Ecology and Resilient Infrastructure (2018) 5(4): 219-228 https://doi.org/10.17820/eri.2018.5.4.219 http://www.kseie.or.kr/ Online ISSN: 2288-8527 ORIGINAL ARTICLE 여름철택지개발지역의열쾌적성에관한연구 A Study on Human Thermal Comfort of Residential Development Districts in Summer Season 공학양 1 ㆍ최낙훈 2 * ㆍ박성애 3 ㆍ이종천 4 ㆍ박수국 5 1 국립환경과학원자연환경연구과연구사, 2 국립환경과학원자연환경연구과전문위원, 3 국립환경과학원자연환경연구과전문위원 4 국립환경과학원자연환경연구과과장, 5 제주대학교생명자원과학대학교수 Hak-Yang Kong 1, Nakhoon Choi 2 *, Sungae Park 3, Jongchun Lee 4 and Sookuk Park 5 1 Department of Environment Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea 2 Department of Environment Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea 3 Department of Environment Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea 4 Department of Environment Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 22689, Korea 5 College of Applied Life Science, Jeju National University, Jeju 63243, Korea Received 28 October 2018, revised 28 November 2018, accepted 30 November 2018, published online 31 December 2018 ABSTRACT: This study measured the Physiological Equivalent Temperature (PET) of the hottest day time in a day, in order to verify the characteristics of human thermal comfort in case of heat wave during summer time in each region, by subdividing the urban areas in accordance with the climatic characteristics with the use of Local Climate Zone (LCZ) as a method of classifying the type of urban climate and the land cover map, targeting the Homaesil residential development district in Suwon. In the results of measurement, the forest and paddy field showed the moderate heat stress while the urban park showed the strong heat stress. Other developed areas showed the extreme heat stress. Such results show the possibility of institutional utilization for the improvement of human thermal comfort through the verification of climatic characteristics and differences in each type of urban areas, and the efficient placement of green infrastructure and the planning of land use to cope with the heat wave even in the planning stage for the establishment of urban planning. KEYWORDS: Green infrastructure, Heat stress, Land cover map, Local climate zones, Physiologically equivalent temperature (PET) 요약 : 본연구는수원시호매실택지개발지구를대상으로토지피복지도와도시기후유형분류방법인 Local Climate Zone (LCZ) 을활용하여기후적특성에따라도시지역을세분화하고, 각각의지역에대한여름철폭염시열환경특성을확인하고자하루중가장더운낮시간의열쾌적성을측정했다. 측정결과산림과논은중간열스트레스값을, 도시공원은강한열스트레스값을나타냈으며, 기타시가화지역은극한열스트레스값을나타냈다. 이러한결과는도시지역의유형별기후적특성과차이를확인하고, 도시계획수립시계획단계에서부터폭염을대비한토지이용의구상및그린인프라의효율적인배치를통해열환경개선을위한정책적활용가능성이있음을보여주었다. 핵심어 : 그린인프라, 열스트레스, 토지피복도, 기후지역, 열쾌적성 *Corresponding author: okaynh@hanmail.net, ORCID 0000-0002-5143-8323 c Korean Society of Ecology and Infrastructure Engineering. All rights reserved. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 219
220 H.-Y. Kong et al. / Ecology and Resilient Infrastructure (2018) 5(4): 219-228 1. 서론최근기후변화로인해한반도의여름철기온은지속적으로상승하고폭염일수또한점진적으로증가하고있다. 특히기상청보도에따르면올해의여름은관측역사상 111일이라는기록적인폭염이이어졌고 (Korea Meteorological Administration 2018), 이러한기온상승은여름철에발생하는주요재해요소중하나로보고되고있다 (Kim et al. 2006). 또한이러한기온변화는도시지역의급속한도시화와함께열환경을변화시키는중요한요인으로작용하였다. IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) 는기후변화로인해도시열파의발생, 강도및기간이지속적으로증가할것이라고예측하였으며 (2007), 도시화에따른토지피복의변화가폭염발생을증가시키는영향에관한연구 (Park et al. 2016), 도시의구조적 공간적지표를활용하여열환경의취약성을파악하는연구 (Eum 2016) 등다양한연구결과가이를뒷받침하고있다. 도시의열환경평가는국제적으로통용되고있는 Physiological Equivalent Temperature (PET) 를활용하여분석가능하며, 우리나라에서의관련연구는도시의근린공원, 가로수, 조경등그린인프라를활용한열환경관리에관한연구 (Kong et al. 2016, Park 2012) 를중심으로이루어졌다. 도시의공원, 수변, 경작지등의다양한그린인프라요소들은경관 생태 물관리및자연환경개선효과측면에서의긍정적효과뿐만아니라열환경관리측면에서의중요성도부각되고있는것이다. 국내택지조성사업은수도권을중심으로안정된주택공급을목적으로곳곳에서이미조성되었거나진행중에있다. 최근에계획된개발지구의경우에는공원 녹지의면적이과거에비해증가하였으며, 생태면적율적용지침의제정 ( 환경부 2005) 으로환경영향평가단계에서부터어느정도계획 관리가이루어지고있다. 하지만열환경에대한부분은별도의관련계획및정책이부족한실정이다. 따라서본연구에서는수원시의호매실택지개발지구를대상으로기후적특성에따른지역을세분화하고, 각지역별미기후측정을통해도시민이체감할수있는열환경 (PET) 특성을파악하고자했다 (Fig. 1). 또한이러한자료는택지개발사업에있어서계획단계에서부터의여름철폭염을대비할수있는공간계획구상과열환경에효과적인그린인프라활용이가능할것으로기대한다. 2. 연구방법 2.1 조사지개황본연구의조사지는수원시권선구금곡동, 호매실동일원의호매실택지개발지구북측일부와연접하고있는입북동농경지를대상으로했다 (Fig. 2). 이는그린벨트해제후공공주택단지조성이완료된지역으로서최근완료되었거나현재진행중인택지개발지구의특성을잘반영할수있으며, 시가화지역을비롯하여초지, 수변, 농경지등을포함하는다양한토지피복유형에대한열쾌적성파악이가능하기때문이다. 대상지의주변여건은수원시의서쪽끝자락에위치하여동쪽으로는미개발된농경지, 서쪽으로칠보산이위치하고있으며, 북쪽으로신규택지개발지구인당수지구의개발이계획중에있다. Fig. 1. Work flow process.
H.-Y. Kong et al. / Ecol. Resil. Infrastruct. (2018) 5(4): 219-228 221 Fig. 2. Current status of the study area. Fig. 3. Land Cover Map in 2013 (a) and 2018 (b). 2.2 조사및분석 2.2.1 토지피복지도갱신및 LCZ 구분대상지는 2013년에갱신된환경부중분류토지피복지도를기준으로대부분의지역이택지개발로인하여피복의변화가발생했기때문에토지피복지도작성지침 ( 환경부 2018) 에따라, 현재의피복상태를반영하여토지피복지도를갱신했다 (Fig. 3). 또한시가화건조지역에해당하는토지피복은도시내기후적특성을고려한공간분류를위하여 Stewart and Oke (2012) 의 Local Climate Zone (LCZ) 체계에따라세분화했다. LCZ은전세계적으로활용되고있는도시기후의유형화방법으로서도시내피복의상태및형태, 인공구조물의높이, 밀집도등기후에영향을미칠수있는요소들을기반으로도시지역을세분화하는방법이다. 본연구에서는 LCZ을국내실정과택지개발
222 H.-Y. Kong et al. / Ecology and Resilient Infrastructure (2018) 5(4): 219-228 Table 1. Instruments for microclimatic data measurements Instruments Data Name Accuracy Manufacture Radiation CNR4 Net Radiometer 1% (-40-80 ) Kipp & Zonen lnc Air temperature and Relative humidity Wind speed and direction HMP155A Met one 034B-L Windset Air temp.: ±0.3 (-80-60 ) Relative humidity: 2 % (0-90 %) 3 % (90-100 %) Wind speed: ±0.1 ms -1 ( 10.1 ms -1 ) ±1.1 % ( 10.1 ms -1 ) Wind direction: ± 4 Data logger CR1000 ±0.06 % (0-40 ) Campbell Scientific lnc Table 2. The indexes of PET (Matzarakis et al. 1999) Thermal perception PET ( C) Grade of physiological stress Very cold < 4 Extreme cold stress Cold 4-8 Strong cold stress Cool 8-13 Moderate cold stress Slightly cool 13-18 Slight cold stress Neutral 18-23 No thermal stress Slightly warm 23-29 Slight heat stress Warm 29-35 Moderate heat stress Hot 35-41 Strong heat stress Very hot > 41 Extreme heat stress 지역인대상지의여건에맞게수정 보완하여유형별특성을도출하고지역을구분했다. 2.2.2 열환경측정및분석대상지의유형별열환경특성을파악하기위해 CNR-4 net radiometer, 온 습도계, 풍향 풍속계등을이용하여태양복사및지구복사에너지, 기온, 습도, 풍향, 풍속을측정했다 (Table 1). 측정은여름철폭염시도시지역의기후특성을효과적으로알아보기위해폭염주의보가발령된 2018년 7월 19-20일 12:00시에서부터 16:00시까지인간의평균가슴높이인 1.2 m에서태양및지구복사에너지는 5초단위로, 나머지미기후요소들은 1분단위로실시하였다. 측정장비운용의제한상공원지역이중첩되게 19-20일양일간총 9지점에서미기후자료를측정하여, 공원지역자료를중심으로 Microsoft Office Excel 2014를이용하여보정하였다. 현재기상청에서제공하는열환경관련지수는기온, 습도, 풍속자료를활용한불쾌지수및체감온도이다. 하지만도시에서인간에게영향을줄수있는기후요소들은기온, 습도, 풍속뿐만아니라하늘, 건축물, 수목등도시내다양한시설과공간에서오는태양및지구복사에너지도있으므로, 본연구에서는이러한요소까지반영했다. 측정데이터를활용한열환경분석은국내외적으로가장많이사용하고있는 PET를활용하였다. 독일에서개발된 PET 분석은인간의인체에흡수되는에너지양과방출하는에너지양을정량적으로계산하여인간이체감하는열환경을나타낸지표로서 (Table 2), 기온의형태로계산한평균복사온도 T mrt (Mean radiant temperature) 를기온, 습도, 풍속과함께 Rayman Pro (http://www.urbanclimate.net/rayman) 를이용하여산출한다 (Eq. 1). (Eq. 1 from Park 2011)
H.-Y. Kong et al. / Ecol. Resil. Infrastruct. (2018) 5(4): 219-228 223 여기서 fp는태양직사광선이도달하는인체의표면적 (projected area factor), K b K d K r 은각각태양의직사광선 분사광선 반사광선이다. L은지구복사에너지의양, ε는인체에서의지구복사에너지방사율 (emissivity), α는인체의태양복사에너지반사율 (albedo), σ는 Stefan- Boltzman 상수 (5.67 10-8 Wm -2 K -4 ) 이다. 3. 연구결과 3.1 택지개발지구의기후특성별지역구분연구대상지는안정적인주택공급이라는사업시행목적에따라대부분의대지가공공주택을중심으로한시가화건조지역, 그린인프라에해당하는공원, 산림, 수변지역으로구성되어있으며, 논, 나지지역도일부 포함하고있다. 시가화건조지역은건축물의높이, 밀집도, 그린인프라의비율등다양한지형지물의상태와기후에영향을미치는조건에따라세분화하기위해서토지피복지도, 토지이용계획도및공간정보오픈플랫폼지도서비스 ( 국토교통부 ) 에서제공하고있는건축물관련지도등의데이터를 ArcGIS의공간분석기법을활용하여분류했다. 이렇게분류된유형은연구대상지외최근개발된수원시의타택지개발지구와도비교 분석하여개발지역의특성을대표할수있도록 LCZ 유형을도출했다. Table 3은 Stewart and Oke (2012) 의 LCZ 체계에서제시하고있는기본적인분류체계를기반으로국내택지개발지구의특성을유형화한모형이고, Table 4는유형화된 4가지유형이대상지이외의택지개발지구에도잘부합하는지를타지역의개발사례에비교해본결과이다. Table 3. Urban development projects in Suwon site classification Properties* 1 Open high rise LCZ 4: openly arranged buildings tens of stories tall trees and pervious cover (low plants) concrete, steel and stone construction materials 2 Compact mid rise LCZ 2: tightly packed buildings of 3 to 9 stories tall few if any tree little or no green space concrete construction materials 3 Open low rise LCZ 5: openly arranged buildings of 1 to 3 stories tall trees and pervious cover (low plants) brick, stone and concrete construction materials 4 Transportation (Parking lot) LCZ E: featureless landscape of rock or paved cover few or no trees road, parking lot etc. asphalt materials *The LCZ framework of urban (Stewart and Oke 2012)
224 H.-Y. Kong et al. / Ecology and Resilient Infrastructure (2018) 5(4): 219-228 Table 4. Classification of urban development projects in Suwon classification Development project Gwanggyo Shindong Homaesil Area 11.3 km 2 295,635 m 2 3,116,341 m 2 Period 2004-2020 2006-2015 2006-2014 H Open high rise Chamnurilake A.P.T. Lamian youngtong markwon A.P.T. Humansia A.P.T. M Compact mid rise 1322-5, Iui-dong 926-3, Sin-dong 1344-14, Homaesil-dong L Open low rise 1147-14, Sanghyeon-dong (Yongin-si) - 1063-3, Geumgok-dong T Transportation (Parking lot) 1307-3, Iui-dong 931-5, Sin-dong 1071, Geumgok-dong LCZ의 4가지유형은그린인프라 오픈스페이스를적절히보유한고층아파트지역, 상업및상가주택유형의건축물이밀집되어있는상업지역, 화단 정원을일부보유한단독주택지역, 그외의주차장 도로등의교통시설로구분되며 (Table 3), 이러한분류특성이최근진행된택지개발사업에서도적절히반영될수있는지를확인하기위해서연구대상지인호매실지구이외의수원시광교신도시, 신동지구에서도동일한형태로비교했다. 그결과 Table 4에서각개발사업의제시된위치들을중심으로 LCZ의 4가지유형이적절히반영되는것을확인할수있었다. 3.2 기후지역별열환경특성 3.1에서도출된 LCZ의 4가지지역, 그린인프라및기타지역의유형별열환경측정을위해서각각의지역별특징이잘반영될수있고, 4시간동안지속적인측정이가능한곳으로연구대상지내총 9곳의지점을선정하였으며 (Fig. 4), 각지점에서의시간대별측정및분석결과는 Fig. 5와같다. 기온은전체 9지점중산림에서가장낮게나왔으며 (30.0 C), 그린인프라지점 ( 논 : 30.6 C, 수변 : 31.1 C, 공원 : 31.3 C) 이그레이인프라지점 ( 시가화지역 : 31.6 C- 32.4 C) 보다약 1 C 정도낮은결과를보여주었다. 상대습도는그린인프라지점 (56.7% - 65.0%) 이식물의증발산효과로그레이인프라지점 (52.6% - 54.2%) 보 다약 5% 높게나왔다. 지점별가장큰차이를보인미기후요소는평균복사온도로서, 그레이인프라지점에서 64.0-68.8 C가나온반면에그린인프라지점인산림 (31.7 C), 논 (43.9 C), 수변 (52.8 C) 에서급격히낮은결과를보여주었다. 그러나, 공원은 61.1 C로나타나측정지점인건조한잔디밭의복사에너지저감효과는높지않았다 (Fig. 5). Fig. 6는대상지의가장긴축인 A ( 북동측 ) - A ( 남서측 ) 를기준으로 9곳의측정대상지점들을일렬로나열하여표현한그림으로서, 대상지내지형지물의분포패턴과인프라 ( 그린 그레이 ) 의종류에따른열환경의차이를보여준다. 폭염주의보가발령된혹서기의택지개발지구의열환경지수는전체적으로높은수준으로나타났다. 특히그레이인프라에속하는시가화지역과나지의경우열스트레스의상태가극한 (PET지수 44 C 이상 ) 에달하는결과를보였으며, 반면그린인프라로구성된산림, 논과수변은이에비해 1-2단계낮은열스트레스 (PET 30.9 C, 34.9 C, 39.8 C) 를나타냈다. 그린인프라인공원의경우논이나수변에비해높은열스트레스 (PET 43.3 C) 를보였는데, 이것은그린인프라의구성요소에따라열환경의차이가있기때문이다. 조사지를비롯한신규택지개발지구에조성된근린공원들은잔디밭, 화단, 산책로등개방된공간비율이높은형태로조성된경우가많은데 (Fig. 7), 이것은토지이용상공원이라할지라도폭염시수목이나시설물에
H.-Y. Kong et al. / Ecol. Resil. Infrastruct. (2018) 5(4): 219-228 225 Fig. 4. The nine locations for microclimatic data measurements. Fig. 5. Air temperature (a), Relative humidity (b), Mean radiant temperature (c) and PET (d) at the nine locations.
226 H.-Y. Kong et al. / Ecology and Resilient Infrastructure (2018) 5(4): 219-228 Fig. 6. The distribution pattern of study area and diagram of PET. Fig. 7. Neighborhood parks of land development project site. 의한태양복사에너지의차폐효과가적으므로결과적으로는열환경개선에는큰영향이없음을알수있다. 4. 결론본연구에서는택지개발지역에대하여기후특성별지역을구분하고각각의지역에대한열환경을비교 분석했다. 이결과를토대로여름철폭염및이상기온에대비해보다쾌적한도시공간조성을목표로계획단계에서부터열환경개선을위한방안을제안하고자했다. 연구대상지인수원시호매실지구는최근사업이진행되고있는택지개발지구들의토지이용유형별대표적특성을고루포함하고있다. 이지역을대상으로토지피복과 LCZ의구분체계를국내실정에맞게보완하여지역을세분화하고, 열환경분석을위해폭염주의보가발령된시기에기온, 습도, 풍속뿐만아니라태양및지구복사에너지를측정했다. 측정한자료는현재기상청에서제공되고있는불쾌지수등생활기상지수보다인간이느끼는열에대한구체적인영향파악을위해열쾌적성분석을시행했다. 이결과, PET지수가 47.1 C인나지와 47.0 C인고밀도의중층지역 (compact mid
H.-Y. Kong et al. / Ecol. Resil. Infrastruct. (2018) 5(4): 219-228 227 rise) 이가장극심한열스트레스상태를보였으며, 개방된고층 저층지역 (open high row rise), 교통지역순으로열스트레스가높은것으로나타났다. 반면산림지역 (30.9 C), 논 (34.9 C), 수변지역 (39.8 C) 은 1-2단계낮은열스트레스지수를보였다. 분석결과를바탕으로택지개발지구의열환경개선방안을제시하면다음과같다. 공원조성시수목의비율을높여누적되는태양복사에너지의양을조절하면열환경개선효과가있을것으로나타났다. 그린인프라에속하는공원이라할지라도태양직사광선이들어오는개방된형태일경우폭염시열환경개선에는큰도움이되지못하는것으로나타났다. 현재계획되고이미추진된택지개발지역의경우, 개발지구전체면적대비공원의비율은예전에비해높아졌지만수목의비율이높은도시숲의형태가아닌개방된형태의공원이비교적많은편이다. 따라서, 개발지역내주민이느끼는열스트레스를낮추기위해서는공원내수목의차양효과를극대화하는공원계획을통해열환경을개선시킬필요성이있다. 또한건축물의밀도조정을통해서열환경을개선시킬수있음을알수있다. Fig. 6에따르면건축물의간격이넓고적당한녹지가있는경우조밀한중층지역 (compact mid rise) 보다미세하게낮은열스트레스값을나타냈다. 즉, 공개공지, 공공공지, 화단등도시내오픈스페이스의충분한배치를통해열환경을개선시킬수있는것이다. 마지막으로주차장, 나지와같은공지의경우에는잔디나지피식물등을활용한피복재질의변화를주는것이다. 이러한재질의변화만으로도열스트레스를한단계정도낮출수있는개선효과를기대할수있다. 물론, 도시의전체적열환경경향을파악하기위해서는보다대축척의주변환경인자를고려한측정과분석이필요하고다년간모니터링을통하여자료를축적하는것이중요할것이다. 본연구결과는현재곳곳에서추진되고있는택지개발사업에있어서계획수립단계에서부터열환경을고려한공간계획과중 장기적정책이수립된다면그린인프라의적절한구성및효과적인활용을통하여여름철폭염시해당지역주민의열스트레스를어느정도경감시킬수있을것으로기대한다. 감사의글 이연구는환경부국립환경과학원의 국토환경연동제지원을위한그린인프라적용연구 (I) (NIER-2018-01-01-049) 과제로수행되었습니다. References Eum, J.H. 2016. Vulnerability Assessment to Urban Thermal Environment for Spatial Planning - A Case Study of Seoul, Korea -. The Korean Institute of Landscape Architecture 44(4): 109-120. (in Korean) Kim, D.W., Kim, J.K. and Jung, E.H. 2010. An Analysis of Micro-climate Environmental Changes Followed by Establishment of an Urban Park - Focused on the Junggu in Daegu City. Journal of the Urban Design Institute of Korea Urban Design 11(2): 77-94. (in Korean) Kim, J.Y., Lee, D.G., Park, I.S., Choi, B.C. and Kim, J.S. 2006. Influences of Heat Waves on Daily Mortality in South Korea. Korean Meteorological Society 16(4): 269-278. (in Korean) Kim, K. and Eum, J.H. 2017. Classification of Local Climate Zone by Using WUDAPT Protocol - A Case Study of Seoul, Korea -. The Korean Institute of Landscape Architecture 45(4): 131-142. (in Korean) Kong, H.Y., Kim, S.H., Park, S.M., Lee S.Y., Shin, Y.K., Kil, J.H., Lee, J.C., Choi, T.B., Park, S.A., Yun, H.D., Shim, K.Y., Go, J.H. and Park, S.K. 2016. A Study on Response of Urban Disaster using Green Infrastructure (I) : focused on Thermoregulating Function. National Institute of Environmental Research. (in Korean) Matzarakis, A., Mayer, H. and Iziomon, M.G. 1999. Applications of a universal thermal index: physiological equivalent temperature. International journal of biometeorology 43(2): 76-84. Park, S.K. 2011. Human-Urban Radiation Exchange Simulation Model. PhD dissertation, University of Victoria, Victoria, B.C., Canada. Park, S.K. 2012. Landscape Planning and Design Methods with Human Thermal Sensation. Journal of the Korean Institute of Landscape Architecture 40(1): 1-11. (in Korean) Park, K.H., Song, B.G. and Park, J.E. 2016. Analysis on the Effects of Land Cover Types and Topographic Features on Heat Wave Days. Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies 19(4): 76-91. (in Korean) Stewrt, I.D. 2011. LCZ Framework by World Urban Database. http://www.wudapt.org/lcz/lcz-framework. Accessed 24 April 2018. Stewrt, I.D. and Oke, T.R. 2012. Local Climate Zones for Urban Temperature Studies. Bulletin of the American
228 H.-Y. Kong et al. / Ecology and Resilient Infrastructure (2018) 5(4): 219-228 Meteorological Society 93(12): 1879-1900. Stewrt, I.D., Oke, T.R. and Krayenhoof, E.S. 2013. Evaluation of the local climate zone scheme using temperature observations and model simulations. International Journal of Climatology 34: 1062-1080.