서 언
최근 들어 급격한 도시화 및 산업화로 인한 무분별한 도시 개발과 불투수층 면적 증가 등으로 인하여 도시 내 녹지면적 의 감소, 도심홍수, 도시열섬현상 등과 같은 많은 환경문제들 이 발생하고 있다(Yoon et al. 2007). 이와 같은 문제점을 해 결하기 위한 대안으로 건축물의 옥상이나 벽면에 녹화를 조성 하는 옥상녹화와 벽면녹화의 필요성이 증가하고 있다(Kim et al. 2010; Wong et al. 2010).
옥상녹화의 경우 일반적으로 관리·중량형(intensive green roof)과 저관리·경량형(extensive green roof)으로 구분되는 데, 관리·중량형은 20cm 이상의 깊은 토심에 다양한 식물들 이 식재되어 시비나 관수 등 집중적인 관리가 요구되는 반면, 저관리·경량형은 얕은 토심(20cm 미만)으로 인해 지피식물이 나 초본류 중심으로 식재되어 최소한의 관리로 유지되기 때문 에 넓은 면적의 녹화가 가능하며, 건물의 하중제한 부담이 적 고 상대적으로 적은 비용으로 최근 도시에서 많이 이용되고 있다(Emilsson and Rolf 2005; Kim and Park 2013; Liu et al. 2012; Nagase and Dunnett 2010; Sendo et al. 2010). 벽면 녹화는 건축물의 벽면에 녹화를 조성하는 기술로 도시 내 건 축물 적용 시 green facade, living walls, biowall 등 3가지로 구분된다(Chen et al. 2013). Green facade의 경우 건물의 벽 면 프레임 또는 와이어에 직접 식물이 생장하는 시스템이며, living wall은 모듈 시스템을 이용하여 식물이 벽면이나 지표 면 토양에 뿌리는 내려 생장하는 시스템이다. Biowall은 건물 실내에 green facade 혹은 living wall이 설치된 것을 의미한 다(Francis and Lorimer 2011).
이러한 옥상녹화 및 벽면녹화 조성은 건축물로 유입되는 태 양에너지를 현열과 잠열로 소비하여 건물의 온도저감 및 온열 환경을 개선시킬 수 있으며, 식재기반층인 토양과 식물에서 발생하는 증발산작용을 통해 잠열이 형성되어 주변의 온도를 감소시키는 효과를 가지고 있다(Saiz et al. 2006; Wong et al. 2003). 그 밖에도 유거수 감소(Berndtsson 2010), 소음방지 (Getter and Rowe 2006), 도시열섬현상 완화(Ono et al. 2005; Takebayasi and Moriyama 2007) 등과 같은 다양한 장 점들을 가지고 있다.
하지만 이와 같은 장점에도 불구하고 옥상녹화, 벽면녹화와 같은 건축물녹화에 관한 국내 연구들의 경우 대부분이 식물의 생육특성, 식재기반 조성, 건축물녹화에 적합한 식물종 선정 등과 같은 연구들이 대부분을 차지하고 있는 반면, 옥상녹화 및 벽면녹화 적용에 따른 건축물의 온열환경과 실내·외 온도 저감에 관한 연구는 많지 않은 실정이다. 이에 본 연구는 옥 상녹화 및 벽면녹화 조성에 따른 모의실험구의 실내·외 온도 저감 및 온열환경 분석을 통해 향후 건축물녹화 조성 시 기초 자료를 제공하고자 수행하였다.
재료 및 방법
실험구 조성
2013년 8월 1m × 1m × 1m(L × W × H)의 크기로 제작된 10cm 두께의 샌드위치패널 4개를 이용하여 충북대학교 농업 생명환경대학 3층 건물 옥상에서 실험을 수행하였다. 옥상녹화 실험구는 2011년 5월에 펄라이트(Paraso, Kyungdong One., Korea):피트모스(BP-F, Berger, Canada):원예용상토(Wonjomix, Nongkyung Agroindustrial, Korea)를 7:2:1(v:v:v)의 배합비로 포설한 500mm × 500mm × 100mm(W × D × H) 크기의 옥 상녹화용 모듈(ECO TOP EP-16, Eco & Bio, Korea)에 잔디 (Zoysia japonica)를 식재하고 옥상에서 2년간 재배한 것을 모 의실험구 옥상면에 올려 이용하였다. 벽면녹화 실험구는 2013 년 8월 바이오월(Garden4u, Korea)로 개발된 215mm × 110mm × 140mm 크기의 플라스틱 용기에 원예용상토(Wonjomix, Nonghyoung Agroindustrial, Korea)를 포설한 후 수호초 (Pachysandra terminalis)를 용기당 2개씩 식재하였으며, 모의 실험구의 북쪽면을 제외한 3면에 35개씩 부착하였다(Fig. 1). 실험구는 녹화를 실시하지 않은 모의실험구 1개를 대조구로 설정하였으며, 벽면녹화 실험구(이하, ‘벽면녹화’라 함) 1개, 옥상녹화 실험구(이하, ‘옥상녹화’라 함) 1개, 옥상녹화와 벽면 녹화가 조성된 실험구(이하, ‘옥상벽면녹화’라 함) 1개 등 총 4개를 조성하였다. 관수는 식재초기에 주 2회 두상 관수를 실 시하였으며, 그 이외의 기간에는 자연강우에 의존하였다. 시 비는 복합비료(12N-5P-9K, Dongbu Farm Hannong, Korea) 를 5g·m-2씩 5월 중순에 실시하였다.
식물생육 측정
옥상녹화 및 벽면녹화 식물종이 건축물 내외의 온열환경에 미치는 영향을 평가하기 위하여 실험이 종료된 시점인 9월 5 일 초장, 피복율, 엽면적, 생체중, 건물중 등을 조사하였다. 잔 디의 초장은 잔디초고계를 이용하여 지면에서 식물의 선단부 까지 측정하였으며(Japanese Society of Turfgrass Science, 2001), 수호초는 각 실험구에서 임의로 선정된 5개체의 가장 긴 선단부를 중심으로 측정하였다. 피복율은 1.2m 높이에서 디지털카메라를 이용하여 촬영한 후 Adobe Photoshop 프로 그램(Adobe System incorporated, USA)과 Paint.net 프로그램 (Paint.net, dotPDN LLC, USA)을 이용하여 녹화 및 비녹화 면 적을 색으로 나눈 이후 백분율로 계산하였다(Sendo et al. 2010). 엽면적은 엽면적계(Li-3000A, Li-Cor, USA)를 이용하여 측정하였으며, 각 식물의 지상부와 지하부의 생체중을 측정한 이후 70°C의 열풍순환식건조기(HB-502M, Hanbaek Science, Korea)에서 3일간 건조시킨 후 건물중을 측정하였다.
온열환경 측정
녹화유형이 건축물 온열환경에 미치는 영향을 평가하기 위 해 외부에 모든 면이 노출된 실험구를 대조구로 설정하였으 며, 잔디가 옥상면에 배열된 옥상녹화 실험구 1개와 수호초가 벽면에 부착된 벽면녹화 실험구 1개, 옥상녹화 및 벽면녹화가 조성된 옥상벽면 실험구 등 총 4개의 모의실험구를 이용하여 2013년 8월 19일부터 9월 4일까지 총 17일간 실험을 진행하 였다. 옥상의 외부 기상조건은 옥상 중앙에 설치된 자동기상 관측장비(automatic weather system, AWS)를 이용하여 온·습 도, 일사량, 풍향, 풍속, 강수량 등을 측정하였다. 온도변화는 T형 열전대(Ø 0.32mm, Doo Kwang MFG, Korea)를 옥상 및 벽면녹화 식재 표면, 실험구 내부 천정 표면, 실험구 내부 동· 서·남쪽 벽면과 중앙 천정면으로부터 20cm 아래 지점에 설치 하여 측정하였다. 열의 흐름을 파악하기 위해 열류계(HFT3, Campbell Scientific, USA)는 대조구와 옥상벽면 실험구의 내 부 천정면과 서·남쪽에 설치하였으며, 옥상녹화 실험구는 내 부 천정면에 위치시켰다. 또한 벽면녹화 실험구는 내부 서남 쪽에 설치하였다. 토양수분은 토양수분측정기(10HS, Decagon Devices, USA)를 옥상녹화 및 벽면녹화 토양에 삽입시켜 측정 하였다. 각 센서들은 데이터로거(DT80, dataTaker, UK)에 연 결되어 1분마다 측정되었으며, 10분간의 평균값을 취하여 계 산하였다.
건축물녹화 조성 시 기상조건에 따른 건축물의 온열환경 및 온도저감 효과를 알아보기 위해 기상청 일평균 운량자료 (Korea Meteorological Administration, 2013)를 참조하여 맑 은 날(8월 20일 1.5)과 비 온 날(8월 29일, 9.5)로 나누어 분석 하였다.
복수수지 측정
건축물 녹화유형에 따른 복사수지 평가를 위해서 순복사계 (CNR4, Kipp & Zonen, The Netherland)를 지지대를 이용하 여 벽면에서 50cm 떨어진 곳에 설치를 한 측정된 장·단파 복 사를 다음 식(1)에 적용하여 계산하였다(Kim et al. 2007).
Rn : 순복사(W·m-2)
S↑: 상향단파복사(W·m-2)
L↑: 상향장파복사(W·m-2)
S↓: 하향단파복사(W·m-2)
L↓: 하향장파복사(W·m-2)
알베도(a)는 식(1)에서 측정된 상하향단파복사를 식(2)에 대입하여 계산하였다.
S↓: 하향단파복사(W·m-2)
S↑: 상향단파복사(W·m-2)
측정된 모든 값은 데이터로거(DT80, dataTaker, UK)에 연 결하여 1분 간격으로 측정하였으며, 10분 동안 평균값으로 계 산하였다. 통계분석은 SAS 프로그램(SAS 9.2, SAS Institute Inc., USA)을 이용하여 회귀분석을 실시하였다.
결과 및 고찰
기상환경 및 식물생육
자동기상관측장비(AWS)를 이용하여 실험 기간이었던 2013 년 8월 19일부터 9월 4일 동안의 기상환경을 측정한 결과, 온 도는 최고 35.3°C, 최저 15.5°C, 평균 25.8°C이었으며, 상대습 도는 평균 79.4%를 나타냈다. 풍속은 평균 0.5m·s-1를 나타냈 으며, 일사량은 최대 974.7W·m-2, 평균 198.7W·m-2로 조사되 었다(Fig. 2).
본 실험에 사용된 식물재료인 잔디 및 수호초의 생육측정 결과는 Table 1과 같다. 초장의 경우 잔디는 112.1mm, 수호초 가 216.2mm이었으며, 피복율은 각각 73.6%와 67.6%로 조사 되었다. 엽면적은 잔디의 경우 473.7cm2로 조사되어 132.4 cm2로 조사된 수호초보다 높게 나타났다. 잔디의 생체중은 지 상부와 지하부가 각각 6.4g과 55.9g이었으며, 수호초는 지상 부 6.4g, 지하부 3.4g으로 조사되었다. 건물중은 잔디가 지상 부 5.4g, 지하부 18.1g으로 조사되었으며, 수호초는 지상부 2.3g, 지하부 1.1g으로 조사되었다.
온도저감 및 열류량
녹화유형에 따른 각 실험구의 외부 표면 및 내부 천정면 온 도를 기상조건에 따라 측정한 결과, 맑은 날(8월 20일) 외부 표면 평균 온도는 대조구가 32.3°C로 가장 높게 나타났으며, 옥상녹화 26.6°C, 옥상벽면녹화 26.5°C 순으로 나타났다(Fig. 3A). 이처럼 외부 표면 온도의 차이는 식재식물의 엽면적지 수가 높을수록 위에서부터 내려오는 열을 차단하고, 토양표 면 위에 그늘을 형성하여 토양표면의 온도상승을 억제하였고 (Jim 2012; Wong et al. 2003), 녹화된 토양과 식물의 증발산 작용과 일사차폐에 의한 영향을 받았기 때문인 것으로 판단된 다(Jaffal et al. 2012). 내부 천정면의 경우 대조구에서 최대 42.8°C로 가장 높았으며, 옥상녹화 40.2°C, 옥상벽면녹화 35. 7°C의 순으로 온도 저감 효과를 나타냈으며, 옥상녹화 조성에 의한 지붕슬래브 하부 온도의 감소를 보고하였던 Lin and Lin(2011)의 연구 결과와 일치하였다. 비 온 날(8월 29일)은 각 실험구에서 외부 표면과 내부 천정면의 온도 차이가 크지 않은 것으로 나타났다(Fig. 3B).
대기온도와 풍속이 외부 표면 온도 저감에 미치는 영향을 분석한 결과, 맑은 날에는 대기온도가 증가할수록 옥상녹화 및 옥상벽면녹화의 외부 표면 온도가 감소하는 경향을 보였지 만(옥상녹화 R2 = 0.567, 옥상벽면녹화 R2 = 0.562), 풍속과는 관련성이 크지 않은 것으로 나타났다(옥상녹화 R2 = 0.280, 옥 상벽면녹화 R2 = 0.272). 그러나 비 온 날의 경우 외부 표면 온도 저감 효과가 대기온도 및 풍속 모두와 관련성이 크지 않 은 것으로 나타났다(옥상녹화 R2 = 0.268(대기온도), 0.052(풍 속), 옥상벽면녹화 R2 = 0.168(대기온도), 0.116(풍속))(Fig. 4).
기상조건에 따른 녹화유형별 내부 온도 측정 결과, 맑은 날 (8월 20일)은 대조구가 31.5°C로 가장 높았으며, 그 다음으로 옥상녹화 31.2°C, 벽면녹화 29.3°C, 옥상벽면녹화 28.4°C의 순 으로 나타났다(Table 2). 옥상녹화의 경우 대조구와 온도 차 이가 크지 않게 나타난 반면, 벽면녹화 및 옥상벽면녹화의 경 우 내부 온도 감소가 큰 것으로 나타났다. 옥상녹화는 옥상면 만 녹화가 조성되었지만, 벽면녹화 및 옥상벽면녹화의 경우 녹화면적이 증가함에 따라 식재기반층의 증발산작용을 통해 현열을 감소시키고 내부로 유입되는 열을 차단했기 때문인 것 으로 판단된다(Lin and Lin 2011). 이는 옥상녹화 및 벽면녹화 의 단일 적용보다 병행하는 것이 내부 온도 저감이 효과적이 었던 Seok et al.(2008)의 연구결과와 일치하였다. 하지만 비 온 날(8월 29일)은 대조구에서 24.9°C, 옥상녹화 25.3°C, 벽면 녹화 24.7°C, 옥상벽면녹화 24.9°C로 녹화 유형에 따른 온도 저감 효과는 나타나지 않았다.
기상조건에 따른 대조구 및 벽면녹화, 옥상벽면녹화의 방위 별 내·외부 온도를 측정한 결과, 맑은 날 서쪽면의 경우 대조 구가 각각 31.7°C, 29.3°C로 가장 높게 나타났으며, 그 다음으 로 벽면녹화가 각각 29.3°C, 27.6°C, 옥상벽면녹화 각각 28. 4°C, 27.0°C의 순으로 대조구와 비교하여 1.7 - 3.3°C의 온도 저감 효과가 나타났다. 남쪽면의 내·외부 평균 온도는 대조구 에서 각각 31.6°C, 33.1°C, 벽면녹화 각각 29.4°C, 27.2°C를 옥 상벽면녹화는 각각 28.4°C와 27.4°C로 조사되어 대조구와는 2.2 - 5.9°C의 온도 차이를 보였다. 또한 동쪽면에서도 대조구 가 가장 높게 나타났으며, 그 다음으로 벽면녹화, 옥상벽면녹 화 순으로 조사되어 건축물녹화 조성에 따른 온도 저감 효과 를 보였다(Fig. 5). 그러나 비 온 날은 각각의 방위별 내·외부 평균 온도가 24.2 - 25.0°C의 범위로 측정되어 온도 차이가 없 는 것으로 나타났다(Fig. 6). 방위별 최고 온도는 서쪽면이 가 장 높게 나타났으며, 그 다음으로 남쪽, 동쪽 순으로 조사되었 는데, 이는 벽면녹화 방위별 온도를 측정한 결과 북서쪽에서 온도저감 효과가 큰 것으로 조사되었던 Pérez et al.(2011)의 연구와 유사한 경향을 나타냈다. 이처럼 서쪽면의 온도가 가 장 높게 나타난 것은 우리나라의 여름철 계절적 특징으로써 태양과의 거리가 가장 가까워지고 남중고도가 가장 높아져 낮 의 길이가 길어졌기 때문인 것으로 판단된다.
대조구와 벽면녹화, 옥상벽면녹화의 서쪽과 남쪽면의 열류 량 측정 결과는 Fig. 7과 같다. 비 온 날(8월 29일) 대조구에 서 서쪽과 남쪽 평균 열류량은 -0.1W·m-2이었으며, 벽면녹화 의 경우 -0.1W·m-2, -0.2W·m-2, 옥상벽면녹화는 -0.1W·m-2, -0.4W·m-2로 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. 맑은 날(8월 20일) 서쪽 벽면 열류량은 대조구가 최대 8.9W·m-2로 가장 높았으며, 그 다음으로 옥상벽면녹화 1.3W·m-2, 벽면녹화 0.7W·m-2 순으로 나타나 대조구와 7.6 - 8.2W·m-2의 차이를 보였다. 또한 남쪽 벽면도 대조구가 벽면녹화 및 옥상벽면녹 화보다 높은 것으로 나타났다. 또한 대조구 남쪽 벽면의 경우 12시 10분에 6.9W·m-2로 가장 높은 값을 보인 반면 서쪽 벽 면은 16시 30분에 최대 값(8.3W·m-2)을 보여 서쪽면이 최대 값에 도달하는 시간이 지연되는 현상이 나타났는데, 이는 낮 의 길이가 길고 남중고도가 높아지는 여름철 계절적 특성에 영향을 받은 것으로 판단된다.
복사수지 및 순복사
대조구와 벽면녹화의 복사수지를 분석한 결과, 하향 장단파 복사량은 대조구와 벽면녹화에서 차이는 크지 않았지만, 상향 단파복사량(S↑)의 경우 대조구는 최대 507.9W·m-2, 최소 -1.4W·m-2, 평균 72.9W·m-2, 벽면녹화에서 389.2W·m-2, 최소 -8.1W·m-2, 평균 44.3W·m-2으로 벽면녹화에 비해 대조구에서 높은 것으로 조사되었다. 또한 상향 장파복사량(L↑)의 경우 대조구에서 최대 41.9W·m-2로 조사되어 최대 2.9W·m-2로 나 타난 벽면녹화보다 높게 나타났다(Table 3). 이처럼 벽면녹화 와 같은 건축물녹화는 그늘을 형성함에 따라 건물의 표면 온 도를 낮춰주고(Wong et al. 2003), 그에 따라 인체에 불쾌감 을 주는 요인 중 하나인 상향 장파복사량을 감소시킬 뿐만 아 니라(Han et al. 2008; Kim 2012), 건축물의 에너지 소비 저감 및 도시열섬현상 완화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다 (Wong et al. 2003).
순복사는 벽면녹화에서 최대 635.1W·m-2, 최소 -315.3W·m-2, 평균 72.3W·m-2으로 나타나 최대 378.9W·m-2, 최소 -462.6W·m-2, 평균 33.5W·m-2으로 조사된 대조구보다 순복사가 높은 것으로 나타났다. 이처럼 대조구와 벽면녹화의 순복사 차이는 전체적인 순복사량에 상향 장단파복사량이 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단된다(Takebayasi and Moriyama 2009). 하지만 알베도의 경우 대조구가 벽면녹화보다 높게 조사되어 순복사와는 반대의 경향을 보였는데(Fig. 8), 이는 표면에서 발생되는 상향 단파복 사량의 차이(Gaffin et al. 2009)와 녹화조성에 따른 식물의 식재 밀도, 엽면적 등 다양한 요인들이 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단된다(Lundholm et al. 2010).
