이 글의 목적은 화학물질 취급이 없는 일반 터널 굴착 현장에서 필요한 환기량을 체계적으로 산정하고, 팬·덕트 규모를 선정하는 전 과정을 실무자가 즉시 적용할 수 있도록 정리하는 것이다.
1. 범위와 전제
본 가이드는 화학물질 저장·사용이 없는 일반 터널 시공 현장을 대상으로 한다. 환기의 주 목적은 작업자 호흡환경 확보, 디젤 장비 배출가스 희석, 분진 저감, 열 제거, 산소 농도 유지이다. 발파가스 처리, 특수유해가스 누출 대응, 유류증기 등 화학사고 관리 절차는 범위 밖으로 한다.
주의 : 법적 허용기준은 공사 발주처, 현장 안전관리계획, 국가·지방 규정에 따라 상이할 수 있다. 본문 수식으로 산정한 값은 현장측 측정결과와 병행 검증해야 한다.
2. 환기 설계의 핵심 지표
2.1 목표 환경항목
- 산소(O2) 농도 유지 목표: 19.5% 이상으로 설정한다.
- 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2) 등 배출가스: 현장 내부 관리기준을 사전 설정한다.
- 디젤분진(DPM) 또는 총분진(TSP/PM10): 공기 중 농도 관리기준을 설정한다.
- 열환경: 작업구 구간의 허용온열지수(WBGT 등) 또는 공기온도 상승 제한값(예: ΔT 7~10°C)으로 설계한다.
2.2 환기 전략
- 일방향 추기(푸시) 또는 배기(풀) 환기 중 공사 조건에 적합한 방식을 선택한다.
- 중앙팬 1기+보조팬, 혹은 구간별 분기팬으로 단일 실패 지점을 최소화한다.
- 유로는 가능한 직선화하고, 급격한 굴절과 누설을 최소화한다.
3. 환기량 산정 단계 개요
환기량은 인원·장비 희석, 분진 제어, 열제거 중 가장 큰 값을 채택한다. 안전율을 곱해 최종 환기량을 정한다.
- 인원 기준 환기량 Qpeo 산정
- 디젤 장비 희석 환기량 Qdiesel 산정
- 분진 제어 환기량 Qdust 산정
- 열 제거 환기량 Qheat 산정
- Qreq = max(Qpeo, Qdiesel, Qdust, Qheat) × 안전율
4. 인원 기준 환기량 Qpeo
인원 기준은 산소 소비와 호흡성 CO2 배출을 단순화하여 최소 환기량을 부여하는 방식이다. 일반 현장에서는 작업자 1인당 기준 환기량을 설정한다. 보수적 값으로 1인당 0.6~1.0 m3/s 범위를 사용한다. 야전 용도로 다음 보수 기준을 제시한다.
- 경작업: 0.6 m3/s·인
- 중·중량작업 또는 고밀도 인원: 0.8~1.0 m3/s·인
계산식은 다음과 같다.
Q_peo = n_person × q_per_person 예) 인원 8명, 기준 0.8 m³/s·인 → Q_peo = 8 × 0.8 = 6.4 m³/s 주의 : 인원 기준은 디젤 장비나 분진이 없는 조건의 최저 환기량 확보용으로만 사용한다. 장비 배출가스 또는 분진이 존재하면 별도 항목으로 재산정해야 한다.
5. 디젤 장비 희석 환기량 Qdiesel
5.1 개념
디젤 장비에서 배출되는 오염물질을 목표 농도 이하로 유지하기 위해 필요한 공기량을 산정한다. 핵심은 배출량(질량유량)과 목표 농도(질량/체적)의 균형이다.
5.2 기본식
Q_diesel = Σ (E_i / C_target) × k - E_i : 장비 i의 오염물질 배출량(예: CO 또는 NO₂, mg/s) - C_target : 현장 관리기준 농도(예: mg/m³) - k : 혼합·비균질 보정계수(보수적으로 1.2~1.5 권장) 단, 동시가동 장비만 합산한다. 배출량 Ei는 엔진 정격출력, 부하율, 배출계수로 추정한다.
E_i = EF_p × P_rated × LF × (1/3600) - EF_p : 출력당 배출계수(예: g/kWh) - P_rated : 정격출력(kW) - LF : 부하율(0~1) - 1/3600 : g/h → g/s 환산 복수 오염물질이 있을 때는 각각의 Q를 구해 가장 큰 값을 취한다.
팁 : 배출저감장치(DPF, SCR) 사양과 유지관리 상태를 반영하면 E 값이 크게 달라진다. 정기 재생 성능과 누설 여부를 점검해야 한다.
5.3 간이출력 기준법
현장 즉시 산정을 위해 출력 총합으로 환기량을 구하는 간이법을 병행한다.
Q_diesel,power = α × Σ(P_rated × LF) - α : 출력당 환기량 환산계수(m³/s·kW) 권장 범위: 0.05~0.08 m³/s·100 kW = 0.0005~0.0008 m³/s·kW 상기 환산계수는 저감장치 적용 정도에 따라 조정한다. 보수적 설계를 원하면 상한값을 사용한다.
5.4 예시
조건 - LHD 180 kW(부하율 0.6), 굴착기 120 kW(0.5), 제트팬 없음 - α = 0.0008 m³/s·kW - 동시가동
계산
Σ(P×LF) = 180×0.6 + 120×0.5 = 108 + 60 = 168 kW
Q_diesel,power = 0.0008 × 168 = 0.1344 m³/s
※ 출력법은 하한을 주는 경향이 있다. 배출계수 기반 Q와 비교해 큰 값을 채택한다.
6. 분진 제어 환기량 Qdust
6.1 개념
절삭·천공·버킷 투하 등에서 발생하는 분진 발생량을 목표 농도 이하로 희석한다. 분진 포집장치가 있으면 포집량만큼 요구 환기량을 줄일 수 있다.
6.2 기본식
Q_dust = G_dust / C_target × k - G_dust : 분진 발생량( mg/s ) 또는 포집 장치 통과 후 잔류량 - C_target : 목표 농도( mg/m³ ) - k : 혼합보정(1.2~1.5) 분진 발생량은 공정별 경험치 또는 현장 측정으로 정한다. 천공·발파 직후 단기 피크를 고려한 최대값을 채택한다.
주의 : 발파 직후 일시 농도 급등은 일반 희석 환기만으로 제어가 어려운 경우가 있다. 발파·배연 전용 고풍량 단기 운전 시나리오를 별도로 수립해야 한다.
7. 열 제거 환기량 Qheat
7.1 개념
장비 발열과 암체 열, 지열 등을 제거해 허용 온열환경을 유지한다. 목표는 공기 온도 상승을 한계 ΔT 이내로 제한하는 것이다.
7.2 기본식
Q_heat = Q̇_total / (ρ × c_p × ΔT) - Q̇_total : 제거해야 할 열량(W = J/s) - ρ : 공기 밀도(약 1.2 kg/m³) - c_p : 공기 정압비열(약 1,005 J/kg·K) - ΔT : 허용 온도상승(K 또는 °C) 7.3 예시
조건 - 장비 유효 발열 250 kW, 사람 발열 8명×120 W = 0.96 kW → 합계 250.96 kW - 암체·지열 가산 50 kW → Q̇_total ≈ 301 kW - ΔT = 8°C, ρ=1.2 kg/m³, c_p=1005 J/kg·K
계산
Q_heat = 301,000 / (1.2×1005×8) = 301,000 / 9,648 ≈ 31.2 m³/s
열 제거 요구량은 다른 항목보다 큰 경우가 많다. 여름철 장거리 터널에서 설계를 지배하는 경우가 흔하다.
8. 최종 요구 환기량과 안전율
각 항목 환기량을 비교하여 최댓값을 취한다. 변동부하, 측정 불확실성, 누설, 덕트 손상을 고려해 안전율 fs를 곱한다.
Q_req = max(Q_peo, Q_diesel, Q_dust, Q_heat) × f_s 권장 f_s = 1.2 ~ 1.5 9. 풍속·체류시간·희석 검증
9.1 터널 유로 평균풍속
v = Q_req / A - v : 평균풍속(m/s), A : 유효단면적(m²) 권장 범위: 작업구 0.5~2.5 m/s 9.2 공기 교체 시간
t_exchange = V / Q_req - V : 환기구간 체적(m³) 발파·피크 오염 직후에는 목표 교체시간을 단축하도록 일시 증풍 운전을 계획한다.
10. 팬 정압과 덕트 손실 계산
10.1 손실 산정 방식
터널·덕트 시스템의 압력손실은 연속 유로의 마찰손실과 국부손실의 합이다. 간이 Atkinson식 또는 Darcy–Weisbach식을 사용한다.
10.2 Darcy–Weisbach식
ΔP = f × (L/D_h) × (ρ v²/2) + ΣK × (ρ v²/2) - f : 마찰계수(0.015~0.03 범위 가정) - L : 유로길이(m), D_h : 수력직경(m) - ΣK : 엘보·분기·수축 등 국부손실계수 합 10.3 Atkinson 간이식(광산·터널 관행)
ΔP = R × L × Q² - R : 저항계수(Pa·s²/m⁶), 경험치 또는 시운전으로 보정 10.4 팬 선정
- 필요 전풍량 Qreq와 총정압 ΔPtot를 결정한다.
- 팬 성능곡선과 시스템곡선을 중첩해 교점을 정한다.
- 팬 개수, 직렬·병렬 조합을 통해 여유 10~20%를 확보한다.
- 소음, 전력, 전원설비 용량을 검토한다.
11. 덕트 직경과 누설 보정
11.1 직경 선정
D = sqrt( (4Q)/(π v_target) ) - 목표 덕트 내 풍속 v_target = 10~20 m/s 권장 11.2 누설률
캔버스 덕트 누설률은 접합부 상태에 따라 5~20% 수준으로 관찰된다. 강재 덕트는 3~5% 수준을 목표로 한다. 누설 보정을 다음과 같이 적용한다.
Q_fan = Q_req / (1 - L_r) - L_r : 누설률(예: 0.15) 12. 다중 구간·분기 환기
갱구에서 작업면까지 단일 라인으로 공급이 어려우면 분기 환기를 설계한다. 각 분기에는 댐퍼 또는 VSD 제어를 적용하여 하류 요구량에 따라 분배한다. 분배 후 각 라인에서 최소 풍속과 목표 농도가 충족되는지 교차 검증한다.
13. 실측 기반 검증 절차
- 측정기기: CO, NO2, 미세먼지, 온도·습도, 기류속도계를 준비한다.
- 측정 위치: 갱구, 중간지점, 작업면 상·하부, 배기측 합류부를 포함한다.
- 운전조건: 최다 동시가동 장비 시나리오로 측정한다.
- 평가: 모든 지점에서 목표 농도·온열·풍속을 만족하는지 확인한다.
- 조정: 팬 주파수, 댐퍼 개도, 덕트 누설 보수로 결과를 최적화한다.
팁 : 발파·환기 전환 시 자동 시퀀스를 구성하면 과도상태의 저환기 구간을 줄일 수 있다. 팬 VFD와 CO/NO₂ 센서 연동을 적용하면 에너지 절감과 안전을 동시에 달성할 수 있다.
14. 단계별 계산 예시(통합)
가정값은 설명을 위한 예시이며 현장 실측값으로 대체한다.
입력 - 인원 10명(중작업) - 장비: 굴착기 150 kW(LF 0.6), 로더 120 kW(LF 0.5) - 분진 목표농도 C_target = 2 mg/m³, 잔류 발생량 G_dust = 40 mg/s - 총 발열 Q̇_total = 350 kW - 터널 단면 A = 18 m², 유로 길이 L = 1,200 m - 덕트 목표풍속 v_target = 15 m/s - 허용 ΔT = 8°C, 누설률 L_r = 0.12, 안전율 f_s = 1.3
인원 기준
q_per_person = 0.8 m³/s·인 → Q_peo = 10 × 0.8 = 8.0 m³/s
디젤 간이 출력법
α = 0.0008 m³/s·kW
Σ(P×LF) = 150×0.6 + 120×0.5 = 90 + 60 = 150 kW
Q_diesel,power = 0.0008 × 150 = 0.12 m³/s
※ 배출계수 기반 값이 있으면 큰 값을 채택한다. 본 예에서는 0.12 m³/s를 기록만 한다.
분진
Q_dust = 40 / 2 × 1.3(혼합보정) = 26 m³/s
열
Q_heat = 350,000 / (1.2×1005×8) = 350,000 / 9,648 ≈ 36.3 m³/s
요구 환기량(안전율 적용 전)
max(8.0, 0.12, 26, 36.3) = 36.3 m³/s
안전율 적용
Q_req = 36.3 × 1.3 = 47.2 m³/s
누설 보정
Q_fan = 47.2 / (1 - 0.12) = 53.6 m³/s
터널 평균풍속 검증
v = Q_req / A = 47.2 / 18 = 2.62 m/s
→ 권장 범위 0.5~2.5 m/s를 약간 초과하므로 국부 바람막이, 국부 냉각, 단면확장 검토
덕트 직경
덕트 유량은 팬 토출 기준 Q_fan 사용
D = sqrt( 4Q / (π v_target) ) = sqrt( 4×53.6 / (π×15) )
= sqrt( 214.4 / 47.123 ) = sqrt(4.55) = 2.13 m
→ 표준 직경 2.0 m×2라인 또는 2.2 m 1라인 검토
정압 개략치(간이)
가정 f=0.02, D_h≈2.13 m, v_덕트=15 m/s
ΔP_f = f × (L/D_h) × (ρ v²/2)
= 0.02 × (1200/2.13) × (1.2×225/2)
= 0.02 × 563.4 × 135
≈ 1520 Pa
국부손실 ΣK=6 가정 → ΔP_k = 6 × (1.2×225/2) = 6 × 135 = 810 Pa
총정압 ΔP_tot ≈ 2330 Pa
→ 팬 선정: 53.6 m³/s @ 2.3 kPa 이상, 여유 20%
15. 운영·유지보수 포인트
- 덕트 접합부 점검주기를 주 1회 이상으로 설정한다.
- 팬 진동·베어링 온도를 주기적으로 기록해 추세관리를 한다.
- 센서 교정(가스·풍속·온습도)을 월 1회 이상 수행한다.
- 공사 단계 진척에 따라 유로 길이 변화에 맞춰 팬 정압을 재조정한다.
16. 표준 입력값·단위 변환표
| 항목 | 기호 | 일반값 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 공기 밀도 | ρ | 1.2 kg/m³ | 20°C, 1 atm |
| 공기 정압비열 | c_p | 1005 J/kg·K | 온도 민감 |
| 안전율 | f_s | 1.2~1.5 | 현장 여건 반영 |
| 덕트 내 목표풍속 | v_target | 10~20 m/s | 소음·손실 고려 |
| 터널 평균풍속 | v | 0.5~2.5 m/s | 작업성 고려 |
| 누설률 | L_r | 0.05~0.20 | 접합부 상태 지배 |
| 마찰계수 | f | 0.015~0.03 | 덕트 종류·거칠기 |
17. 체크리스트(현장 적용)
| 항목 | 체크내용 | 빈도 |
|---|---|---|
| 목표 기준 설정 | CO/NO₂, 분진, ΔT, 풍속 목표 확정 | 착공 전 |
| 입력 데이터 | 장비 목록, 부하율, 인원, 발열, 유로 길이 | 매월 갱신 |
| 누설 관리 | 접합부 밀봉, 찢김 보수 | 주 1회 |
| 센서 교정 | 가스·풍속·온습도 교정 기록 | 월 1회 |
| 성능 검증 | 실측 농도·풍속·온도 logging과 비교 | 격주 |
| 비상 운전 | 발파·피크 부하 시 증풍 시퀀스 테스트 | 월 1회 |
18. 현장용 계산 템플릿(복사 사용)
# 입력값 예시 n_person = 10 q_per_person = 0.8 # m³/s·인 P = [150, 120] # kW LF = [0.6, 0.5] alpha = 0.0008 # m³/s·kW G_dust = 40 # mg/s C_target_dust = 2 # mg/m³ Qdot_total = 350000 # W rho = 1.2 # kg/m³ cp = 1005 # J/kg·K dT = 8 # °C fs = 1.3 leak = 0.12 A = 18 # m² v_duct = 15 # m/s
계산
Q_peo = n_person * q_per_person
Q_diesel_power = alpha * sum([p*l for p, l in zip(P, LF)])
Q_dust = (G_dust / C_target_dust) * 1.3
Q_heat = Qdot_total / (rho * cp * dT)
Q_req = max(Q_peo, Q_diesel_power, Q_dust, Q_heat) * fs
Q_fan = Q_req / (1 - leak)
v_tunnel = Q_req / A
덕트 직경
import math
D = math.sqrt(4Q_fan/(math.piv_duct))
출력
print(f"Q_peo={Q_peo:.2f} m³/s")
print(f"Q_diesel_power={Q_diesel_power:.2f} m³/s")
print(f"Q_dust={Q_dust:.2f} m³/s")
print(f"Q_heat={Q_heat:.2f} m³/s")
print(f"Q_req={Q_req:.2f} m³/s, Q_fan={Q_fan:.2f} m³/s")
print(f"터널 평균풍속 v={v_tunnel:.2f} m/s")
print(f"권장 덕트 직경 D≈{D:.2f} m")
19. 자주 발생하는 설계 오류와 해결
- 인원 기준만으로 설계하는 오류가 있다. 장비·열·분진 항목을 반드시 비교해야 한다.
- 덕트 누설을 과소평가하는 오류가 있다. 보수적 누설률을 적용하고 현장 보수계획을 포함해야 한다.
- 피크 부하 시나리오를 누락하는 오류가 있다. 발파·장비 동시가동·고온일 조건을 별도로 계산해야 한다.
- 팬 성능곡선의 실제 설치 정압을 고려하지 않는 오류가 있다. 입출구 손실과 역풍 영향을 포함해야 한다.
FAQ
터널 길이가 늘어나면 환기량과 정압 중 무엇이 먼저 문제인가?
길이가 늘어나면 정압 부족이 먼저 발생하는 경우가 많다. 환기량은 팬 용량으로 확보할 수 있으나, 손실 증가로 인해 실제 유량이 목표에 도달하지 못하는 사례가 많다. 덕트 직경 확대, 중간 부스터팬, 구간별 분리 운전을 검토한다.
여름철 고온기에 가장 효과적인 조치는 무엇인가?
열 제거가 지배적이면 Q_heat가 커진다. 대유량 환기와 함께 국부 냉풍기, 냉각수 분무 장치, 작업시간 조정, 열원 차폐를 병행한다. 덕트 단열과 누설 저감도 유효하다.
디젤 장비를 전기화하면 환기 설계가 얼마나 줄어드나?
배출가스와 분진 항목이 크게 완화되지만 열 항목은 잔존한다. 장비 전기화 시 Q_diesel이 사실상 0에 수렴해도 Q_heat 또는 Q_dust가 설계를 지배할 수 있다. 전기설비 발열과 충전 구역 환기도 함께 검토한다.
센서 연동 VSD 제어는 어떻게 설정하나?
CO/NO₂/분진/온도 센서 상한·경보·차단값을 구간별로 설정하고, 상한 접근 시 팬 주파수를 선형 또는 단계 함수로 증가시키도록 한다. 센서 고장 시 안전측 페일세이프 값으로 팬을 고정 운전하도록 설계한다.
발파 직후 배연 시간은 어떻게 산정하나?
교체시간 t_exchange = V/Q 기준으로 3~5배 교체를 목표로 한다. 배연 단계에서는 임시로 Q를 증풍하여 목표 시간을 단축한다. 현장 실측 농도 하강 곡선을 기록해 경험값을 업데이트한다.