서론
현대 도시의 개발로 인하여 도시구조가 밀집되면서 도시 환경이 점차 열악해지고 있다. 대기환경의 오염뿐만 아니라 열환경이 취약 해져 열섬현상이 나타나고 있다. 이에 대한 방안으로 도시계획에 녹지를 도입하여 도시환경을 개선하고자 노력하고 있다. 녹지는 도 시 환경의 지속적인 개발과 발전에 주요역할을 담당한다(Benedict and McMahon, 2006). 특히 주변 환경의 기류순환 및 온도저감 효 과가 있기 때문에(Robitu et al., 2006), 도시의 취약한 열환경을 개 선하는데 기여한다. 녹지에 의한 열환경 개선 효과 관련 연구는 토 지피복유형별 표면온도 저감(Yoon et al., 2008; Kim and Yeom, 2012), 도시공원 조성에 따라 주변 표면온도 저감 효과(Kim et al., 2010) 연구 등이 이루어졌다. 단, 이와 같은 연구결과를 통해서는 대규모 단위의 녹지의 온도 저감 효과를 알아볼 수 있었지만 이용 자 입장에서 소규모 단위의 열환경 개선효과를 구명하기에는 어려 움이 있었다. 또한 서울 도심내부의 열환경이 녹지피복 보호에 의 해 완화되면서 노인 사망자 수를 감소시킬 수 있다는 결과(Choi, 2010)를 통해서 녹지의 온도저감효과뿐만 아니라 이용자 입장에 서 온열감과 온열질환에도 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다.
이용자가 느끼는 열적 스트레스를 검증하기 위해서 온열환경 및 인체 온열반응 분석 방법을 주로 사용한다(ISO 7730, 1994; ISO 9886, 2004). 온열환경(Thermal environment)은 인체 쾌적감에 영향을 미치는 요소로 구성되며, 대기온도, 습도, 풍속, 복사열 등 을 뜻한다(ASHRAE, 1992). 온열환경과 인체 영향에 관련된 연 구는 실내환경 위주로 연구되어 실외에서의 다양한 환경에 노출되 었을 때 심리적, 생리적 인체 변화가 어떻게 나타나는지에 대한 연 구는 부족한 실정이다. 심리적인 변화와 온열환경의 관계는 설문 조사를 통하여 검증되어왔으나(Spagnolo and de Dear, 2003; Mahmoud, 2011) 인체 생리학적 실험을 통하여 건강에 미치는 영 향을 고려한 연구는 일부에 불과하다. 또한 녹지유형에 따라서 온 열감 차이를 연구한 사례도 미비한 실정이다.
이에 본 연구는 녹지유형에 따른 기상인자와 인체 온열감을 비 교하고자 하였다. 첫째, 녹지유형에 따라서 대기온도, 습도 등 온 열환경 수치가 높아지는지 또는 낮아지는지의 경향을 조사하였 고, 둘째, 녹지유형에 따라서 인체가 느끼는 온열감을 생리적 또 는 심리적인 온열감 수준에 따라 조사하였다. 이 연구를 통하여 도 출된 결과는 도심지내 녹지유형이 열환경에 미치는 영향과 녹지 공간에서의 인체온열감을 개선하기 위한 근거를 마련할 수 있을 것이다.
연구 방법
1. 연구대상지
본 연구에서는 도시 내 대기온도가 높은 서울시 내 행정구역을 선정하였다. 동대문구는 1998년에서 2009년까지 연평균 13.9°C 로 다른 행정구역에 비하여 높은 온도를 보였다(Lee et al., 2010). 또한 동대문구의 녹지면적은 25개 자치구 중 10번째로 낮게 나타 나(Statistic Korea. 2014), 녹지가 기온에 영향을 미칠 수 있다는 가능성을 보여준다. 녹지유형은 정책에 반영되는 도시계획 단위인 용도지역을 중심으로 나누었다. 용도지역 중 도시지역 내에 주거지 역, 상업지역, 녹지지역을 기준으로 각각 녹지유형을 선정하였다. 본 연구는 미기후 측정 결과를 바탕으로 온열감을 비교하여야 하기 때문에 물리적으로 거리가 먼 녹지유형은 제외하도록 하였다. 최종 적으로 선정된 연구대상지는 동대문구에서 녹지 규모가 다르게 나 타난 도시숲인 홍릉숲 숲길과 D아파트 단지 내 소공원, 청량리역 광장을 선정하여 녹지 규모와 기초적인 인체 온열반응 차이를 조사 하였다(Fig. 1). 각 연구대상지는 도시 내 흔히 존재하는 녹지형태 를 기준으로 선정하였다. 도시숲인 홍릉수목원은 서울시 동대문구 에 위치하고 있으며, 홍릉수목원 내 숲길 초입에 위치한 쉼터에서 본 실험을 진행하였다. 이 지역은 수목 14본으로 이루어진 공간이 며, 수목의 평균 수고는 9.7m 이며 12-17m의 수목이 7본 존재하였 다. 흉고직경은 16cm～26cm의 중경목 7본이 존재하였고 나머지 수목은 소경목이었다. 수목이 차지하는 면적은 40 × 40m 방형구 의 55%였다. 나머지 공간에는 시멘트로 만들어진 도보용 길이 10m 폭으로 위치하고 있었다. 수목이 존재하는 위치에는 바닥면이 토양 으로 덮여 있는 상태였다. D아파트 단지 내 소공원은 아파트 건물 옆 수목 20본으로 조성되었다. 환경조사 결과, 수목의 평균 수고는 4.7m이나 6m이상의 수고가 높은 나무가 5본 존재하였고, 흉고직 경은 6～16cm의 소경목이 대부분을 차지하였다. 수목이 차지하 는 면적은 40 × 40m 방형구의 29.5% 이었다. 아파트 건물은 20층 높이이며 외벽은 시멘트 및 페인트 마감처리 되었으며, 방형구 주 변에 1동이 위치해 있었다. 청량리역 광장에서는 흉고직경 6cm 미 만의 소경목이 15본 존재하였고 평균 수고는 3m 수준이었다. 40 × 40m 방형구에서 수목이 차지하는 면적은 5.5%였으며 25%는 건 물이 위치해 있었다. 나머지 공간은 콘크리트로 만들어진 바닥으로 구성되어 있었다. 건물은 6층 높이로서 외벽이 햇빛을 반사하는 유 리로 마감 처리되었다.
각 연구대상지가 천공에 노출되어 있는 정도를 나타내는 어안 렌즈 사진을 활용하여 연구 대상지의 형태를 조사하였다. 카메라 (Nikon Coolpix 8800)에 어안렌즈(Nikon fisheye converter, FC-29)를 부착하여 대상지 사진을 촬영한 후에 Hemiview를 통하 여 Sky view factor(SVF)를 분석하였다(Song and Jeong, 2016). 홍릉숲 숲길은 수목으로 둘러싸여 천공 노출된 비율이 낮았으며, 주거녹지는 수목과 아파트단지 건물에 의하여 그늘이 생겨 천공 노 출된 비율이 낮았다. 청량리역 광장 녹지쉼터는 콘크리트재로 바닥 이 마감되어 있었고 역 광장 건물에 의하여 그늘이 생기기도 하지 만 주거녹지 지역에 비하여 상대적으로 천공 노출 비율이 높았다 (Fig. 2).
2. 온열환경 측정
온열환경 측정은 2014년 8월 26일부터 29일에 걸쳐 일반적인 여름철 맑은 날씨에 진행하여 녹지 쉼터의 온열감 저감 효과를 조 사하였다. 조사 당일의 기상 환경은 동대문구 기상 측정소를 기준 으로 오후 2시 실험 시작 시간에 평균기온 28.0°C, 습도 58.2%, 풍 속은 1.3m/s로 일반적인 여름철 날씨를 보여주었다.
녹지유형별 온열환경 측정은 Amenity meter(AM-101, KEM, Japan)를 이용하여 오후 2시부터 3시 사이에 진행하였다. 온열환 경조사는 대기 온도와 상대습도, 풍속, 흑구온도를 측정하여 복사 온도를 추가 산출하였다.
3. 인체의 생리적 온열반응 및 심리적 온열감 조사
각 연구대상지에서 인체 온열반응과 물리적 온열환경 측정을 동 시에 실시하였다. 조사대상자는 일반인 20세에서 35세 사이에 남 성 18명이 참여하였다. 또한 실험자의 활동량과 착의량도 온열감 에 영향을 줄 수 있어 피험자의 활동상태를 구분하여 인체대사량을 기준으로 발열량을 표준화하였다(ASHRAE, 1992). 본 연구에서 피험자는 앉은 상태에서 실험을 진행하였으므로 동일한 활동량으 로 가정하였다. 착의량은 야외 날씨에 따라 피험자가 착용한 의복 을 ISO 7730(1994) 기준에 따라서 수치화하였다. 피험자의 평균 착의량은 0.35(0.25-0.65)이었다. 실험기간 동안 기상조건의 뚜렷 한 변화가 없었고 기온이 비슷한 수준을 유지하였기 때문에 일자 및 지역에 따른 착의량 차이는 없었다.
1) 피부온도 및 심부온도 측정
피부온도는 이마, 배, 팔등, 손등, 허벅지, 종아리, 발등의 7개 부 위에 센서를 부착하여 측정하였고, Hardy and Dubois(1938)에서 제시한 부위별 가중치에 따라 평균피부온도를 산출하였다. 피부온 도 측정 센서를 피부온도 측정기(TSK7+1, Technox, Inchon)에 순서대로 연결하여 5초마다 데이터를 수집하도록 하였다. 실험대 상자 모두 동일한 센서와 동일한 측정기를 사용하여 기기에 따른 오류를 최소화하였다. 피부온도 외에 심부온도는 구강, 고막, 직장 부위의 온도를 측정하도록 ISO 9886(2004)에서 규정하며, 본 연 구에서는 직장온도를 사용하였다. 심부온도는 인체의 심혈관계 건 강에 대한 지표로 심부온도가 이상적으로 높아질수록 혈류량이 늘 어나 인체 심혈관계 순환에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 여 름철 고온현상으로 인하여 생기는 온열질환의 원인을 파악할 수 있 는 인체 지표로 활용할 수 있을 것이다. 직장온도센서는 일회용 커 버를 씌워 피험자의 직장에 삽입하였다. 직장에 10cm 이상 삽입되 어야 외기의 영향을 받지 않는 온도를 측정할 수 있다. 항문 관련 질 환을 앓고 있는 피험자는 본 실험에서 제외하였으며 심혈관계 질환 의 경우에도 마찬가지로 제외하였다.
2) 온열감 설문조사
조사대상자의 피부온도와 직장온도 측정과 동시에 10분마다 현 재 온열감에 대한 질문을 하였다. 온열감은 “매우 춥다”에서 “매우 덥다” 사이를 9점 척도로 조사하였고, 온열환경에 대한 만족감을 4 점 척도로 평가하게 하였다. Table 1에 각 온열감과 쾌적감에 대한 척도 구분을 나타냈다.
Table 1.
The scales of thermal sensation.
결과 및 고찰
온열환경 측정 결과에서 대기온도는 숲길 지역에서 27.3±0.16°C 로 가장 낮았고, 복사를 나타내는 복사온도는 도심지에서 45.4± 2.75°C로 가장 높았다(Fig. 3, 4). 숲길 지역에서 대기온도와 복사 온도, 체감온도가 모두 낮게 나타났으며, 복사온도의 경우에 숲길 과 주거녹지 지역의 차이는 1.03°C로 나타나 크지 않았으나 통계 적으로 유의한 차이를 보여 주었다. 대기온도보다 복사온도의 차이 를 통하여 녹지의 온열감 저감효과를 확인할 수 있었다. 녹지 면적 에 따라서 복사온도의 차이가 뚜렷하지 않았으나, 20본 정도의 수 목으로 구성된 소녹지에서도 숲길과 같이 효과적인 온열감 저감효 과의 가능성을 확인할 수 있었다. 숲길에서 습도가 가장 높게 나타 나고 풍속은 도심에서 가장 높게 나타났다(Fig. 5). 숲길에서 수목 이 밀집되어 있어 증산작용으로 인한 수증기가 다량 발생한 것으로 보이며, 도심은 숲길에 비하여 차폐되어 있지 않기 때문에 공기가 지나갈 때마다 풍속이 측정된 것으로 보인다. 이와 같은 변수들이 온열감에 일부 영향을 주었지만 풍속 및 습도에 의하여 피부온도와 온열감의 큰 변화가 나타나지는 않았다.
연구대상지의 환경적 특징과 열환경의 관계를 알아보기 위하여 SVF를 조사한 결과인 Fig. 2에 따르면, 녹지유형에 따라 숲길, 주 거녹지, 도시 수목으로 인한 그늘로 나눠진 실험지에서 SVF가 다 르게 나타났다. 숲길 SVF는 0.651 로 주거녹지 유형에 비하여 상 대적으로 천공비율이 높았다. 숲길은 주거녹지 소공원보다 천공비 율이 높아 햇빛 유입이 상대적으로 많을 것으로 예상되지만 온도는 유의하게 낮게 나타났다. 주거녹지 유형은 아파트단지의 높이로 인 하여 천공비율이 가장 낮았고 그늘져 있는 시간이 상대적으로 길 것이라고 예측할 수 있다. 그러나 대기온도와 복사온도의 차이를 보았을 때, 천공비율에 따라서 온도가 결정된다고 할 수는 없다. 이 는 녹지의 양이 증가할수록 기류 순환이 활발하여 태양광선에 의해 공기가 데워지더라도 순환을 통해 온도 조절이 가능하기 때문일 것 이다(Graves et al., 2001).
인체 평균피부온도는 숲길 지역에서 34.0±0.64°C로 가장 낮았 고, 주거녹지 지역에서는 34.4±0.42°C, 도심지에서는 34.6±0.51°C 로 가장 높았다. 평균직장온도는 도심지에서 37.4±0.34°C로 가장 높았고, 주거녹지지역에서는 37.1±0.34°C, 숲길 지역에서는 37.0± 0.49°C로 나타났다(Table 2). 인체 온열반응을 대표하는 평균 피 부온도는 외부환경에 따라서 수시로 변하는 인체 지표 중 하나이 다. 이를 통하여 온열감과 피부온도, 온열환경의 상관관계를 살펴 봄으로써 현재 환경의 인체 영향 정도를 평가할 수 있다. 본 연구에 서 평균 피부온도는 녹지유형에 따라서 숲길에서 가장 낮고 도심에 서 높은 경향이 나타났으며, 특히 심부온도인 직장온도가 도심 지 역인 청량리역 광장 쉼터에서 가장 높은 범위를 나타내는 것으로 보아, 도심 열환경이 인체 심혈관계에 부정적인 영향을 미칠 수 있 다고 판단된다. 실험 시간에 따른 변화를 분석한 결과, 피부온도는 시간이 지날수록 숲길 지역에서만 점차 낮아지는 경향을 보였으며, 직장온도는 모든 지역의 변화 경향은 유사하나 녹지 면적이 적은 도심지역에서 온도 범위가 뚜렷하게 높게 나타났다(Fig. 6, 7).
Table 2.
Subject’s mean skin temperature and rectal temperature according to the green space type.
| Area | Central building district | Residential area | Forest trail |
|---|---|---|---|
|
|
|||
| Skin temperature | 34.6±0.5az | 34.4±0.42b | 34.0±0.64c |
| Rectal temperature | 37.4±0.3a | 37.1±0.34b | 37.0±0.49c |
온열감 설문조사에서는 숲길 지역에서 -1(약간 서늘하다)에서 0(덥지도 춥지도 않다)의 범위로 나타나서 연구대상지 중에서 가 장 서늘하게 느끼는 것으로 나타났다(Fig. 8). 온열쾌적감은 도심 지에서 가장 낮게 나타났고, 숲길과 주거녹지지역에서는 유사한 수 준의 온열쾌적감을 느끼는 것으로 나타났다(Fig. 9). 온열감 설문 결과에서는 쾌적하다고 느끼는 범위인 조금 시원하다(–1) ～ 조금 따듯하다(+1) 에 주거녹지와 숲길지역의 피험자 결과가 포함되어 있어서 온열쾌적감에서도 두 지역에 대해서는 모두 만족하는 범위 로 나타난 것으로 판단된다. 반면, 도심은 온열감이 조금 따듯하다 (+1) 범위를 벗어난 설문결과가 나타나기 때문에 다소 온열쾌적감 이 낮은 점수로 나타났다.
녹지유형에 따라서 온열환경지표는 다르게 나타났다. 대기온도 는 숲길 지역에서 가장 낮았고 복사온도는 숲길과 주거녹지에서 유 사하게 나타났다. 온도뿐만 아니라 습도와 풍속의 영향도 주변 환 경에 따라서 다르게 나타나므로 복합적으로 인체에 영향을 줄 것으 로 보인다. 특히 온열환경을 나타내는 여러 가지 환경인자 중에서 대기온도와 복사온도가 서로 다른 경향을 보여주고 있다. 도심지 역에서는 대기온도와 복사온도가 모두 뚜렷하게 높게 나타나지만, 주거녹지지역과 숲길에서는 대기온도는 약 2°C차이가 났고 복사 온도는 거의 동일한 수준으로 나타났다. 이에 따라 지표 간 차이를 보완하고 종합적으로 분석하기 위하여 대기 중 온도뿐만 아니라 복사온도, 흑구온도 등 다양한 온도지표를 활용하는 것이 온열환 경으로 인한 인체 영향을 파악하기 위하여 반드시 필요한 부분이 다. 이는 인체영향을 직접적으로 측정할 수 없을 때에 온열환경을 측정하고 지표 분석을 통해 인체영향을 판단할 수 있기 때문이다. 특히 Spagnolo and de Dear(2003) 연구에 따르면 온열환경 지표 를 여러 가지 도입함으로써 각 지역의 기후특성을 토대로 적합한 지표를 선정하고자 한 것처럼 다각적인 지표를 도입하는 것이 현재 온열환경을 파악하고 인체 영향을 파악하기 위하여 적합한 방법일 것이다.
실내환경의 온열환경과는 다르게 외부 온열환경 연구를 진행하 기 위해서는 온열환경 지표뿐만 아니라 인체 온열반응을 함께 살펴 보아야 한다. 이는 사람은 외부환경에 대해서 과거 방문 경험이나 그 때의 인상을 통해서 심리적으로 다르게 느끼게 되며 온열반응이 달라지기 때문이다(Nikolopoulou et al., 2001). 온열반응은 심리 적 측면과 생리적 측면으로 나누어 살펴볼 수 있다. 특히 생리적 온 열감은 인체 건강과 밀접한 관련이 있다(Parsons, 2002). 인체 피 부온도와 심부온도는 인체 대사량 및 혈류량과 관련이 있으며, 혈 류량은 인체 대사량의 항상성을 유지하는 주요 요인이기도 하다 (Sakoi et al., 2007). 이에 따라 생리적으로 건강한 상태, 즉, 항상 성을 유지할 수 있는 수준의 온열환경범위가 생리적으로 쾌적한 상 태라고 할 수 있다(Song, 2010).
종합적으로 보면 위의 내용에 근거하여 보았을 때, 녹지 규모에 따라서 피부온도와 직장온도의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 생리적인 측면에서 녹지에 의한 온도차이는 인체에 영향을 미치는 수준이라는 것을 알 수 있다. 특히 도심과 숲길에서 직장온도의 0.4°C차이는 인체 열적 스트레스에 영향을 미치는 수준이다. ISO 9886(2004)에 따르면 1시간 동안 심부온도가 1°C 증가할 때 열 스 트레스는 위험한 수준이며 이러한 경우에 그 환경을 벗어나야 한 다. 심부온도의 차이가 평균적으로 0.4°C 나타나는 것은 한계치 수 준보다는 낮지만 열 스트레스를 받고 있다는 것을 의미한다. 심리 적 온열감에서는 Fig. 9에서 온열쾌적감(온열만족감)은 녹지유형 에 따라 확연한 차이를 보이고 있지는 않다. 숲길과 주거녹지에서 는 동일한 온열감을 보이고 있어서 심리적으로 만족하는 정도는 같 다. 녹지유형에 따라 생리적으로 온열감 완화효과가 다르게 나타났 으며, 심리적 온열감은 녹지 규모에 영향을 받기보다 녹지 유무와 같이 차이가 큰 환경에서만 다르게 인식하는 것으로 나타났다. 즉, 생리적 온열감은 심리적 온열감과는 달리 민감하게 환경에 반응하 고 있다. 또한, 생리적 온열감 지표 중에 피부온도는 숲길 지역에서 가장 낮게 나타나기도 하거니와 다른 지역과 달리 시간에 따라서 피부온도가 증가하지 않고 유지되는 현상을 보여주기 때문에 여름 철 높은 온도에서도 숲길이 제공하는 인체 온열감 저감효과를 보여 주고 있다. 본 연구결과를 통해 피부온도와 같은 생리적 온열감 지 표의 효용성을 확인할 수 있다.
적요
본 연구는 도시녹지유형의 인체온열반응을 조사하여 비교분석 하였다. 서울시 동대문구에 3가지 도시녹지 지역을 설정하고 기상 인자, 인체온열반응을 동시에 측정하였다. 도시지역은 대기온도, 복사온도가 높았고 주거녹지 지역은 복사온도가 숲길과 비슷한 수 준으로 측정치가 낮게 나타났다. 도심, 주거녹지, 도시숲 순으로 피 부온도, 직장온도가 낮아졌고, 도시지역에서 직장온도가 확연히 높았다. 심리적 온열감에서는 도심과 숲길처럼 녹지변화가 클 때 쾌적감이 달라졌고, 생리적측면에서 피부온도는 녹지유형에 따라 도시숲에서 낮았고 도심지역에서 높았으며, 직장온도는 도심지역 에서 유의하게 높게 지속됐다. 즉, 인체생리학적인 변화는 녹지유 형에 따라서 다르게 나타나지만 심리적으로는 녹지 유무와 같은 분 명한 차이를 느끼고 있었다. 본 결과는 도시계획 내 녹지구역을 설 정하는 경우에 생리적 온열쾌적감 증진을 위한 녹지 배치 근거로 활용할 수 있을 것이다. 생리적 온열환경에 취약한 집단을 대상으 로 한 도시녹지구역 설정을 위하여 기초자료로서 활용될 수 있을 것이다. 물론 녹지 조성 사례지에 대한 점검과 연구가 추가로 수행 되어야 구체적인 정책 적용방안이 도출될 것으로 판단된다.
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