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문제 정의
- 본 논문의 목적은 현재 도시철도 지하역사에서 화재시 연기를 제어할 수 있는 승강장 및 대합실에서의 급/배기 팬의 설계적 용량에 대한 실질적인 풍량에 대하여 도시철도 지하 역사 화재시설 감사 때 여러 번 지적을 받은 사항의 점검 및 실제적인 지하역사의 급/배기 팬의 풍량을 계측하는데 있다. 또한 도시철도 역사 설계 시 화재에 대비하여 환기용량을 설계하였으나 설비의 노후화로 인하여 목적된 환기용량이 발생되지 않는다면 화재 시 승강장 및 대합실 제연 용량에 문제가 발생되며 승객들의 대피시간에도 영향을 미치게 된다.
- 본 연구에서는 서울 도시철도 지하역사에서 비상시(화재시) 및 평상시 승강장과 대합실에서 급/배기 공조기의 설계용량에 대한 실질적인 풍량을 현장 실험을 통하여 조사하고 분석하였다. 실험 대상 역사로 서울시내에서 가장 심도가 높은 역사 중 하나인 신금호 역사를 선정하여 연구하였다.
제안 방법
- 9 참조). (열선 유속계의 경우는 계측하고자 하는 위치의 단면적 중심에서 계측하여 대표성을 가질 수 있도록 하였다) 대합실에서 승강장으로 통하는 계단부 4,5,6번에 각각 열선유속계와 열전대를 설치하였으며, 계단 중간부 5번에는 풍향 풍속계(wind monitor 05103V)를 설치하여 유동의 방향을 계측하였다. 실험의 정확도를 높이기 위하여 이동식 열선 유속계(TSI8386A)를 사용하여 각 측정점에서 유속 값을 재확인하였다(Fig.
- 유속을 계측한 장소와 동일한 위치에서 T-type 열전대를 이용하여 역사내부 온도를 계측하였다. 각각의 위치에서 30분간 계측을 하여 시간 평균 값을 얻었으며, 3번 계측을 실시하여 다시 평균 값을 구하였다. 이때 외부의 온도는 22℃이며, 계측된 승강장에서의 온도는 약 25℃이다.
- 계측 장소 및 계측 방법은 case-01와 동일하게 함으로서 평상시와 비상시 경우를 동일한 상황에서 비교할 수 있도록 하였다. 계측결과 외부출입구에서의 기류의 유속은 최소 0.
- 11에서 처럼 통계처리를 하였으며 외부출입구와 중간층에서의 예를 보이고 있다). 또한 외부기류 변화에 따른 계단부 유속변동을 반영하고자 3차례에 걸쳐 계측을 실시하였으며 이를 다시 평균하여 계단부의 유속 값을 구하였다. 계측결과 외부출입구에서의 기류의 유속은 최소 0.
- 6m의 최대 심도를 나타내는 역사로서 대심도 역사의 특성에 대한 고려가 가능하며 지하 8층의 섬식 승강장과 지하 1,2층의 대합실과 연결되는 통로가 1개소 뿐이므로 환기기 작동으로 인하여 형성되는 역사내의 기류흐름에 대한 예측이 용이하여 실측대상 역사로 선정하였다. 본 실험에서는 신금호 역사의 평상시 및 비상시 급배기구를 통한 풍량(용량)을 계측하여 설계치와 실측치를 분석하고 비교 평가하였다.
- 비상시 및 평상시 승강장과 대합실에서 실제 환기기 가동시 급배기구의 풍량 및 온도를 계측하기 위하여 열선유속계, capture hood, 이동식 유속계, 다측점 풍속계, 풍향 풍속계, 열전대 및 데이터 변환장치 등을 활용하여 자동계측 하였다.
- 10(좌) 참조). 승강장의 각형 대배기구의 유량은 capture hood를 사용하기가 어려워 16포인트의 다측점 풍속계를 제작하여 유량을 계측하였다(Fig. 10(우) 참조).
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따라서 외부의 공기는 자연스럽게 유입이 된다. 실험 항목은 외부 출입구 및 대합실과 승강장을 연결하는 중앙 계단부의 풍향 및 풍속을 계측하였으며, 대합실 및 승강장의 급배기구 풍량을
계측하였다. - (열선 유속계의 경우는 계측하고자 하는 위치의 단면적 중심에서 계측하여 대표성을 가질 수 있도록 하였다) 대합실에서 승강장으로 통하는 계단부 4,5,6번에 각각 열선유속계와 열전대를 설치하였으며, 계단 중간부 5번에는 풍향 풍속계(wind monitor 05103V)를 설치하여 유동의 방향을 계측하였다. 실험의 정확도를 높이기 위하여 이동식 열선 유속계(TSI8386A)를 사용하여 각 측정점에서 유속 값을 재확인하였다(Fig. 10(좌) 참조).
- 7에서처럼 계측기를 설치하였다. 외부출입구 1,2,3번에 각각 열선유속계(Dwyer Series-640)와 열전대(T-type thermocouple)를 설치하였으며(Fig. 8 참조), 대합실 1,2층과 승강장에는 capture hood(TSI-EBT721)를 설치하여 디퓨져를 통한 급배기량을 계측하였다(Fig. 9 참조). (열선 유속계의 경우는 계측하고자 하는 위치의 단면적 중심에서 계측하여 대표성을 가질 수 있도록 하였다) 대합실에서 승강장으로 통하는 계단부 4,5,6번에 각각 열선유속계와 열전대를 설치하였으며, 계단 중간부 5번에는 풍향 풍속계(wind monitor 05103V)를 설치하여 유동의 방향을 계측하였다.
- 외부출입구(Fig. 7의 ①,②,③) 및 계단부(Fig. 7의 ④,⑤,⑥)에서는 열선유속계 및 열전대를 이용하여 풍속 및 온도를 계측하였으며, 각각의 위치에서 30분간 연속 측정하여 시간 평균(time average) 값을 구하였다(시간평균 값을 얻기 위하여 Fig. 11에서 처럼 통계처리를 하였으며 외부출입구와 중간층에서의 예를 보이고 있다). 또한 외부기류 변화에 따른 계단부 유속변동을 반영하고자 3차례에 걸쳐 계측을 실시하였으며 이를 다시 평균하여 계단부의 유속 값을 구하였다.
- Jang 등[7]은 대심도 역사에서 제연팬 용량이 철도역사 연기확산에 미치는 영향을 대용량 컴퓨터 및 LES 기법을 사용하여 수치적으로 분석하였다. 위의 연구자들의 경우 수치해석을 통한 도시철도 환기 및 화재연기를 연구하거나 또는 역사 및 터널 축소모형을 제작하여 연구하였다. 그러나 수치해석의 경우는 비교할 수 있는 실험 데이터가 부족하며, 축소모형의 경우는 실화재 규모를 재현 할 수 없다는 단점이 있다.
- 유속을 계측한 장소와 동일한 위치에서 T-type 열전대를 이용하여 역사내부 온도를 계측하였다. 각각의 위치에서 30분간 계측을 하여 시간 평균 값을 얻었으며, 3번 계측을 실시하여 다시 평균 값을 구하였다.
- Table 2에서 case-02은 지하역사에서 승강장 화재시 공조기 운전 상황을 나타낸 것이다. 지하 1,2층의 대합실에서는 급기 가압을 승강장에서는 배연 운전 모드로 작동된다(Fig. 2 참조) 실험 항목은 case-01와 동일하게 외부 출입구 및 대합실과 승강장을 연결하는 중앙 계단부의 풍향 및 풍속을 계측하였으며, 대합실 및 승강장의 급배기구 풍량을 계측하였다.
- 10(우) 참조). 지하 1층의 대합실과 계단 중간부에 각각 노트북 및 데이터 변환장치(Personal Daq 56)를 설치하여 자동으로 지하1층의 대합실에서부터 지하8층의 승강장까지 역사내 전체적인 기류흐름의 동시 계측이 가능하도록 하였다(Fig. 9(우) 참조).
- 지하대합실 1,2층과 지하승강장에서 비상시(화재시) 급배기량을 계측하였다. 대합실의 경우 비상시 모든 디퓨저에서 급기를 하도록 되어있으나, 실험 결과 일부 디퓨저는 배기모드로 작동되는 것을 확인하였다.
- 지하대합실 1,2층과 지하승강장에서 천정 디퓨저의 급배기량을 계측하기 위하여 capture hood를 사용하였다(Fig. 9(좌)).
- 평상시 승강장 및 대합실의 쾌적한 공기환경을 위하여 공조기를 가동하는 경우 처음에 설계된 급배기 용량에 대한 설계치를 분석하고 이에 대한 실제 환기기 가동시 급배기구의 풍량을 계측하여 비교하였으며, 화재시(비상시) 승강장과 대합실 화재연기의 원활한 배연을 위하여 설정된 배연모드의 계획된 배연 풍량를 분석하고 실제 배연모드로 형성되는 배연용량을 계측하여 비교하였다. 본 연구에서는 신금호 역사에 스크린도어가 설치되어 있으므로 본선 터널 환기는 제외하였다.
대상 데이터
- 연구를 위하여 가능한 최대심도(대심도)를 가지고 있는 역사를 선정하도록 하였다. 신금호 역사는 5호선 역사 중 43.6m의 최대 심도를 나타내는 역사로서 대심도 역사의 특성에 대한 고려가 가능하며 지하 8층의 섬식 승강장과 지하 1,2층의 대합실과 연결되는 통로가 1개소 뿐이므로 환기기 작동으로 인하여 형성되는 역사내의 기류흐름에 대한 예측이 용이하여 실측대상 역사로 선정하였다. 본 실험에서는 신금호 역사의 평상시 및 비상시 급배기구를 통한 풍량(용량)을 계측하여 설계치와 실측치를 분석하고 비교 평가하였다.
- 본 연구에서는 서울 도시철도 지하역사에서 비상시(화재시) 및 평상시 승강장과 대합실에서 급/배기 공조기의 설계용량에 대한 실질적인 풍량을 현장 실험을 통하여 조사하고 분석하였다. 실험 대상 역사로 서울시내에서 가장 심도가 높은 역사 중 하나인 신금호 역사를 선정하여 연구하였다. 신금호 역사는 심도가 43.
성능/효과
- 또한 외부기류 변화에 따른 계단부 유속변동을 반영하고자 3차례에 걸쳐 계측을 실시하였으며 이를 다시 평균하여 계단부의 유속 값을 구하였다. 계측결과 외부출입구에서의 기류의 유속은 최소 0.3m/s에서 최대 1.18m/s 값을 나타내었다. 외부출입구 3개소의 평균 풍속은 0.
- 계측 장소 및 계측 방법은 case-01와 동일하게 함으로서 평상시와 비상시 경우를 동일한 상황에서 비교할 수 있도록 하였다. 계측결과 외부출입구에서의 기류의 유속은 최소 0.72m/s에서 최대 1.16m/s 값이 기록되었다. 외부출입구 3개소의 평균 풍속은 약 1m/s 내외로 계측되었으며, 풍향은 외부에서 대합실 방향으로 형성되었다.
- 본 논문의 주요 목적 중 하나인 설계치 대비 실측치가 어느 정도인가 알아보기 위하여 Table 9에 설계치와 본 실험 결과인 실측치를 비교하였다. 대합실에서는 설계치의 급기량에 비하여 실측치의 급기량이 약 34% 감소되어 운전되고 있는 것으로 조사되었으며, 배기량은 설계치에 비하여 46% 감소된 용량을 보이고 있었다. 승강장에서는 설계치의 급기량에 비하여 실측치가 약 66% 감소되어 운전되고 있었으며, 배기량은 설계치에 비하여 약 38% 감소된 용량을 보이고 있었다.
- 비상시 급배기량의 설계치 대비 실측치가 어느 정도인가 알아보기 위하여 Table 14에 설계치와 본 실험 결과인 실측치를 비교하였다. 대합실에서는 설계치의 급기량에 비하여 실측치의 급기량이 약 42% 감소되어 운전되고 있는 것으로 조사되었다. 승강장에서는 설계치의 배기량에 비하여 실측치가 약 28% 감소된 용량을 보이고 있었다.
- 지하대합실 1,2층과 지하승강장에서 비상시(화재시) 급배기량을 계측하였다. 대합실의 경우 비상시 모든 디퓨저에서 급기를 하도록 되어있으나, 실험 결과 일부 디퓨저는 배기모드로 작동되는 것을 확인하였다. 승강장에서는 비상시 전체 디퓨저에서 배기 모드가 정상적으로 작동이 되었다.
- 승강장에서는 급기량 33,968m3/h, 배기량 76,190m3/h 로서 설계치에 비하여 각각 66% 및 38% 감소된 환기량이 조사되었다. 비상시 모드에서는 대합실에서 급기량이 42,126m3/h 로서 설계치에 비하여 42% 감소된 급기량이 조사되었다. 승강장에서는 배기량이 276,094m3/h 로서 설계치에 비하여 28% 감소된 것으로 조사되었다.
- 지하 1층 대합실에서 급기량은 21,286m3/h, 배기량은 12,796m3/h으로 조사되었으며, 지하 2층 대합실에서는 급기량이 20,840m3/h, 배기량이 9,765m3/h 으로 조사되었다(비상시 급배기 계통 설계상 대합실에서는 배기모드가 없으나 현장 실험 결과 소량의 배기가 있는 것으로 확인됨). 승강장에서는 총 배기량이 276,094m3/h 으로 조사되어 case-01의 평상시보다 3.
- 평상시 모드에서는 대합실에서 급기량이 47,316m3/h, 배기량이 33,980m3/h 로서 설계치에 비하여 각각 34% 및 46% 감소된 환기량이 조사되었다. 승강장에서는 급기량 33,968m3/h, 배기량 76,190m3/h 로서 설계치에 비하여 각각 66% 및 38% 감소된 환기량이 조사되었다.
후속연구
- 또한 도시철도 역사 설계 시 화재에 대비하여 환기용량을 설계하였으나 설비의 노후화로 인하여 목적된 환기용량이 발생되지 않는다면 화재 시 승강장 및 대합실 제연 용량에 문제가 발생되며 승객들의 대피시간에도 영향을 미치게 된다. 따라서 본 실험 결과를 바탕으로 역사 환기 개선 방향을 정립할 필요가 있다. 연구를 위하여 가능한 최대심도(대심도)를 가지고 있는 역사를 선정하도록 하였다.
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