+1) m/s라고 하면, 다음과 같은 관계식이 성립한다.
따라서 제트팬을 이용하여 발생시켜야 할 풍량Q j (n+1)은
이다.
- 가시도의 추정 및 허용 가시도 유지방법 -
터널 내부의 가시거리는 터널을 통과하는 차량으로부터 배출된 입자상 물질에 의하여 영향을 받으므로 터널 내부의 가시거리를 직접 측정하여 활용하는 것이 가장 효과적이지만 가시거리를 직접 측정할 수 있는 센서는 아직까지 상용화된 제품이 없는 관계로 빛의 소멸량을 측정하는 센서를 이용하여 간접적으로 추정하는 방법이 사용되고 있다.
이러한 간접적인 측정방법 때문에 매연농도와 빛의 소멸량과의 관계를 정량적으로 표현하는 것이 중요하며, 이 관계를 MIRA(Motor Industry Research Association)에서 다음의 식(22)과 같이 정립하여 발표하였다.
여기에서,
K : 빛의 소멸율 (extinction coefficient ; m-1)
M : MIRA 계수 (=6.25)
CSM: 매연농도 (soot concentration ; g/m3)
CO가스 추정과 마찬가지로, 도 1에 나타낸 터널의 경우에 대해 매연농도에 대한 추정을 한다.
터널을 통과하는 차량의 차종별 차속별 매연배출량을q[k]SM(i) g/m라 하면 임의의 제어주기 n에 터널을 통과한 차량 N(i)대가 거리L x 를 통과하면서 배출한 매연량SM(n)은 다음과 같다.
상기 식에서 i가 3에서 5까지로 나타난 이유는 휘발유를 사용하는 소형차량에서는 매연이 배출되지 않기 때문이다.
먼저 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 내부의 각 구간에 존재하는 매연의 총 질량은, n번째 제어주기의 마지막 순간에 측정된 가시도를 기준으로 계산한 각 구간에서의 매연의 질량SM f (n)와 n번째 제어주기에서 터널을 통과한 차량이 각 구간에 배출한 매연의 질량SM car (n)의 합으로 나타낼 수 있으며 다음과 같이 구해진다.
따라서, n+1번째 제어주기가 시작되는 시점에서 터널 내부에 존재하는 매연의 총 질량SM toti (n+1)은 다음과 같다.
n+1번째 제어주기동안 터널 내부의 풍속을v r (n+1)로 유지할 경우 제어주기가 끝나는 시점에서 구간 1의 전기집진기 입구 부분의 가시도K cif (n+1)는 CO농도 추정 때와 마찬가지로 다음과 같이 추정할 수 있다.
또한, n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 구간 1로부터 구간 2로 이송된 매연의 질량SM 12는 다음과 같이 구해진다.
만일, 구간 1에 위치한 전기집진기가 가동되었다면 제어 주기가 끝나는 순간 전기집진기 출구부분의 가시도K co 1 f (n+1) 및 n+1번째 제어주기동안 집진기에서 걸러진 매연의 질량SM dc 1은 다음과 같다.
따라서, n+1번째 제어주기동안 구간 2에서 처리하여야 할 매연의 총 질량SM 2(n+1)은 다음과 같다.
이제, 구간 1에서 현 제어주기 마지막 순간 집진기 출구 부분의 가시도K co 1 f 는 식 (32)을 이용하여 알 수 있고 현 제어주기 동안에 구간 2에서 처리하여야 할 매연의 총 질량도 식 (34)으로부터 알 수 있으므로, 구간 2의 마지막 검사면인 수직환기갱 입구부 부근의 가시도를 같은 방법으로 추정할 수 있다.
n+1번째 제어주기동안 구간 2로부터 수직환기갱을 포함한 구간 3으로 이송된 매연의 질량SM 23은 다음과 같다.
이하에서, 등가길이L eqi 를 다음과 같이 정의하기로 한다.
만일, 수직환기갱도 내의 풍속이v v (n+1)로 유지되고 있다면 수직환기갱을 통하여 배출된 매연의 질량SM v 와 수직환기갱 이후의 구간 3으로 이송된 매연의 질량SM 2 v 3은 CO농도 추정 때와 마찬가지 방법으로 구할 수 있으며, 그 결과는 다음과 같다.
그리고, CO농도를 추정할 때와 동일한 방법으로 환기갱의 유입부 출구 부근의 가시도K vof 를 유도할 수 있으며, 이를 다음과 같이 나타낸다.
n+1번째 제어주기동안 구간 3에서 처리하여야 할 순수 매연의 질량SM 3와 구간 3의 시작부의 가시도K vof 를 알고 있으므로, 앞서 유도한 방법과 마찬가지로 구간 3의 후반부에 있는 전기집진기 입구부 근처의 가시도K ci 2 f 를 구하면 다음과 같다.
구간 1과 구간 2 사이의 전기집진기 가동과 관련하여 유도하였던 과정과 동일한 방법을 사용하여 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 구간 3으로부터 구간 4로 이송된 매연의 질량SM 34와 전기집진기 출구부분의 가시도K co 2 f (n+1), 그리고 전기집진기 가동에 의해 집진기에서 걸러지는 매연의 질량SM dc 2및 n+1번째 제어주기동안구간 4에서 처리하여야 할 매연의 총 질량SM 4(n+1)를 구하면 다음과 같다.
이제, 터널 출구 부근의 가시도에 영향을 미치는 모든 값을 구했으며, 이를 이용하여 터널 출구 부근의 가시도K cef 를 구하면 다음과 같다.
이하, 터널 전반부의 가시도 또는 터널 출구부의 가시도가 기준값을 초과할 것으로 예상되는 경우, 앞서 유도한 매연농도 예측방법을 이용하여 환기시설을 어떻게 운전하여야 하는지에 대해 고찰하고자 한다.
먼저, n+1번째 제어주기에 집진기를 가동하지 않는 상황에서 터널 내부 풍속을v r (n)m/s로 유지한다고 하면, n번째 제어주기동안 터널을 통과한 차량으로부터 터널 내부에 배출된 매연량SM cartot (n), 터널 전반부에 배출된 매연량SM carv 1(n), 및 마지막으로 측정된 가시도로부터 추정되는 터널 전반부 매연량SM v 1(n)은 각각 다음과 같이 얻어진다.
따라서, n+1번째 제어주기동안 터널 전반부에서 처리하여야 할 매연의 총량SM totv 1(n+1)은 다음과 같다.
이로부터 n+1번째 제어주기가 종료되는 시점에 터널 전반부 끝 검사면에서의 매연농도C SMvief (n+1)는 다음과 같다.
따라서, 터널 내부 풍속을v r (n)m/s로 유지할 경우 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 배출구 입구부분의 가시도 예측값K vifp (n+1)는 다음과 같다.
그런데, 이 값은 예측한 값이K lim을 초과한 것이므로 새로운v r (n+1)을 구하기 위하여 상기 식의K vifp (n+1)을K lim과 같다고 놓으면, 집진기를 운전하지 않았을 때 다음 제어주기동안 유지하여야 할 새로운 터널내의 풍속v offc 1 r (n+1)이 다음의 식으로부터 얻어진다.
이제 집진기를 가동했을 때에 대하여 알아보기로 한다.
n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 입구에서 집진기 이전까지에 남아있는 매연의 총량은 다음과 같다.
따라서, n+1번째 제어주기에서 집진기가 가동할 때 터널내의 풍속을 n번째 제어주기의 풍속v r (n)m/s로 일정하게 유지할 경우 집진기 흡입구 부분의 가시도K ci 1 f (n+1) 및 배출구 부분의 가시도K co 1 f (n+1)과 구간 1에서 구간 2로 이송되는 매연량SM 12(n+1)은 다음과 같이 구해진다.
매연이 구간 1에서 구간 2로 이송되는 과정 중에 전기집진기에서 걸러진 매연의 량SM dc 1(n+1)과 구간 2로 순수하게 이송되는 매연량SM 1 c 2(n+1)은 다음과 같다.
n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 구간 2에 존재하는 매연의 총량SM totc 2(n+1)은 n번째 제어주기가 끝나는 순간 구간 2에 남아있던 매연량SM c 2(n), 터널을 통과한 차량으로부터 구간 2에 배출된 매연량SM carc 2(n) 및 전기집진기 후방으로 이송된 매연량SM 1 c 2(n+1)의 합으로 나타나게 된다.
n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 구간 2 검사체적의 끝부분 가시도 예측값K vief (n+1) 및 수직환기갱 배출부(30)의 입구 부분(30a)의 가시도 예측값K vif (n+1)은다음과 같이 얻어지게 된다.
이러한 가시도 예측값K vif (n+1)과 터널을 통과하는 차량의 평균속도에 따라 달라지게 되는K lim의 차이가 양수라면 집진기 가동에도 불구하고, n+1번째 제어주기에 터널에서 유지되는v r (n)이 부족하다는 의미이며, 음수라면 집진기의 가동에 의해 걸러진 매연의 량이 많아 n+1번째 제어주기에서는 오히려 터널 내부의 풍속을 감소시켜도 가능하다는 의미를 갖는다.
수직환기갱 배출부 입구 부분의 가시도를 유도함에 있어서 새로운 터널 내부 속도v r (n+1)에 대하여 직접 유도하고 이를 풀면 더욱 정확한 값을 얻을 수 있으나, 수직환기갱 입구부분의 가시도까지 계산을 하게되면 유도된 식은 분자 분모 모두가 터널 내부속도에 대한 고차방정식이 되어 해를 구할 수 있다는 보장이 없고 설사 해를 구할 수 있다하더라도 이를 컴퓨터로 계산하는 데에 많은 시간을 허비하게 되며, 많은 경계조건들을 고려하여 다음 제어주기에 해당하는 엄밀해를 찾아내어야 하는 작업이 뒤따르게 된다.
이러한 과정을 단순화시키기고 이에 해당하는 근사해를 간단한 방법으로 구하기 위해 구간 2에서 다음 제어주기동안 유지해야할 풍속을 구하기로 한다.
상술한 바로부터, 구간 2에서 n+1번째 제어주기동안 터널내의 풍속을v r (n)으로 유지했을 때 각 지점에서의 가시도K vief (n+1),K vif (n+1) 및K co 1 f (n+1)의 값을 알고 있으나, 이하에서는 수직환기갱 부근의 가시도K vif (n+1)이K lim과 달라 새로운v r (n+1)을 구하는 방법을 제시한다.
도 4는 전방 집진기에서 수직환기갱까지의 내부 풍속변화에 따른 가시도 변화를 나타내는 그래프이다.
여기에서 CO농도에 의한 환기량을 결정할 때와 마찬가지로 집진기 이후의 가시도 구배가 풍속의 변화에 관계없이 동일한 기울기를 갖는다고 가정하면 새로운v r (n+1)에 의해 구간 2의 검사체적은 도 4에서 하단부에 짙은 직선으로 나타낸 매연농도의 분포를 갖는다고 할 수 있다.
이로부터 집진기 배출구 부분의 새로운 가시도K co 1 n (n+1)과 직선의 기울기m 2를 구할 수 있다.
따라서, n+1번째 제어주기에서 집진기를 가동한 상태에서 터널의 풍속을v onc 1 r (n+1)m/s로 유지시킬 때 구간 2에서 터널의 변위L x 에 따른 가시도K x 는 다음과 같이 표현된다.
상기 식으로부터 새로운 터널 내부 풍속v r (n+1)을 유지할 경우 구간 2의 검사체적 끝면에서의 새로운 가시도K vien (n+1)을 얻을 수 있다.
따라서, 집진기가 가동되는 상태의 새로운 터널의 풍속v onc 1 r (n+1)을 구하면 다음과 같다.
터널 후반부의 오염농도를 결정하기 위하여 터널 전반부에서 집진기의 가동여부에 따라 결정된 새로운 터널 내부 기류속도v offc 1 r (n+1) 및v onc 1 r (n+1)을 모두v r (n+1)로 놓기로 하며, 새로운 터널 내부 기류속도v r (n+1)에 의해 n+1번째 제어주기가 끝나는 시점에서 터널 전반부 각 지점의 예상 가시도를 같은 방법으로 모두 구할 수 있다.
이로부터 터널 후반부 즉, 구간 3과 구간 4에 대하여 새로운 기류속도v r (n+1)을 이용하여 각 구간별 주요지점의 가시도들을 예측할 수 있다.
전기 집진기를 가동하지 않았을 때 터널 전반부에서 터널 후반부로 이송되는 매연량SM offc 123(n+1)은 다음과 같이 구해진다.
또한, 전기집진기를 가동했을 때 이송 매연량SM onc 123(n+1)도 다음과 같다.
집진기 가동여부에 의해 구해진 매연 이송량SM offc 123(n+1) 및SM onc 123(n+1)을 모두SM 23(n+1)로 표기하기로 하고 수직환기갱도 내의 기류속도를 n번째 제어주기에서와 같이v v (n)m/s로 유지한다고 가정한다.
그러면, 수직환기갱을 통해서 외부로 방출된 매연의 질량SM v 와 수직환기갱 이후의 구간 3으로 이송된 매연의 질량SM 2 v 3및 수직환기갱 유입부 출구 부근의 가시도K vof (n+1)는 다음과 같다.
더욱, 구간 3과 구간 4사이에 위치한 터널 후반부의 집진기를 가동하지 않는다고 하고 터널 출구부의 가시도K offc 2 cef (n+1)을 예측해 보기로 한다.
먼저, 터널 후반부에 존재하게 되는 매연의 질량SM totv 2(n+1)은 n번째 제어주기의 마지막 순간에 측정된 수직환기갱의 흡입부 출구부분의 가시도K vof (n) 및 터널 출구부분에서 측정된 가시도K cef (n)으로부터 산정되는SM v 2(n)과 n번째 제어주기동안 터널의 후반부를 통과한 차량으로부터 배출된 매연량SM carv 2(n) 및 n+1번째 제어주기동안 터널 전반부로부터 후반부로 순수하게 이송될 매연량SM 2 v 3(n+1)의 합으로 나타나게 된다.
따라서, 터널 후반부에 위치한 전기집진기를 가동하지 않았을 때 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 검사 끝면에서의 가시도K offc 2 ceef (n+1) 및 터널 출구부의 가시도K offc 2 cef (n+1)는 다음과 같다.
이제, 수직환기갱의 갱도 풍속을 새로운 값v v (n+1)로 바꾸어 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 터널 출구부의 가시도를K lim으로 유지시킨다고 하면, 다음과 같은 등식이 성립한다.
위의 등식을 이용하여 새로운 수직환기갱도 내의 풍속v offc 2 v (n+1)을 구해 다음 식에 나타내었다.
새로운 수직환기갱도 내의 풍속v offc 2 v (n+1)와 터널 내부 풍속v r (n+1)이 구해졌으므로 CO농도 예측시와 마찬가지 방법으로 가동해야할 제트팬의 운전대수를구할 수 있다.
이하에 터널 후반부의 구간 3과 구간 4 사이에 위치한 집진기를 가동했을 때에 대하여 살펴보기로 하며, 이때, 수직환기갱도 내의 풍속을v v (n)m/s로 유지한다고 가정한다.
구간 3에서 n+1번째 제어주기동안 처리해야할 매연의 총량은 다음과 같다.
따라서, n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 구간 3 검사 끝면의 가시도K cie 2 f (n+1) 및 후방 집진기 흡입구 부근의 가시도K ci 2 f (n+1)은 다음과 같이 얻어진다.
이후, 각 구간 3 및 구간 4에서 각 지점별 가시도는 식 (44)에서 식 (49)까지에 나타낸 바와 동일하다.
여기에서, 터널 후반부의 집진기가 가동되었을 때 최종적으로 예측된 식(49)의K onc 2 cef (n+1)이K lim으로 유지되기 위해서는 수직환기갱의 갱도 내 기류속도v onc 2 v (n+1)이 새로이 설정되어야 하며, 이를 풀면 다음과 같다.
여기에서R 1은 다음과 같다.
이상, 상술한 수학식들로부터 수직환기갱을 구비한 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도를 예측하는 방법에 대하여 기술하였는 바, 본 발명에 따른 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법은 도 5에 도시한 바와 같이, 차량의 종류, 차량대수, 및 차량의 속도를 측정함으로써 터널을 통과한 차량들이 터널의 전반부를 통과하면서 터널 내부에 방출한 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 구하는 단계(S101)와, 상기 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 이용하여 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 전반부에 존재하는 순수 CO가스 및 매연의 총량을 구하는 단계(S103)와, 상기 터널 입구부 및 출구부의 검사면을 설정하여, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 이동된 검사면 끝부분의 CO가스 및 매연의 농도를 구하는 단계(S105)와, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 부분의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계(S107)와, 상기 수직환기갱을 통하여 배출된 CO가스량 및 매연의 농도를 구하고, 상기 터널 후반부로 이송된 CO가스량 및 매연량을 구하는 단계(S109), 및 상기 각 단계에 의해 구해진 CO가스량과 매연량 및 CO가스농도와 매연농도를 이용하여 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계(S111)를 포함하여 실시됨을 특징으로 한다.
또한, 상기한 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법을 이용하여 본 발명에 따라 종류식 도로터널의 허용오염도 및 허용가시도를 유지하는 방법은 도 6에 도시한 바와 같이, 차량의 종류, 차량대수, 및 차량의 속도를 측정함으로써 터널을 통과한 차량들이 터널의 전반부를 통과하면서 터널 내부에 방출한 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 구하는 단계(S201), 상기 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 이용하여 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 전반부에 존재하는 순수 CO가스 및 매연의 총량을 구하는 단계(S203), 상기 터널 입구부 및 출구부의 검사면을 설정하여, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 이동된 검사면 끝부분의 CO가스 및 매연의 농도를 구하는 단계(S205), 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 부분의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계(S207), 상기 수직환기갱을 통하여 배출된 CO가스량 및 매연의 농도를 구하고, 상기 터널 후반부로 이송된 CO가스량 및 매연량을 구하는 단계(S209), 상기 각 단계에 의해 구해진 CO가스량과 매연량 및 CO가스농도와 매연농도를 이용하여 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계(S211), 상기 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 일정하게 유지하도록 하는 터널 내부 풍속을 구하는 단계(S213), 및 상기 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 일정하게 유지하기 위하여 제트팬을 구동하여 터널 내부의 풍속을 조절하고, 축류팬을 구동하여 수직환기갱의 풍속을 조절하는 단계(S215)를 포함하여 실시되는 것을 특징으로 한다.또한, 상기 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법을 이용하여 본 발명에 따라 종류식 도로터널의 허용오염도 및 허용가시도를 유지하는 방법에 터널내부의 매연농도를 허용치 이하로 유지하기 위하여 터널내부에 설치된 집진기를 가동하는 단계를 더 포함하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종류식 터널 내부를 세부 구간으로 분리하여 각 구간에서의 CO농도 및 매연농도를 예측하고 이를 허용되는 수준으로 유지하도록 하는 터널내부의 풍속을 결정하므로써, 터널 내부의 허용오염도 및 허용가시도를 유지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 수직환기갱을 구비한 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법으로서,
    차량의 종류, 차량대수, 및 차량의 속도를 측정함으로써 터널을 통과하는 차량들이 터널의 전반부를 통과하면서 터널 내부에 방출한 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 구하는 단계,
    상기 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 이용하여 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 전반부에 존재하는 순수 CO가스 및 매연의 총량을 구하는 단계,
    상기 터널 입구부 및 출구부의 검사면을 설정하여, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 이동된 검사면 끝부분의 CO가스 및 매연의 농도를 구하는 단계,
    상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 부분의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계,
    상기 수직환기갱을 통하여 배출된 CO가스량 및 매연의 농도를 구하는 단계,
    상기 터널 후반부로 이송된 CO가스량 및 매연량을 구하는 단계, 및
    상기 각 단계에 의해 구해진 CO가스량과 매연량 및 CO가스농도와 매연농도를 이용하여 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 종류식 도로터널의 오염도 및 가시도 예측방법.
  2. 수직환기갱과 전기집진기 및 제트팬을 구비한 종류식 도로터널의 허용오염도 및 허용가시도 유지방법으로서,
    차량의 종류, 차량대수, 및 차량의 속도를 측정함으로써 상기 터널을 통과한 차량들이 터널의 전반부를 통과하면서 터널 내부에 방출한 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 구하는 단계,
    상기 순수 CO가스량 및 매연의 질량을 이용하여 n+1번째 제어주기가 시작되는 순간 터널 전반부에 존재하는 순수 CO가스 및 매연의 총량을 구하는 단계,
    상기 터널 입구부 및 출구부의 검사면을 설정하여, 상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 이동된 검사면 끝부분의 CO가스 및 매연의 농도를 구하는 단계,
    상기 n+1번째 제어주기가 끝나는 순간 수직환기갱 부분의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계,
    상기 수직환기갱을 통하여 배출된 CO가스량 및 매연의 농도를 구하는 단계,
    상기 터널 후반부로 이송된 CO가스량 및 매연량을 구하는 단계,
    상기 각 단계에 의해 구해진 CO가스량과 매연량 및 CO가스농도와 매연농도를 이용하여 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 구하는 단계,
    상기 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 일정하게 유지하도록 하는 터널 내부 풍속을 구하는 단계, 및
    상기 터널 출구부로부터 일정거리의 CO가스농도 및 매연농도를 일정하게 유지하도록 하기 위하여 제트팬을 구동하여 터널 내부의 풍속을 조절하고, 축류팬을 구동하여 수직환기갱의 풍속을 조절하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 종류식 도로터널의 허용오염도 및 허용가시도 유지방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    터널내부의 매연농도를 허용치 이하로 유지하기 위하여 터널내부에 설치된 집진기를 가동하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 종류식 도로터널의 허용오염도 및 허용가시도 유지방법.
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