Experimental Study for the Performance Evaluation of the Subway Station Ventilation System in Fires

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화재시 지하철 역사의 제·배연 설비 성능 평가 연구

박병직¹⁾· 유용호¹⁾* · 박진욱¹⁾· 김휘성¹⁾

Experimental Study for the Performance Evaluation of the Subway Station Ventilation System in Fires

Byoungjik Park, Yongho Yoo_*, Jinouk Park and Hwiseong Kim (Received 20 May 2016; Final version Received 23 June 2016; Accepted 29 June 2016)

Abstract : In this study, the stations on Seoul Metro line were categorized into 4 grades as a result of performing the smoke control safety evaluation that considered the conditions of platform air conditioning and exhaust system and mainline exhaust system in a bid to ensure the evacuation safety on platform and evacuation route to outside will be granted in a way of enhancing the efficiency of smoke control and exhaust system at subway stations.

4 stations were designated considering the safety evaluation grade and operation type of smoke control & exhaust system and then T.A.B was conducted. Consequently, the performance of existing smoke control & exhaust system appeared to have been far deteriorated from the design capacity.

Key words : Subway staion, Fire safety, Air supply and exhaust, TAB(Testing, Adjusting and Balancing) 요 약 : 본 연구는 지하철 화재시 제배연 설비의 고효율화로 승강장 및 외부대피로의 원활한 피난 안전성을 확보하기 위하여 서울메트로에서 운영하는 1～4호선 역사를 승강장 공조, 상하부 배기, 본선 배기 유무에 따른 제연 안전성 등급 평가를 통하여 4가지 등급으로 분류하였다. 안전성 평가 등급 및 제 ․ 배연 설비 작동 방식을 고려하여 4개 역사를 선정하여 T.A.B를 실시하였으며, 이를 통하여 설계 대비 현재 제배연설비의 성능이 현저하 게 저하되었음을 확인하였다.

주요어 : 지하철 역사, 화재안전, 제 ․ 배연, TAB(Testing, Adjusting and Balancing)

1) 한국건설기술연구원 화재안전연구소

*Corresponding Author(유용호) E-mail; [email protected]

Address; 64, Mado-ro 182beon-gil, Mado-myeon, Hwaseong-Si, Gyeonggi-Do, Korea

서 론

우리나라의 지하철은 서울역에서 청량리에 이르는 1호 선(1974년)이 개통된 이후로 끊임없이 성장하여 현재는 6 개 도시(27개 노선)에, 약 830여개 역사가 설계되어져 하루 에 약 1600만명이 이용하고 있다. 지하철 중에 이용도가 가 장 높은 수도권의 1, 2, 3, 4호선은 ‘서울메트로’에서 운영 하고 있으며, 대부분 1980～90년대 설계되었기 때문에 전 동차 및 설비가 노후화 되었다(Kwon, 2015).

300명 이상의 사상자가 발생한 대구지하철 화재참사 (2003) 이후로 지하철의 화재안전 대책에 대한 지속적인 노력이 이어져 많은 연구가 진행되었으며, 실제 지하철 설 계시 많은 기술적인 검토를 통하여 화재안전 대책을 수립

하고 있다(Jang, 2012).

지하철 화재시의 연기의 제 ․ 배연이 제한된 공간에서 이 루어질 수 밖에 없기 때문에 제 ․ 배연 시스템은 인명피해를 최소화하고 소방활동을 위한 가장 중요한 설비라 할 수 있 으며, 모든 지하철 역사 및 본선(터널)은 2004년 신설된 도 시철도건설규칙, 도시철도시설 안전기준에 관한 규칙, 철 도시설 안전기준에 관한 규칙 등에 의해 강제배기장치(제 ․ 배연 설비)와 같은 시설을 설치하도록 되어 있다(Park, 2015, 2012).

오래된 지하철의 제연설비의 경우, 대부분 공조설비와 겸용으로 되어 있으며, 최초 지하철의 제연시스템 설계시 화재에 대비하여 여러 가지 상황을 가정하고 시뮬레이션을 통하여 각각의 상황에서 제연시스템이 의도대로 작동할 것 인지를 검증하는 단계 없이 설계된 경우들이 많아 실제 화 재 사고시 적절히 대응하지 못할 것으로 예측된다.

서울의 지하철의 경우 거의 모든 승강장에 스크린도어 (PSD)가 설치되어 이를 포함하는 제연설비설치 및 운영방 연구논문

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Table 1. Safety grading assessment (In descending order by grade)

No Platform air conditioning Mainline exhaust Mainline smoke control 1 Air supply+exhaust Top + Bottom exhaust Mainline smoke control

2 Air supply Top exhaust No mainline smoke control

3 Bottom exhaust

4 No exhaust

Table 2. Grading standard

No Platform A/C Top exhaust Mainline S/C Smoke safety (Grade)

1 A A A A

2 A B A A

3 A C A B

4 B A A A

5 B B A A

6 B C A B

7 A A B A

8 A B B A

9 A C B C

10 B A B B

11 B B B B

12 B C B D

13 A D B D

안의 변경 및 개선이 요구되고 있으나, 이에 대한 연구가 전 무한 실정이다. 따라서, 신설되는 노선의 지하역사 뿐만 아 니라 기존 지하역사에 대해 PSD설치로 인한 제 ․ 배연시설 설치 및 운영에 대한 전반적인 검토를 통해서 최적화가 필 요하다.

승강장과 비교하여 PSD의 설치로 인하여 승강장 본선 열차 화재 시 열 기류의 이동특성이 완전히 달라졌음에도 기존의 풍량 및 제연모드를 적용하고 있으며, 화재 시 PSD 의 운영에 대한 연구는 없는 실정이다. 따라서, 역사의 제연 시스템 운전조합 및 PSD운영을 포함하여 대피안전을 확보 하기 위한 최적의 배연방안에 대한 연구․검토가 필요하다.

국내연구는 국외에서 주로 사용하였던 상용 CFD 코드, FDS, SES, CFAST 등을 활용하여 지하철 화재시 열환경 및 연기 거동 등에 대한 수치 해석적 연구가 수행되었으며, 한국철도학회에서는 스크린도어가 설치된 지하철 승강장 의 대피안전성을 정량적으로 입증하기 위한 화재 시뮬레이 션과 대피 해석, 그리고 Exodus, Simulex, Pathfinder 등과 같은 피난 시뮬레이션 Tool들을 활용한 대피시간, 대피속 도 분석 및 피난 시뮬레이션 결과들의 상호 비교 등에 대한 연구들이 소개되기 시작하였으며, 지하철 역사 및 차량에 대한 화재 축소모형 실험 연구들도 유관 학회에 다수 발표 되었다.

기존의 선행 연구는 새로운 역사의 설계에 적용에 초점

이 맞추어 진행되어 왔으며, 서울 지하철 1호선과 같이 노 후된 기존 지하철의 제 ․ 배연 설비의 문제점을 개선하기 위 한 연구는 상대적으로 미흡하다. 이에 많은 시민들이 이용 하는 대중교통 수단인 기존 지하철의 제 ․ 배연 설비 현황 파악 및 화재안전을 위한 제 ․ 배연 설비 개선안 도출이 필 요하다.

따라서, 본 연구에서는 지하철 화재시 제 ․ 배연 설비의 고효율화로 승강장 및 외부대피로의 원활한 피난 안전성을 확보하기 위하여, 국내 운영중인 지하철(서울 지하철 1, 2, 3, 4호선) 제 ․ 배연 설비 운영 실태를 조사하고 운영중인 지 하철 제 ․ 배연 설비의 성능평가를 위하여 T.A.B(Testing, Adjusting and Balancing)를 실시하였다.

본 론

지하철역사의 제배연 안전성 등급 분류

서울메트로가 운영하는 1～4호선의 역사를 대상으로 승 강장 공조(급기 ․ 배기), 본선의 상 ․ 하부 배기, 본선 배연 유 무를 기준으로 13가지 형식으로 분류하였고, 각 형식에 대 한 배연안전성 등급을 4가지 등급으로 구분하여 Table 1과 Table 2에 나타냈다. 승강장 공조에서는 급기와 배기가 둘 다 이루어지는 경우에는 급기만 되는 경우보다 높은 등급 을 주었으며, 본선 상하부 배기에서는 상부와 하부에 배기

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Table 3. Grading for smoke control safety (in number of station)

A B C D

Line No1 1 9

Line No2 16 14 2 6

Line No3 11 18 3

Line No4 11 7 2

Total 27 33 2 18

Table 4. Smoke control(exhaust) operation type ((a), (b), (c), (d), (e)) (in number of station) without AC (exhaust) New, AC (smoke control)

Venti lation

(a) Type replacing lounge fan

and using platform bottom main exhaust

duct

(b) Type Adding lounge fan and using platform air

supply for exhaust

(c) Type Applying fire safety

standard to lounge (‘96~’04)

(d) Type Applying fire safety

standard lounge &

platform) (‘05~’11)

(e) Type Applying fire safety

standard and performance (after 2012)

Zone Lounge: zone 2~3

Platform: zone2~4

Lounge: zone 3~4 Platform: zone 2~4

1 9 1

2 4 16 15

3 17 10 4

4 5 8 5 2

Total (96) 0 0 0 0 0

Fig. 1. Schematics of Subway Station Ventilation System.

가 되는 경우는 높은 등급을 책정하였으며, 그다음으로는 한쪽만 배기가 되는 경우, 마지막으로 배기가 되지 않는 경 우에는 가장 낮은 등급을 책정하였다. 본선 배연이 가능한 경우를 불가능한 경우 보다 높은 등급으로 책정하였다.

대부분 역사는 A, B, D 등급에 해당되며, 신설된 역사일 수록 높은 등급을 받았다. 따라서, 1호선이 가장 낮은 4등급 에 해당하는 역사가 가장 많았으며 4호선이 상대적으로 높 은 등급의 역사가 많았다. 이러한 결과는 Table 3에서 확인 할 수 있으며, 등급별 비중은 A등급(38%), B등급(40%), C 등급(2%), D등급(20%) 을 차지하였다.

Fig. 1에 일반적인 지하철 역사 제 ․ 배연 설비 형태를 개 략적으로 나타냈으며, Table 3, 4에 환기 방식에 따라 5가지 형식(a, b, c, d, e형식)으로 분류하였다. 기존의 비냉방역사 는 (a)와 (b) 형식, 냉방역사(신설역사)는 (c), (d)와 (e) 형식 으로 나타났다. 대부분의 역사는 (b), (c), (d) 형식에 속하 며, 1호선은 대부분 (a) 형식에 해당되며, (e) 형식에는 최근 에 건설된 4호선의 2개 역사만 해당되었다. (a)와 (b) 형식 은 기존 대합실 및 승강장에 설치 된 급기덕트를 배연설비 로 활용하는 방식이었으며, (c), (d), (e) 형식은 승강장의 제

․ 배연 설비가 공조 역할도 겸용하여 복잡한 구조로 설치되 어 있다.

T.A.B(Testing, Adjusting and Balancing) 소개 시험․ 조정․ 평가(Testing, Adjusting and Balancing) 기술 이란 공기조화설비의 에너지 반송매체인 공기와 물에 대하 여 시공된 설비시설에 출입하는 양이나 질이 설계 값에 합당 한가를 시험(Testing)하고 오차가 있는 경우 조정(Adjusting) 하여 최종적으로 설비계통을 평가(Balancing)하는 분야이 다. 공조설비 성능측정에 따른 문제점 파악 후 개선방향을 제시하여, 시설의 정격운전이 이루어지도록 함으로써 에 너지 절감 및 쾌적한 실내 환경을 제공할 수 있도록 운전 및 보수의 지침이 될 수 있는 자료를 제시하는데 목적이 있다.

본 연구에서는 Table 5의 5단계 수행절차에 따라 4개 역사

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Table 5. T.A.B Procedure

Sequency Description

Data collection Station drawing, calculation and design data

2.Site investigation Ventilation room equipment, nameplate description (comparing with drawing), performance test point

3. Equipment performance test Damper check, A/C equipment, fan capacity, constant pressure, rpm

4.Diffuser air flow After measuring air flow from main duct, platform and lounge diffuser air flow is measured 5. Data compiling Data compiling and report producing

Table 6. Characteristics of the station after implementing T.A.B

Station J Station K Station S Station B

Ventilation type (a) Type (a) Type (c) Type (B) Type

Safety grade D B D A

Floor level B2 B2 B1~3 B 1~2

Line No 1 2 1 2

Use by floor

B1

Lounge, ticketing, office, store, Electrical room,

ventilation room

Store, toilet, ventilation room

ventilation room Janitorial staff room B2 Platform, track,

broadcasting booth

Platform, track, broadcasting booth

Lounge, ticketing, office,

Janitorial staff room Platform, track,

B3 Platform, track

Fig. 2. Diffuser Air Volume Measurement at the Platform. Fig. 3. Grille Wind Speed Measurement at the Track Bottom.

에 대하여 T.A.B를 수행하였다. Fig. 2와 Fig. 3은 실제 역 사의 승강장 및 선로부에서 T.A.B를 수행하고 있는 사진이 며, 그 결과를 Table 6에 나타냈다. Table 5의 수행절차 중 4 단계의 풍량측정은 피토관과 마노미터를 통해풍량 측정구 에서 측정된 동압을 이용하여 산출하였다. 이 때 풍량 측정 구의 측정점은 덕트의 형태에 따라 달라진다. 원형덕트에 서는 직경 230 mm 미만의 경우 중심에서 90°로 직교하는 선상에서 6～12개소, 직경 230～300 mm 이하의 경우 8～

16개소, 직경 300 mm 초과의 경우 10～20개소를 적용한

다. 그리고 장방형덕트의 경우에는 최소 16개소에서 최대 64개소를 넘지 않도록 동일 면적내의 중심에서 측정하였다.

Table 1 안전성 평가 등급과 Table 4 환기 방식에 따른 분 류를 토대로 4개 역사를 선정하였다. 1호선 역사에 해당하 는 J와 S역사는 2호선 역사에 해당하는 K와 B역사는에 비 하여 안전성 평가 등급이 낮게 책정되었던 역사이다. 4개 역사 모두 서울에 위치하며, 지하 1층부터 지하 2층 또는 3 층까지 시설이 계획되어 있다. 1호선 2개 역사와 2호선 2개 역사를 대상으로 T.A.B를 수행하였다.

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(a) Air Volume (b) Positive Pressure

(c) Number of Rotations (d) Electric Current

Fig. 4. Plan average vs. Measured average.

T.A.B 측정 결과

J 역사에서는 대합실 급배기, 승강장 급배기 10구역을 측 정하였으며, K 역사에서는 승강장과 대합실의 승강장 상하 부의 급배기 10구역을 측정하였다. S 역사에서는 승강장 상하행선 급기 2구역과 승강장 상하행선의 제연 겸용되는 배기 2구역을 측정하였으며, B 역사에서는 본선 선로부 상 하부 배기 8구역을 측정하였다. 4개 역사의 공조기의 설계 값과 풍량, 정압, 회전수, 전류를 측정한 값의 평균 값을 비 교하면 Fig. 4의 내용과 같다. 풍량과 전류값은 설계값과 많 은 차이를 보이고 있으며, 정압 및 회전수는 몇 군데 관측지 점을 제외하고 유사한 값이 측정되었다. 풍량의 경우에는 측정 풍량이 설계 풍량의 15～105% 범위로 측정되었다. J 역사에서는 급기부에서는 정상적인 풍량이 측정(설계픙량 대비 101～105%)되었으나, 배기부에서는 낮은 풍량이 측 정(설계픙량 대비 41～52%)되었다. K 역사의 대합실(설 계풍량 대비 32～56%)에서 승강장(설계풍량 대비 59～

74%)보다 성능이 저하되었다. S 역사에서는 승강장의 제 연을 겸하는 배기부가 승강장 상하행선 급기부에 비해 설 계풍량과 비교하여 다소 적게 풍량이 측정되었다. B 역사는 선로부의 상부배기 26,100(CMH), 하부배기 60,900(CMH) 값으로 설계되었으나, 좌우측 내선에서는 설계풍량의 1 5～39%의 풍량이 실측되었다.

T.A.B 소결

J 역사는 환기실이 협소하여 일부 덕트의 풍량을 측정할 수 없었다. 스크린도어 밖의 선로부 하부 배기만 계획되어 있으며, 승강장에는 배기구가 미설치되어 있었다. 인버터 에 의한 회전수 변환 타입의 송풍기가 설치되어 있으며, 인 버터의 출력을 상승시켜서 풍량을 증가시켜야 한다고 판단 된다. K 역사 승강장의 상 ․ 하부 배기팬은 69～76%의 다 소 저하된 장비 성능을 확인하였으며, 팬 밸트는 V-belt 타 입으로 장력조절을 통해 회전수를 증가시키면 성능 개선 가능성이 있다. S 역사의 공조기 성능은 적정하나 배기팬의 성능은 설계치보다 미달된 상태로 운전되고 있다. 제연모 드 시 측정을 위해 대합실의 공조기를 가동하여 승강장을 가압한 상태에서 제연겸용인 선로부 배기팬의 성능을 측정 하였으며, 공조모드 시의 성능과는 차이가 없는 것으로 판 단되었다. 따라서 배기팬의 성능을 제연 필요 풍량에 만족 하게 증대시켜야 한다. B 역사의 상 ․ 하행선 내선 부분 상 ․ 하부 배기팬은 환기실 하부 방화댐퍼의 휴즈 단락으로 인 해 원활한 배기가 이루어지고 있지 않으며, 또한 장비 정압 과다로 팬 성능은 저하된 상태였다. 일부 방화댐퍼의 점검 구가 없어 확인 및 조치가 불가능하였다. 주기적인 점검으 로 방화댐퍼의 개폐상태를 확인 할 필요성이 있다. 방화댐 퍼 조치후 팬성능은 적정 하게 측정 될 것으로 판단된다.

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Table 7. Proposal for improvement

Current Proposal 1 Proposal 2

Platform A/C exhaust + suspending mainline bottom exhaust

Platform A/C air supply + mainline bottom exhaust

Platform A/C air supply + mainline top & bottom exhaust

개선 방안

Table 7에서 나타낸바와 같이 지하철 화재 시, 현재는 본 선 상 ․ 하부 배기는 정지하고 승강장 공조 배기만 계획되어 있다. 따라서 기류가 화재지역으로부터 승강장 내부로 형 성되어 승강장으로 유독가스의 유입될 가능성이 매우 높 다. 개선안 1과 2 처럼, 본선의 상 ․ 하부에서는 배기를 하여 유독가스를 외부로 배출하고, 승강장은 급기로 가압을 하면, 승강장으로부터 연기 유입을 억제 할 수 있다고 판단된다.

결 론

본 연구에서는 현재 운행중인 1～4호선 역사를 안전성 평가 분류 방법에 따라 등급을 4개로 분류하였으며, 제배연 설비 환기 방시에 따라 5가지로 분류하였다. 이 중에 4가지 역사를 T.A.B를 수행하여, 공조설비의 풍량, 정압, 회전수, 전류 항목에 대하여 계획대비 실제 측정값을 비교 분석하 였다. 풍량은 설계 풍량대비 64%의 성능을 갖고 있었으며, 다른 항목에서도 계획대비 낮은 성능이 측정되었다.

기존 역사는 건설당시 제연을 고려하지 않은 역사구조로 새로운 장비를 교체하기에는 공간에 제한을 받는다. 따라 서, 구조물을 변경할 수 없는 상황에서 무리하게 제연풍량 을 확보하기 위하여 덕트를 넓히고 정압을 높일 수 없다. 이 에 공조풍량과 제연풍량을 비교하여 큰값으로 공조 ․ 연겸 용 덕트 시스템을 구성하여야 하며, 선로부 하부팬을 제연 송풍기로 이용해야 한다. 기존에는 제연설비화제안전기준 (NFSC501)을 적용하여 제연풍량을 적용하였으나 누기율 을 추가로 적용하여 안전성을 확보해야 하며, 승강장과 대

합실에서는 덕트 및 제연댐퍼의 수량을 감소시키고 작동방 식을 단순화 하여 누기율을 최소화해야 한다.

사 사

본 연구는 국민 안전처 소방안전 및 119구조 ․ 구급기술 연구개발사업(“NEMA-차세대-2014-47”)의 연구비 지원 으로 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

References

Jang, Y.j., 2012, “Experimental Study for the Capacity of Ordinary and Emergency Ventilation System in Deeply Underground Subway Station,” Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 15, No. 6, pp. 579-587.

Kwon, S.B., 2015, “A Study on the Improvement of the air exhaust system at the PSD Installed Subway Station,”

Journal of Korean Tunneling Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp. 353-362.

Park, B.J., 2012, “A Study on Evacuation Performance for Various Subway Station Categories during Acts of Terror or Fires,” Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 28, No. 10, pp. 73-82.

Park, B.J., 2015, “Evacuation Safty Analysis Depending on the type of Subway Platform and Ticket barrier,” Journal of Korean Tunneling Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp. 237-242.

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박 병 직

2010년 명지대학교 공과대학 건축과 공학사 2012년 고려대학교 대학원 건축공학과 공학

석사

현재 한국건설기술연구원 화재안전연구소 실물화재팀 신진연구원 (E-mail; [email protected])

박 진 욱

2012년 안동대학교 공과대학 기계공학과 2014년 안동대학교 대학원 기계공학과 공공학사

학석사

유 용 호

1997년 인하대학교 공과대학 자원공학과 1999년 인하대학교 대학원 자원공학학과 공학사 2005년 인하대학교 대학원 자원공학과 공공학석사

학박사

현재 한국건설기술연구원 화재안전연구소 실물화재팀 연구위원 (E-mail; [email protected])