흡차음기능혼합형 투명방음벽기술개발

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μ μ μ μ ii

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μ vi

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제 1 장서론 1

μ μ μ μ 2 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

μ μ 제 1 장서론 3

4 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 5

6 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 7

도로연구소도로연구소환경플랜트연구소 8 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 9

10 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 11

μ μ μ μ μ μ μ 12 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

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14 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

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다공성구조 Fiber 구조 20 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 21

μ μ Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 33(2), 739-748. 22 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

μ μ μ μ μ μ 제 1 장서론 23

μ μ μ μ 24 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 25

26 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제거효율 = (1 W d /W u ) 100(%) μ 제 1 장서론 27

28 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 29

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μ μ 32 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

3. 기능형 방음벽 제작 및 설치 본 연구에서 개발하는 방음벽은 소음 및 분진을 동시에 저감하는 기능성이 부가된 시설로 서 앞서 개발한 필터의 기능 및 유지관리성을 최대한 활용하는 구성으로 선정하였다(그림 3.10a). 기능형 방음벽은 투명형 방음벽과 동일하게 지주를 통해 H beam을 규격에 따라 세우고, 투명 패널을 장착하였다. H빔의 길이는 2 m였으며 필터 모듈을 기울여 결합하기 위해 1.5 m부분에서 30 각도로 구부렸다. H빔 간의 간격은 패널의 기본 단위인 2 m이며, 실제 장 착되는 패널의 길이는 1,960 mm가 된다. 기울여진 윗 부분을 상단, 아래 부분을 하단으로 구분하였다. 상단에는 필터 모듈 또는 평판형 패널이 결합된다. 하단에는 입체형 또는 평판 형이 적용된다. 전술한 바와 같이 하단에는 작년도에 개발한 입체형 방음패널을 채용하였다. 입체형 방음 패널은 지그재그 형상이며 시뮬레이션에서 해당 설계인자에서 나타난 최적 설계 각도는 결 합 패널간 127 이었으나, 설치 프레임의 결합 구조를 반영하여 131 로 제작하였다. 구체적 인 설계 사양은 그림 3.10b와 같으며 너비는 방음패널 규격 1,960 mm였다(그림 3.10b). a. 기능형 방음벽 b. 입체형 패널 설계도 그림 3.10 기능형 방음벽 제1장 서론 33

34 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

단)], [평판(상단) + 입체형(하단)], [평판(상단) + 평판형(하단)]으로 총 4 가지 조합이 된다(그림 3.12). a. 필터 모듈(상단) + 입체형(하단) b. 필터 모듈(상단) + 평판형(하단) c. 평판(상단) + 입체형(하단) d. 평판(상단) + 평판형(하단) 그림 3.12 기능형 방음벽의 구성 제1장 서론 35

36 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 37

(a) 소음 측정장비 설치 (b) 소음 발생장비 설치 (c) 지점별 소음측정 (d) 실험용 방음패널 교체 그림 3.14 성능평가 수행과정 4.1 평판형 방음패널 기능형 방음벽 하단에 평판형 투명패널이 설치된 경우의 방음 성능 결과를 분석하였다(그 림 3.15). 상단에는 필터 모듈을 장착하고 대조군으로 같은 크기의 투명 패널을 장착하였 다. 상단 필터 모듈의 경우 측정 소음은 전면에서 91.3 db가 측정되었으며, 6 m 거리에서 전체 높이를 평균하였을 때 77.0 db이었다. 6 m 거리의 반사소음은 높이 순으로 각각 76.2, 79.1, 77.4, 75.2 db였으며 가운데 부분에서 다소 높은 값을 나타내었다. 방음벽 뒤편으로 넘어가는 소음은 1 m 높이에서 64.1 db, 3 m 높이에서 67.0 db으로 평균 65.5 db이었다. 상단을 필터 모듈에서 투명패널로 교체하였을 경우 측정소음은 전면에서 91.9 db이며, 6 m 거리에서 높이를 아우르는 평균은 77.6 db였다. 6 m 거리의 반사소음은 높이 순으로 38 흡차음 기능 혼합형 투명방음벽 기술 개발

제 1 장서론 39

40 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 1 장서론 41

42 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

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44 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

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46 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

제 5 장기대효과및활용방안 47

48 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

μ 제 5 장기대효과및활용방안 49

50 흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발

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흡차음기능혼합형투명방음벽기술개발 Development of shaped transparent noise barrier technology with sound absorption function 김일호 ( 환경 플랜트연구소수석연구원, *****@kict.re.kr) 요약 >> 도로에서발생하는환경문제로소음뿐아니라미세먼지역시주요하게다루어져왔다. 국내방음벽설치는 2010년이전까지반사형과흡음형이주를이루어왔으나, 최근에는투명형비중이크게증가했다. 이는도시미관을요구하는민원에의한것으로보인다. 한편국내미세먼지농도는타선진국에비해다소높은편이며정부에서는 1, 2차수도권대기환경관리기본계획에서이에대한정책을제시하고있다. 본연구에서는도로에서발생하는소음과분진을저감하기위해기능형방음벽을개발, 성능평가를실시하였다. 방음벽은투명형을채용하였으며투명패널특성상발생하는반사소음을저감하기위해입체형전면형상을설계하였다. 분진저감을위해서는현장에서활용할수있는필터패널을개발하였다. 개발필터패널은도로에서발생하는기류로필터링이가능하도록통기성이우수한정전기필터를채용하였으며, 사용목적에최적화할수있도록소재를선정하였다. 개발된필터는 ASHRAE 52.1, 2의방법으로중량제거효율, 압력대비포집용량, 입경별제거효율등에대해성능을평가하였다. 개발필터는 2.57 μm 이상에서 91.3% 의제거효율을보였으며그이하에서는입경과비례하여감소하였다. 중량법에의한제거효율은 93.7% 로실험조건등에영향은미미하며거의일정한제거효율을보였다. 분진포집용량은 715.9 g/m 2 이었다. 현장에서의유지관리를위한재생성평가결과말기압력이증가할수록초기압력과분진포집의성능이약간씩저하하는경향을보였다. 입체형투명패널과개발필터를결합한기능형방음벽의현장방음성능평가에서는반사소음뿐아니라방음벽뒤편으로넘어가는회절음에서저감효과를보였다. 개발기능형방음벽은보다장기적운영평가등을거칠계획이며, 도로위환경문제저감시설물로활용성이넓을것으로기대된다. 주요어 방음벽, 미세먼지, 필터, 투명방음벽, 입체형, 패널 들어가는말 국내방음벽설치는 2010년까지반사형과흡음형이주를이루었으며투명형은 3.5% 에불과하였다. 그러나 2013년부터투명형방음벽에대한설치비중이증가하여흡음형에이어두번째로높은 23.3% 를차지하였다. 이는도시미관을요구하는시민들의민원이반영된것으로보이며, 이후의설치실적, 계획에서도투명방음벽에대한설치요구는높은수요를보일것으로예상된다. 투명방음벽은소재특성상반사소음이수반된다. 이는고스란히도로와맞은편수음자로전달되며, 맞은편에적절한방음수단이없을경우또다른민원이발생될수있다. 한편국내미세먼지현황은 2009년 54 μm/m 3 으로같은기간독일 26 μm/m 3, 일본 23 μm/m 3, 호주 24 μm/m 3 등과비교하여높은농도를보이고있다 ( 서울 41 μm/m 3, 2012년 ). 아울러미세먼지의보건위협이제기됨에따라환 경부에서는 1차수도권대기환경관리기본계획을추진, 2012년까지 PM10 2,720톤을저감하였다. 2013년에는 2차수도권대기환경관리기본계획을수립, PM10 30 μg/m 3 을목표로 2015년부터진행을시작하였다. 본연구에서는도로에서발생할수있는소음과분진을저감하고자기능성을부여한방음벽을개발하였다. 분진은주행기류에의해필터링흡착이가능한통기성이확보된필터패널을개발하였다. 폐색등유지관리가관건이되는필터의특성을고려하여현장에서빗물에의한물세척이가능하도록소재및구성을채용하였다. 개발필터는흡착능과재생능을평가하고자실험을구성하였다. 소음은가시성을확보할수있는투명형방음패널에전면형상을가미하여반사소음을저감하였다. 개발방음벽은분진제거필터와반사소음저감패널을장착하였으며현장에서반사소음, 회절음등방음성능을평가하였다. - 1 -

율을측정하는방법이다. 말기압력은초기압력을고려하여 유지관리가능한필터패널개발 필터패널을개발하기위해소재특성을고려하여선정하였다. 고려대상은제거대상적합여부, 탈수성, 가공성, 물세척등에의한재생성, 방음성, 내화학성, 경제성등이었다. 가장적합한소재는 PP(Polypropylene) 로초미세먼지수준까지제거가가능하며, 탈수성이 PE 등에비해우수하고가공성및물세척에용이한것으로조사되었다. 따라서 PP 소재를기반으로필터를구성하였다. 필터구성은목적상미세먼지가발생기류에의해흡착될 40 mmaq로정하였으며풍속에대한영향을확인하기위해 2.0, 2.5, 3.0 m/s의조건으로실험하였다. 대상필터의규격은실험챔버에장착하기위해 594*594 mm의크기로제작하였다. 개발필터의입경별제거효율은 Fig. 1과같다. 전체적으로 3.46 μm의입경이상에서 90% 이상의제거효율을나타냈으며평균으로는 2.57 μm부터산정했을때 91.3% 의제거율을보였다. 그이하에서는입경크기에따라제거효율이비례감소하여전체평균 53.5% 의제거율을보였다. 수있도록다공성구조여야하며흡착된먼지가빗물등물세척에의해탈리되고, 빠른건조가가능하도록탈수성이우수해야한다. PP 소재중위에특성에부합하는가공필터는 Electro Filter와 Klogan Filter이며, 두필터를결합한필터모듈을시작품으로제작하였다 (DAEYOUNG air-filter, Table 1). <Tabel 1> Manufacturing filter for Electro Filter PP Net 구조유도마찰정전기 MERV 11, MERV 12 물세척후재사용가능낮은압력손실다공성구조 Klogon Filter 발수코팅 PP Fiber 구조 MERV 15, MERV 16 부식, 화학물질등에강한내구성항균, 수분저항에유리 <Fig. 1> Particle size removal efficiency ASHRAE 52.2 법은입경범위를세단계로나누고각제거효율을기초로최소효율보고수치 (Minimum Efficiency Reporting Value, MERV) 로환산하여산업필터의비교규격을나타낸다. MERV index에의한개발필터의규격은 MERV 9~10으로현장적용성과유지관리성을고려하여정전기기작에통기성과탈수성을강화하였으며 Humidifier Dust, Lead Dust, Auto Emissions, Milled Flour 등가비슷한규격으로분류된다. Fiber 구조 중량법에의한흡착능및재생능평가 입경별제거효율 개발필터의분진제거특성을평가하기위해우선입경별훕착특성을확인하였다. 실험은 American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE) 에서정한 ASHRAE 52.2 방법으로수행하였다. 이방법은입경 0.30~10.0 μm까지 12구간에서의상 하한평균을대표입경으로하여계수기를통해각단계의제거효 흡착량의중량을비교하는 ASHRAE 52.1 방법으로개발필터의재생능평가를수행하였다. 이방법은필터시편을챔버사이에장착하고 ASHRAE dust라는합성분진을발생시켜실험에서정한말기압력까지필터에흡착된양으로제거효율을구한다. ASHRAE dust를발생시키는풍속은 2.5 m/s였으며지정말기압력은 25, 30, 35 mmaq로정하였다. 개발필터의초기압력은 22.6 mmaq였다. 실험결과분진포집효율은 - 2 -

93.7% 로말기압력의조건에따라약간의차이는있으나거의비슷한수준이었다 (Fig. 2). 입경별제거효율의실험결과로부터대부분의제거는 2.54 μm 이상에서나타난것으로보인다. 분진흡착총량은말기압력에비례하며최종조건인 35 mmaq에서 252.6 g였다. 이를단위면적당흡착량으로환산하며 715.9 g/m 2 이며클린룸에사용되는 HEPA 필터의단위흡착량 (739.49 g/m 2, 50 mmaq) 과비교했을때상용필터에준하는포집용량을갖고있었다. 생에서는약간의저하만나타났다. 재생횟수에따른흡착량의변화는 Fig. 3에나타내었다. 즉, 압력차에따른흡착량은관계선도로나타낼수있으며본평가에서는 1차관계로나타내었다. 선도의기울기는재생전 21.2에서 19.5, 14.9로각각 8.0%, 23.6% 가감소되었다. 이는실험조건에서분진발생및흡착을한계량까지시험한것으로실제현장에서는이보다적은양이흡착될것으로예상된다. 따라서현장에서재생저하를고려한세척주기등은추가적인실험방안이나현장운영결과를통해제시되어야할것으로보인다. <Fig. 3> Adsorption amount before/after recycling <Fig. 2> Adsorption efficiency and capacity ASHRAE dust에의해말기압력까지흡착된필터시편을물세척을통해재생한후흡착능을다시평가하였다. 즉, 재생후제거율, 흡착총량등을통해성능저하여부를평가하였다. 재생은 1, 2차까지진행하였으며각각재생전후의성능평가를분석, 비교하였다. 물세척강도는국내강우량특성을바탕으로평균강우량 47.0 mm을정하였다. 세척수는수도수를사용하였으며빗물종단속도에가깝도록노즐반경을 1.76 mm로조절하였다. 물세척후에는열풍기를이용하여완전히건조하여재생을완료하였다. 재생된필터는 ASHRAE 52.1 방법에의해말기압력 2.5, 3.0, 3.5 mmaq 까지흡착이진행되었다. 재생전후포집효율은 93.7, 92.8, 93.5% 로차이는미미한수준이었다. 즉, 재생횟수에따른제거효율저하는일어나지않았다. 초기압력은 8.57%, 10.3% 가저하되었다. 즉, 1차재생시에는압력저하가다소크게나타났으나 2차재 기능형방음벽제작 개발된필터와입체형투명방음벽을결합하여분진, 소음저감이가능한기능형방음벽을설계, 제작하였다 (Fig. 4). 구성은크게상단부와하단부로구분된다. 상단부에는분진저감을위해개발된필터패널을모듈화하여장착하였다. 하단부에는소음은반사소음저감을위한입체형방음패널이며시뮬레이션결과성능이가장우수하였던지그재그형방음패널을채용하였다. 필터패널이결합된상단부에는소재에의해흡음효과가기대되나소음이어느정도통과할것으로예상되어뒤편에다단의방음날개를장착하였다. - 3 -

a. Functional noise barrier 있다. 하단부에입체형대신평판형을채용했을경우역시상단부의필터- 평판의저감효과가평균 1.3 db로앞절의구성과비슷한효과를보였다 (Fig. 5b). 그러나후면을제외한평균은차이가 0.0 db였다. 부분적으로보면전면에서는필터의한반사음저감효과가나타났으나후면에서오히려전달음이증가한것을확인할수있다. 반사음저감효과는필터소재의흡음성이소음에너지의전달을흡수한것으로보인다. 회절음증가는필터에서통과한소음의영향으로보인다. 앞서하단부가입체형일때에는패널뒷면에서의전달음차이에상관없이후면에서저감효과가나타났으나, 하단부가평판형일때에는효과가없었다. 이는상단부필터및방음날개의방음효과와하단부입체형에의한반사음저감효과와의어떤시너지효과가작용했기때문으로보이며보다원리적인해석을위해서는추가적인연구방안이수립되어야할것으로보인다. b. Filter and soundproof wing <Fig. 4> Functional noise barrier 개발방음벽의방음효과를평가하기위해다음과같이수음점을설정하여반사음과회절음을측정하였다. 즉, 반사소음을평가하기위해 6 m 거리에서높이 4 m까지와방음벽바로전면에측정장비를설치하였다. 회절음은방음벽뒤편 5 m에서 1, 3 m와필터패널의흡음성능을펼가하기위해상단부바로뒤편에측정장비를설치하였다. 방음평가의비교를위해필터패널과입체형방음패널을각각평판패널로교체하여실험하였다. 우선하단을입체형으로구성하였을때, 반사음이필터의경우평판형에비해평균 1.3 db 감소하였다 (Fig 5a). 부분적으로는상단부바로뒷면을제거하면저감효과는평균 2.6 db이다. 즉, 필터를통과한소음외에는전체적으로평판형에비해반사음과차음등이우수하였다. 특히방음벽뒤편으로회절되는음이오히려평균 1.0 db 저감되었다. 이는반사음에저감에의해회절음전달에도영향을주었으며, 방음날개의차음효과와필터의흡음효과도작용한것으로해석된다. 즉, 필터의소음투과는방음벽바로뒤편에서는영향이있으나거리가멀어지면그효과가줄어들어실제사람이거주하는경계점에는오히려소음이저감되는현상이있음을알수 맺음말 a. Shaped panel b. Plain panel <Fig 5> Reflection and diffracted sound - 4 -

본연구에서는분진및반사소음을저감하기위해필터패널을결합한기능형방음벽을개발, 평가하였다. 필터패널은 2.54 μm 이상의분진에대해평균 91.3% 를보였으며, 중량법으로환산하였을때 93.3% 로폐색이나재생에의해효율의저하는일어나지않았다. 필터패널은입체형방음패널과결합하여반사소음저감이있어났으며, 방음벽뒤편으로넘어가는회절음도평판형에비해거의차이가없었다. 개발방음벽은 pilot 규모의설치와성능평가를실시하여상당부분효과가확인되었다. 향후에는실규모의제작및현장평가를통해운영및유지관리측면에서추가적인평가가이루어져야할것으로판단된다. 참고문헌 1. 환경부, 2013년소음 진동관리시책시 도별추진실적평가, 2014. 2. 환경부, 1차수도권대기환경관리기본계획, 2005. 3. 환경부, 2차수도권대기환경관리기본계획, 2014. - 5 -