자연에너지 활용을 위한 지하철 승강장 열환경에 관한 연구
김회률*・김동규*・금종수*†・정용현*・박성출**
(
†부경대학교・
**부산광역시)
Study on the Subway Platform Thermal Environment for using Natural Energy
Hoe - RyulKI M
*・ Dong- GyuKI M
*・ J ong- SooKUM
*†・Yong- HyunCHUNG
*・ Sung- ChulPARK
***
PukyongNa t i onalUni ve r s i t y・ Pus a ns i t y
Abstract
Ventilation equipment performs a central role to maintain comfort subway environment.
So ventilation equipment of Busan subway line No.1 is required to improve thermal environment. In this study, conditions of thermal environment are presented to improve ventilation equipment at existing subway station platforms by measuring thermal environment of platforms operated ventilation equipment at 14 stations of Busan subway line No.1. AWS of data in comparison with the neighbouring platforms and thermal environment analysis. Thermal environment status of subway platform analysis results are as follows.
1)Daytime platform temperature was higher than outdoor temperature, but night time platform temperature was lower than outdoor temperature.
2)Train wind had effect on improving thermal comfort in platform.
3)When outdoor temperature is below 24℃, inlet air is able to lower than platform temperature.
4)Considering existing ventilation system, night purge systems is useful to improving platform thermal environment.
Key words : Automatic weather system, Subway station platforms, Discomfort index
†Cor r e s pondi ngaut hor:051 - 62 9- 617 8,j s kum@pknu. ac . kr
Ⅰ. 서 론
도시의 과밀화는 지하공간의 이용을 촉진시켰 으며,광역도시에서는 지하상가,지하주차장,지 하철 등 다양한 지하공간이 늘어나고 있다.이중 지하철은 지상교통의 혼잡으로 인해,정시성,쾌
속성,안전성이 뛰어나다는 장점으로 우리나라에
서는 1974년 8월에 서울지하철 1호선이 개통되었
다.부산의 경우 1985년에 1호선이 개통되었으며,
2 호선과 3호선이 운행 중에 있다.지하철이 갖고
있는 많은 장점에도 불구하고 이용승객의 증가에
따라 지하철 내 열환경은 점차 악화되고 있으며,
냉방 및 환기시스템 개선에 많은 비용을 요구하 고 있다.즉 운행초기에는 지하공간의 특성상 일 정한 온도를 유지하여 지상보다 여름에는 시원하 고 겨울에는 따뜻한 열적 특성을 가지고 있었으 나,지하철의 이용승객의 증가,열차운행횟수의 증대,부대설비 등 내부발열량이 지반의 흡· 방열 량을 초과하게 되어 대지의 항온성,단열성의 특 징을 살린 자연적인 쾌적환경을 기대할 수 없는 지경에 이르렀다.또한 지구온난화의 영향과 도 시의 열섬효과로 인해 지상의 온도는 해마다 상 승하고 있으며,이러한 영향이 지하공간의 열환 경을 점점 악화시키는 원인이 되고 있다.최근 부산지하철 1호선 일부 역의 승강장에 대한 조사 연구( 김회률 외,2008;박성출 외,2007,2008) 에 의하면,여름철 대부분의 승강장의 열환경이 열 악한 상태이고,기압차,소음,오염물질 등이 문 제가 되고 있다.이러한 문제점은 시내버스와 지 하철의 연계에 따라 증가하는 이용승객에게 불쾌 감을 줄 수 있다.이에 본 연구에서는 주간에 비 해 온도가 낮은 심야시간의 외기를 활용하기 위 하여 냉방시설이 갖추어지지 않은 부산지하철 1 호선 13개역 승강장의 온열환경을 측정하였다.
측정자료 중 남산동,괴정동 역사 분석결과와 기 존 승강장 관련 연구( 강대식 외,1997;권도환 외, 1 9 9 7 ) 를 통하여 지하철 승강장의 열적인 문제점 을 파악하여 지하철을 이용하는 승객들에게 쾌적 한 열환경을 제공함과 동시에 자연에너지인 외기 를 활용하여 지하철 승강장 열환경을 개선하기 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
1. 연구방법
본 연구의 승강장 내부 측정항목은 온도 및 습 도 등이고 불쾌지수로서 승강장 내 열환경을 평 가하였다( Ve nt i l a t i on f orAc c e pt a bl e I ndoorAi r Qua l i t y ,1 9 8 9 ;HVAC,1 9 9 1 ;Pr o c e dur a lAppl i c a t i o ns ) . 지하철 역사 공조설비설계 기준 중 “대합실과 승 강장 구역의 냉방장치는 설계 외기조건을 고려하
여 대합실은 온도 28℃,상대습도 60%,승강장은 온도 28℃,상대습도 70%를 넘지 않도록 한다. ” 라고 되어 있다.그러나 현재 부산 지하철 1호선 의 경우는 공조설비가 완비되어 있지 않고 단순히 승강장으로 외기를 도입하여 환기만을 하고 있다.
또한 부산교통공사 자료를 통한 승강장 환기팬의 운전 현황을 보면 운전시간은 05시부터 24시까지 이고,24시부터 05시까지 심야시간대에는 환기팬 운전이 정지되고 있음을 알 수 있다.따라서 승강 장 내부 환기를 위해 도입하는 외기의 영향을 파 악하기 위해 기상청 AWS( www. kma . go. kr ) 의 데 이터를 사용하였다.기상청 자료를 통한 비교는 AWS 와 인접한 대표역사 인 남산동역 및 괴정역 을 선정하여 역사 내 환기를 위해 도입하는 외기 온도 및 습도 등의 실시간 데이터와 승강장 내부 온도를 비교하여 외기를 통한 승강장내 축열량 제거 가능성을 검토하였다.또한 열차 진입에 따 른 열차풍의 온열환경 개선효과도 검토하였다.
2. 지하철 역사 승강장 측정
본 연구에서는 80년대에 개통한 3개 역사( 범어 사,남산동,부산역) 와 90년대에 개통한 10개 역 사( 중앙동,남포동,자갈치,토성동,동대신,서대 신,대티,괴정,당리,사하,하단) 를 측정하였다.
[ Fi g.1 ] 에 승강장 온도 및 습도 측정을 위해 사 용한 측정장비와 승강장 천장면에 부착된 모습을 나타냈다.측정기간은 2007년 8월 20일부터 9월1 일까지 역사별로 3일 정도 측정하였고,측정기간 동안 부산지역의 외기온도는 [ Fi g. 2 ] 와 같았다.
<Ta bl e 1 >은 측정일에 따른 역사와 외기온도로
서 8월 28일 이전에는 맑은 날씨가 지속됨으로
인하여 최고 약 32℃ 기온을 유지하였지만,괴정
및 토성동 역사 측정시에는 날씨가 흐림으로 인
하여 외기온도가 맑은 날씨에 비해 낮음을 알 수
있다.
[Fig. 1] Platform temperature and humidity measuring equipment
[Fig. 2] Local meteorological Status of Busan
Mont h
/ day St at i on Me an Out door t e mpe r at ur e 8/ 21 Nams an-dong,Dae t i ,
J agal c hi ,Hadan 28. 4[ ℃]
8/ 24 Nampo-dong,Dangni ,
Be ome os a,Se odae s i n-dong 27. 6[ ℃]
8/ 26 Dongdae s i n-dong,Bus an
St at i on,Saha 28. 5[ ℃]
8/ 29 Goe j e ong,Tos e ong-dong 23. 2[ ℃]
<Table 1> Measurement date and mean outdoor temperature
AWS He i ght
[ m] Loc at i on Re mar k Busan 69 Dae c he ongdong
1Ga,J unggu ○ Busan
( Radar ) 5 18 Se odae s i ndong 3Ga,J unggu Ye ongdo 45 Dongsamdong,
Ye ongdogu Bus anj i n 83 Be mc he ondong,
Bus anj i ngu Dongr ae gu 18 Mye ongnyundo
ng,Dongr ae gu Dae yon 4 Dae yondong,
Namgu Bukgu 1 41 Gupodong,
Bukgu Sooyoungman 11 Hae undae gu
Hae undae 70 J wadong, Hae un dae gu
Ge umj e onggu 75 J anj e ondong, Ge umj e onggu ○ Gade okdo 72 Dae hangdong,
Gangs e ogu
I l gwang 12
Samsungr i , i l kwangmye on, Gi j anggun
<Table 2> AWS location of Busan
DI Di scomf or tcondi t i ons Be l ow 68 Nodi s c omf or t
70 Thepopul at i onf e e l sdi s comf or t 75 Le sst han1 0% oft het ot al
popul at i onf e e l sdi s c omf or t 80 Le sst han5 0% oft het ot al popul at i onf e e l sdi s c omf or t 83 Mos toft hepopul at i onf e e l s
di sc omf or t
86 Thedi s c omf or ti sve r yst r ong
<Table 3> Discomfort index & Physical Symptoms
PMV Condi t i ons
+3 hot
+2 war m
+1 s l i ght l ywar m
0 ne ut r al
-1 s l i ght l yc ool
-2 c ool
-3 c ol d
<Table 4> PMV Scale
3. AWS 측정장소와 비교지점
무 인 자 동 기 상 관 측 장 비 (AW S: Aut omat i c We a t he rSt a t i on) 인 AWS는 풍향,풍속,기온,강 수량을 매분마다 관측하고 있으며,부산지역에는
<Ta bl e2 >와 같이 총 1 2 개소가 있다.본 연구와 관련된 인접 측정 장소는 중구 대청동 및 금정구 장전동 측정 장소였다.따라서 본 연구에서는 장 전동 및 대청동 지점의 AWS 측정 외기온도를 이용하여 맑은날 남산동 역사와 흐린날 괴정 역 사 승강장의 온열환경을 비교하였다.
4. 역사 온열환경 평가를 위한 지표
1 )불쾌지수( DI :Di s c omf or tI nde x )
불쾌지수는 기온과 습도의 조합으로 구성되어 있고,여름철 실내의 무더위의 기준으로서만 사
용되고 있을 뿐 복사나 바람 조건은 포함되어 있 지 않기 때문에 그 적정한 사용에는 한계가 있 다.<Tabl e3 >은 불쾌지수에 따른 신체증상을 나 타내고 있고,아래에 산출식을 나타냈다.
DI=9 /5 Ta - 0 . 5 5 ( 1 - RH) ( 9 /5 Ta - 2 6 ) +3 2 Ta :건구온도[ ℃]
RH:상대습도( 소수점)
2 )PMV( Pr e di c t e dMe a nVo t e )및 PPD( Pr e di c t e d Pe r c e nt a geofDi s s a t i s f i e d)
PMV는 온도,습도,기류,복사,착의량,활동 량 등 온열환경의 6요소를 대입하면 그 환경 및 인체측 조건에서 따뜻하거나 혹은 춥다고 느끼는 것을 수치로 정량화한 것으로 인체의 열 부하에 근거하여 산출된다.PMV는 재실자 다수의 평균 적인 온냉감을 표시한 것이고,온열적으로 만족 을 나타내지 않는 사람의 비율을 불만족율( PPD) 이라고 한다.I S O- 7 7 3 0 에서는 PMV,PPD의 값 으로서 - 0 . 5< PMV < +0 . 5 ,PPD < 1 0 %를 권장 하고 있다.<Tabl e4 >는 PMV 척도에 따른 인체 반응을 나타낸 것이다.
Ⅲ. 결과 및 분석
1. 승강장 열환경 현황승강장은 승객들이 열차에 승차하기 위해서 대
기하거나 또는 하차 후 역사 대합실로 이동하는
짧은 시간동안 거쳐 가는 곳이다.그러나 승강장
은 지상으로부터 가장 깊은 곳에 위치하고 있음
으로 인하여 축열,열차 발열 등으로 열환경이
열악한 상태이다.이에 승강장의 온도 및 습도를
측정하여 불쾌지수로서 분석하였다.<Tabl e5 >는
승강장별 24시간 기준으로 온도,습도,불쾌지수
의 평균,최대,최소값을 나타내었다.측정일 외
부환경을 고려할 때 흐린날 측정이 이루어진 토
성동 및 괴정역을 제외한 대부분의 역에서 승강
Dr y Bul b[ ℃]
Re l at i ve Humi di t y [ %]
DI
Nams andong
me an 3 1. 6 64. 9 82. 9 max. 3 3. 7 75. 0 84. 4 mi n. 2 9. 4 54. 0 81. 1
J agal c hi
me an 3 1. 9 64. 5 83. 2 max. 3 3. 2 74. 0 84. 2 mi n. 3 0. 1 59. 0 82. 1
Dae t i
me an 3 0. 5 71. 6 82. 2 max. 3 3. 1 87. 0 84. 0 mi n. 2 8. 2 58. 0 80. 6
Hadan
me an 3 2. 0 67. 5 83. 9 max. 3 4. 3 79. 0 85. 6 mi n. 2 9. 8 57. 0 82. 4
Be ome osa
me an 3 0. 3 63. 8 80. 7 max. 3 2. 7 81. 0 82. 6 mi n. 2 6. 7 52. 0 77. 6
Nampodong
me an 3 1. 4 63. 7 82. 4 max. 3 3. 4 71. 0 84. 5 mi n. 2 9. 6 53. 0 80. 6
Se odae s i ndong
me an 3 0. 5 64. 0 81. 2 max. 3 2. 6 72. 0 83. 2 mi n. 2 8. 9 57. 0 79. 7
Dangni
me an 3 1. 6 60. 3 82. 1 max. 3 3. 5 73. 0 84. 1 mi n. 2 9. 5 49. 0 80. 3
Bus anSt at i on
me an 3 1. 5 64. 4 82. 6 max. 3 3. 0 76. 0 83. 9 mi n. 2 9. 8 57. 0 81. 3
Dongdae s i ndong
me an 3 1. 0 65. 7 82. 2 max. 3 2. 6 75. 0 83. 3 mi n. 2 8. 9 56. 0 80. 0
Saha
me an 3 1. 0 69. 3 82. 7 max. 3 2. 5 81. 0 84. 1 mi n. 2 9. 3 60. 0 81. 2
Tose ongdong
me an 2 9. 2 56. 6 78. 2 max. 3 0. 6 65. 0 79. 7 mi n. 2 7. 3 52. 0 76. 4
Goe j e ong
me an 2 7. 5 63. 2 76. 7 max. 2 8. 9 73. 0 78. 3 mi n. 2 5. 6 58. 0 74. 7
<Table 5> Dry Bulb, Relative Humidity and DI of measurement value
장 내부의 건구온도는 평균 30℃를 초과하고 있 음을 알 수 있다.따라서 <Tabl e5 >의 온도,습 도,불쾌지수 등의 최대값을 고려하여 [ Fi g.3 ]- [ Fi g. 5 ] 는 맑은날( 8 월20- 8월2 8일) 과 흐린날( 8 월
2 9 - 8월3 1일) 을 기준으로 하여 승강장내 온도,습 도,불쾌지수 등을 승강장 공기조화 설비 기준과 비교한 것이다.비교 결과 승강장 내부 온도는 날씨가 맑은날의 경우는 공기조화 설비 기준 온 도인 28℃를 약 5℃ 정도 초과하였고,흐린날의 경우도 기준값에 비해 약 2℃정도 초과하고 있음 을 알 수 있다.이는 승강장 환기를 위해 외기를 도입하여 공급함으로써 흐린날이 상대적으로 맑 은날에 비해 외기온도가 낮기 때문이다.상대습 도는 맑은날에 비해 흐린날이 기준값 70% 이하 로 나타났다.
[Fig. 3] Compare platform temperature with air conditioning standard
[Fig. 4] Compare platform relative humidity with
air conditioning standard
[Fig. 5] Compare platform discomfort index with air conditioning standard
온도와 습도를 사용한 열환경 지수로서 불쾌지 수는 맑은날의 경우는 84,흐린날의 경우는 79로 각각 기준값 초과하였다.따라서 불쾌지수에 따 른 승강장의 열환경은 맑은 날의 경우에는 거의 대부분의 승객들이 열차를 기다리는 동안 불쾌하 게 느낀다고 판단되며,흐린날의 경우에는 50%
정도가 불쾌하게 느낀다고 판단된다.
2 승강장 열차 진입에 따른 열환경
승강장 내에서 열차 진입에 따른 열차풍의 영 향으로 인하여 열차를 기다리는 승객들에게 온열 적으로 많은 영향을 줄 것으로 판단되어 기류의 영향을 고려한 지표로서 PMV 및 PPD를 적용하 여 승강장의 열환경을 분석하였다( 김형철 외 2 0 0 6 ) .측정은 외기온도가 가장 높은 시간대인 오 후 2시부터 4시 사이에 각 승강장에서 열차 진입 여부에 따라 온도,습도,기류 등을 클라이마스터 를 사용하여 반복 측정하였고,<Tabl e6 >에 나타 내었다.승강장을 이용하는 승객들의 PMV 및 PPD를 계산하기 위한 인체측 입력변수로서는 의 복의 단열정도를 클로[ c l o] 로서 나타내는 착의량 과 활동정도를 메트[ Me t ] 로서 나타내는 대사량이 있다.본 연구에서는 여름철 의복상태를 고려하 여 0. 5c l o,대사량은 열차를 기다리면서 서 있는
Tr a i n-i nduc e dwi nd Dr y Bul b [ ℃]
Re l a t i ve Humi di t y [ %]
Ai r Ve l o c i t y
[ m/ s ]
Daeti o 31.2 55.4 1.8x 31.5 55.9 0.7 Seodaesindong o 31.6 57.1 1.2 x 31.5 58.0 0.3 Dongdaesindong o 32.0 51.9 0.8 x 32.1 52.3 0.1 Hadan o 32.4 60.7 1.1 x 32.2 61.7 0.8 Dangni o 32.5 61.5 0.9 x 32.8 60.4 0.4 Saha o 32.9 60.2 0.8 x 32.6 61.1 0.2 Goejeong o 33.1 57.7 1.0 x 33.3 57.2 0.3 BusanStation o 34.4 57.6 0.7 x 34.3 63.1 0.1 Nampodong o 33.2 60.3 0.8 x 33.6 60.4 0.1 Jagalchi o 33.8 59.9 1.1 x 33.6 60.4 0.1 Toseongdong o 32.3 55.7 1.0 x 32.4 57.2 0.5 Beomeosa o 29.3 58.0 1.0 x 29.4 59.9 0.1 Namsandong o 28.3 61.0 1.4 x 28.5 60.2 0.6
<Table 6> Dry Bulb, Relative Humidity and Air velocity of measurement value
의 승객은 한국인성인 남성의 표준체형을 고려하 여 체중 70kg,체표면적 1. 8㎡으로 가정하였다( 산 업자원부 기술표준원) .이상의 가정을 바탕으로 PMV와 PPD를 열차 진입여부에 따라 계산하여
<Ta b l e7 >에 나타내었다.PMV 평가는 ±2 ( PPD=7 5 %) 를 초과하는 경우는 바람직하지 않고, PMV
±1 ( PPD=2 5 %) 의 범위내에서 사용하는 것이 바람
직하다.따라서 측정역사 중 범어사 및 남산동
역사 측정일( 8 월31일) 은 흐린 날씨였고,이로 인
해 양 역사의 승강장은 열차 유무에 따라 PMV
와 PPD의 개선이 나타났지만,나머지 역에서는
열차풍으로 인한 온열적 개선효과는 상대적으로
미약하였다.[ Fi g.6 ]및 [ Fi g.7 ] 은 열차풍으로 인
하여 온열적 개선효과가 나타난 역과 아닌 역을
서로 비교하였다.열차풍효과가 나타난 역은 흐
린날로서 다른 역사에 비해 외기온도가 낮고,기
류속도가 높았다.특히 범어사 역은 인근의 지상 역사( 노포동 역사) 로부터 도입되는 외기 영향으 로 파악 되지만,추가적인 연구가 필요하다고 사 료된다.반면에 맑은날 측정된 역사의 경우는
<Ta bl e 6 >과 같이 승강장내부의 공기온도가 높 음으로 인하여 열차풍으로 인한 온열적 개선효과 는 미약한 것으로 판단된다.
Tr ai n -i nduce d
wi nd( X) Tr ai n -i nduc e d wi nd( ○)
Sunny Day ( 8/ 2 1-8
/ 27)
Dae t i PMV 1. 9 1 . 6 PPD 7 0. 5 58. 7 Se odae s i ndong PMV 2. 0 1 . 9
PPD 7 5. 4 71. 6 Dongdae s i ndong PMV 2. 2 2 . 0
PPD 8 3. 4 76. 2 Hadan PMV 2. 1 2 . 2
PPD 8 2. 3 84. 7 Dangni PMV 2. 4 2 . 2
PPD 9 0. 4 86. 2 Saha PMV 2. 3 2 . 4
PPD 8 9. 2 90. 6 Goe j e ong PMV 2. 5 2 . 4
PPD 9 3. 4 91. 3 Bus anSt at i on PMV 2. 9 2 . 9
PPD 9 8. 8 98. 6 Nampodong PMV 2. 6 2 . 5
PPD 9 5. 6 93. 2 J agal c hi PMV 2. 6 2 . 7
PPD 9 5. 6 96. 9 Tos e ongdong PMV 2. 2 2 . 1
PPD 8 4. 8 81. 8 Cl oudy
Day ( 8/ 31 )
Be ome os a PMV 1. 5 1 . 0 PPD 5 1. 6 27. 4 Nams andong PMV 0. 9 0 . 6
PPD 2 2. 0 12. 6
<Table 7> Compare thermal environment of platform
3 외기온도와 승강장 열환경 관계