Simulation of Changes in Nearby Thermal Environment According to Green Roof in Low-Rise Residential Area of Daegu

대구광역시 저층주거지역의 옥상녹화 조성에 따른 주변 열환경 변화 모의실험

Simulation of Changes in Nearby Thermal Environment According to Green Roof in Low-Rise Residential Area of Daegu

김대욱* 정응호** 차재규***

Kim, Dae-Wuk Jung, Eung-Ho Cha, Jae-Gyu

Abstract

It is important to secure green spaces to solve the urban heat island phenomenon, which is among problems resulted by high-density developments in metropolitan areas. However, it is hard to secure such green spaces in established urban areas so Green Rooftop development approaches have recently been highlighted and introduced as a solution to the situation. The present study conducts a simulation on residential areas in urbanized regions to quantitatively evaluate the effects of green rooftop developments through a comparison of changes in the air temperatures before and after relevant development projects. According to the evaluation results, when the green roof top development is conducted in the available areas, the temperature is reduced by 0.14 degree. The extension of green project to the entire building showed the reduction of the temperature by 0.29 degree. Based on these results, it can be concluded that the green rooftop development is a practically solution for reducing the air temperature of urbanized areas.

Keywords : Green Roof, Urban Heat Island, Urban Micro Climate, Environmental Planning, Envi-met 주 요 어 : 옥상녹화, 도시열섬현상, 도시미기후, 환경계획, Envi-met

I. 서 론

1. 연구의 배경 및 목적

국내 도시들은 1962년 제1차 경제개발 5개년 계획을 시점으로 산업화 및 도시화가 급격하게 진행되어 짧은 시 간에 한정된 공간에서 대규모의 개발이 이루어졌으며 인 구증가로 인해 시간이 갈수록 도시의 고밀화가 진행되었 다. 도시의 고밀 개발은 한정된 도시공간의 토지이용 효 율성을 높이는 반면에 대기오염, 도시홍수, 도시열섬현상 과 같은 도시 특유의 환경문제를 가중시켜 도시환경을 해 치는 주요한 원인 가운데 하나이다. 특히 기후변화로 인 해서 범지구적인 대기온도의 상승이 우려되는 가운데(IPCC, 2007) 열용량이 높은 콘크리트와 같은 인공적인 재질이 대부분을 차지하고 있으며 지면 거칠기(roughness)가 높아

동일한 기상조건에서 온도가 외곽지역에 비해 높게 형성 되어 도시열섬현상이 발생하는 도시에서는 도심 내부 온 도를 저감시키기 위한 장기적인 계획 및 정책 수립 등이 필요하다. 이러한 도시열섬현상을 완화시키는 방안으로서 녹지의 확보가 부각되고 있으나 이미 개발된 도심에서 여 유 공간을 확보하여 새로운 녹지를 조성하는 것은 매우 어려운 상황이다. 따라서 녹지를 확보하는 방안으로 옥상 녹화가 조명을 받고 있으며 지난 2001년 부산광역시 서 구청에서 지방자지단체 최초로 옥상녹화 관련 조례를 제 정한 이후 대구광역시 서구, 서울시 중구, 인천광역시 동 구 등에서도 조례를 제정하여 옥상녹화를 독려하고 있는 상황이다.

옥상녹화를 활용한 저층주거지역의 기온상승 억제 효과 를 장기적인 주거정책 및 계획에 반영하기 위해서는 국 내의 건축물 형태를 반영한 정량적인 연구결과가 뒷받침 되어야 할 것이다. 또한 옥상녹화의 기온상승억제나 열섬 현상 경감 효과는 에너지 사용량이나 탄소배출과도 밀접 한 연관이 있어 녹화에 따른 정량적인 변화를 분석하는 것은 쾌적한 도시 조성과 저탄소형 도시구조를 형성하는 것에 근거자료로서의 역할을 수행할 수 있을 것이라 판 단된다.

따라서 본 연구에서는 도시 특유의 환경문제를 해결할 수 있는 녹지의 확보가 어려운 시점에서 옥상녹화의 환 경개선 효과를 통해 도시민들이 주거하는 공간의 열환경

***정회원(주저자), 계명대학교 환경계획학과 강사, 공학박사

***정회원(교신저자), 계명대학교 환경계획학과 교수, 공학박사

***정회원, 계명대학교 환경계획학과 강사, 환경학박사

Corresponding Author: Eung-Ho Jung, Dept. of Environmental Planning, Keimyung Univ., 205, Osan, 1095 Dalgubeol-daero, Daegu 704-701, Korea. E-mail: [email protected]

이 논문은 2010년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재 단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2010-0013649).

이 논문은 2012년도 한국환경과학회 정기학술발표회에 발표한 논문 을 수정 및 보완한 연구임.

개선이라는 관점에서 접근하였으며 대도시 저층주거지역 의 현황을 반영한 옥상녹화 전·후의 모의실험을 통해 주 변 대기온도의 변화를 정량적으로 비교 및 분석하였다.

II. 이론적 고찰

1. 옥상녹화

옥상녹화의 주변 환경개선 효과로서는 기온 상승 억제, 휴식장소 창출, 방진, 생물서식지 창출 등의 효과가 있으 며, 도시 전체의 환경 개선에서는 열섬현상의 경감, 빗물 의 유출억제, 생물 다양성 향상, 대기오염 완화, 경관 향 상 등의 효과가 있다(도시녹화기술개발기구, 2009).

옥상녹화의 일반유형은 크게 세 가지로 구분할 수 있 는 바 저관리·경량형 옥상녹화와 관리·중량형 옥상녹 화, 혼합형(절충형) 옥상녹화로 구분할 수 있다. 저관리·

경량형은 일반적으로 토심이 20 cm 이하로 얕으며 주로 인공경량 토양을 사용하고 관수, 예초 시비 등의 관리요 구를 최소화한 유형이다. 식재는 지피식물 위주로 하고 구조적 제약이 있는 곳이나 유지관리가 어려운 기존 건 축물의 옥상이나 지붕에 적합한 유형이다. 관리·중량형 은 토심이 20 cm 이상으로 주로 60~90 cm가 많이 적용 되며 식재는 지피식물, 관목, 교목으로 다양하게 구성할 수 있다. 관수, 시비, 전정 등 사후유지관리가 필수적이기 때문에 식생 및 시스템의 내구성에 대한 지속적이고 집 약적인 관리가 필요하고 사람의 접근이 용이하고 구조적 문제가 없는 곳에 채택할 수 있는 이용위주의 녹화유형 이라고 볼 수 있다. 혼합형은 관리·중량형과 저관리·경 량형을 대상 부지의 특성에 맞게 적절히 혼용한 유형으 로 토심이 30 cm 내외이고 식재는 지피식물과 키가 작은 관목위주로 하는 저관리를 지향한 녹화유형이다(Yang, 2004).

2. 3차원 미기후분석프로그램(Envi-met)

본 연구에서는 대도시 주거지역의 옥상녹화 실시에 의 한 도시열섬현상 완화 즉 대기온도 변화를 정량적으로 분 석하기 위해 독일에서 1998년에 Michael Bruse가 개발한 3차원 미기후분석프로그램인 Envi-met 3.1을 사용하여 연 구대상지의 건축물 현황과 저관리·경량형 옥상녹화 실 시 여부를 반영한 모의실험을 수행하여 옥상녹화 전·후 의 온도 변화를 분석하였다.

Envi-met은 도시환경의 표면-식물-공기간의 상호작용을 0.5~10 m의 공간해상도에서 10초 단위로 모의실험할 수 있는 3차원 미기후모델이며 사용분야는 도시 기후학, 건 축, 건축 디자인 혹은 환경계획 등의 다양한 분야에서 활 용될 수 있다. 그리고 Envi-met은 유체역학 및 열역학의 기본 법칙에 근거한 예측 모델이다. 건물 사이와 주변의 공기 흐름, 지표면과 벽체의 증발과 열교환 시스템, 난기 류, 식물 변수간의 교환, 생물기후학, 입자 분산 등의 모 의실험을 수행할 수 있다(Michael Bruse & Team, 2011).

Envi-met의 전체적인 데이터 처리과정은 <Figure 1>¹⁾과 같다.

Envi-met 모델의 구성은 대기모델, 식생모델, 토양모델, 그리고 지면과 건축물에 관한 식으로 이루어져 있다. 대 기모델 중 공기의 3차원 난류흐름은 다음 식과 같이 비 정역학적, 비압축성 Navier-Stokes 방정식으로 주어진다.

여기서 f (=10⁴ sec⁻¹)는 코리올리 인자이며, p는 섭동분 압, θ 는 z 고도에서의 온위를 나타낸다. 건축물이 없는 고도 z 에서 모든 격자의 평균온도로 계산되어진 참조온 도 θ_ref는 중규모의 기상상태를 나타내게 된다. 공기밀도 ρ는 Boussinesq-근사를 사용함으로서 원래의 압축성 Navier-Stokes 방정식에서 제외되었으며, Boussinesq-근사 는 열역학을 포함한 수직운동과 연속방정식에 기인하는 w-equation내에서 하나의 부가적 인자로서 역할을 한다.

연속방정식은 시간에 따른 기상변화의 흐름을 유지하기 위하여 각각의 타임스텝을 고려하였다. 국지적 침적 항인 S_u, S_v, S_w는 풍속의 감소를 나타내며, 이는 식생 요소에 마찰되는 힘에 의한 것이다. 그 영향은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

∂u∂t --- u_i∂u

∂x_i ---

+ ∂p

---∂x

– K_m ∂²u

∂x_i² ---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

f v v( – _g) S– _u

+ +

=

∂v∂t --- u_i∂v

∂x_i ---

+ ∂p

---∂y

– K_m ∂²u

∂x_i² ---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞ f u u( – _g) S– _v

+ +

=

∂w∂t --- u_i∂w

∂x_i ---

+ ∂p

---∂z

– K_m ∂²w

∂x_i² ---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞

g θ z( ) θ_ref( )z --- S– _w

+ +

=

∂u∂x --- ∂v

∂y--- ∂w ---∂z

+ + = 0

S_{u i( )} ∂p'

∂x_i

--- c_{d f,} LAD z( ) W u⋅ ⋅ _i

= =

Figure 1. Data Flow in Envi-met V3.1

1) http://envi-met.com/htmlhelp/hs810.htm 재구성

여기서 W=(u²+v²+w²)^0.5는 고도 z에서의 평균풍속을 나 타내며 LAD(z)는 z 고도에 위치한 식물의 입면적 밀도 (Leaf Area Density, m²/m³)를 뜻한다. 식생요소를 나타내 는 C_d,f는 기계적 마찰계수이며 0.2로 적용된다. 지면에 대 한 경계조건은 모든 지면을 평탄지형으로 가정하며 (u=v=w=0), 유입은 1차원 모델로부터 얻어지며 유출과 경 계에 있어서는 0-구배인 뉴먼상태가 사용되며, 상층경계에 있어 모든 수직운동은 0으로 가정한다. 특정의 유출 경계 에서는 모델 질량을 보존하기 위하여 섭동분압을 사용한다.

대기 중의 온도 θ 와 비습 q 의 특성은 다음의 식과 같 이 수평이류 확산 방정식과 내부 침적으로 연계되어 있다.

대기모델에서 운동량 방정식과 유사한 Q_h와 Q_q는 식생 표면에서 열과 수증기의 교환과 연계되어 있으며 Q_h와 Q_q 의 양은 Envi-met의 식생모델에서 알 수 있다. 는 장파복사의 수직적 발산을 나타내며 복사흐름의 냉각효과 와 가열효과에 관계한다. 온도 및 습도에 대한 모델의 경 계조건으로서 지면온도, 벽면온도, 그리고 지붕온도는 모 든 물리적 경계에 사용되며, 유입에 관해 Dirichlet.

Neuman 또는 순환경계상태가 선택되어질 수 있으며, 또 한 유출에 있어 경계는 0-구배상태가 사용되며, 3차원모 델의 상층에 대한 값들은 1차원 경계층 모델로부터 얻어 지고 고도 2500 m까지 확장된다.

이외에도 Envi-met의 대기모델에는 대기의 난류와 복사 의 흐름이 고려되어 있으며, 토양모델, 식생모델, 지표면과 건축물에 대한 다양한 방정식이 포함되어 있다(Lee, 2004).

3. 옥상녹화에 의한 열환경 개선 관련 선행 연구

옥상녹화 실시에 의한 열환경 개선 효과는 크게 건축물 내부와 주변 대기의 온도에 관한 연구로 구분할 수 있다.

건축물 내부에 대한 연구를 살펴보면 건축물 옥상에 건 축물과 유사한 구조물을 설치하여 다양한 형태의 저관리 형 옥상녹화를 적용한 후 여름철 내부온도의 변화를 측 정한 결과 평균적으로 옥상녹화를 실시한 실험구가 평균 1.38^oC 낮게 나타나는 결과를 얻어 옥상녹화가 여름철 건 물 내부 온도를 1~2^oC 정도 저감할 수 있을 것으로 분 석하였다(Lee 등, 2011) 또한 옥상 표면에 실험구를 설치 하여 토심, 토질, 모듈유무, 식생 등을 변수로 하여 옥상 녹화를 실시하고 건축물 내부의 온도를 실측한 결과에서 도 옥상녹화는 여름철 건물 내 온도를 1~2^oC 가량 줄일 수 있는 것으로 나타났으며 온도의 변화폭도 2^oC 정도 감소하는 것으로 나타났다(Lee 등, 2005). 그리고 잔디와 식재블록 등에 의해 옥상녹화를 실시하여 하절기와 동절

기의 건축물 내부의 실내온도를 측정한 결과 하절기에는 약 1^oC의 온도가 저감되었고 동절기에는 약 3^oC의 온도 가 상승되는 것으로 온도제어효과를 확인하였다(Lee와 Kim, 2004). 건물에너지해석 프로그램인 Energy plus 2.0 을 활용한 연구에서는 옥상 표토층(옥상녹화)의 유무에 의 한 시뮬레이션을 수행하여 표토층을 설치했을 때 실내의 온도가 여름철에는 약 1^oC의 온도가 낮아지고, 표토층의 두께가 100 mm씩 두꺼워질수록 여름철에는 약 0.4^oC 감 소가 겨울철에는 약 0.6^oC 증가가 나타나는 것을 분석하 여 옥상녹화의 단열효과와 실내온도 조절효과를 정량적으 로 파악하였다(Kim, 2008). 이처럼 옥상녹화로 인한 건축 물 내부 온도에 대한 연구에서는 주로 실험구를 사용하 여 연구를 진행하고 있으며 에너지 효율성과 함께 연구 가 진행되고 있는 것으로 나타났다.

옥상 주변 온도나 대기 온도에 관한 연구에 있어서는 국내 옥상녹화시스템 기술 수준을 감안한 경량형 옥상녹 화시스템을 제시하고 시범적으로 시공하여 도시열섬현상 완화 효과에 대한 검증을 위해 옥상녹화를 실시하지 않 은 경우와 옥상녹화를 실시한 경우를 구분하여 표면에서 1 m까지 일정간격으로 대기온도를 측정한 결과 표면에서 는 약 2.7^oC의 차이로 옥상녹화를 실시하지 않은 경우가 높게 나타났으며 5 cm 이상에서도 약 0.7^oC 높게 나타나 옥상녹화가 도시의 온도를 낮추어 도시열섬현상을 완화할 수 있을 것으로 분석하였다(Kim 등, 1999). 건물층수 변 화에 따른 녹화유형별 기온 변화에 대해서 일본 환경성 및 국토교통성 관련위원회에서 열섬억제 대책을 위해 활 용하고 있는 UCSS를 통해 모의실험 한 결과 옥상녹화의 경우에는 0.5^oC의 기온저감 효과가 있는 것으로 나타났다 (Kim와 Yoon, 2010). 싱가포르의 저층 상가에 옥상녹화 를 실시하여 식물의 냉각효과를 다양한 높이에서 온도를 측정하여 확인하였으며 식물의 유무에 따라 최대 4.2^oC의 차이가 나타났으나 녹화된 옥상과의 거리에 따른 제한적 인 요소가 있는 것으로 나타났다(Wong 등, 2008). 또한 캐나다 토론토 지역을 대상으로 중규모의 기상시뮬레이션 을 수행한 결과 옥상녹화를 실시할 경우 0.8~1^oC의 기온 저감 효과가 있으며 관수를 할 경우 증발산에 의해 2^oC 의 온도 저감 효과가 있을 것으로 분석하였다(Liu와 Bass, 2005). 그리고 뉴욕에서 옥상녹화가 가능한 평평한 옥상 을 50% 녹화하였을 경우 0.8^oC의 기온저감 효과가 있을 것이며 옥상녹화가 대기질과 공공 건강을 개선할 것으로 분석하고 있다(Rosenzweig 등 2006). 옥상녹화로 인한 대 기온도 저감에 대한 연구에서도 실험구를 활용한 연구가 다수를 차지하고 있으며 국내 연구에서는 연속된 옥상녹 화가 아닌 단일 옥상녹화에 대한 연구가 대부분인 것으 로 파악되었다. 이는 옥상녹화가 연속적으로 실시된 지역 이 거의 없으며 실험구를 통해 옥상녹화를 조성하더라도 비용적인 한계에 의해 연속적인 실제 주거지역의 형태를 반영한 연구를 실측을 통해 검증하여 분석하기에는 무리 가 있기 때문이다.

∂θ∂t --- u_i∂θ

∂x_i ---

+ K_h ∂²θ

∂x_i² ---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞ 1

c_pρ ---∂R_{n lw,}

--- Q∂z – _h +

=

∂q∂t --- u_i∂q

∂x_i ---

+ K_q ∂²q

∂x_i² ---

⎝ ⎠

⎜ ⎟

⎛ ⎞+Q_q

=

∂Rn lw, ⁄∂z

관련 선행연구를 살펴보면 옥상녹화의 형태나 분석 조 건에 따라서 정도의 차이는 있으나 옥상녹화를 실시하면 실내에서는 약 1~2^oC, 실외에서는 약 1^oC 내외의 온도 저감 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

이외에도 옥상녹화 관련 국내 연구에서는 온도에 관한 내용을 많이 다루고 있으나 주로 옥상녹화의 표면이나 식 재 및 적합수종에 관한 연구가 주를 이루고 있으며 주변 온도의 정량적인 분석에 대해서는 다소 부족한 감이 있 다. 또한 대기 온도 관련 연구에서도 실험구를 설치하거 나 건축물의 높이만을 고려하여 실질적인 도시의 주거지 형태를 반영한 연구는 거의 없는 것으로 파악되었다. 국 내에서는 공원이나 대규모 녹지의 온도 저감 효과 및 주 변 대기에 미치는 영향에 대한 정량적인 연구는 다소 진 행되고 있으나 옥상녹화로 인한 주변 대기 온도 저감 효 과에 대한 정량적인 연구결과는 매우 부족한 현실이다.

III. 연구방법

1. 연구방법

도시주거지역의 옥상녹화 실시여부에 따른 열환경 변화 를 모의실험을 통해 정량적으로 분석하기 위해서 총 4단 계의 과정으로 나누어 연구를 진행하였다<Figure 2>.

우선 1단계에서는 지역 현황을 반영한 시뮬레이션을 수 행할 수 있도록 지역온도 현황을 기상청 및 자동기상관 측장치로부터 수집하였으며 건축물 현황을 지리정보시스 템을 활용하여 구축하였으며 또한 옥상녹화가 가능한 건 축물을 구분하기 위해 지붕형태를 구분하여 자료를 구축 하였다. 2단계에서는 미기후분석프로그램인 Envi-met을 이 용하여 1단계에서 수집된 데이터를 근거로 한 모의실험을 수행하였다. 3단계에는 도출된 결과를 정량적으로 분석하 기 위해 GIS기법을 활용하여 데이터를 구축하였으며 케

이스별로 비교 분석하였다. 4단계에는 도출된 결과를 토 대로 종합고찰을 실시하였다.

2. 연구대상지 선정 및 현황

연구대상지는 국내 대표적인 대도시이며 여름철 폭염이 빈번하게 발생하는 대구광역시로 선정하였으며 고층 건물 에 실시되는 옥상녹화는 도시민들이 직접적으로 생활하는 지상과 이격되어 있는 관계로 열환경 개선에 효과가 없 을 것으로 판단되어 주변에 고층건물이 없어 바람유동에 방해받지 않는 지역으로 대구광역시 남구 대명동에 소재 하고 있는 2종일반주거지역을 옥상녹화에 따른 열환경 변 화 분석지역으로 선정하였다<Figure 3>²⁾. 연구대상지 북 측과 서측에는 연속적으로 도심이 형성되어 있으며 동측 에는 미군 부대가 인접하고 있으며 연구대상지와 약 2 km 이격된 거리에 대구 도심을 관통하여 북류하는 신천이 자 리 잡고 있다. 남측에는 약 600 m 떨어진 지점부터 자연 녹지지역(앞산)이 형성되어 있다.

연구대상지의 총면적은 90,000 m²(300×300 m)이며 정방 형의 경계를 한 개의 블록이 온전하게 들어갈 수 있도록 설정하였다. 그리고 옥상녹화를 적용하게 될 중심블록은 총 건축물이 81개이며 4층 10개, 3층 7개 2층 32개, 1층 32개로 각각 구성되어 있다. 옥상녹화가 가능한 즉 슬라 브 형태의 건축물이면서 옥상이 평평한 건축물은 47개로 전체 건물 면적의 약 63%를 차지하고 있었다. 그리고 옥 상녹화가 가능한 47개의 건축물은 1층 1개, 2층 29개, 3 층 7개, 4층 10개로 구성되어 있어 2층 건물이 가장 많 이 형성되어 있는 것으로 나타났다<Figure 4>.

Figure 2. Flow Chart of Study

2) 구글어스 이미지 재구성

Figure 3. Present Condition of Study Area and Simulation Area

3. 모의실험 방법 및 설정

본 연구에서는 주거지역 건축물 현황과 옥상녹화 실시 여부에 의한 주변 대기온도 변화를 모의실험을 통해 정 량적으로 분석하기 위해 3차원 미기후분석프로그램인 Envi- met 3.1을 사용하여 분석하였다.

Envi-met을 통한 모의실험은 도시열섬현상의 강도가 심 한 여름철을 기준으로 하고 건물 1층의 높이를 3 m로 설 정하였으며 경량형 옥상녹화만을 실시하는 것으로 가정하 였다. 또한 모의실험은 오전 6시를 기점으로 시작하는 것 을 권장하고 있어 더위가 기승을 부렸던 2012년 여름철 연구대상지인 대구광역시의 2012년 7월 21일부터 8월 10 일까지 오전 6시의 기온을 기상청의 지역별상세관측자료 (AWS 대구143)를 참고하여 7월 31일이 27.9^oC로 온도가 가장 높게 나타나 이를 기준으로 모의실험의 초기 온도 값을 28^oC로 설정하였다<Figure 5>.

그리고 모의실험에 입력하는 연구대상지의 풍속은 모 의실험 경계에서 약 200 m 이격되어 있는 대명9동 주민 센터 옥상에 연구데이터 수집용으로 설치한 자동기상관 측장치의 자료를 사용하였으나 데이터 수집 장치의 오류 와 태풍 등의 영향으로 인해 2012년 7월말부터 8월 초 의 자료를 사용하지 못하고 2012년 10월 18일~27일 동 안 10일간의 자료를 사용하여 분석하였다. 10일간의 풍 속을 분석한 결과 무풍을 제외하고 최저 0.4 m/s에서 최 고 3.1 m/s로 풍속이 형성되고 있었으며 주로 1~2m/s로 형성되는 것으로 나타났다. 따라서 모의실험의 풍속은 1m/s와 2m/s로 나누어서 설정하였다<Figure 6>. 또한 풍 향은 동서남북 4방향을 설정하여 동일한 조건에서 테스 트런을 수행한 결과 풍속과는 달리 열환경 변화에 큰 영 향을 미치지 않은 것으로 나타나 본 연구에서는 풍향을 남향으로 제한하여 수행하였다. 그리고 전체 시뮬레이션 시간은 24시간을 수행하였으며 30분마다 결과를 저장하 도록 설정하였으며 분석 공간해상도 2 m로 설정하였다

<Table 1>.

옥상녹화를 실시 전·후의 열환경 변화를 알아보기 위 해 총 6개의 케이스(시나리오)를 설정하여 모의실험을 수 행하였다. 첫 번째 케이스는 연구대상지의 현 상태에서 옥상녹화를 실시하지 않고 풍속이 1 m/s인 경우, 두 번째 케이스는 옥상녹화가 가능한 지붕형태만 옥상녹화를 실시 하고 풍속이 1 m/s인 경우, 세 번째 케이스는 옥상녹화지 역 전체 건물에 옥상녹화를 실시하고 풍속이 1 m/s인 경 Figure 4. Present Condition of Buildings in Study Area

Figure 5. Changes in The Temperature at 6a.m. During Summer in Daegu (2012. 7. 21.~8. 10)

Figure 6. Wind Speed of Site (2012. 10. 18.~27.)

Table 1. Configurationb File Basic Input Data

Index Input data

Start simulation at day 2012. 07. 31 Start simulation at time 6:00 A.M.

Total simulation time in hours 24 Hour

Save model state each 30 Min

Initial temperature atmosphere 28^oC

Wind direction South

Wind speed 1 m/s, 2 m/s

Cell size 2 m

Figure 7. Result of Hourly Simulation According to Scenario (Case 1-6)

우, 네 번째와 다섯 번째 그리고 여섯 번째는 각각 첫 번 째 두 번째 세 번째와 동일하나 풍속만 2 m/s로 변경하 여 분석을 수행하였다.

IV. 옥상녹화에 조성에 따른 열환경 변화 분석

옥상녹화에 따른 주거지역의 열환경 변화를 살펴보기 위해 수행된 모의실험 케이스 1번부터 6번까지 총 6개의 시나리오에서 도출된 24시간 동안의 결과를 동일한 온도 범례상에서 정량적으로 비교하기 위해 GIS 프로그램인 ARC Map 9.1을 사용하여 주간 시간대인 오전 10시, 오 후 2시, 오후 6시의 모의실험 결과(온도 현황)를 지표면 에서 3 m를 기준으로 하여 <Figure 7>과 같이 도출하였 다. 기준 높이는 옥상녹화 실시로 인해 주변 열환경의 수 평적인 변화를 알아보기 위해 옥상녹화가 가장 낮게 실 시된 높이인 3 m로 설정하였다.

모의실험 결과 첫 번째 사례의 경우 현재 건축물 현황 만을 반영한 경우로서 대조구의 역할을 수행하는 케이스 이다. 따라서 Envi-met을 통한 모의실험의 결과가 현황을 제대로 반영하여 열환경을 분석할 수 있는지 신뢰성을 확 보하기 위해서는 실측된 온도 데이터와 1번 케이스의 비 교 분석이 필요하다. 모의실험에서 도출된 결과 데이터 중 특정 지점의 온도 결과와 기상청의 2012년 7월 31일 지역별상세관측자료(AWS 대구143)의 온도 데이터를 비교 해 보면 <Figure 8>과 같은 결과를 얻을 수 있었으며 실 측온도와 모의실험의 결과 사이에는 다소 온도 차이가 발 생하고 있으나 전체적인 온도 곡선이 매우 유사한 형태 로 나타나고 있다. 따라서 모의실험에서 도출되는 결과는 옥상녹화 실시에 따른 열환경 변화를 추정하여 정량적으 로 분석하기에 적합할 것으로 판단된다.

모의실험의 결과 기본 풍향이 남향으로 설정되어 있기 때문에 옥상녹화를 실시한 모의실험(case 2, 3, 4, 6)에서 는 옥상녹화가 실시된 건축물의 내부지역과 옥상녹화지역 을 통해 바람이 불어나가는 풍하지역에 해당되는 옥상녹

화지역 북쪽에서 온도가 떨어지는 현상이 대조구 모의실 험(case 1, 4)과 비교했을 때 나타났다.

옥상녹화로 인한 온도 감소 효과의 정량적인 결과를 도 출하기 위해 풍속을 1 m/s로 설정한 케이스 1~3을 3 m 높이에서 기온이 가장 높은 오후 2시를 비교분석한 결과 옥상녹화가 가능한 지붕형태를 가진 47개의 건물에서만 녹화를 실시한 시나리오인 케이스 2번의 모의실험 결과를 대조구인 케이스 1번과 비교해 보면 최대 약 0.14^oC의 주 변 대기 온도가 감소되는 것으로 나타났다<Figure 9>.

그리고 옥상녹화를 실시 지역의 81개의 건축물 모두 녹 화를 실시한 케이스 3번과 케이스 1번을 비교한 결과 최 대 약 0.29도의 대기 온도 감소가 나타나 가장 온도 감 소폭이 큰 것으로 나타났다<Figure 10>.

풍속을 2 m/s로 설정한 케이스 4~6을 비교한 결과 옥 상녹화를 부분 실시한 5번과 옥상녹화를 실시하지 않은 Figure 8. Comparison of Actual Measurement Temperature and

Result of Simulation

Figure 10. Difference in Temperature of Case1 and Case3 (2 P.M.) Figure 9. Difference in Temperature of Case1 and Case2 (2 P.M.)

4번과 비교해보면 약 0.14^oC의 대기 온도 감소가 확인되 었으며<Figure 11>, 옥상녹화를 전체 건물에 실시한 6번 과 대조구인 4번을 비교한 결과에서는 최대 0.23^oC의 대 기 온도 감소가 나타났다<Figure 12>. 옥상녹화를 실시한 후 풍속이 강할 경우 풍하방향에서 옥상녹화로 인한 온 도 감소 효과의 적용 거리가 확장되는 것으로 나타났다.

옥상녹화에 의한 열환경 변화를 <Figure 9~12>를 살펴 보면 옥상녹화를 일부만 실시한 경우보다 전체적으로 실 시한 경우가 감소의 폭이 큰 지역이 주거지 내에 넓게 분 포하는 것을 알 수 있으며 온도 감소 효과를 면적으로 살 펴보면 <Table 2>와 같다.

단순하게 최대 감소 온도만 봤을 경우에는 1 m/s의 풍 속에서 가장 효과적인 것으로 볼 수 있으나 온도가 감소 된 면적을 보면 0.21도 이상 감소된 면적이 2 m/s에서 약 3배 정도 많은 것으로 나타났다. 따라서 풍속이 강할 때 온도 저감 효과가 더 효율적으로 나타났다. 그러나 풍속 이 2배로 증가한다고 온도가 감소되는 면적이나 확산되는 지역이 비례하여 늘어나는 것은 아닌 것으로 나타났다.

저층주거지역의 옥상녹화에서 발생하는 온도 저감 효과가 도시의 녹지를 보완하고 대체할 수 있는지 알아보기 위 해 관련 연구에 대해서 알아보면 대구광역시를 대상으로 도시의 녹지가 가지는 도시열섬 억제 효과를 공원녹지가 주변의 시가지보다 낮은 기온을 형성하는 냉섬효과를 통 해 규명하려고 대구광역시의 달성공원에서 1년간 실측한 데이터를 바탕으로 도출한 결과에서 여름철 주간에는 0.6^oC 의 냉섬강도가 있는 것으로 나타났다(Park 등, 2010). 그 리고 규모가 다른 크기의 공원에서 기온저감 효과를 분 석한 결과 규모에 따라 주변 50~370 m까지 기온저감 효 과가 미치는 것으로 나타났으나 반드시 공원의 규모와 비 례하지는 않는 것으로 판단하였으며 온도 저감의 효율성 을 고려한다면 작은 규모의 공원을 분산 배치하는 것이 효율적이라고 제안하고 있다(Kim 등, 2005). 이러한 녹지 에 대한 열섬완화 및 온도 저감에 대한 연구의 결과와 본 연구에서 도출된 연구 결과를 비교해 보면 옥상녹화가 저 층주거지역에서 공원과 같은 녹지를 대신하여 도시열섬현 상 완화 및 기온 저감을 통해 쾌적한 주거환경을 창출할 수 있는 주거환경 개선 계획요소로서 충분한 역할을 수 행할 수 있을 것으로 판단된다.

V. 결 론

본 연구는 여름철 도시지역의 저층주거지역에서 옥상녹 화를 실시할 경우 도시의 공간 부족 현상에 따른 녹지 부 족 현상을 보완할 수 있는 대체 녹지로서 온도 저감 효 과를 기대할 수 있는지 모의실험을 통해 정량적으로 분 석을 수행하였다. 모의실험은 연구대상지의 건축물 현황 (층수와 형태)과 건축물의 지붕상태에 따른 옥상녹화의 조 성 가능 여부와 풍속 등을 고려하여 총 6개의 시나리오 를 설정하였다. 건축물 현황만을 고려한 케이스, 주거 블 록 내 옥상녹화가 가능한 지붕만을 녹화한 케이스, 주거 블록 전체를 옥상녹화 한 케이스 등 3개를 구분하여 풍 속을 1 m/s(case 1, 2, 3)와 2 m/s(case 4, 5, 6)로 구분하 여 건축물 현황만을 고려한 케이스와 옥상녹화를 조성한 Figure 11. Difference in Temperature of Case4 and Case5 (2 P.M.)

Figure 12. Difference in Temperature of Case4 and Case6 (2 P.M.)

Table 2. Comparison of Temperature Change Area According to Each Case (2 P.M.) -0.29~

-0.27^oC

-0.27~

-0.24^oC

-0.24~

-0.21^oC

-0.21~

-0.18^oC

-0.18~

-0.15^oC

-0.15~

-0.12^oC

-0.12~

-0.09^oC

-0.09~

-0.06^oC

-0.06~

-0.03^oC Total area

Case 2-1 0 m² 4 m² 0 m² 0 m² 0 m² 48 m² 668 m² 5,136 m² 7,256 m² 13,112 m²

Case 3-1 4 m² 12 m² 100 m² 1,100 m² 1,440 m² 2,428 m² 2,584 m² 2,944 m² 4,856 m² 15,468 m²

Case 5-4 0 m² 0 m² 0 m² 0 m² 0 m² 192 m² 2,044 m² 5,272 m² 7,520 m² 15,028 m²

Case 6-4 0 m² 0 m² 360 m² 1,148 m² 912 m² 1,716 m² 2,800 m² 2,736 m² 5,800 m² 15,472 m²

케이스의 모의실험 결과를 비교하여 결과를 도출하였다.

분석한 결과 도시의 저층주거지역에서 경량형 옥상녹화 를 실시할 경우 최대 약 0.29^oC의 주변 온도 저감 효과 가 있는 것으로 나타났으며 풍속에 따라서 온도가 저감 되는 면적에 차이가 있으며 풍속이 강할수록 풍하측에 미 치는 온도저감 효과의 거리가 길어지는 것으로 나타났으 나 공원에 관한 연구결과와 마찬가지로 풍속에 비례하여 면적과 거리가 증가하는 것은 아닌 것으로 나타났다. 그 리고 주거 블록 내 옥상녹화가 가능한 건축물에서만 녹 화를 실시한 경우보다 전체 건축물 모두 옥상녹화를 실 시한 경우에 다소 시원한 지역이 넓게 분포하는 것으로 나타나 파편화된 옥상녹화보다 집중적인 옥상녹화를 실시 하는 것이 더욱 효과적인 것을 알 수 있었다.

이상의 연구결과와 함께 옥상녹화의 다양한 환경적인 개선 효과는 현재 도심의 부족한 녹지의 대체녹지로서 옥 상녹화는 충분히 그 가치를 인정받을 수 있을 것으로 판 단된다. 그리고 열환경 개선이라는 측면에서 도심 전체적 인 파급효과를 기대하기 위해서는 동일한 지역에 집중적 인 옥상녹화를 유도하는 정책이 필요할 것으로 판단되며 장기적인 주거환경정책 및 계획에 있어 주변 지형, 녹지 현황, 건축물 높이, 바람길 등과 도심 내 열에 취약한 지 역을 파악하여 향후 녹지정책 및 계획을 고려한 옥상녹 화중점지구를 배치하는 것이 주거지역 내에서 대체녹지로 서의 역할을 충실히 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또 한 최근 지역적으로 실시되고 있는 도시재생사업에 있어 서도 주변 녹지지역과 옥상녹화를 적극적으로 연계하는 방안을 모색하는 것이 도시 내 주거지역의 기본적 기능 인 쾌적한 주거환경을 열환경 개선을 통해서 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 지역적인 옥상녹화 정책 수립 및 계획에 있어서 지역적인 현황을 반영한 열환경 분석과 함께 다양한 환경개선에 대한 정량적인 분석이 선 행되어 장기적인 지역 주거 정책 및 계획을 수립하는 것 은 미래지향적인 주거공간 창출을 위해 반드시 수행되어 야 할 과정이라고 할 수 있다.

본 연구에서는 경량형 옥상녹화만을 대상으로 분석을 수행하여 다양한 형태의 옥상녹화를 반영하지 못하였으며 대상지에 존재하는 가로수 등과 토지이용 등 다양한 도 시 인프라를 반영하지 않고 건축물과 옥상녹화로 제한하 여 연구를 진행한 한계점을 가지고 있어 향후 다양한 형 태의 옥상녹화와 함께 주변 녹지의 규모와 거리 등 종합 적인 주거환경을 함께 고려한 복합적인 연구 및 쾌적성 지표와 연계한 연구가 계속되어야 할 것으로 판단된다.

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접수일(2013. 2. 11) 수정일(1차: 2013. 5. 21) 게재확정일자(2013. 6. 13)