도시철도 차량의 운행은 터널 공기를 오염시키는 주된 원인이므로, 마모입자를 제거하는데 집진장치가 유용한 수단이 될 수 있다. 차량의 하부에 장착될 수 있는 집진장치의 설계조건을 파악하기 위하여 3차원 초음파 풍속계와 입자측정기를 사용하여 차량 하부의 풍속과 입자농도를 조사하였다. 2015년 2월 10일 수도권 지하철 5호선에서 운행되는 차량을 대상으로 측정하였다. 측정자료는 역 사이 노선의 형상(직선, 곡선)과 차량 속도패턴(가속, 정속 및 감속)을 구분하여 분석하였다. 차량속도도 함께 분석하였다. 직선 및 곡선 구간 모두 차량 하부의 평균 풍속은 차량속도의 약 30%이었고, 미세먼지($PM_{10}$) 농도는 약 $200{\mu}g/m^3$이었다. 감속구간에서 평균 $PM_{10}$ 농도는 가속구간에 비해 더 높았다.
도시철도 차량의 운행은 터널 공기를 오염시키는 주된 원인이므로, 마모입자를 제거하는데 집진장치가 유용한 수단이 될 수 있다. 차량의 하부에 장착될 수 있는 집진장치의 설계조건을 파악하기 위하여 3차원 초음파 풍속계와 입자측정기를 사용하여 차량 하부의 풍속과 입자농도를 조사하였다. 2015년 2월 10일 수도권 지하철 5호선에서 운행되는 차량을 대상으로 측정하였다. 측정자료는 역 사이 노선의 형상(직선, 곡선)과 차량 속도패턴(가속, 정속 및 감속)을 구분하여 분석하였다. 차량속도도 함께 분석하였다. 직선 및 곡선 구간 모두 차량 하부의 평균 풍속은 차량속도의 약 30%이었고, 미세먼지($PM_{10}$) 농도는 약 $200{\mu}g/m^3$이었다. 감속구간에서 평균 $PM_{10}$ 농도는 가속구간에 비해 더 높았다.
Since operation of railway trains is a major source of particle pollution in tunnel air, a particle removal device can be an effective measure to remove wear particles. To obtain design conditions of the particle removal device that will be installed underneath the railway trains, the wind speed and...
Since operation of railway trains is a major source of particle pollution in tunnel air, a particle removal device can be an effective measure to remove wear particles. To obtain design conditions of the particle removal device that will be installed underneath the railway trains, the wind speed and particle concentration underneath the trains were investigated using a three-dimensional ultrasonic anemometer and a DustTrak aerosol monitor, respectively. The measurements were made for the trains running on Seoul Metropolitan Subway Line 5 on February 10, 2015. The data were analyzed according to the track geometry (straight, curved) and train speed pattern (acceleration, cruising, and deceleration) between stations. Train speed was also analyzed. The average wind speed and $PM_{10}$ concentration underneath the trains were ~30% of the train speed and ${\sim}200{\mu}g/m^3$ for both straight and curved sections. Average $PM_{10}$ concentration for deceleration sections was higher than that for acceleration sections.
Since operation of railway trains is a major source of particle pollution in tunnel air, a particle removal device can be an effective measure to remove wear particles. To obtain design conditions of the particle removal device that will be installed underneath the railway trains, the wind speed and particle concentration underneath the trains were investigated using a three-dimensional ultrasonic anemometer and a DustTrak aerosol monitor, respectively. The measurements were made for the trains running on Seoul Metropolitan Subway Line 5 on February 10, 2015. The data were analyzed according to the track geometry (straight, curved) and train speed pattern (acceleration, cruising, and deceleration) between stations. Train speed was also analyzed. The average wind speed and $PM_{10}$ concentration underneath the trains were ~30% of the train speed and ${\sim}200{\mu}g/m^3$ for both straight and curved sections. Average $PM_{10}$ concentration for deceleration sections was higher than that for acceleration sections.
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문제 정의
본 연구에서는 도시철도가 운행하는 터널 내 미세먼지를 발생원 근처에서 신속하게 제거하기 위하여 차량 하부에 미세먼지 제거장치를 설치하는데 필요한 정량적 환경정보를 확보하기 위하여 수도권 도시철도 중 5호선 본선구간을 대상으로 차량 하부의 풍속 및 미세먼지 농도를 측정한 후 차량 운전속도와 함께 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구팀에서는 도시철도 운행 시 발생되는 미세먼지를 신속하게 제거하기 위하여 입자의 관성, 전기적 이동도를 이용한 루버집진기와 전기집진기에 대한 연구를 수행하고 있다[18,19]. 이러한 집진기를 도시철도 하부에 장착하기 위하여 적용환경을 파악할 필요가 있다.
제안 방법
Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 풍속 및 미세먼지 측정에 구조적 영향이 적을 것으로 생각되어 진행 방향으로 4호차인 T카 하부를 측정위치로 선정하였다. 차량한계를 고려하여 차량 외곽선으로부터 90, 128 cm 이격된 위치에서 각각 풍속과 미세먼지를 측정하였다.
1에 나타낸 바와 같이 5호선은 총 44개 역으로 구성되어 있는데, Table 1에 나타낸 바와 같이 역 사이의 노선 형상은 직선구간 11개, 곡선구간 11개 및 혼합구간 21개로 구분할 수 있다. 2015년 2월 10일 고덕차량기지에서 측정기를 설치한 후 17시 30분부터 23시 30분까지 상일동-방화 구간을 1회 왕복하여 측정하였다. 차량 운행 특성상 상일동에서 방화 방면으로 운행하는 경우 미세먼지 측정기의 입구가 진행 방향을 향하지만, 방화에서 상일동으로 운행하는 경우 측정기의 입구가 진행 방향과 반대로 향하므로, 여기에서는 역 방향 측정 자료를 제외한 상일동에서 방화 방면의 운행 시 측정자료만 분석하였다.
2(b)에 나타낸 바와 같이 특별하게 고안된 지그를 제작하였다. 3차원 초음파 풍속계(3-axis wind sensor, model 81000, R.M. Young Company, USA)를 사용하여 차량 하부에서 주행 방향 풍속을 측정하여 1초 간격으로 데이터로거(Loggernet, Cambell Scientific, Inc.)에 저장하였다. 에어로졸 모니터(DustTrak DRX aerosol monitor, model 8533, TSI, USA)를 사용하여 미세먼지 농도를 측정하여 5초 간격으로 저장하였다.
2. Measuring locations and a specially designed jig for wind speed and particle measurements.
본 연구에서는 2015년 2월에 수도권 지하철 5호선을 대상으로 차량 하부에 풍속계와 미세먼지 측정기를 장착하여 풍속과 미세먼지의 공간적 분포를 측정하였다. 본선구간의 노선형상과 차량의 운전패턴을 고려하여 측정자료를 분석하였다.
)에 저장하였다. 에어로졸 모니터(DustTrak DRX aerosol monitor, model 8533, TSI, USA)를 사용하여 미세먼지 농도를 측정하여 5초 간격으로 저장하였다. 풍속 변동이 심한 환경에서 흡인조건을 최대한 등속에 맞추기 위해 고안된 샘플링 프로브를 에어로졸 모니터의 입구에 장착하였다[21,22].
2015년 2월 10일 고덕차량기지에서 측정기를 설치한 후 17시 30분부터 23시 30분까지 상일동-방화 구간을 1회 왕복하여 측정하였다. 차량 운행 특성상 상일동에서 방화 방면으로 운행하는 경우 미세먼지 측정기의 입구가 진행 방향을 향하지만, 방화에서 상일동으로 운행하는 경우 측정기의 입구가 진행 방향과 반대로 향하므로, 여기에서는 역 방향 측정 자료를 제외한 상일동에서 방화 방면의 운행 시 측정자료만 분석하였다.
2(a)에 나타낸 바와 같이 풍속 및 미세먼지 측정에 구조적 영향이 적을 것으로 생각되어 진행 방향으로 4호차인 T카 하부를 측정위치로 선정하였다. 차량한계를 고려하여 차량 외곽선으로부터 90, 128 cm 이격된 위치에서 각각 풍속과 미세먼지를 측정하였다. 도시철도 차량 하부에 측정기를 장착하기 위하여 Fig.
대상 데이터
이들 측정기들은 자체 밧데리로 구동되었다. 당일 차량의 운전속도는 도시철도공사 차량 자체의 저장자료를 제공받았다.
이러한 집진기를 도시철도 하부에 장착하기 위하여 적용환경을 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 2015년 2월에 수도권 지하철 5호선을 대상으로 차량 하부에 풍속계와 미세먼지 측정기를 장착하여 풍속과 미세먼지의 공간적 분포를 측정하였다. 본선구간의 노선형상과 차량의 운전패턴을 고려하여 측정자료를 분석하였다.
도시철도는 보통 TC카, M카, T카로 구성되어 있고, 고전압장치(high voltage system), 전기추진장치(electrical drive system), 제동 및 공압장치(braking and air system) 등 다양한 부속장치로 구성되어 있다. 본 연구의 대상인 5호선의 도시철도는 8량 1개 편성으로 TC카, M1카, M2카 및 T카로 구성되어 있다. TC카는 제어차로 운전실이 있는 부수차이고, M1카에는 고전압장치 및 동력발생장치가 설치되어 있으며, M2카에는 동력발생장치가 장착되어 있다.
성능/효과
(1) 차량의 평균 운전속도는 직선구간과 곡선구간에서 각각 12.4, 10.4m/s로 직선구간에서 약 2.0m/s 빨랐다. 차량 하부에서 평균 풍속은 직선구간과 곡선구간에서 각각 3.
(2) 차량 하부에서 DustTrak DRX aerosol monitor로 측정한 평균 미세먼지 농도는 직선구간과 곡선구간에서 각각 198.7, 198.3µg/m3으로 매우 비슷하였다.
1m/s로 나타났다. 또한, 감속구간의 유지시간은 26.7초, 운전속도는 7.9m/s, 하부풍속은 2.3m/s로 나타났다.
9m/s로 나타났다. 또한, 감속구간의 유지시간은 26.8초, 운전속도는 8.8m/s, 하부풍속은 2.6m/s로 나타났다.
2m/s로 나타났다. 정속구간의 유지시간은 33.5초, 운전속도는 18.8m/s, 하부풍속은 4.9m/s로 나타났다. 또한, 감속구간의 유지시간은 26.
9m/s로 나타났다. 정속구간의 유지시간은 45.3초, 운전속도는 15.4m/s, 하부풍속은 4.1m/s로 나타났다. 또한, 감속구간의 유지시간은 26.
차량의 운전속도 패턴을 고려하면 직선구간에서 감속구간의 농도가 212µg/m3으로 가속구간에 비해 약 31µg/m3 높았고, 곡선구간에서도 감속구간의 농도가 199µg/m3으로 가속구간에 비해 약 9µg/m3 높았다.
후속연구
차량 하부의 풍속 및 미세먼지 농도는 측정위치에 따라 달라지므로, 보다 일반적인 결론을 도출하기 위하여 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터널오염이 주로 발생하는 원인은?
대부분 지하구간을 운행하는 도시철도의 특성상 내부에서 발생된 오염물질의 외부 배출이 어렵고, 지상 도로에서 배출된 자동차 오염물질, 황사 등 외부 오염물질의 유입 시 역사 내 공기질이 크게 악화될 수 있다. 터널오염은 주로 팬토(panto)나 차륜의 마모에서 발생된 입자가 차량 운행에 의해 유도된 기류를 타고 확산되어 나타난다. 역 사이 터널은 크게 직선구간, 곡선구간 그리고 직선과 곡선이 혼재되어 있는 구간으로 나눠지고, 역 사이 차량의 속도패턴(가속, 정속, 감속, 정지)에 따라 마모량이 달라질 수 있다.
도시철도 수송분담율이 증가하는 이유는 무엇인가?
현재 수도권 노선을 포함하여 부산, 대구, 대전, 광주 등 5곳에서 도시철도가 운행되고 있으며 역수도 점차 증가하고 있다. 특히, 에너지 비용 증가, 환경오염, 주차공간 부족 등을 이유로 도심지역의 도시철도 수송분담율이 증가하고 있으며, 2009년 2,181백만명이던 전국 수송인원이 2015년 2,526백만명으로 약 15.8% 증가하였다[1].
5호선의 도시철도의 구성물 당 특징은?
본 연구의 대상인 5호선의 도시철도는 8량 1개 편성으로 TC카, M1카, M2카 및 T카로 구성되어 있다. TC카는 제어차로 운전실이 있는 부수차이고, M1카에는 고전압장치 및 동력발생장치가 설치되어 있으며, M2카에는 동력발생장치가 장착되어 있다. T카는 객차로 다른 차량에 비해 하부에 장착되어 있는 구조물이 적다.
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