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문제 정의
- 본 연구의 목적은 옥상녹화 조건에 따른 온도 저감 효과를 분석하는 것이다. 특히 이를 위해서 토심, 토질, 모듈사용여부, 식생 등에 변화를 두어 유형별로 실험구를 조성하였으며 실험구 토양 표면, 토양속, 바닥면과 건물내 천장면을 대상으로 온도변화를 측정하였다.
제안 방법
- 각 실험구 마다 토양표면, 토양속, 바닥면 3 곳씩 27 곳과 콘크리트 바닥표면온도 1 곳 옥상녹화 실험구 밑 천장면과 옥상녹화 실험구가 없는 곳 밑 천장면의 온도를 1 곳씩 측정하였다. 실험구 30 곳의 온도는 ℃로 표시하였다(그림 1).
- 그림 11은 세 번째 실험구를 대상으로 토양표면, 토양속, 바닥표면, 천장면과 일반천장면 콘크리트 바닥면의 온도를 종합적으로 비교분석 하였다. 그 결과 실험구 밑의 천장면 온도는 실험구의 모든 온도가 올라가고 있을 때에도 안정적으로 온도를 유지하는 것을 알 수 있으며 최고온도는 31.
- 6℃로 가장 높았던 8월 6일을 선정하였고 시간대는 낮 시간 중 가장 온도가 상승했을 때인 11시에서 15시 사이로 잡았다. 둘째, 하루 중 가장 높은 온도를 보였던 시간대인 14시를 기준으로 데이터를 재구성하였다.
- 모듈 유무에 따른 변화를 분석하기 위해서 펄라 이트 10cm에 기린초를 식재한 실험구와 Msoil-10 10cm에 기린초를 식재한 실험구 각각에 모듈 사용 유무에 따른 변화를 분석하였다. 모듈에 변화를 준 실험구들 간의 온도의 차이는 0.
- 모듈 유무에 따른 변화를 분석하기 위해서 펄라 이트 10cm에 기린초를 식재한 실험구와 Msoil-10 10cm에 기린초를 식재한 실험구 각각에 모듈 사용 유무에 따른 변화를 분석하였다. 모듈에 변화를 준 실험구들 간의 온도의 차이는 0.
- 토질에 있어 변수는 펄라이트 100%와 에코앤바이오(주)에서 개발한 펄라이트：버미큘라이트：피트모스(3：1：1) 비율로 만들어진 M-soil 두 가지로 설정하였다. 모듈사용여부에 있어 변수는 옥상녹화 일체형 모듈을 사용한 경우와 배수판과 부직포를 사용한 두 가지로 설정하였다. 식생의 종류는 잔디, 세덤, 초화류, 세덤&초화류, 무식생의 다섯 가지로 설정하였다.
- 식생변수에 따른 변화를 분석하기 위해서 Msoil-10 10cm와 모듈을 사용한 실험구를 대상으로 식생이 없을 경우, 잔디, 세덤, 기린초+세덤으로 구분하여 비교하였다. 식생이 없는 실험구와 식생이 있어도 기린초뿐인 실험구의 온도는 비슷하게 측정되었다.
- 그림 12. 실험구 토양표면온도와 콘크리트 바닥표면온도 월간 비교도.
- 그림 21. 실험구(N3), 일반콘크리트옥상 바닥표면, 건물내 천장온도 비교도.
- 일일 데이터 분석의 경우 해당일의 날씨 등의 요인으로 데이터의 신뢰성이 떨어질 수 있으므로 월간 데이터를 대상으로 분석을 하여 신뢰성을 높이고자 하였다(그림 12). 맑고 기온이 높게 올라간 날에는 콘크리트 바닥표면의 온도가 모든 다른 측정온도보다 항상 높게 나타났다.
- 그림 2. 토양표면온도와 바닥표면온도 비교도.
- 토심에 있어 변수는 10cm와 20cm 두 가지로 설정하였다. 토질에 있어 변수는 펄라이트 100%와 에코앤바이오(주)에서 개발한 펄라이트：버미큘라이트：피트모스(3：1：1) 비율로 만들어진 M-soil 두 가지로 설정하였다. 모듈사용여부에 있어 변수는 옥상녹화 일체형 모듈을 사용한 경우와 배수판과 부직포를 사용한 두 가지로 설정하였다.
- 본 연구의 목적은 옥상녹화 조건에 따른 온도 저감 효과를 분석하는 것이다. 특히 이를 위해서 토심, 토질, 모듈사용여부, 식생 등에 변화를 두어 유형별로 실험구를 조성하였으며 실험구 토양 표면, 토양속, 바닥면과 건물내 천장면을 대상으로 온도변화를 측정하였다.
대상 데이터
- 옥상녹화 실험구의 각 단위 모듈 면적은 ‘50cm(폭)×50cm(길이)×13cm(높이)’이다. 각각의 실험 구에 단위 모듈을 16개씩 사용하였다. 토양은 펄라이트 100%와 Msoil-10을 사용하였고 토심은 10 cm와 20 cm로 조성하였다.
- 서울대 농업생명과학대학동 9층 옥상에 9개 실험구를 설치하고 요코가와 데이터 로거(MV112)로 30곳의 온도를 동시에 측정하였다. 데이터 측정은 2005년 8월 1일부터 현재까지 이루어지고 있으나 본 연구에서는 8월 6일부터 8월 29일까지의 약 한달 간의 자료를 이용하였다.
- 서울대 농업생명과학대학동 9층 옥상에 9개 실험구를 설치하고 요코가와 데이터 로거(MV112)로 30곳의 온도를 동시에 측정하였다. 데이터 측정은 2005년 8월 1일부터 현재까지 이루어지고 있으나 본 연구에서는 8월 6일부터 8월 29일까지의 약 한달 간의 자료를 이용하였다.
- 토양은 펄라이트 100%와 Msoil-10을 사용하였고 토심은 10 cm와 20 cm로 조성하였다. 식재종은 잔디, 기린초, 분홍세덤, 돌나물을 사용하였고 모듈을 사용한 실험구와 기존 옥상녹화 방법인 배수판을 사용한 곳으로 나누었다(표 1).
- 실험구 데이터 분석을 위해 첫째, 기준일은 콘크리트 바닥표면온도(N10S)가 50.6℃로 가장 높았던 8월 6일을 선정하였고 시간대는 낮 시간 중 가장 온도가 상승했을 때인 11시에서 15시 사이로 잡았다. 둘째, 하루 중 가장 높은 온도를 보였던 시간대인 14시를 기준으로 데이터를 재구성하였다.
- 식생의 종류는 잔디, 세덤, 초화류, 세덤&초화류, 무식생의 다섯 가지로 설정하였다. 실험구는 총 9개를 설치하였다.
- 이러한 관련 논문을 토대로 본 연구에서는 실험을 위한 녹화 유형별 변화 인자로 토심, 토질, 모듈사용여부, 식생을 선정하였다. 토심에 있어 변수는 10cm와 20cm 두 가지로 설정하였다.
- 각각의 실험 구에 단위 모듈을 16개씩 사용하였다. 토양은 펄라이트 100%와 Msoil-10을 사용하였고 토심은 10 cm와 20 cm로 조성하였다. 식재종은 잔디, 기린초, 분홍세덤, 돌나물을 사용하였고 모듈을 사용한 실험구와 기존 옥상녹화 방법인 배수판을 사용한 곳으로 나누었다(표 1).
성능/효과
- 식재 없이 토양만을 부설한 실험구인 1번 실험구도 온도 저감에 있어 비교적 효과적인 것으로 분석된다. 1번 실험구의 토양표면과 바닥면의 온도 저감 효과는 다른 실험구과 비교하여 비슷한 효과를 보이거나 차이가 그다지 크지 않았지만 토양속의 온도는 다른 실험구와 비교했을 때 일반적으로 가장 높은 온도를 보여주었다.
- 8월 6일에서 8월 29일 사이의 기간동안 실험구 토양표면온도끼리의 비교에 있어 Msoil-10 10cm에 세덤과 모듈을 사용한 5번 실험구와 펄라이트 10cm에 초화류와 모듈을 사용한 8번 실험구는 7번의 가장 낮은 온도를 보여주었고 Msoil-10 10cm에 모듈을 사용한 무식재 1번 실험구도 6번의 가장 낮은 온도를 보여주었다. Msoil-10 10cm에 세덤+초화류와 모듈을 사용한 7번 실험구는 13번의 가장 높은 온도를 보여주었고 Msoil-10 10cm에 초화류와 배수판 & 부직포를 사용한 3번째 실험구는 9번의 가장 높은 온도를 보여주었다.
- 8월 6일에서 8월 29일 사이의 기간동안 실험구 토양표면온도끼리의 비교에 있어 Msoil-10 10cm에 세덤과 모듈을 사용한 5번 실험구와 펄라이트 10cm에 초화류와 모듈을 사용한 8번 실험구는 7번의 가장 낮은 온도를 보여주었고 Msoil-10 10cm에 모듈을 사용한 무식재 1번 실험구도 6번의 가장 낮은 온도를 보여주었다. Msoil-10 10cm에 세덤+초화류와 모듈을 사용한 7번 실험구는 13번의 가장 높은 온도를 보여주었고 Msoil-10 10cm에 초화류와 배수판 & 부직포를 사용한 3번째 실험구는 9번의 가장 높은 온도를 보여주었다. 모든 실험구 토양표면온도는 콘크리트 바닥표면온도보다 항상 낮은 수치를 보여주었다.
- 피도가 높고 식물이 조밀하게 식재되어 있는 돌나물+분홍세덤, 잔디, 돌나물+기린초에서는 식생이 없거나 피도가 낮은 실험구보다 평균적으로 1~2℃정도 낮은 온도를 보여주어 식생변수에 따른 실험구에서는 일일 변화가 월간 변화와 거의 차이가 없었다. 결론적으로 피도가 높고 식생이 다양한 실험구일 수록 온도저감 효과가 더 좋은 것으로 판단된다(그림 17, 그림 18).
- 그림 11은 세 번째 실험구를 대상으로 토양표면, 토양속, 바닥표면, 천장면과 일반천장면 콘크리트 바닥면의 온도를 종합적으로 비교분석 하였다. 그 결과 실험구 밑의 천장면 온도는 실험구의 모든 온도가 올라가고 있을 때에도 안정적으로 온도를 유지하는 것을 알 수 있으며 최고온도는 31.6℃를 보여준다. 그에 반해 실험구가 없는 곳 밑의 천장면 온도는 11시부터 15시까지 항상 실험구 토양속과 바닥표면온도보다 높은 수치를 보여주었으며 최고온도는 34.
- 식생이 없는 실험구와 식생이 있어도 기린초뿐인 실험구의 온도는 비슷하게 측정되었다. 기린초만 심겨진 실험구는 실험구를 조성한지 한달밖에 되지 않아 충분히 자라지 못해 그 효과가 높지 않은 것으로 나타났다. 그러나 피도가 높고 식물이 조밀하게 식재되어 있는 돌나물+분홍세덤, 잔디, 돌나물+기린초에서는 식생이 없거나 피도가 낮은 실험구보다 평균적으로 1~2℃정도 낮은 온도를 보여주어 온도저감효과가 더 좋은 것으로 판단된다(그림 7, 그림 8).
- 셋째, 토양만을 부설한 실험구보다는 돌나물, 분홍세덤, 기린초 등의 식생을 다양하게 첨가하여 피도를 높인 실험구가 온도저감효과가 더욱 높았다. 넷째, 모듈변수에 따른 온도의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 다섯째, 옥상녹화 실험구 밑의 천장면 온도가 실험구가 없는 곳 밑의 천장면 온도보다 낮게 나타남으로써 옥상녹화가 열 유동량을 줄여주어 단열재 역할도 하는 것으로 판단된다.
- 넷째, 모듈변수에 따른 온도의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 다섯째, 옥상녹화 실험구 밑의 천장면 온도가 실험구가 없는 곳 밑의 천장면 온도보다 낮게 나타남으로써 옥상녹화가 열 유동량을 줄여주어 단열재 역할도 하는 것으로 판단된다.
- 다음의 기린초와 모듈을 사용하지 않고 배수판, 부직포를 사용한 토양만을 변수로 한 실험구를 대상으로 한 월간 변화에서는 일일변화와 다르게 2, 3번 실험구의 펄라이트 10cm와 Msoil-10 10cm의 비교에서 평균 온도가 0.1℃정도로 거의 차이가 없는 것으로 분석되었다. 따라서 장기간에 걸쳐 안정적으로 온도를 저감시키는데 있어서는 펄라이트와 Msoil-10 모두 비슷한 효과를 보이고 있다.
- 첫째, 모든 실험구에서 온도저감효과가 확인되었으며 식재 없이 토양만 존재하여도 토양수분의 증발작용에 의해 5℃정도 온도저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 둘째, 펄라이트 토양보다는 인공혼합토인 M-soil이 온도 저감효과가 좋았으며 토양심도 10cm인 실험구보다 토양수분을 더 많이 함유할 수 있어 지속적인 온도저감을 이끌어 낼 수 있는 토양심도 20cm인 실험구가 장기적인 관점에서 온도저감효과가 더좋은 것으로 나타났다. 셋째, 토양만을 부설한 실험구보다는 돌나물, 분홍세덤, 기린초 등의 식생을 다양하게 첨가하여 피도를 높인 실험구가 온도저감효과가 더욱 높았다.
- 식물은 일반 옥상면보다 태양열을 적게 복사 및 반사한다는 것을 확인하였다. 또한 토양만 부설해도 토양수분의 증발작용에 의해 온도가 저감되나 식생을 첨가하면 온도 저감효과를 더 높일 수 있었다. 식물을 조밀하게 식재하여 피도를 높이면 높일수록 녹음과 증산작용 광합성 작용에 의해온도 저감과 안정적인 온도 유지를 이끌어낼 수 있다.
- Msoil-10 10cm에 세덤+초화류와 모듈을 사용한 7번 실험구는 13번의 가장 높은 온도를 보여주었고 Msoil-10 10cm에 초화류와 배수판 & 부직포를 사용한 3번째 실험구는 9번의 가장 높은 온도를 보여주었다. 모든 실험구 토양표면온도는 콘크리트 바닥표면온도보다 항상 낮은 수치를 보여주었다. 이와 같이 직사광선을 직접 받을 수 있는 토양표면에서도 토양과 식생에 의한 온도 저감효과를 확인할 수 있었다.
- 본 연구의 분석결과 옥상녹화지가 일반 콘크리트 옥상보다 온도를 저감시킬 수 있으며 안정적으로 유지시킬 수 있는 이유는 식물이 만드는 녹음과 증산작용 그리고 광합성 작용에 따라 온도 저감이 일어나기 때문인 것으로 보인다. 또한 토양수분의 증발에 의한 온도유지도 녹화지의 온도를 안정적으로 유지하게 하는 하나의 이유이다.
- 둘째, 펄라이트 토양보다는 인공혼합토인 M-soil이 온도 저감효과가 좋았으며 토양심도 10cm인 실험구보다 토양수분을 더 많이 함유할 수 있어 지속적인 온도저감을 이끌어 낼 수 있는 토양심도 20cm인 실험구가 장기적인 관점에서 온도저감효과가 더좋은 것으로 나타났다. 셋째, 토양만을 부설한 실험구보다는 돌나물, 분홍세덤, 기린초 등의 식생을 다양하게 첨가하여 피도를 높인 실험구가 온도저감효과가 더욱 높았다. 넷째, 모듈변수에 따른 온도의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- (2003)의 연구에서도 식물에 의해 만들어진 그늘 아래에서 측정된 표면온도는 일반 옥상 바닥 면에서 측정된 표면온도보다 낮게 나타났으며 그 차이는 약 30℃까지 되었다. 습윤한 토양은 온종일 옥상 표면 온도를 추가적으로 감소시킬 수 있게 해주며 한낮동안 태양열을 차단하는 역할을 하는 것으로 나타났다.
- 열전도율은 일반 옥상 바닥 면이 식재되거나 토양이 있는 옥상 면보다 훨씬 높게 나타났다. 식물은 일반 옥상면보다 태양열을 적게 복사 및 반사한다는 것을 확인하였다. 또한 토양만 부설해도 토양수분의 증발작용에 의해 온도가 저감되나 식생을 첨가하면 온도 저감효과를 더 높일 수 있었다.
- 식재 없이 토양만을 부설한 실험구인 1번 실험구도 온도 저감에 있어 비교적 효과적인 것으로 분석된다. 1번 실험구의 토양표면과 바닥면의 온도 저감 효과는 다른 실험구과 비교하여 비슷한 효과를 보이거나 차이가 그다지 크지 않았지만 토양속의 온도는 다른 실험구와 비교했을 때 일반적으로 가장 높은 온도를 보여주었다.
- 실험구 토양표면온도 중 최저온도와 최고온도의 차이가 가장 많이 났던 Msoil-10 10cm에 세덤+초화류와 모듈을 사용한 7번째 실험구는 8.4℃의 차이를 나타냈으며 차이가 가장 적게났던 Msoil-10 10cm에 잔디와 모듈을 사용한 6번째 실험구는 3.7℃의 차이를 보였다. 실험구 전체의 최저온도와 최고온도의 차이의 평균은 5.
- 맑고 기온이 높게 올라간 날에는 콘크리트 바닥표면의 온도가 모든 다른 측정온도보다 항상 높게 나타났다. 실험구의 토양표면, 토양속, 바닥표면의 온도는 일반적으로 토양표면이 가장 높게 나타났고 토양속은 토양표면보다 낮게 나타났으며 바닥표면은 토양속보다 더 낮은 온도를 보여주었다. 토양표면, 토양속, 바닥면 온도가 다른 실험구에 비해 가장 낮았던 경우가 제일 많은 실험구는 M-soil 10cm 토양을 부설한 모듈에 돌나물과 분홍세덤을 식재한 5번째 실험구였다.
- 열전도율은 일반 옥상 바닥 면이 식재되거나 토양이 있는 옥상 면보다 훨씬 높게 나타났다. 식물은 일반 옥상면보다 태양열을 적게 복사 및 반사한다는 것을 확인하였다.
- 7℃로 나타났다. 이를 통하여 실험구 바닥면이 가장 온도 변화가 적다는 것을 알 수 있었다. 실험구 밑 천장면의 최고온도는 31.
- 이와 같이 본 연구를 통하여 옥상녹화에 따른 온도저감 효과를 확인할 수 있었으며 옥상녹화의 종류별, 식재된 수목별, 피도별, 토심별로 온도저감효과가 다르다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 향후 건물 조건에 따라 온도저감효과를 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 옥상녹화의 유형별 실험구에 따라 온도저감효과를 측정한 결과 다음과 같은 몇 가지 결론을 토출해 낼 수 있었다. 첫째, 모든 실험구에서 온도저감효과가 확인되었으며 식재 없이 토양만 존재하여도 토양수분의 증발작용에 의해 5℃정도 온도저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 둘째, 펄라이트 토양보다는 인공혼합토인 M-soil이 온도 저감효과가 좋았으며 토양심도 10cm인 실험구보다 토양수분을 더 많이 함유할 수 있어 지속적인 온도저감을 이끌어 낼 수 있는 토양심도 20cm인 실험구가 장기적인 관점에서 온도저감효과가 더좋은 것으로 나타났다.
- 다음의 온도 변화폭은 8월 6일부터 8월 29일까지 24일간의 오후 2시의 최고와 최저 온도의 차이의 변화폭을 나타낸 것이다. 콘크리트 바닥표면온도의 변화폭은 10.1℃, 토양표면 온도변화폭의 평균은 5.7℃, 토양속 온도변화폭의 평균은 3.2℃, 실험구 바닥면 온도변화폭의 평균은 2.7℃로 나타났다. 이를 통하여 실험구 바닥면이 가장 온도 변화가 적다는 것을 알 수 있었다.
- 토양변수외의 같은 식생과 모듈을 사용한 실험구를 대상으로 토심 10cm, 20cm 차이에 따른 비교분석, 토양 종류인 M-soil과 펄라이트와의 비교분석을 실시한 결과 펄라이트 10cm 실험구를 M-soil-10 10cm와 20cm 실험구와 비교했을 때 평균적으로 4℃ 정도 차이가 나 펄라이트 10cm보다는 Msoil-10 10cm나 20cm가 온도 저감 효과가 더 좋았다. 그러나 Msoil-10 10cm와 20cm의 차이는 거의 없었다(그림 3, 그림 4).
- 토양변수외의 같은 식생과 모듈을 사용한 실험구를 대상으로 토심 10cm, 20cm 차이에 따른 비교분석, 토양 종류인 Msoil과 펄라이트와의 비교분석을 실시한 결과 일간 변화에서는 Msoil-10 10cm와 20cm의 온도 차이가 거의 나타나지 않았으나 월간 변화에서는 Msoil-10 20cm가 10cm 보다 평균 1.6℃정도 차이를 보여주고 있어 장기간에서는 토심이 깊은 M-soil 20cm가 10cm나 펄라이트 10cm보다 온도저감 효율이 더 좋은 것으로 판단된다(그림 13, 그림 14).
- 식물을 조밀하게 식재하여 피도를 높이면 높일수록 녹음과 증산작용 광합성 작용에 의해온도 저감과 안정적인 온도 유지를 이끌어낼 수 있다. 특히 토양 심도가 깊으면 깊을수록 우수를 함유할 수 있는 양이 많아져 여름철 장기간 비가 오지 않더라도 토양이 가지고 있던 수분이 증발 되면서 온도를 지속적으로 저감시켜 줄 수 있기 때문에 토양 심도가 깊을수록 여름철 온도 저감을 안정적으로 이끌어 낼 수 있을 것으로 판단되며 20cm 이상의 토심은 식물 생육에도 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 이와 관련되어 Karen Liu and John Minor(2005)의 연구결과에서도 일년 동안의 모니터링 결과 옥상녹화는 95%의 열을 얻고 23%의 열을 잃은 것으로 나타났다.
- 식생변수에 따른 변화를 분석하기 위해서 Msoil-10 10cm와 모듈을 사용한 실험구를 대상으로 식생이 없을 경우, 잔디, 세덤, 기린초+세덤으로 구분하여 비교하였다. 피도가 높고 식물이 조밀하게 식재되어 있는 돌나물+분홍세덤, 잔디, 돌나물+기린초에서는 식생이 없거나 피도가 낮은 실험구보다 평균적으로 1~2℃정도 낮은 온도를 보여주어 식생변수에 따른 실험구에서는 일일 변화가 월간 변화와 거의 차이가 없었다. 결론적으로 피도가 높고 식생이 다양한 실험구일 수록 온도저감 효과가 더 좋은 것으로 판단된다(그림 17, 그림 18).
후속연구
- 이와 같이 본 연구를 통하여 옥상녹화에 따른 온도저감 효과를 확인할 수 있었으며 옥상녹화의 종류별, 식재된 수목별, 피도별, 토심별로 온도저감효과가 다르다는 것을 알 수 있었다. 그러므로 향후 건물 조건에 따라 온도저감효과를 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 녹화지가 건물 내로의 열의 유입을 막아 여름철엔 건물내 온도를 낮추고 겨울철엔 온도를 높이게 되어 냉․난방비를 절감시킬 수 있을 것으로 예상된다. 또한 옥상면의 직사광선 등의 직접적인 노출을 막음으로써 건물의 내구연수를 늘릴 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과로 미루어볼 때 옥상녹화는 미 기후완화, 쾌적한 휴식공간으로서의 온도저감과 함께 열유량을 낮추어주는 단열재의 역할을 함으로써 건물내부의 온도까지도 낮추어줄 수 있으며 이것은 단위 건물의 에너지 소비감소로 이어지게 만들 수 있을 것이다. 옥상녹화시 토양을 부설하는 것만으로도 온도를 일정부분 저감할 수 있지만 토양심도를 20cm 이상으로 조성하고 식생을 첨가하면 더 높은 온도 저감 효율을 기대할 수있으며 나아가서 피도를 높이고 다양한 식생을 조성한다면 안정적인 온도저감효과를 가져올 수 있을 것으로 판단된다.
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