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문제 정의
- 본 연구는 고형 식생기반재의 환경성능 및 옥상녹화를 통한 실내 온·습도 조절효과를 검증하는 것을 목적으로 실물 스케일의 Mock-up을 제작하여 모니터링 실험을 진행하였으며, 이를 토대로 도출된 연구 결과는 다음과 같다.
- 이러한 배경 하에 본 연구의 목적은 현재 개발되고 있는 고형화된 식생기반재를 대상으로 환경성능 및 효과를 검증하는데 있다. 이를 위해 연구 대상인 고형 식생기반재를 분석하여 기본 물성 및 성능을 검토하였으며, 시공 시 실내 온·습도 조절효과를 검증하기 위해 실물스케일의 Mock-up을 구축하여 고형 식생기반재의 여름철 실내환경 성능을 우선적으로 검증하였다.
제안 방법
- 녹화 식물의 안정적인 생장을 위해 실험기간 중 주1회 관수를 실시하였으며, 모니터링 실험 결과 분석을 통해 실내 온·습도를 비교하여 옥상녹화의 내부 환경조절 효과를 검증하였다.
- 3) 본 연구에서는 고형화된 식생기반재를 활용한 건축물 녹화시스템으로 연구의 물리적 범위를 한정하였으며, 고형 식생기반재의 성능 분석 및 이를 통한 실내환경 조절효과 검증을 중심으로 연구를 진행하였다. 연구의 방법은 다음과 같다.
- 기존 건축물 녹화 시장 및 관련 연구 동향을 분석하여 건축물 녹화의 개념을 정의하고, 건축물 녹화시스템의 유형 및 저관리 경량형 녹화 시스템의 특성을 파악하였으며, 식생기반재의 개발방향에 대해 고찰하였다.
- 현재 사용되고 있는 식생기반재 중 성능 검증을 필요로 하는 고형 식생기반재를 선정하였으며, 한국 건설생활환경 시험연구원및 농업환경과학연구소에 분석을 의뢰하여 고형 식생기반재의 비열 및 열 저항값 등의 주요 물성치를 분석하였다.
- 실물 크기의 실험체를 대상으로 고형 식생기반재를 시공하였으며, 이에 대한 대조군으로 아스팔트 싱글로 지붕을 마감한 실험 체를 구축하여 비교 분석을 실시하였다. 열화상 촬영을 통해 두 실험체의 표면온도를 비교 분석하였으며, 이 후 2013년 8월 한 달간 모니터링 실험을 진행하였다.
- 실물 크기의 실험체를 대상으로 고형 식생기반재를 시공하였으며, 이에 대한 대조군으로 아스팔트 싱글로 지붕을 마감한 실험 체를 구축하여 비교 분석을 실시하였다. 열화상 촬영을 통해 두 실험체의 표면온도를 비교 분석하였으며, 이 후 2013년 8월 한 달간 모니터링 실험을 진행하였다. 녹화 식물의 안정적인 생장을 위해 실험기간 중 주1회 관수를 실시하였으며, 모니터링 실험 결과 분석을 통해 실내 온·습도를 비교하여 옥상녹화의 내부 환경조절 효과를 검증하였다.
- 17) 기존의 건축물 녹화에 있어서 식생 기반재는 시간이 경과됨에 따라 배합된 물질의 이탈이 발생하거나 내구성이 충분하지 않아 녹화율이 높지 않았다. 이를 위해 본 연구에 사용된 식생기반재는 열경화성 수지인 PET의 특성을 이용 하여 토양 성분 재료를 일정 기간 열을 가해 일부 용해 및 융착하여 고형화 하였으며, 이를 통해 배합된 재료간의 이탈을 최소화하고, 녹화율을 높일 수 있도록 하였다.
- 본 연구에 사용된 고형 식생기반재의 주 재료는 코코피트, 피트 모스, 왕겨 숯, PE섬유이며, 이를 배합하여 250*500*50㎜ 크기의 모듈로 제작하였다. 최대 수분포화 시 단위면적 당 무게는 40kg/m2이며, 30일간 식물을 선 재배 후, 13개의 식혈구에 식재 (104본/m2)하여 생착력 및 녹화율을 높일 수 있도록 하였다. 또한계획 과정에서 자연스러운 미관을 갖도록 색, 질감 및 성분 등을 고려하여 제작하였다.
- 최대 수분포화 시 단위면적 당 무게는 40kg/m2이며, 30일간 식물을 선 재배 후, 13개의 식혈구에 식재 (104본/m2)하여 생착력 및 녹화율을 높일 수 있도록 하였다. 또한계획 과정에서 자연스러운 미관을 갖도록 색, 질감 및 성분 등을 고려하여 제작하였다.
- 실험체는 일반적인 경량목구조 구조체를 기반으로 2,400 ×2,400 × 2,300 mm 의 안목치수로 동일하게 계획하였다.
- 고형 식생기반재를 활용한 옥상녹화의 실내환경 조절효과 검증을 위해 실물 스케일의 Mock-up 실험체를 시공하여 표면온도및 실내 온·습도를 측정하였다.
- 시작품으로 제작된 고형 식생기반재의 물성을 분석하기 위해 시험용 시편을 제작한 후 한국 건설생활환경 시험연구원과 농업 환경과학연구소에 의뢰하여 열 물성을 측정하였다.
- 실험체는 일반적인 경량목구조 구조체를 기반으로 2,400 ×2,400 × 2,300 mm 의 안목치수로 동일하게 계획하였다. 일반 지붕마감재와의 비교실험을 위해 고형 식생기반재가 시공된 옥상녹화 실험체를 실험군, 경량목구조에 가장 흔하게 사용되는 아스팔트 싱글로 지붕을 마감한 실험체를 대조군으로 구축하였다. 실험체의 벽체는 단열재 관련 기타 실험을 위해 서로 다른 재료가 사용되 었으나, 벽체 열관류율은 0.
- 실험 데이터는 프로그램에 의해 1분 간격으로 자동 저장되었 으며, 옥상녹화의 차열효과 및 실내환경 조절효과를 확인하기 위해 일사량이 매우 높은 여름철로 실험기간을 설정하여 2013년 8월 1일부터 27일까지 한 달간 실험을 실시하였다.
- 녹화가 설치된 지붕면과 아스팔트 싱글로 마감된 지붕면을 비교하기 위해 열환경 측정기기로 표면온도를 촬영하였다. 촬영은 2013년 8월 19일에 진행되었으며, 하루 중 일사를 충분히 받아 외기 온도가 가장 높은 시간인 15:00시에 측정하였다.
- 녹화가 설치된 지붕면과 아스팔트 싱글로 마감된 지붕면을 비교하기 위해 열환경 측정기기로 표면온도를 촬영하였다. 촬영은 2013년 8월 19일에 진행되었으며, 하루 중 일사를 충분히 받아 외기 온도가 가장 높은 시간인 15:00시에 측정하였다. 측정 당일의 외기온도는 33.
- 옥상녹화 비교 실험에 앞서 약 1년에 걸쳐 두 실험체의 기본 실내 환경을 측정하였다. 두 실험체 모두 외기 온도에 비해 안정적인 실내온도를 나타냈으며, 단열재의 차이에도 불구하고 실험체의 온도는 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 본 연구를 통해 고형 식생기반재의 물성치를 새롭게 측정하였으며, 이를 활용한 건축물 녹화시스템의 실내 온·습도조절 효과를 검증하였다.
- 이를 위해 연구 대상인 고형 식생기반재를 분석하여 기본 물성 및 성능을 검토하였으며, 시공 시 실내 온·습도 조절효과를 검증하기 위해 실물스케일의 Mock-up을 구축하여 고형 식생기반재의 여름철 실내환경 성능을 우선적으로 검증하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 고형 식생기반재의 주 재료는 코코피트, 피트 모스, 왕겨 숯, PE섬유이며, 이를 배합하여 250*500*50㎜ 크기의 모듈로 제작하였다. 최대 수분포화 시 단위면적 당 무게는 40kg/m2이며, 30일간 식물을 선 재배 후, 13개의 식혈구에 식재 (104본/m2)하여 생착력 및 녹화율을 높일 수 있도록 하였다.
- 열 저항 값은 측정 규격인 300×300×50㎜ 크기의 시편을 대상으로 하였으며, 비열 측정은 분말 시편을 대상으로 측정 하였다.
- 옥상녹화의 열적 성능 및 실내환경 조절 효과의 검증을 위해 F 사의 열화상 측정기기로 표면온도를 촬영하였으며, 온·습도 센서와 함께 Lab-view기반의 모니터링 시스템을 설치하여 데이터를 수집하였다.
- 옥상녹화 유무에 따른 실내 온·습도 변화를 분석하기 위해 고형식생기반재를 시공한 후, 2013년 8월 1일부터 27일까지 4주간 모니터링을 실시하여 데이터를 수집하였다.
- 옥상녹화 유무에 따른 실내 온·습도 변화를 분석하기 위해 고형식생기반재를 시공한 후, 2013년 8월 1일부터 27일까지 4주간 모니터링을 실시하여 데이터를 수집하였다. 모니터링 시스템의 전기 공급에 문제가 발생한 8월 9일~15일의 오류 데이터는 제외하고 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
이론/모형
- 측정 항목은 단열성능 평가를 위한 열저항 값 및 축열성능 평가를 위한 밀도, 비열, 비중이며, 측정방법은 열 저항값과 밀도의 경우 (1) KS L 9016:2010, 비열은 (2) KS M ISO 11357-4:2012 방식으로 측정하였다. 열 저항 값은 측정 규격인 300×300×50㎜ 크기의 시편을 대상으로 하였으며, 비열 측정은 분말 시편을 대상으로 측정 하였다.
성능/효과
- 13) 녹화가 적용된 건축물은 기존건축물에 비해 열전도율이 낮아 냉방부하를 저감시켜 에너지 절약 효과를 기대할 수 있으며, 토양층 상부에 위치한 식생층의 일사 반사 및 차단 효과와 증발산 작용에 의한 잠열효과를 얻을 수 있다. 또한 도시공간의 녹지를 확대시켜 쾌적한 도시환경을 제공하며, 이를 통해 온도 조절, 대기 정화, 차음, 방풍, 방화 등의 부수적인 효과도 기대할 수 있다.
- 16) 이때 일정 크기의 패널 또는 박스형태 단위 유니트의 형상과 소재를 이용하여 구성요소의 일체화를 도모한 녹화시스템은 저관리 경량형 방식에 적합하고 구조에 따라 혼합형 녹화유형으로 관목류의 식재까지도 가능하다.
- 17) 기존의 건축물 녹화에 있어서 식생 기반재는 시간이 경과됨에 따라 배합된 물질의 이탈이 발생하거나 내구성이 충분하지 않아 녹화율이 높지 않았다. 이를 위해 본 연구에 사용된 식생기반재는 열경화성 수지인 PET의 특성을 이용 하여 토양 성분 재료를 일정 기간 열을 가해 일부 용해 및 융착하여 고형화 하였으며, 이를 통해 배합된 재료간의 이탈을 최소화하고, 녹화율을 높일 수 있도록 하였다.
- 고형 식생기반재의 열전도율은 0.067 W/m·K로 일반적으로 사용되는 지붕마감재인 아스팔트 싱글의 열전도율이 0.109 W/m·K인 것과 비교 했을 때 단열성능이더 높은 것으로 분석되었다.
- 또한 고형화된 식생기반재의 밀도는 264 ㎏/m2으로 분석되었으며, 암면과 유리면의 밀도인 200~300 ㎏/m2과 유사한 수치를 보이고 있어 축열재로서의 성능 또한 기대할 수 있을 것으로 나타났다.
- 분석 결과, 아스팔트 싱글 마감 실험체의 경우, 일사에 의해 가열된 표면온도가 최대 50℃까지 올랐으며, 옥상녹화 실험체의 표면온도는 상대적으로 낮은 41.2℃로 나타났다. 두 실험체의 평균 표면온도는 아스팔트 싱글 실험체가 46℃, 옥상녹화 실험체가 31.
- 2℃로 나타났다. 두 실험체의 평균 표면온도는 아스팔트 싱글 실험체가 46℃, 옥상녹화 실험체가 31.9℃로 고형 식생기반재 실험체가 약 19%의 표면온도 저감률을 나타내 고형 식생기반재에 의한 옥상녹화가 건축물의 표면온도 저감에 효과적인 것으로 나타났다.
- 또한 옥상녹화 실험체의 최고 표면온도로 측정된 부분은 식물생장에 필요한 관수가 균일하게 이루어지지 않아 고형 식생기반 재가 건조해진 부위이다. 따라서 고형 식생기반재에 의한 표면온도 절감 효과와 함께, 관수에 의해 식생기반재의 수분함량이 증가 하게 될 경우 더 높은 여름철 표면온도 절감 효과를 기대할 수 있을 것으로 나타났다.
- 옥상녹화 비교 실험에 앞서 약 1년에 걸쳐 두 실험체의 기본 실내 환경을 측정하였다. 두 실험체 모두 외기 온도에 비해 안정적인 실내온도를 나타냈으며, 단열재의 차이에도 불구하고 실험체의 온도는 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났다. 습도의 경우두 실험체 모두 40~60%의 쾌적한 습도를 유지하였으며, 아스팔트 싱글 실험체의 평균습도가 약 3-10% 가량 높은 것으로 나타나 결과 분석 시 이에 대한 고려가 필요한 것으로 나타났다.
- 두 실험체 모두 외기 온도에 비해 안정적인 실내온도를 나타냈으며, 단열재의 차이에도 불구하고 실험체의 온도는 유의미한 차이가 없는 것으로 나타났다. 습도의 경우두 실험체 모두 40~60%의 쾌적한 습도를 유지하였으며, 아스팔트 싱글 실험체의 평균습도가 약 3-10% 가량 높은 것으로 나타나 결과 분석 시 이에 대한 고려가 필요한 것으로 나타났다.
- 와 Table 8과 같다. 실험 기간 중 외부 공간의 평균 온도는 31℃로나타났으며, 온도 변화폭은 평균 12.9℃로 측정되었다. 실험체의 경우, 아스팔트 싱글 실험체의 평균온도는 32.
- 1) 고형 식생기반재의 열적 물성치에 대한 분석 결과, 열 전도율 0.067 W/m·K로 일정 수준의 단열성능을 갖춘 것으로 나타났으며, 열용량 분석 결과 축열재로서의 성능 또한 갖춘 것으로 나타났다.
- 옥상녹화를 설치한 실험체의 내부 온도가 아스팔트 싱글 실험 체에 비해 낮게 유지되는 것으로 나타났으며, 일사에 의해 옥상면이 최대로 가열된 오후 세시의 경우, 2.2℃의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이는 앞서 도출한 고형 식생기반재의 물성치에 의한 열용량 분석 결과, 고형 식생기반재의 상대적으로 높은 열용량에 의해 열전달 지연 효과가 발생한 것으로 판단되며, 따라서 고형식생기반재에 의한 옥상 녹화가 여름철 건축물의 실내온도 조절에 효과적인 것으로 나타났다.
- 2℃의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이는 앞서 도출한 고형 식생기반재의 물성치에 의한 열용량 분석 결과, 고형 식생기반재의 상대적으로 높은 열용량에 의해 열전달 지연 효과가 발생한 것으로 판단되며, 따라서 고형식생기반재에 의한 옥상 녹화가 여름철 건축물의 실내온도 조절에 효과적인 것으로 나타났다.
- 습도 모니터링 결과는 Fig 4, Table 9와 같다. 외부 평균 습도의 변화 폭이 59.7%로 상대적으로 크게 나타났으며, 이때 각 실험체의 평균 습도는 아스팔트 싱글 실험체 61%, 옥상녹화 실험체 67.1%로 옥상녹화 실험체가 상대적으로 높은 평균 습도를 나타냈다. 표준편차의 경우, 아스팔트 싱글 실험체와 옥상녹화 실험체모두 외기에 비해 크게 낮게 나타나 외기에 비해 안정적인 습도를 유지하는 것으로 나타났다.
- 1%로 옥상녹화 실험체가 상대적으로 높은 평균 습도를 나타냈다. 표준편차의 경우, 아스팔트 싱글 실험체와 옥상녹화 실험체모두 외기에 비해 크게 낮게 나타나 외기에 비해 안정적인 습도를 유지하는 것으로 나타났다.
- 옥상 녹화를 시공하기 전 습도 측정결과, 아스팔트 싱글 실험체의 습도가 옥상녹화 실험체에 비해 상대적으로 높았으나, 옥상 녹화를 시공한 후에는 값이 역전되어 옥상녹화 실험체의 습도가 높게 나타났다. 이는 동일하게 밀폐된 공간에서 실내온도가 높아짐에 따라 아스팔트 싱글 실험체의 포화수증기량이 증가해 상대습도가 낮아진 것으로 판단된다.
- 이에 대한 정확한 분석을 위해, 온도와 상대습도, 실험 대지의 해발고도를 토대로 절대 습도값을 계산하였으며, 분석 결과, 두 실험체의 절대 습도값은 평균 1.6%로 동일한 것으로 나타나 옥상 녹화가 실내 습도의 절대량에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- 2) 고형 식생기반재를 활용한 녹화 실험체의 경우, 열화상 측정기기로 촬영한 표면온도가 아스팔트 싱글 마감에 비해 최대 30%의 저감율을 보여 고형 식생기반재를 활용한 녹화 시스템이 여름철 건축물 표면온도저감에 효과적인 것으로 밝혀졌다. 또한 실내 온도의 경우, 옥상녹화 실험체가 아스팔트 싱글 실험체에 비해 약 8%의 온도 저감율을 나타내 여름철 실내온도 조절에 효과적임을 보였다.
- 3) 습도 분석 결과, 두 실험체모두 안정된 습도변화를 나타냈으며, 온도에 따른 상대습도 변화로 실내온도가 높은 아스팔트 싱글로 마감한 실험체가 옥상녹화를 설치한 실험체에 비해 3~4%정도 낮은 수치를 나타냈다. 반면, 두 실험체의 절대 습도는 동일한 것으로 나타나 옥상 녹화가 실내 습기량에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- 3) 습도 분석 결과, 두 실험체모두 안정된 습도변화를 나타냈으며, 온도에 따른 상대습도 변화로 실내온도가 높은 아스팔트 싱글로 마감한 실험체가 옥상녹화를 설치한 실험체에 비해 3~4%정도 낮은 수치를 나타냈다. 반면, 두 실험체의 절대 습도는 동일한 것으로 나타나 옥상 녹화가 실내 습기량에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- 2) 고형 식생기반재를 활용한 녹화 실험체의 경우, 열화상 측정기기로 촬영한 표면온도가 아스팔트 싱글 마감에 비해 최대 30%의 저감율을 보여 고형 식생기반재를 활용한 녹화 시스템이 여름철 건축물 표면온도저감에 효과적인 것으로 밝혀졌다. 또한 실내 온도의 경우, 옥상녹화 실험체가 아스팔트 싱글 실험체에 비해 약 8%의 온도 저감율을 나타내 여름철 실내온도 조절에 효과적임을 보였다.
후속연구
- 대부분의 옥상녹화 연구에서 흙을 적용한 건축물 녹화 방식 및그 효과와 관련한 검증 연구는 상당수 진행되었으나, 모듈화된 고형 식생기반재와 관련된 연구는 아직 그 수가 부족한 것으로 파악되었으며, 특히 실제 효과를 검증하는 연구는 매우 미흡한 것으로 분석되어 본 연구의 필요성이 높음을 알 수 있다.
- ·K에 비해 상당히 낮은 수치이다. 이는 일반 흙의 비중과 비열이 고형화된 식생기반재에 비해 높은 수치임을 감안한다면 당연한 결과라 할 수 있으며, 이로 인해 옥상 녹화 시 일반 흙의 사용이 축열성능 측면에서는 좀 더 유리할 것으로 판단된다. 하지만 일반 흙을 활용한 옥상녹화의 경우, 유지 관리와 하중 문제가 지적되었으며, 고형 식생기반재는 이를 개선했다는 점에서 활용가능성이 높은 것으로 판단된다.
- 또한 고형 식생기반재의 경우, 단열 및 축열 성능을 통해 겨울철 실내 온도 조절에도 일부 효과가 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 여름에 한정하여 모니터링이 진행되었으므로 계절별 실험에 의한 추가 검증이 요구되며, 기존의 흙을 활용한 공법과의 종합적인 비교연구가 이루어져야 할 것이다. 또한 장기적으로는 옥상녹화의 변화상에 대한 추적 연구를 통해 도시의 생물 다양성에 미치는 영향에 대한 검증이 필요하며, 거시적인 관점에서 개별 건축물의 옥상녹화가 도시 환경에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 여름에 한정하여 모니터링이 진행되었으므로 계절별 실험에 의한 추가 검증이 요구되며, 기존의 흙을 활용한 공법과의 종합적인 비교연구가 이루어져야 할 것이다. 또한 장기적으로는 옥상녹화의 변화상에 대한 추적 연구를 통해 도시의 생물 다양성에 미치는 영향에 대한 검증이 필요하며, 거시적인 관점에서 개별 건축물의 옥상녹화가 도시 환경에 어떠한 영향을 미치는 지에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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