서 론

연구의 배경 및 필요성

도시의 입체적 개발은 대중교통 수단 및 주거 환경의 변화를 가져옴과 동시에 인간생활의 기반이 되는 전력, 통신, 상하수도, 가스 등의 각종 공익 시설물들의 지중화 작업을 추진하게 되었으며, 도심지에서의 지하 매설물 각각에 대한 단독구의 건설은 반복되는 건설공사로 인한 공사비의 증가, 복잡한 지하매설 구조망의 형성으로 인한 합리적인 도시의 지하 공간 이용성의 결여 등 여러 가지 문제를 야기하게 된다. 이에 최근에는 도시의 미관, 보행자의 쾌적한 통행, 도로의 반복굴착방지, 도로구조 및 기능의 훼손 방지 등의 이유로 각종 공익 시설물들을 공동구에 수용하는 방안이 추진되고 있다¹⁾.

지하공동구는 2종 이상의 공공시설물을 지하에 설치하여 공동으로 수용하고 공급하는 시설로서 현대의 도시생활에 필요한 각종 기반 시설들을 통합하여 관리하기 위한 중요한 도시기반 시설물이다. 지하공동구는 종전 분산 설치된 시설물을 하나의 공간에 응집시켜 운영 및 관리가 용이하게 함은 물론 이에 따른 경제성 증가와 도시미관 향상에 긍정적 영향을 미치므로 1978년 여의도 공동구 건설을 시초로 국내에도 점차 많은 공동구들이 설치되어지고 있으며, 최근에는 신도시를 중심으로 사회기반 시설물 구축을 위해 지하공동구의 도입이 증가하고 있다.

연구의 주요목적

지하공동구의 내부 환경 중에서도 온도와 습도와 같은 온열환경은 지하공동구의 수용물과 시설에 다양한 영향을 준다. 온도의 변화는 수용된 송전관의 송전능력변화를 줄 수 있고, 지역냉난방관 같은 열배관의 열손실차를 크게 할 수도 있다. 특히 지하공간에서 쉽게 일어나는 습도의 상승은 결로 발생이 용이한 환경을 조성하여 내부 수용물의 부식, 노후화 구조체의 약화를 초래하는 원인이 될 수 있으므로 적절하고 효율적인 온습도 환경의 유지가 필요하다.

이와 같이 지하공동구 내부의 온도 및 습도 온열환경의 중요성 때문에 국토교통부는 공동구 설치 및 관리지침²⁾에서 온도, 습도 조건이 공동구 내 시설의 기능 유지를 위해 필요한 경우, 송전용 케이블의 송전용량을 증대하기 위해 환기가 필요한 경우 등에 대하여 환기설비 등의 설치를 권고하여 공동구의 내부 환경 유지를 법적으로 규제하고 있다. 또한 공동구 내부 환경의 유지를 위하여 공동구에는 전 구간의 공기 순환이 되도록 환기설비의 설치를 명시하고 있으며, 공동구의 설계 시공단계에서도 환기방식, 환기구 위치 및 부대설비 수용계획을 고려하고, 설치하도록 법적으로 규제 하고 있다.

따라서 본 연구에서는 지하공동구 내부의 적절한 온도와 습도의 유지관리를 통해서 공동구 수용물과 시설물의 성능 유지 및 환경 관리를 위해 내부에 설치되는 환기설비의 적절한 수용계획을 위해서 풍량 변화에 따른 내부의 온도와 습도의 변화를 전산유체해석을 이용하여 예측하여봄으로써 적정 환기계획 및 환기설비수용의 기초자료로 활용하고자 한다.

지하공동구 현황과 내부 환경 문제

국내 설치된 지하공동구는 현재 서울특별시 시설관리공단, 한국전력공사 및 한국통신공사에서 관리하는 공공용의 경우 공동구 5개소에 총 연장 길이 31 km, 단독구는 113개소에 연장 217.7 km에 이르고 있으며 아파트, 학교, 병원 및 공공시설의 외에 설치된 일반용도의 경우는 공동구 660개소에 총연장 길이는 231.4 km, 전력구, 통신구, 난방구, 수도 등의 단독구의 경우는 총 50개소에 총연장 9.28 km 로 공공용과 일반용을 합하여 전체 개수는 828개소에 총 연장길이는 489.38 km에 달하고 있다.³⁾

현재 도시계획법상 규정된 공동구의 수는 전국적으로 총 20개소가 있으며, 각각의 공동구는 시에서 직접 관리하거나 시설관리공단이나 위탁관리기관등을 통해 관리를 하는 등 관리방법이 일원화 되지 못하고 각 지자체의 판단에 따라 다양한 방법으로 관리가 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 공동구는 전기, 가스, 상하수도, 전화, 통신 등의 시민생활에 필수적인 시설물들을 수용하고 있으며, 도시민 생활의 근간이 되는 주요 시설물이므로 본체 구조물 및 내부수용물이 요구되는 기능을 수행할 수 있도록 효율적인 설치 및 유지관리 계획이 필요하다.⁴⁾

일반적으로 지하공간은 일반적 건축물의 지상공간에 비해 일사가 없고 공기의 유동이 원활하지 못하며 사용용도가 지하주차장 창고, 상가 등 주거공간이외의 용도로 많이 이용되어지기 때문에 환기량이 부족하며 구조체가 지중과 접하여 있기 때문에 우수, 지하수 등의 침투에 의해 습도가 높아지는 현상이 빈번하게 발생하여 결로가 발생되기 쉬운 조건을 형성한다. 또한 지하공간에서는 건축물 지하공간의 구조체 벽면 및 바닥 등이 구조체 외부지반 온도의 영향으로 구조체의 표면온도가 실내 노점온도보다 쉽게 낮아져 구조체 표면에 결로현상이 자주 발생한다.

지하공동구의 경우는 일반적인 구조체로 단열에 대한 계획이 거의 없고, 지하수의 침투가 상대적으로 쉬울 뿐 아니라 맨홀, 출입구, 급배기구 등을 통한 빗물의 유입이 용이한 구조로 다양한 습도증가의 원인을 가지고 있기 때문에 지하주차장, 건물의 지하실, 창고 및 서고 등에 비하여 결로의 발생 여지가 더욱 높다. 특히 지하공동구에서 발생하는 결로는 공동구의 구조체 및 각종 시설물의 내구연한을 감소시킬 뿐 아니라 그에 따른 유지비용도 과다하게 발생시키고 있다. 지하공동구의 결로 방지를 위해서는 구조체의 단열처리, 환기시설 등의 대폭 증설 등의 조취가 요구되어지나 이로 인하여 결로를 완전히 해결할 수 있다는 보장도 없는 실정이다.⁵⁾ 선행연구⁶⁾에 따르면, 서울시 주요 6개소의 여름철 결로 발생현황은 총 관리 연장길이 66,900 m 중 10% 정도인 6,455 m의 구간에서 결로가 발생하는 것으로 조사되었다. 그러나 내부의 결로는 발생여부의 조사뿐만 아니라 결로가 발생하는 시점이나 시기에 실제 측정을 통한 결로의 발생여부를 판단하여 검증하는 것 또한 매우 중요하다.

연구 방법

지하공동구 선정과 모델링

국토교통부에서는 지하공동구의 설계와 시공의 방법을 지하공동구 설계기준⁷⁾ 및 지하공동구 표준시방서⁸⁾에 명시하고 있다. 지하공동구 설계기준 및 표준시방서에는 지하공동구의 구체적인 크기의 규모 및 제한의 명시는 없으나, 현재 국내 대도시에 설치된 지하공동구는 2010년 지하공동구 설계기준 이전에 설계된 공동구가 거의 대부분이므로 현재의 규정에 가장 부합되도록 설계된 공동구를 본 연구의 대상으로 선정하였다. 대상이 된 지하공동구는 인천 송도국제도시에 소재한 2013년 이후 설계, 완공된 지하공동구 구간이다.

Figure 1은 연구를 수행하기 위하여 대상이 된 지하공동구를 수집한 설계도면을 바탕으로 모델링한 것이다. 대상 지하공동구는 전력구와 설비구로 구성이 되어져 있으며, 내벽으로 구분되어져 있다. 설비구에는 상수도관과 지역난방 배관이 설치되어져 있다.

Figure 1.

Modeling of Underground utility pipe tunnel

전력구는 폭 2.1 m 높이 2.1 m, 설비구 폭 3.2 m, 높이 2.1 m로 배기구는 폭 3 m 높이 2.1 m 의 크기를 갖는다. 지하공동구 설비구 내에는 현지와 동일하게 온도와 습도에 영향을 미칠 수 있는 난방관과 상수도관을 같이 모델링하였다. Figure 2는 해석대상 공동구의 단면을 나타낸다.

Figure 2.

Vertical cross section of Underground utility pipe tunnel

해석대상 지하공동구의 길이는 설계도면과 동일한 조건으로 급기구와 배기구 사이의 거리를 100 m로 하였으며, 내부 풍량 변화에 따른 온도와 상대습도의 변화를 분석하기 위한 대표 단면지점은 외기부의 영향을 가장 적게 받는 내부 환경의 대표성을 갖는 급기구와 배기구의 중간지점인 50 m지점으로 설정하였다. 지하공동구의 대표 단면지점과 급기구 및 배기팬의 위치에 따른 기류의 흐름은 Figure 3과 같다.

Figure 3.

Representative vertical cross section of Underground utility pipe tunnel (50m in the middle) and Air movement direction

CFD 해석을 위한 모델링의 격자구성

CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램은 Ansys사의 Workbench 15.0을 이용하여, Fluent 프로그램으로 해석하였다. 지하공동구의 모델은 Ansys사의 Workbench에서 기본적으로 형상을 구성할 수 있도록 Design Modeler를 사용하여 모델링하였으며, 격자는 Ansys내의 제공하는 Mesh tool로 자동으로 격자를 생성한 후 보정하였다. 지하공동구에서의 격자생성의 결과는 Figure 4와 같다. 모델링의 격자 생성은 Tetrahedrons 방법으로 격자를 생성을 하였다. 격자 구성 중 수직부분 및 배관부분에서는 해석 속도와 해석결과의 정확성을 증가시키기 위하여 부분적으로 격자크기를 조정하였다. 총 격자의 Elements는 약 300만개로 Orthogonal Quality의 최솟값은 약 0.23으로 격자의 신뢰성이 적절하게 구성이 된 것으로 판단된다.

Figure 4.

Creating mesh configuration of Underground utility pipe

기본입력조건 및 변수

지하공동구 내 대표 수직단면에서 내부 풍량 변화에 따른 온도분포와 상대습도의 변화를 분석하기 위해 다음의 Table 1과 같이 경계조건에 대한 입력값을 설정하였다.

Table 1. Boundary Condition and Input value at Underground utility pipe tunnel

지하공동구의 습도 증가의 원인들 중 지하공동구 외벽을 통한 지하수의 침수나 우수의 유입은 입력조건으로의 설정 시에 입력값의 설정이 매우 난해하며, 모든 지하공동구에서 보편적으로 일어나는 상황이 아니므로 경계조건에서는 제외하였다.

입력값 중 풍량변수는 지하공동구 내부의 풍량 변화로 현장에서 배기팬이 운전이 될 때의 측정한 내부 풍량인 300 m³/h을 초기 값으로 하여, 300 m³/h씩 증가시켜 4배치인 최대 1200 m³/h까지 증가시켜, 300 m³/h, 600 m³/h, 900 m³/h, 1200 m³/h 총 4가지 조건에서 풍량 변화에 따른 공동구내부의 대표 단면지점에서의 온도분포와 상대습도분포의 결과를 확인하고자 하였다.⁹⁾

난류모델의 지배방정식은 모델링한 공동구의 크기와 격자수 등을 고려하여 빠른 해석을 실행하기 위하여 전산유체역학에서 가장 범용 적으로 사용되는 Standard k-ε 모델을 사용하였고, 내부와 외부의 압력보간 방법으로는 Simple 알고리즘을 사용하였다.

결과 및 분석

지하공동구 단면온도분포 해석결과

Figure 5는 지하공동구 내의 대표단면, 50m 지점에서의 수직단면의 온도분포를 해석한 결과이다.

Figure 5.

Temperature distribution at representative vertical cross section in the underground utility pipe tunnel

지하공동구의 환기량을 현장에서 측정한 풍량인 300 m³/h부터 시작하여 600 m³/h, 900 m³/h, 1200 m³/h의 조건으로 환기설비(배기팬)의 풍량을 변화시켰을 때에 전력구와 설비구 모두 온도의 변화는 크게 변화하지 않는 상황이 연출되었다. 풍량이 3배 이상 증가하여도 지하공동구는 구조체의 크기가 크고 지중의 일정한 온도의 영향을 지속적으로 받기 때문으로 판단된다.

설비구(좌측)의 에서는 입력조건에 따른 설비구의 난방관의 발열 분포도 확인할 수 있었다. 발열로 인하여 지역난방관 주변으로 26~30°C의 영역이 풍량이 증가함에 따라 어느 정도 변화되는 추세를 보이며, 풍량 증가에 따라 설비구 배관 하부 주변과 난방 배관 사이에서의 온도가 약 2~3°C 하강되는 것을 확인 할 수 있었다. 전력구(우측)의 경우에는 풍량이 증가할수록 19.3~21.5°C의 범위가 상층부와 중간 격벽이 아닌 우측 지중으로 접하는 면으로 다소 변화되며 이 외에는 큰 온도변화를 찾아보기 어렵다.

온도분포 해석결과 본 연구에 대상이 된 지하공동구 규모에서는 기존의 설계 풍량에서 약 4배의 풍량으로 증가 시켰을 때 온도는 최대 약 3°C 정도의 하강효과를 기대 할 수 있을 것으로 예측된다.

지하공동구 단면 상대습도분포 해석결과

Figure 6은 지하공동구의 환기량을 현장에서 측정한 풍량인 300 m³/h부터 300 m³/h, 600 m³/h, 900 m³/h, 1200 m³/h의 조건으로 환기시스템의 풍량을 변화시켰을 때, 지하공동구 내의 대표단면, 50 m 지점에서의 수직단면의 상대습도도분포를 해석한 결과이다.

Figure 6.

Relative humidity distribution at representative vertical cross section in the underground utility pipe tunnel

전력구와 설비구 모두 내부의 풍량이 300 m³/h일 때 상대습도가 약 80%RH의 분포를 나타낸다. 풍량을 단계별로 증가함에 따라서 상대습도는 점차 감소하였으며, 지하공동구의 내부 풍량을 가장 큰 1200 m³/h로 변화 시에는 지하공동구 내부의 상대습도분포는 약 70~50%RH로 최대 20~30%RH 정도 감소되는 상황이 연출되었다.

설비구(좌측)의 에서는 전력구(우측)와 다르게 입력조건에 따른 설비구의 난방관의 발열로 인하여 지역난방관 배관 주변에는 비교적 다른 공간보다 상대습도가 낮게 분포함을 확인할 수 있었다.

전력구(우측)의 경우에는 설계 풍량인 최초 300 m³/h 인 경우 상부의 상대습도가 약 80%RH이고, 하부의 상대습도도 50%RH 정도로 높은 습도조건을 유지하지만, 내부 풍량을 600 m³/h로 증가 시부터 상대습도 80%RH의 고습도 분포구역이 감소하며 풍량이 증가할수록 비례적으로 낮아져 4배 증가한 1200 m³/h의 풍량 조건에서는 지하공동구 상부의 상대습도는 약 70%RH, 하부의 상대습도는 약 50%RH 단면분포가 증가하여 상대습도의 감소를 확인 할 수 있었다.

상대습도분포 해석결과 본 연구에 대상이 된 지하공동구 규모에서는 실제 측정된 300 m³/h 의 내부 풍량보다 4배의 풍량으로 1200 m³/h까지 증가 시켰을 때 입력조건 내에서 상대습도는 최대 약 10~20%RH 정도의 감소효과를 기대 할 수 있을 것으로 예측된다.

지하공동구 내부 풍량 변화에 따른 상대습도의 감소와 같은 변화는 포화수증기압의 변화와 상관되므로 지하공동구 내부에서 결로가 발생할 수 조건을 예측할 수 있다. 따라서 본 연구의 결과를 바탕으로 예측 컨데 풍량의 증가에 따라 지하공동구의 내벽, 격벽과 같은 구조체의 벽면과, 내부의 수용물 표면의 결로 발생을 방지하는 데에도 효과가 있을 것으로 기대된다.

결 론

본 연구는 지하공동구와 내부 수용물의 유지 및 관리를 위한 지하공동구의 환기설비 및 부대시설의 적절한 설계와 기존의 문제점을 개선하기 위해 전산유체역학을 이용하여 풍량 변화를 변수로 하여 지하공동구 내부의 대표지점에서의 온도와 상대습도분포를 해석한 연구로 도출된 결과의 주요 내용과 결론을 정리하면 다음과 같다.

(1)해석결과 온도분포의 변화는 환기시스템의 풍량을 변화시켰을 때에도 온도 변화는 거의 미비한 것으로 확인되었으며 설비구의 난방관의 발열 분포도 확인할 수 있었다.

(2)본 연구에 대상이 된 지하공동구 규모에서는 기존의 설계 풍량에서 약 4배의 풍량으로 증가 시켰을 때 온도분포의 가장 큰 변화는 설비구 배관 하부 주변과 난방 배관 사이에서의 온도가 약 2~3°C, 그리고 전력구는 격벽이 아닌 지중과 접하는 벽에서 약 2°C 하강되는 것을 확인 할 수 있었다.

(3)해석결과 상대습도분포의 변화는 환기시스템의 풍량을 변화시켰을 때 300 m³/h일 때 전력구와 설비구 모두 최대 약 80%RH의 상대습도가 풍량 변화에 따라 점차 감소하여 최대 풍량 변수인 1200 m³/h의 풍량일 때는 70~50%RH로 최대 약 10~20% 정도 변화되는 상황이 연출되었으며, 설비구의 지역난방배관 부근은 발열의 영향으로 다른 공간에 비하여 낮은 상대습도분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다.

(5)상대습도분포 해석결과 본 연구에 대상이 된 지하공동구 규모에서는 기존의 설계 풍량에서 약 4배의 풍량으로 증가시켰을 때 상대습도는 최대 약 10~20% 정도의 감소효과를 기대 할 수 있을 것으로 예측된다.

(6)상대습도의 변화는 지하공동구에서 발생할 수 있는 내부 결로와 매우 밀접한 영향이 있으므로 내부의 설계 풍량 증가는 구조체와 수용물 표면의 결로 발생을 방지하는 데에 효과가 있을 것으로 기대된다.