서 론
전 세계적으로 지구온난화가 가속화되면서 여름철 폭염 현상이 증가하고 있다. 이로 인해 노약자나 어린이, 여성, 취약계층 등을 중심으로 온열질환이 발생하는 사고가 증가하고 있다(Tian et al., 2013; Madaniyaz, 2016). 국내에서도 이례적인 폭염현상이 나타난 2018년에는 4,526명의 온열질환자가 집계되었으며, 그 중 48명의 사망자가 나타났다. 2019년에도 1,841명의 온열질환자가 발생하여 2011년 모니터링을 시작한 이후 전반적으로 증가 추세를 보이고 있다(질병관리본부, 2020). 정부에서는 폭염으로 인한 인적 피해를 최소화하기 위해 다양한 정책 지원을 추진하고 있으며, 피해를 막기 위해 다양한 분야에서 연구가 시작되고 있다. 국내 연구(이수미 외, 2019)에 따르면 기후변화로 인해 도시 열환경이 악화되면서 대도시에서 온열질환자의 발생이 증가되고 있으며, 도로 면적이 넓은 지역에서 온열질환자 수가 증가하는 것으로 나타나 도로면적 비율과 녹지면적 비율이 온열질환자에 큰 영향을 미칠 수 있음을 밝히고 있다. 기존 연구(Shin, 2015)에 따르면, 열환경 측면에서 주변 환경온도는 인체의 건강 및 쾌적에 큰 영향을 미치며, 특히 심혈관계통의 생리적 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다(Wilson and Crandall, 2011). 심장 박동과 관련된 심박변이도(Heart rate variability, HRV)는 인체 온열 쾌적 및 건강 상태를 예측하는데 지표로 사용되고 있다(Carrillo et al., 2016). HRV는 심박수의 박동간 변동 특성을 통계적인 지표로 나타낸 것으로서, 일반적으로 체온조절 중추와 관련되어 심혈관계 기능을 조정하는 교감신경(Sympathetic nervous system, SNS)과 부교감신경(Parasympathetic nervous systems, PNS)의 상호작용을 반영하는 것으로 알려져 있다(최병문과 노규정, 2004). 본 연구는 여름철 도심지 내에서의 다양한 실내외 환경조건에서 각종 객관적 인자(MRT, PMV, WBGT, 피부온도)와 인체의 HRV 변화 특성을 비교 분석함으로써, 향후 HRV가 실내외 온열환경을 평가하는 열쾌적 지표로 쓰일 수 있는가를 검토하였으며, 나아가 도심지 온열환경 연구 분야에 기초자료를 제공하고자 한다.
실험 계획
실험 조건
기본적으로 인체 열교환 모델 또는 인체 열평형 모델에 따라 인체 온열환경 쾌적지표가 다양하게 고려되고 있다. 인체의 열쾌적에 영향을 미치는 물리적 인자로는 기온, 상대습도, 기류속도, 평균복사온도가 있다. 일반적으로 도심지 온열환경을 평가함에 있어서 WBGT (Wet-Bulb Globe Temperature), PMV (Predicted Mean Vote), UTCI (Universal Thermal Climate Index), PET (Physiological Equivalent Temperature), 체감온도(Apparent Temperature) 등이 온열환경 쾌적지표로서 제안되어 활용되고 있다. WBGT는 ISO 7243에서 건구온도와 습구온도, 흑구온도를 이용하여 폭염으로 인한 온열환경문제를 평가하는데 많이 활용되고 있다. PMV는 건구온도, 상대습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량이나 활동량과 같은 여러가지 물리적, 개인적 변수를 종합적으로 고려한 변수로서 실내외 온열환경 평가에 활용되고 있다. Figure 1과 같이 인체가 느끼는 온열 쾌적감은 도심지 내 건물이나 공간 특성에 따라서 달라질 수 있다. 실내외 환경에서 직달일사 조건이 인체 온열 쾌적감에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 바닥마감재의 종류에 따라서도 주변공간의 평균복사온도 조건이 달라짐으로써 환경조건이 달라질 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 Figure 2와 같이 여름철 다양한 실내외 환경 조건을 고려하여 실내 냉방 조건, 일사 영향 및 바닥 마감재의 영향을 고려하여 5가지의 환경조건에서 피험자 실험을 진행하였다. Table 1과 같이 기본적으로 일사 영향이 없고 냉방장치가 작동되는 실내 환경 조건(Case1)에서 실험을 진행하고, 실외 화강석 바닥마감재가 설치된 곳(Case2, Case3)과 아스팔트 포장된 곳(Case4, Case5)에서 피험자 실험을 진행했다. 피험자가 직달일사에 직접 노출되는 조건(Case3, Case4)과 오버행과 나무와 같이 차양장치에 의해 음영이 발생하는 조건(Case2, Case5)으로 구분하였다.
Table 1.
Experimental cases of urban environment conditions
실험 프로토콜
본 연구에서는 Table 2와 같이 건강한 20대 여성을 대상으로 피험자 실험을 진행하였다. 피험자 1(Subject#1)은 저체중 조건이고, 피험자 2(Subject#2)는 정상체중 조건이다. 실험기간동안 2명의 피험자는 반바지와 반팔티를 착용한 상태(0.5 clo)를 유지하였고, Figure 2와 같이 실내에서 대기하다가 순차적으로 각각의 실험 장소로 이동한 후, 20분간 앉은 상태(1.0 met)로 실험을 진행하였다.
Table 2.
Subject details
| Category | Subject #1 | Subject #2 |
| Age | 22 | 21 |
| Gender | Female | Female |
| Height | 155 | 161 |
| Weight | 40 | 53 |
| BMI | 16.65 | 20.45 |
실험 방법
피험자 실험 과정에서 각 Case별 실내외 공간의 온열쾌적 조건을 분석하기 위해 PMV meter를 설치하여 공기온도, 상대습도, 기류속도, 평균복사온도를 측정하였으며, 착의량과 활동량은 각각 0.5 clo, 1.0 met로 가정하였다. 또한 실험과정 중에 피험자 피부온도 및 주변 구조물의 표면온도를 측정하기 위해 열화상카메라를 이용하였다. 피험자의 HRV지표를 산출하기 위해 Polar H10 심박센서를 이용하여 심전도(ECG) 데이터의 R-R 간격(R-R interval)을 측정하였다. 피험자는 각 실험장소에서 본실험을 진행하기 이전에 실내에서 심박센서를 착용한 후 10분간 대기하면서 안정화 시간을 지속하였으며, 실내외 실험 장소로 이동한 후 20분간 의자에 앉은 상태로 R-R간격 데이터를 측정하고, 다시 실내로 이동하여 휴식 시간을 가졌다. 일반적으로 심박센서에서 측정되는 심전도(ECG) 데이터는 다양한 의료 분야에서 활용되고 있으며, ECG 데이터에 기반한 HRV는 시간에 따른 ECG 데이터의 파형을 분석하는 것으로서 시간 영역 분석과 주파수 영역 분석 방법을 통해 적용된다. 주파수 분석 방법은 파장대별로 VLF(초저주파대역), LF(저주파 대역), HF(고주파 대역)로 구분하고, 그 중 저주파 대역에 대한 고주파 대역의 비로서 교감신경계와 부교감 신경계 사이의 전반적 균형을 정량화할 수 있기 때문에 온열쾌적 및 건강을 평가하는 지표로 LF/HF 값을 사용하고 있다. 이에 본 연구에서는 심박센서에서 측정한 R-R 간격 데이터를 이용하여 주파수계열 분석을 하여 LF/HF 값을 도출하였다. 심박센서에서 측정된 R-R 간격 데이터는 기존 연구(Tarvainen et al., 2014)에서 검증된 Kubios 프로그램을 사용하여 주파수 분석 중 하나인 LF/HF ratio (a ratio of Low Frequency to High Frequency) 변수를 산출하여 분석하였다. 본실험 진행시간(20분)동안 실내외 실험 장소에서 측정된 R-R간격 데이터를 2분 간격으로 나누어 총 10개의 LF/HF ratio 데이터를 산출하여 분석하였다.
결과 및 토의
온열 환경 분석
본 연구에서는 실내외 각 Case별로 실온, 상대습도, 평균복사온도, 기류속도, PMV를 측정하여 분석하였다. Table 3과 같이 실내 냉방 조건에서는 천장형 EHP가 설치된 공간에서 실내 설정온도를 24℃로 설정하여 운전함으로써, 실온이 23.4±0.63℃, 상대습도가 65.3±2.82%, 평균복사온도는 24.6±0.33℃, 기류속도가 0.14±0.12 m/s로 유지되었으며, 전반적인 쾌적지표로서 PMV가 평균 –0.7 (Slightly cool)로 나타났다. 반면 실외에서는 외기온이 30℃ 내외로 유지되면서 실내 조건과 비교하여 대략 6~7℃의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 실외 상대습도의 경우, case 3을 제외하고는 대부분 50~65%의 범위로 큰 차이가 나타나지는 않았다. 다만, 실외에서 직달일사 및 지면(바닥표면)에서의 복사열의 영향으로 인해 평균복사온도는 대략 10℃의 차이가 나타났으며, 실내와 비교하여 최대 16.5℃까지 큰 차이가 나타났다. 실외에서 직달일사를 피해 건물이나 나무 밑의 그늘진 곳에서 측정한 경우, 평균복사온도가 31.5℃내외로 나타났으며, 화강석 바닥마감인 경우(Case 3)과 아스팔트 바닥마감인 경우(Case 4)를 비교하면 평균복사온도가 각각 평균 35.9℃, 41.1℃로서 그 차이가 나타남을 알 수 있다. 기류속도의 경우, 실내에서는 천장형 EHP의 운전 조건에 따라 0.14±0.12 m/s로 변동하였으며, 실외에서는 평균 0.03~0.12 m/s로 외부 풍속이 변동되었다. 실외 그늘진 곳에서는 PMV 지표가 평균 2(warm)로 나타났으며, 직달일사에 직접 노출된 조건에서는 평균 3(hot)내외로 나타났다. WBGT의 경우, 식 (1)과 같이 Yaglou가 제안한 건구온도, 습구온도, 흑구온도의 가중평균함수로 산출하였다. Table 3과 같이 WBGT의 평균이 실내 조건(Case 1)에서는 20.4℃, 실외 그늘진 곳에서는 각각 24.6℃, 25.8℃로 나타났다. 다만, 직달일사에 노출된 경우(Case 3, Case 4)에는 외기 습도가 63%인 Case 3에서는 WBGT의 평균이 27.0℃로 다소 높게 나타났으나, 외기 습도가 35.7%로 다소 낮은 경우에는 습구온도가 상대적으로 낮아 25.1℃로 다소 낮게 나타났다.
| $$WBGT=0.7T_w+0.2T_g+0.1T_a$$ | (1) |
여기서, 는 습구온도, 는 흑구온도, 그리고 는 건구온도이다.
Table 3.
Thermal environmental conditions
인체의 피부온도 특성
본 연구에서는 Figure 3과 같이 열화상카메라를 이용하여 서로 다른 실내외 환경조건에서 피험자의 피부온도 특성을 비교하였다. 또한 Table 4와 같이 신체 부위별로 머리정수리(hair)와 이마(forehead), 팔(arm), 복부(abdomen), 허벅지(thigh), 종아리(shin) 부분의 피부온도를 비교 분석하였다. 실내 환경 조건에서 측정한 실험(Case 1)에서 살펴보면, 각각 피험자 1과 피험자 2의 신체 부위별로 다르게 나타났다. 피험자 1은 하체 부위의 피부온도가 상대적으로 높게 나타났으며, 피험자2는 손과 얼굴 부위의 피부온도가 상대적으로 높게 나타났다. 실외 환경조건에서는 직달일사에 노출여부에 따라서 머리정수리, 팔, 복부, 허벅지 등의 피부온도가 전반적으로 큰 영향을 받았다. 특히 직달일사에 노출되는 경우, 머리정수리 부분의 온도는 최대 20℃까지 상승함으로써 열적 스트레스를 크게 받게 됨을 알 수 있다. 또한 복부의 온도도 최대 10℃까지 상승하고 있다.
Figure 3.
Thermographic images of each cases; (a) Case 1 (Subject #1, Indoor experiment with cooling conditions), (b) Case 1 (Subject #2, Indoor experiment with cooling conditions), (c) Case 2 (Outdoor experiment around the building without direct sun exposure), (d) Case 3 (Outdoor experiment around the building with direct sun exposure), (e) Case 4 (Outdoor experiment around the road with direct sun exposure), (f) Case 5 (Outdoor experiment around the road without direct sun exposure)
Table 4.
Skin surface temperature distributions of each cases (℃)
온열환경 조건에 따른 HRV 값의 상관성 분석
본 연구에서는 실내외 환경조건에서 피험자 실험을 진행하였으며, 실내 및 실외 환경 조건에서 인체의 HRV 지표(LF/HF ratio)가 영향을 받는지, 실외에서 직달일사의 영향과 바닥마감재의 영향을 받는지를 분석하고자 하였다. 실내외 환경조건 변화에 따라 LF/HF ratio에 영향을 미치는지 상관관계를 분석하기 위해, 엑셀 프로그램을 이용하여 F-검정과 T-검정을 실시하였다. F-검정을 실시하여 등분산과 이분산 여부를 먼저 판단하고, 각 분산 조건에 따라 신뢰구간 95%에서 T-검정을 실시하여 측정 결과의 차이에 있어 유의성 여부를 판단하였다. 각각 비교되는 환경조건에 따라 피험자들 간의 LF/HF ratio의 비교가 유의미한지를 신뢰구간 95%에서 검정하였다. 본 연구에서는 각 피험자 별로 환경조건의 변화에 대한 차이를 알아보기 위해, 우선 실내외 조건별, 외부환경 음영 여부 및 바닥마감재의 종류별로 통계 분석을 수행하고, 피험자 간 차이가 유의미한 것인지에 대해서도 통계분석을 수행하였다.
Figure 4와 같이 각 실험 조건에서 피험자별 LF/HF ratio 특성을 살펴보면, 피험자 모두 실내에서는 다소 낮은 값을 보이지만, 외부 온열환경이 더운 조건에 가까워질수록 값이 커지고 변동이 커지는 것을 알 수 있다. 피험자2에 비해 피험자1은 실내환경 조건에서 LF/HF ratio 변동이 큰 것으로 나타났다. 반면, 피험자2는 실내에서는 LF/HF ratio 변동이 크지 않지만, 실외 조건에서는 LF/HF ratio 변동이 심하게 나타남을 알 수 있다. 피험자 모두 화강석 바닥마감재가 깔린 공간에서 피험자에게 직달일사의 노출여부에 있어서는 LF/HF ratio의 차이가 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 각 피험자별로 실내 냉방 조건(Case 1)과 서로 다른 실외 환경조건(Case 2~Case5)에서의 LF/HF ratio 데이터 값을 비교하기 위해 T-검정을 진행한 결과, Table 5와 같이 피험자 1은 아스팔트 보도마감인 경우에만 P-value가 0.05이하로 나타나 냉방이 되는 실내환경 조건과 비교하여 유의미한 차이가 나타남을 알 수 있었으며, 피험자2는 모든 조건에서 P-value가 0.05이하로 나타나 냉방이 되는 실내환경 조건과 비교하여 유의미한 차이가 나타남을 알 수 있었다. 바닥마감재(아스팔트, 화강석)가 동일한 조건에서 각 피험자별로 직달일사에 노출된 경우와 그늘진 곳에 노출된 경우 LF/HF ratio 데이터 값을 비교하기 위해 T-검정을 진행한 결과, Table 6과 같이 모든 피험자들이 바닥마감재의 조건에 상관없이 P-value가 0.05보다 크게 나타남으로써 실외 환경에서 직달일사에 노출 여부에 따른 유의미한 차이를 확인할 수 없었다. 앞서 PMV meter의 측정 결과를 보면, 직달일사가 유입되지 않는 곳에서는 PMV값이 2 (warm)정도의 값을 갖지만, 직달일사에 직접 노출되는 곳에서는 PMV값이 3 (hot)내외로 나타났다. 즉, 도심지에서 외부공간의 온열환경은 음영 여부에 따라 차이가 나타날 수 있지만, 일정 수준 이상의 무더운 외부 환경조건에서는 HRV값에 차이를 유의미하게 판단하기 어려운 것으로 판단된다. 일반적으로 인체가 고온 환경에서 장시간 노출된 경우, 피부혈관을 확장시켜 혈류량을 증가시키고 땀을 흘리는 등 생리적 반응으로 열을 발산시켜 체온을 조절하는데, 이와 연관되어 HRV값이 점진적으로 변동된다. 본 연구에서는 건강한 성인여자를 대상으로 피험자 실험을 진행하였으며, 실외 환경 조건에 20분 정도 노출한 경우의 HRV변동을 분석하였다. 즉 실외의 더운 환경조건에서 신체가 정상적인 생리적 반응을 하는 경우, HRV 변동을 커지는 예상할 수 있으나, PMV값이 3이하의 범위에서는 PMV지표와 직접적인 상관성을 가지고 유의미한 차이를 확인하기는 어려운 것으로 판단된다. 그러나 PMV값이 3이상으로 실외의 과도한 고온환경에 장기간 노출될 경우에는 인체의 체온조절기능에 이상이 생겨 열사병 등의 고온손상을 일으킬 수 있으며, 특히 영유아, 노인 및 만성 질환자들이 폭염 조건에 노출되는 경우에는 HRV 변동이 훨씬 크게 나타날 것이다(Markov et al., 2016). 이 경우에는 정상적인 HRV 변동특성과 비교하여 유의미한 차이를 나타낼 수 있을 것이다(Soares-Miranda et al., 2014). 향후 폭염으로 인한 극한 더위 조건에서 피험자 실험을 진행하는 것이 필요할 것이다.
Table 5.
Analysis of significance between indoor and outdoor conditions for each subjects
Table 6.
Analysis of significance between different solar incidence conditions to subjects
| Comparative cases | P value | |
| Subject #1 | Case 2 vs. Case 3 | 0.484798 |
| Case 4 vs. Case 5 | 0.455981 | |
| Subject #2 | Case 2 vs. Case 3 | 0.481223 |
| Case 4 vs. Case 5 | 0.160812 | |
각각 실내외 환경조건에서 피험자간 HRV 변동의 차이여부를 판단하기 위해 T-검정을 진행한 결과, Table 7과 같이 냉방이 되는 실내 환경 조건(Case 1)에는 P-value가 0.05보다 작게 나타나 그 차이가 유의미함을 알 수 있었으나, 외부환경 조건(Case 2~Case 5)에서는 P-value가 0.05보다 크게 나타나 피험자간 HRV의 유의미한 차이를 확인할 수 없었다. 이는 적당한 쾌적조건(moderate thermal environment)이 충족되는 실내 온열환경조건과 달리 폭염과 같은 외부 온열 환경조건에서는 피험자의 개별적인 온열 조절 중추의 민감도가 다르기 때문에 인체의 생리적 반응인 HRV 변동 특성이 다르게 나타나기 때문으로 판단된다(이겨레와 임재한, 2019; Min and Shin, 2015). 향후 여름철 장기적인 폭염 조건에서 피험자실험을 통해 HRV값의 변화 특성을 조사 분석함으로써, 다양한 도심지 온열 환경 조건에서 인체의 생리적 반응 및 위험도를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 7.
Analysis of significance between subjects
| Cases | P value of Subject #1 & subject #2 |
| Case 1 | 0.002094 |
| Case 2 | 0.201858 |
| Case 3 | 0.199732 |
| Case 4 | 0.146095 |
| Case 5 | 0.410508 |
MRT를 독립변수로 하여 피험자별로 LF/HF ratio와의 상관관계를 살펴보면, Figure 5와 같이 비례적으로 선형성을 나타내는 것을 알 수 있다. 개인별 차이는 있지만, 주변환경의 MRT가 높을 수록 LF/HF ratio가 증가하는 것을 알 수 있다. 기존 연구(Thorsson et al., 2014)에서도 도심의 실외 환경에서 직달일사에 노출되는 경우, 주변의 복사온도가 높아짐으로써 인체에서의 심장박동에 영향을 미치고, 이로 인한 건강위험도가 높이질 것으로 나타나 주변 온열환경 조건과 관련되어 HRV와의 상관성을 평가하기 위한연구가 지속적으로 수행되어야 할것이다. 도심지 온열환경평가에서 활용되는 WBGT를 독립변수로 하여 피험자별로 LF/HF ratio와의 상관관계를 살펴보면, 실내 조건과 비교하여 WBGT가 상대적으로 높은 실외 조건에서는 LF/HF가 높게 나타났다. 향후 피험자 수를 늘려서 연구를 지속함으로써, MRT, WBGT, HRV의 상관 관계를 도출해 나갈 수 있을 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 도심지 내에서의 여름철 실내외 환경조건에서 인체의 HRV 변화 특성을 분석함으로써, 도심지 실내외 온열환경조건에 따라 HRV값의 차이가 나타는지를 알아보고자 하였다. 피험자 실험을 통해 여름철 냉방조건에서의 실내 환경과 실외 환경조건에서는 인체에서 측정되는 HRV 값에 큰 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 PMV값이 3이하인 실외 조건에서 직달일사에 노출 여부는 HRV값의 변동에 큰 영향을 미칠 정도의 차이를 보인다고는 할 수 없었다. 피험자별로 온열환경에 대한 신체적 반응 방식이 다르기 때문에, 도심지 내에서 극한 온열 환경에 노출될 때 사람마다 반응에 차이가 있을 수 있다. 냉방 운전되는 실내 환경조건에서는 피험자별 HRV 값의 차이가 유의미하게 나타났으나, PMV값이 3 (hot)과 2 (warm)인 실외 온열 환경조건에서는 개인별 유의미한 차이를 확인할 수 없었다. MRT를 독립변수로 하여 피험자별로 LF/HF ratio와의 상관성을 분석하여 선형 회귀식을 제시하였으며, MRT가 높을 수록 LF/HF ratio가 증가함으로써, 도심의 실외 환경에서 직달일사에 노출되는 경우, 주변의 복사온도가 높아짐으로써 인체에서의 심장박동에 영향을 미침을 알 수 있었다. 향후 피험자수를 증가하여 주변 온열환경 조건과 관련되어 HRV와의 상관성을 평가하기 위한 연구를 지속적으로 수행하고자 한다.
