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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 인천광역시 소재 학교 옥외공간 중학생들의 휴식 및 활동량이 가장 많고, 높은 열과 낮은 열을 가지는 운동장과 녹지공간을 대상으로 열적 쾌적성 지표중 인건의 착의량, 대상량, 지구의 평균복사온도, 풍속 등의 요인을 반영한 지표인 PMV와 UTCI를 이용하여 열적 쾌적 성을 측정하고 아울러 조경분야에서 흔히 사용되고 있는 WBGT와의 차이를 규명하고자 하였다. 이는 학교의 대표적 외부공간인 운동장과 녹지공간의 열적 쾌적성 평가의 기초자료로 활용하고자 하였으며 또한 향후 외부공간 지표 선정의 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 인천광역시 소재 학교 옥외공간 중학생들의 휴식 및 활동량이 가장 많고, 높은 열과 낮은 열을 가지는 운동장과 녹지공간을 대상으로 열적 쾌적성 지표중 인건의 착의량, 대상량, 지구의 평균복사온도, 풍속 등의 요인을 반영한 지표인 PMV와 UTCI를 이용하여 열적 쾌적 성을 측정하고 아울러 조경분야에서 흔히 사용되고 있는 WBGT와의 차이를 규명하고자 하였다. 이는 학교의 대표적 외부공간인 운동장과 녹지공간의 열적 쾌적성 평가의 기초자료로 활용하고자 하였으며 또한 향후 외부공간 지표 선정의 기초자료로 활용하고자 하였다.
- 본 연구는 학교의 옥외공간 중 학생들의 휴식 및 활동량을 고려하여 여름철 기간인 7~8월 중 부적절한 날씨를 제외한 10일간을 대상으로 오전 9시부터 17시까지 측정지점별 1분 간격으로 10분간 측정하였다. 측정 시 모든 측정은 지면에서 약 1.5m 높이에서 측정하여 인간이 지면으로부터 받는 영향을 고려하고자 하였다(Kim, 2008).
제안 방법
- 6MET (93W/㎡℃)을 적용하여 계산하였다. WBGT의 경우 흑구온도, 습구온도, 건구온도 등을 고려하여 지수를 산출하였고, PMV, UTCI의 경우 기온, 상대습도, 풍속, 평균복사온도, 착의량, 대사량 등을 고려하여 지수를 산출하였다.
- 4Clo를 적용하였다. 남자와 여자가 함께 다니는 학교의 경우는 학교의 남자와 여자 학생수 비율를 적용하여 Clo치를 계산하였다. 대사량의 경우 CEN ISO 7730 기준에 의거하여 일반적으로 학생들이 녹지공간을 산책하거나 운동장에서 가벼운 활동을 할 때의 대사량인 1.
- 본 연구는 학교의 옥외공간 중 학생들의 휴식 및 활동량을 고려하여 여름철 기간인 7~8월 중 부적절한 날씨를 제외한 10일간을 대상으로 오전 9시부터 17시까지 측정지점별 1분 간격으로 10분간 측정하였다. 측정 시 모든 측정은 지면에서 약 1.
- 식재구조는 학교내 대표적 녹지를 선정하여 10m×10m 크기의 방형구 3개소를 설정하고 교목·아교목층은 수종명, 흉고직경, 수고, 지하고, 수관폭을 조사하였으며 관목층은 수종명, 수고, 수관폭을 조사하였다. 식재구조 조사결과를 바탕으로 녹지의 수직적인 층위구조를 간접적으로 파악하고자 녹피율과 녹지이 풍부함을 정량적 자료로 산출하는 녹지 용적계수를 분석하였다. 녹피율은 각 조사구의 층위별로 목본 수종의 수관투영면적을 환산하여 백분율로 나타내었으며, 층위간 또는 수종간 중복되는 수관투영면적과 잔디피복율은 고려하지 않았다.
- 식재구조는 학교내 대표적 녹지를 선정하여 10m×10m 크기의 방형구 3개소를 설정하고 교목·아교목층은 수종명, 흉고직경, 수고, 지하고, 수관폭을 조사하였으며 관목층은 수종명, 수고, 수관폭을 조사하였다.
- 측정항목 중 기온, 상대습도, 풍향 및 풍속, 일사는 자동기상 관측기(Weather Stations 2000 Series, Spectrum Technologies Inc, USA), 기류는 열선 풍속계(Air velocity meter 9545, TSI, USA)를 각각 활용하였고 흑구온도, 습구온도, 건구온도는 측정지점별로 흑구온도계와 건 ․ 습구온도계를 설치하여 기상요소의 측정과 동일하게 측정하였다. 착의량의 경우 각 학교별 특성에 따라 적용하였으며, 여름철에 착용하는 옷의 특성에 맞게 Clo치를 계산하였으며, 등교하는 교복, 속옷, 양말, 신발 등의 중량을 고려한 Kayoko and Kazuo(1981)의 식에 따라 남자 0.
대상 데이터
- 본 연구에서는 인천광역시 남구 및 남동구의 학교시설 중 녹지보전 및 녹화추진사업에서 선정된 학교 중 녹지의 양이 많은 학교시설(A학교, B학교)과 녹지의 양이 적은 학교시설(C학교)로 구분하여 총 3개교를 선정하였다.
- 연구대상지는 최근 전국 시 · 도 기준 인구 증가율이 가장 높고 도심열섬화 및 건조화가 극심하면서 도심내 녹지가 부족한 인천광역시 일원 학교시설로 선정하였다.
- 조사시기는 열적 스트레스가 가장 심한 여름철을 대상으로 하고자 2013년 7월 ~ 8월까지 실시하였고, 이때 연구목적과 부합되지 않는 날은 제외하였다. 본 연구에서 선정된 학교는 학교측의 요구로 인해 실제 학교명을 명시하지 않고 기호로 설정하였다.
데이터처리
- 측정된 자료는 시간의 흐름에 따른 열적 쾌적성의 변화량을 파악하기 위해 Sigmaplot(V.11.0, Systat, San Jose, CA, USA)을 이용하여 그래프화 하였으며, 열적 쾌적성, 녹지의 양 등의 상관관계를 파악하기 위한 통계분석은 SAS program (V.9.2, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA)에 의해 이변량 상관계수 Pearson을 이용하여 상관성 분석을 실시하였다.
이론/모형
- 남자와 여자가 함께 다니는 학교의 경우는 학교의 남자와 여자 학생수 비율를 적용하여 Clo치를 계산하였다. 대사량의 경우 CEN ISO 7730 기준에 의거하여 일반적으로 학생들이 녹지공간을 산책하거나 운동장에서 가벼운 활동을 할 때의 대사량인 1.6MET (93W/㎡℃)을 적용하여 계산하였다. WBGT의 경우 흑구온도, 습구온도, 건구온도 등을 고려하여 지수를 산출하였고, PMV, UTCI의 경우 기온, 상대습도, 풍속, 평균복사온도, 착의량, 대사량 등을 고려하여 지수를 산출하였다.
- 측정항목 중 기온, 상대습도, 풍향 및 풍속, 일사는 자동기상 관측기(Weather Stations 2000 Series, Spectrum Technologies Inc, USA), 기류는 열선 풍속계(Air velocity meter 9545, TSI, USA)를 각각 활용하였고 흑구온도, 습구온도, 건구온도는 측정지점별로 흑구온도계와 건 ․ 습구온도계를 설치하여 기상요소의 측정과 동일하게 측정하였다. 착의량의 경우 각 학교별 특성에 따라 적용하였으며, 여름철에 착용하는 옷의 특성에 맞게 Clo치를 계산하였으며, 등교하는 교복, 속옷, 양말, 신발 등의 중량을 고려한 Kayoko and Kazuo(1981)의 식에 따라 남자 0.53Clo, 여자 0.4Clo를 적용하였다. 남자와 여자가 함께 다니는 학교의 경우는 학교의 남자와 여자 학생수 비율를 적용하여 Clo치를 계산하였다.
성능/효과
- 3개 학교의 PMV를 종합한 결과, 녹지공간의 경우 녹지량이 많은 유형인 A학교와 B학교는 일평균 1.76~1.91의 수치로 분석되어 예상분만족율 75%이하 수준이었으며 녹지가 적은 C학교의 경우 일 평균 2.66으로 예상불만족율 100%로 가까운 수치로 분석되었다. 운동장의 경우에는 3개학교 모두 일 평균 3.
- B학교 녹지공간의 기상특성은 A학교와 비슷한 수준이었으며, 운동장의 경우 기온이나 표면온도, 일사, 흑구온도의 값이 다른 학교에 비해 높게 나타났다. 이는 운동장이 인조 잔디로 조성되어 있기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것으로 판단되었으며, 마사토 포장으로 조성되어 있는 학교보다 높은 열을 가지고 있어 다소 높게 나타난 것으로 사료되었다.
- 5일 때 예상불만족율이 10%일 때를 최적 쾌적조건으로 정하고 있으므로 이를 고려할 때, 녹지공간이 운동장보다는 예상불만족율이 낮지만, ISO 7730의 기준에는 못 미치는 수준이었다. B학교의 경우에도 녹지공간에서는 하루 평균 1.76의 수치로 예상불만족율 75% 이하로 나 타나 A학교와 같이 최적 쾌적조건에는 해당되지 못 하였으며, 운동장에서는 일평균 3.00의 수치를 보여 예상불만족율 100%로 나타나 A학교와 일치하는 결과로 매우 불쾌적하였다.
- C학교 녹지공간의 경우 흑구온도를 보면 A, B학교에 비해 4 ~ 6℃ 정도 차이가 나타나고 있는데, 이는 C학교의 녹피율 및 녹지용적계수가 다른 학교들에 비해 매우 낮기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것으로 사료되었으며, 운동장의 경우 기온이나 표면온도, 일사, 흑구온도의 값이 A, B학교 보다 다소 낮게 나타났다. 이는 A, B학교와는 달리 C학교의 경우 운동장이 마사토로 조성되어 있기 때문으로 판단되었다.
- PMV의 경우 WBGT와 0.795의 상관계수를 보였으며, 흑구온도와 0.890, 일사와 0.687의 상관계수를 보여 정의 상관관계가 나타났으며, 이는 WBGT, 흑구온도, 일사가 높을수록 PMV의 수치도 높아져 불쾌적할 것으로 판단되었다. 또한 녹피율과는 -0.
- PMV의 경우 국내 · 외 모두 실내의 열적 쾌적성을 측정하는 지표로만 사용되어졌으며, 예상불만족율 100%의 수치인 3.00보다 높은 수치의 값도 모두 3으로 기입되기 때문에 녹지공간과 같은 낮은 열을 가지는 곳에서는 비교가 가능하지만 높은 열을 가지는 운동장에서는 비교가 불가능해 실외에서 적용하기는 힘들 것으로 판단되었다.
- 863의 상관 계수를 보여 정의 상관관계로 나타났으며, 이는 PMV, WBGT, 흑구온도, 일사가 높을수록 UTCI도 열적 스트레스가 많이 받는 불쾌적한 상태로 나타나는 것으로 판단되었다. UTCI와 녹지구조의 상관성에서는 녹피율과는 -0.799의 상관계수를 보였으며, 녹지용적계수와 -0.756의 상관계수를 보여 두 항목 모두 부의 상관관계로 나타나고 있어 녹피율, 녹지용적계수가 높을수록 UTCI의 수치가 낮아져 쾌적한 상태로 유지할 수 있음을 알 수 있었다.
- WBGT의 경우 흑구온도와 0.851의 상관계수를 보였으며, 일사와 0.681의 상관계수를 보여 정의 상관관계가 나타났으며, 이는 흑구온도, 일사가 높을수록 WBGT의 수치가 높아져 불쾌적할 것으로 판단되었다. 또한 녹피율과는 -0.
- 4배 높은 녹지율을 보이고 있어 A학교가 매우 쾌적할 것으로 판단되었다. 녹지면적의 경우 B학교가 18,694㎡로 나타나 다른 학교에 비해 넓은 녹지면적을 가지고 있어 쾌적할 것으로 예상되었다. 녹피율의 경우 A학교는 192.
- 녹지지역에서 측정한 WBGT는 A학교(평균 26.15℃), B학교(평균 29.92℃), C학교(평균 31.38℃)의 순으로 나타나 녹지량이 많은 학교내 녹지일수록 WBGT가 낮은 경향이었다. 이는 열환경 조절 효과에서 수목이 태양 일사를 차단하여 흑구온도를 낮추는데 기인하는 것을 알 수 있었으며, 수목의 엽면적지수(LAI)는 WBGT는 매우 높은 상관성을 나타내었다는 선행연구와 일치하는 결과이었다(Ju et al.
- 식재구조 조사결과를 바탕으로 녹지의 수직적인 층위구조를 간접적으로 파악하고자 녹피율과 녹지이 풍부함을 정량적 자료로 산출하는 녹지 용적계수를 분석하였다. 녹피율은 각 조사구의 층위별로 목본 수종의 수관투영면적을 환산하여 백분율로 나타내었으며, 층위간 또는 수종간 중복되는 수관투영면적과 잔디피복율은 고려하지 않았다. 녹지용적계수(GVZ: Grüvolumenzahl)는 토양기능과 식생을 고려한 지표를 이론화 한 것으로 1㎡당 수목이 잎을 달고 있는 양으로 수관용적의 합계이다.
- 681의 상관계수를 보여 정의 상관관계가 나타났으며, 이는 흑구온도, 일사가 높을수록 WBGT의 수치가 높아져 불쾌적할 것으로 판단되었다. 또한 녹피율과는 -0.703의 상관계수를 보였으며, 녹지용적계수와 -0.804의 상관계수를 보여 부의 상관관계로 나타났으며, 이는 녹피율, 녹지용적계수가 높을수록 WBGT의 수치가 낮아져 쾌적할 것으로 판단되었다.
- 687의 상관계수를 보여 정의 상관관계가 나타났으며, 이는 WBGT, 흑구온도, 일사가 높을수록 PMV의 수치도 높아져 불쾌적할 것으로 판단되었다. 또한 녹피율과는 -0.710의 상관계수를 보였으며, 녹지용 적계수와 -0.654의 상관계수를 보여 부의 상관관계로 나타났으며, 이는 녹피율, 녹지용적계수가 높을수록 PMV의 수치가 낮아지는 경향이었다.
- 본 연구에서 학교 외부공간의 열적 쾌적성을 평가하기 위해 선정한 3개의 지표 중 WBGT는 조사대상지로 선정한 3개 학교의 녹지 공간은 평균 26.15∼31.38℃로서 운동장 평균 31.67∼ 34.53℃보다 낮아 운동장에 비해 쾌적한 수준이었지만, 그 차이는 미미한 수준이었다.
- 이를 종합해보면 녹지율, 녹피율 및 녹지용적계수는 A학교 > B학교 > C학교 순으로 높은 결과이었으며, B학교의 경우 많은 녹지면적을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
- 이를 종합해보면, 녹지공간에서는 녹지의 양이 적을수록 고온역이 형성되어 열적 쾌적성의 수치가 높았으며 또한 운동장의 포장형태에 따라 열환경 수치 차이가 발생할 것으로 예상되었는데, 즉 에폭시포장, 인조잔디, 마사토포장 순서로 표면온도, 일사, 흑구온도의 값이 높기 때문에 운동장의 포장형태에 따라 열적 쾌적에 차이가 발생한 것으로 판단되었다.
- 이상을 종합해 보면, UTCI, PMV, WBGT 모두 일사와는 정의 상관관계를, 녹피율과 녹지용적계수와는 부의 상관관계를 형성하고 있어 동일한 기상조건상에서 녹지량의 증가가 열적 쾌적감을 양호하게 할 수 있음을 알 수 있었고 기존 선행 연구(Ju et al., 2008)와 동일한 경향으로 분석되었다.
- 학교별 PMV를 살펴보면, A학교의 경우 녹지공간에서는 일평균 1.91의 수치로 예상불만족율 75% 이하로 나타났으며, 운동장에서는 일평균 3의 수치로 예상불만족율 100%로 나타났다. 운동장에서는 학생들이 활동하는 9시부터 16시까지 모두 예상불만족율 3.
- 학교별 UTCI를 조사분석한 결과, A학교 녹지 내 식재공 간은 하루 평균 33.83℃로 강한 열 스테레스 범주에 속하지만, 일반적인 열 스트레스의 범위인 26 ~ 33℃에 가까운 수치를 보이고 있었고, 운동장은 하루 평균 42.94℃로 매우 강한 열 스트레스의 범위인 38 ~ 46℃에 속해 매우 불쾌적한 수준이었다. B학교는 녹지공간의 경우 하루 평균 32.
- 학교별 열적 쾌적성 및 녹지 상관분석 결과 열적 쾌적성 지표인 UTCI는 PMV와 0.860의 상관계수를 보였으며, WBGT와 0.765, 흑구온도와 0.967, 일사와 0.863의 상관 계수를 보여 정의 상관관계로 나타났으며, 이는 PMV, WBGT, 흑구온도, 일사가 높을수록 UTCI도 열적 스트레스가 많이 받는 불쾌적한 상태로 나타나는 것으로 판단되었다. UTCI와 녹지구조의 상관성에서는 녹피율과는 -0.
- 학교별로 살펴보면, A학교 WBGT의 경우 녹지공간에서는 일평균 26.15℃로 옥외활동이 제한되지 않았으며, 운동장에서는 일평균 31.67℃로 옥외활동이 제한되는 결과로 나타나 운동장에서 매우 불쾌적할 것으로 예상되었다. B학교 WBGT의 경우 녹지공간에서는 일평균 29.
후속연구
- 녹지량이 적은 유형인 C학교의 경우 녹지공간에서는 일평균 2.66의 수치로 예상불만족율 100%에 가까운 수치이었으며, 특히 기온 및 일사 가장 높은 13시와 14시에 경우 예상불만족율 100%로 나타나 불쾌적한 것으로 사료되었고, 이는 C학교 녹지공간내 식재된 수목의 녹피율 및 녹지 용적계수가 다른 학교에 비해 낮은 것으로 판단되지만, 추후 더 많은 요인에 대한 연구가 보완되어야 할 것이다. 운동장의 경우 하루 평균 3.
- 이는 WBGT 산정시 기온, 상대 습도, 평균복사온도 및 풍속 등의 고려가 되지 않아 이러한 결과가 나타난 것으로 판단되었다(Kim, 2008). 또한 불쾌적의 기준이 모호하고 착의량 및 대사량의 고려가 없어 인간을 고려한 열적 쾌적지표로 사용하기에는 무리가 있을 것으로 사료되었다. PMV의 경우 국내 · 외 모두 실내의 열적 쾌적성을 측정하는 지표로만 사용되어졌으며, 예상불만족율 100%의 수치인 3.
- 선행연구의 경우 여름철 열 스트레스가 가장 심할 때 녹지에서는 일반적인 열 스트레스 이하의 수치로 나타난다는 연구결과와 미루어 볼 때(Chi Shing and Melissa, 2014), 연구대상지로 선정한 3개 학교 모두 쾌적 범위를 벗어나 열 스트레스가 발생하는 수준이었으나, UTCI의 개발이 우리나라와 기후적 요인이 다른 외국을 대상으로 하였기 때문으로 사료되므로 향후 더 많은 국내의 다양한 요소들에 대한 자료를 축적한 연구가 이루어져야 할 것이다. Kum et al.
- 2002년 개발된 UTCI의 경우 계산된 온도의 범위가 넓어 열적으로 낮은 열을 가지는 녹지공간뿐만 아니라 높은 열을 가지는 운동장에서도 비교가 가능하여 실외에서 적용이 타당할 것으로 판단되었다. 특히 기상청과 조경 및 도시계획, 건축 등에서 활용가능한 열환경 지수는 체감온도, 불쾌지수, 열지수, WBGT 지수 등이 있으나 이들 지수들은 인간 열환경을 결정하는 기온과 습도, 풍속, 태양복사에너지, 지구복사에너지 분석에 모두 포함하지 않으므로 조경계획과 디자인에 적용하는데 그 한계가 있다고 제시한 Park(2012)의 연구결과를 토대로 유추할 경우 향후 조경공간을 포함한 옥외공간의 평가지표로 UTCI의 적용이 가능할 것으로 판단되며 이를 위해 추후 많은 기초자료 확보가 필요할 것이다. 현재 국내에는 UTCI를 고려하여 외부의 열적 쾌적성을 정량적 ․ 정성적으로 평가한 논문은 전무한 실정이기에 향후 UTCI와 같은 열적 쾌적성 지표를 통해 외부환경의 실증적인 연구들이 다수 진행되어야 할 것이다.
- 특히 기상청과 조경 및 도시계획, 건축 등에서 활용가능한 열환경 지수는 체감온도, 불쾌지수, 열지수, WBGT 지수 등이 있으나 이들 지수들은 인간 열환경을 결정하는 기온과 습도, 풍속, 태양복사에너지, 지구복사에너지 분석에 모두 포함하지 않으므로 조경계획과 디자인에 적용하는데 그 한계가 있다고 제시한 Park(2012)의 연구결과를 토대로 유추할 경우 향후 조경공간을 포함한 옥외공간의 평가지표로 UTCI의 적용이 가능할 것으로 판단되며 이를 위해 추후 많은 기초자료 확보가 필요할 것이다. 현재 국내에는 UTCI를 고려하여 외부의 열적 쾌적성을 정량적 ․ 정성적으로 평가한 논문은 전무한 실정이기에 향후 UTCI와 같은 열적 쾌적성 지표를 통해 외부환경의 실증적인 연구들이 다수 진행되어야 할 것이다.
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