서 론
연구의 목적
연구 방법
문헌 고찰
옥상녹화에 대한 선행 연구
식물의 엽면적 지수
결과 및 토의
실험현장 미기상 데이터
건물 축소 모형의 구조체 온도특성
녹화시스템에 따른 축소모형의 일중 온도 변화
식재 종류에 따른 축소모형의 온도 변화
식재 종류에 따른 식재주변부 온열환경
결 론
서 론
연구의 목적
최근 국내 도시는 지구온난화 등의 영향으로 이상기후 현상이 발생되고, 인공 구조물들로 인한 열섬 현상, 미세먼지 증가, 폭우 피해 등으로 인한 피해 발생 빈도가 늘어나면서 도시환경 개선에 대한 관심이 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 대안 중 하나로 건물의 옥상과 벽면, 실내에 식물이 지속 성장 가능하도록 일체화된 시스템을 설치하여 급속한 도시화로 인한 손상된 녹지면적을 증가시켜 건강한 생태환경을 조성하는 건물녹화시스템(BIVS, Building Integrated Vegetation System)에 대한 연구가 증가하고 있다. 이러한 건물녹화시스템은 빌딩과 도시 경관을 개선시켜 사람들에게 미적 아름다움을 제공하고, 직달 일사를 차단하여 빌딩 구조물의 노화를 지연시키며, 건물의 실내외에 발생된 오염물질과 건물주변으로부터의 소음을 저감하고, 강우를 일시적으로 저장하여 자연재해 예방하고, 건물에 공조 부하를 낮추어 냉·온열 기기 용량을 저감시키는 다양한 장점을 지니고 있다. 이에 건물녹화시스템이 새로운 대안으로서 선진국에서는 국가적 정책지원과 국민들에 홍보로 그 적용이 확대되어 가운데, 우리나라에서도 대도시를 중심으로 관공서 건물이나 주요 대형 건물에 자주 설치되는 등 그 보급이 확대되어가고 있다.
건축 외피로서의 건축물 녹화는 준공시 원하는 면적의 녹화가 이루어져야 하고 형태를 조절할 수 있거나 환경 개선 정도에 대한 예측이 가능해야 한다. 건축물녹화에 의한 열환경 변화는 외기상황에 따른 식생층의 종류와 구성비에 따라 효율의 차이를 보인다. 그러나 녹화시스템의 무분별한 선정 및 도입과 부주의한 설치는 식물의 고사, 흙의 비산, 관수비용 증가, 고정하중 증가 등의 부작용을 초래하여 시스템 파급 및 기술 발전에 제약이 될 수 있으므로, 설치 예상 환경을 고려한 적정 시스템의 선정이 매우 중요하다.
따라서 본 연구는 측정이 용이한 건물녹화시스템의 온열성능 평가 시스템을 구축하여 비교 분석을 통하여 건물 녹화에 적합한 식물 수종 선정기법을 마련하고, 기상조건 변화에 따른 BIVS와 건물 구조체 내·외부의 온열환경 변화를 비교 분석을 통하여 향후 BIVS 계획시 활용이 가능한 데이터 확보를 위한 기초 자료로써 활용하고자 한다.
연구 방법
경기도 수원에 소재한 야외 시험장에 벽체, 지붕, 바닥 두께가 0.1m이고, 체적이 1.0m (W)×1.0m (D)×1.0m (H)인 Figure 1과 같은 축소 모형 2동를 제작하고 일사 및 바람 등 기상조건에 주변 영향을 받지 않는 곳에 2.5m 간격을 두고 설치하였다. Figure 2는 BIVS의 단면과 측정점을 나타낸다. 건물 지붕에 나무판을 고정하고, 인공토양은 (버미큘라이트 : 펄라이트 : 피트모스 : 라임스톤 = 1 : 1 : 1 : 1)비율로 혼합한 S사의 식생기반재를 사용하였다.
경량형과 중량형을 혼합한 혼합형 옥상녹화시스템의 일반적인 토심은 10~20cm이고, 시험식물의 생장이 가능하여 향후 다채로운 식물 수종 실험을 위하여 토심은 중간값인 15cm로 식재하였다. 측정은 기상관측시스템을 설치하여 대상지 내 일사, 조도, 기온, 상대습도 등 온열환경 분석에 필요한 데이터를 수집하였다. 일반적으로 내건성, 내한성이 뛰어나 생육이 활발하여 녹화식재로 자주 이용되는 세덤류인 애기기린초와 수폭과 수고가 상대적으로 커서 일사 차단에 보다 효과적인 맥문동이 실험에 사용되었다(Table 1). 시험기간은 연중 온도가 가장 높은 7월부터 8월 사이에 실시하였고, 강우가 없고 맑은 날이 연속되는 날의 데이터를 중점적으로 분석하였다. BIVS에 사용된 재료의 물성치는 Table 2에 나타내었다. 하기의 맑은 날 중 5일간 온열환경실험을 위해 축소 모형 의 벽체, 옥상, 바닥의 내·외부 표면에 열전대를 설치하고, BIVS의 주요 부위에는 핀타입 디지털 온습도 센서(SHT75, Sensirion)를 설치하여 데이터로그에 연결해 온습도를 5분 간격으로 실시간으로 저장하였다.
문헌 고찰
옥상녹화에 대한 선행 연구
건물녹화에 관하여 건물 에너지 시뮬레이션을 통하여 온열환경 변화를 예측하거나 기존 건물에 현장 실험을 통해 기초 자료를 제시하는 연구들이 이루어지고 있다.
박지영 외(2009)는 옥상녹화 시행 전과 시행 후의 열변화 수리를 Thermal-Rander 3.0을 활용하여 모의실험한 결과 최고 0.86°C의 온도차를 확인하였다. Sailor and Hagos (2011)는 옥상녹화시스템에서 세 가지 다른 토양의 구성에 따른 전도성, 열용량 등 온열환경 변화를 측정하여 보다 정확한 건물 에너지 해석에 기여하고자 하였다. Wong et al. (2010)는 적정 수직녹화식재 방안을 도출하기 위하여 공원에 간이 벽을 제작하고 8종의 수직녹화시스템을 설치하여 표면온도, 토양온도, 외기 온도를 비교 평가를 실시하였다. Paulo et al. (2012)는 에너지 시뮬레이션을 위해 하절기에 옥상녹화시스템에서 식물의 유무에 따른 대류와 증발에 관한 각각 다른 열전달 모델을 제시하였다. 황효근 외(2009)는 인공지반의 구성에 따른 열성능을 분석하기 위해 TRASYS 시뮬레이션을 이용하여 일사, 토양재료, 토심을 고려한 냉난방 부하의 변화를 살펴보았다. 그리고, 옥상녹화 시스템이 건물의 에너지 사용 절감에 미치는 영향을 파악하기 위해 이두호와 이응직(2012)은 옥상녹화 조성으로 온도저감을 확인하기 위해 현장 측정을 통하여 기후변화대응과 건물 에너지 절감을 위하여 옥상녹화의 효과를 도출하는 연구를 실시하였고, 이응직과 김준희(2012)는 열화상카메라를 이용하여 대전 지역의 공공건물 5개소에서 옥상녹화와 비 옥상녹화 표면의 온도를 측정·비교 평가하여 건물녹화건물이 도시 미기후 개선과 도시열섬효과 완화에 기여할 것이라 하였다.
윤희정 외(2013)는 열섬완화효과에 적합한 식재모델을 도출하기 위하여 극한 기후 조건에서도 생존력이 강하여 일반적으로 이용되는 세덤류 이외에 내건성이 강한 식재를 혼합하여 온열환경을 평가 실시한 결과, BIVS에 적합한 식재 방법으로는 단일 식재보다 혼합 식재를 제시하였다. 송진희 외(2013)는 도심지 내 건물에 적용된 옥상녹화시스템을 춘계와 하계에 연속적인 모니터링을 통하여 BIVS가 열섬현상 저감에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
식물의 엽면적 지수
엽면적 지수(LAI, leaf area index)는 지표면에서 식물 캐노피의 수직 투영 면적에 대한 식물 군락 전체 입의 총면적으로 일반적으로 0에서 5사이의 값을 갖는다. 이러한 식물의 LAI가 높아질수록 일사차폐의 효과가 커지므로, BIVS의 식재별 단열성능에 영향을 미치는 변수들 가운데 핵심인자로 초본류의 경우 잎의 피복률로 LAI 계산이 가능하다.
남효후 외(2009)는 한국자생식물 벌개미취, 원추리, 꽃창포 3종의 작물화를 위해 생산성을 평가하고, 생산성 향상을 위해 잎 분화특성에 따른 순동화율과 엽면적지수의 상관관계 및 식물 전체의 상대성장률과 토양수분과의 상관관계를 분석하였다. Savoy and Mackay (2015)는 계절 변화로 인한 환경적 제약에 따른 캐노피 성장으로 인하여 LAI값이 변화하는 모델링을 제시하였다.
Figure 3은 엽면적 지수의 계산 과정이다. 측정대상 식물의 중심부 상부에서 수직으로 등비율 사진촬영을 통해 만들어진 이미지를 캐드 프로그램에서 스케일 조정을 실시한 후, 식물 전체 잎의 최외각부를 연결한 선을 그린 다음 식물의 피복면을 선형화함으로서 면적을 계산한다. 전체면적에 대한 식물 피복면적 비를 통해 피복률을 계산한다. 실험에 사용된 식재인 애기기린초와 맥문동의 LAI값는 각각 0.873, 0.735으로 나타났다.
결과 및 토의
실험현장 미기상 데이터
Figure 4는 기상관측시스템을 통해 하기인 7월 27일부터 31일 5일간 실험대상지 주변 기온과 상대습도를 실시간으로 측정한 결과이다. 29일을 제외한 나머지 측정일의 주간 대기온도는 30°C이상이었고, 31일에 최고 35.2°C까지 상승하였다. 야간의 대기온도는 전체 측정일 모두 25°C이하이었고, 28일에 최저 19.4°C까지 하강하였다. 평균 대기온도는 26.9°C이고 4.1°C의 표준편차로 나타났다. 상대습도는 평균 79.9%이고 16.9%의 표준편차로 나타났고, 28일 주간에 최저 44.6%로 나타났다. 특히 11시에서 15시 사이에 상대습도는 30%이하로 매우 건조하였고, 22시에서 2시 사이에는 100%로 일교차가 크게 조사되었다.
Figure 5는 실험기간 동안 실험현장 주변에서의 식물생장에 있어 큰 영향을 끼치는 일사량 변화를 나타낸다. 직달일사와 확산일사를 나누어 측정을 실시한 결과로 직달일사는 평균 199.9W/m2, 최대 999W/m2로 나타났고, 확산일사는 평균 27.6W/m2, 최대 135.7W/m2로 나타났다. 조도는 평균 101.7klux로 나타났고, 최고 531.0klux로 나타났다.
건물 축소 모형의 구조체 온도특성
Figure 6는 비녹화건물 축소 모형(control building model)과 녹화건물 축소 모형(experi-mental building model)의 외부 벽체의 표면온도를 측정한 결과를 나타낸다. 일몰 후 표면온도는 1°C이하로 모형간 근소한 차이를 보이는 반면에, 일중온도가 가장 높은 시간대에서는 비교적 큰 차이가 나타났다. 비녹화 축소 모형의 동면과 남면의 벽체는 표면온도가 대략 3°C 높게 나타났다. 반면에, 직달 일사의 영향이 적은 북면의 경우는 표면온도가 약 2°C 높게 나타났고, 서면의 경우는 두 축소 모형의 차이가 1°C이하로 나타났다.
벽체가 향한 방위에 따라 온도차가 발생하였지만, 옥상녹화 식물이 식재된 지붕 구조체 상·하부간 온도차에 비하여 매우 낮기 때문에 실험에 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 단열재의 물성치에 따라 구조체의 열관류특성 변화의 영향을 최소화하기 위해 축소 모형에는 단열재를 설치하지 않았다. 구조체의 각 부위면적을 1m2로 하여 콘크리트의 열전달율에 각 부위별의 실내·외 온도차를 곱하여 이동되는 열량이 쉽게 계산 가능하도록 하여 건물녹화 시스템 간의 단열 성능 비교가 용이하도록 하였다.
하지만 단열재를 설치하지 않았기 때문에 관류율이 높아져서 실내외 온도차가 클 경우는 실제 건물보다 축소 모형의 실내온도 변화가 크게 나타날 수 있지만, 본 연구에서는 우선적으로 녹화 식물 수종간 변화를 살펴보기 위하여 단열재가 없는 조건으로 측정이 이루어졌다.
Table 3은 주간과 야간에 애기기린초와 맥문동 식재시 축소 모형의 중앙에 지표면으로부터 수직방향으로 각 측정 위치에서의 온도분포를 나타낸다. 지표면으로부터 전달되는 복사열에 의한 영향을 최소화하기 위하여 지면으로부터 10cm 높이의 버팀목 위에 축소 모형을 설치하여, 실험체의 외부 바닥면과 실내 바닥의 평균 온도차는 0.1°C~1.5°C범위로 매우 낮게 나타났고, 녹화와 비녹화 축소모형의 옥상부 실내외온도차는 상대적으로 높게 나타났다. 따라서 건물 축소 모형을 이용하여 BIVS에 식재되는 식물의 수종에 따라 온열특성 변화를 파악하여, 상대 비교를 통한 데이터베이스의 수집이 가능한 것으로 나타났다.
녹화시스템에 따른 축소모형의 일중 온도 변화
Figure 7은 비녹화건물 축소모형과 녹화건물 축소모형의 지붕표면온도 변화이다. 주간에 축소 모형의 지붕 표면온도는 녹화시 최대 13.7°C 낮게 나타났다. 하지만 일몰 후 야간에는 축소모형간의 표면온도차가 급격히 감소하여 같아졌다. 다른 측정일에 비하여 외기의 일교차가 대략 5°C로 낮은 29일을 제외하고 전체 측정일 동안에 녹화 모형의 지붕표면온도는 10°C이상 낮게 나타났다.
Figure 8에서 녹화시스템 유무에 따른 축소모형 실내 온도 변화를 나타낸다. 지붕표면의 온도차가 가장 큰 27일보다 외기온도가 상대적으로 높았던 31일에 축소모형간의 실내온도차가 가장 크게 나타났다. 이때 녹화 모형의 실내온도는 비녹화 모형과 비교하여 최대 3.1°C 낮게 나타났다.일사량이 상대적으로 적은 29일을 제외하고, 모든 측정일에서는 일중 최대 일사량이 나타나는 15시에서 19시 사이에 비녹화 모형에 비해 녹화 모형의 실내온도가 약 3°C 낮게 나타났다.
식재 종류에 따른 축소모형의 온도 변화
식재 종류별 축소모형의 온열환경변화 및 식재주변부 온도 분포를 조사하기 위하여, 애기기린초 실험구를 해체하고 맥문동으로 교체를 한 후 관수를 1회 실시하였다. 생육 안정이 확인되는 7일이 경과한 다음 측정을 실시하였다. 측정된 외기 온도와 축소모형 지붕표면과 실내온도의 차를 모두 더한 값을 전체 측정시간으로 나누어 식재 종류와 축소모형간의 상대비교를 실시하였다.
녹화 식재로 애기기린초가 이용되었을 때, 비녹화 모형과 녹화 모형의 일중 실내온도변화는 11시에 외기 온도는 26.4°C이였고, 두 모형의 실내온도는 동일하게 25.4°C에서 서서히 증가하여, 17시에는 비녹화와 녹화 모형의 실내온도는 각각 31.9°C, 30.1°C로 1.8°C의 차이가 나타났다. 맥문동이 녹화식물로 식재된 축소모형의 일중 실내온도변화는 12시에 외기 온도는 24.9°C이고, 13시에 두 축소모형의 실내온도는 23.5°C로 동일하게 나타났다. 16시에는 비녹화와 녹화 축소모형의 실내온도는 각각 27.8°C, 27.0°C로 0.8°C의 차이가 나타났다.
Figure 9는 애기기린초와 맥문동 식재시 축소모형의 옥상 표면과 외기의 온도차를 나타낸다. 애기기린초와 맥문동이 식재된 녹화 축소모형에서의 지붕표면과 외기의 온도차는 각각 0.28°C/s, 0.31°C/s로 나타났다. 비녹화 모형에서는 각각 1.45°C/s, 1.24°C/s의 온도차가 나타났다. 같은 기간에 비녹화와 녹화 모형의 온도차를 비교하였을 때, 맥문동에 비해 0.05°C/s로 온도차가 높게 나타난 애기기린초가 식재된 녹화 모형의 지붕단열성능이 더 우수한 것으로 나타났다.
Figure 10는 애기기린초와 맥문동 식재시 녹화 축소모형의 실내와 외기의 온도차를 나타낸다. 애기기린초가 식재된 모형의 실내와 외기의 온도차는 1.56°C/s로 나타났고, 맥문동의 경우 1.49°C/s로 애기기린초에 비해 0.07°C/s 낮게 나타났다. 지붕단열성이 좋은 애기기린초가 맥문동에 비해 실내온도를 유지시킴으로써, 주간에 실내 온도를 더 저감시키는 것으로 나타났다.
식재 종류에 따른 식재주변부 온열환경
Figure 11는 애기기린초의 상부, 중부, 하부 높이에 표면과 지붕면과 토양표면온도의 변화를 나타낸다. 11시부터 17시까지 외기온도가 25.6°C에서 31.6°C로 변동(fluxation)이 심하게 나타남에 따라 식물 높이에 따른 표면온도도 심한 변동이 나타났다. 식물 높이에 따라서 표면온도가 높게 나타나는 경향을 보였다. 식물 상부표면온도는 최대 40.3°C까지 상승하였고, 중부는 최대 35.5°C까지 상승하였다. 애기기린초의 상부와 하부 표면온도차는 최대 5.9°C로 나타났고, 평균 식물표면과 토양표면의 온도차는 최대 4.8°C로 나타났다. 녹화 축소 모형의 지붕표면온도는 일중 평균 23.7°C이고, 표준편차는 1.7°C로 나타났다. 지붕표면온도는 11시에 25.6°C에서 17시에 28.1°C까지 증가한 후, 3시에는 22.4°C로 하강하였다.
Figure 12는 맥문동의 상부, 중부, 하부 높이에 표면과 지붕면과 토양표면온도의 변화를 나타낸다. 애기기린초와 마찬가지로 11시부터 15시까지 외기온도는 24.9°C에서 31.8°C 사이에 심한 변동이 있었을 때, 식물 높이에 따른 맥문동의 표면온도도 심한 변동이 나타났다. 애기기린초에 비하여 수고가 높은 맥문동의 높이에 따른 온도차는 9.4°C로 애기기린초에 비해 4.6°C만큼 높았다. 하지만 식물평균 표면과 토양표면의 온도차는 2.8°C로 맥문동이 2.0°C 낮게 나타났다. 녹화 모형의 지붕표면온도는 11시에 23.7°C에서 17시에 25.5°C까지 증가한 후, 3시에는 21.4°C로 하강하였다. 지붕표면온도는 평균 23.9°C이고 표준편차는 1.2°C로 나타났다.
Figure 13-14는 애기기린초와 맥문동의 상부, 중부, 하부 높이에 표면과 지붕면과 토양표면의 상대습도의 변화를 나타낸다. 각 측정점에서의 상대습도는 온도에 반비례하여 나타났다. 직접적인 일사의 영향이 적은 지붕표면을 제외하고 주간 일사에 의한 외기온도가 최고일 때 애기기린초는 토양표면의 상대습도가 평균 84.4%, 표준편차 16.6%롤 전체적으로 가장 높게 나타났고, 맥문동은 식물 하부에서 상대습도가 평균 87.1%, 표준편차 6.3%로 가장 높게 나타났다.
일사차단이 없어 온도가 가장 높고, 외기와 접한 공기의 혼합이 용이한 두 녹화식물의 상부의 상대습도가 모두 낮게 나타났다. 애기기린초는 일중온도가 높은 시간대에서 식물 상부의 상대습도가 21.2%로 가장 낮게 나타났고, 이때 식물 하부는 29.0%, 식물 중부는 42.3%, 토양표면은 46.1%로 나타났다. 맥문동은 식물의 상부의 상대습도가 최저 32.6%로 나타났고, 이때 식물 중부가 35.1%, 토양표면이 60.0%, 식물 하부가 66.5%로 나타났다.
일몰이 시작되는 7시경부터 토양표면과 식물의 중부의 상대습도는 100%까지 증가한다. 이때 애기기린초의 하부의 상대습도는 83.0%를 유지하고, 맥문동은 85.0%에서 68.0%로 17.0%의 감소가 나타났다. 이는 식물 잎의 군락에 의한 외기와의 접촉이 적은 중부에 비하여, 엽밀도가 작은 식물 하부에는 큰 공극사이로 상대적으로 열용량이 큰 토양에 남아있는 주간 복사열과 주위 공기가 잘 혼합되어 노점온도 이하로 떨어지지 않도록 열이 공급되었기 때문이라고 사료된다.
결 론
본 연구는 BIVS가 건물의 온열환경 개선에 미치는 영향을 평가하여 국내에 적합한 BIVS의 개발에 필요한 기초데이터 확보를 위해 축소 모형을 제작하고 녹화시스템을 설치한 후 식재 수종 차이에 따른 축소 모형 내·외부의 온열환경 변화를 비교하였다.
(1)녹화유무에 따라 지붕표면온도는 구름이 없는 맑은 날에 최대 13.7°C 차이가 나타났다. 이때 비녹화와 비교하여 녹화 축소 모형의 실내온도는 최대 3.1°C 낮게 나타났다. 하지만 구름이 상대적으로 많아 일사량이 적은 날은 그 온도차가 적게 나타나, 일사가 강하고 운량이 적은 지역일수록 BIVS가 냉난방부하를 보다 크게 저감시켜 에너지절약에 더욱 유리할 것으로 사료된다. 일사가 약하고 운량이 많을 지역에 설치되는 BIVS의 예상되는 성능 감소를 보완하기 위해서는 토심를 증가시켜 단열성능을 강화하거나, 녹화식물이 식재되는 유닛형 모듈의 구조적, 열적 성능 개선이 필요하고, 향후 도시의 높은 건물 또는 대규모 시설물에 의한 일조방해를 고려하여 금낭화, 뱀고사리, 꽃무릇 등과 같은 깊은 토심에서 잘 자라고, 음지 또는 반음지에서 생육이 강한 식물에 대한 온도저감효과를 검토하여 녹화건물의 향, 부위에 따라 다양한 종이 서식하여 다채로운 경관을 조성할 수 있도록 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
(2)수종에 따른 녹화건물 축소 모형의 열적성능을 살펴본 결과, 상대적으로 생육발달이 좋은 애기기린초가 LAI가 높아 토양지표면의 87.3%를 피복하였다. 맥문동의 LAI는 애기기린초에 비해 0.138이 낮아 맥문동의 잎 사이로 광 투과율이 높게 나타나 일사에 대한 차폐 효과가 낮아 평균 식물표면과 토양표면 온도 편차가 크게 나타났다. 그 결과, 애기기린초의 평균 식물표면과 토양표면의 온도차는 최대 4.8°C로 맥문동보다 2°C 높아서, 열 차단에 보다 효과적으로 나타났다. 실내온도 저감효과에 있어 애기기린초가 실내외 온도차가 주간에는 3.5°C, 야간에는 6.1°C로 옥상녹화 식물로서 더 효과적으로 나타났다.
(3)본 연구는 BIVS에서 녹화식물부의 단열성능을 확인하기 위하여 일반 건물에 사용되는 단열재의 영향을 배제하기 위하여 단열재를 설치하지 않아 축소 모형의 옥상부를 제외한 벽체, 바닥면을 통한 열의 출입을 살펴본 결과, 벽체는 최대 3°C, 바닥은 평균 0.1°C~ 1.5°C범위로 녹화 식물의 상대 비교를 통한 온열특성 파악에 무리가 없는 것으로 나타났다.
친환경 건축을 실현하기 위해 건물녹화를 통하여 냉·난방부하를 내려 에너지 절약을 위한 최적 시스템의 구축을 위해서는 최적의 녹화식물 선택과 그에 맞는 토양과 건물 구조체 보호를 위한 옥상부 표면의 방습성능의 강화가 우선적으로 고려되어져야 하겠다. 본 연구는 건물녹화시스템에서 옥상부만 식재를 실시한 채 진행되었으나, 향후 수직녹화에 대한 건물에너지 저감 성능데이터를 확보하는 연구를 추가하여 BIVS에 대한 전체적인 열적 성능 검토가 필요하다고 사료된다.
