1. 서 론

현대사회는 도시화에 의한 주거 밀도가 더욱 높아지는 추세이다. 이러한 환경에서 소음에 대한 관심이 높아지고 있으며, 인체 및 환경에 부정적인 영향을 미치고 있다. 특히 폐기물 처리 시설 등과 같은 산업 시설의 소음은 다양하고 복잡한 형태로 근무자의 건강에 심각한 영향을 준다. 따라서 산업 관련 시설들은 설계에서부터 소음을 예측하여 방지･저감 시키는 설계가 필요하다.

최근 연구에서는 소음이 환경적･인체에 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 이루어졌으며, 공정의 소음 저감 및 기계 부품 팬 등에서 발생하는 소음에 관한 연구 등도 이루어졌다. 하지만 폐기물 시설 등과 같은 곳의 소음은 설치되는 곳마다 다양한 변수로 인해 설계 시마다 상황에 맞춰 연구를 해야 한다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 시설에서 유체기계 설비가 있는 지하 송풍기실 및 공기 압축기실의 내부 소음해석을 통해 근무자의 환경을 예측하고, 안전성을 평가하고자 한다.

2. 연구방법

폐기물 소각시설 내부 소음해석은 크게 두 단계로 진행한다. 터보팬으로 구성된 송풍기, 스크류팬의 일종인 압축기 종류의 경우는 소음이 크게 나타날 것으로 판단되어 송풍기, 압축기에서 나오는 소음을 상용 툴인 CFX Turbomachinery를 이용하여 결과를 계산한다. 그리고 공간 해석을 위해 송풍기실, 공기 압축기실 벽면에 소음원을 매핑시켜 공간에 대한 소음의 분포를 알아보는 절차로 진행한다.

첫 번째 단계인 송풍기, 압축기와 같은 유체기계는 ANSYS BladeGen을 이용하여 모델링하고, Turbogrid를 Grid Generator를 이용한다. 송풍기, 압축기와 같은 유체기계 소음 상용 프로그램인 ANSYS-CFX를 Solver로 사용하여 결과를 도출한다.

계산된 소음원 소스를 폐기물 소각시설 내부 소음해석을 위해 송풍기실, 압축기실의 벽면에 경계조건을 두고 소음원을 매핑하여 공간에서의 음파 분포에 따른 소음 경향을 해석한다. ANSYS-MESH를 이용하여 공간의 volume mesh 작업을 A격자 형성으로 구성한다.

유체기계 해석대상인 송풍기와 압축기는 유체기계 상용 프로그램 CFX Turbomachinery를 이용하여 송풍기실, 공기압축기실 내부의 기본 소음을 예측하고, 계산된 소음 소스를 폐기물 소각시설 내부의 송풍기실, 공기 압축기실 벽면에 매핑을 통한 다음 공간의 소음 예측을 해석한다.

해석 결과가 국내의 산업 시설에 대한 소음 규제 및 규격을 만족하는지 비교 확인한다.

3. 판정기준

폐기물 소각시설 내부 소음에 대한 수치해석 결과는 산업안전보건법의 소음 배출 허용된 기준을 확인한다. 소음의 허용기준(충격 소음 제외)은 아래의 <Table 1>과 같다.

내부 소음의 허용기준 90[dB]는 법적 허용기준일뿐이다. 설계된 폐기물 소각시설의 경우 근무자의 쾌적한 환경을 조성하기 위해 송풍기실, 압축기실 인근에서 보통 나타나는 유체기계 배출 소음 정도인 50[dB] 이하로 결과가 나타나면 소음 평가에 만족하는 것으로 한다.

4. 분석결과

4.1 송풍기실 사업장 내부 소음해석

4.1.1 조건 및 형상

지하 송풍기실 주요 소음원인 송풍기의 사양과 흡음재는 다음과 같다.

2차 유량조정조 송풍기 1 Unit

20M3/MIN × 2.5KG/CM3, 30KW, 24HR

포기조 송풍기 2 Unit

75M3/MIN × 0.65KG/CM3, 150KW, 24HR

기타 송풍기 2 Unit

7.5M3/MIN × 0.7KG/CM3, 150KW, 24HR

폴리에스터 흡음재(흡음율: 저음-0.85, 중음-0.95, 고음-0.90)

소음해석을 위한 2D CAD 모델을 3D화 하는 과정에서 Pro-Engineer Wildfire 4.0 프로그램을 사용하여 모델링 하였으며, [Figure 1]은 건물 내부 위치를 나타낸다.

[Figure 2]는 소음이 퍼져나가는 공간을 나타낸다. 형상화된 해석 공간은 ANSYS-MESH 프로그램을 사용하여 격자를 생성하였으며, 격자는 계산의 효율성을 위해 Hexahedra mesh를 사용한다. 모델에 따라 차이는 있으나 평균 약 1만 개의 정렬 격자를 사용한다. 해석 결과에 최대한 영향을 주지 않는 범위 내에서 격자 모델을 단순화한다.

4.1.2 결과 및 고찰

소음해석을 위해 ANSYS-CFX를 사용하여 진행하였다. Acoustic Pressure로부터 추출된 실효 음압을 통해 음압 레벨이 계산되었다.

또한 [Figure 3]을 보면 실효 음압에 따라 소음의 크기가 결정된다. 이것으로 실제 작업 공간에서의 소리의 크기(dB)를 예측할 수 있다.

소음해석 결과는 송풍기 사업장 내부의 작업자가 활동하는 공간의 음압 레벨을 이용하여 실효 음압을 나타낸 것이다.

[Figure 3]에 지하 상층의 활동 공간에서 사람의 청각 높이와 비슷한 실제 1/3 높이에서의 Sound Pressure 분포를 나타내었으며 결과는 다음과 같다.

Average Acoustic Pressure : 0.003214 [Pa]

Sound Pressure Level[SPL] : 44.12 [dB]

앞의 평가 기준에서 제안한 법적 허용기준인 90[dB] 보다 작게 나타났으며, 본 연구에서 제안한 50[dB] 보다 작은 음압 레벨을 보여 작업자가 1일 8시간 근무 조건에서 소음에 의한 환경적인 영향은 없을 것으로 판단된다.

[Figure 4]에 지하 펌프실 활동 공간의 실제 2/3m 높이에서의 sound pressure 분포를 나타내었다.

Average Acoustic Pressure : 0.0033 [Pa]

Sound Pressure Level[SPL] : 44.35 [dB]

높이 2/3m 분포에서 또한 앞의 평가 기준에서 제안한 옥내 안전 기준인 1일 8시간 근무에 90[dB]보다 작게 나타났으며, 본 연구의 판정 기준인 50[dB]보다 작은 음압 레벨을 보여 작업자가 1일 8시간 근무 조건에서 소음에 의한 부정적인 영향이 없을 것으로 판단된다.

[Figure 5]와 [Figure 6]은 송풍기실 앞 1m, 2m 거리에서 Acoustic Pressure의 수직 분포를 나타내었으며. 1m, 2m 거리 모두 SPL이 산업 안전 허용기준 이하로 나타났다.

[Figure 7]은 소음 테스트를 실시할 때 가장 많이 사용하는 1.5m 거리의 격자들에서 추출된 Acoustic Pressure를 나타내었으며, SPL은 산업 안전 기준에 만족한다.

Average Acoustic Pressure : 0.004376 [Pa]

Sound Pressure Level[SPL] : 46.80 [dB]

[Figure 8]은 소음원인 펌프로부터 Acoustic Pressure가 전파되어 가는 스트림 라인을 표현하였다.

결과적으로 지하층의 경우 송풍기에 의한 소음은 다른 설비된 다른 시설에 비해 소음이 적게 나타났다.

4.2 공기 압축기실 및 송풍기실 내부 소음해석

4.2.1 조건 및 형상

[Figure 9]의 3D 도면에서 보이는 바와 같이 지상의 경우 공기 압축기실과 송풍기실이 근접해 있다. 따라서 이번 해석에서는 압축기실과 송풍기실에 대한 소음 분석보다는 각 시설의 소음 소스를 매핑하고 전체적인 내부 공간의 소음을 해석한다. 따라서 유체기계인 압축기와 송풍기의 소음 소스를 계산한다. 주요 소음원인 압축기와 송풍기의 사양과 흡음재는 다음과 같다.

[지상 송풍기실 소음원]

유동 블로워 1 Unit

660M3/MIN × 0.7KG/CM3, 150KW, 24HR - 다단터보블로워 버너팬

160M3/MIN × 600MMAQ, 150KW, 24HR - 터보팬 냉강공기 송풍기

2.5M3/MIN × 480MMAQ, 150KW, 24HR - 터보팬

[지상 공기 압축기실 소음원]

건조시설 공기압축기 1 Unit

12M3/MIN × 7.04KG/CM3, 75.0KW

Air Cooler 1 Unit

12M3/MIN × 1.0KG/CM3, 1.5KW

Air Dryer 1 Unit

12M3/MIN × 1.0KG/CM3, 1.5KW

폴리에스터 흡음재(흡음율: 저음-0.85, 중음-0.95, 고음-0.90)

1층 단층에 대한 소음해석을 위한 모델링 도면은 상용 프로그램 Pro-Engineer Wildfire 4.0로 사용하였다, 또한 격자 생성은 ANSYS-MESH를 이용하였으며, 계산의 효율성을 위해 Hexahedra mesh를 사용한다. 평균 약 1만 개의 노드 및 엘리먼트로 구성된 정렬 격자를 사용한다. 해석 결과에 최대한 영향을 주지 않는 범위 내에서 시설의 단순 시설은 제외시키고 소음원에서 작업환경에 영향을 받는 공간을 단순화시켜 계산하였다.

4.2.2 결과 및 고찰

지상층 해석을 위해 범용 해석 툴 ANSYS-CFX를 사용하여 진행하였다. 프로그램을 이용하여 높이 1/3, 2/3 지점에서, 압축기실 및 송풍기실로부터 1m, 2m, 1.5m 거리에 있는 Acoustic Pressure로부터 추출된 실효 음압을 통해 레벨이 계산되었다.

[Figure 11]은 지상층의 활동 공간에서 사람의 청각 높이와 비슷한 실제 1/3 높이에서의 Sound Pressure 분포를 나타내었다. 음압 및 SPL은 다음과 같다.

Average Acoustic Pressure : 0.002475 [Pa]

Sound Pressure Level[SPL] : 41.85 [dB]

법적 허용 기준인 90[dB] 보다 작게 나타났으며, 본 연구의 판정기준인 50[dB] 보다 작은 음압 레벨을 보여 작업자가 하루에 8시간 근무할 경우 소음에 대한 작업환경에 나쁜 영향은 없을 것으로 판단된다.

[Figure 12]는 지상층의 내부 활동 공간의 실제 2/3 높이에서의 Sound Pressure 분포를 나타내고 있다.

Average Acoustic Pressure : 0.002472 [Pa]

Sound Pressure Level : 41.84 [dB]

높이 2/3 분포에서도 법적 허용 기준인 90[dB] 보다 작게 나타났으며, 본 연구의 판정기준인 50[dB] 보다 작은 음압 레벨을 보여 작업자가 하루에 8시간 근무할 경우 소음에 대한 작업환경에 나쁜 영향은 없을 것으로 판단된다.

[Figure 13]과 [Figure 14]는 지상 공기 압축기실 및 송풍기실의 가장 큰 벽면을 기준으로 1m, 2m 떨어진 거리에서의 수직적인 평면에 대해 Acoustic Pressure 분포를 나타내었다. 결과, SPL이 산업 안전 기준에 만족한다.

[Figure 15]는 소음 테스트를 실시할 때 가장 이상적으로 많이 사용하는 1.5m 거리의 모든 격자들에서 추출된 Acoustic Pressure의 분포를 나타내었다.

Average Acoustic Pressure : 0.005365 [Pa]

Sound Pressure Level : 48.57 [dB]

[Figure 16]은 소음원인 펌프로부터 Acoustic Pressure가 전파되어 가는 스트림 라인을 표현하였다.

지상층 해석 결과, 지하층보다 SPL이 10dB 정도 높게 나왔다. 이는 송풍기뿐만 아니라 압축기의 영향으로 그리고 단순한 내부 시설에 의한 것으로 판단된다. 하지만 지상층의 경우에도 소음의 영향은 실제 옥내 작업실 정도 수준으로 앞의 산업 안전 기준법과 본 연구의 평가 기준보다는 낮은 수준의 소음으로 판단된다.

5. 결 론

최근 작업자들을 위해 산업환경을 쾌적하게 해야 하는 경향이 증가하면서 산업 시설에 발생하는 다양한 소음으로 인한 환경 및 신체에 악영향에 대한 점차 관심도가 많다. 이러한 유체기계 설비가 있는 산업 시설에서의 소음을 예측하고, 안전성을 평가하는 것이 본 연구의 목적이다.

본 폐기물 소각시설의 경우 소음과 관련하여 지하층, 지상층의 송풍기실, 공기 압축기실을 기준으로 해석을 진행하였다. 소음원 기준으로 Sound Presure Level 측정 시 많이 사용하는 1.5m 떨어진 지점의 SPL 해석 결과는 다음과 같다.

지하층의 Sound Preesure Level : 46.80 [dB]

지상층의 Sound Preesure Level : 48.57 [dB]

두 해석 모두 산업안전보건법 제6조에서 제안한 1일 8시간 90[dB] 소음 노출 기준에 대해 적은 수준의 소음이라 판단되고, 보건법에서 제시한 허용기준보다 좀 더 쾌적한 근무 환경을 위해 본 연구에서 제안한 평가 기준인 50[dB] 수준에도 미치지 못하는 값이다. 따라서, 본 연구 대상인 폐기물 소각시설 내부 경우 설계가 적절하게 이루어져 작업자들이 근무하는 데 있어 소음으로부터 부정적인 영향은 없을 것으로 판단된다.