철도는 다른 교통시스템과 비교하면 환경부하가 적고 에너지 효율이 높은 교통시스템이나, 앞으로는 더욱 에너지절약화가 요구될 것으로 생각된다. 차량의 에너지절약화 대책의 하나로 주행저감의 저항이 있다. 주행저항은 기계저항과 공기저항으로 분리할 수 있다. 기계저항이 속도의 일차식으로 표시되는 데 비하여 공기저항은 속도의 2승에 비례하기 때문에 특히, 고속화가 진행되는 신칸센에서는 공기저항의 저감이 주행저항의 저감에 크게 기여한다.
한편, 신칸센과 비교하여 속도가 낮은 재래선에서는 공기저항을 고려한 차량설계가 적극적으로는 수행되지는 못했지만, 재래차량에서도 서서히 고속화가 추진되어 그 최고속도는 160km/h에 달한다. 그리고 차량의 경량화와 전동기의 고효율화에 의한 기계 저항의 저감이 추진된 결과, 상대적으로 주행저항에 차지하는 공기저항의 비율이 크게 된다. 10량 편성의 통근형 전차가 130km/h로 주행하면 주행저항의 70% 이상을 공기저항이 차지한다는 계산도 있으며, 재래선 차량의 에너지절약화를 위하여 차량의 공기저항저감의 필요성이 높아진다.
본 연구에서는 재래선 차량의 공기저항 저감의 평가방법 및 저감량을 구하고 그것에 의한 에너지절약 효과의 평가 사례를 나타내었다.
(1) 선두, 후두부 형상 개량 재래선의 선두, 후두부 형상은 특급열차에 보이는 유선형의 형상에서 통근전차에 보이는 박공형(切妻型)의 형상까지 여러 가지가 있으나, 여기서는 큰 공기저항의 저감효과가 보이는 박공형의 선두 및 후두부를 개량함으로써 공기저항 저감량을 평가하였다. 공기저항 저감을 위해서는 측면 및 상면을 3차원으로 구성한 유선형의 형상이 이상적이나, 운전석의 실내 공간과 여객의 차내 공간과 출입구의 확보를 고려하여 선두 및 후두부 개량은 2차원적 개량(위에서 보아 선두의 양측의 각을 개량)으로 하였다.
선두부의 공기저항은 차량이 길이에 영향을 받기 어려울 것으로 생각되기 때문에 사용하는 모형을 1량으로 풍동실험을 수행하였다. 풍동실험 결과를 보면, 형상 변화부가 길수록 공기저항은 저감하고, 공기저항계수는 박공형의 선두부와 비교하여 최대 0.6정도 감소한다. 풍동실험 결과를 실제 차량시험의 차량 단면적(레일 노면에서 지붕까지의 높이×최대폭)으로 보정하면 선두부 형상의 개량에 의한 공기저항 저감효과는 10량 편성의 통근형 전차 전체의 공기저항의 20% 정도로 예상된다
(2) 바닥부 형상 개량 재래선 차량의 바닥기구 커버는 다른 방법 및 그 효과에 대하여 검토하였다. 재래선 차량의 바닥에는 여러 가지 형상의 기구가 탑재되어 있기 때문에 여기서는 바닥기구를 하나의 블록으로 생각하여, 그 블록의 길이를 변화시킴으로써 공기저항의 증감량을 평가하였다. 그 결과를 보면, 차량 사이에 설치된 바닥기구의 길이에 의한 공기저항의 증감을 볼 수 있다.
바닥기구의 설치로 인한 그 기구분 만큼의 공기저항이 부가되나, 바닥기구의 하류에 있는 차량에서 본 경우 바닥기구로 인한 흐름이 늦어져(커버의 역할) 차량의 공기저항은 저감한다. 한편, 차량 풍동시험에서 차량간의 바닥기구를 길게 할수록 차량의 공기저항이 저감한다는 것을 알게 되었다. 그 영향은 바닥기구가 없는 형상을 기준으로 하면, 10량 편성의 통근형 전차 전체의 공기저항의 ±10%에 달한다. 이것은 바닥기구의 형상과 배치를 고안함으로써 공기저항이 이 정도까지 저감할 가능성이 있다는 것을 나타낸다.
(3) 지붕 상부형상 개량 재래선 차량의 주요 지붕 상부 기기는 유닛 쿨러와 팬터그래프이다. 여기서는 전 차량에 탑재되어 공기저항에 대한 기여가 큰 유닛 쿨러에 대하여 검토한다. 풍동실험에 의해 단부가 박공형상이 되어 있는 유닛 쿨러에 페어링을 설치한 경우의 공기저항 저감효과를 평가하였다. 페어링은 단순한 2차원 형상(옆에서 보아 상측의 각을 떨어뜨린다)으로 하였다. 스파이어에 의해 실제 차량의 유속분포를 풍동실험을 재현할 수 있다는 것을 알게 되었다. 단순한 형상의 페어링에서도 큰 공기저항 저감효과가 인정되어, 10량 편성의 통근형 전차 전체의 공기저항을 최대 9% 저감시킬 수 있다는 것을 알게 되었다.
(4) 소비에너지 저감효과 신칸센의 경우에는 역 사이 간격이 길고 대부분의 최고속도에서 주행하기 때문에 공기저항의 저감효과가 에너지절약 효과에 직결하나, 재래선의 경우에는 항상 최고속도에서 주행하고 있는 것은 아니며, 역정차와 저감속을 고려할 필요가 있기 때문에 공기저항 저감효과를 소비에너지로 환산하여 평가할 필요가 있다. 열차를 운행하기 위해서는 공기저항과 기계저항 등에 의해 소비된 에너지 이외에도 주전동기의 손실 등으로 에너지를 소비한다.
여기서는 하나의 예로서 10량 편성의 통근형 전차(회생 브레이크 있음)를 이용한 근교구간의 재래선 전차의 주행시뮬레이션(최고속도 130km/h, 역정차, 가속도를 고려하여 런 커브를 설정)으로 공기저항 저감효과가 있는 구간(198km)을 주행하였을 때에 소비한 에너지의 삭감에 주는 효과를 평가하였다. 공기저항 저감대책 중 바닥부 개량에 의한 효과는 열차마다 다르기 때문에 여기서는 지붕상부 및 선두, 후두부 형상의 개량에 의한 개량으로 공기저항 저감이 소비에너지 저감에 부여하는 효과를 평가하였다. 지붕상부 및 선두, 후두부 형상의 개량에 의한 공기저항 저감량을 최대로 29%이며, 그것으로 소비에너지를 11% 삭감할 수 있다는 것을 알게 되었다.
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