도로터널 환기

왜 배우는가: 도로터널은 화재 시 연기가 빠르게 차고 인명 피해가 집중되는 공간이라, 환기방식의 선택이 피난과 소화 활동의 성패를 좌우한다. 종류환기·횡류환기·반횡류환기 등 방식별 원리와 적용 조건을 이해해야 설계와 방재 계획을 설명할 수 있어 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 3교시 2번, 제124회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

도로터널 환기는 터널 내 차량 배출가스와 화재 연기를 희석하거나 배출하여 이용자의 안전과 쾌적성을 확보하기 위해 신선공기를 급기하고 오염공기를 배기하는 설비와 방식의 총칭이다.

도로터널 환기는 신선공기를 급기하고 오염공기와 화재 연기를 배기하여 터널 내 유해가스를 희석·배출하는 방식이다.

• 도로터널 환기
• 종류환기방식
• 횡류환기방식
• 반횡류환기방식
• 교통환기력
• 임계풍속
• 제연
• 일산화탄소(CO) 농도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 자동차가 터널을 달리면 배기가스가 쌓이고 화재가 나면 연기가 가득 차므로 공기를 바꿔 주는 장치가 필요하다. 이 역할을 하는 것이 도로터널 환기다. 정식으로는 「도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침」이 환기설비를 터널 내 차량에서 배출되는 오염물질을 희석 또는 배기하기 위해 신선공기를 급기하거나 오염공기를 배기하는 설비로 규정한다.

종류환기방식은 터널 입구나 수직갱·사갱에서 신선공기를 유입하여 종방향 기류를 만들고, 출구나 갱으로 오염공기와 연기를 배출하는 방식이다. 기류가 터널 길이 방향으로 흐르므로 송풍기(제트팬)의 승압효과를 이용한다.

횡류환기방식은 터널에 설치된 급기 덕트와 배기 덕트를 통해 급기와 배기를 동시에 수행하는 방식이다. 평상시에는 신선공기를 급기하고 차량 배출가스를 배기하며, 화재 시에는 연기를 배기한다. 기류가 도로 단면을 가로지른다.

반횡류환기방식은 급기 또는 배기 덕트 중 한쪽만 설치하여 급기 또는 배기만 수행하는 방식이다. 횡류방식의 변형으로 이해하면 된다.

교통환기력은 차량 주행에 따른 피스톤효과로 발생하는 환기력이다. 이 힘만으로 소요환기량을 충족하면 자연환기가 되고, 부족하면 기계환기가 필요하다.

임계풍속은 화재 시 성층화를 유지하면서 열기류의 역류를 억제하기 위한 최소 풍속이다. 종류환기 설계의 핵심 기준값이다.

3. 등장 배경과 필요성

터널은 외부와 공기가 쉽게 교환되지 않는 폐쇄 공간이다. 차량이 많아지고 터널이 길어지면서 일산화탄소와 질소산화물이 쌓이고, 시정이 나빠져 운전자의 판단을 방해한다. 따라서 평상시 오염공기 배출이 먼저 요구된다.

화재가 나면 상황이 더 급박해진다. 차량 화재의 최대화재강도는 일반적으로 10분 정도에 도달하며, 이 짧은 시간 안에 연기가 터널 종방향으로 퍼져 자기구조단계의 이용자가 노출된다. 지침도 초기대응에서 이용자가 연기에 노출되지 않도록 적정 용량의 제연시설을 강조한다. 이 때문에 환기는 평상시 공기질과 화재 시 제연·배연을 함께 고려해야 한다.

설계화재강도는 차량 화재의 발생열량(MW)으로 정의된다. 이 값은 배연량과 제연 용량 산정의 출발점이다. 또한 지침은 방재시설 설계 시 실험이나 수치해석으로 환기방식별 제연설비의 규모와 배치를 검증하도록 요구한다. 이처럼 환기방식의 선택은 교통량, 터널 길이, 단면, 화재 위험도를 함께 따져 결정된다.

관련 법령으로는 「도로법」과 「도로의 구조·시설에 관한 규칙」이 환기설비의 기본 기준을 두고 있다. 지자체 조례도 환기시설을 설계속도와 교통 조건, 터널 제원, 에너지 효율을 고려하여 설치하도록 정한다. 다만 조례마다

4. 구성요소·원리·절차

도로터널 환기는 터널 안의 오염공기(차량 배출가스)와 화재 연기를 배출하고 신선공기를 공급하는 설비 전체를 말한다. 환기방식은 종류환기방식, 횡류환기방식, 반횡류환기방식, 조합환기방식으로 나뉘며, 환기력의 원천은 교통환기력(피스톤효과)과 기계환기 설비다.

환기방식은 기류 방향(종방향·횡방향)과 환기력의 원천(교통환기력·기계환기)으로 구분한다

구성요소 표 아래 설명: 제트팬은 종류환기의 핵심 설비이고, 덕트와 배기구는 횡류·반횡류 방식의 핵심 설비다. 계측장치는 운전 제어 판단의 근거가 된다.

피스톤효과는 차량 주행에 따른 공기 흐름으로 교통환기력을 만든다. 지침은 피스톤효과를 교통환기력을 발생시키는 효과로 정의한다. 교통환기력만으로 소요환기량을 충족하면 자연환기이고, 부족하면 기계환기를 쓴다.

종류환기의 원리는 입구(또는 수직갱·사갱)에서 신선공기를 유입하고 제트팬의 승압효과로 종방향 기류를 형성한 뒤 출구로 배출하는 것이다. 화재 시에는 기류 속도가 임계풍속 이상이어야 열기류의 역류가 억제되고 연기가 한 방향으로 흐른다.

횡류환기의 원리는 덕트로 급기와 배기를 동시에 수행하는 것이다. 평상시에는 신선공기를 급기하고 오염공기를 배기하며, 화재 시에는 연기를 천장 배기구로 배출한다. 화재 시 연기 배출 능력이 크다는 점이 장점이다.

반횡류환기는 급기 또는 배기 중 한쪽 덕트만 두고 횡방향과 종방향 기류를 함께 만드는 방식이다. 조합환기는 종류환기와 (반)횡류환기를 결합하여 교통량과 터널 길이에 따라 운전 방식을 선택한다.

화재 시 운전 절차는 다음과 같다.

• 화재감지기 또는 관리자 감시체계가 화재 위치를 확인한다.
• 화재 위치와 연기 흐름을 확인하고 운전 모드를 정한다.
• 횡류방식은 화재 구간 배기구를 개방하고 나머지 배기구는 닫는다.
• 종류방식은 화재 하류 방향으로 제트팬을 운전하여 임계풍속 이상을 유지한다.
• 가압운전모드가 필요한 쌍굴터널은 안전지역 압력을 화재터널보다 높게 유지한다.
• 연기 배출 후 관리자가 대피 상황을 확인하고 운전을 해제한다.

임계풍속 이상 유지이 종류환기 제어의 핵심 조건이다. 지침은 임계풍속을 성층화를 유지하면서 열기류의 역류를 억제하는 최소 풍속으로 정의한다.

환기 설계 계산 흐름은 다음과 같다. 소요환기량 Q_{req}와 터널 단면적 A_r로 처리풍속 V_{req}=Q_{req}/A_r를 구한다(V_{req}: 처리풍속 m/s, Q_{req}: 소요환기량 ㎥/s, A_r: 터널 단면적 ㎡). 이 값을 실제 풍속 V_r^*와 비교하여 자연환기 또는 기계환기를 결정한다. 예를 들어 Q_{req}=200㎥/s, A_r=50㎡이면 V_{req}=4m/s이다. 결과가 상식 범위(수 m/s)이므로 타당하다.

5. 관련 법령·기준·표준

도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침은 「도로법」 제50조·제76조, 「도로법 시행령」 제78조, 「도로의 구조·시설에 관한 규칙」 제42조에 따라 제정되었다. 환기시설 설치의 근거는 「도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙」 제42조다. 지자체 조례(예: 부산광역시, 세종특별자치시 도로터널 안전관리 조례)는 이 규칙 제42조를 따라 환기시설을 설치하고, 방재시설 기술기준은 지침을 따르도록 정한다.

도로터널의 화재안전기술기준(NFTC 603)은 횡류환기방식, 종류환기방식, 반횡류환기방식, 대배기구방식의 정의를 둔다. 이 기준은 설계화재강도를 차종별 최대열방출률(㎿)로 정의하고, 이를 소화·제연설비 용량 산정에 쓴다.

기준값 표는 다음과 같다.

표 아래 설명: 풍속 상한과 농도 기준은 환기 운전의 허용 한계다. 임계풍속과 설계화재강도는 화재 시 제연 용량을 정하는 기준이다. 제트팬 성능은 역방향 운전의 최소 성능을 정한다.