터널 화재는 인명 피해와 사회적 손실을 최소화하기 위해 신속한 연기 제어가 필수적입니다. 2025년 개정된 도로터널 방재기준에 따르면, 제연방식 선택 시 CFD(전산유체역학) 모델링을 통한 과학적 검증이 의무화되었습니다. 이 글에서는 수직배기와 횡류배기의 장단점을 비교하고, CFD를 활용한 최적화 전략을 제시합니다.
1. 제연방식 선정의 3대 핵심 기준
터널 특성에 따른 최적의 제연방식 선택을 위해 다음 요소를 종합적으로 평가해야 합니다:
- 터널 길이: 500m 미만 단거리는 수직배기, 1km 이상 장거리는 횡류배기 우선 적용
- 교통 패턴: 도시지역 대면통행 터널은 횡류배기, 고속도로 일방통행은 수직배기 적합
- 화재 시나리오: 설계화재강도(20MW 기준)에 따른 열부력과 연기 확산 패턴 분석
2024년 Memorial Tunnel 실험에서 횡류배기는 20MW 화재 시 3분 내 80% 연기 제거율을 보였으나, 에너지 소비는 수직배기 대비 2.3배 높았습니다.
2. CFD 모델링의 4단계 적용 프로세스
정확한 시뮬레이션을 위한 핵심 단계:
- 3D 지오메트리 구축: 터널 단면(폭 9.2m × 높이 6.8m), 경사도 2% 이내로 모델링
- 화재 조건 설정: HRRPUA(단위면적당 열방출률) 3.6MW/m², 연기 생성량 80m³/sec
- 난류 모델 선택: LES(Large Eddy Simulation)로 미세와류 해석
- 결과 검증: 실제 화재테스트 데이터와 오차율 5% 이내로 보정
Fluent v12를 이용한 서울 남산터널 사례에서는 덕트 내 풍속 18m/s에서 최적 배기 효율을 확인했습니다.
3. 현장 적용 사례와 기술 발전 동향
국내외 성공 사례에서 도출된 교훈:
- 부산 해운대터널: AI 예측 제어시스템 도입으로 기존 대비 40% 에너지 절감
- 스위스 고타드터널: 다중 존 제어방식으로 1km 구간당 배기팬 8대 배치
- 차세대 기술: 디지털 트윈 기반 실시간 최적화 알고리즘 개발 진행 중
2025년 도입 예정인 KDS 67 10 10 규정은 CFD 모델링 결과를 설계 승인 요건으로 명시하고 있습니다.
결론
터널 화재 안전성 향상을 위해서는 제연방식 선정 시 공학적 분석과 CFD 검증의 결합이 필수적입니다. 수직배기는 에너지 효율성, 횡류배기는 빠른 연기 제거가 장점이며, AI 연계 CFD 모델링은 두 방식의 단점을 보완하는 해법으로 부상하고 있습니다. 향후 실시간 적응형 제어시스템의 보편화가 핵심 과제입니다.