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국내에서는 ‘정원’에 대한 법제화가 이루어진 2015년부터 현재까지 정원 문화가 활발하게 확산되고 있다. ‘수목원·정원의 조성 및 진흥에 관한 법률’에 따르면, 정원은 ‘식물, 토석, 시설물 등을 전시·배치하거나 재배·가꾸기 등을 통하여 지속적인 관리가 이루어지는 공간’을 말한다. 2024년 6월 기준으로 민간 정원 131개소와 생활 밀착형 공공 정원 271개소를 조성하여 일반인에게 잘 조성된 자연 공간과 다양한 프로그램을 제공하고 있다. 정원이 심미적 기능과 더불어 환경적, 사회적 기능을 수행 할 수 있으므로, 공적 영역으로 확대되고 있는 정원에 대한 다변화된 기능 평가 연구가 필요한 시점이다.

정원을 조성하는 것은 도시 안에 소규모 녹지를 조성한다는 의미가 있다. 정원이 가지는 환경적 기능은 기존의 도시 녹지를 대상으로 수행된 여러 연구를 통해 알 수 있다. 생태계 서비스 측면에서의 다양한 기능이 정원과 연계될 수 있는데 그 중에서도 생물 다양성 증진과 미기후 조절에 대한 연구 비중이 높은 편이다. 공동체 정원은 소규모 지역 단위 종 다양성 증진에 영향 을 준다(Lin et al. 2015). 또한, 정원사가 개입하는 것이 미기후 조절에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 정원의 지속적인 관리를 위한 관수 활동은 정원 주변의 미기후를 장·단기적으로 조절하는 역할을 한다(Lin et al. 2018a). 정원사가 개입하여 정원의 토양과 식물 상태를 관리하는 것은 토양 유기물함량 증가와 토양 보수력(water holding capacity)이 높아져 토양수분유실에 따른 관수가 필요한 시점이 자주 도래하지 않고 지속적으로 토양수분함량이 유지되었다. 이에 따라서 온도가 높이 올라가는 폭염기간에는 토양수분함량이 유지되어 미기후 조절에 영향을 미칠 수 있는 것이다(Lin et al. 2018b). 기존에 알려진 바와 같이 녹지는 도심 온도 저감에 뛰어난 효과를 보여준다(Honjo et al. 2002;Jansson et al. 2007). 녹지 안에 나무 한 그루부터 관목, 초본을 비롯한 식물의 군집 그리고 시설물을 포함한 복합적인 공간에 대한 열 환경 선행 연구는 객체 단위 모델링 (Robineau et al. 2022;Terschanski et al. 2024)을 중심으로 이루어졌다. 나무 한 그루에 대한 객체 모델링 외에도 시설물 소재와 포장재에 대한 복합적 효과를 고려하는 것이 필요하다.

한편, 이용자 측면에서도 정원이 가지는 미기후 조절 효과는 중요하다. 식물을 심고 가꾸는 관리활동을 하는 정원 이용자가 느끼는 열 스트레스를 조절하는 데에도 정원이 역할 할 수 있기 때문이다. 녹지의 열 환경 조절 기능이 결과적으로 이용자의 열 스트레스를 낮춰주므로 이를 실증하기 위해 복합 지수를 개발하였다. 인체에 영향을 미치는 대기 온도, 습도, 풍속, 일사량의 변수(ISO 7730:2005 2005)를 이용해서 열 스트레스를 예측하는 경우가 있다. 이 변수 가운데 일사량에 의한 열 교환은 실내 환경과 실외 환경에서 다른 패턴을 보인다. 실내에 서는 일사량에 의한 열 교환이 평균 복사 온도(Mean Radiant Temperature, 이하 MRT)에 의해 결정되며, 이는 인체를 둘러싼 환경의 온도와 인체에 미치는 영향을 대변하는 수치이다(ISO 7726:1998 2012;Parsons 2002). 한편 실외에서는 인체를 둘러싼 열 교환 현상이 일사량에 영향을 받는다. 특히, 온도가 높은 여름철에는 일사량이 실외 활동에서의 열 스트레스를 결정하게 된다. 열 스트레스를 나타내는 지수를 예측하기 위해서 개발된 OUT_SET*(Spagnolo and de Dear 2008), 범용 열 기후 지수(Universal Thermal Climate Index, 이하 UTCI)는 야외 환경에서의 열 스트레스 정도를 파악하기 위해 COST Action 730 프로젝트를 기반으로 개발된 것으로, 야외 환경 상태의 이용자 열 교환 시스템을 웰빙, 공중 보건, 관광에 적용하기 위한 지수이다. UTCI는 외부 열 환경에 대한 인간의 생리적 반응을 나타낸 지수로, 주로 야외 활동 시 사람의 열 쾌적감을 평가하는 데 사용되며, 기온, 상대 습도, 바람 속도, 복사 온도 등을 종합적으로 고려하여 계산된다. 높은 온도와 습도는 인간의 열 쾌적감을 저하시켜 열 스트레스가 발생할 수 있다(Epstein and Moran 2006). 이 지수는 다양한 기후 조건에서 사람의 반응을 예측하는 데 유용하여 유럽에서는 폭염에 따른 온열 질환 발생 원인을 생물기후학적인 측면에서 검증하기 위해 사용하고 있다. 이와 관련하여 야외 작업 환경을 측정하는 습구 온도 및 흑구 온도 지수(Wet-Bulb Globe Temperature, 이하 WBGT)도 활용되어 왔다(ISO 7243:2017 2017).

정원은 최근 증가하고 있는 인프라로, 열 환경 측면의 기능 평가 연구가 필요하다. 도시에서 정원을 조성하고 가꾸는 행위는 생물 다양성과 신선한 작물 생산 및 이용, 나아가 도시의 미기후 조절에도 영향을 미칠 수 있기 때문이다(Lovell 2010;Piacentini et al. 2014). 다각적 기능을 포함한 정원의 구성 요소가 미치는 환경적인 미기후 조절 기능을 평가함으로써 도시 계획과 디자인 가이드라인에 포함될 수 있는 다수의 사례 연구가 필요한 시점임을 알 수 있다. 본 연구는 정원 조성에 따른 열 환경 변화가 일어남에 따라 미기후를 조절하는 효과에 대해 평가하고자 한다.

재료 및 방법

연구 대상지 개요

정원은 초화류와 시설물, 토석이 혼재되어 있는 공간이다. 본 공간에서 통합적인 열 환경의 구성요소를 개별적으로 측정하고, 시설물과 토석 등 구성요소의 표면온도를 측정하여 여름철 대조구와 정원의 열 환경에 대한 온도 비교를 진행하였다. 정원의 열 환경 조절 기능 연구를 위하여 대상지 선정 시, 다음과 같은 고려사항을 참고하였다. 첫째, 등록정원의 규모와 면적이 다양하기 때문에 일정한 면적의 소녹지를 대상으로 한 미기후 측정을 위해, 마을정원을 대상으로 하였다. 마을정원의 전체 면적 중에서 측정지점은 10m×10m의 조사구에서 진행되어 100m²의 소녹지 면적의 열 환경을 조사하였다. 둘째, 도심 내 거주지역에 위치한 정원을 대상으로 하여 관광을 목적으로 한 정원보다 주민이 직접 참여하여 지속적인 유지관리가 이루어지는 대상지를 선정하였다. 연구 대상지는 마을정원 6개소이며 (Table 1), ‘경기도 마을정원 조성사업’ 대상지로 경기도 안산시 3개소, 오산시 3개소이다. 경기도 안산시 3개소 대상지는 정감 톡톡마을에 위치한 꿈뜰정원(Kkumteul Garden), 놀이뜰 정원 (Noritteul Garden), 파도정원(Pado Garden)이며, 대조구는 500m이내에 위치한 휴게공간으로 설정하였다. 휴게공간의 시설물인 데크와 벤치 주변에 측정지점을 선정하였다. 마을정원은 이용객이 머무르는 장소이기 때문에, 이용객의 입장에서 대조구로 선정할 수 있는 또 다른 휴게공간을 대상으로 하였다. 경기도 오산시 대상지는 매홀두레 정원(Maeholdure Garden), 드림 프로젝트 정원(Garden-dream project), 세마아트 정원(Sema Art Garden)이며, 각각의 대조구는 500m 이내에 위치한 정류장, 벤치로 설정하였다. 모든 대상지의 위치, 면적, 정원 구성요소 정보는 Table 1에 명시하였다.

연구대상지 열 환경 측정

정원의 통합적 열 환경 측정을 위하여 WBGT meter(Tenmars TM-188)를 지면으로부터 1.2m 떨어진 지점에서 측정 정보를 수집하도록 하였다. 2023년 9월 1일, 9월 11일에 마을 정원 6개소를 대상으로 오후 1시부터 3시 사이에 30분간 1초 단위로 외기온도, 습구온도, 흑구온도, 습도를 측정하였으며, 측정오차는 ±0.01°C였다.

정원과 대조구 간 열 환경요소의 차이를 비교하고, 열 환경요소 증가폭을 비교함으로써 정원의 열 환경 조절 기능을 분석하였다. 정원의 열 환경 조절 기능과 함께 기상청의 단기기후정보에서 제공하는 미세 기후요소인 풍속에 대한 정보를 혼합하여 열 스트레스 지수를 분석하였다. 유지관리활동을 하는 이용자 측면에서 열 스트레스에 대해 알아보기 위한 것이다. 열 스트레스 지수는 그 특성에 따라 실험 지수와 합리적 지수의 두 그룹으로 나뉜다. 실험 지수는 환경적 매개변수를 고려하여 실험 및 실험실 기반 연구의 결과로 개발되었고 그 예로 WBGT가 있다. 합리적 지수는 열 계산 및 방정식에서 파생되었고, 예로는 UTCI가 있다. ISO 7243 표준으로 제시한 WBGT는 실내 및 실외 환경에서 사용되며, UTCI는 공중 보건을 증진하는 목표로 야외 공간의 열 스트레스를 평가하는 데 사용된다(Blazejczyk et al. 2012, Zare et al. 2019). UTCI와 같은 열 스트레스 지수를 계산하는 데 사용하는 매개 변수인 MRT는 인간이 복사 열을 경험하는 방식을 나타내는 중요한 물리적 양으로서 도시 계획부터 공중 보건, 기후 변화에 이르기까지 다양한 분야에서 연구 대상이 되어 왔다(Di Napoli et al. 2020). 본 연구에서 다루는 열 스트레스 지수는 WBGT를 주로 하고, 그 외에 UTCI를 활용하였다.

열 스트레스 지수 산출을 위하여 다음과 같은 수식을 활용하였다. 열 스트레스 지수인 WBGT의 수식 (1)은 ISO 7243:2017 (2017)에서 참고하였다. 열 환경요소 매개 변수인 MRT 산출을 위하여 ISO 7726:1998(2012)에 근거하여 수식 (2)에 따른 분석을 진행하였으며, 열 스트레스 지수인 UTCI를 수식 (3)에 근거하여 UTCI 홈페이지(http://utci.org)와 Blazejczyk et al.(2013)을 참고하여 산출하였다.

연구대상지 표면온도 측정

정원의 구성요소에 따른 열 환경을 조사하기 위해 열화상 카메라를 활용하여 표면온도 측정을 3회 이상 반복하여 대기환경 측정 시 동시에 진행하였다. 열화상 카메라(T420, Flir)의 소프트웨어를 활용하여 표면온도를 산출하고 자료를 도출하였다 (Fig. 1). 정원의 구성요소 중 하나인 시설물의 소재와 재료에 따라서 여름철 한낮의 정보를 확인하여 이용자의 열 쾌적감 완화 또는 열 스트레스가 높아지는 경우에 대해서 시설물 소재의 정보와 형태에 대해서 분석하였다. 정원의 식물 배치와 대상지 상세 위치는 Fig. 2에 정리하여 제시하고 있다.

결과 및 고찰

정원-대조구 간 열 환경 차이

정원과 대조구 간 열 환경요소의 동시간대 변화를 분석하였다(Fig. 3). 본 연구에서 측정한 열 환경요소는 대기온도, 흑구온도, 습도, 습구온도이다. 열 환경요소의 시계열 변화는 대기온도의 변화보다 흑구온도의 변동이 컸다. 흑구온도는 최소 1.4°C에서 시작하여 4.4°C의 범위를 보이고 있어, 일사광선의 영향을 확인하였다(Fig. 4, Table 2). 흑구온도의 영향이 있음에도 불구하고 열 스트레스 지수인 WBGT의 차이는 0.3°C에서 1.6°C 로 나타났다.

WBGT의 차이가 크지 않은 것은 정원의 교목의 비율이 낮아 그늘이 공원과 도시 숲에 비하여 적게 형성되었기 때문이다. 일사광선의 영향으로 인한 불쾌감을 주변 정원의 습도와 대류 순환이 저감시킬 수 있는 하나의 요인이 될 것으로 예측된다. 본 연구에서 정원과 대조구 간의 대기 중 습도, 온도와 같은 열 환경요소의 유의한 차이와 변화 양상을 확인하였을 때, 정원의 식물과 포장재에 의해 대류 순환이 이루어질 수 있는 것을 예측할 수 있다. 특히, 정원의 일정 면적의 조사구에서 정원사가 토양과 식물을 관리하여 생기는 토양수분함량의 변화를 관찰한 연구결과에 의하면, 정원관리 활동으로 인해 토양 보수력이 향상되고 장기적으로 토양수분함량이 유지되는 기간이 길었다 (Lin et al. 2018b). 이는 다른 유휴지에 비하여 관리활동으로 인한 정원의 식물 생육환경이 높은 수준으로 유지되는 것을 뜻한다(Egerer et al. 2018). 결과적으로 기후변화에 의한 폭염기간에 식물 생육에 유리한 환경조건이 만들어지는 것이다. 식물의 생육상태가 좋아질수록 증발산과 대류순환의 영향으로 미기후를 조절하는 역할을 하게 된다. 정원이 대류 순환에 영향을 주어 500m 반경 안의 미기후를 조절할 수 있는 가능성을 본 연구결과에서 확인하였다.

온도의 변화 폭을 분석하기 위하여 각 정원의 최소 대기온도 (Ta)의 기초환경 변수와 열 환경 영향 변수인 흑구온도(Tg) 간 의 변화양상을 상대 비교하였다(Table 3). 대부분 정원에서는 대조구보다 온도 상승폭이 낮게 나타나, 정원이 가지는 열 환경 완화에 대한 경향을 파악할 수 있었다. Armson et al.(2012)에 따르면, 1m×1m 실험구와 대조구의 나지와 초지의 표면온도를 측정하여 비교하기 위하여 대기온도의 최소값을 기준으로 대기온도와 흑구온도의 온도 변화를 회귀분석을 통해 회귀계수를 산출하였다. 본 연구에서도 동일한 분석방법을 활용하여 대조구와 실험구의 온도 변화폭을 확인하였다(Fig. 5). Armson et al.(2012)에 따르면, 2년간의 표면 온도에 대한 차이를 모니터링하였을 때, 콘크리트 양지>콘크리트 음지>초지 양지>초지 음지 순으로 대기 온도 차이 폭이 확연하게 달랐다. 콘크리트는 양지일때 2.3에서 2.6배로 대기온도와 흑구온도의 차이가 났고, 그늘에서는 1.3에서 1.6배 차이가 났다(Armson et al. 2012). 반면, 초지는 양지일 때 0.5에서 0.7배로 대기온도와 흑구온도의 차이가 났고, 그늘에서는 0.3에서 0.6배 차이가 났다. 초지 양지와 콘크리트 양지의 차이가 두드러지게 나타나는 것은 그늘이 없는 공간에서 초지가 이용자에게 미치는 쾌적감이 높다는 것을 알 수 있다. 선행 연구 결과를 토대로 보았을 때, 본 연구에서 진행된 대조구와의 온도 차이 변화에 대해서 유의한 차이를 동일하게 확인할 수 있었다. 또한, 작은 녹지(plot)의 온도 저감 효과를 확인하였는데, 이러한 결과는 공간에 대한 쾌적성을 증대시키는 데에 정원에서 활용할 수 있는 작은 녹지가 주는 혜택이 크다는 것을 보여준다.

정원 구성요소 간 열 환경 차이

본 연구의 대상지 정원 구성요소에서 시설물이 차지하는 비율도 녹지 비율만큼 높게 나타났다. 각 정원에서 소재에 따른 시설물 표면 온도 분포의 결과에 따르면 목재의 표면온도가 높았다 (Table 4). 표면온도의 차이는 순간적인 일사광선의 영향을 받을 수 있기 때문에 나지와 그늘의 표면온도 차이를 동일한 시간대와 지역의 정원 3개소를 대상으로 비교하여 나타냈다. 녹지(교목, 관목, 초본) 구성요소는 나지와 그늘의 차이가 1.1°C에서 1.3°C 로, 차이가 크게 나타나지 않았으며, 통계적으로도 유의하지 않았다. 석재와 목재로 만들어진 시설물의 경우에는 다르게 나타났다. 석재는 1.5°C에서 5.5°C로 표면온도 차이가 나타나 차이 폭이 크고, 목재는 차이의 폭이 가장 컸다. 9.9°C에서 11.6°C까지 일사광선의 영향으로 온도 변화가 심해 한낮의 이용객이 느끼는 열 스트레스에 부정적 영향을 미칠 수 있다(Table 4).

열 스트레스 지수의 분석 결과(Table 5), 동일한 지역의 인근 정원임에도 불구하고 정원구성요소에 따라서 범위가 다르게 나타났다. 안산시 놀이뜰정원은 교목과 관목의 녹지 비율은 높았으나 인근 도로와 시설물이 차지하는 피복율이 높아서 열 스트레스 지수는 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한, 오산시 매홀두레 정원은 일사광선의 영향으로 높게 나타난 흑구온도의 영향으로 열 스트레스 지수인 WBGT와 UTCI가 높게 나타났다 (Blazejczyk et al. 2013). 건물 그늘의 영향으로 인해 정원 구성 요소의 열 환경 차이가 가장 크게 나타난다. 유사한 녹지 비율에서 건물의 유무는 여름철 한낮에는 열 스트레스 측면에서 큰 차이로 다가올 수 있다. 건물의 높이보다 건물 면적이 UTCI에 영향을 주며, 물리적 형태가 도시 열 스트레스 지수에 영향을 줄 수 있다. 특히, 수고가 높은 교목이 존재하는 건물 주변에서는 건물 면적이 넓을수록 알베도가 높아져 UTCI가 증가한다 (Yang et al. 2024). 본 연구 대상지와 같은 정원에는 교목보다 아교목과 관목의 비율이 높기 때문에 주변 건물의 높이가 열 스트레스 지수와 연관성이 높게 나타난다. 열 스트레스 지수 중에서도 UTCI는 생기후학적 바탕에서 WBGT와 연관성이 있지만, UTCI의 열 스트레스 스케일이 세분화되어 있어(Zare et al. 2018) 정원과 같은 소녹지 단위에도 적용이 가능할 것이다. 열 스트레스의 범위는 UTCI 지수의 값이 26°C에서 32°C 사이일 때 ‘moderate heat stress’, 32°C에서 36°C 사이일 때 ‘strong heat stress’로 구분되며(Blazejczyk et al. 2013), WBGT 지수는 26°C에서 28°C 사이일 때 ‘hot’으로 구분된다(Zare et al. 2019). 전반적으로 정원 6개소 중 4개소에서 UTCI가 ‘moderate’ 수준을 보였으나 WBGT 지수는 모두 ‘hot’ 수준을 나타냈다(Table 5). 교목과 잔디 포장 재료의 조합으로 만들어진 정원에서는 건물의 그늘의 영향과 유사한 열 스트레스 지수가 나타났다. 안산시의 꿈틀정원과 파도정원은 주변의 건물이 존재하지 않는 곳과 존재하는 곳으로 비교할 수 있다. 건물이 존재하는 꿈틀정원은 31°C의 흑구 온도, 32.8°C의 MRT를 보였다. 건물이 존재하지 않지만 잔디와 흙 포장으로 이루어진 공간의 정원에서 유사한 MRT 수준을 확인할 수 있었으며, 열 스트레스 지수에서도 0.3°C의 차이만 나타났다. 특히, 파도정원은 교목과 관목, 잔디 포장으로 인공 재료 포장을 최소화한 것에서 영향이 있었던 것으로 판단된다.

결론적으로, 건물 그늘의 영향에 따라서 열 환경 변화는 일어날 수 있으나, 건물 그늘이 존재하지 않는 곳에 정원이나 녹지를 조성할 경우에는 자연 포장 재료 선정으로 열 스트레스 완화에 영향을 줄 수 있다. 우선순위에 따른 정원구성요소 선택 과정은 다음과 같다. 건물→수목→주변 포장재→정원 포장재→시설물의 순서로 정원 입지 선정과 구성 요소 선정에 활용할 수 있을 것이다. 위의 우선순위와 관련하여 각각의 가이드라인을 구체화 하기 위한 향후 연구가 필요하다고 판단된다. Li et al.(2023)에 따르면, 도시의 개별 구성요소를 혼합하여 20개의 혼합 구성요소 카테고리를 만들었다. 카테고리에 따라서 열 환경 분석과 카테고리에 대한 도시계획 전략을 제시하고 있다. 카테고리에 따른 열 환경 분석을 위해 3D 모델링 도입하여 앞으로의 열 환경 변화에 따른 시계열적 변화도 분석하고 있으므로, 향후 연구에 추가 도입될 필요가 있다.