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수치해석을 활용한 승강장 바닥배기 시스템 최적화 연구
Study on the optimal design of floor exhaust system using computational fluid dynamics for subway platform 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.2, 2017년, pp.443 - 449  

남궁형규 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) ,  박세찬 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) ,  김민해 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) ,  김수연 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) ,  권순박 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀)

초록
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최근 국내 도시철도 지하역사에는 승강장 안전문의 설치로 인한 승강장의 급 배기 불균형이 일어나며, 이러한 불균형은 승강장 내 오염물질 축적과 환기부족에 의한 쾌적성 저하를 일으키는 원인이 된다. 본 연구에서는 시뮬레이션 유동해석 프로그램을 이용하여 지하역사 바닥배기 시스템의 최적화 설계를 하고, 제작된 바닥배기 시스템의 미세먼지 제거 성능을 실험으로 검증하였다. 바닥배기 시스템의 시뮬레이션 유동해석은 CFX 17.0 프로그램을 이용하였으며, HEEDS를 최적화 소프트웨어로 적용하였다. 3차에 걸쳐 이루어진 최적화 결과, 약 430 Pa의 차압과 61%의 미세먼지 제거 성능을 갖는 전체높이 1.78 m의 바닥배기 시스템이 도출되었다. 최적화 설계에 따라 실규모로 제작된 바닥배기 시스템을 이용하여 미세먼지 집진 성능 실험을 실시하였으며, 약 65%의 집진효율을 보임으로써 수치해석을 통해 도출된 최적설계 결과와 유사한 수준임을 검증하였다. 결과적으로 최적화 프로그램을 활용한 바닥배기 시스템의 설계가 급배기 불균형을 갖고 있는 지하역사 승강장에 적용 가능함을 확인하였으며, 설계된 바닥배기 시스템이 공간상의 제약으로 추가적인 배기설비 설치가 어려운 기존 지하 역사에서 배기개선 및 미세먼지 제거에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The imbalance of air supply and the exhaust on subway platforms has led to the installation of platform screen doors in underground subway stations. This imbalance causes the accumulation of pollutants on the platform and loss of comfort due to the lack of ventilation. In this study, a floor exhaust...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서 개발하는 바닥배기 장치의 핵심 성능요소는 차압과 미세먼지 제거효율의 두 가지로 꼽을 수 있으며, 이는 통상 공기청정장치의 핵심 성능요소로 적용되고 있다. 따라서 요구되는 배기 유량에 대하여 최소의 차압으로 최대의 미세먼지를 제거하는 것이 시스템 개발 목표이다. 지하역사에서의 급·배기량 특성 분석을 통해 최대 6,000m3/h의 배기 유량이 요구되고, 이때 차압은 1,000 Pa 이하로 유지될 수 있어야 하는 것으로 조사되어 이를 본연구에서의 해석조건으로 상정하였다.
  • 본 연구에서는 CFX와 HEEDS를 이용하여 지하역사의 미세먼지 제거용 바닥배기 장치의 최적설계를 수행하였다. 설계 형상의 최적화 결과 전체높이 1.
  • 본 연구에서는 지하역사 급배기 불균형 문제를 해소하고 배기되는 미세먼지의 농도를 저감시킬 수 있는 승강장 바닥배기 시스템을 개발하고자, 유동 전산수치해석 프로그램(CFX)과 최적화 시뮬레이션(HEEDs)을 적용하여 최적화 설계 인자를 도출하였다. 또한 최적화 설계된 지하철 승강장 바닥배기 시스템을 실 규모로 제작하였으며, 미세먼지 제거 실험을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.
  • 8은 CFX와 HEEDS를 이용한 집진 바닥배기시스템의 최적화를 통해 얻어진 설계도면을 나타내었다. 본 연구에서는 최적설계도면에 따라 실규모의 집진 바닥 배기 시스템을 제작하였으며, 미세먼지 집진효율 평가를 실시하였다.
  • 시뮬레이션 유동해석을 통해 얻어진 최적화 모델을 제작하여 실제 시스템에서의 미세먼지 제거 성능을 검증하고자 하였다. 미세먼지의 농도는 OPS(optical particle sizer, TSI 3330, USA) 2대를 이용하여 측정하였고, 집진효율은 유입구(inlet)와 유출구(outlet)에서 측정된 미세입자의 농도차이로 계산되었다.

가설 설정

  • 지하역사에서의 급·배기량 특성 분석을 통해 최대 6,000m3/h의 배기 유량이 요구되고, 이때 차압은 1,000 Pa 이하로 유지될 수 있어야 하는 것으로 조사되어 이를 본연구에서의 해석조건으로 상정하였다. 또한, 모든 해석조건에서 미세먼지 입자의 밀도는 기존연구에서 철도역사에서 발생하는 입자의 평균밀도인 5 g/cm3으로 가정하여 입자 제거효율을 계산하였다[13].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
배기 시스템을 바닥배기 형태로 사용하게 된 이유는 무엇인가? 서울시 주요 환승 지하역사 승강장의 급·배기량 분석 결과 PSD설치로 인하여 기존 선로 하부배기가 막히면서 급기량 대비 배기량이 크게 부족한 문제가 발생하고 있으나, 협소한 승강장 구조와 복잡한 천장상부 구조물 등으로 인하여 기존역사에 상부배기를 추가로 설치하는 것은 현실적으로 불가한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 바닥배기 형태를 사이클론으로 검토하였으며 이는 기존선로 하부배기 기능과 연계될 수 있는 장점이 있어 설치비용을 절감시킬 수 있다.
난류의 특징은 무엇인가? 난류는 공간과 시간에 대한 유동의 교란으로 발생하며, 주로 3차원의 비정상 유동을 갖는다. 난류는 유체의 유동 특성에 중요한 영향을 미치며, 관성력이 점성력에 비해서 두드러지게 클 때 (레이놀즈수가 큰 경우) 발생한다.
안전문의 설치는 어떠한 역할을 하는가? 서울 지하철의 경우 모든 역사에 안전문이 설치되어 있으며, 광역도시철도의 역사에서도 안전을 이유로 전 역사의 승강장에 안전문을 설치하는 추세이다. 안전문의 설치는 지하철 선로에서 발생하는 미세먼지를 포함한 오염 공기와 차량에서 발생하는 열기가 승강장으로 직접 침투하는 것을 방지하는 역할을 하며, 안전문의 이 같은 역할은 기존 연구를 통해 증명된 바 있다[1-3]. 하지만 승강장의 공조 환기 측면에서는 승강장과 승강장 하부의 기류유동을 방해하는 요소가 되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. Jeon, J. S., Yoon, J. C., Lee, H. C., Eom, S. W. and Chae, Y. Z., A noticeable change in indoor Radon levels after platform screen doors installation in Seoul subway station, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 28(5), pp. 59-67, 2012. DOI: https://doi.org/10.5572/KOSAE.2012.28.1.059 

  2. Kwon, S. B., Namgung, H. G., Jeong, W., Park, D. and Eom, J. K., Transient variation of aerosol size distribution in an underground subway station. Environmental Monitoring and Assessment, 188(362), pp. 1-11,2016. DOI: https://doi.org/10.1007/s10661-016-5373-5 

  3. Lee, T. J., Jeon, J. S., Kim, S. D. and Kim, D. S., A comparative study on PM10 source contributions in a Seoul metropolitan subway station before/after installing platform screen doors, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 26(5), pp. 543-553, 2010. DOI: https://doi.org/10.5572/KOSAE.2010.26.5.543 

  4. Kwon, S. B., Song, J. H., Ryu, J. H., Jo, S. W., Oh, T. S., Bae, S. J. and Kim, H. K., A study on the improvement of the air exhaust system at the PSD installed subway station. Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 17(3), pp. 353-362, 2015. DOI: https://doi.org/10.9711/KTAJ.2015.17.3.353 

  5. Cheng, Y. H., Lin, Y. L. and Liu, C. C., Levels of PM10 and PM2.5 in Taipei rapid transit system. Atmospheric Environment, 42, pp. 7242-4249, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.07.011 

  6. Kam, W., Cheung, K., Daher, N. and Sioutas, C., Particulate mateer (PM) concentrations in underground and ground-level rail systems of the Los Angeles Metro, Atmospheric Environment, 45, pp. 1506-1516, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.12.049 

  7. Martins, V., Moreno,T., Minguillon, M. C., van Drooge, B. L., Reche, C., Amato, F., de Miguel, E., Capdevila, M., Centelles, S. and Querol, X., Origin of inorganic and organic components of PM2.5 in subway station of Barcelona, Spain. Environmental Pollution, 208, pp. 125-136, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.07.004 

  8. Namgung, H. G., Song, J. H., Kim, S. Y., Kim, H. M. and Kwon, S. B., Characteristics of indoor air quality in the overground and underground railway stations. Journal of the Korea Academia-Industrial, 17(5), pp. 17-25, 2016. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.5.17 

  9. Park, J. H., Park, J. C. and Um, S. J., Estimation of diffusion direction and velocity of PM10 in a subway station(for Gaehwasan station of subway line 5 in seoul), Journal of Korean Society of Transportation, 28(5), pp. 55-64, 2010. 

  10. Son, Y. S., Salama, A., Jeong, H. S., Kim, S., Jeong, J. H., Lee, J., Sunwoo, Y. and Kim, J. C., The effect of platform screen doors on PM10 levels in a subway station and a trial to reduce PM10 in tunnels, Asian Journal of Atmospheric Environment, 7(1), pp. 38-47, 2013. DOI: https://doi.org/10.5572/ajae.2013.7.1.038 

  11. Park, I. H., Lee, Y. K., Jang, C. M. and Choi, Y. S., Introduction of turbomachinery optimization using HEEDS and CFX, Korean Society for Fluid Machinery, Proceedings of the KFMA Annual Meeting, pp. 161-162, 2014. 

  12. Lee, Y. K., Shin, J. H., Park, I. H., Kim, S., Lee, K. Y. and Choi, Y. S., Mixed-flow pump impeller-diffuser optimization method by using CFX and HEEDS, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, 39(10), pp. 831-842, 2015. DOI: https://doi.org/10.3795/KSME-A.2015.39.9.831 

  13. Sanders, P. G., Xu, N., Dalka, T. M. and Maricq, M. M., Airborne brake wear debris: size distribution, composition, and a comparison of dynamometer and vehicle tests, Environmental Science and Technology, 37, pp. 4060-4069, 2003. DOI: https://doi.org/10.1021/es034145s 

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