터널 조명 설계에 대한 KSC 3703 활성화와 에너지 절감 방안

터널 조명 설계에 대한 KSC 3703 활성화와 에너지 절감 방안

이현화<한빛디엔에스(주) 대표이사>․유철수<한빛디엔에스(주) 전무>

터널 조명 설계는 기본적으로 터널을 통과하는 운 전자의 피로감을 덜어주고 안전하게 운전할 수 있도 록 하는 것이 중요한 사항으로, 이를 달성하기 위하여 터널 조명 설계 기준을 KSA 3703(이하 KSA)에서 국제 조명 기준인 CIE88(2004)를 토대로 한 KSC 3703(이하 KSC) 으로 변경함에 따라 그간 터널 조 명 설계에 대한 KSA 적용상의 문제점을 검토하고 KSC에 의한 설계 및 에너지 절감 차원에서의 주간 5 단계 적용 설계 방안을 제시하고자 한다.

1. 현행 터널 설계에 대하여

1.1 국내 터널 조명 설계의 설계 기준 KSA에는 휘 도에 의한 설계를 하도록 규정되어 있으나 일률적으 로 조도에 의한 설계를 하고 있으며, 이는 노면의 재 질에 따라 조도량이 달라지므로 같은 설계속도에서도 다른 값을 가지게 되므로, 설명하거나 기술하는데 여 러 가지 어려움이 있다고 판단된다. 또한 입구부의 경 우 KSA 그림 3과는 다른 내용으로 과잉 설계되거나 그림과는 무관하게 기준을 잡고 있고, 구간 나눔에 있 어 KSA 그림 3 곡선 값 이하로 설계되는 구간도 발 생하고 있다(그림 2 참조).

1.2 입구부의 경우 일본에서는 1970년대 터널에 대한 기술 규격 JISZ9116을 만들 당시부터 에너지 절감 차원에서 일본도로협회에서 국가 기술 규격과는 별도로 입구부는 터널 길이에 따라 세밀하게 설계 규 격을 설정하여 놓고 있다.

예를 들면 설계 속도 100[km/h], 400[m]이상 터널의 경우 입구부의 야외휘도가 4,000[cd/㎡]일 때 경계부 노면 휘도는 JIS Z9116 규격에 따르면 4,000×0.07=280[cd/㎡]로 설정 적용하여야 하나, 일본도로협회에서는 따로 규정을 정하여 95[cd/㎡]

를 적용하도록 정하고 있다. 또한 터널길이 75[m]이 하, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350[m] 등과 같이 세분화하여 입구부의 경계부, 이 행부, 완화부 길이 적용 수치를 상세하게 정의하여 놓 은 것이다. 이는 80~40[km/h]에 대해서도 마찬가 지이다.

또한 야외 휘도가 3,000[cd/㎡], 6,000[cd/㎡]

인 경우는 각각 위 값의 0.75배, 1.5배를 적용하도록 규정하고 있다.

1.3 우리나라에서는 설계 속도 100[km/h]인 경 우 경계부 야외 휘도 2,000[cd/㎡]을 기준, 경계부 휘도를 2,000×0.07=140[cd/㎡]를 기준으로 하여

노면 재질에 따라 노면이 아스팔트이면 140×18

=2,520[Lx], 콘크리트이면 140×13=1,820[Lx]

를 경계부의 기준조도로 하여 노면의 재질에 따라 조 도에 의한 설계하고 있다.

1.4 출구부의 경우는 아래 표 1과 같이 400[Lx]

를 기본으로 설정 적용하고, 입구부에 적용하고 있 는 ‘맑은 날’, ‘흐린 날’ 등 단계 제어를 적용하지 않고 있다.

또 이보다도 훨씬 높은 조도값으로 구현(표 1에서 는 543[Lx])하여 주간에는 항상 켜두는 상태로 설계 하고 있다. 이는 에너지 절감 차원에서도 바람직하지 못하다고 생각된다.

KSA에 따르면 출구부 내부 70[m] 지점에서 출구 부를 향하여 보았을 때 출구부가 4,000[cd/㎡]일 때 이의 1/10인 400[Lx]를 적용한다고 볼 수 있는데 이는 터널 입구와 터널 출구가 평행으로 되어 있는 경 우가 대부분임을 감안하면, 입구부 야외 휘도는 2,000[cd/㎡], 출구부는 4,000[cd/㎡]라는 의미로 해석할 수 있는 것이어서 400[Lx]를 모든장대 터널 에 적용하는 것은 좀 더 검토되어야 한다고 본다.

1.5 여기서 입구부와 출구부에 조명 제외 구간을 둔 이유가 무엇인 지도 살펴볼 필요가 있다. 어느 기 준이든 터널 시작점에서부터 바로 조명을 실시하게 되어 있기 때문이다. 이는 운전자가 터널 진입시 높은 야외 휘도에서 급격히 낮은 조명으로 들어 가기때문 에 순응면에서도 그리 좋지 않다고 생각한다.

기본 조명 구간길이가 예를 들어 적용 등기구의 조 명률 관계로 7.8[m]로 정했다면 이를 전 구간을 나 누어 7.8[m] 이하 발생시 이를 적절히 해소하기 위 한 방법으로 계산서에 그 이유를 제시하면서 적용할 수 있으리라 본다. 그런데 표 1처럼 18[m], 26.5 [m]를 제외한 것은 지나치다고 본다.

1.6 KSA 5.5.1 [비고 1]항에 의하면 기본 조명은 터널 전 구간에 걸쳐 같은 간격으로 설치하도록 되어 있으나, 실제 설계에서는 입구부의 경계부, 이행부, 완화부와 기본부, 출구부에서의 기본 조명 구간이 다 르게 설계되어 있는 경우도 볼 수 있다. 이는 주간 단 계에서는 전 구간에 걸쳐 같은 간격으로 설계되어야 하는데 이렇게 하여야 할 이유가 있다면 그 내용을 설 계 도서에 밝혀야 할 것이다.

2. 터널 설계 분석 비교

2.1 설계속도 100[km/h], 야외휘도 2,000[cd/

㎡](이는 경계부 140[cd/㎡]를 의미) 및 콘크리트노 면으로 되어 있는 oo터널의 계산서 내용은 아래 표 1 과 같다.

표 1. 100[km/h], 경계부140[cd/㎡], 노면 콘크리 트 예

여기서 ‘흐린 날’ 완화부 5의 경우 기본부보다 조도 가 낮음(이는 계산상 조금 낮은 것으로 보이나 등기 구 단계 구성 배치상의 문제이기 때문이다)도 간과할 수 없는 사항이다.

그림 1은 표 1의 ‘맑은 날’, ‘흐린 날’의 자료를 그림 (그래프는 모두 등간격 눈금으로 구현수)으로 표현한 것이다.

또 주간 5단계 제어 방식을 적용하면 아래 표 2에 서와 같이 ‘흐린 날’은 53.2[%]에 해당된다.

이를 토대로 KSA 그림 3을 구현하고 이들을 동시 에 표현하면 그림 2와 같다.

그림 1. 설계 내용을 KSA 그림 3 적용하지 않고 표현 표 2. 설계 내용 ‘흐린 날’은 ‘흐린날1’에 해당

그림 2. 설계 내용을 KSA 그림 3과 동시 표현

그림 2를 살펴 보면 KSA와는 거리가 있는 설계임 을 알 수 있으며, 출구부도 기준으로 정한 400[Lx]

보다도 훨씬 높게 설계(표 1에서 보면 543[Lx])되 어 있음도 주목할 필요가 있다.

또 경계부의 ‘흐린 날’ 단계는 위 표 2에 의하면 ‘맑 은 날’의 53.2[%]를 기준으로 설계되어야 하나 68[%]까지 높여야 아래 그림 3과 같은 값을 얻을 수

있다.

이는 ‘흐린 날’ 단계 기준을 너무 높게 설정하였음 을 의미한다.

그림 3. ‘흐린 날’ 경계부 휘도가 ‘맑은 날’의 68[%]

이렇게 하여 처음부터 KSA 곡선을 구현하여 각 부 의 구간 길이를 그대로 두고 설계하면 그림 4를 얻을 수 있다. 여기서 경계부와 완화부 1단계의 조도비(표 1에서 1,974[Lx] : 1,806[Lx])가 너무 적음을 알 수 있다. 이를 해소하기 위하여 경계부의 길이를 이행 부의 일부까지 좀 더 길게 잡는 게 필요하다.

그림 4. 구간길이 등 그대로, KSA 그림 3에 따른 설계 2.2 터널에 적용된 총 조도량을 비교하기 위하여 표 3과 같이 곡선상의 구간 면적을 합하여 비교하여

보자.

실제 설계한 ‘맑은 날’을 100[%]로 보면, 기준값 으로 설정한 값은 85.7[%]에 해당하며 KSA 그림 3에 따라 정상 설계하였다면 81[%]에 해당된다. 이 는 KSA에 의한 값보다 약 19[%] 초과되었음을 의 미한다.

‘흐린 날’의 경우 실제 설계값을 100[%]로 보면 기 준값은 제시되어 있지 않으나 KSA 그림 3에 따라 정 상 설계하였다면 86.6[%]에 해당되며, 이는 KSA에 의한 값보다 약 15[%] 초과되었음을 의미한다.

표 3. 구간 조도 및 구간 길이에 의한 면적 비교

2.3 모든 조건을 같다고 보고 원래 설계 내용 ‘맑은 날’, ‘흐린 날’에 대한 KSC에 의한 설계(입구부 및 출 구부 그림에 유의)하였다고 하면 아래 그림 5와 같다.

그림 5. KSC에 의한 설계

이들을 위 2.2항과 같은 방법으로 비교하여 보자.

실제 설계한 ‘맑은 날’을 100[%]로 보면 이 값은 기준값으로 설정한 값 85.7[%]는 앞의 KSA 기준값

과 같은 비율이나, KSC 그림 3으로 설계하였다고 보 면 KSA로 정상 설계한 경우 81[%]보다 낮은 74.3[%]에 해당되며, 약 26[%] 초과 설계되었음을 의미한다.

‘흐린 날’의 경우 실제 설계값을 100[%]로 보면 설 계 기준값은 없으나 KSC 기준 설계값으로 설계한 경 우 79[%]로 이는 약 21[%] 초과되었음을 의미하 며, KSA보다는 KSC 규격이 입구부에서 더 급격하 게 변함을 알 수 있다.

표 4. KSC에 의한 설계 내용

2.4 입구부에 대하여 아래 그림 6과 같이 소개되 어 있는 곳도 있다. 세로축 즉, 휘도[%]에 대하여 KSA, KSC 모두 대수 눈금으로 구현되어 있는데, 세로축이 보통눈금인지 대수 눈금인지 알 수가 없으 며, 기준으로 설정한 검은 선으로 보면 직선이므로 이는 편대수라고 판단할 수 있겠으나, 이 직선을 중 심으로 좌우에 걸쳐서 구간을 설정하는 것은 배치 방법으로서는 적절하지 못하다. 이는 어느 경우든 지 직선이든 곡선이든 그 이하로 내려가면 안되기 때문이다.

그림 6. 현재 적용되고 있는 도서 내용(참고용)

그림 9. 원 설계 기준을 KSC에 의한 5단계 구현

그림 10. 구간 나눔은 그대로, KSC 5단계 구현 2.5 KSA의 경우 정상적인 주간 5단계 제어 설계

기준과 위 원 설계에서 나눈 구간 길이대로 설계하여 그래프로 표시하면 그림 7, 그림 8과 같다.

그림 7. 원 설계 기준을 KSA에 의한 5단계 구현

그림 8. 구간 나눔은 그대로, KSA 5단계 구현

2.6 KSC의 경우 정상적인 주간 5단계 제어 설계 기준과 위 원 설계에서 나눈 구간 길이대로 설계하여 그래프로 표시하면 그림 9, 그림 10과 같다.

KSC의 경우 출구부는 정지거리만큼 단계적으로 상승하여 최종 구간에서는 기본부 조명의 5배로 구현 한 것을 나타내고 있음도 유의 바란다.

2.7 두 규격의 차이점 중 경계부 노면 휘도 최소값 은 KSA의 경우 140[cd/㎡], KSC는 200[cd/㎡]이

므로 원 설계에서 정한 구간을 그대로 KSC에 적용하 여 비교하면(이는 국내에서 KSA는 주로 140[cd/

㎡]을 적용하여 왔으므로 KSC의 경우도 최소값을 적 용한 경우를 가정한 것이다), 아래 표 5와 같이 5단 계 제어의 2, 3, 4단계 값이 달라질 것이다(표의 오 른쪽 비율 참조).

표 5. KSC로 최소 경계부 휘도 200[cd/㎡] 및 기본 부 9[cd/㎡] 설계 내용

2.8 원 설계의 ‘맑은 날’, ‘흐린 날’에 대하여 KSA 대신 KSC 그림 3을 적용하여 설계하였다면 그림 11 같이 표현된다.

그림 11. ‘맑은 날’, ‘흐린 날’을 KSC로 5단계 구현

KSC의 경우 앞에서 설명한 바와 같이 출구부는 정 지거리만큼의 길이를 입구부와 마찬가지의 계단적 상 승을 적용하여야 하므로 기본부 길이(KSA의 경우 250[m]가 156.4[m])가 줄어들 것이고, 표 6과 같 이 총량적으로 보면 ‘맑은 날’의 경우는 98.6[%], ‘흐 린 날’의 경우는 103.4[%]로 큰 차이가 나지 않음도 알 수 있다. 이는 에너지를 절약할 수 있는 설계가 이 루어져야 함에도 조도량 초과 상태로 설계되었음을 의미한다.

표 6. 원구간으로 KSC 경계부 최소휘도 200[cd/㎡]

및 기본부 9[cd/㎡] 설계 내용

2.9 등기구의 배치 간격에 있어 등기구 간격과 등 기구 설치 높이와의 관계 및 설계 속도에 따른 불쾌감 을 유발할 수 있는 피하여야 할 주파수는 KSA의 경

우 5~18Hz(KSC의 경우 4~11Hz) 즉 등기구 간 격으로 보면 1.5~5.6[m]를 피해야 하나 이 또한 정 상적으로 적용되지 않고 있는 사례가 많다(그림 12 참조).

그림 12. 기본 구간 거리가 4.3[m]

구간별 조도를 계산함에 있어서도 기본 조명 설계 에 적용하여야 할 배열 계수를 입구부 및 출구부 구간 에도 그대로 적용하여 계산하고 있음도 간과할 수 없 는 사안이다.

이는 입구부나 출구부의 경우 대칭배열로 되어 있 다고 하더라도 단계에어에서는 그 기조가 무너지기 때문에 일반 배열 개념으로 계산되어야 한다.

직사 조명률 계산에 있어서 주행선 및 추월선측 2 열 배치인 경우에도 설치하는 위치에 따라 같은 등기 구라도 조명률이 계산 수치가 표 7과 같이 서로 차이 가 있는데 한쪽만 계산하여 그 값을 일정하게 적용하 고 있다. 이는 등기구마다 또한 설치 위치마다 거기에 따른 계산된 조명률을 적용하여야 할 것이다.

표 7. 주행선, 추월선측 등기구별 조명률 계산 예 2.10 UPS 용량 선정에 대하여

현행 심야 전력량에 대한 UPS 용량 설정으로

UPS 용량이 너무 높은 것으로 나타난다. 아래 그림 13과 같이 심야 보다 낮은 단계인 비상 전원 회로를 야간회로에 추가하고 조(휘)도 제어기기에 기능을 삽 입하면 가능하다고 본다.

그림 13. 단계 제어 구현 예 – 주간과 야간을 구분

3. KSC 적용

3.1 KSA과 KSC을 비교하여 볼 때 KSA에는 터 널 길이에 대한 언급은 없으나 KSC에는 200[m] 이 상 터널과 50[m]미만, 50~100[m], 100~200 [m] 터널에 대하여 엄격하리만큼 규격을 정해 놓고 있다는 것이다. 이는 JIS9116과는 달리 일본도로협 회에서 설계 속도별 적용휘도 및 입구부인 경계부, 이 행부, 완화부의 길이를 엄격하게 정의하여 놓은 것과 유사하다고 볼 수 있다.

3.2 KSA는 이행부, 완화부에 대하여 적용하는 요 령에 대한 언급이 없으나 KSC에서는 경계부와 이행 부로 구분하여 경계부는 설계속도에 따라 정지거리를 설정하여 놓고, 또 이를 절반으로 나누어 전반부는 야 외 휘도에 따라 노면 휘도값을 설정하게 되어 있으며, 후반부는 이행부 시작점(설정된 경계부 노면 휘도값 의 약 40[%]에 해당)에 선형적으로 감소하도록 규정 하고 있다.

3.3 이행부는 Lth×(1.9 + t)-1.4를 적용하여 단 계 제어의 경우 이행부 마지막 구간과 기본부 조명과

는 2:1이하가 되도록 설계하라는 내용과, 단계 제어 의 경우 주어진 곡선 이하가 되지 않도록 하라(6.4 3 항)는 내용도 구체적으로 정의하고 있다.

3.4 출구부에 대해서는 설계 속도별 정지 거리 이 상에 걸쳐 점차 증가, 출구 접속부 전방 20[m] 지점 의 휘도가 기본 조명 휘도의 5배를 되도록 되어 있다 (여기에는 입구부의 이행부처럼 구체적인 수식이 주 어지는 게 설계상 도움이 되리라 본다).

4. 설계 제안 사항

4.1 터널 조명 설계에 앞서 사전 준비 사항으로 먼 저 아래 그림 14 사항을 확인한다.

그림 14. 터널 조명 설계시 사전 준비 사항

4.2 주간 5단계 제어 설계 그림 15과 같은 방법으 로 적용한다.

그림 15. 주간5단계 제어에 대한 조도로의 구현 방법

4.3 적용하려는 등기구 각각에 대하여 설치 위치별 로 조명률을 아래 그림 16과 같은 방법에 의거 계산 하여 적용한다.

그림 16. 조명률 계산 방법 설명

KSA의 경우는 아래 그림 17 사항을 확인하고,

그림 17. KSA에 제시된 주요 사항 KSC의 경우는 아래 그림 18 사항을 확인하여

그림 18. KSC에 제시된 주요 사항

다음 그림 19과 같은 순서로 적용하여 설계하면 적 정한 설계가 이루어질 것이다.

그림 19. 설계 순서

5. 에너지 절감

5.1 국가별로 국가 규격에서 제시한 방식을 응 용하여 해당국 도로 공사 또는 도로 협회 등에서 국가 규격을 응용하여 별도로 지침이나 규정을 제 정하여 실제 적용하는 사례 등을 검토하여야 할 것 이다.

5.2 일본의 경우는 전체 3,300[km]에 달하는 터널에 대하여 장대 터널의 경우와 소형 터널에 대 하여 단계 제어 적용 방법도 달리하고 있으며, 터널 조명의 광속(光束) SENSING에 의한 에너지 절감 즉 신설된 등기구는 초기에는 높은 광속이 나오다가 시간이 지남에 따라 광속 감퇴나 주위 온도 변화에 의한 광속 감퇴 등도 연구하고 있으며, 터널 앞부분 에 차량 감지기를 설치하여 차량 통행이 없는 시간 에는 터널 조명을 낮추는 방법 등도 적극 검토되고 있음을 일본 건설기술연구소의 보고서 등을 통하여 알 수 있다.

5.3 KSC의 경우 표 8과 같이 200[m]이상의 터 널에 대하여 경계부 노면 휘도를 100[%] 적용하게 되어 있으나, 장대 터널은 출구부를 고려할 정도의 터 널로 적어도 400[m]이상이 되어야 하므로, 에너지 절감 차원에서 보면 그 길이에 대해서는 좀 더 검토가 필요하다고 본다.

표 8. KSC 부표2에 경계부 노면휘도에 대한 조절계수

5.4 국내에서도 고속화 도로가 많아지고 있으며, 기존 고속도로도 주행 속도를 상향 조절되는 상황으 로 110[km/h] 또는 120[km/h]에 대한 규격을 제 정하여 적용하는 것이 고속화에 따른 터널 설계에 혼 선이 없으리라 본다.

6. 결 론

6.1 터널 조명 설계에서 현재 KSA 규격만 정상적 으로 따른다 하더라도 약 15[%]의 에너지 절감이 예 상되며, 주간 5단계 제어 방법으로 ‘맑은 날’을 ‘맑은 날1’, ‘맑은 날2’로 ‘흐린 날’은 ‘흐린 날1’, ‘맑은 날2’로 구현함으로써 주간 날씨 변화에 의한 절감량 10~

20[%]라고 볼 때, 전기 에너지는 20~25[%] 정도 는 절감할 수 있음이 예상된다.

6.2 피해야 할 등기구 설치 간격 - 특히 전구간에 걸친 기본 조명에 대하여 - 은 필히 지켜져야 하며, 적용하려는 등기구마다 조명률을 설치 위치별로 각각 계산하여 적용하는 것은 적정 설계를 위한 필수 사항 이어야 한다.

6.3 경계부 설계에 있어서 KSA 그림 3, 또 KSC 그림 1, 3을 구현하여 설계 기준을 작성하고, 설계 계 산된 내용과 그 곡선과 어떤 관계인 지를 보여 주어 적정성을 판단하여야 하며, 시공 후에는 감리를 통하

여 설계 내용과 부합하는 지를 측정하여야 할 것이다.

참 고 문 헌

가. 한국산업규격, 터널 조명기준 KSA3703(1992).

나. 도로안전관리시설 설치 및 관리지침(건설교통부 1999).

다. 도로설계편람(1999. 12).

라. 조명설비 설치 기준(한국도로공사 2000).

마. 전기실무 지침서(한국도로공사 시설처 2002. 10).

바. 도로터널 조명시설의 설계기준(건설교통부,한국조명전기설비 학회1996).

사. 道路照明施設 設置基準ㆍ同解說(日本道路協會) 昭和 56(1981).

아. 日本工業規格, トンネル照明基準 JISZ9116(1990).

자. CIE, Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses, Pub No. 88-1990(ISBN 3900734259), 1990.

차. Tunnel Engineering Handbook(2nd Edition of Chapman & Hall).

카. 한국산업규격, 터널 조명기준 KSC 3703(2010).

타. 한국도로공사 전기실무지침서(2008).

◇ 저 자 소 개 ◇

이현화(李鉉化)

1961년 7월 5일생. 1987년 2월 조선 대학교 전기과 졸업. 1990년 2월 서울 시립대 전기전자컴퓨터공학 졸업(박사).

1997년 12월 건축전기설비기술사. 1998년 10월 전기응용기술사. 2001년 12월 한빛기술단 설립.

현재 한빛디엔에스(주) 대표이사.

E-mail : [email protected]

유철수(柳哲秀)

1949년 7월 30일생. 1976년 2월 서울 공대 전기과 졸업. 1976년 1월~2008년 3월 생산설계 분야 발전설비 계장설계 분야. 신소재 산업 공장 설계 및 생산 업무 담당 정보통신회사 운영설비 보전 및 네트워크 설계 분야. 터널, 지하철 등 방재 및 전기설비 설계. 신재생 에너지(태양광, 풍력 발전설비) 설계 및 감리. 2008년 4월 한빛디엔에스(주) 전무.

E-mail : [email protected]