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문제 정의
- 옥상녹화는 온실가스 저감 효과뿐만 아니라 도시 내에 절대적으로 부족한 녹지공간을 확보하고 생태계 복원과 도시홍수 예방 등 도시 환경적 측면에서도 긍정적인 효과가 있다. 본 연구는 기후변화 대응을 위한 계획적 수단으로 옥상녹화 적용에 따른 공동주택 에너지 저감효과를 분석하여 옥상녹화 적용확대를 위한 기초자료를 제시하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 경로당 및 보육시설은 1층 규모의 건물로 냉방 및 난방은 팬 코일 유닛(fan coil unit)이 적용되어 있다. 공간구성은 용도에 따라 ① 거실(domestic lounge), ② 업무공간ㆍ상담실 등의 사무실(office and consulting area), ③ 조리실(food preparation area), ④ 교육실(teaching area), ⑤ 화장실 등의 비공조(none)로 설정하여 모델링하였으며 그림 5와 같다.
- 주민지원센터는 2층 규모의 건물로 냉방 및 난방은 팬 코일 유닛이 적용되어 있다. 공간구성은 용도에 따라 ① 작업실(workshop), ② 문화공간 등의 홀(hall), ③ 카페(eating and drinking area), ④ 화장실ㆍ계단실 등의 비공조(none)로 설정하여 모델링하였으며 그림 6과 같다.
- 분석방법은 각 유형별로 건축물을 모델링한 후 디자인 빌더(Design Builder)1)를 활용하여 경량형 및 혼합형의 옥상녹화 전ㆍ후에 따른 냉ㆍ난방 에너지 저감량을 비교 분석하여 옥상녹화 에너지 저감효과를 검증하였다.
- 분석대상지는 한국토지주택공사가 건설한 공동주택 중에서 옥상녹화가 적용된 공공임대주택 3개 단지를 선정하였다. 주동 상부와 부대복리시설(주동연계형 및 독립형) 상부를 대상으로 경량형(토심 20cm, 세덤) 및 혼합형(토심40cm, 관목) 옥상녹화 적용에 따른 냉ㆍ난방 에너지 저감효과를 분석하였으며, 그 내용은 표 1과 같다.
- 주동 상부의 옥상녹화 저감효과 시뮬레이션의 분석대상은 서울강남 공공임대주택 7블록의 최상층 세대이다. 주동에서 옥상녹화에 직접 영향을 받는 최상층 세대를 대상으로 냉ㆍ난방설비는 바닥 복사난방과 개별 에어컨을 적용하고, 공간구성은 용도에 따라 ① 거실(domestic lounge), ② 침실(domestic bedroom), ③ 복도(circulation room), ④ 발코니ㆍ화장실 등의 비공조(none)로 설정하여 모델링하였으며, 그림 2와 같다.
- 주민공동시설을 대상으로 냉ㆍ난방설비는 팬 코일 유닛(fan coil unit)을 적용하고, 공간구성은 다목적실 등의 ① 작업실(workshop), ② 관리사무실ㆍ주민상담실 등의 사무실(office and consulting area), ③ 복도(circulation area), ④ 화장실 등의 비공조(none), ⑤ 경로당 등의 거실(domestic lounge), ⑥ 문고 등의 홀(hall), ⑧ 숙직실 등의 침실(domestic bedroom), ⑨ 카페(eating and drinking area), ⑩ 조리실(food preparation area)로 설정하였으며, 그림 4와 같다.
- 피트니스 센터(옥내운동시설)는 1층 규모의 건물로 골프연습실, 체력단련실, 다양한 실내운동이 가능한 스포츠 홀, 사무실, 샤워실 등으로 구성되어 있다. 피트니스 센터를 대상으로 냉ㆍ난방은 팬 코일 유닛(fan coil unit)을 적용하고, ① 스포츠 홀(dry sports hall), ② 사무실(office and consulting area), ③ 복도(circulation area), ④ 화장실 등의 비공조(none), ⑤ 샤워실(changing facilities with showers)로 설정하여 모델링하였으며, 그림 3과 같다.
대상 데이터
- 시뮬레이션 조건에 필요한 기상 데이터는 한국 태양에너지 학회에서 제공하는 표준 기상 데이터를 사용하였다. 다만, 디자인 빌더(Design Builder)인 에너지 플러스(Energy Plus)의 경우 서울지역의 기상데이터를 제공하고 있지 않아서 제공하는 데이터 중 가장 인접한 인천지역을 적용하였다.
- 독립형 부대복리시설 상부의 옥상녹화 저감효과 시뮬레이션의 분석대상은 서울서초 공공임대주택 3블록 내에 위치한 경로당 및 보육시설, 근린생활시설, 주민지원센터이다.
- 또한 거주공간에 따른 각 실별 설정 온도는 우리나라 거주 용도의 냉·난방 권고 온도에 따라 난방은 21°C, 냉방 26°C, 재실 인원은 시뮬레이션 면적기준 5명을 적용하여 단위 면적당 0.05명/m²로 하였다.
- 디자인 빌더(Design Builder)에서 건축물과 관련된 설정항목은 건축물의 용도와 그에 따른 운영 스케줄, 실내온도, 발열기기에 의한 발열량, 공조방식, 냉ㆍ난방 여부, 급탕방법 등이 있다. 본 연구에서 대상건물(외벽, 지붕, 바닥) 및 창에 따른 물성치는2010년 11월 개정된「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣을 적용하였으며, 주요 물성값은 표 3과 같다.
- 분석대상지는 한국토지주택공사가 건설한 공동주택 중에서 옥상녹화가 적용된 공공임대주택 3개 단지를 선정하였다. 주동 상부와 부대복리시설(주동연계형 및 독립형) 상부를 대상으로 경량형(토심 20cm, 세덤) 및 혼합형(토심40cm, 관목) 옥상녹화 적용에 따른 냉ㆍ난방 에너지 저감효과를 분석하였으며, 그 내용은 표 1과 같다.
- 시뮬레이션 조건에 필요한 기상 데이터는 한국 태양에너지 학회에서 제공하는 표준 기상 데이터를 사용하였다. 다만, 디자인 빌더(Design Builder)인 에너지 플러스(Energy Plus)의 경우 서울지역의 기상데이터를 제공하고 있지 않아서 제공하는 데이터 중 가장 인접한 인천지역을 적용하였다.
- 주동 상부의 옥상녹화 저감효과 시뮬레이션의 분석대상은 서울강남 공공임대주택 7블록의 최상층 세대이다. 주동에서 옥상녹화에 직접 영향을 받는 최상층 세대를 대상으로 냉ㆍ난방설비는 바닥 복사난방과 개별 에어컨을 적용하고, 공간구성은 용도에 따라 ① 거실(domestic lounge), ② 침실(domestic bedroom), ③ 복도(circulation room), ④ 발코니ㆍ화장실 등의 비공조(none)로 설정하여 모델링하였으며, 그림 2와 같다.
- 주동연계형 부대복리시설 상부의 옥상녹화 저감효과 시뮬레이션의 분석대상은 서울강남 공공임대주택 2블록 내에 위치한 주민공동시설과 피트니스 센터(옥내운동시설)이다.
- 피트니스 센터(옥내운동시설)는 1층 규모의 건물로 골프연습실, 체력단련실, 다양한 실내운동이 가능한 스포츠 홀, 사무실, 샤워실 등으로 구성되어 있다. 피트니스 센터를 대상으로 냉ㆍ난방은 팬 코일 유닛(fan coil unit)을 적용하고, ① 스포츠 홀(dry sports hall), ② 사무실(office and consulting area), ③ 복도(circulation area), ④ 화장실 등의 비공조(none), ⑤ 샤워실(changing facilities with showers)로 설정하여 모델링하였으며, 그림 3과 같다.
이론/모형
- 옥상녹화와 관련된 식물과 토양의 설정항목 물성치는 홍태훈외(2012)2) 연구의 설정 값을 기반으로 적용하였다. 이에 따라 경량형 옥상녹화 시스템의 경우 토양의 두께는 20㎝, 식물은 세 덤을 적용하여 식물의 키는 10㎝, 엽면적 지수는 4.
성능/효과
- 건축유형별 경량형(토심 20cm, 세덤) 및 혼합형(토심 40cm, 관목) 옥상녹화 적용에 따른 각 시설별 냉ㆍ난방에너지 저감량은 서로 다르며 냉방에너지의 경우 경량형 옥상녹화 적용시 난방에너지의 경우 혼합형 옥상녹화 적용시 저감효과가 큰 것으로 나타났다.
- 그러나 본 연구는 디자인 빌더를 활용하여 옥상녹화 적용에 따른 공동주택의 에너지저감효과가 있다는 것을 검증하였으나, 2010년 11월 개정된 건축물 설비기준에 따라 단열층이 보되어그 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 기존 공동주택을 대상으로 에너지향상과 효율개선을 위한 리모델링(green remodeling)을 통해 옥상녹화 적용에 따른 에너지저감효과를 분석하고, 그에 따른 건축물의 옥상녹화 리모델링 방안 등에 대해서도 지속적인 연구수행이 요구된다.
- 1kWh이다. 난방 에너지 소요량은 냉방 에너지 소요량과는 반대로 혼합형 옥상녹화가 경량형 옥상녹화보다 에너지 저감효과가 더 크게 나타났다.
- 8kWh이다. 난방 에너지 소요량의 경우 냉방 에너지 소요량과는 반대로 혼합형 옥상녹화가 경량형 옥상녹화보다 에너지 저감효과가 더 큰 것으로 나타났다.
- 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 종합하면 옥상녹화 적용이전은 23,070.6kWh이고, 경량형 옥상녹화 적용시 22,346.3kWh으로 약 3.2%의 저감효과가 있고, 혼합형 옥상녹화 적용시 22,257.0kWh으로 약 3.7%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 종합해 보면 옥상녹화 적용이전은 15,697.8kWh이고, 경량형 옥상녹화 적용시 15,554.1kWh으로 약 0.9% 저감효과가 있고, 혼합형 옥상녹화 적용시 15,563.1kWh으로 약 0.9% 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 종합해 보면 옥상녹화 적용이전은 17,721.4kWh이고, 경량형 옥상녹화 적용시 16,617.3kWh으로 약 6.6%의 저감효과가 있고, 혼합형 옥상녹화 적용시 1,412.6kWh으로 약 8.7%의 저감효과가 있다. 이처럼 냉ㆍ난방 에너지 저감효과가 경량형 옥상녹화에 비해 혼합형 옥상녹화가 더 큰 것은 경량형 옥상녹화 적용으로 저감되는 냉방 에너지보다 혼합형 옥상녹화 적용시 단열성능 향상에 따른 난방 에너지 저감효과가 더 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 3kWh이다. 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 종합해 보면 옥상녹화 적용이전은 17,928.2kWh이고, 경량형 옥상녹화 적용 시 17,619.9kWh으로 약 1.7%의 저감효과가 있고, 혼합형 옥상녹화 적용시 17,581.0kWh으로 약 2.0%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 종합해 보면 옥상녹화 적용이전은 20,779.1kWh이고, 경량형 옥상녹화 적용시 20,226.6kWh으로 약 2.7%의 저감효과가 있고, 혼합형 옥상녹화 적용시 20,177.2kWh으로 약 3.0%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 종합해 보면 옥상녹화 적용이전은 65,179.0kWh이고, 경량형 옥상녹화 적용시 63,902.3kWh으로 나타나 약 2.0%의 저감효과가 있고, 혼합형 옥상녹화 적용시 63,638.9kWh으로 약 2.4%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 1kWh이다. 냉방 에너지 소요량은 앞서 분석한 바와 같이 혼합형 옥상녹화보다 경량형 옥상녹화가 에너지 저감효과가 더 큰 것으로 나타났다. 난방 에너지 소요량 시뮬레이션 결과 옥상녹화 적용이전은 35,745.
- 6kWh이다. 냉방에너지 소요량의 경우 20㎝가 적용된 경량형 옥상녹화가 40㎝의 토양두께가 적용된 혼합형 옥상녹화보다 에너지 저감효과가큰 것으로 나타났다. 이는 혼합형 옥상녹화의 토양층이 경량형 옥상녹화보다 두꺼워 단열성능의 향상으로 실내의 열이 외부로 효과적으로 방출되지 못해 냉방 에너지 소요량이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 본 연구에서는 공동주택의 주동 및 부대복리시설을 대상으로 옥상녹화 전후의 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 비교ㆍ분석한 결과, 옥상녹화 적용에 따른 에너지 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과를 토대로 기후변화에 대응하여 공동주택에 경량형 또는 혼합형 옥상녹화 적용확대가 요구되며, 적용확대를 위해서는 경제성, 유지관리 등을 고려하여 경량형 옥상녹화를 적극 유도하고, 적정한 이격거리가 있는 부대복리시설 상부 등에 혼합형 옥상녹화를 적용하는 것이 바람직하다.
후속연구
- 그러나 본 연구는 디자인 빌더를 활용하여 옥상녹화 적용에 따른 공동주택의 에너지저감효과가 있다는 것을 검증하였으나, 2010년 11월 개정된 건축물 설비기준에 따라 단열층이 보되어그 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 기존 공동주택을 대상으로 에너지향상과 효율개선을 위한 리모델링(green remodeling)을 통해 옥상녹화 적용에 따른 에너지저감효과를 분석하고, 그에 따른 건축물의 옥상녹화 리모델링 방안 등에 대해서도 지속적인 연구수행이 요구된다.
- 본 연구에서는 공동주택의 주동 및 부대복리시설을 대상으로 옥상녹화 전후의 냉ㆍ난방 에너지 소요량을 비교ㆍ분석한 결과, 옥상녹화 적용에 따른 에너지 저감효과가 있는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과를 토대로 기후변화에 대응하여 공동주택에 경량형 또는 혼합형 옥상녹화 적용확대가 요구되며, 적용확대를 위해서는 경제성, 유지관리 등을 고려하여 경량형 옥상녹화를 적극 유도하고, 적정한 이격거리가 있는 부대복리시설 상부 등에 혼합형 옥상녹화를 적용하는 것이 바람직하다.
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