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문제 정의
- 따라서 본 연구는 학교운동장의 포장재료에 대한 미기후 자료(microclimatic data), 알베도, 표면 온도(surface temperature)자료를 측정하여 운동장의 포장재료에 따른 인간 열환경지수를 미기후적으로 종합적인 비교 분석을 해보고자 한다.
제안 방법
- 국내 학교운동장과 공원의 포장재료로 많이 사용되고 있는 천연잔디(natural grass), 인조잔디(artificial grass), 마사토(clay sand) 포장에서 미기후자료(기온, 상대습도, 풍속, 태양 및 지구복사에너지)를 측정하여 포장재료에 따른 인간 열환경지수를 비교․분석하였다.
- 측정시기는 인간 열환경지수가 모든 포장재료에 very hot(매우 더움)으로 나오는 더운 여름대신 학생들이 2학기를 시작하는 초 가을철인 9월 초로 정하였으며, 포장재료별 차이가 가장 크게 발생하는 맑은 날이었던 2015년 9월 3일과 4일 동안 10:00부터 17:00까지 미기후 자료를 측정하였다(Table 1 참조). 미기후 측정 장치를 옥외공간에서 신체의 평균 가슴높이인 1.2m를 기준으로 해당 공간 중심부에 설치하여 기온, 상대습도, 풍속, 태양 및 지구복사에너지량을 1분 단위로 측정하였으며, 표면 온도도 같은 높이에서 30분 단위로 측정하여 이용하였다. 연구 대상지에서 측정한 미기후 자료들 중 태양 및 지구 복사에너지를 이용하여 평균복사온도(Mean Radiant Temperature; Tmrt)를 계산하였으며(Park, 2011), 기온, 상대습도, 풍속, Tmrt를 RayMan Pro 2.
- 2m를 기준으로 해당 공간 중심부에 설치하여 기온, 상대습도, 풍속, 태양 및 지구복사에너지량을 1분 단위로 측정하였으며, 표면 온도도 같은 높이에서 30분 단위로 측정하여 이용하였다. 연구 대상지에서 측정한 미기후 자료들 중 태양 및 지구 복사에너지를 이용하여 평균복사온도(Mean Radiant Temperature; Tmrt)를 계산하였으며(Park, 2011), 기온, 상대습도, 풍속, Tmrt를 RayMan Pro 2.2(Matzarakis et al., 2010; http://www.urbanclimate.net/rayman)에 입력하여 전 세계적으로 옥외공간 인간 열환경 분석에 가장 많이 이용되고 있는 인간 열환경지수인 PET와 UTCI 값들을 산출하였다. 미기후 자료 및 인간 열환경지수 비교․분석은 Microsoft Office Excel 2010(https://www.
- 운동장 포장재료가 인간 열 환경에 미치는 영향을 알아보기 위해 국내에서 가장 많이 이용되고 있는 포장재료인 인조잔디, 천연잔디, 마사토를 제주특별자치도에 있는 학교와 어린이공원을 대상으로 3곳을 선정하여 초 가을철(9월 3~4일)동안 미기후 자료를 수집하여 비교·분석해 보았다.
- 측정시기는 인간 열환경지수가 모든 포장재료에 very hot(매우 더움)으로 나오는 더운 여름대신 학생들이 2학기를 시작하는 초 가을철인 9월 초로 정하였으며, 포장재료별 차이가 가장 크게 발생하는 맑은 날이었던 2015년 9월 3일과 4일 동안 10:00부터 17:00까지 미기후 자료를 측정하였다(Table 1 참조). 미기후 측정 장치를 옥외공간에서 신체의 평균 가슴높이인 1.
대상 데이터
- 55°E)으로 선정하였다(Figure 1 참조). 각 연구 대상지는 포장재료가 인간 열환경에 미치는 직접적인 영향을 조사하기 위한 목적으로, 주변 건물의 영향이 거의 없어 하늘시계지수(SVF)가 높은 오픈스페이스(open space)로 선정하였다(Figure 2 참조).
- 연구 대상지는 제주특별자치도에 위치한 학교와 어린이 공원 중 3가지 포장재료가 인접하게 위치한 지역을 선정하였으며, 천연잔디는 제주시 이도 2동에 위치한 동여자중학교(33.50°N, 126.54°E), 인조잔디는 일도 2동에 위치한 인화초등학교(33.51°N, 126.54°E)를 선정하였고, 마사토 포장은 이도 2동에 위치한 제42호 어린이 공원(33.50°N, 126.55°E)으로 선정하였다(Figure 1 참조).
데이터처리
- net/rayman)에 입력하여 전 세계적으로 옥외공간 인간 열환경 분석에 가장 많이 이용되고 있는 인간 열환경지수인 PET와 UTCI 값들을 산출하였다. 미기후 자료 및 인간 열환경지수 비교․분석은 Microsoft Office Excel 2010(https://www.office.com)과 IBM SPSS Statistics Version 20을 이용하였다.
성능/효과
- 3℃ UTCI의 변화를 만들 수 있다고 하였다. PET와 UTCI에서 가장 큰 차이를 보였던 천연잔디와 인조잔디의 미기후 요소들의 차이를 비교해 보면(Table 4 참조), 평균기온이 0.5℃ 높게 나온 인조잔디는 0.21℃ PET나 0.49℃ UTCI 만큼 높은 인간 열환경을 조성하였으며, 평균상대습도가 1.8% 더 낮게 나온 인조잔디는 0.09℃ PET나 0.45℃ UTCI 저감효과를 보였으며, 평균풍속이 0.3ms-1 높게 나온 천연잔디는 0.39℃ PET(이 연구에서는 평균풍속이 1.0ms-1 이상이어서 0.13℃/0.1ms-1 적용)나 0.33℃ UTCI 저감효과를 보였으며, Tmrt가 4.2℃ 낮게 나온 천연잔디는 1.51℃ PET나 1.26℃ UTCI 저감효과를 보이는 것으로 나타났다. 그러므로 인조잔디에 비해 천연잔디가 열환경적으로 더 쾌적한 환경을 만든 미기후 요소는 태양 및 지구복사에너지에 의해 조성되는 Tmrt의 영향이 가장 크게 작용한다는 것을 알 수 있다.
- Tmrt 보정에 S_dn의 재료별 차이는 알베도를 감안하였을 때, 천연잔디와 마사토가 각각 1.9Wm-2와 1.7Wm-2의 차이밖에 보이지 않으므로 계산에 포함시키지 않았으며, L_up과 L_dn은 각각 주로 기온과 지표면 온도의 영향을 받는 결과로서 천연잔디와 마사토의 S_up 차이에 의해 영향은 있을 것이나, 정확한 수치로 계산할 수 없어 보정에는 포함시키지 않았으며, 인조잔디와의 차이를 조금 줄여줄 것으로 생각된다.
- UTCI 결과는 3일 인조잔디는 31.1~36.2℃로 moderate heat stress(적당한 열스트레스)에서 strong heat stress(강한 열스트레스) 정도의 범위까지 나타났으며, 마사토와 천연잔디는 30.8~34.8℃, 29.8~34.0℃로 인조잔디에 비해 조금 낮은 결과를 보였으나, 동일한 열환경 스트레스 범위에 속하는 것으로 나타났다. 4일 인조잔디는 33.
- 5ms-1 높게 나온 풍속의 영향으로 PET에서는 더 낮은 결과를 보여주었다. UTCI 분석에서는 PET에 비해 작은 차이값들을 보였는데, 천연잔디가 인조잔디에 비하여 3일 최대 2.9℃(평균 2.0℃) 4일 2.2℃(평균 1.3℃) 낮게 측정되었고, 인조잔디와 마사토를 비교하였을 때 3일 최대 2.6℃(평균 1.3℃), 4일 최대 2.0℃(평균 1.2℃) 낮게, 천연잔디와 마사토를 비교하였을 때 3일 최대 1.6℃(평균 0.7℃), 4일 최대 1.1℃(평균 0.1℃) 낮게 측정되었다.
- 그러나 S_up에서 인조잔디에 비해 천연잔디와 마사토가 9월 3일 각각 10Wm-2(≈0.4℃ Tmrt), 28Wm-2(≈1.2℃ Tmrt), 9월 4일에 각각 1Wm-2, 15Wm-2(≈0.7℃Tmrt) 적은 값을 보였으므로 위 결과를 이용하여 Tmrt를 보정한다면 천연잔디는 54.0℃, 53.8℃로, 마사토는 54.5℃, 53.8℃로 나와, 인조잔디>마사토>천연잔디의 순으로 높은 Tmrt를 보이는 것으로 나타났다.
- 4℃로 가장 낮은 값을 보였다. 그러나 그 차이는 3일의 0.6℃보다 작은 0.3℃로 아주 미미한 결과를 보여주어, 이 연구결과에서는 기온이 높아질수록 포장재가 인간 열환경에 미치는 영향은 커지는 경향을 보이지만, 실제 영향은 미미한 것으로 나타났다. 포장재별 최고기온은 인조잔디가 14:00에 27.
- (2014)의 연구에서는 학교의 옥외공간 중 녹지공간과 운동장을 대상으로 학생들이 느끼는 열쾌적성을 비교·분석한 결과, UTCI, PMV(Predicted Mean Vote: Fanger, 1972), WBGT 모두 운동장이 녹지공간에 비해 매우 불쾌적한 수준으로 나타났다. 그러나 수목 그늘의 영향을 포함한 녹지의 구성관계를 고려하지 않고 단순히 녹피율과 녹지용적계수와의 상관성만을 분석한 결과, 녹피율과 녹지용적계수가 A학교보다 낮았던 B학교가 UTCI와 PMV에서 더 낮은 결과를 보이는 현상이 나타났다. Lim et al.
- 즉, 총 태양복사에너지량은 알베도가 가장 높았던 천연잔디 운동장이 가장 높게 나왔으나, 지구복사에너지량 부분에서 지표면 온도가 마사토와 천연잔디보다 인조잔디 운동장에서 가장 높게 나와(Figure 4 참조), 총 태양 및 지구복사에너지량을 비교해 볼 때 인조잔디>천연잔디>마사토 순으로 높은 결과를 보였다. 그러므로 학교 운동장 포장재료가 주는 열환경적 영향은 태양복사에너지 반사율인 알베도보다 지구복사에너지가 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Tmrt는 조경공간에서 인간 열환경지수를 산출하기 위해 고려해야 하는 가장 중요한 요소들 중 하나이다.
- 1℃ 높은 결과를 보였다. 그리고 인간 열환경지수 PET에서 천연잔디포장이 인조잔디포장보다 최대 3.3~4.8℃(평균 2.3~3.3℃) 낮은 결과를 보여, 최대 2/3 단계 평균적으로 1/2 단계 낮은 열환경을 조성할 수 있는 것으로 나타났다. 마사토 포장은 인조잔디포장보다 최대 3.
- 7%의 학교가 천연잔디였다. 대부분 전국 시도별 학교 운동장 피복현황은 인공잔디가 천연잔디에 비해 월등히 많은 편이었으나, 제주도의 경우에는 반대로 184개 학교 중 23%의 학교가 인공잔디인 반면에, 천연잔디인 학교는 58%로 나타났다. 2014년도에는 인조잔디의 유해성 물질(중금속, 발암물질 등)의 검출로 문화체육관광부에서 검출 학교 전체에 대해서 개보수 지원사업을 벌이기도 하였다(Ministry of Culture, Sports and Tourism, 2014).
- 3℃) 낮은 결과를 보여, 최대 2/3 단계 평균적으로 1/2 단계 낮은 열환경을 조성할 수 있는 것으로 나타났다. 마사토 포장은 인조잔디포장보다 최대 3.4~4.5℃(평균 2.0~2.4℃) 낮은 결과를 보여, 최대 2/3 단계 평균적으로 1/3 단계 낮은 열환경을 조성할 수 있는 것으로 나타났다. 천연잔디포장과 마사토포장을 비교하였을 때는 최대 2.
- 풍속은 표면거칠기가 가장 높은 천연잔디에서 풍속이 더 높게 나와서, 주변환경의 영향이 크게 영향을 미친 것으로 판단된다. 복사에너지 중 태양복사에너지에서는 지표면의 알베도가 가장 높았던 천연잔디가 가장 많은 태양복사에너지를 인체에 보내는 것으로 나타났으며, 지구복사에너지에서는 지표면 온도가 가장 높았던 인조잔디에서 가장 많은 지구복사에너지를 인체에 보내는 것으로 나타났다. Tmrt는 인조잔디가 마사토에 비해 3.
- 이 결과들은 운동장 피복재료로서 천연잔디가 인조잔디에 비해 최대 2/3단계, 평균적으로 1/2단계 낮은 단계의 쾌적한 열환경을 조성한다는 것을 보여주며, 마사토 또한 인조잔디에 비해서 최대 2/3 단계 평균적으로 1/3단계 낮은 열환경을 조성하는 것으로 나타났다. 천연잔디와 마사토를 비교하였을 때는 천연잔디가 최대 1/3 단계 낮은 열환경을 조성할 수 있는 것으로 나타났다.
- 천연잔디와 마사토를 비교하였을 때는 천연잔디가 최대 1/3 단계 낮은 열환경을 조성할 수 있는 것으로 나타났다. 이 차이들은 인조잔디에 비해 천연잔디는 최대 1/2 단계, 평균 1/4 단계 이하의 열스트레스 저감 효과를 나타내며, 마사토는 최대 1/3 단계, 평균 1/6 단계의 개선효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 인간 열환경지수인 PET와 UTCI 값들을 비교해 보았을 때, PET분석에서는 천연잔디가 인조잔디에 비해 3일에는 최대 4.8℃(평균 3.3℃), 4일에는 최대 3.3℃(평균 2.3℃) 낮은 결과를 보였고, 마사토가 인조잔디에 비해 3일에는 최대 4.5℃(평균 2.4℃), 4일에는 최대 3.4℃(평균 2.0℃) 정도 낮은 결과를 보였다(Table 3, Figure 8 참조). 천연잔디를 마사토에 비교해 보았을 때 3일에는 최대 2.
- 인조잔디가 천연잔디에 비해 평균기온이 0.3~0.6℃ 높게, 마사토에 비해 0~0.4℃ 높게 나왔지만 그 차이는 크지 않았으며, 습도도 포장재료에 따른 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 풍속은 표면거칠기가 가장 높은 천연잔디에서 풍속이 더 높게 나와서, 주변환경의 영향이 크게 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 즉, 총 태양복사에너지량은 알베도가 가장 높았던 천연잔디 운동장이 가장 높게 나왔으나, 지구복사에너지량 부분에서 지표면 온도가 마사토와 천연잔디보다 인조잔디 운동장에서 가장 높게 나와(Figure 4 참조), 총 태양 및 지구복사에너지량을 비교해 볼 때 인조잔디>천연잔디>마사토 순으로 높은 결과를 보였다.
- 이 결과들은 운동장 피복재료로서 천연잔디가 인조잔디에 비해 최대 2/3단계, 평균적으로 1/2단계 낮은 단계의 쾌적한 열환경을 조성한다는 것을 보여주며, 마사토 또한 인조잔디에 비해서 최대 2/3 단계 평균적으로 1/3단계 낮은 열환경을 조성하는 것으로 나타났다. 천연잔디와 마사토를 비교하였을 때는 천연잔디가 최대 1/3 단계 낮은 열환경을 조성할 수 있는 것으로 나타났다. 이 차이들은 인조잔디에 비해 천연잔디는 최대 1/2 단계, 평균 1/4 단계 이하의 열스트레스 저감 효과를 나타내며, 마사토는 최대 1/3 단계, 평균 1/6 단계의 개선효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 3℃) 정도 낮은 결과를 보였다. 특히, 기온이 조금 더 높았던 3일이 4일에 비해 각 포장재료들의 차이가 더 크게 나타났으며, Tmrt에서 마사토보다 0.3~0.7℃ 높게 나왔던 천연잔디는 마사토보다 0.2~0.3℃ 낮게 나온 기온과 0.1~0.5ms-1 높게 나온 풍속의 영향으로 PET에서는 더 낮은 결과를 보여주었다. UTCI 분석에서는 PET에 비해 작은 차이값들을 보였는데, 천연잔디가 인조잔디에 비하여 3일 최대 2.
- 평균상대습도는 기온과 반대로 기온이 높은 인조잔디가 63.3%로 가장 낮았으며, 마사토 65.5%, 천연잔디 66.4% 순으로 기온이 가장 낮은 천연잔디가 인조잔디보다 3.1% 높게 나타났으나, 평균절대습도(mean absolute humidity)로 분석해 본 결과, 인조잔디 16.9gm-3, 마사토 17.1gm-3, 천연잔디 17.2gm-3로 나타나 차이는 거의 없었다.
- 0℃로 가장 높게 나타나, 마사토와 천연잔디는 3일과 동일한 경향을 보였으나, 인조잔디는 평균기온이 높았던 3일과 반대로 제일 빠르게 최고기온을 나타냈다. 평균상대습도는 마사토가 62.9%로 가장 낮게 나타났으며, 인조잔디가 63.2%, 천연잔디가 63.7%순으로 높게 나타났으나, 평균절대습도에서는 마사토와 천연잔디가 15.9gm-3로 동일하게 나타났고, 인조잔디가 16.0gm-3으로 차이가 거의 없는 것으로 나타났다. 이것은 인위적인 관수가 없을 때에는 포장재에 의한 습도의 차이는 거의 없다는 것을 보여주었다.
- 이것은 인위적인 관수가 없을 때에는 포장재에 의한 습도의 차이는 거의 없다는 것을 보여주었다. 평균풍속은 인조잔디와 마사토가 1.6ms-1, 천연잔디가 1.7ms-1로 3일에 비해 매우 작은 차이를 보였으며, 3일과 동일하게 천연잔디에서 더 높은 풍속이 나타나 주변환경의 영향에 의한 요인임을 알 수 있었다.
- 포장재료별 이틀간의 자료를 이용하여 SPSS의 One-way ANOVA 분석을 실시한 결과, 풍속에서 인조잔디와 마사토 포장만 유의성이 없는 것으로 나타났고, 기온, 상대습도, Tmrt, PET와 UTCI에서 95%의 유의성 범위에서 3가지 포장재료별 유의성이 있는 것으로 나타났다(Table 4 참조).
- 06(6%) 순으로 낮은 결과를 보였다(Figure 6 참조). 하늘반구에서 방출되는 지구복사에너지(L_up)는 인조잔디가 가장 높은 437Wm-2, 마사토 409Wm-2, 천연잔디 384Wm-2로 가장 낮은 결과를 보여주었고, 지표면반구에서 방출되는 지구복사에너지(L_dn)도 인조잔디 538Wm-2, 마사토 532Wm-2, 천연잔디 508Wm-2 순으로 L_up과 동일한 결과를 나타냈다.
후속연구
- 본 연구는 4계절 중 초 가을철 미기후 자료만을 측정하여 비교하였기 때문에 포장재료에 따른 인간이 받는 열스트레스의 차이가 생각보다는 크지 않았다. 열환경이 더 높은 한 여름철에도 자료를 추가로 측정하여 비교한다면 더운 기간 동안의 운동장 포장재료별 이용계획을 세우는데 좋은 자료가 될 것이다.
- 운동장은 개방된 공간으로 포장재료에 따라 다양한 열환경이 조성될 수 있으므로, 포장재료가 그 공간을 이용하는 사람들이 느끼는 열환경에 미치는 영향을 비교 분석해 볼 필요가 있을 것이다. 선행연구로서 국외에서 포장재료에 따른 인간 열환경에 대한 연구결과로는 Chudnovsky et al.
- 환경적으로는 특히 천연잔디 같은 경우에는 강우나 관수에 의한 잠열(latent heat flux density)의 영향으로 더 큰 차이가 발생될 수 있을 것이다. 이 연구의 방법을 이용하여 전국의 다양한 지역에서 계절별 자료를 측정한다면 조경계획 시 포장재료 선정을 위한 더욱 객관적이고 충분한 자료 구축이 가능할 것이다.
- 의 영향이 가장 크다고 할 수 있겠다. 향후, 운동장을 포함한 옥외공간에서의 조경계획 및 디자인 시 포장재료가 열환경에 지대한 영향을 끼칠 수 있으므로, 계획단계에서부터 재료 선정에 신중을 기하여야 할 것이다.
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