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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.16 No.1 pp.19-24
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2017.16.1.19

Characteristics of PM10 generation by cabin operation

Jong-Hun Park1*, Duckshin Park2
1Department of Railroad Drive and Control, Dong Yang University
2Transportation Environmental Research Team, Korea Railroad Research Institute
Corresponding author +82-54-630-1292jhpark0348@gmail.com
November 17, 2016 January 22, 2017 February 21, 2017

Abstract

The characteristics of PM10 generation by subway operation such as acceleration, constant velocity, deceleration or stoppage were measured in real time to study its causes. For measurement positions, the lower center point on the front side of the Tc1-car was selected to observe the re- suspension caused by train draft, and behind the M2-car wheel and the T1-car wheel were selected observe the abrasion loss from friction generation during cabin operation. The measurement results showed that the PM10 generation is increased by train draft was 5.6% in the constant velocity section and 1.45% in the acceleration/deceleration sections. The increase by adhesiveness for cabin acceleration/deceleration was 9.6%, while the increase caused by friction from motor operation and steering was 5.1%. On the other hand, the amount of PM10 flowing into the station when a cabin was stopped at a station was 136% of normal condition and this might be the key reason of PM10 pollution in a subway tunnels since most pollution is accumulated there.


전동차 운행시 발생되는 PM10의 특성에 관한 연구

박 종헌1*, 박 덕신2
1동양대학교 철도운전제어학과
2한국철도기술연구원 교통환경연구팀

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    16RTRP-B0822486-03
    ©Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1.서 론

    서울을 비롯한 대도시는 도로정체가 날로 심화되면 서 도시철도 노선이 추가로 건설되고 기존 노선이 연 장되면서 지하철 이용객이 2000년에 22.35억명에서 2015년에는 25.22억명으로 12.84% 늘었다(Country Indicator, 2016). 최근에는 지하역사에 상업시설 입주 가 많아지고 지하철 이용시간도 늘어나면서 승객들이 지하공간에서 머무르는 시간이 증가하고 있다.

    정부는 실내공기질관리법(Korean Government, 2016) 제정을 통하여 지하역사의 PM10 농도를 150 μg/m3 이 하로, 서울시는 조례를 통해 140 μg/m3 이하로 관리하 고 있다. 이에 따라 각 지하철 운영기관에서는 PM10을 줄이기 위하여 지하구간에 물청소와 환기를 주기적으 로 실시하고 있으나, 노력에 비해서 효과는 적은 실정 이다. 따라서 지하역사의 미세먼지 발생원인을 찾아 효 과적으로 예방하거나 제거하기 위한 연구가 필요하다.

    지하역사의 공기질에 대한 연구는 주로 장소와 계절, 요일에 따른 공기질 측정과(Gerhart and Kruger, 1998; Johansson and Johansson, 2003; Salma et al., 2007; kim et al., 2008; Cheng et al., 2008) PM10의 구성 성 분에 대한 조사연구(Lorenzo et al., 2006; Kang et al., 2008; Jung et al., 2010)가 대부분이었다. Park et al. (2010a; 2010b; 2014)의 연구에서 지하역사의 PM10 농 도가 전동차 운행빈도와 운행속도에 비례하여 증가하 는 것을 확인하였으나, 전동차 운행 시 차륜과 레일 사 이에 마찰로 인한 발생량과 열차풍에 의해 비산되거나 전동차에 의해 이동되는 양을 명확하게 구분하지는 못 하였다.

    본 연구에서는 전동차 운행조건에 따라 차륜과 레일 사이의 마찰에 의한 PM10의 발생량과 전동차 전면에 서 열차풍에 의한 비산량, 전동차 후면에서 발생되는 열차풍에 의해 지하역사로 이동되는 PM10의 이동량을 파악하고자 하였다.

    2.연구방법

    2.1.PM10 농도의 측정

    서울지하철 6호선 전동차에 운행조건에 따른 PM10 발생특성을 파악하기 위하여 dust Spectrometer (Grimmco., Model 1.108) 3대를 설치하고, 봉화산역에서 출 발하여 봉화산역으로 돌아오는 일정으로 70개 역 구간 을 운행하면서 PM10의 농도를 6초 간격으로 전동차 운 행이 빈번한 17:30 ~ 20:00 사이에 측정하였다.

    전동차는 Fig. 1에서와 같이 운전실이 있는 Tc-car 2 량, 차축에 구동모터가 달려 있는 M-car 4량, 차축에 구동모터가 없는 T-car 2량으로 구성된다. Tc1-car의 측 정기(F로 표시)는 Fig. 1에서 전동차 전면 하단부에 측 정기의 흡입구를 설치하여 열차가 주행할 때 PM10의 농도로 터널의 배경농도를 파악하였다. M2-car의 측정 기(M으로 표시)와 T1-car의 측정기(T로 표시)는 차륜 뒤에 흡입구를 설치하여 전동차 주행 시 차륜과 레일, 차륜과 제륜자 사이에 발생하는 PM10의 농도를 파악 하였다.

    전동차는 역을 출발하여 최고속도인 70 km/h에 도달 하는 가속단계, 최고속도로 주행하는 등속단계, 그리고 역에 정차하기 속도를 줄이는 감속단계 및 정차단계로 구분할 수 있으며, 측정은 가속, 등속, 감속 및 정차 단 계로 나누어서 실시하였다.

    2.2.PM10 농도의 추정

    지하역사의 PM10 농도는 전동차 운행빈도에 비례하 여 증가하므로(Park et al., 2014) 전동차 운행으로 인 해 증가하는 PM10은 식 (1)과 같이 전동차가 역에 진 입할 때 전동차 전면에 발생하는 열차풍으로 인해 선 로위에 침적되어 있던 PM10이 비산되어 증가되는 재 비산량, 전동차 주행 시 차륜과 레일, 제륜자와 차륜 또는 디스크 사이의 마찰에 의한 마모량, 전동차가 역 에 정지할 때 뒤 따라오는 열차풍에 의해 역으로 운반 되는 이동량으로 가정하였다.

    C t = C s + C f + C m
    (Eq. 1)

    여기서, Ct는 PM10의 증가량, Cs는 열차풍에 의한 재비 산량, Cf는 차륜과 레일, 제륜자와 차륜 또는 디스크 사이의 마찰로 마모량, Cm은 열차풍에 의한 이동량을 나타낸다. 재비산량 Cs는 열차풍에 의해 비산된 PM10 이 터널에 확산된다고 가정하고, 전동차 전두부 중앙하 부에 개방된 공간을 통과하는 공기 중의 PM10 농도를 배경농도로 가정하고 배경농도와 비교하였다.

    마모량은 전동차의 구름마찰과 조향마찰로 인한 발 생량, 전동차 가·감속 시 차륜과 레일 사이의 마찰력 증가로 인한 발생량, 정지 시 공기제동으로 인해 제륜 자와 차륜 또는 디스크와의 마찰로 인한 발생량으로 가정하고, 모터카(M-car로 표시함.) 차륜 뒤와 트레일 러 카(T-car로 표시함.) 차륜 뒤에 발생하는 PM10 농도 를 측정하여 터널의 배경농도와 비교하였다.

    이동량은 전동차가 역에 정지할 때 열차풍에 의해 증가되는 PM10의 농도를 위 세 지점에서 측정된 값에 서 전동차 맨 뒤쪽에서부터 거리에 따라 감소하는 비 율을 수학적 모델을 통해 추정하였다.

    3.연구결과 및 고찰

    3.1.PM10 농도 특성

    터널에서의 PM10 농도는 전동차 운행상태에 따라 일정한 패턴이 있으므로 노선의 중간부분인 광흥창역- 합정역-상수역 구간을 기준으로 분석하였다.

    Fig. 2에서 광흥창역-상수역 구간의 샘플 수 n은 주 행상태가 전체의 63%, 정지상태가 전체의 37%를 차 지한다. Table 1에 열차 운행상태에 따른 F, M, T에서 의 PM10 농도에 대한 누적값(Σci)과 평균값(Σci/n)을 나타내었다. Table 1에서 전동차가 정지상태에 있을 때 M과 T에서의 PM10 농도 비율이 정지시간의 비율보다 높아 주행할 때 보다는 정지할 때 단위시간당 PM10 발 생량이 많음을 알 수 있다.

    3.2.정지상태에서의 PM10 발생 특성

    터널에서 전동차가 운행할 때 전동차 속도에 의해 끝부분에는 압력이 낮아지는 경향이 있어서 주변의 공 기를 흡입하므로(Kim et al., 2004) PM10 농도가 높아 지는 경향이 있다. 후류에 의해 생성되는 유동(후류유 동)의 세기는 터널 단면적이 적고 전동차 속도가 빠를 수록 커진다. 후류유동은 전동차가 역에 정지할 때 전 동차 쪽으로 유동을 생성해서 Fig. 2와 같이 F, M, T 순으로 PM10의 농도가 높게 나타나는 경향이 있다.

    세 측정지점(F, M, T)에서 PM10 농도의 피크 값 증 가량(cmax– cmin)은 Fig. 3-a에서와 같이 전동차 끝부분 으로부터 거리 d에 따라 지수적으로 감소하여 전동차 맨 앞부분인 F에서는 기저농도에 비해 8% 증가하는 데 그쳤다. 따라서 후류유동에 의해 역으로 유입된 고농 도의 PM10은 대부분 역 구간에서 확산됨을 알 수 있다.

    세 지점의 측정값으로부터 피크 값 증가량이 거리 d 에 따라 지수적으로 감소하는 회귀식을 최소자승법 (method of least squares)으로 구하면 eq. 2와 같다. 이 때 회귀식의 상관계수(Pearson’s correlation coefficients) R2은 99.95%로 매우 높다.Table 2

    y = 33293 e 0.045 d [ × 1 , 000 ea/m 3 ]
    (Eq. 2)

    Eq. 2로부터 전동차 맨 끝부분에는 피크 값이 기저 농도에 비해(33,293 + 352) / 352 = 95.6 배나 되는 매우 높은 농도의 먼지구름이 역으로 몰려오는 것으로 추정 된다. 각 지점에서 측정된 PM10 농도(ci)로부터 그 지 점의 최소농도(cmin)를 뺀 증가분의 누적량(Σ(ci – cmin))은 Fig. 3-b와 같이 거리 d에 따라 선형적으로 감 소하고, 전동차 맨 앞부분인 F에서는 T에서의 66 / 1,092 = 6.0%에 불과하여 후류유동에 의해 지하역사 쪽으로 유입된 PM10이 대부분 역 구간에서 비산되는 것으로 추정된다.

    세 지점의 측정값으로부터 PM10 농도 증가분의 누 적량이 거리 d에 따라 선형적으로 감소하는 회귀식을 최소자승법에 의해 구하면 eq. 3과 같다. 이 때의 회귀 식의 상관계수 R2은 99.7% 이었다.

    y = 13.476 d + 2213.8 [ × 1 , 000 ea/m 3 ]
    (Eq. 3)

    Eq. 3으로부터 전동차 끝 부분의 PM10 농도 증가는 2,213.8이 되므로, 열차가 한 번 정차할 때마다 배경농 도의 1.36배에 달하는 PM10이 역으로 유입되는 것으로 추정된다.

    3.3.주행상태에서 PM10 발생 특성

    F에서의 PM10 농도는 Table 3에서와 같이 등속상태 에서는 열차풍에 의한 재비산량 증가로 5.6% 증가하 고, 가감속 상태에서는 2.9%/2=1.45% 증가하였으나, 전체적으로는 전동차 운행상태에 따라 5.6%-0.8 %= 4.8% 밖에 변하지 않아 거의 일정한 수준을 나타냈다. 또한 앞 전동차에 의해 발생한 PM10이 다음 차량이 오기 전까지(전동차와 전동차 사이의 운행간격이 6분 일 경우를 가정하면.) 확산되어 정상상태에 도달되어 있었다.

    전동차 열차풍으로 인한 증가율 ≤ 5.6%

    가속상태에서는 M-car 차륜에 구동력이 인가되면서 차륜과 레일 사이의 마찰력이 증가하므로 M에서의 농 도는 F에서보다 13.4%, T에서보다 9.5% 더 높았다. Tcar에서는 차륜에 구동력이 가해지지 않음에도 불구하 고 주행 시 발생하는 차륜과 레일 사이의 충격과 마찰 로 인해 F에서보다 3.8% 가량 높았다.

    최고속도로 주행하는 등속상태에서는 차륜과 레일 사이의 충격과 마찰이 증가하고, 열차풍도 증가하므로 F에서보다 M과 T에서 각각 15.8%와 6.7% 높았다. 등 속구간에서는 속도가 빠른 만큼 열차저항도 커 최고속 도를 유지하기 위해서는 순간순간 가속이 이루어지므 로 M에서의 농도가 T에서보다 9.1% 높았다.

    전동차가 역에 정지하기 위한 감속단계에서는 MCar에 의한 회생제동이 최대로 이루어지므로 M-Car 차륜과 레일 사이의 마찰력이 증가하여 T에서보다 M 에서 15.6%−5.6%=10.0% 가량 높게 나타났다.

    전동차 가·감속으로 인한 증가율 = (14.7% – 5.1%) = 9.6%

    따라서 차륜과 레일, 차륜과 제륜자 사이에 작용하 는 마찰력이 커질수록 더 많은 PM10이 발생하므로 F 에서보다 M과 T에서 각각 14.7%와 5.1% 더 높았다. T에서보다 M에서 더 높은 것은 전동차 가감속 시 마 찰력 증가에 의한 것이고, F에서보다 T가 더 높은 것 은 조향마찰과 구름마찰 증가에 의한 것으로 추정된다.

    전동차 구름마찰과 조향마찰에 의한 증가율 = 5.1% − 2.3% = 2.8%

    본 연구는 도시철도 터널에서 전동차 운행에 따른 PM10 발생특성을 파악하기 위한 실험적 연구로서 전동 차 하부의 3개 지점에 측정기를 설치하고, 전동차 정차 시, 가속 및 감속시 PM10의 발생특성을 상호 비교하였 다. 전동차 운행조건에 따라 발생되는 나노입자나 초미 세먼지의 발생은 분석에서 제외되었다. 추후 연구에서 는 나노입자 등을 포함하여 터널에 부유하는 전체 먼 지 입자에 대한 분석을 시도하고자 한다.

    4.결 론

    본 연구에서는 전동차 운행에 따른 PM10 발생특성 을 분석하였다. Fig. 4에서와 같이 측정결과 T에서 측 정한 터널 내 PM10 농도는 최고속도로 달리는 등속구 간에서 5.6% 증가하였으나, 가속과 감속구간에서는 각 각 0.8%와 2.1% 증가하는 데 그쳐 전동차 운행상태에 따라 큰 변화를 보이지 않고 일정하였다. 이로부터 전 동차 전면에 발생하는 열차풍으로 인한 PM10 증가는 5.6% 이하로 전동차 운행상태에 따라 큰 변화가 없으 며, 전동차 운행으로 인해 발생한 PM10은 앞차와의 간 격인 6분 이내에 확산된 것으로 파악되었다.

    전동차가 주행할 때 M-car 차륜에 작용하는 가속력 과 감속력, T-car 차륜에 작용하는 마찰제동력, 차륜과 레일 사이의 조향마찰과 구름마찰 등으로 인해 PM10 농도가 F에서보다 M과 T에서 각각 14.7%와 5.1% 가 량 더 높았다. 이로부터 전동차가 주행할 때마다 차륜 과 레일 사이의 마찰에 의해 PM10이 발생하며, 특히 전동차 주행 시 가감속력이 많이 작용하는 M-car 차륜 뒤에서는 터널의 배경농도보다 14.7%나 많은 양이 발 생되었다.

    전동차가 역에 정지하면 열차풍에 의한 후류유동으 로 T, M, F에서의 PM10 농도가 각각 73.1, 47.1, 3.3% 가량 증가하였다. 따라서 전동차가 역에 정차할 때마다 배경농도의 1.36배 높은 달하는 PM10이 지하역사쪽으 로 이동하여 대부분 다음 구간으로 빠져나가지 못하고 지하역에 정체하는 것으로 분석되었다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부의 재원으로 미래철도기술연구 사업(16RTRP-B0822486-03)의 연구비를 지원받아 수 행되었으며, 이에 감사 드립니다.

    Figure

    JOIE-16-19_F1.gif

    Installed PM10 monitoring system.

    JOIE-16-19_F2.gif

    PM10 mass concentration at different states of a cabin operation (Status: Stoppage=0, Acceleration=1, Uniform=2, Deceleration=3).

    JOIE-16-19_F3.gif

    Change of incremental particle concentrations according to the distance from cabin end.

    JOIE-16-19_F4.gif

    Increment of particle number concentrations by cabin operation.

    Table

    Particle number concentration at different operation condition of a cabin (unit: #1,000/m3)

    Characteristics of train induced flow in subway tunnels

    Particle number concentrations according to the train running state (unit: × 1,000 ea/m3)

    Reference

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