KR20120010390A

KR20120010390A - 능동제어형 선택집중배기 환기시스템

Info

Publication number: KR20120010390A
Application number: KR1020100071889A
Authority: KR
Inventors: 이호석
Original assignee: (주)비엔텍아이엔씨
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-02-03
Also published as: KR101191592B1

Abstract

본 발명은 장대터널 건설에 따른 터널의 굴착단면을 최소화하고 환기구의 설치개소를 줄임으로서 공사비와 유지관리비를 절감하고, 터널내 화재시의 안전성을 동시에 확보함으로서 쾌적하고 안전한 능동제어형 선택집중배기 환기시스템을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 구체적인 수단은, 터널의 입구측에 설치되어 있는 하나 이상의 환기용 제트팬; 터널의 출구측에 설치되어 역방향 기류를 형성시키는 하나 이상의 밸런스제어용 제트팬; 환기용 제트팬과 밸런스제어용 제트팬과의 사이 구간에 설치되고, 일정 간격마다 개폐 가능한 댐퍼를 갖는 배연덕트; 터널 입구측에서 유입되는 교통환기와 터널 출구측에서 유입되는 외부자연풍이 합류되는 위치에 설치되고 배연덕트에 연결되어 집중배기 및 화재시 배연기능을 가지는 집중배기용 환기구; 및 집중배기용 환기구에 설치된 배기팬을 포함하여, 배기팬 및 환기용 제트팬에 연동하여 밸런스제어용 제트팬을 선택적으로 가동시켜 터널 내의 집중배기용 환기구의 양쪽 구간의 압력밸런스 조정이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

능동제어형 선택집중배기 환기시스템{Selective point extraction ventilation system applied to active control}

본 발명은 강제환기를 적용하는 연장 1.0km 이상의 일방향 도로터널 및 지하차도에 적용하는 환기시스템에 관한 것으로, 특히 기존의 환기구를 이용한 집중배기시스템의 단점을 보완하고, 터널 연장의 장대화에 대응하여 환기 및 화재 배연에 능동적으로 집중배기가 가능한 환기시스템에 관한 것이다.

현재 일방향 도로터널의 환기방식으로는 제트팬 종류식이 가장 널리 이용되고 있으며, 이외에 수직갱 환기방식이나, 횡류 환기방식 등이 사용되고 있다.

가장 널리 사용되고 있는 제트팬 종류식은 터널 내에서 차량에 의해 발생되는 오염물질을 전량 출구로 배출하기 때문에 출구 부근의 대기환경이 악화되는 단점이 있으며, 화재시 터널 자체를 연기배출통로로 활용하게 된다. 이러한 이유로 지?정체가 빈번하게 발생하는 도심터널에서는 오염물질의 분산배출을 위하여 집중배기 환기시스템을 채택하는 경우가 있다.

집중배기 환기시스템은 오염물질의 분산 및 배출 효과가 크지만, 터널의 풍량 제어를 환기구에 모두 의존하기 때문에 환기구의 크기가 커지고, 위치선정이 자유롭지 못한 단점이 있어 여러 가지 잇점에도 불구하고 널리 사용되지 못하고 있다.

또한 터널의 화재시에는 터널을 배연 통로로 활용하는 종류 환기방식의 경우, 배연 경로 내에 있는 피난자의 안전이 위협받게 되는 단점이 있어, 터널의 상부에 배연덕트를 설치하는 예가 있으나, 이 경우에는 평상시의 활용성이 크게 저하되어 시설의 경제성 측면에서 불리하다.

기존의 집중배기 시스템의 경우, 터널의 환기시스템은 집중배기 환기구에 축류팬만 설치하거나, 터널 내 환기는 제트팬에 의존하고, 집중배기 환기시스템은 오염물질을 분산배출하기 위한 용도로 사용하는 경우밖에 없었다.

일반적인 집중배기방식은 집중배기용 환기구가 터널의 출구부쪽에 가깝게 설치되는데, 터널이 길어지는 경우 터널 입구측에서 집중배기용 환기구 사이의 제1 구간의 오염농도가 급상승하게 되므로 제1 구간에 대한 신선공기 유입량을 증가시켜야 한다.

이 경우 압력밸런스에 의하여 집중배기용 환기구에서 터널 출구측 사이의 제2 구간으로 유입되는 풍량도 동일한 비율로 증가하게 되므로 상대적으로 소요환기량이 적은 제2 구간에 대하여 과급현상이 발생된다. 즉, 제1 구간의 적정환기를 위하여 제2 구간에 불필요한 공기를 공급하게 되고, 이는 장비용량의 과대화 및 운전동력의 상승을 초래하게 된다.

최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제트팬을 병용설치하는 시스템이 개발되었는데, 이 시스템은 실질적으로 평상시에는 제트팬 환기시스템과 동일한 방식으로 운전되고, 여기에 외부오염농도제어를 위하여 집중배기용 환기구를 부가적으로 가동시키는 방식으로 평상시 운전동력비는 절감될 수 있으나, 환기설비와 관련된 공사비는 오히려 증가되는 단점이 있다.

또한, 상기의 집중배기방식과 제트팬 병용방식은 모두 터널의 연장이 2km ~ 3km 미만인 터널에 적용이 가능하며, 그 이상의 길이로 장대화되는 경우에는 설비용량이 비현실적으로 증가하게 되어 실제적인 시스템의 적용범위가 매우 협소해진다.

또한, 상기의 방식은 모두 화재시에는 터널 자체를 배연풍도로 이용하므로 화재지점의 전방에 위치한 승객이 화재연기에 노출되어 질식할 수 있는 문제점이 있다.

이 때문에 최근에는 전용의 배연풍도를 터널의 상부에 설치하여 화재시 연기를 배출하는 시스템이 개발되어 사용되고 있다.

이러한 시스템은 터널 내 환기는 제트팬으로, 터널 외부의 오염물질제어는 축류팬으로, 화재시에는 배연풍도를 이용하는 개별방식으로 각각 3원화됨으로써 비용과 운영측면에서 불합리한 단점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 장대터널 건설에 따른 터널의 굴착 단면을 최소화하고 환기구의 설치 개소를 줄임으로써 공사비와 유지관리비를 절감하고, 터널 내 화재시의 안전성을 동시에 확보함으로써 쾌적하고 안전한 능동제어형 선택집중배기 환기시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

터널의 입구측에 설치되어 있는 하나 이상의 환기용 제트팬;

터널의 출구측에 설치되어 역방향 기류를 형성시키는 하나 이상의 밸런스제어용 제트팬;

환기용 제트팬과 밸런스제어용 제트팬과의 사이 구간에 설치되고, 일정 간격마다 개폐 가능한 댐퍼를 갖는 배연덕트;

터널 입구측에서 유입되는 교통환기와 터널 출구측에서 유입되는 외부자연풍이 합류되는 위치에 설치되고 배연덕트에 연결되어 집중배기 및 화재시 배연기능을 가지는 집중배기용 환기구; 및

집중배기용 환기구에 설치된 배기팬을 포함하여,

배기팬 및 환기용 제트팬에 연동하여 밸런스제어용 제트팬을 선택적으로 가동시켜 터널 내의 집중배기용 환기구의 양쪽 구간의 압력밸런스 조정이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면,

터널의 입구측 급기를 위해 배연덕트에 급기구가 더 설치된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면,

집중배기용 환기구를 기준으로 분할된 터널의 제1,2 구간의 상호 압력이 동일해질 때까지만 밸런스제어용 제트팬을 가동시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면,

터널 내의 교통 속도 또는 교통량에 따라 지체, 중간속도, 원활로 각기 구분하고;

지체시 환기용 제트팬, 밸런스제어용 제트팬 및 배기팬을 모두 가동시켜 집중배기용 환기구로 환기를 수행하고;

중간속도시 밸런스제어용 제트팬을 정지시키고, 환기용 제트팬과 배기팬을 가동시켜 집중배기용 환기구로 환기를 수행하고;

원활시 환기용 제트팬과 밸런스제어용 제트팬을 정지시키고, 배기팬의 가동과 교통환기력에 의해 환기를 선택적으로 수행시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따르면,

터널 내 화재를 초기시와 대형화재시로 구분하고;

초기시 화재 발생장소에서 가장 가까운 댐퍼를 개방시켜 배연덕트를 통해 집중배기용 환기구로 배출시키고;

대형 화재시 집중배기용 환기구에 가장 가까운 댐퍼를 개방시켜 차량 진행 방향으로 배연을 유도한 후 집중배기용 환기구로 배출시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 집중배기용 환기구에 의해 분할 구획되는 터널구간의 상호 압력밸런스를 유지하여 능동적으로 집중환기가 이루어져 기존의 터널에 비하여 본선터널의 단면을 10~15% 절감할 수 있으며, 환기구의 규모를 감소시킬 수 있다.

따라서 단순히 환기설비 공사비만 절감되는 것이 아니라, 터널 굴착비용, 환기구를 설치하는데 필요한 지상면적, 공사비, 환기설비용량의 축소에 따른 전기설비공사비의 축소를 가져올 수 있으며, 운전동력비의 절감 또한 가능하므로 정부재정공사뿐 아니라 사업성이 중시되는 민간투자사업에 대한 경제성 확보에도 매우 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동제어형 선택집중배기 환기시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 시스템에 있어 터널의 집중배기용 환기구에 의해 분할된 구간의 압력밸런스를 통환 환기제어흐름도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동제어형 선택집중배기 환기시스템의 구성도.
도 4는 본 발명의 환기시스템의 운영방식을 터널내 교통량에 따라 구분하여 나타낸 도표.
도 5는 본 발명의 환기시스템을 이용한 초기 화재시의 배연 및 제연 개념도.
도 6은 본 발명의 환기시스템을 이용한 대형 화재시의 배연 및 제연 개념도.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 능동제어형 선택집중배기 환기시스템 구성도가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에서와 같이 터널(T)의 입구측에는 신선공기(P_j1)를 유입시키기 위한 하나 이상의 환기용 제트팬(10)이 설치되고, 터널(T)의 출구측에는 역방향 기류(P_j2)를 형성시켜 압력밸런스를 유지시키는 하나 이상의 밸런스제어용 제트팬(12)이 설치되어 있다.

이때 환기용 제트팬(10)과 밸런스제어용 제트팬(12)의 설치 대수는 환기 용량이나 터널의 단면 크기에 따라 증감될 수 있다.

환기용 제트팬(10)과 밸런스제어용 제트팬(12)과의 사이 구간에는 배연덕트(14)가 설치되어 있다. 배연덕트(14)는 평상시에 교통상황(교통량 또는 교통속도)에 따른 집중배기용도로 사용되고 화재시에 화재연기의 배출을 위한 용도로 사용된다. 배연덕트(14)에는 일정 간격마다 개폐 가능한 댐퍼(14a)가 설치되어 있다.

배연덕트(14)에는 집중배기용 환기구(16)가 연결되어 있다. 이때 집중배기용 환기구(16)의 연결위치는 터널(T) 입구측에서 유입되는 교통환기와 터널(T) 출구측에서 유입되는 외부자연풍(P_m)이 합류되는 중성점(O)에 설정된다. 따라서 터널(T)은 중성점을 기준으로 제1 구간(L₁)과 제2 구간(L₂)으로 나누어 볼 수 있다. 집중배기용 환기구(16)에는 배기력을 발생시키기 위한 배기팬(18)이 설치되어 있다. 이때 배기팬(18)은 축류형 송풍기가 될 수 있다.

이같이 본 발명의 일 실시예는 터널(T)의 양측에 각기 환기용 제트팬(10)과 밸런스제어용 제트팬(12)이 설치되어 제1 구간(L₁)과 제2 구간(L₂)의 유량을 독립적으로 제어할 수 있다.

즉, 제1 구간(L₁)의 환기용량이 환기용 제트팬(10)이 부가적으로 처리할 수 있는 환기용량을 넘어서게 되면, 제2 구간(L₂)의 풍량이 증가하게 된다. 이러한 경우에는 제2 구간(L₂)에 설치된 밸런스제어용 제트팬(12)에 의해 기류반대방향으로 저항을 형성시켜 밸런스를 제어하게 된다.

이때 제1 구간(L₁)과 제2 구간(L₂)의 각 압력 산정은 아래 식에 의해 산정될 수 있다.

여기서, P_T3 _:수직갱 밑 부분의 합류후의 전압력

ΔP_G : 터널입구와 수직갱 입구 사이에 존재하는 기상적 압력차

(ΔP_r : 차도내 압력손실, ΔP_t : 교통환기력, ΔP_D : 합류손실, ΔP_MT : 자연풍에 의한 저항)

따라서 L₁, L₂ 구간의 연장, 차량대수 등의 차이에 의해 ΔP₁, ΔP₂ 의 차이가 발생하게 되는 경우(ΔP₁ > ΔP₂ ) 이에 대한 보정을 위해 제트팬 승압력을 이용하게 된다.

수직갱 환기 풍량 증감 및 제트팬 승압력에 따라 ΔP₁, ΔP₂ 가 증감되며, 이에 따라「P₁ ≒ P₂」가 되는 지점을 선정할 수 있다.

따라서 도 2와 같이 제어흐름도를 통해 터널 내의 환기를 수행할 수 있다.

먼저, 터널 내 오염농도가 기준치를 초과할 경우 배기팬(18)을 가동(S20)시켜 터널 내의 오염물질을 배출시키게 된다.

다음, 교통상황에 따라 환기의 필요 여부가 판단(S21)된다. 여기서, 터널내 교통 속도가 원활하여 소요환기량이 필요 없을 경우 배기팬(18)만이 가동하고, 환기용 제트팬(10) 및 밸런스제어용 제트팬(12)은 가동을 하지 않는다.

한편, 교통량의 증가로 지체 현상이 발생되고 오염물질의 농도가 높아져 소요환기량이 필요하다고 판단되면, 환기용 제트팬(10)이 가동(S22)되고 신선공기가 터널 내부로 유입되어 환기가 이루어지게 된다. 이때 집중배기용 환기구(16)를 기준으로 제1 구간(L₁)과 제2 구간(L₂)에 압력차가 발생되면, ΔP₁과 ΔP₂의 값이 일치한지 판단(S23)한 후 ΔP₁ ₌ΔP₂ 가 이루어질 때까지 밸런스제어용 제트팬(12)이 가동하고 오염농도가 기준치 이하로 낮아지고 압력차가 해소되면 환기용 제트팬(10)과 밸런스제어용 제트팬(12)의 가동을 중단한다(S24).

이러한 방법을 적용할 경우 4.5km인 터널에서 제트팬 6대와 배기팬 4대만을 가지고도 모든 상황에 대한 환기적정성을 확보할 수 있다. 또한 환기용 제트팬(10)과 밸런스제어용 제트팬(12)은 선택적으로 온(on)/오프(off) 작동하므로 운전동력비를 절감할 수 있다. 또한 집중배기용 환기구(16)의 설치 개소가 최소화되어 환기소의 지상면적 및 공사비를 줄일 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 도 3과 같이 터널(T)의 연장이 6km 이상으로 길어지거나 터널내의 교통량이 매우 많아 소요환기량이 커지게 될 경우, 터널의 입구측에 가까이 급기구(20)를 추가적으로 구성할 수 있다. 여기서 급기구(20)란 급기력을 발생시키는 급기팬을 포함한다.

이때 급기구(20)의 급기토출 승압력(ΔP_b)은 아래 식에 의해 산정될 수 있다.

여기서,

(ΔP_r : 차도내 압력손실, ΔP_t : 교통환기력, ΔP_D : 합류손실, ΔP_MT : 자연풍에 의한 저항, ΔP_b : 급기토출 승압력)

장대터널에서는 구간별로 교통속도가 다르게 형성되는 경우가 있으므로 지정체가 발생되는 지점에서 배기할 필요성이 있다. 이 경우 도 2, 4와 같이 교통량(또는 교통 속도)에 따라 "지체", "중간 속도", "원활"로 구분하여 제어할 수 있다. 이때 "지체"는 10km/h 이하에서, "중간속도"는 20~30km/h에서, "원활"은 40km/h 이상에서 각기 설정될 수 있다.

따라서 "지체" 제어 단계에서는 환기용 제트팬(10), 밸런스제어용 제트팬(12) 및 배기팬(18)을 모두 가동시켜 집중배기용 환기구(16)로 환기를 수행한다. "중간" 제어 단계에서는 밸런스제어용 제트팬(12)을 정지시키고, 환기용 제트팬(10)과 배기팬(18)만을 가동시켜 집중배기용 환기구(16)로 환기를 수행한다. "원활" 제어 단계에서는 환기용 제트팬(10) 및 밸런스제어용 제트팬(12)을 정지시키고, 배기팬(18)의 가동과 교통환기력에 의해 환기를 수행시킬 수 있다. 다만, "중간" 제어 단계에서 제1, 2 구간 사이에 압력차가 발생할 경우 밸런스 제어용 제트팬(12)을 가동하여 압력차를 해소할 수 있다.

이같이 10km/h 이하의 지체 교통시는 환기용 제트팬(10)과 밸런스제어용 제트팬(12) 및 배기팬(18)을 모두 가동하며, 20~30km/h 주행시는 밸런스제어용 제트팬(10,12)은 정지하고 환기용 제트팬(10)과 배기팬(18)을 가동하여 집중배기 한다. 또한 40km/h 이상 원활 교통시는 배기팬(18)과 교통환기력을 활용하여 환기가 이루어지므로 운영비용을 최소화시킬 수 있다.

다른 한편, 터널내 화재를 최대열방출률(MW)에 근거하여 초기 화재시(20MW)와 대형화재(100MW)를 구분하여 본 시스템을 작동시킬 수 있다.

초기 화재시는 도 5와 같이 화재 발생장소에서 가장 가까운 댐퍼(14a)를 개방시켜 배연덕트(14)를 통해 배기팬(18)의 가동으로 집중배기용 환기구(16)로 배출시킨다. 이때 제트팬(12)의 순방향 기류를 이용하여 화재지점 주변의 연기가 개방작동된 댐퍼(14a)로 집중 배연되도록 유도한다.

대형 화재시는 연기발생량이 배연덕트(14)의 처리용량 한계를 넘어서므로 도 6과 같이 집중배기용 환기구(16)에 가장 가까운 댐퍼(14a)를 개방시켜 차량 진행 방향으로 배연을 유도한 후 집중배기용 환기구(16)로 배출시킬 수 있다. 이때 환기용 제트팬(10)의 환기 기류를 이용하여 개방된 댐퍼(14a)로 화재주변의 연기가 집중 배연되도록 유도한다.

이같이 본 발명은 집중배기용 환기구(16)에 설치된 배기팬(18)과 터널내에 설치된 제트팬(10,12)을 연동제어하여 교통상황에 따라 터널환기 시스템이 운용되어 운전비를 절감할 수 있다.

또한 터널의 연장이 장대화되는 경우에도 제트팬 대신 급기구(20)를 통해 환기를 수행할 수 있다. 또한 화재시 배연덕트(14)를 통하여 신속히 배연시켜 장대 터널에서 화재의 위험성을 줄일 수 있다.

10: 환기용 제트팬
12: 밸런스제어용 제트팬
14: 배연덕트
16: 집중배기용 환기구
18: 배기팬
20: 급기구

Claims

터널의 입구측에 설치되어 있는 하나 이상의 환기용 제트팬;
터널의 출구측에 설치되어 역방향 기류를 형성시키는 하나 이상의 밸런스제어용 제트팬;
환기용 제트팬과 밸런스제어용 제트팬과의 사이 구간에 설치되고, 일정 간격마다 개폐 가능한 댐퍼를 갖는 배연덕트;
터널 입구측에서 유입되는 교통환기와 터널 출구측에서 유입되는 외부자연풍이 합류되는 위치에 설치되고 배연덕트에 연결되어 집중배기 및 화재시 배연기능을 가지는 집중배기용 환기구; 및
집중배기용 환기구에 설치된 배기팬을 포함하여,
배기팬 및 환기용 제트팬에 연동하여 밸런스제어용 제트팬을 선택적으로 가동시켜 터널 내의 집중배기용 환기구의 양쪽 구간의 압력밸런스 조정이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 하는 능동제어형 선택집중배기 환기시스템.
제1 항에 있어서,
터널의 입구측 급기를 위해 배연덕트에 급기구가 더 설치된 것을 특징으로 하는 능동제어형 선택집중배기 환기시스템.
제1 항에 있어서,
집중배기용 환기구를 기준으로 분할된 터널의 제1,2 구간의 상호 압력이 동일해질 때까지만 밸런스제어용 제트팬을 가동시키는 것을 특징으로 하는 능동제어형 선택집중배기 환기시스템.
제1 항에 있어서,
터널 내의 교통 속도 또는 교통량에 따라 지체, 중간속도, 원활로 각기 구분하고;
지체시 환기용 제트팬, 밸런스제어용 제트팬 및 배기팬을 모두 가동시켜 집중배기용 환기구로 환기를 수행하고;
중간속도시 밸런스제어용 제트팬을 정지시키고, 환기용 제트팬과 배기팬을 가동시켜 집중배기용 환기구로 환기를 수행하고;
원활시 환기용 제트팬과 밸런스제어용 제트팬을 정지시키고, 배기팬의 가동과 교통환기력에 의해 환기를 선택적으로 수행시키는 것을 특징으로 하는 능동제어형 선택집중배기 환기시스템.
제1 항에 있어서,
터널 내 화재를 초기시와 대형화재시로 구분하고;
초기시 화재 발생장소에서 가장 가까운 댐퍼를 개방시켜 배연덕트를 통해 집중배기용 환기구로 배출시키고;
대형 화재시 집중배기용 환기구에 가장 가까운 댐퍼를 개방시켜 차량 진행 방향으로 배연을 유도한 후 집중배기용 환기구로 배출시키는 것을 특징으로 하는 능동제어형 선택집중배기 환기시스템.