A Study on the Effective Fire and Smoke Control in Road-Tunnel with Semi-Transverse Ventilation (Oversized Exhaust System)

도로터널 화재시 반횡류식 환기방식에서의 최적배연 연구 ( ^{대배기구 방식} ) A Study on the Effective Fire and Smoke Control in Road-Tunnel

with Semi-Transverse Ventilation (Oversized Exhaust System)

김종윤·전용한* ^†

Jong-Yoon Kim · Yong-Han Jeon

^*

^†

한국소방안전협회

, *

상지영서대학소방안전과

(2009. 5. 6.

접수

/2009. 6. 19.

채택

)

요 약

도로터널의환기시스템은차량화재시안전한대피환경을조성하는데중요한역할을하며종류환기방 식과횡류환기방식으로대별된다

.

^{본연구에서는횡류환기방식에서대배기방식에대한터널내풍속}

,

^배연

풍량

,

^{개방되는배기구의위치에따른유동가시화실험을수행하여연기의이동특성을고찰하였다}

.

^그결

과배연풍량을연기발생량

(Vc = 0)

일때연기를

250m

이내로제한할수있었으며

,

터널풍속이

1.75m/s

와

2.5m/s

일때배연풍량은 각각

173m ³ /s, 236m ³ /s

을 초과하여만연기이동거리가

250m

로 제한할수 있었으며화재지점가까이에있는

2

^{개의배기구를동시에개방하는경우가배연이더잘이루어졌다}

.

ABSTRACT

The smoke control system plays the most important role in securing evacuation environment when a fire occurs in road tunnels. Smoke control methods in road tunnels are classified into two categories which are longitudinal ventilation system and transverse ventilation system. In this study it is intended to review the characteristics of smoke behavior by performing numerical analysis for calculating the optimal smoke exhaust air volume when a fire occurs in tunnels in which transverse ventilation is applied, and for obtaining the basic data required for the design of smoke exhaust systems by deriving optimal smoke exhaust operational conditions for various conditions. As a result of this study, when the critical velocity in the tunnel is 1.75m/s and 2.5m/s, the optimal smoke exhaust air volume has to be more than 173m ³ /s, 236m ³ /s for the distance of the smoke moving which can limit the distance to 250m. In addition, in case of uniform exhaust the generated smoke is effectively taken away if the two exhaust holes near the fire region are opened at the same time.

Keywords :

Transverse ventilation, Oversized exhaust system

1. 서 론

터널은 일반도로에비해 가시거리등에의해사고

율이

40%

이상높으며

,

밀폐구조로서 어둡고 환기가

곤란하여화재발생시 온도상승과함께 유독성 연기에 의한 확산이 제한됨으로인해서 대피환경을열악하게 하여 호흡과 시야장애 및 심리적인 공포감이 초래할 수있고외부와연락이 곤란하여피난및소화·구급 활동이 제약을 받게 되기 때문에 터널에서의 화재는 대형인명피해를유발가능성이아주높다

.

일례로알프스산맥을관통하는몽브랑터널의경우

,

1999

년화재로인해서

39

명의사망자가발생하고경제

적인피해는 총

3

억

9

천

2

백만유로에 달하는것으로 보고되고 있다

.

또한고타드

(Gotthard),

타우언

(Tauern)

터널에발생한화재참사역시많은인명피해및경제 적손실을발생시켰다

. ^1-3)

우리나라 역시

2003

년 홍지문 터널 화재 사고 및

2005

년달성

2

터널사고등

2000

년이후

1800

여건의터 널사고가발생하였다

.

이러한사고들로인해각나라에서는터널안전성향 상을 위한 연구와 기준의 정립 및정비를 위해 많은 노력을 기울이고 있으며

,

국내에서도 터널화재사고의

† E-mail: [email protected]

개연성이크다는것을인식하여터널의방재시설설계 기준의 정비및설계자료의확보를 위한연구의 필요 성이대두되고있는실정이며

,

국내외연구동향은다 음과같다

.

Vauquelin ⁴⁾

등은모형횡류식터널내의열방출률변

화시키며 배기구의위치와형상에 따른배연 효율을 연구하여배기구가천정에 설치한경우가 벽면에있 을경우보다배연효율이높게나타났다

.

Ribot ⁵⁾

은

1999

년자연환기터널에대해수직갱부근

에서 연기의 농도를 영상 이미지에 의한 실험결과와 비교한 결과가잘일치함을보였다

.

또한국내연구에서는김명배등

⁶⁾

은터널의환기설계 에관련하여종류식과횡류식의환기용량의산정을위 해서 필요한 제반 가정들을 검토하였고

,

임계유속산 정을 위한몇가지의공식을분석하여특정 공식을개 선하기위한방안을실험결과를토대로제시하였다

.

하 지만횡류환기방식시스템에서배연시스템설계를위한 개념의 설정이 현재까지는관행적으로 환기용량이결 정되어왔고정확한화재공학적분석이이루어지지않 았다

.

특히 우리나라에서는 종류환기방식이 건축비가 적다는이유로무분별하게종류환기방식을선호하고있다

.

따라서 본연구에서는반횡류방식에서대배기구환 기방식을도입한도로터널에서화재발생시최적배연량 산정을 위해화재시 터널내 풍속

,

배연풍량을 변수로 하여 이들 인자가 연기의 이동특성에 미치는 영향을 연기의 이동거리 측면에서축소모형을 통한가시화실 험을통해검토하고자한다

.

2. 실험장치 및 방법

2.1실험장치

본 연구에서는 대배기 횡류환기방식의 최적배연량 산정을 위해서 모형실험장치를제작하여연기의 가시 화를통해서연기이동거리에대한검토를수행하였다

.

모형터널은실제터널의약

1/41

의축소모형으로총길 이

16m

의반횡류식 배기방식의 터널이며

, Figure 1

에 본연구에서사용된모형터널의단면도를

Table 1

에모 형실험장치제원을나타내었다

.

모형터널의 본체는 강화 아크릴로 제작 하였으며

, 1m

길이의섹션을 연결하여 터널을구성하였다

.

터널 천정덕트는 대배기 방식으로 제작하였으며 배기구의

크기는

73 × 97mm

크기의 배기구를 각섹션마다

1

개

씩 설치하였다

.

^{화점주변의 터널의 천정부는열에 의}

한변형을막기위하여강판재질로제작하였으며천정 의중심부는레이저 조명이투과할 수있도록 슬릿을

만들고투명아크릴로제작하였다

.

터널에서 배기되는 배기풍량을균일하게 유지하기 위해서터널의 천정상 부는각섹션별로인접한 섹션으로부터공기의 흐름 을차단할 수 있는차단판을 설치하였으며

, 2

^{개의 섹}

션마다 공기흡입을위한 링블로워를설치하고각각의 유로에 유량계및 유량조절밸브를설치하여 배기풍량 을조절할수있도록하였다

.

화재시발생되는 연기의모사를 위해연기발생장치 를 사용하였으며 이 장치는 열풍기 및 파이프히터에 의해서연기를약

400 ^o C

^{정도까지가열하고가열된공}

기에파라핀오일을분사하여파라핀오일의증발에의 해서연기가발생할 수있도록 제작하였다

.

열풍기에서공급되는연기의 온도는연기발생기 출 구에

RTD

타입의온도센서를 설치하여자동조절될수 있도록하였으며

,

공급되는연기는버스를대상으로제 작한 화원 모형을 통해서 터널내부로 공급되며

,

링블 로워에의해서연기를 공급할수있도록하였으며

,

공 급되는 유량은인버터에 의해서링블러워의 회전수를 제어하여 조절하였으며 유량계 및유량조절밸브에의 해서조절할수있도록하였다

.

화원의 모형은 터널본체와같이 실제버스를

1/41

로

축소하여

6.25 × 300mm

크기로 제작하였다

.

공급되는

연기량은

80m ³ /s(

화재강도

20MW

에서 연기발생량

)

을

Figure 1.

Oversized exhaust port.

Table 1.

Specification of Experiment

Elements Scale model (mm) Prototype (m)

Length 1600 659

Height 122.5 5.04

Width 306.2 12.6

Duct Height 61.7 2.54

Port Size 73 × 97 3 × 4

기준으로 하였다

.

연기 거동의 가시화는 레이저를광 원으로사용하여

2

^{차원단면으로조사하였으며}

,

^터널

정면에서

CCD

카메라를이용하여

1

초당

60

프레임의

화상을 획득하였다

.

2.2실험방법

본실험에서는터널내화재시횡류환기방식의최적 배연량산정을위해대배기구방식에대한배연특성을 연기의 이동거리를측면에서실험·분석하였다

. Figure 2

^{에모형실험장치의개략도}

Table 2

^{에나타냈다}

.

터널 입구측의 유량 공급장치에 의해서터널내 풍 속을 소정의풍속이 되도록유량을공급한 상태

(

터널 내풍속이

0

인조건은유량공급장치를제거함

)

에서각 섹션의배기풍량을조절하여소정의 배기풍량으로설 정하고유량공급이안정된 상태에서연기를 공급하였 다

.

모형차량을 통해서 연기를공급하면 초기에는연

기의이동거리가변화하여연기의도달지점이점차증 가하며

,

^{시간이 경과하면 연기의 이동거리의 변화가}

더 이상 발생하지 않는데

,

이때 레이져 조명을 소정 의 섹션에 조사하고 가시화를 시작하였다

.

^가시화를

위한 레이저는

500mW

의 다이오드 레이저를 사용하

였으며 원통형 렌즈를 이용하여

2

차원 단면의 빔을 조사하였다

.

연기의 유동이 일정한상태가 되었을때

CCD

카메라를 이용하여 빔이 조사된 터널섹션 부분

의화상을초당

60

프레임씩약

15

초간획득하였다

.

촬 영된화상은 컴퓨터의하드디스크에저장하고연기의 이동 특성을 검토 하여 배연풍량 및 터널내 풍속을 변수로 하여 배기구의 개방위치에 따른 가시화를 수 행하였으며 배기구의 위치에 따라

case

를 구분하여

Table 2

에 나타내었다

.

또한 터널내 풍속은

0, 1, 1,

25, 2.5m/s

로하였으며

,

배연풍량은식

(1)

에나타내었

으며 부가풍량 기준인

Vc

를

0.0~3.0m/s

로 변화시켜

실험하였다

.

Q ^E = A ^r

·

V ^c + Q ^s (1)

3. 실험결과

대배기구방식을적용하는경우에는개방되는배기구 의위치및배기구의개수가 배연에영향을 미치므로 본연구에서는터널내 풍속이존재하는경우와 존재하 지않는경우에 배기구의위치및개방되는배기구의 개수를달리하여배연풍량에따른연기의이동거리특 성을검토하였다

.

Figure 2.

Schematic of the apparatus.

Table 2.3

Port Distance According to Case Type

Case Distance [m]

Case 1-1 60

Case 1-2 140

Case 2-1 60/140

Case 2-2 100/180

Case 2-3 140/220

Case 3 60/140/220

^{Figure 3.}

Smoke spreading characteristic by oversized

exhaust (tunnel inner airflow velocity = 0m/s).

3.1터널내풍속이존재 하지않는경우

Figure 3

^{은배기구의 위치및개소에따라배연풍량}

에변화에따른연기의이동현상을가시화하여나타낸

것으로터널내풍속이존재하지않는경우이다

. 60m

이격된지점의배기구를각각

1

개씩개방한경우화재 지점을 기준으로상류 및하류 양방향으로 이동하며

,

연기는 부력에 의해서 천정부로상승하며

,

연기의 하 부를통해서신선공기가유입되게된다

.

연기발생기에 서발생한연기는배기구에서집중적으로배기되고있 다

.

^{그림에서보듯이 부가풍속기준인}

Vc

^가

0

^{인 경우}

,

연기는배기구를지나

140m

지점까지확산되고있으나

거리의 증가는 거의없는것으로 나타나고있으며배 연풍량이증가하면연기의이동거리가감소하며

,

배연 풍량기준인

Vc

가

2.5m/s

에도달하면연기의이동이배 기구 지점부근에서 제한되는 것으로 나타나고 있다

.

140m

지점의 배기구를 개방하는 경우

(case 1-2) 140m

지점에서배기되기시작하며

, Vc = 1

일경우에는배기

구를지나확산되는현상으로보이나

Vc = 2.5m/s

에서

는연기의이동거리가배기구지점에제한되는것으로 나타나고있다

.

따라서

, 1

개의배기구만을개방하는경 우에는화점에서근접한지점의배기구를개방하는것 이 연기이동을제한하는데 효과적임을 알수있다

. 2

개의배기구를개방하는경우개방되는배기구의위치 는각각

60

과

140m, 100

과

180m, 140

과

220m

이다

.

이

와같이

2

개의배기구를개방하는경우에는

Vc=0,

즉

,

배연풍량이연기발생량과동일한 경우

,

연기의 이동이 연기의 흐름방향으로 최하류의배기구 위치를 초과하 지않는것으로나타났다

.

따라서

2

개소의 배기구를 개방하는경우가

1

개소의 배기구를개방하는경우보다배연이효과적으로이루 어지며

,

화점에 근접한 배기구를 개방하는것이 연기 의이동거리를제한하는데효과적인것으로평가된다

.

60, 140, 220m

^{지점의배기구}

3

^{개소를개방하는경우}

2

개소의배기구를개방하는경우와마찬가지로연기의 이동은 부가풍량이없는 경우

(Vc = 0)

에도 흐름방향으 로최하류에있는배기구를초과하지않는 것으로나 타나고있다

.

따라서대배기구방식을적용하는 경우에 는 터널내 풍속이 존재하지 않는 경우에 배연풍량은 부가풍량없이 연기발생량을 기준으로 하여도 연기의 이동거리을충분히제한할수있는것으로평가되며

, 2

^{개소이상의배기구를개방하면부가풍량이없는경우}

에도연기의이동거리를최하류의배기구로제한할수 있는것으로나타났으며

,

^{배기구간의거리를고려할때}

화재지점에 근접한

2

개소의 배기구를 개방하는 것이 연기의이동을제한하는데가장효과적인것으로평가

된다

.

3.2터널내풍속이존재 하는경우

터널내풍속이존재하는경우에배연풍량및배기구 위치에 따른 연기이동의가시화한결과를

Figure 4~6

에나타냈다

.

터널내풍속이존재하는경우역류

(back

layer)

는존재하지않기때문에화원하류방향배기구

만개방하고상류방향의 배기구는폐쇄하여 하류방향

으로이동하는연기를배연할수있도록하였다

. Figure

4

^{는터널내풍속}

(

화점에서의풍속기준

)

이

1m/s

일때 배기구의 위치및개방개소수에따른 연기이동을가 시화한결과이다

.

Case 1-1,

즉화재하류

60m

지점의배기구를개방한

경우로배기구를통해서연기가배연되는모습이확실 히나타나고 있으나

,

연기의이동은 배기구를지나하 류측을 확산되는 것으로 나타나고있다

.

이때 부가풍 속기준인

Vc

따른연기의최대이동거리는부가적인배 연풍량이 증가하면감소하는경향을 보이며

,

부가적인 배연풍량기준인

Vc

가

2m/s

이상이 되면감소율이 둔

화되는경향을 보이고있다

.

화재하류

140m

지점의배

기구

1

개를 개방하는

case 1-2

경우 배기구에서 연기

의배연현상은 비슷한 경향을 보이나

,

연기의 이동거

리는

60m

지점의배기구를개방하는

case 1-1

보다

9%

정도증가하는것으로나타나고있다

.

Case 2-1, case 2-2, case 2-3, 2

개소의 배기구를 개

방한 경우 배기구의 위치는 각각

60

과

140m, 100

과

180m, 140

과

220m

이다

.

이경우에도배연풍량이증가

Figure 4.

Smoke spreading characteristic by oversized

exhaust (tunnel inner airflow velocity = 1m/s).

하면연기의이동거리가감소하며

,

부가풍량기준인

Vc

가

2.0m/s

^{이상에서는연기의이동거리가최하류의배}

기구부근에서 제한되는것으로나타나고있다

.

따라서

2

^{개의배기구를 개방하는경우연기의 이동거리는배}

기구가 화재지점에 근접할수록연기의 이동거리를제

한하는데효과적인것으로평가된다

. case 3,

즉

3

개소

의 배기구를 개방하는경우

Vc = 1.0m/s

정도에서최

하류에위치한배기구부근에서연기의이동을제한할 수있는것으로나타났다

.

Figure 5

^{는터널내풍속이}

1.75m/s

^{인경우에 배기구}

의개방에따른연기의 이동특성에대한결과이다

.

60m

지점과

140m

지점의 배기구를 개방하여 배연한

경우 부가적인풍량이 증가할수록연기의 이동거리는

감소하며

,

부가풍량기준인

Vc

가

1m/s

이하인 경우에

는연기의이동거리가실험장치의거리를초과하며

, Vc

가

1.5m/s

이상인경우에연기의이동거리가

300m

이

하로 제한되는것으로 나타나고 있다

.

또한

1

개의배 기구만 개방하는경우에는부가풍량이

2.5m/s

까지 증 가하여도 연기는 배기구를 지나이동하고 있으며

,

연 기의 이동거리는

60m

지점의 배기구를개방하는 경우

와

140m

지점의 배기구를 개방하는 경우거의 비슷한

것으로 나타나고있다

.

2

개의배기구를개방하여배기하는경우각각

60

과

140m

와

100

과

180m

지점

, 140

과

220m

지점의배기구를 개방한

case 2-1, case 2-2, case 2-3

이다

.

이경우에도 부가풍량기준인

Vc

가증가하면연기의이동거리는감

소하며

, Vc = 2.0m/s

이상이 되면연기의 이동을 최하

류의배기구로제한할 수있는것으로나타나고있다

.

따라서 연기의 이동거리는

Vc

^가

2.0m/s

^{이상 에서는}

배기구의 위치에의존하는것을알수있다

. 3

개의배

기구를개방한

case 3

^{은부가풍량기준인}

Vc

^가

2m/s

^이

상이되면 연기의이동을 배기구의위치까지제한할 수있는것으로나타났다

.

배연풍량및배기구위치에 따른 연기의 이동거리는 연기의 이동거리는

case 2-1

의경우가 가장짧게나타나고있으며

,

^{연기의이동거}

리에 대한 평가기준을 도로터널방재시설 설치지침의 피난연락갱 간격인

250m

^{로제한하는 것으로하는 경}

우

,

부가풍량기준

(Vc)

을

1.5m/s

이상으로하여야할것 으로평가된다

.

Figure 6

은 화점기준 터널내 풍속을

2.5m/s

로 하는

경우이다

. 60m

지점과

140m

지점의

1

개소의 배기구를

개방하는경우연기는배기구를지나하류로이동하는 형상이 발생하며

,

배기구 위치에 따른 연기의 이동거 리측면에서 차이는 거의 없는 것으로 나타났다

.

연기 의이동거리는부가풍량기준

Vc

가

2.0m/s

이하인경우 에는연기의이동거리가실험범위인

320m

를초과하며

,

Vc = 2.5m/s

이상에서

240m

이하로제한될수있는것

으로나타났다

.

각각

60

과

140m, 100

과

180m

지점

, 140

과

220m

지점의 배기구를개방한 경우연기의 이동거

리는

Vc

가

2.5m/s

에서는배기구위치에관계없이이동

거리가

250m

를초과하고있으며

, Vc

가

3.0m/s

에서배

기구주변으로연기의이동을제한할수있는것으로 나타나고 있다

.

3

개의 배기구를개방한경우 배연풍량에따른 연기 Figure 6.

Smoke spreading characteristic by oversized exhaust (tunnel inner airflow velocity = 2.5m/s).

Figure 5.

Smoke spreading characteristic by oversized

exhaust (tunnel inner airflow velocity = 1.75m/s).

의이동거리는

2

개의배기구를개방하는경우와 거의 비슷한 경향을보이고있으며

,

^{이경우에도}

Vc

^가

3m/

s

일때연기의이동을배기구주변으로 제한할수있

는것으로나타났다

.

터널내풍속이

2.5m/s

인경우에부가풍량기준

Vc

에

따른연기의이동거리는

60

과

140m

지점의

2

개배기구 를개방하는경우가연기이동을제한하는데가장효과 적인것으로나타났다

.

이를최적으로조건으로하여배 연풍량평가기준으로피난연락갱설치간격이내로연 기의이동을제한하기위해서는부가풍량기준

Vc = 2.5m/

s

이상이 요구되는것으로 평가된다

.

4. 결 론

(1)

터널내 풍속이 존재하지 않는 경우 배연풍량이 증가하면연기의이동거리가감소하며

,

화점에서근접 한지점의배기구를개방하는것이연기이동을제한하 는데효과적이며

2

개소의배기구를개방하는경우가

1

개소의배기구를개방하는경우보다배연이효과적으 로 이루어지며

,

화점에 근접한 배기구를 개방하는것 이연기의이동거리를제한하는데효과적인것으로평 가된다

.

배연풍량은부가풍량없이연기발생량을기준 으로하여도연기의이동거리을충분히제한할수있 는것으로평가된다

.

(2)

터널내 풍속이 존재하는 경우 동일 배연풍량에 서연기의이동거리가급격하게증가한다

.

부가풍량기

준

Vc = 1.5m/s

인경우에터널내풍속이

1.75

로증가하

면연기의이동거리는약

2

배정도증가하면

, Vc = 2.0 m/s

인경우에는 터널풍속이

0m/s

에서

2.5m/s

로증가하 면연기의이동거리는약

1.8

배정도증가하는것으로 나타나고 있다

.

따라서 연기의 이동거리에 터널내 풍 속이아주큰영향을미치는 것을알수있다

.

(3)

최적배연량에 대한평가기준을연기의 이동거리 를피난연락갱 간격인

250m

^{이내로 하고일반적으로}

터널설계시역풍으로고려하는풍속인

2.5m/s

를터널

내풍속으로하는경우

,

^{부가풍량기준}

Vc

^는

2.0m/s

^이

상이되어야하는것으로 나타났다

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