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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 대구시의 동성로를 대상으로 공공디자인 개선사업에 따른 여름철 가로공간의 쾌적성에 영향을 미치는 열환경 개선효과를 가로조성요소별로 비교·평가하고자 하였으며, 이를 바탕으로 향후 보다 쾌적하고 걷고 싶은 도시가로공간을 조성하는데 유용한 기초자료를 제시하고자 하는데 연구의 목적을 두었다.
- 특히 가로구간 내에 기존의 불투성 도로포장재(아스팔트, 석재)를 걷어내고 기능성블록재료(점토)로 교체하여 미관성을 개선하였다. 아울러 사업 전 가로 구간에 전무하였던 가로 수를 가로중앙에 배식하여 그늘이 조성되게 함으로서 보행자들에게 쾌적성을 제공하고자 하였다.
- 3에서 보는 바와 같이 시간대별로 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다. 또한 각 조건단계별 표면재료의 특성에 따른 축열효과가 다름을 알 수 있으며 이로부터 야간시간대의 열섬효과에 미치는 영향정도를 파악할 수 있다. 이는 앞에서 고찰한 3차원 전표면온도 분포와 MRT 분포결과와 유사한 형태를 보이고 있다.
- 본 연구에서는 대구시의 동성로를 대상으로 공공디자인 개선사업에 따른 여름철 가로공간의 쾌적성에 영향을 미치는 열환경 개선효과에 대하여 계획적 요소별로 비교·평가하기 위해 3D 열환경 시뮬레이션을 실시하였으며 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
가설 설정
- 본 연구에서는 도시 열환경의 요인으로 알려져 있는 토지피복과 에너지 소비 중에서 인간 활동에 필요한 에너지 소비는 동일한 것으로 가정하고, 토지피복이 열환경에 미치는 영향을 주요인으로 고려하여 분석하였다. 연구대상지는 공공디자인개선사업이 시행된 대구시 동성로 일대 가운데 특히 시민들의 이용성이 높은 구간인 대구백화점 앞의 동성로 마당부터 퓨전골목까지로 선정하였다.
제안 방법
- 주요 사업내용은 가로 조명, 가로 시설물(의자, 안내표식), 거리쉼터, 가로수 식재 및 이벤트마당조성 등으로 되어있다. 특히 가로구간 내에 기존의 불투성 도로포장재(아스팔트, 석재)를 걷어내고 기능성블록재료(점토)로 교체하여 미관성을 개선하였다. 아울러 사업 전 가로 구간에 전무하였던 가로 수를 가로중앙에 배식하여 그늘이 조성되게 함으로서 보행자들에게 쾌적성을 제공하고자 하였다.
- 열환경 개선효과의 비교ㆍ분석은 공공디자인개선 사업 이전과 이후 및 친환경요소의 추가 등의 3단계로 구분하여 실시하였다. 각 비교단계별 가로구성요소에 대한 내용은 Table 1에서 보는바와 같다.
- 0은 열섬현상이나 생활환경에 영향을 미치는 건물 및 지표면의 표면온도를 산출하고 그것을 가시화하는 열환경 분석 툴로서, 열환경을 고려한 환경계획의 실현 및 평가가 가능하다. 시뮬레이션 과정은 먼저 1:1,000 수치지도와 사례대상지 공공디 자인 개선사업 계획도를 토대로 하여 3D기반 건물 정보(층수, 면적) 및 지표면 정보(차도, 보도)를 추출하였고, 고해상도 위성영상과 현지조사를 통하여 벽면ㆍ옥상의 표면재료, 개구부재료, 녹지 정보를 추출하였다. 추출된 정보를 바탕으로 범용 3D CAD 프로그램인 Vector-Works를 이용하여 지표면기반 3D 데이터를 작성한 후 Thermo-Render 3.
- 시뮬레이션 기준일은 공공디자인개선사업이 시행된 2008년 8월 2일을 기준으로 하였다. 시뮬레이션의 기초 입력 기상자료로서는 대구기상대의 자료를 활용 하여 Table 2와 같이 기준일의 시간대별 기압, 기온, 습도, 풍향, 풍속, 일조시간, 전천일사량 등을 입력하였다.
- 이러한 선행연구에서 밝혀진 바와 같이 도시공간에서의 열환경은 토지피복형태와 유형 등에 의해서 영향을 많이 받는 것으로 나타나고 있다. 따라서 본 연구에서도 선행연구들을 통해 검증된 3차원 열환경 시뮬레이션 모델인 Thermo-Render 를 이용하여 열환경 개선효과를 전표면온도, MRT, HIP 등의 3가지평가요소별로 비교ㆍ분석하였다.
- 표면온도를 산출하기 위해서는 표면의 열 수지 계산을 실시해야 한다. 열수지 계산은 건물의 3D 모델을 질점(質點)메시화한 후에 건물위치정보, 태양 위치정보, 기상조건, 건축재료, 건축재료의 열물성치를 고려하여 건물과 옥외공간의 전표면 열수지를 계산한다. 본 연구에서는 선행연구(박, 2007)의 값을 기준으로 Table 3과 같이 구성재료의 열물성치를 설정 하였다.
- 다음으로는 각 시뮬레이션 조건 단계별 표면재료의 열섬잠재성효과의 지속성을 알아보기 위하여 일출시간(06:00)에 있어서의 각 시뮬레이션 조건 단계별 HIP수치가 동일하게 나타나는 오후시간대 시점을 비교하여 보았다. 06:00시에 각 단계별 HIP수치는 2.
- 시뮬레이션 과정은 먼저 1:1,000 수치지도와 사례대상지 공공디 자인 개선사업 계획도를 토대로 하여 3D기반 건물 정보(층수, 면적) 및 지표면 정보(차도, 보도)를 추출하였고, 고해상도 위성영상과 현지조사를 통하여 벽면ㆍ옥상의 표면재료, 개구부재료, 녹지 정보를 추출하였다. 추출된 정보를 바탕으로 범용 3D CAD 프로그램인 Vector-Works를 이용하여 지표면기반 3D 데이터를 작성한 후 Thermo-Render 3.0을 이용하여 3D 열환경 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 이에 따라 최근 도시별로 걷고 싶은 가로를 조성하기 위한 사업에 대한 필요성이 점차 증대되고 있는 가운데 가장 대표적인 사업이 가로공간에 공공디자인개념을 도입하여 가로공간환경을 개선하는 것이다. 대구시에서도 대표적인 도심가로인 동성로를 대상으로 공공디자인 개선사업을 2008년 8월부터 2009년 1월까지 시행하였다. 공공디자인 사업의 목표는 동성로의 정체성확보와 보행자 중심의 시민 보행권을 확보하고 특색 있고 활기차며 쾌적한 도심 가로공간으로 조성하는데 두었다.
- 본 연구에서는 도시 열환경의 요인으로 알려져 있는 토지피복과 에너지 소비 중에서 인간 활동에 필요한 에너지 소비는 동일한 것으로 가정하고, 토지피복이 열환경에 미치는 영향을 주요인으로 고려하여 분석하였다. 연구대상지는 공공디자인개선사업이 시행된 대구시 동성로 일대 가운데 특히 시민들의 이용성이 높은 구간인 대구백화점 앞의 동성로 마당부터 퓨전골목까지로 선정하였다.
- 시뮬레이션 기준일은 공공디자인개선사업이 시행된 2008년 8월 2일을 기준으로 하였다. 시뮬레이션의 기초 입력 기상자료로서는 대구기상대의 자료를 활용 하여 Table 2와 같이 기준일의 시간대별 기압, 기온, 습도, 풍향, 풍속, 일조시간, 전천일사량 등을 입력하였다.
이론/모형
- 열환경 변화분석은 3D-CAD 기반 열환경 시뮬레이션 프로그램인 Thermo-Render 3.0을 이용하였다. Thermo-Render 3.
성능/효과
- 佐藤 등(2004) 은 시가지의 전표면온도분포를 평가하고 녹지의 열환경 조절효과에 대하여 해석하였다. 그 결과 건물 높이나 형상, 위치에 따라 표면온도분포에 큰 차이가 있는 것으로 나타났으며, 열섬잠재성을 저감하기 위해서는 건물 형태에 관한 검토도 필요하다고 제시하였다. 또한 佐藤 등(2008)은 일본 도쿄도(東京) 미나토구(港區) 미나미아오야마지구(南靑山地區)를 대상으로 ThermoRender를 이용하여 현상과 녹화계획안의 전표면온도 분포를 산출하였으며, 그 결과 녹지의 현열부하 억제 효과를 정량적으로 제시하였다.
- 열섬잠재성 지표인 HIP는 건축물이나 지면 등 전 표면으로부터 발생하는 현열의 면적에 대한 비율을 나타내며, 대상지의 열섬현상으로의 영향도를 지표면 온도로 환산한 온열지표이다. 즉, HIP 수치가 클수록 표면온도와 기온의 차가 크다는 것을 의미하고 열섬현상의 원인이 되는 대기 방출 현열이 많다는 것을 나타낸다. 통상적으로 HIP가 0℃일 때 열섬잠재성이 없는 것으로 해석되며, 높은 HIP 수치를 보일수록 열섬 잠재성이 높고, 낮은 수치일수록 열환경에 긍정적 영향을 미치는 것으로 해석된다.
- 즉, HIP 수치가 클수록 표면온도와 기온의 차가 크다는 것을 의미하고 열섬현상의 원인이 되는 대기 방출 현열이 많다는 것을 나타낸다. 통상적으로 HIP가 0℃일 때 열섬잠재성이 없는 것으로 해석되며, 높은 HIP 수치를 보일수록 열섬 잠재성이 높고, 낮은 수치일수록 열환경에 긍정적 영향을 미치는 것으로 해석된다. HIP는 다음과 같이 정의된다.
- 8℃ 더 낮아지는 효과가 있음을 보여주고 있다. 전체적으로는 공공디자인개선사업이전 온도와 비교해 볼 때 친환경 요소 추가에 의해 6.2℃의 온도하강 효과가 있는 것으로 나타는데. 이는 열전달이 낮은 친환경요소로 인하여 전체적인 전표면온도가 낮아졌기 때문인 것으로 분석된다.
- 6℃이다. 그리고 일일 간 전표면온도의 최저와 최고치의 차이에 있어서도 의미있는 차이가 있는 것으로 나타났다. 즉, 공공디자인개선사업 이전은 27.
- 그러나 13:00시의 경우에서는 각 시뮬레이션 조건 단계별로 MRT분포가 매우 큰 차이를 보이고 있음을알 수 있다. 즉, 공공디자인개선사업 전과 후의 경우에 있어서 가로와 인접한 건물에서의 MRT수치가 거의 동일하게 매우 높게 나타나고 있는 반면에 공공디자인개선사업에 의해 투수성 포장재와 식재를 추가로 실시한 가로공간의 MRT수치가 낮음을 알 수 있다.
- 그리고 공공디자인 개선사업 후 와 친환경요소추가에서 있어서 같은 가로공간이라 하더라도 기능성점토포장재와 식재가 상대적으로 적게 차지하는 공연무대지대에서의 MRT수치가 거의 동일하게 높은 것으로 나타났다. 이는 부분적이라 하더라도 포장재료와 수목 등에 따라 열환경 발생이 영향을 받게 되고 차이 (냉섬효과)를 보이게 된다는 것을 보여주고 있다.
- 17:00시에서는 태양일사량 감소로 인하여 건물옥상부분을 제외하고 전체적으로 MRT수치상 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 각 시간대별 MRT 분포결과를 비교해 볼 때 13:00시에서의 차이가 가장 크다는 것을 알 수 있다.
- 17:00시에서는 태양일사량 감소로 인하여 건물옥상부분을 제외하고 전체적으로 MRT수치상 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 각 시간대별 MRT 분포결과를 비교해 볼 때 13:00시에서의 차이가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 또한 시뮬레이션 조건 단계별 결과에서도 친환경요소추가시의 MRT수치가 다른 조건에 비해서 시간대별로 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다.
- 각 시간대별 MRT 분포결과를 비교해 볼 때 13:00시에서의 차이가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 또한 시뮬레이션 조건 단계별 결과에서도 친환경요소추가시의 MRT수치가 다른 조건에 비해서 시간대별로 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 적극적인 친환경요소의 추가가 태양일사량이 가장 높은 시간대에 있어서 열환경 개선에 보다 효과적이라는 것을 보여주고 있다.
- 또한 시뮬레이션 조건 단계별 결과에서도 친환경요소추가시의 MRT수치가 다른 조건에 비해서 시간대별로 큰 차이를 보이지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 적극적인 친환경요소의 추가가 태양일사량이 가장 높은 시간대에 있어서 열환경 개선에 보다 효과적이라는 것을 보여주고 있다.
- 사례대상지의 시뮬레이션 조건 단계별 열섬잠재성 지표인 HIP의 일변화에 대한 결과는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 시간대별로 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다. 또한 각 조건단계별 표면재료의 특성에 따른 축열효과가 다름을 알 수 있으며 이로부터 야간시간대의 열섬효과에 미치는 영향정도를 파악할 수 있다.
- 16℃의 격차를 나타내었다. 각 시뮬레이션 조건 단계별로 동일한 시간대에 최저와 최고의 HIP 수치를 보이고 있는데, 최저 HIP수치편차(2.32℃, 03:00시) 보다는 최고 수치에서의 편차(5.38℃, 12:00)가 더 크게 나타났다. 이는 친환경요소추가에 따른 열섬잠재성감소효과가 일사량이 많을수록 더 크게 영향을 미친다는 것을 의미한다.
- 또한 HIP수치는 건물과 지표면의 축열효과에 의해 형성된다는 선행연구결과(윤과 정, 2008)와도 같은 관련성을 보여주고 있다. 따라서 기능성점토포장, 옥상녹화, 수목과 같은 보다 적극적인 친환경요소도입이 건물과 지표면의 축열효과를 저감시키는데 효과적이 다는 것을 알 수 있으며, 친환경요소의 추가는 열섬잠재성을 낮추어서 열섬현상을 완화시킬 수 있다는 것을 나타낸다.
- 첫째, 3차원 전표면온도 분포를 비교·평가한 결과, 공공디자인 개선사업 이전에 비해 개선사업 이후와 친환경요소 추가 후의 전표면온도가 상대적으로 낮아졌다.
- 이는 열반사율이 상대적으로 낮고 열 전달율이 높은 콘크리트와 아스팔트가 태양 에너지를 흡수하고 저장하는 능력이 뛰어나 오랜 시간동안 높은 온도를 유지하기 때문인 것으로 분석된다. 반면에 열전달율이 낮은 기능성 점토블럭과 수목 및 옥상녹화로 인한 냉섬효과는 건물과 가로지표면을 냉각하는데 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 둘째, MRT분포에 대한 분석 결과에 있어서도 공공디자인 개선사업 이전에 비해 개선사업 이후와 친환경요소 추가 후의 MRT수치가 낮게 나타났다. 개선사업 이전에는 복사열이 많은 피복재료로 인해 MRT수치가 높게 나타났으나, 친환경요소 추가 후에는 복사열이 적은 피복재료가 주를 이루고 있어 MRT수치가 낮게 나타난 것으로 분석되었다.
- 셋째, 열섬잠재성을 나타내는 HIP수치의 경우 공공디자인 개선사업 이전의 열섬잠재성이 가장 높은 것으로 나타났으며, 이들 열섬잠재성은 일몰 이후에도 높게 유지되고 야간시간대에도 냉각효과가 크지 않아 열섬현상을 발생시키는 원인으로 작용하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 옥상녹화로 인한 건축물의 축열효과 저감은 HIP수치에 많은 영향을 미친 것으로 분석되어 옥상녹화가 도시열섬현상을 완화하는데 큰 효과가 있을 것으로 사료된다.
- 끝으로 본 연구를 통하여 가로공간의 열환경 개선 효과에 대한 정량적이며 가시적인 비교․평가를 위한 시뮬레이션프로그램 활용의 유용성을 확인할 수 있었다. 이는 가로공간개선과 이와 유사한 분야의 계획 및 설계과정에 열환경 개선효과를 사전 검증해 보는데 충분히 유용할 것으로 판단된다.
후속연구
- 공공디자인 개선사업을 통해 가로공간의 물리적, 경관적 개선효과는 관찰되고 있으나 특히 여름철에 시민들이 쾌적하게 이용할 수 있는 여건의 조성과 이에 따른 개선효과가 어떻게 나타날 수 있는가에 대한 평가가 필요한 실정이다. 이러한 평가를 통해 향후 보다 효과적인 가로공간의 공공디자인 개선사업을 위한 근거자료를 마련할 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 대구시의 동성로를 대상으로 공공디자인 개선사업에 따른 여름철 가로공간의 쾌적성에 영향을 미치는 열환경 개선효과를 가로조성요소별로 비교·평가하고자 하였으며, 이를 바탕으로 향후 보다 쾌적하고 걷고 싶은 도시가로공간을 조성하는데 유용한 기초자료를 제시하고자 하는데 연구의 목적을 두었다.
- 셋째, 열섬잠재성을 나타내는 HIP수치의 경우 공공디자인 개선사업 이전의 열섬잠재성이 가장 높은 것으로 나타났으며, 이들 열섬잠재성은 일몰 이후에도 높게 유지되고 야간시간대에도 냉각효과가 크지 않아 열섬현상을 발생시키는 원인으로 작용하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 옥상녹화로 인한 건축물의 축열효과 저감은 HIP수치에 많은 영향을 미친 것으로 분석되어 옥상녹화가 도시열섬현상을 완화하는데 큰 효과가 있을 것으로 사료된다. 따라서 열섬현상을 개선하기 위해서는 계획적으로 열섬잠재성을 높이지 않는 재료선택과 배치 등을 고려하여 총체적인 축열효과를 감소시켜야 할 것으로 판단된다.
- 특히, 옥상녹화로 인한 건축물의 축열효과 저감은 HIP수치에 많은 영향을 미친 것으로 분석되어 옥상녹화가 도시열섬현상을 완화하는데 큰 효과가 있을 것으로 사료된다. 따라서 열섬현상을 개선하기 위해서는 계획적으로 열섬잠재성을 높이지 않는 재료선택과 배치 등을 고려하여 총체적인 축열효과를 감소시켜야 할 것으로 판단된다.
- 끝으로 본 연구를 통하여 가로공간의 열환경 개선 효과에 대한 정량적이며 가시적인 비교․평가를 위한 시뮬레이션프로그램 활용의 유용성을 확인할 수 있었다. 이는 가로공간개선과 이와 유사한 분야의 계획 및 설계과정에 열환경 개선효과를 사전 검증해 보는데 충분히 유용할 것으로 판단된다. 그러나 보다 세밀하고 최적화된 분석결과도출을 위해 실측 모니터링을 통한 시뮬레이션프로그램운영의 최적화에 대한 다양한 사례연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.
- 이는 가로공간개선과 이와 유사한 분야의 계획 및 설계과정에 열환경 개선효과를 사전 검증해 보는데 충분히 유용할 것으로 판단된다. 그러나 보다 세밀하고 최적화된 분석결과도출을 위해 실측 모니터링을 통한 시뮬레이션프로그램운영의 최적화에 대한 다양한 사례연구가 지속적으로 수행되어야 할 것으로 사료된다.
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