서 언
세계 각국의 도시는 급속한 산업화 및 인구증가로 인 하여 무분별한 개발이 자행되고 시설확충, 물자 생산 등 의 이유로 지하자원이 점차 고갈되어가고 있으며, 에너 지의 과소비에 따라 여러 환경문제가 발생하고 점차 증 대되고 있는 추세이다(Seok et al. 2008). 이러한 개발 및 산업화로 인한 불투수층 면적의 증가는 도시 생태계 의 악화 및 도시 내 기후변화 등 다양한 도시환경문제 를 발생시키는 결과를 초래하였다. 우리나라도 급격한 경 제 개발로 인한 도시화가 진행되어 왔고, 이에 따른 도 시지역의 급격한 인구증가는 과밀화 및 주거환경을 악화 시켰다(Suh et al. 2003). 1905년을 시작으로 2005년까지 100년간 전 지구의 평균온도는 약 0.74°C가 상승하였으 며, 특히 중국은 지난 50여 년 동안의 기온상승은 도시 화에 따른 영향이라고 보고되고 있으며(He et al. 2007), 우리나라 역시 주요 6대 도시의 평균온도는 약 1.7°C가 상승하였으며 1978년 이후 북극 해빙의 면적은 10년 당 3% 비율로 감소하고 있다고 보고되었다(Bae and Yoon 2012; Chung and Shin 2011). 이러한 도시 내 환경문제 중 가장 큰 문제의 하나는 도시열섬현상이며, 열대야의 발생 등으로 인한 에너지의 사용이 증가되고 있다. 현재 우리나라 및 세계 각국에서는 도시열섬현상의 문제점을 인식하고 해결을 위한 다양한 방법들을 모색하고 있다. 그 중 바람길과 대규모의 녹지 확보가 가장 중요한 요 소로 알려져 있으나, 현실적으로 도시 내 대규모의 녹지 공간 확보에 어려움이 있어 그 대안으로 옥상녹화, 벽면 녹화 등의 건축물 녹화가 대두되고 있다(Lin et al. 2008).
건물의 옥상은 벽면보다 두 배 많은 태양복사열을 받 으므로 옥상녹화는 기온저감을 위한 효과적인 방법이라 할 수 있다(Liu et al. 2012). 옥상녹화는 도시 내 녹지 공간 확보할 수 있으며, 자외선 및 산성비로부터 건축물 을 보호하여 건축물의 내구성을 향상시키며, 야생조류 및 곤충의 서식처 등 도시 내 생태계적 보전을 위한 효과 도 있다. 또한, 온난화 및 사막화가 진행되고 있는 도시 내의 열섬현상의 완화, 에너지 소비 감소로 인한 냉난방 에너지 절감, 식물의 O2생산으로 인한 공기정화, 옥상 토 양층으로 인한 소음경감효과, 유거수의 감소 등의 여러 가지 효과가 있다(Getter and Rowe 2006). 또한 옥상녹 화에 따른 식생은 증발산을 통해 대기에 수분을 공급하 며 온도저감 효과가 있으며, 물리적 환경을 향상시키고 주거 공간 내 정신적 스트레스를 줄여준다고 발표되고 있 다(Sendo et al. 2010). 옥상녹화는 크게 저관리 경량형 옥상녹화 시스템(extensive green roof system)과 관리 중 량형 옥상녹화 시스템(intensive green roof system)으로 나뉘어지며, 저관리 경량형 옥상녹화 시스템은 20cm 이 하의 토심을 가지고 초본류를 식재하여 지속적인 유지 및 관리에 드는 노력이 적으며, 관리 중량형 옥상녹화 시스 템은 20cm 이상의 토심을 가지고 목본류 위주의 식재 를 하여 집중적인 유지관리가 필요한 시스템이다(Nagase and Dunnett 2010). 저관리 경량형 옥상녹화 시스템은 노 후화된 기존 건축물에 하중의 부담을 줄여주고 적은 비 용으로 많은 범위에 설치가 가능하므로 많이 이용되고 있 다(Emilsson and Rolf 2005). 본 연구는 옥상녹화에 많 이 식재되고 있는 돌단풍(Aceriphyllum rossii)과 두메부 추(Allium senescens)를 이용한 저관리 경량형 옥상녹화 의 온도저감 및 온열환경을 평가하여 향후 도시열섬현상 완화 등 도시 열환경 개선을 위한 기초자료를 제공하고 자 수행하였다.
재료 및 방법
실험구 조성
2012년 4월 충북대학교 부속농장 2층 옥상에 500 × 500 × 100(W×D× H)mm 크기의 경량형 옥상녹화용 모듈(ECO TOP EP-16, Eco & Bio, Korea) 18개를 준비한 후, 펄라이 트(Paraso, Kyungdong One., Korea) :피트모스(BP-F, Berger, Canada) :원예용상토(Wonjomix, Nongkyung Agroindustrial, Korea)를 7 : 2 : 1(v : v : v)의 배합비로 혼합하여 채운 뒤, 인근 농장에서 구입한 3치 포트의 돌단풍과 두메부추를 모 듈당 16주씩 총 144주를 식재하였다. 식재 초기에는 식 물의 활착을 위하여 주 2회 두상관수를 실시하였으며, 그 밖의 기간에는 자연강우에 의존하였다.
기온 및 온도저감
온열환경 측정은 2012년 7월 30일부터 31일까지 48시 간 동안 연속적으로 측정하였다. 옥상녹화 실험구는 돌단 풍과 두메부추를 식재한 경량형 옥상녹화 모듈을 각각 9개씩 이용하여 1,500 × 1,500mm의 크기로 조성 하였 으며, 대조구는 동일한 면적의 옥상 바닥 표면으로 하 였다. 온도는 옥상녹화 표면, 토양 속, 토양 하부와 대 조구 표면을 T형 열전대(ø 0.32mm, Doo Kwang MFG, Korea)를 이용하여 측정하였으며, 열류량은 옥상녹화 하 부와 대조구 표면에 열류계(HFT3, Campbell Scientific, USA)를 설치하여 측정하였다. 실험기간 중 기상환경의 측 정은 옥상 중앙부근에 설치한 자동기상관측장비(automatic weather system, AWS)를 이용하였으며, 높이 3m에 풍 향• 풍속계를, 2m 높이에 일사계를, 1.5m 높이에 통풍식 온• 습도계를 설치하여 측정하였다. 각 계측기의 측정 데 이터는 데이터로거(DT80, dataTaker, UK)를 이용하여 1분마다 측정하였으며, 30분의 평균값을 이용하여 분석하 였다.
열수지
옥상녹화에 따른 복사수지를 평가하기 위하여 순복사 계(CNR4, Kipp & Zonen, The Netherland)를 이용하여 돌단풍과 두메부추의 장•단파 복사량을 측정하였으며, 순 복사계는 지지대를 이용하여 실험구 표면으로부터 50cm 위에 위치시켜 측정하였다. 측정한 식(1)은 다음과 같다 (Takebayash and Moriyama 2007).
여기서, Rn: 순복사(W • m–2), S↓: 하향단파복사(W • m–2), S↑: 상향단파복사(W • m–2), L↓: 하향장파복사(W • m–2), L↓: 상향장파복사(W • m–2)이다.
돌단풍과 두메부추의 증발량은 중량변화량으로 산정하 였다. 중량변화 측정은 경량형 옥상녹화용 모듈 하나씩 을 이용하였으며, 측정 24시간 전에 충분히 관수한 다음 중력수가 빠져나간 뒤에 전자저울(EC-30D, CAS, Korea) 을 사용하여 연속 측정하였다. 전자저울은 데이터로거 (DT80, dataTaker, UK)에 연결한 후 1분 간격으로 측정 하였으며, 30분간의 평균값을 이용하여 계산하였다. 통계 분석은 SPSS 프로그램(SPSS v21, IBM SPSS Statistics, USA)을 이용하여 독립표본 T검정과 이변량 상관분석을 실시하였다.
결과 및 고찰
기상환경
실험 기간 내 외기온도 측정결과 일 최고기온은 7월 30일 14시 30분에 34.0°C와 7월 31일 16시 30분의 36.5°C 을 보여 전형적인 무더운 여름 날씨를 보였다. 상대습도는 7월 30일, 31일 평균 72.6%와 72.5%로 나타났다(Fig. 1). 일사량은 7월 30일, 31일 최고 944.2W• m–2, 931.4W • m–2 였고, 평균 254.7W • m–2, 256.5W • m–2로 나타났으며, 풍속 은 최대 1.2m • s–1, 0.3m • s–1, 평균 0.3m• s–1, 0.1m • s–1로 측정되었다.
온도저감
7월 30일 14시 30분 대기기온이 34.0°C로 가장 높았 을 때 옥상녹화와 대조구의 표면, 하부온도를 비교해 보 면 표면온도에서 대조구는 51.5°C로 나타나 돌단풍 33.3, 두메부추 33.4°C와는 각각 18.1°C와 18.2°C의 온도차이가 나타났다(Fig. 2). 옥상녹화 하부온도는 돌단풍이 32.9°C, 두메부추가 32.8°C를 보여 대조구와는 각각 18.6°C와 18.7°C의 차이를 보여 표면보다 더 온도가 저감되는 경 향을 보였다. 7월 31일 16시 30분 대기기온이 36.5°C로 가 장 높을 때의 대조구 표면온도는 55.6°C로 대기온도보다 19.1°C가 높게 나타난 반면, 돌단풍과 두메부추 옥상녹화 는 각각 36.6°C와 36.1°C로 대기기온과 비슷한 경향을 보 였다. 옥상녹화 표면과 대조구와는 19.0°C~19.5°C의 차이 를 보여 옥상녹화에 의한 열저감 효과가 크게 나타났으 나, 식물 간에는 0.4°C로 그 차이가 거의 없었다. 하부온 도는 돌단풍이 34.6°C, 두메부추가 34.3°C를 보여 대조 구 표면과 비교하여 각각 21.0°C와 21.2°C의 온도차이를 보여 옥상녹화에 의한 열저감 효과가 표면보다도 더 크 게 나타났다. 실험기간 내 온도비교를 통한 결과는 여름철 건축물의 옥상 표면온도가 최대 58.0°C로 나타날 때, 옥 상녹화 식재지역은 20.0°C를 보여 옥상녹화 조성 시 30.0°C의 온도저감 효과가 나타났다는 Jaffal et al.(2012) 의 연구결과와 유사한 경향을 보였다. 이는 옥상녹화 식 재 식물과 토양에 의한 증발산량의 증가로 현열과 전도 열을 감소시켜 하부로 내려가는 열을 지연시켰기 때문으 로 판단된다(Lin and Lin 2011).
열류량
7월 30일에는 13시에 대조구 표면의 열류량이 467.3W • m–2로 최고를 나타났을 때, 옥상녹화의 열류량은 표면의 경우, 두메부추가 39.0W• m–2를 돌단풍이 19.8W • m–2로 나타나 각각 428.3W • m–2와 447.5W • m–2의 열유입이 차 단되는 효과가 나타났다. 하부의 경우 두메부추와 돌단 풍이 각각 –9.2W • m–2와 –0.2W • m–2로 나타났으며, 대조구와 비교하여 두메부추는 476.5W• m–2, 돌단풍은 477.5W • m–2의 열류량이 감소되는 효과가 나타나 옥상녹 화 표면보다는 하부에서 열류량 저감효과가 큰 것으로 나 타났다. 7월 31일에는 14시 30분에 484.6W • m–2로 최 고점을 보였을 때, 옥상녹화 표면의 열류량은 두메부추 60.3W• m–2, 돌단풍 12.1W • m–2로 각각 424.3W• m–2과 472.5W• m–2의 저감효과가 나타났다. 하부의 열류량은 두 메부추 1.5W • m–2, 돌단풍 8.1W • m–2로 각각 483.1W• m–2 과 476.5W• m–2로 나타났다(Fig. 3). 이는 건물 내부에서 외부로 열이 방출되고 있음을 의미하는 것으로 옥상녹화 에 의해 외부의 열이 내부로 유입되는 것이 차단되고 있 음을 의미한다(Kim et al. 2012). 측정기간 동안 평균 열 유량은 대조구가 63.8W·m–2로 가장 높았으며, 돌단풍 표면 –3.4W • m–2, 두메부추 표면 –5.1W • m–2, 돌단풍 하부 –19.1W • m–2, 두메부추 하부 –27.7W• m–2 순으로 나타났다. 옥상녹화에 의한 열류량 감소효과는 주간 동 안 식물에 의하여 태양복사 에너지의 투과량을 막아 내 부로 이입되는 열류량을 감소시키기 때문이며(D’Orazio et al. 2010; Getter et al. 2011; Wong et al. 2003), 식물 을 이용한 옥상녹화는 기존 건물의 냉각에너지의 감소에 기여하여 여름철 냉방에너지 소비량을 줄이는 대안이 될 수 있다(Mazzali et al. 2013).
증발산량
7월 30일의 일적산증발산량은 두메부추 7800.4g • m–2, 돌단풍 6806.0g • m–2로 나타났으며, 7월 31일은 두메부추 는 6613.2g • m–2, 돌단풍 5618.0g • m–2로 나타났다. 일일 최고 증발산량을 보인 시각은 7월 30일의 경우 12시 30분으로 두메부추 488.0g • m–2, 돌단풍 396g • m–2로 나타 났으며, 7월 31일은 13시로 두메부추 379.6g • m–2, 돌단 풍 364.8g • m–2로 나타났다(Fig. 4). 일출시부터 일몰까지 는 식물의 광합성에 의한 증산의 영향으로 토양수분의 감 소 비율이 증가하며, 일몰부터 다음 날 일출시까지는 광 합성이 거의 이루어지지 않기 때문에(Lee et al. 2005), 토양수분의 감소량은 낮 동안에 비해 상대적으로 적게 나 타났으며, 이러한 증발산량은 일사량과 밀접한 상관관계 를 지니며 일사량이 증가하면 증발산량도 증가하는 경향 을 보였다(Kim and Park 2013).
열수지
상향장파복사(L)는 두메부추와 돌단풍 실험구에서 비슷 한 양상을 보였는데, 이는 식물을 식재하였을 시에 식물 에 의하여 감소된 표면의 온도로 인하여 장파복사에너지 역시 감소된 경향이 나타난 것으로 사료된다. 하향장파 복사(L)의 경우 대조구, 두메부추, 돌단풍간 차이는 크게 나타나지 않았다. 또한 녹화식생지의 상향장파복사는 낮 동안에도 마이너스의 값을 보인다는 결과와 유사하였다(Wong et al. 2003). 상향단파복사(S)는 옥상녹화가 대조구보다 30분 ~1시간 정도 늦게 상승하는 결과를 보였다. 순복사량 은 7월 30일의 경우 대조구 표면은 최대 578.3W • m–2, 최소 –87.0W • m–2, 평균 156.8W • m–2을 보였으며, 7월 31일은 최대 539.9W·m–2, 최소 –103.2W • m–2, 평균 80.9W • m–2로 나타났다. 두메부추는 7월 30일의 경우 최 고 697.0W • m–2, 최소 –61.8W • m–2, 평균 236.1W • m–2 로 측정되었으며, 7월 31일의 경우 최고 708.7W • m–2, 최소 –61.7W • m–2, 평균 138.7W • m–2로 나타났다. 돌단 풍은 7월 30일의 경우 최고 645.3W • m-2, 최소 –62.9W • m–2, 평균 220.3W • m–2로 나타났으며, 7월 31일의 경 우 최고 648.6W • m–2, 최소 –63.8W• m–2, 평균 127.1W • m–2로 나타났다(Fig. 5). 이처럼 전체적으로 순복사량은 대 조구보다 옥상녹화에서 큰 것으로 나타났는데, 이는 상향 단파복사량과 상향장파복사량의 차이에 따른 영향 때문으 로 판단된다(Takebayasi and Moriyama 2009).
독립표본 T검정 결과, 식물종은 표면 온도저감(t = –.464, P = .644)과 모듈 하부 온도저감(t = –.135, P = .893)에 통 계적으로 유의한 영향이 없는 것으로 나타났다. 대기온 도, 일사량, 열류량, 토양수분, 증발산량이 두메부추와 돌 단풍 식재 경량형 옥상녹화의 표면 온도저감에 미치는 영 향을 이변량 상관분석을 통해 살펴본 결과, 일사량은 두 메부추의 표면온도에 유의적인 영향을 미치는 않았으나, 그 밖의 요소들은 통계적으로 유의적인 영향을 미치고 있 는 것으로 나타났다. 대기기온, 일사량, 열류량, 증발산량 은 음(–)의 상관관계가 나타났으며, 토양수분은 양(+)의 상관관계를 보였다. 옥상녹화 표면 온도저감과 대기기온 은 높은 상관관계를 보였다(P < .001)(Table 1).
두메부추와 돌단풍의 하부 온도저감에 미치는 대기온 도, 일사량, 열류량, 토양수분, 증발산량, 옥상녹화 표면 온도에 대해서 이변량 상관분석을 실시한 결과, 증발산량 은 돌단풍의 하부 온도저감에 유의한 영향이 없었으나, 그 밖의 요소들은 통계적으로 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 대기온도, 일사량, 열류량, 증발산량, 옥상녹화 표면온도는 음(–)의 상관관계를 보였으나 토양수분은 양 (+)의 상관관계를 보였다. 특히, 옥상녹화 하부 온도저감 에는 대기기온과 옥상녹화 표면온도가 높은 상관관계를 보였다(P < .001).
옥상녹화에 의한 온도저감 및 열수지 개선효과는 식재 식물의 종류(Kim et al. 2012; Liu et al. 2012; Sendo et al. 2011), 식재기반의 종류 및 관수빈도(Lin and Lin 2011; Ling et al. 2011; Nagase and Dunnett 2011) 등 다양한 환경요인에 의해 달라지기 때문에 향후 식물 종, 식재기반의 종류, 토심차이, 관수빈도 등 다양한 환 경조건의 차이에 따른 온도저감 효과에 대한 추가연구가 필요하다.
