[논문]바람통로 예측모델링을 통한 바람통로 계획전략 - 성남판교 신도시 개발지구를 중심으로 -

황기현; 송영배

문제 정의

이러한 측면에서 본 연구는 성남 판교 신도시 개발 후, 도시지역의 환기능력 감소로 인해 유발될 수 있는 기후부담과 악화될 수 있는 국지적 및 개별 건축물의 환기 성능의 개선, 도시지역의 기후부담 저감을 위한 바람통로 분석과 바람통로 예측 모델링을 수행하며, 신도시 계획시 기후개선 기법을 제시하고 지구단위 계획 시 활용할 수 있는 자료를 제시하고자 한다.
차고 신선한 공기의 이동경로는 신선한 공기의 생성지역으로부터 유입된 공기를 신선한 공기의 수혜부, 즉 효과를 나타낼 수 있는 건축지역까지 이송시키는 것을 목적으로 한다. 따라서 신선한 공기의 이동경로는 하부지역으로의 신선한 공기의 이송을 원활하게 할 수 있도록 조성되어야 하며, 지형지물에 의한 이동경로의 변경이나 차단 또는 정체를 일으키지 않도록 해야 한다.

가설 설정

- 소용돌이에 의한 신선한 공기의 흐름방해와 정체 및 와류현상을 방지하기 위하여 “井”, “C”자 형의 폐쇄형 배치를 지양한다.
- 신선한 공기의 집중지역과 연결된 유입지역은 신선한 공기의 유입이 원활하도록 건축물 및 식생을깔때기형 또는 이와 유사한 형태로 배치한다.
설정하였다. 바람장 수치모델링의 수행은 연구대상지의 주풍향인 서남서풍과 산곡풍이 불 경우를 가정한 남풍으로 정하였으며, 풍속은 2m/s와 0.5m/s로 각각 설정하였다.
따라서 그림 5에서와 같이 9개의 일시적 기상관측지역에 대한 분석자료를 종합하여 차고 신선한 공기가 불어오는 방향과 그 지역을 중심으로 냉기류의 유입경로를 작성하였다. 이때, 지형이나 지물 등에 의한 냉기류 이동에 특별한 경로변화가 없다는 점을 가정하여 바람통로를 분석 및 제시하였다.

제안 방법

건축물 배치(안)에 대한 샘플링 및 미세규모 바람 장 분석 평가는 판교동 운중로 부근의 지역을 선정하였다 (그림 1 참조). 위 지역의 지형은 동서방향의 운중로에수직으로 광교산 자락의 작은 골짜기가 운중로와 수직하게 발달되어 있다.
건축물의 배치는 바람장 분석과 환기성능을 분석하기 위해 기존의 분당신도시 지역을 모방하여 가상적으로 배치하였다. 배치유형은 폐쇄형, 반폐쇄형 및 개방형의 공동주택 및 4층 규모의 학교와 공공시설 4층 규모의 연립주택과 2층 규모의 단독주택도 배치하였다.
기상관측망의 구성이 필수적이다. 그러나 본 연구에서 설치한 상시기상관측장비는 2곳으로서 바람 장수치 모델링 결과를 검증하기에는 매우 부족하며, 따라서 선행연구(부경온 등, 2000; BaumueRer, 1997) 등을 통해 얻은 연구결과에 대한 예측 신뢰성을 전제로 연구를 수행하였다. 또한 바람장 수치모델링 프로그램의 활용과 관련하여 입력자료 및 기타 입력변수가 수치모델링 결과에 미치는 변수별 중요도 및 민감성과 모델링 정확도나 오류의 범위에 대해서는 Sievers and Zdun- kowski(1986) 및 Sievers(1995)에서 제시된 바 있으며, 추후 연구에서는 바람장 수치모델링 결과에 대한 검증연구가 필요하다고 판단된다.
연구 대상지에 대한 기후특성을 파악하기 위해 2개의 고정 기상관측장비(AWS)를 설치하여 상시관측을 수행하였으며. 대상지는 기후톱 및 지형특성을 고려하여 9개 지점을 선정하여 지점별로 일시적 관측을 수행하였으며, 이 관측을 통해 지역적인 바람의 영향이 없거나 미약할 경우에 관측 가능한 열적 및 동적 대류에 의한 풍향 및 풍속을 측정하였다⁶⁾.
이는 전적으로 지형의 경사 에너지에 의존하게 된다. 따라서 그림 5에서와 같이 9개의 일시적 기상관측지역에 대한 분석자료를 종합하여 차고 신선한 공기가 불어오는 방향과 그 지역을 중심으로 냉기류의 유입경로를 작성하였다. 이때, 지형이나 지물 등에 의한 냉기류 이동에 특별한 경로변화가 없다는 점을 가정하여 바람통로를 분석 및 제시하였다.
어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 외국 및 국내의 사례에서 적용된 바 있는 독일 기상청에서 개발한 바람장 수치모델링 프로그램인 MUKLIMO_ 3(Sievers, 2(X)2)를 활용하여 영향분석 및 예측을 수행하였다.
지형자료는 대상지의 수치지도(국립지리원 1:5, 000)를이용하여 고도자료를 추출하였으며, 표면거칠기는 토지 이용현황도(국립지리원 1: 25,000)를 바탕으로 Hei- mann(1985)의 토지이용유형별 표면거칠기를 사용하였다. 또한 개발 후의 바람장 변화를 시뮬레이션하기 위해 신도시 개발을 위한 토지 이용계획(안)(한국토지공사, 2003)을 바탕으로 입력자료를 작성하였으며, 주요 관찰지점은 개발전 이동관측을 실시한 지점을 기준으로 하였다. 풍향과 풍속자료는 연구대상지에서 고정관측망을 통해 2002년 8월부터 2003년 3월까지 관측된 평균 풍향 및 풍속자료로서, 주풍향은 고정 관측망에서 관측된 풍향 및 풍속 분석결과를 바탕으로 서남서 (WSW), 북서(NW), 남서(SW)를 주풍향으로 설정하였으며, 이외에도 이동관측 결과 도출된 주풍향은 추가로 고려하였다 (표 1 참조)9).
바람의 국지순환체계를 파악하기 위해 장기 고정관측과 일시적 고정관측을 수행하였다. 연구 대상지에 대한 기후특성을 파악하기 위해 2개의 고정 기상관측장비(AWS)를 설치하여 상시관측을 수행하였으며.
일시적 고정관측을 수행하였다. 연구 대상지에 대한 기후특성을 파악하기 위해 2개의 고정 기상관측장비(AWS)를 설치하여 상시관측을 수행하였으며. 대상지는 기후톱 및 지형특성을 고려하여 9개 지점을 선정하여 지점별로 일시적 관측을 수행하였으며, 이 관측을 통해 지역적인 바람의 영향이 없거나 미약할 경우에 관측 가능한 열적 및 동적 대류에 의한 풍향 및 풍속을 측정하였다⁶⁾.
. 풍속 측정 및 분석결과를 바탕으로 지역적인 바람의 영향을 받지 않는 무풍상태 또는 역전층이 형성될 경우, 산곡풍, 사면풍 및 평야풍에 의한 냉기류(차고 신선한 공기)의 이동경로로서, AWS를 이용한 9개 지점의 이동기상관측을 통해 도출되었으며, 국지기상관측 결과에 따라 주변의 기후생태적 우선지역으로부터 발생하는 풍속 0.4m/s 이하의 냉기류 이동통로를 도출하여 도면에 제시하였다. 이는 AWS 이동관측지점을 중심으로 소규모 기후권(기후톱, dimatope)으로 분류하고, 이들 각 기후권에서의 찬공기의 생성지역, 유입지역, 공기교환지역을 고려하여 미세규모에서의 바람 통로이다 (그림 5 참조).
또한 개발 후의 바람장 변화를 시뮬레이션하기 위해 신도시 개발을 위한 토지 이용계획(안)(한국토지공사, 2003)을 바탕으로 입력자료를 작성하였으며, 주요 관찰지점은 개발전 이동관측을 실시한 지점을 기준으로 하였다. 풍향과 풍속자료는 연구대상지에서 고정관측망을 통해 2002년 8월부터 2003년 3월까지 관측된 평균 풍향 및 풍속자료로서, 주풍향은 고정 관측망에서 관측된 풍향 및 풍속 분석결과를 바탕으로 서남서 (WSW), 북서(NW), 남서(SW)를 주풍향으로 설정하였으며, 이외에도 이동관측 결과 도출된 주풍향은 추가로 고려하였다 (표 1 참조)9). 풍속은 고정관측과 이동관측 결과의 평균풍속을 고려하여 2m/s로 하였으며, 바람장 시뮬레이션의 연직고도는 지상에서 1m 간격으로 설정 가능하며, 본 연구에서는 아파트 10층(32m) 높이를 예시로 설정하였다.

대상 데이터

대상지의 크기는 1km X 1km이며, 격자크기를 10m 로 설정하였다. 바람장 수치모델링의 수행은 연구대상지의 주풍향인 서남서풍과 산곡풍이 불 경우를 가정한 남풍으로 정하였으며, 풍속은 2m/s와 0.
(Oke, 1987 : 243). 따라서 본 연구에서는 바람장 수치 모델링을 위해 성남 판교 신도시 개발지구를 중심으로 대상지의 크기를 8km _X 8km, 격자 크기를 80m로 설정하였다.
풍향과 풍속자료는 연구대상지에서 고정관측망을 통해 2002년 8월부터 2003년 3월까지 관측된 평균 풍향 및 풍속자료로서, 주풍향은 고정 관측망에서 관측된 풍향 및 풍속 분석결과를 바탕으로 서남서 (WSW), 북서(NW), 남서(SW)를 주풍향으로 설정하였으며, 이외에도 이동관측 결과 도출된 주풍향은 추가로 고려하였다 (표 1 참조)9). 풍속은 고정관측과 이동관측 결과의 평균풍속을 고려하여 2m/s로 하였으며, 바람장 시뮬레이션의 연직고도는 지상에서 1m 간격으로 설정 가능하며, 본 연구에서는 아파트 10층(32m) 높이를 예시로 설정하였다.

이론/모형

있다. 지형자료는 대상지의 수치지도(국립지리원 1:5, 000)를이용하여 고도자료를 추출하였으며, 표면거칠기는 토지 이용현황도(국립지리원 1: 25,000)를 바탕으로 Hei- mann(1985)의 토지이용유형별 표면거칠기를 사용하였다. 또한 개발 후의 바람장 변화를 시뮬레이션하기 위해 신도시 개발을 위한 토지 이용계획(안)(한국토지공사, 2003)을 바탕으로 입력자료를 작성하였으며, 주요 관찰지점은 개발전 이동관측을 실시한 지점을 기준으로 하였다.

성능/효과

(2) 건축지역으로 확산된 신선한 공기를 이용하여 지역의 환기성능을 최대한 가동시킬 수 있는 건축물의 배치는 건축물, 혹은 단지의 일부분을 신선한 공기의 유통방향으로 개방함으로써 달성될 수 있다. 건축물과 건축물을 둘러싼 외부공간의 공기순환비율은 건축물간의 개방각, 개방넓이, 건축물의 배치유형에 따라 크게 변화될 수 있음으로 건축물의 배치에 대한 고려가 필요하며 기본적으로 낮은 용적율을 유지할 필요가 있다.
“T” 자형 이파트 건물의 경우 “ㄷ”자형에 비해 건물의 길이는 동일하나, 건물과 건물 사이로 바람이 통과할 수 있는 공간이 확보되어 있어 바람이 원활하게 통과할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 건물의 남측 면에서는 심한 와류 현상이 발생할 것으로 예측된다
또한 바람의 정체와 심한 와류현상이 발생하며, 건물의 모서리 부분에서 제트기류가 발생하는 것으로 나타났다. “口” 자형 아파트 구조와 배치의 경우 환기성능에 큰 장애를 일으킬 것으로 판단된다.
4 참조)(송영배, 2003a). 바람의 권역은 경부고속도로를 중심으로 서쪽에 위치한 판교동 일대는 청계산과 광교산이 골짜기를 형성하면서 산곡풍과 사면 풍이 지배적인 서풍이 매우 발달해 있으며, 경부고속도로의 동쪽인 삼평동 일대는 분당 신도시 지역과 함께 지역풍인 북서풍의 영향을 받고 있는 것으로 분석되었다.
분석결과 지역적인 바람의 영향이 없는 상태에서의 차고 신선한 공기(냉기류)의 이동은 사면풍과 산곡풍의 전형적인 현상으로서. 이는 전적으로 지형의 경사 에너지에 의존하게 된다.
분석결과에서 보여지는 바와 같이 바람이 약하게 불 경우, 폐쇄형 및 반폐쇄형의 아파트 구조에서는 바람이단지 내로 유입되거나 통과하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 바람의 방향과 수직으로 배치된 “-”자형 배치의 경우 1열에서는 와류에 의한 통풍이 가능하나, 2 열에서는 통풍이 되지 않는 것으로 분석되었다.
5m에서의 바람장 변화 시뮬레이션 결과이다. 분석결과에서 보여지는 바와 같이 아파트의 구조와 배치형태에 따라 바람장(풍향 . 풍속)이 다양하게 변화하는 현상을 볼 수 있다.
연구대상지에 대한 바람장 수치모델링 결과는 9개 지역에 대한 기상관측 자료의 분석을 통해 도출된 차고 신선한 공기의 이동경로 및 바람통로와는 달리, 표 1에서와 같이 성남판교지구의 주풍향인 서남서(248), 북서 (315) 및 남서(225)풍 등 7개의 주풍향 바람이 평균풍속 2.0m/s로 불 때를 각각의 입력자료로 하여 바람 장을 예측한 후, 각 결과를 종합하여 도출한 것이다. 따라서바람장 수치모델링 결과는 산곡풍, 사면풍 및 평야 풍과는 달리 성남 판교지역에 대한 지역적인 바람의 영향이 있을 경우를 가정한 것으로 저풍속 지역이나 정체 또는 와류가 생기는 지역의 경우 개발로 인해 도시의 환기 또는 통풍능력이 감소할 우려가 있는 지역이다.
연구대상지의 지배적인 풍향 하에서 전반적인 평균풍속은 1.5m/s 미만이며, 따라서 지역적인 바람의 영향을 받는 기상조건 하에서도 개발과 무관하게 다수저풍속 지역이 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 위의 저풍속 지역의 경우 개발에 따른 도시통풍 및 환기 능력이 감소할 것으로 판단되어 향후 지구단위계획 시 저풍속 지역에 대한 "기후생태적 우선지역"의 확보와 바람 통로계획에 입각한 단지설계가 요구된다
자형 폐쇄형 구조와 배치에 반해 인접한 “-”자형 아파트 배치에서는 45도 사선방향에서 불어오는 를 형성시켜 줌으로서 풍속은 감소하나 원활하게 통과 바람에 대해 바람의 흐름을 방해하기는 하나 바람통로 하는 것으로 나타났다.
자형의 구조와 배치에 비해 “口” 자형의 폐쇄형 아파트의 배치에서는 중정에서 초기 풍속의 1/5 이하로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 심지어 바람이 불지 않는 경우도 발생하는 것으로 예측되었다. 또한 바람의 정체와 심한 와류현상이 발생하며, 건물의 모서리 부분에서 제트기류가 발생하는 것으로 나타났다.
4m/s)까지 감소하는 것을 볼 수 있다. 풍향의 변화는 단지 내에서 수경 및 수직와류가 발생하며, 건물과 건물사이로 초기풍속의 1/2 수준의 제트기류가 발생할 것으로 예측되었으며, 또한 아파트 건물 사이로 바람통로가 확보 될 경우 바람에너지가 다시 회복되는 것으로 분석되었다.

후속연구

5m/s 미만이며, 따라서 지역적인 바람의 영향을 받는 기상조건 하에서도 개발과 무관하게 다수저풍속 지역이 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 위의 저풍속 지역의 경우 개발에 따른 도시통풍 및 환기 능력이 감소할 것으로 판단되어 향후 지구단위계획 시 저풍속 지역에 대한 "기후생태적 우선지역"의 확보와 바람 통로계획에 입각한 단지설계가 요구된다
그러나 조사 대상지를 포함하는 전지역에 대해 개발 전과 후의 바람장 분석을 통해 이동관측 결과와 비교분석을 수행함으로써 주풍향에 의한 바람통로의 파악이 가능하다고 판단되며, 스치모델링을 통해 조사 대상지에서 풍속이 약화되거나 정체되는 지역 및 풍향의 변화가 크게 발생하는 지역에 대한 파악과 향후 지구 단위 계획시 미기후 환경을 고려하도록 하기 위한 기초자료 제공이 가능하다고 판단된다.
그러나 본 연구에서 설치한 상시기상관측장비는 2곳으로서 바람 장수치 모델링 결과를 검증하기에는 매우 부족하며, 따라서 선행연구(부경온 등, 2000; BaumueRer, 1997) 등을 통해 얻은 연구결과에 대한 예측 신뢰성을 전제로 연구를 수행하였다. 또한 바람장 수치모델링 프로그램의 활용과 관련하여 입력자료 및 기타 입력변수가 수치모델링 결과에 미치는 변수별 중요도 및 민감성과 모델링 정확도나 오류의 범위에 대해서는 Sievers and Zdun- kowski(1986) 및 Sievers(1995)에서 제시된 바 있으며, 추후 연구에서는 바람장 수치모델링 결과에 대한 검증연구가 필요하다고 판단된다.
또한 현재의 토지피복 상태와 주풍향에서의 바람 통로를 연계하여 분석함으로써 기후생태적 우선 지역의 설정이 가능하며, 이로 인해 도시기후적으로 좋은 효과를 볼 수 있는 지역과 이와는 반대로 대기오염 물질 이주 풍향을 따라 이동함으로써 위해한 영향을 받는 지역에 대한 분석이 가능하다. 분석된 결과를 바탕으로 지구단위계획의 수립시 건축물의 향, 배치형태, 층고에 따른 국지적인 바람의 영향을 고려할 수 있을 것으로 판단된다 중 .
대한 분석이 가능하다. 분석된 결과를 바탕으로 지구단위계획의 수립시 건축물의 향, 배치형태, 층고에 따른 국지적인 바람의 영향을 고려할 수 있을 것으로 판단된다 중 . 장기적으로 개발에 따른 바람통로를 체계적으로 확보하기 위해서는 도시 미기후에 대한 도시기후감시예측 네트워크 및 정보시스템을 구축하여 사전환경성 검토시 바람환경에 대한 객관적인 사전평가가 이루어져야 할 것이다.
이를 통하여 도시외곽지역의 새로운 개발로 기후부담이 예상되는 지역과 이미 상당한 개발로 기후부담을 안고 있는 지역에 대한 재개발시 바람에 대한 영향평가가 가능하며, 그 결과를 건축물의 배치 등 도시설계에 반영시킬 수 있을 것으로 예상된다.
향후 연구에서는 바람장과 바람통로 수치모델링 프로그램의 주요 변수에 대한 민감£, 정확도 및 오차에 관한 사항 등이 실측을 통해 보다 구체적으로 제시되어야 할 것으로 판단되며, 이를 바탕으로 한 수치모델링 프로그램의 개량과 다양한 적용사례에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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바람통로 예측모델링을 통한 바람통로 계획전략 - 성남판교 신도시 개발지구를 중심으로 -
Air Corridor Planning Strategy based on the Wind Field and Air Corridor Simulation - A Case Study of Pan-Gyo New Town Development Area - 원문보기

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