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ISSN : 1225-5009(Print)
ISSN : 2287-772X(Online)
Flower Research Journal Vol.23 No.1 pp.19-24
DOI : https://doi.org/10.11623/frj.2015.23.1.6

Effect of Temperature Reduction of Extensive Green Roofs
저관리 경량형 옥상녹화의 온도저감 효과

Seong-Sik Park, Se-Chang Kim, Soo-Young Hwang, Bong-Ju Park*
Department of Horticultural Science, Chungbuk National University, Cheongju 362-763, Korea

박 성식, 김 세창, 황 수영, 박 봉주*
충북대학교 원예과학과
Corresponding author: Bong-Ju Park Tel: +82-43-261-2528bjpak@chungbuk.ac.kr
February 27, 2015 March 13, 2015 March 21, 2015

Abstract

The purpose of this study was to evaluate temperature reduction and thermal environment of extensive green roof system in order to provide information for mitigation of urban heat island. Each of two green roof plots was sized 1,500 × 1,500 mm and planted with Aceriphyllum rossii and Allium senescens. On July 30 and 31, 2012 (48 hours), outside climatic conditions, control surface temperature, surface and bottom temperature of green roof, heat flow, and heat budget were measured. On 14:30 PM, July 30, 2012, when the air temperature was the hottest (34.0°C), the surface temperature of Aceriphyllum rossii and Allium senescens plots were 33.3°C and 33.4°C, respectively, while control surface temperature was 55.6°C Bottom temperature of Aceriphyllum rossii and Allium senescens plots were 32.9°C and 32.8°C, respectively. Also on July 31, 2012, the similar temperature reduction effect of the green roof system was observed. When heat flow was highest in control plot as 467.3W·m-2 on July 30, 2012, surface heat flows of Aceriphyllum rossii and Allium senescens plots were 19.8W •m−2and 39.0W •m−2, respectively, and bottom heat flows were −0.2W • m-2 and −9.2W •m−2, respectively. During the experimental days, evapotranspiration of Allium senescens plot was 14,426.1 g •m−2and that of Aceriphyllum rossii plot was 12,424.3 g •m−2.


본 연구는 저관리 경량형 옥상녹화의 온도저감 및 온 열환경을 평가하여 도시열섬현상완화 등 도시 열환경 개 선을 위한 기초자료를 제공하고자 수행하였다. 옥상녹화 는 1,500 × 1,500mm크기의 돌단풍(Aceriphyllum rossii)과 두메부추(Allium senescens)를 이용하여 2012년 7월 30일 부터 31일까지 48시간 동안 연속으로 외부기상환경, 대 조구 표면 온도, 옥상녹화 표면 및 하부 온도, 열류량, 열 수지를 측정하였다. 2012년 7월 30일 14시 30분에 34.0°C 의 최고기온을 보였을 때 대조구 표면은 55.6°C였으나, 돌 단풍과 두메부추 표면은 각각 33.3와 33.4°C를 하부는 각 각 32.9°C와 32.8°C를 보여 옥상녹화에 의한 온도저감효 과가 매우 큰 것으로 나타났다. 7월 31일에도 대조구 표면과 비교하여 옥상녹화가 온도를 큰 폭으로 저감하는 것으로 나타났다. 열류량은 7월 30일의 경우 대조구가 467.3W • m–2로 최대 열류량을 보였을 때, 돌단풍과 두메 부추 표면은 각각 19.8W • m–2와 39.0W • m–2를 보였으며, 하부는 각각 –0.2W • m–2, –9.2W• m–2로 나타나 건축물로 이입되는 열류량이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 실험 기간 내 총 증발산량은 두메부추 14,426.1g • m–2, 돌단풍 12,424.3g • m–2로 나타났다.


초록


    Rural Development Administration
    PJ008495042013

    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).

    Rn = S S + L L
    (1)

    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.

    Figure

    FRJ-23-19_F1.gif

    Ambient weather conditions of the experiment site from July 30 to 31, 2012, measured with automatic weather station (AWS). A, Temperature, humidity, and solar radiation; B, Wind velocity and direction.

    FRJ-23-19_F2.gif

    Temperature changes at surfaces of the control, Aceriphyllum rossii and Allium senescens, and bottoms of Aceriphyllum rossii and Allium senescens from July 30 to 31, 2012.

    FRJ-23-19_F3.gif

    Changes of heat flow at surfaces of the control, Aceriphyllum rossii and Allium senescens, and bottoms of Aceriphyllum rossii and Allium senescens from July 30 to 31, 2012.

    FRJ-23-19_F4.gif

    Changes of evapotranspiration and volumetric water content of Aceriphyllum rossii (A) and Allium senescens (B) from July 30 to 31, 2012.

    FRJ-23-19_F5.gif

    Net radiation changes of the control, Aceriphyllum rossii and Allium senescens surfaces from July 30 to July 31, 2012.

    Table

    Results of bivariate correlation analysis to test the effects of air temperature, solar radiation, heat flow, volumetric water content, evapotranspiration and green roof surface temperature on cooling at the green roof surface and bottom by plant species.

    zSurface cooling = green roof surface temperature-control surface temperature.
    yBottom cooling = green roof surface temperature-control surface temperature.
    NS,*,**,***Nonsignificant or Significant at p = 0.05, 0.01, or 0.001, respectively.

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    2. Journal Abbreviation : 'Flower Res. J.'
      Frequency : Quarterly
      Doi Prefix : 10.11623/frj.
      ISSN : 1225-5009 (Print) / 2287-772X (Online)
      Year of Launching : 1991
      Publisher : The Korean Society for Floricultural Science
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