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문제 정의
- 본 연구에서는 미세먼지 측정기를 대합실, 승강장, 본선터널에 각각 1대씩 동시에 설치하여 동시간 30분 단위로 30분간의 평균 미세먼지농도를 측정하였다. 각 장소에서 측정된 미세먼지농도의 상대적 크기와 시간대별 변화패턴 분석을 통해 지하역사에서 발생되는 미세먼지의 주된 발생장소와 발생된 미세먼지의 확산방향, 확산 속도 등을 파악함으로써 지하역사의 공기질 개선을 위한 노력과 비용을 최소화 할 수 있는 보다 효과적인 전략을 제시하는 것에 연구목적이 있다. 1장 서론에 이어, 2장 연구방법에서는 미세먼지 측정장소와 측정기간, 측정방법 등을 기술하였다.
- 본 논문에서는 지하역사의 효율적인 공기질 관리방법을 개발하기 위하여 대합실, 승강장, 본선터널 사이의 미세먼지 확산방향과 확산속도를 구하였다. 서울지하철 5호선 개화산역을 중심으로 대합실, 승강장, 본선터널에 대한 시간대별 미세먼지농도를 측정하고, 각 장소에서의 미세먼지농도 변화패턴 사이의 상관관계 분석을 통하여 지하역사 내 미세먼지의 시간적, 공간적 확산특성을 파악하였다.
제안 방법
- 1장 서론에 이어, 2장 연구방법에서는 미세먼지 측정장소와 측정기간, 측정방법 등을 기술하였다. 3장 결과 및 고찰에서는 미세먼지 측정장소 (대합실, 승강장, 본선터널) 에서의 미세먼지 농도 측정결과와 미세먼지 확산방향 및 확산속도 등을 분석하였다. 4장 결론에서는 지하역사에서의 효율적인 미세먼지 관리방안을 정리하였다.
- 개화산역의 측정위치와 요일에 따른 미세먼지농도 변화를 에 요약하였다.
- <그림 4> 는 개화산역의 열차운행빈도1)와 대합실, 승강장, 본선터널, 외기에서 30분 단위로 측정한 미세먼지농도를 평일, 토요일, 일요일로 나누어 각 지점에서의 미세먼지농도 변화를 나타냈다.
- 또한, 열차운행빈도와 대합실, 승강장, 본선터널 미세먼지농도 사이의 상관관계를 확인하기 위하여 열차운행빈도 값의 크기를 기준으로 요일별로 대합실, 승강장, 본선터널의 미세먼지농도의 변화패턴를 비교하였다. 미세먼지농도와 열차운행빈도 값에 대해 scale factor를 <표 4>와 같이 정하였고, 이를 적용한 결과를<그림 12>에 나타냈다.
- kr) 값을 인용하였다. 미세먼지 측정은 2009년 9월 11일부터 2009년 10월 17일까지 총 35일간 실시하였다.
- 베타선흡수법으로 24시간 연속하여 시료를 채취하는 동안 입자성분 사이의 상호작용과 습도(수분)의 영향 등으로 미세먼지농도 측정값에 차이가 있을 수 있어 검증을 위해 소용량 공기포집기(Air Metric, USA)도 같이 설치하여 중량법에 의한 측정을 10회 이상 반복 실시하여 보정하였다[17].
- 본 논문에서는 개화산역 대합실, 승강장, 본선터널에서의 미세먼지농도를 30분 단위로 측정하고, 각 장소에서 측정된 미세먼지농도의 크기와 시간에 따른 변화패턴을 분석하였다. 그 결과 <그림 4> 에서와 같이 열차운행빈도 f열차(t) 변화가 선행하면, 본선터널 미세먼지농도 ρ터널(t) 의 변화패턴이 일정시간 α 만큼 지연되어 열차운행빈도 변화패턴을 따라간다.
- 본 연구에서는 미세먼지 측정기를 대합실, 승강장, 본선터널에 각각 1대씩 동시에 설치하여 동시간 30분 단위로 30분간의 평균 미세먼지농도를 측정하였다. 각 장소에서 측정된 미세먼지농도의 상대적 크기와 시간대별 변화패턴 분석을 통해 지하역사에서 발생되는 미세먼지의 주된 발생장소와 발생된 미세먼지의 확산방향, 확산 속도 등을 파악함으로써 지하역사의 공기질 개선을 위한 노력과 비용을 최소화 할 수 있는 보다 효과적인 전략을 제시하는 것에 연구목적이 있다.
- 본 논문에서는 지하역사의 효율적인 공기질 관리방법을 개발하기 위하여 대합실, 승강장, 본선터널 사이의 미세먼지 확산방향과 확산속도를 구하였다. 서울지하철 5호선 개화산역을 중심으로 대합실, 승강장, 본선터널에 대한 시간대별 미세먼지농도를 측정하고, 각 장소에서의 미세먼지농도 변화패턴 사이의 상관관계 분석을 통하여 지하역사 내 미세먼지의 시간적, 공간적 확산특성을 파악하였다.
- 승강장 미세먼지농도가ρ승강장(t) 변하면 일정시간 β만큼 지연되어 본선터널 미세먼지농도 변화 ρ터널(t) 패턴을 따라간다. 이러한 두 선행관계로부터 지하역사에서의 미세먼지의 확산방향과 속도를 추정하였다.
- 다중이용시설 등의 실내공기질공정시험기준 중 미세먼지(PM10) 농도의 연속측정은 시료채취용 여과지에 β-ray를 투과시킬 때 β-ray가 흡수되는 양을 측정하여 미세먼지의 중량농도를 측정하는 베타선흡수법(β-Ray Absorption Method)을 사용하였다(환경부, 2010). 측정장비는 FH62C14 Particulate Monitor(Thermo, USA)로 연속적으로 Single Filter Spot에 채취된 미세먼지의 중량농도를 30분 단위로 측정하여 현시하도록 하였다. 측정기의 공기 흡입량은 14.
대상 데이터
- 대기 중 미세먼지농도가 지하역사에 미치는 영향을 비교하기 위하여 개화산역 외기의 미세먼지농도는 강서구 푸른들청소년도서관에 설치되어 있는 서울시 대기오염자동측정망의 실시간 모니터링 (http://air.seoul.go.kr) 값을 인용하였다. 미세먼지 측정은 2009년 9월 11일부터 2009년 10월 17일까지 총 35일간 실시하였다.
- 미세먼지 측정역사는 서울지하철 5호선 개화산역으로 선정하였다. 개화산역은 <그림 2>에서와 같이 역사 외부에 상가, 아파트단지 등이 위치해 있으나 서울 도심에 비해 한적하며 녹지대가 많고, 환기구 주변 도로에는 교통량이 적어 지하역사 공기질에 영향을 줄 수 있는 외부 오염원들을 최대한 배제할 수 있어 지하철 운행으로 발생된 미세먼지의 변화추이 분석을 통해 지하역사 내 미세먼지의 확산방향과 확산속도를 파악하는 데 용이하다.
- 측정지점은 <그림 2> (b),(c),(d)에서와 같이 승강장과 대합실은 열차운행 시 발생되는 열차풍에 의해 직접적으로 영향을 받지 않도록 통로(계단)를 피하고, 각각의 독립성과 대표성을 확보할 수 있는 승강장 중앙부근과 대합실 중앙부근의 한 지점씩을 측정지점으로 선정하였다. 본선터널은 스크린도어가 설치되어 있어 승강장과는 분리되어 있으므로 측정장비 설치가 용이하고 전원공급이 용이하도록 승강장 끝에서 김포공항 방향으로 약 44 m 떨어진 터널 내 한 지점을 측정지점으로 선정하였다.
이론/모형
- 다중이용시설 등의 실내공기질공정시험기준 중 미세먼지(PM10) 농도의 연속측정은 시료채취용 여과지에 β-ray를 투과시킬 때 β-ray가 흡수되는 양을 측정하여 미세먼지의 중량농도를 측정하는 베타선흡수법(β-Ray Absorption Method)을 사용하였다(환경부, 2010).
성능/효과
- - 미세먼지 발생원 : 열차운행빈도 패턴과 본선터널의 미세먼지농도 변화패턴 사이의 상관관계 분석 결과 열차운행빈도가 90분 선행할 때 두 패턴사이의 상관관계계수가 가장 높은 r열차,터널 =0.968 로 나타났다. 이로써 본선터널의 미세먼지 발생은 열차운행빈도와 매우 밀접한 것으로 나타났다.
- - 미세먼지 측정결과 : 지하철 운행시간 (06:00~24:00) 동안 개화산역 각 측정지점에서의 미세먼지농도는 본선터널이 294±156 ㎍/㎥ 로 가장 높았고, 승강장과 대합실은 각각 107±52.5 ㎍/㎥, 63±37.2 ㎍/㎥ 순으로 낮았으며, 외기는 45±23.3 ㎍/㎥으로 나타났다.
- - 미세먼지 확산속도 : 본선터널, 승강장, 대합실 미세먼지농도의 상관관계 분석 결과 본선터널의 미세먼지가 승강장으로 확산되는 데 30분 소요되고, 승강장의 미세먼지가 대합실로 확산되는 데 30분 소요되어, 본선터널의 미세먼지가 승강장을 거쳐 대합실로 확산되는 데 약 60분 소요되는 것으로 나타났다.
- 개화산역은 에서와 같이 일요일에 비해 평일의 열차운행횟수는 27% 많고, 이용승객은 83% 많은 것으로 조사되어 열차운행횟수의 증가와 이용승객의 증가가 평일 미세먼지농도 증가에 영향을 미치는 것으로 추정된다.
- 본 연구를 통하여 열차운행에 따라 발생된 미세먼지가 본선터널 내에 확산되고, 본선터널의 미세먼지가 다시 승강장과 대합실로 확산되는 것으로 추정된다. 따라서 역사 전 공간을 동일하게 관리하기 보다는 오염발생 원인 본선터널의 환경관리를 중점적으로 선행하는 것이 지하역사 환경관리에 효율적이다.
- 본선터널과 대합실 미세먼지농도 변화패턴의 상관관계 분석을 통하여 본선터널의 높은 미세먼지 농도가 열차풍 등에 의해 승강장을 거쳐 대합실로 확산되는 것으로 추정된다. 본선터널 측정지점에서의 미세먼지가 승강장 계단을 거쳐 대합실 측정지점까지 확산되는 데는 열차풍의 영향과 출입구로부터 유입되는 외기의 영향 등으로 인해 약 60분(평일) ~ 90분(일요일) 소요되는 것으로 나타났다.
- 본선터널의 경우 법에서 정한 환경관리기준은 없으나 미세먼지 1일 평균농도는 본선터널의 경우 307 ㎍/㎥(평일) ~ 276 ㎍/㎥(일요일) 로 높으며, 승강장의 경우 120 ㎍/㎥(평일) ~ 100㎍/㎥(일요일) 로 나타났고, 대합실의 경우 74 ㎍/㎥(평일) ~ 57 ㎍/㎥(일요일) 로 환경관리 기준 150 ㎍/㎥ 내에서 관리되고 있으며, 외기는 주중 평균이 45 ㎍/㎥ 로 유지되는 것으로 나타났다.
- 개화산역의 경우 비교통계량 간에 최대 상관관계가 형성될 때의 시간지연 값과 그 때의 상관관계수를 정리하면 <표 3> 과 같다. 본선터널의 미세먼지는 열차운행 빈도 보다 약 90분 지연되어 발생되며, 본선터널의 미세먼지가 승강장으로 확산되는 데 30분 소요되고, 승강장의 미세먼지가 대합실로 확산되는 데 30분이 소요되어 결과적으로 본선터널의 미세먼지가 승강장을 거쳐 대합실로 확산되는 데 평일일 경우 약 60분이 소요되는 것으로 추정된다.
- 서울도시철도공사(2010)는 지하역사의 공기질 관리 개선을 위하여 터널 내 미세먼지의 성분분석을 실시한 결과 <그림 1>과 같이 철(Fe) 성분이 많았다. 여기에 착안하여 열차하부에 10,000 Gauss 이상의 강력한 회토류계 영구자석을 설치하여 열차가 운행하면서 터널 내에 부유되어 있는 철 성분의 미세먼지를 흡착시켜 제거하는 시스템을 도입하여 터널 내 미세먼지를 효과적으로 줄여가고 있다.
- 또한 열차운행에 따라 발생된 지하역사의 미세먼지가 본선터널과 승강장, 대합실로 확산되는 시간이 다르므로 환기시스템도 지하역사 전 공간을 대상으로 같은 시간대에 동시에 가동하는 것은 비효율적이다. 역과 장소에 따라 미세먼지농도가 최대가 되는 시간대에 맞춰 환기시스템을 가동함으로써 환기효율을 높일 수 있고, 전력사용부하의 시간적, 공간적 분산으로 피크전력2)을 감소시켜 전력 사용료도 줄일 수 있다.
- <그림 7>로부터 요일과 관계없이 본선 터널 미세먼지농도 변화의 시간지연 값이 β= 30분일 때 승강장 미세먼지농도 변화와의 상관관계계수가 가장 높다. 요일별로는 열차운행빈도가 높은 평일이 상관관계가 높게 ( R=0.907 ) 나타났으며, 열차운행빈도가 낮은 휴일은 평일보다 상관관계가 다소 낮게 (토요일: R=0.836, 일요일: R=0.829 ) 나타났다.
- 968 로 나타났다. 이로써 본선터널의 미세먼지 발생은 열차운행빈도와 매우 밀접한 것으로 나타났다.
- 이상의 관계로부터 본선터널의 미세먼지는 열차운행에 비례하여 발생되고, 본선터널에서 발생된 많은 양의 미세먼지 중 일부가 승강장을 거쳐 대합실로 확산되는 것으로 추정된다.
- 평일일 경우 본선터널 미세먼지농도 변화의 시간지연 값이 γ = 60분일 때 상관관계계수가 0.343으로 가장 높으며, 일요일은 시간지연 값이 90분 이상일 때 상관관계계수가 0.556으로 가장 높고, 토요일은 시간지연 값이 증가할수록 상관관계수가 증가한다.
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