[논문]건물과 녹지배치가 외부 열환경 변화에 미치는 영향 분석

손원득; 최현상; 최영식

문제 정의

본 연구는 단일 건축배치를 대상으로 한 결과이다. 향후 건축물의 배치와 녹지의 배치를 다양한 조건으로 설정하여 연구가 진행된다면, 건축물 및 도시화에 따른 외부 열환경을 최소화 할 수 있을 것이다.
본 연구에서 도시지역의 건축물 신축 및 녹지배치에 따른 외부 열환경 변화 분석을 통해 도심내 열섬 저감 방안을 도출하고자 하였다. 이를 위하여 연구대상지인 경기도 서남부지역의 공동주택을 사례로 4가지의 해석조건에 따른 기상 및 열환경 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 건물과 녹지의 배치에 따른 외부 열환경 변화를 분석하고자, 건축물 신축전의 기상요인과 신축후의 기상요인을 비교하였다. 이 때 녹지 조건에 따른 외부 열환경 변화 요인도 분석하였다.
본 연구에서는 계절별 기상특성을 고려하지 않고 도심열섬에 가장 영향이 큰 하절기를 대상으로 분석지점별 일평균 온도, 절대습도, 풍속의 변화를 예측하였다.
한편, 이 연구의 목적은 향후 도시 열섬저감을 위한 기초자료로 활용하고자 한 것이다.

가설 설정

해석조건은 Table 1에서처럼 건축물 신축 전후의 바람길 변화, 건물 신축전, 건물 신축후(녹지공간을 계획하지 않은 경우), 건물 신축후(녹지공간이 계획된 경우) 등 총 4가지 case로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에 적용한 시뮬레이션의 경계조건은 수원기상대의 10년(2000～2009)간의 기상청 자료를 인용하여 ECOTECT Analysis 2010를 통한 단지 내외부 국소지역의 일사량을 계산하여 적용하였다(Fig.1참조).
단지의 모델링은 주변 지형을 고려한 실제 단지와 유사하게 모델링 하였으며, 실제 단지 녹지율을 그대로 반영하였다. 아울러 복사와 대류를 고려하여 시뮬레이션을 실시하였다.
본 연구에서는 건물과 녹지의 배치에 따른 외부 열환경 변화를 분석하고자, 건축물 신축전의 기상요인과 신축후의 기상요인을 비교하였다. 이 때 녹지 조건에 따른 외부 열환경 변화 요인도 분석하였다.
본 연구에서 도시지역의 건축물 신축 및 녹지배치에 따른 외부 열환경 변화 분석을 통해 도심내 열섬 저감 방안을 도출하고자 하였다. 이를 위하여 연구대상지인 경기도 서남부지역의 공동주택을 사례로 4가지의 해석조건에 따른 기상 및 열환경 변화를 분석하였다.

대상 데이터

대상지역의 기상조건 분석을 통해 최근의 온난화 현상을 분석하기 위하여 1971년～2000년까지 30년간의 평년값과 최근 10년(1999년～2008년)을 조사하였으며, 본 분석에는 기후자료로 최근 10년 평년값을 사용하였다.
본 연구는 건축물의 신축에 따른 외부 열환경 변화를 예측하고자 수도권(수원지역)에 위치한 공동주택단지 1개소를 대상으로 하였다.
분석지점 설정은 음영영향, 녹지배치 위치등을 고려하여 외부 열환경을 대표할 수 있는 지점 10개소를 설정하였다.

데이터처리

7은 해석조건별로 온도 및 바람의 변화예측에 대한 시뮬레이션을 실시한 것이다. 해석은 높이를 고려하여 CASE별 해석높이를 고려하여 분석하였다.

이론/모형

단지 내 외부의 열환경 해석을 하기위하여 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법을 이용하였으며 주변 지형을 고려한 전체 공간을 약 120만개의 Trimmed mesh로 구성하였다(Fig.2참조).

성능/효과

30년간의 대상지역 기상데이터를 분석한 결과 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 평균온도는 11.6℃, 평균풍속 1.6m/s, 평균 상대습도 72.2%로 나타났으며, 이를 최근 10년간의 기상자료와 비교한 평균기온은 0.6℃, 평균풍속은 약 0.3m/s정도 높아진 것으로 나타났다.
6g/kg` 낮았다. CASE 4는 CASE 2 대비 주야간 평균습도 차이는 주간 0.7g/kg` 야간 0.4g/kg`이었고 최대습도 차이는 주간 1.0g/kg` 야간 0.5g/kg`로 약간 높게 나타나 단지 내 녹지공간의 증발냉각효과가 인체온열감의 불쾌적 지수를 개선하는 것으로 나타났다.
건물 신축 후 평가 대상지의 풍속은 주 동후면에 풍속 저하역이 발생하나 최소풍속이 0.4m/s이상 유지되어 기류가 오랜 시간 정체하지 않은 것으로 예측되며, 단지 중앙에 넓은 광장이 형성되어 있고 주풍향인 서측의 주 동간 이동거리가 넓어 바람장애가 없는 양호한 바람길이 형성되는 것으로 나타났다.
건물 신축이후(녹지가 없는 경우)(CASE 3)의 일평균 온도 분석결과, 주간(06:00～20:00) 평균온도 27.6℃, 야간(20:00～익일 06:00) 평균온도 24.6℃, 일평균 26.1℃로, CASE 2에 비하여 각각 주간 2.8℃, 야간 2.2℃, 일간 2.5℃ 높게 나타났다. 이는 콘크리트 구조체의 일사 축열후 야간방사에 의한 온도상승이 주요 원인인 것으로 사료된다.
대상지역의 평균 풍속은 1.8m/s로 나타나 건물 신축 전 대비 약 0.5m/s 저감하는 것으로
나타나 건물 신축 후에 풍속저하 영향은 미미할 것으로 판단되었다.
분석점에서 해석조건별, 시간별 습도비교를 실시한 결과 CASE 3은 CASE 2에 비하여 주야간 평균습도 차이는 주간 2.5g/kg`, 야간 2.0g/kg`이고 최대습도 차이는 주간 2.8g/kg`, 야간 2.3g/kg` 높게 발생하여 인체온열감 불쾌적 지수를 높이는 것으로 나타났다.
습도의 경우 절대습도를 예측하였으며, 예측 결과 주간 13.3g/kg`, 야간 13.9g/kg`, 일평균 13.6g/kg`로 나타났다. 일평균 절대습도를 상대습도로 환산 시 76.
시뮬레이션에 사용된 최근 10년간의 기상조건은 Fig.4에 나타낸 바와 같이 연평균 기온 12.4℃, 연평균 풍속 1.9m/s, 연평균 상대습도는 65.7%로 나타났다. 또한 연간 주 풍향은 서풍으로 계절별로 봄ㆍ여름에는 서풍, 가을ㆍ겨울에는 서북서풍으로 나타나 하절기 주야간의 열섬현상 영향을 검토하기 위해 여름철 서풍을 주 풍향으로 사용하였다.
외부 열환경 평가를 하기 위하여 10개의 분석점별, 시간별에 대한 온도비교를 실시한 결과 CASE 3은 CASE 2에 비해 주야간 평균온도 차이는 주간 2.8℃, 야간 2.2℃이었고 최대로 주간은 3.1℃, 야간은 2.5℃ 높게 발생하여 열섬강도가 높은 것으로 나타났으며, CASE 4는 CASE 3에 비하여 주야간 평균온도 차이는 주간 1.9℃, 야간 1.8℃이고 최대로 주간 2.1℃, 야간 1.8℃ 낮고, CASE 2에 비해 평균온도 차이는 주간 0.9℃, 야간 0.4℃이고, 최대온도 차이는 주간 1.3℃, 야간 0.7℃로 약간 높게 나타나 단지 내 녹지공간의 증발냉각효과가 열섬강도를 낮추는 것으로 나타났다.
6g/kg`로 나타났다. 일평균 절대습도를 상대습도로 환산 시 76.3%이며 수원지역 하절기 평균상대습도 75.8%와는 0.5%의 미미한 차이를 보여 수원지역 평균과 유사하게 나타났다.
절대습도는 주간 14.0g/kg`, 야간 14.3g/kg`, 일평균 14.1g/kg`로, CASE 3에 비하여 주간
1.8g/kg`, 야간 1.7g/kg`, 일간 1.7g/kg` 낮게 나타나 인체온열감의 불쾌적 요인이 개선된 것으로 판단되었다. 풍속은 녹지가 없는 경우와 동일하였다.
절대습도는 주간 15.8g/kg`, 야간 15.9g/kg`, 일평균 15.9g/kg`로 주야간 구분이 거의 없고 CASE 2에 비해 주간 2.5g/kg`, 야간 2.0g/kg`, 일간 2.5g/kg` 높게 나타나 인체 온열감의 불쾌적 요인이 증가하는 것으로 나타났다.
주간의 평균풍속은 2.7m/s, 야간의 평균풍속은 1.7m/s로 나타났으며, 수원기상대 하절기 (6월～8월) 주야간 평균값과는 각각 0.4m/s, 0.3m/s의 차이를 보여 풍속 역시 수원지역 하절기 평균풍속과 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.
평가대상지의 건물 신축 전후와 녹지공간의 유무를 대상으로 열섬 현상 영향에 대하여 검토한 결과, 건물 신축 후 녹지가 없는 상태에서는 열환경 변화가 예측되었으나 단지 내 녹지계획 시에는 열섬 현상이 신축전 현황과 유사한 것으로 나타나 도심내 녹지의 배치가 열섬에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있었다.
평가대상지의 건축물 신축 전후와 녹지공간의 유무에 따른 외부 열환경 변화를 검토한 결과 건축물 신축 후 기존 나대지(자연) 상태에 비하여 외부 열환경 변화가 예측되었다. 그러나 건축물 배치와 녹지 배치를 함께 고려한 결과, 외부 열환경 변화가 크게 없는 것으로 분석되었다.
풍속비교 결과 CASE 3은 CASE 2에 비해 주야간 평균풍속 차이는 주간 0.6m/s 야간 0.3m/s이고 최대풍속 차이는 주간 0.8m/s 야간 0.4m/s로 풍속변화는 미미하여 열섬현상에 큰 영향이 없는 것으로 나타났으며 CASE 3과 CASE 4는 풍속이 동일하였다.

후속연구

본 연구는 단일 건축배치를 대상으로 한 결과이다. 향후 건축물의 배치와 녹지의 배치를 다양한 조건으로 설정하여 연구가 진행된다면, 건축물 및 도시화에 따른 외부 열환경을 최소화 할 수 있을 것이다. 또한 녹지면적 뿐만 아니라 녹지의 양적 인자도 함께 고려되어져야 할 것으로 생각한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물의 외부 열환경에 영향을 미치는 기후 인자는 무엇인가?	일반적으로 건물의 외부 열환경에 영향을 미치는 기후 인자는 기온ㆍ습도ㆍ일조ㆍ일사ㆍ운량(雲量)ㆍ강우량ㆍ풍향ㆍ풍속 등이 있으며 이러한 기후요소는 위도ㆍ지형ㆍ해류와 같은 천문지리학적인 요인과 대기환류ㆍ기압ㆍ기단과 같은 기상학적인 요인 그리고 식재ㆍ인공구조물ㆍ지표면의 상태와 같은 물리적 환경요인에 의해 영향을 받는다.
	도심과 단지내 열섬효과에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?	도심과 단지내 열섬효과(heat island)에 영향을 미치는 요인은 알베도(Albedo)의 영향, 식재 및 수공간의 영향, 건축물 배치에 대한 영향 등으로 요약될 수 있다.3)
	이상기상의 빈번한 발생의 예로는 어떤 것이 있는가?	아프리카를 비롯한 일부 지역에서는 계속되는 가뭄에 따른 식량부족과 식수오염으로 인하여 기근과 질병이 심각하다. 또한 미국과 유럽 등 다른 지역에서도 폭설, 폭우 등의 현상이 과거보다 자주 발생하여 막대한 경제적 피해뿐 아니라 인명피해도 속출하고 있다. 문제는 이러한 온난화가 수천수만 년에 걸쳐서 진행되는 변화가 아니고, 진행방향이 주기적이 아니며, 진행속도가 매우 빠르다는 점이다.

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