Purpose: Temperature in urban areas increase much more than suburban areas and it is called urban heat island (UHI) phenomenon. There are several solutions to control UHI phenomenon such as green roof system, water space construction, and cool roof system. However, application of green roof system a...
Purpose: Temperature in urban areas increase much more than suburban areas and it is called urban heat island (UHI) phenomenon. There are several solutions to control UHI phenomenon such as green roof system, water space construction, and cool roof system. However, application of green roof system and cool roof system to some of the buildings which compose the city has a critical limit. Therefore, in order to diminish the temperature rising and UHI phenomenon due to climate change of the city, it needs to approach from the viewpoint of site or city, rather than the viewpoint of individual buildings. This study is aims at analyzing UHI phenomenon by characteristics of surface materials and suggesting the solutions to reduce UHI phenomenon by types of complex. Method: Literature reviews were conducted to analyze the cause, mitigating plan, and recent trends of UHI phenomenon. For the simulation analysis, the type of complex was classified 3 representative complex. Based on measured reflectivity, simulation about UHI phenomenon was conducted by setting 4 strategies; albedo of roof, road pavement, green roof system, and vegetating around buildings. Result: As the results of simulating the UHI reduction factor by types of complex, it showed that the effect of temperature reduction on the building roof layer is more effective than adjusting the reflectivity of buildings such as green roof system, planting near the buildings in both the detached house complex, apartment complex, and commercial complex.
Purpose: Temperature in urban areas increase much more than suburban areas and it is called urban heat island (UHI) phenomenon. There are several solutions to control UHI phenomenon such as green roof system, water space construction, and cool roof system. However, application of green roof system and cool roof system to some of the buildings which compose the city has a critical limit. Therefore, in order to diminish the temperature rising and UHI phenomenon due to climate change of the city, it needs to approach from the viewpoint of site or city, rather than the viewpoint of individual buildings. This study is aims at analyzing UHI phenomenon by characteristics of surface materials and suggesting the solutions to reduce UHI phenomenon by types of complex. Method: Literature reviews were conducted to analyze the cause, mitigating plan, and recent trends of UHI phenomenon. For the simulation analysis, the type of complex was classified 3 representative complex. Based on measured reflectivity, simulation about UHI phenomenon was conducted by setting 4 strategies; albedo of roof, road pavement, green roof system, and vegetating around buildings. Result: As the results of simulating the UHI reduction factor by types of complex, it showed that the effect of temperature reduction on the building roof layer is more effective than adjusting the reflectivity of buildings such as green roof system, planting near the buildings in both the detached house complex, apartment complex, and commercial complex.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 도시의 미기후 조절 전략으로 단지의 유형별 단지를 구성하는 표면의 재질 특성에 의한 미기후 조절을 통해 열섬현상 저감에 기여하고자 하였다.
본 연구에서는 첫째, 도시열섬현상의 발생원인 및 도시열섬 저감 요소에 대하여 문헌고찰을 실시하였다. 단지유형을 분류하고 건물군의 특성에 따라 분류하였다.
본 절에서는 3. 2에서 실시한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 단지유형별 네가지 변수(① 지붕반사율, ② 도로 포장면 변화, ③옥상녹화 조성, ④건축물주변 식재 조성)의 적용에 따른 온도저감 효과를 분석하고, 단지유형별 열섬효과 저감 방안을 제안하고자 하였다. 열섬현상의 강도는 여름철보다 겨울철에 더 세지만, 도시의 열환경에 악영향을 미치는 것은 여름철이므로 본 절에서는 여름철을 대상으로 저감 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 단지 유형에 따른 도시열섬저감 효과를 분석하고자 하였다. 단지의 유형은 녹지지역보다는 건축물이 밀집하여 있는 곳에서 도시열섬현상이 빈번하게 발생함으로 주거지역과 상업지역을 분석 대상지로 선정하였으며, 주거지역은 건축물의 밀도가 높은 저층 주거지역과 밀도가 비교적 낮은 고층주거지역으로 구분하였다.
제안 방법
도시열섬현상을 조절하기 위한 방안으로 녹지 조성, 바람길 조성, 수공간 조성, 지붕과 도로면의 반사율 증가 등을 들 수 있다. 녹지나 수공간 조성은 식재 그늘 조성 및 식재의 증발 잠열량 증대로 인해 열섬현상을 완화시킬 수 있으며, 옥상녹화 조성이나 반사율이 높은 쿨루프(Cool roof) 페인트를 이용하여 옥상면의 반사율을 조절을 통해 표면온도를 낮을 수 있다.
미기후 분석 프로그램인 ‘ENVI-met’을 활용하여 단지유형별 열섬현상 저감 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 첫째, 도시열섬현상의 발생원인 및 도시열섬 저감 요소에 대하여 문헌고찰을 실시하였다. 단지유형을 분류하고 건물군의 특성에 따라 분류하였다. 적용요소로는 지붕반사율, 도로 포장면, 옥상녹화, 건축물주변 식재 조성을 설정하고 .
미기후 분석 프로그램인 ‘ENVI-met’을 활용하여 단지유형별 열섬현상 저감 효과를 분석하였다. 또한 시뮬레이션 데이터 분석을 통해 단지유형별 도시열섬현상 저감 방안을 제시하였다.
분석을 위해 도시열섬현상이 빈번히 발생하는 주거지역, 상업지역을 대상으로 도시유형을 구분하고, 표준 지역을 설정하여 변수에 따른 시뮬레이션을 실시하였다. 활용된 분석 프로그램은 ENVI-met으로, 독일 Bochum university의 Michael bruse 교수에 의해 1998년에 개발되었다.
시뮬레이션은 1시간 단위로 저장하여 24시간의 데이터를 분석하였다. 해당지역의 열섬강도 분석을 위해 주변 교외지역을 경기지역으로 설정하고 경기지역의 평균온도를 나타내었다.
선정변수는 2장에서 고찰된 열섬현상 저감요소 중 총 4가지를 선정하였다[Table 3]. 선정된 변수는 지붕반사율 향상, 도로포장면 재질 변화, 옥상녹화 적용, 건축물 주변 나무조성으로, 시뮬레이션을 통해 변수 적용 전/후의 온도변화를 분석하고자 하였다.
선정변수는 2장에서 고찰된 열섬현상 저감요소 중 총 4가지를 선정하였다[Table 3]. 선정된 변수는 지붕반사율 향상, 도로포장면 재질 변화, 옥상녹화 적용, 건축물 주변 나무조성으로, 시뮬레이션을 통해 변수 적용 전/후의 온도변화를 분석하고자 하였다.
각각 시뮬레이션을 통해 나온 결과값은 분석대지를 가로 세로 3등분하여 총 9개 지점의 공기 온도를 분석하였으며, 측정 높이는 높이 2m 지점에서의 온도를 비교하였다.
2에서 실시한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 단지유형별 네가지 변수(① 지붕반사율, ② 도로 포장면 변화, ③옥상녹화 조성, ④건축물주변 식재 조성)의 적용에 따른 온도저감 효과를 분석하고, 단지유형별 열섬효과 저감 방안을 제안하고자 하였다. 열섬현상의 강도는 여름철보다 겨울철에 더 세지만, 도시의 열환경에 악영향을 미치는 것은 여름철이므로 본 절에서는 여름철을 대상으로 저감 효과를 분석하였다.
본 연구에서는 단지 유형에 따른 도시열섬저감 효과를 분석하고자 하였다. 단지의 유형은 녹지지역보다는 건축물이 밀집하여 있는 곳에서 도시열섬현상이 빈번하게 발생함으로 주거지역과 상업지역을 분석 대상지로 선정하였으며, 주거지역은 건축물의 밀도가 높은 저층 주거지역과 밀도가 비교적 낮은 고층주거지역으로 구분하였다.
대상 데이터
단지유형을 분류하고 건물군의 특성에 따라 분류하였다. 적용요소로는 지붕반사율, 도로 포장면, 옥상녹화, 건축물주변 식재 조성을 설정하고 . 미기후 분석 프로그램인 ‘ENVI-met’을 활용하여 단지유형별 열섬현상 저감 효과를 분석하였다.
분석 대상 지역은 저층 주거지역, 공동주택지역, 사업지역으로 선정하였다. 선정된 지역은 [Table 1]과 같으며, 이들 지역은 서울시의 지역별 상세관측자료를 기준으로 외곽지역과의 온도 차이가 큰 지역을 위주로 선정하였다.
분석 대상 지역은 저층 주거지역, 공동주택지역, 사업지역으로 선정하였다. 선정된 지역은 [Table 1]과 같으며, 이들 지역은 서울시의 지역별 상세관측자료를 기준으로 외곽지역과의 온도 차이가 큰 지역을 위주로 선정하였다. 대표 지역은 기상 관측소 인근의 지역 중 해당 용도를 대표할 수 있는 지역으로 300m× 300m 범위로 설정하였다.
하절기는 8월, 동절기는 1월을 대표월로 정하고, 일별 데이터 중 운량이 3미만이며, 월평균기온과 온도차가 가장 적은 날을 그 달의 대표일로 선정하였다. 시뮬레이션에 설정된 풍속, 풍향, 상대습도의 데이터는 기상청에서 제공하는 1981년~2010년(30년) 평년값 자료를 활용하였으며, 시뮬레이션 시작 시간대의 기온은 대표일의 실제 온도값을 이용하였다. 또한 실내의 온도는 여름철, 겨울철의 실내적정온도인 여름철 26℃, 겨울철 18℃로 설정하였다.
성능/효과
이응직[8]은 옥상녹화와 비옥상녹화 부분의 표면 온도 분포를 비교하였으며, 옥상녹화가 미기후 개선과 열섬현상 완화요소로 효용성이 있는지 고찰하였다. 그 결과 옥상녹화 부분의 평균온도가 비 옥상녹화 부부의 평균온도보다 4℃~7℃정도 낮게 나타나는 것을 확인하여 온도저감 및 도시열섬현상 완화에도 효과가 있는 것으로 나타났다.
또한, 김원주 외[9]는 도시 내 녹화공간의 활용측면에서의 옥상녹화를 실제적으로 시공하고 모니터링 함으로써 그 효과 및 활성화 방안을 살펴보는 연구를 진행하였다. 사례연구를 통해 살펴본 결과 옥상녹화시스템을 적용한 세대가 12~15%의 에너지 소비 절감을 하는 것을 알 수 있었으며, 특히 외기온도가 35℃이상 상승할 경우 에너지 소비가 17% 절감됨을 확인하였다.
또한 Chung and Park[11]은 실내 축소모형 실험을 통해 쿨루프가 적용하였을 시의 온도저감 효과를 분석하였으며, 류형택[12]은 초고층 건물에서 원격 열화상 카메라를 활용하여 지붕색상에 따른 표면온도를 조사함으로써 쿨루프의 성능평가를 실시하였다. 그 결과 백색으로 칠한 모형지붕의 표면온도는 다른 지붕에 비해 최대 20℃만큼 낮게 측정되어 실내로 유입되어 열을 상당히 줄일 수 있다는 객관적인 근거를 도출하였다.
소경락 외[16]는 아스팔트 표면에 반사성능이 우수한 특수도료를 코팅하여 근적외선의 반사율을 높여 도로면에 태양 복사의 축열을 감소시키고자 하였다. 그 결과 실내 모사 실험에서 기존 도로보다 12℃이상의 온도 저감 성능을 보였으나, 투수 시험 결과 일반 배수성 포장보다는 투수성이 떨어지나, 국내 배수성 포장 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 아스팔트 도로의 반사율 조절을 통해 열섬 현상 저감을 이룰 수 있을 것으로 예상하였다.
대표 지역은 기상 관측소 인근의 지역 중 해당 용도를 대표할 수 있는 지역으로 300m× 300m 범위로 설정하였다. 표면 마감 형태는 저층 주거지역은 건물 50%, 도로 50%를 차지하는 것으로 설정하였고, 공동주택지역은 건물 14%, 도로 26%, 녹지 60%로 다른 지역에 비해 건물의 면적이 적고, 녹지의 비율이 높은 특성을 나타내고 있다. 상업지역은 건물 30%, 도로 70%로 다른 지역에 비해 도로의 비율이 높은 것으로 설정하였다.
1 과 Table 6과 같다. 저층 주거단지의 경우 건물 및 도로의 비율이 50:50인 지역으로, 타 변수들에 비해 건물의 반사율 조절에 따른 온도저감 효과가 클 것으로 예상됐지만, 건물의 지붕의 반사율을 조정하는 것보다는 건축물 주변의 식재조성, 건축물 지붕층에 옥상녹화 조성과 같은 도시 내의 녹지공간 조성과 도로의 반사율을 높이는 것이 온도저감에 효과적이라는 결론이 도출되었다.
일일 최고기온의 경우, 옥상녹화 적용 시 2. 6℃ 저감되는 것으로 나타났으며, 이 때 최고온도가 발현되는 시간이 기존 15시에서 16시로 1시간가량 늦춰지는 것으로 분석되었다. 옥상녹화의 적용은 기존의 비녹화 지붕에 비해 열전도율이 낮아 외기온도가 구조물로 전달되는데 시간이 오래 걸리기 때문으로, 일사의 반사 및 증발산 작용을 통해 도시 열섬효과를 완화뿐만 아니라 건축물의 냉방에너지 절약효과가 있을 것으로 예상된다.
공동주택 단지의 경우 건물, 도로, 녹지의 비율이 14:26:60으로 기존에 조성된 녹지비율이 높은 지역이었다. 또한 건축물의 비율 또한 적어 옥상녹화나 건축물 주변 식재 조성, 건물의 반사율 조정 등으로 인한 온도저감 효과가 적을 것을 것으로 예상되었다. 공동주택 단지의 열섬저감 변수 적용에 따른 결과는 Fig.
59℃의 온도가 감소하였다. 공동주택지역은 비교적 건물의 면적 비율이 다른 단지유형에 비해 적어 지붕의 반사율이나 옥상녹화 적용에 따른 온도 저감 효과가 적은 것으로 나타났다.
공동주택단지는 다른 단지에 비해 온도저감 효과가 가장 미미한 것으로 나타났는데, 이는 다른 단지유형에 비해 건물의 높이와 분석 높이의 차이가 크고, 단지에 비해 건축면적이 좁은 것으로 판단된다. 또한 이미 식재 조성이 되어 있어, 추가 식재조성이나 녹화로는 큰 효과를 얻지 못하는 것으로 판단된다.
0℃의 온도가 저감되었다. 다른 지역들과 마찬가지로, 지붕반사율을 조정하는 것보다는 건축물 주변에 식재를 조성하거나 옥상녹화를 조성하는 것과 같은 녹지공간을 조성하는 것이 도시의 온도를 낮추는 데에는 효과적인 것을 확인할 수 있었다.
포장면 변화에 따른 시간별 온도 차이는 일출 시간인 06시부터 온도 차이가 발생하기 시작하여 최고온도를 나타내는 14시에는 1. 6℃가량의 차이가 발생했으며, 일 평균 0. 95℃의 온도가 저감됨을 확인하였다.
야간시간대의 온도 차이는 1℃미만으로 나타났지만, 낮 시간대에는 온도 차이가 1℃이상으로 크게 나타났다. 또한, 다른 변수들과 달리 옥상녹화 적용의 경우 온도저감 효과가 야간시간대에도 지속되는 것으로 나타났다.
시뮬레이션 결과, 건축물의 비율이 높은 저층 주거지역과 상업지역의 경우 건축물의 반사율 조절에 따른 온도저감 효과가 클 것으로 예상되었으나, 건축물의 반사율 조절 보다는 옥상녹화 조성, 건축물 식재 조성으로 인한 온도저감 효과가 큰 것으로 나타났으며, 고층주거지역의 경우 연구에서 설정한 네 가지 변수로 인한 온도저감 효과는 미미한 것으로 나타났다.
후속연구
반면 겨울철의 경우 도심의 기온 상승으로 인해 도로의 빙판 지속시간 저감, 난방부하 저감 등 긍정적인 효과가 발생하는 것으로 나타났다[5, 6]. 향후 고온 발생이 더욱 잦아지고 심해질 것으로 예상됨에 따라 도시의 여름철 기온상승현상에 대한 대응이 필요할 것으로 판단된다.
건축물의 비율이 높은 저층 주거지역, 상업지역과 같은 단지의 경우 옥상녹화 조성 및 건축물 주변 식재 조성 같은 녹지 공간 조성 등을 통해 도시의 온도를 낮추는 노력이 필요하며, 고층주거지역의 경우에는 지금과 마찬가지로 초기에 단지를 계획할 시 녹지공간 및 바람길 확보 등을 통해 단지의 온도를 저감시키는 노력이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 통해서는 여름철의 온도저감 효과만을 고려하였으나, 외기 조건 변화에 따른 온열쾌적성 분석 및 에너지 소비 분석은 실시하지 못하였다. 따라서 추후 연구에서는 변수를 통한 동절기의 외기 온도변화 및 그에 따른 건축물 에너지 분석, 외기 조건 변화에 따른 보행자의 온열쾌적성 분석 등을 통해 도시의 온도 저감뿐만 아니라 에너지 절감 효과 등 종합적인 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 통해서는 여름철의 온도저감 효과만을 고려하였으나, 외기 조건 변화에 따른 온열쾌적성 분석 및 에너지 소비 분석은 실시하지 못하였다. 따라서 추후 연구에서는 변수를 통한 동절기의 외기 온도변화 및 그에 따른 건축물 에너지 분석, 외기 조건 변화에 따른 보행자의 온열쾌적성 분석 등을 통해 도시의 온도 저감뿐만 아니라 에너지 절감 효과 등 종합적인 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
겨울철의 경우 도심의 기온 상승으로 생기는 긍정적 효과는?
여름철 도시의 기온 상승은 노동자의 노동력 저하, 탈진 쇼크와 같은 건강 문제를 야기하며, 냉방부하의 증가 등 도시의 에너지 소비가 증가하여 국가의 경제 부담으로 작용하게 된다. 반면 겨울철의 경우 도심의 기온 상승으로 인해 도로의 빙판 지속시간 저감, 난방부하 저감 등 긍정적인 효과가 발생하는 것으로 나타났다[5, 6]. 향후 고온 발생이 더욱 잦아지고 심해질 것으로 예상 됨에 따라 도시의 여름철 기온상승현상에 대한 대응이 필요할 것으로 판단된다.
여름철 도시의 기온 상승이 만드는 문제는?
여름철 도시의 기온 상승은 노동자의 노동력 저하, 탈진 쇼크와 같은 건강 문제를 야기하며, 냉방부하의 증가 등 도시의 에너지 소비가 증가하여 국가의 경제 부담으로 작용하게 된다. 반면 겨울철의 경우 도심의 기온 상승으로 인해 도로의 빙판 지속시간 저감, 난방부하 저감 등 긍정적인 효과가 발생하는 것으로 나타났다[5, 6].
도시열섬현상을 조절할 수 있는 방안인 녹지조성과 수공간조성의 원리는?
도시열섬현상을 조절하기 위한 방안으로 녹지 조성, 바람길 조성, 수공간 조성, 지붕과 도로면의 반사율 증가 등을 들 수 있다. 녹지나 수공간 조성은 식재 그늘 조성 및 식재의 증발 잠열량 증대로 인해 열섬현상을 완화시킬 수 있으며, 옥상녹화 조성이나 반사율이 높은 쿨루프(Cool roof) 페인트를 이용하여 옥상면의 반사율을 조절을 통해 표면온도를 낮을 수 있다. 하지만 도시를 구성하는 많은 건물군 중 일부 건물에 옥상녹화나 cool roof를 적용하는 것으로는 도시 열섬현상을 완화시키기에는 한계가 있다.
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