KR20110040373A - 터널의 환기 시스템 - Google Patents

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KR20110040373A
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Abstract

본 발명은 터널의 환기 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 터널의 환기 시스템은 차량이 운행되는 터널의 내부공기를 순환시키는 터널의 환기 시스템에 있어서, 외부로부터 공기를 유입하기 위하여 상기 터널 내부에 배치되는 유입구; 상기 터널의 내부공기를 외부로 배출하기 위하여 상기 유입구로부터 차량의 진행방향으로 이격되게 배치되는 배기구; 상기 차량 진행방향을 따라 상기 배기구의 후방에 설치되고, 공기를 분사 또는 흡입함으로써 상기 내부공기를 배기구 측으로 유도시키는 제1노즐부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 환기 성능이 향상되는 터널의 환기 시스템이 제공된다.
지하철, 플랫폼, 터널, 에어커튼, 분사, 흡입, 압축공기, 환기, 오염물질

Description

터널의 환기 시스템 {system for tunnel ventilation}
본 발명은 터널의 환기 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터널 내의 오염물질 원활한 배출을 통하여 환기 효율을 증가시킬 수 있는 터널의 환기 시스템에 관한 것이다.
기차, 자동차, 지하철등이 운행하는 터널의 내부는 밀폐된 공간으로 인하여 공기 순환이 자유롭지 못하므로 배출되는 오염물질을 제거하는 것이 용이하지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 동력을 이용하여 오염물질을 강제로 배기하고 있는 실정이다.
즉, 터널 내에 강제 송풍기를 구비한 유입구와 배기구를 배치하여, 오염물질을 포함하고 터널 내부의 공기를 외부로 배출시키는 동시에 외부의 맑은 공기를 터널 내부로 유입시킴으로서 터널 내부를 강제 환기시키고 있다.
도 1은 종래의 유입구와 배기구가 설치된 터널의 환기 시스템(10)을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 송풍기에 의하여 유입구(12)로 강제 유입된 공기가 터널(11) 내의 내부공기로 합류하여 분진, 먼지 등의 악성물질을 수용하여 배기구(13)를 통해 100% 배출되어야만 이상적인 터널(11) 내의 환기가 이루어진다.
그러나, 종래 터널의 환기 시스템(10)은 터널 내에서 기차, 자동차, 지하철 등 차량의 운행시에 유도되는 바람의 영향으로 인하여 유입되는 공기의 20%만이 외부로 배출되고 나머지 80%는 배출되지 못하여 터널(11) 내부에 장기간 머무르게 되는 등 효율적인 환기 시스템 운영에 어려움이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 차량에 의해서 유도되는 바람의 영향을 받지 않음으로써 성능을 향상시킬 수 있는 터널의 환기 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 차량이 운행되는 터널의 내부공기를 순환시키는 터널의 환기 시스템에 있어서, 외부로부터 공기를 유입하기 위하여 상기 터널 내부에 배치되는 유입구; 상기 터널의 내부공기를 외부로 배출하기 위하여 상기 유입구로부터 차량의 진행방향으로 이격되게 배치되는 배기구; 상기 차량 진행방향을 따라 상기 배기구의 후방에 설치되고, 공기를 분사 또는 흡입함으로써 상기 내부공기를 배기구 측으로 유도시키는 제1노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널의 환기 시스템에 의해 달성된다.
또한, 상기 제1노즐부가 설치되는 면과 마주보는 면에 설치되어 공기를 분사함으로써 상기 내부공기의 흐름을 상기 배기구 측으로 유도하는 제2노즐부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2노즐부는, 상기 제1노즐부의 수직하방에 설치될 수 있다.
또한, 상기 차량 진행방향을 따라 상기 유입구의 전방에 설치되고, 공기를 분사 또는 흡입함으로써 상기 유입구에서 유입되는 유입공기가 상기 내부공기와 합류하도록 유도하는 제3노즐부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1노즐부는, 상기 제1노즐부로부터 수직 하방으로 연장된 가상의 수직선과 20˚내지 40˚를 형성하며 공기를 분사할 수 있다.
본 발명에 따르면, 내부공기를 배기구로 유도할 수 있는 터널의 환기 시스템이 제공된다.
또한, 노즐을 양면에 부착하여 환기성능을 증가시킬 수 있다.
또한, 양면의 노즐을 서로 대칭이 되도록 설치하여 차량에 의하여 유도되는 바람의 영향을 줄일 수 있다.
또한, 유입구 측에 노즐을 설치하여 외부 유입되는 공기가 내부공기와 합류할 수 있도록 한다.
또한, 제1노즐의 공기 분사각도를 변화시킴으로써 내부공기의 흐름을 원하는 경로로 용이하게 변화시킬 수 있다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 터널의 환기 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 터널의 환기 시스템의 개략적인 구조 및 명칭을 설명한 것 이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 환기 시스템을 개략적으로 도시한 것이다,
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 터널의 환기 시스템은 유입구(111)와, 배기구(112)와, 제1노즐부(130)를 포함한다.
상기 유입구(111)는 터널(110)내부의 천장면에 설치된다. 유입구(111)는 터널(110) 외부로부터 맑은 공기를 흡입하여 터널(110) 내부에 분출하는 장치로서 사각형 단면의 에어덕트가 터널(110)의 외부에서부터 터널(110) 내부까지 연결되어 있고, 외부쪽 에어덕트의 단부에는 강제 송풍기가 부착되어 외부공기를 강제로 내부에 불어넣는 방식을 이용할 수 있다.
상기 배기구(112)는 터널(110)의 천장면에 유입구(111)로부터 차량(113)의 진행방향(d)으로 이격되게 설치된다. 배기구(112)는 터널(110)의 내부공기를 외부로 배출하는 장치로서, 사각형 단면의 에어덕트가 터널(110)의 내부에서부터 터널(110) 외부에까지 연결되어 있고, 외부쪽 에어덕트의 단부에 강제 송풍기가 부착되어 내부공기를 강제로 외부에 배기시키는 것이 바람직하다.
또한 유입구(111)와 배기구(112)에 구비된 강제 송풍기는 내부 임펠러(impeller)를 정회전 또는 역회전을 시킴으로써 차량(113)이 진행하는 방향에 대응하여 선택적으로 송풍방향을 변경할 수 있으며, 장비의 재설치 없이 유입구(111)와 배기구(112)의 역할을 바꿀 수도 있다.
상기 제1노즐부(130)는 배기구(112)가 설치된 천장면에 설치되되, 차량(113) 진행방향(d)을 따라 배기구(112)의 후방에 밀착되게 설치된다. 제1노즐부(130)는 압축기를 이용하여 공기를 압축시켜 천장면과 수직을 이루며 하방으로 분사시킴으로써 에어커튼(air curtain)을 형성하도록 한다.
이때, 분사되는 공기의 속도는 적용되는 압축기 사용에 있어서 경제적으로 생산성이 있는 5m/s 내지 30m/s으로 하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지는 않는다.
다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 터널의 환기 시스템에 대하여 설명한다.
도 4은 본 발명의 제2실시예에 따른 환기 시스템을 개략적으로 도시한 것이다,
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 터널의 환기 시스템은 유입구(111)와, 배기구(112)와, 제1노즐부(130)와, 제2노즐부(140)와, 제3노즐부(150)를 포함한다.
상기 유입구(111)와, 상기 배기구(112)와, 상기 제1노즐부(130)는 본 발명의 제1실시예에 따른 터널의 환기 시스템과 동일한 구성으로 동일한 위치에 설치되므로 중복 설명은 생략한다.
상기 제2노즐부(140)는, 제1노즐부(130)에서부터 제1노즐부(130)로부터 수직 하방의 바닥면에 설치되고, 압축공기를 제1노즐부(130) 측 수직 상방으로 분사한다.
상기 제3노즐부(150)는, 차량(113) 진행방향(d)을 따라 유입구(111)의 전방 에 밀착되게 설치된다. 또한, 제3노즐부(150)는 압축기를 이용하여 공기를 압축시켜 천장면과 수직을 이루며 하방으로 분사시킴으로써 에어커튼(air-curtain)을 형성한다.
다음으로, 본 발명의 제3실시예에 따른 터널의 환기 시스템에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 환기 시스템을 개략적으로 도시한 것이다,
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 터널의 환기 시스템은 유입구(111)와, 배기구(112)와, 제1노즐부(130)와, 제2노즐부(140)를 포함한다.
유입구(111)와, 배기구(112)는 본 발명의 제1실시예에 따른 터널의 환기 시스템과 동일한 구성으로 동일한 위치에 설치되므로 중복 설명은 생략한다.
상기 제1노즐부(130)는, 상술한 제1실시예와 동일한 위치에 설치된다. 한편, 제1노즐부(130)로부터 수직 하방으로 연장된 가상의 수직선과 제1노즐부(130)에서 분사되는 압축공기가 이루는 각도를 분사각도(θn)이라 정의하고, 본 실시예에서의 제노즐부(130)의 분사각도(θn)는 30˚로 한다.
상기 제2노즐부(140)는, 바닥면에 제1노즐부(130)와 대향되게 설치된다. 또한, 제1노즐부(130)에서 하방으로 연장한 가상의 수직선과 바닥면이 만나는 점에서부터 차량(113)의 진행방향(d)의 반대방향으로 이격되는 간격을 이격간격(b)으로 정의하며, 제2노즐부(140)의 이격간격(b)은 0 미터 내지 4 미터의 범위 내에서 설 정한다. 또한, 제2노즐부(140)는 수직 상방으로 압축공기를 분사하여, 제2노즐부(140)는 제1노즐부(130)의 공기 분사방향과 30˚를 형성하며 공기를 분사한다.
이하, 상술한 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에 따른 터널의 환기시스템의 환기 과정을 설명한다.
유입구(111)에서는 송풍기를 이용하여 외부공기를 유입한다. 이때, 열차, 자동차 등의 차량(113)이 터널 내에서 빠른 속도로 운행함에 따라 발생하는 바람의 영향을 제3노즐부(150)의 분사공기가 막아줌으로써 유입구(111)에서 유입되는 외부공기가 내부공기와 합류하도록 한다. 외부에서 유입된 공기와 합류한 내부공기는 제1노즐부(130) 및 제2노즐부(140)를 통하여 차량(113)이 유도하는 바람의 영향을 받지 않고 배기구(112)를 통하여 외부로 배출되며 높은 효율의 환기가 이루어진다.
이하, 상술한 터널의 환기 시스템의 작동성능을 검증하기 위한 수치해석의 결과를 후술한다. 수치해석시의 계산영역과 경계조건(boundary condition)은, 차량(113)의 운행으로 인하여 유도되는 바람의 속도는 5 m/s으로 설정하고, 제1노즐부(130) 및 제2노즐부(140)에서 분사되는 압축공기의 속도는 20 m/s이 되도록 설정하고, 터널(110)의 길이(l)는 50m, 터널(110)의 폭(w)은 3.6m, 터널(110)의 높이(h)는 5.5m 로 설정한다.
한편, 본 수치해석에서의 배기구는 무동력의 자연배기를 이용하는 것으로 설정한다.
먼저, 배기구(112)의 후방에 제1노즐부(130)가 설치되는 경우를 u1 이라 정의하고, 제1노즐부(130)의 수직 하방의 바닥면에 제2노즐부(140)가 설치되는 경우를 b1 이라 정의하고, 제2노즐부(140)의 이격간격(b)이 2 미터인 경우를 b2 라 정의하고, 제2노즐부(140)의 이격간격(b)이 4 미터인 경우를 b3 라 정의하여, 각 경우에 대해서 수치해석을 수행하며, 하기의 [표 1] 는 각 케이스에 관하여 수치해석한 결과를 정리한 것이다.
한편, 내부공기의 양을 Qin 이라 하고, 배기구에 의해 배기되는 양을 Qout 이라 하면, 환기효율(η)은 η= 배기구를 통한 배기량(Qout) / 내부공기량(Qin)으로 정의하고, 하기의 [표 1]에서는 내부공기 중에 배기구(112)를 통하여 외부로 배기되는 공기량의 비를 통하여 터널의 환기 시스템의 성능을 검토한다.
도 6a 내지 도 6f는 [표 1]의 각 경우의 수치해석 결과상의 유선(streamline)을 도시한 것으로, 도 6a는 u1의 경우, 도 6b는 b1의 경우, 도 6c는 b2의 경우, 도 6d는 b3의 경우, 도 6e는 u1 과 b3를 조합한 경우, 도 6f는 u1(분사각도(θn)=30˚) 와 b3를 조합한 경우의 수치해석 결과상의 유선을 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6f 를 참조하면, 각 경우에 제1노즐부(130) 및 제2노즐부(140)에서 분사되는 압축공기의 영향으로 인하여 내부공기의 유선(streamline)이 배기구(112) 쪽으로 유도되어 종래의 노즐부가 설치되지 않은 경우에 비하여 향상되는 환기효율(η)을 보인다
또한, 제1노즐부(130)만 설치했을 때보다는 제1노즐부(130)와 제2노즐 부(140)를 동시에 작동시키는 경우(u1 & b3)에 높은 환기효율을 발휘하며, 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)를 30˚로 고정하는 경우(u1(θn = 30˚) & b3)에는 더욱 향상된 환기효율을 보인다.
노즐부의 위치 u1 b1 b2 b3 u1 & b3 u1(θn=30˚) & b3
Qout[m3/s] 3.96 3.03 1.94 0.28 4.16 5.74
η(%) 7.99 6.12 3.92 0.56 8.40 11.59
하기의 [표 2]는 [표 1]의 해석을 바탕으로 천장에 제1노즐부(130)와 바닥면에 제2노즐부(140)를 동시에 설치하여 작동시키되(u1 & b3), 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)에 변화를 주어 분사각도(θn)가 환기효율(η)에 미치는 관계에 관해 수치해석한 결과를 정리한 것이다. 각각은 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)를 각각 10˚, 20˚, 30˚, 40˚로 설정하여 계산하였다.
터널(110) 하부의 제2노즐부(140)의 공기분사에 의하여 내부공기의 유동이 터널(110)의 상층부로 이동하게 되며, 상기 배기구 하류 지점에 형성되는 제1노즐부(130)의 분사공기에 의해 내부공기의 배기량이 증가한다.
제1노즐부(130)의 분사각도(θn)가 증가함에 따라 환기효율(η)이 증가하고 있으나, 분사각도(θn)가 40˚에서는 다시 감소한다.
분사각도(θn) 10˚ 20˚ 30˚ 40˚
Qout[m3/s] 4.59
 5.21 5.74 5.13
η(%) 9.27 10.53 11.59 10.36
도 7a 내지 도 7d는 [표 2]의 각 경우의 수치해석 결과상의 유선을 도시한 것으로, 도 7a는 u1(θn=10˚)과 b3을 조합하는 경우, 도 7b는 u1(θn=20˚)과 b3을 조합하는 경우, 도 7c는 u1(θn=30˚)과 b3을 조합하는 경우, 도 7d는 u1(θn=40˚)과 b3을 조합하는 경우의 수치해석 결과상의 유선을 도시한 것이다.
상기의 [표 2] 에서 분사각도(θn)가 증가할수록 환기효율이 증가하는 경향을 보이다가 30˚에서의 환기효율(η)이 최대가 되며, 분사각도가 30˚를 넘어서게 되면 환기효율(η)은 감소한다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 이와 같은 결과는, 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)가 30˚인 경우에는 제1노즐부(130)와 제2노즐부(140)의 공기 분사에 의하여 형성된 에어커튼이 차량에 의하여 유도되는 바람의 저항으로 작용하여 내부공기가 배기구(112)로 배출되는 양을 증가시키는 역할을 하기 때문이다.
반면에, 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)가 10˚ 및 40˚인 경우에는 제1노즐부(130)의 분사공기에 의해 형성되는 에어커튼이 배기구(112)로 향하는 내부공기의 유동에 대해서도 저항체 역할을 하기 때문에 배기량은 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)가 30˚인 경우보다 감소한다
결국, 환기효율(η)은 제1노즐부(130)의 분사각도(θn)에 비례하여 증가하다가 30˚를 최대점으로 하여 다시 감소된다. 다만, 제1노즐부(130)의 공기 분사각도(θn)는 각 노즐부의 위치, 공기 분사속도, 터널 내부의 크기, 운행되는 차량(113)에 의해 유도되는 바람의 세기 등을 고려하여 20˚내지 40˚의 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 유입구의 전방에 설치된 제3노즐부(150)는 압축공기를 분사하여 에어커튼을 형성시킴으로써 유입구(111)에서 유입되는 외부 공기가 내부공기와의 합류를 유도할 수 있도록 차량(113)에 의해 유도되는 바람의 저항체의 역할을 한다.
상술한 수치해석의 데이터는 무동력 자연배기를 경계조건으로 하였으나, 동력을 제공받아 송풍기 등이 설치되는 강제배기인 경우에도 동일한 원리와 작용에 의하여 환기효율(η)은 상승한다. 따라서, 본 발명의 터널의 환기 시스템에 의하면 노즐부를 설치함으로써 효율적, 경제적인 터널의 환기가 가능하다.
또한, 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에 따른 터널의 환기 시스템의 제1노즐부 및 제3노즐부는 공기를 압축하여 분사하는 방식을 이용하여 에어커튼을 형성하고 있으나, 공기를 흡입하는 방식을 이용하여 에어커튼을 형성함으로써 내부공기의 흐름을 유도, 제어할 수 있다. 또한, 제1노즐부 내지 제3노즐부는 상술한 위치에 제한되는 것은 아니고 경제성, 터널의 크기 등의 제반사항을 고려하여 변경될 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
도 1은 종래의 유입구와 배기구가 설치된 터널의 환기 시스템을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 터널의 환기 시스템의 개략적인 구조 및 명칭을 설명한 것이고,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 터널의 환기 시스템의 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 터널의 환기 시스템의 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 터널의 환기 시스템의 개략적으로 도시한 것이고,
도 6a 내지 도 6f는 [표 1]의 각 경우의 수치해석 결과상의 유선(streamline)을 도시한 것으로, 도 6a는 u1의 경우, 도 6b는 b1의 경우, 도 6c는 b2의 경우, 도 6d는 b3의 경우, 도 6e는 u1 과 b3를 조합한 경우, 도 6f는 u1(분사각도=30˚) 와 b3를 조합한 경우의 수치해석 결과상의 유선을 도시한 것이고,
도 7a 내지 도 7d는 [표 2]의 각 경우의 수치해석 결과상의 유선을 도시한 것으로, 도 7a는 u1(분사각도=10˚)과 b3을 조합하는 경우, 도 7b는 u1(분사각도=20˚)과 b3을 조합하는 경우, 도 7c는 u1(분사각도=30˚)과 b3을 조합하는 경우, 도 7d는 u1(분사각도=40˚)과 b3을 조합하는 경우의 수치해석 결과상의 유선을 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 종래 터널의 환기 시스템 h : 터널의 높이
110 : 터널 w : 터널의 폭
111 : 유입구 l : 터널의 길이
112 : 배기구 d : 차량의 진행방향
130 : 제1노즐부 Qin : 내부공기량
140 : 제2노즐부 Qout : 배기구를 통한 배기량
150 : 제3노즐부 θn : 제1노즐부의 분사각도

Claims (5)

  1. 차량이 운행되는 터널의 내부공기를 순환시키는 터널의 환기 시스템에 있어서,
    외부로부터 공기를 유입하기 위하여 상기 터널 내부에 배치되는 유입구;
    상기 터널의 내부공기를 외부로 배출하기 위하여 상기 유입구로부터 차량의 진행방향으로 이격되게 배치되는 배기구;
    상기 차량 진행방향을 따라 상기 배기구의 후방에 설치되고, 공기를 분사 또는 흡입함으로써 상기 내부공기를 배기구 측으로 유도시키는 제1노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널의 환기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1노즐부가 설치되는 면과 마주보는 면에 설치되어 공기를 분사함으로써 상기 내부공기의 흐름을 상기 배기구 측으로 유도하는 제2노즐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널의 환기 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2노즐부는,
    상기 제1노즐부의 수직하방에 설치되는 것을 특징으로 하는 터널의 환기 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차량 진행방향을 따라 상기 유입구의 전방에 설치되고, 공기를 분사 또는 흡입함으로써 상기 유입구에서 유입되는 유입공기가 상기 내부공기와 합류하도록 유도하는 제3노즐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널의 환기 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1노즐부는,
    상기 제1노즐부로부터 수직 하방으로 연장된 가상의 수직선과 20˚내지 40˚를 형성하며 공기를 분사하는 것을 특징으로 하는 터널의 환기 시스템.
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