도시 고밀화 유형에 따른 폭염기간 냉방 취약성 차이

Abstract

Climate change increases extreme weather events and threatens the stability of cities. Among them, heatwave causes heat stroke and can lead to residents' death. Cooling energy demand also dramatically increases. Therefore improving the thermal environment during heatwaves is necessary to decrease energy demand. It can maintain normal city functions during the abnormal high-temperature situation. In this study, I explored which urban form factor affects vulnerability in heatwave periods, especially the density perspective. It has been discussed that dense cities have economic feasibility and sustainability advantages. Additional discussion on cooling energy is needed because dense cities experience more substantial heat island effects, which increase cooling energy consumption. I defined urban density in the literature review and identified the relationship between building cooling energy. Then, cooling energy factors are widely investigated, including the urban and surrounding environment. These processes identified urban density as floor area ratio(FAR). It can be decomposed into vertical density(average floor) and horizontal density(building-to-coverage ratio, BCR). The relation between urban density and cooling energy is determined by the interaction of several effects, such as urban heat island effect, shading effect, and heat inflow according to the surface-volume ratio. There is much evidence that the heat island effect increases the cooling energy demand. Additional research about which densification type: high-rise densification versus low-rise densification, can mitigate urban heat has yet to be conducted. I tried to empirically confirm whether dense city areas have a higher cooling increasing rate during heat waves. 1,949 apartment complexes in the Seoul metropolitan area were selected. Based on collected data, cooling energy increasing rate(during heatwave year compared to standard years), FAR, and an average number of floors were calculated. Other control variables were defined and quantitatively calculated based on the literature review. The correlation between FAR and the cooing energy increasing rate was verified through a multiple linear regression model. The difference according to the average floors was verified with an interaction term. As a result, positive correlations and interactions were confirmed. Low-rise apartment complexes become more vulnerable when densified than high-rise apartment complexes. I compared changes in green space ratio, complex layout, and building gaps according to densification. It identifies the cause of the high increase in cooling energy in high-density apartment complexes. First, when complexes were densified, the green area ratio decreased. In high-density complexes, the HW ratio was low, and many surrounded Oor Cshape layout were observed. In the late 1990s, regulations about FAR and building gaps was weak, and many plate-shaped apartments with surrounded layout were built. This form is favorable for densification. In this layout, Sky-view Factor is extremely low; therefore, heat-trapping and long-wave radiation interference occur. Thus, high-density complexes are vulnerable during heatwaves due to the stronger urban heat island effect occurring by enclosed form and few green spaces. A comparison between high-rise and low-rise complexes says that high-rise complexes have more green space. BCR increases slowly in high-rise groups by densification. During the heatwave, the rooftop surface is extremely hot, which deteriorates the top-floor households' cooling efficiency. In high-rise complexes, fewer households are exposed to rooftop heat. High-rise complexes have an advantage in ventilation due to wider building gaps and cooler upper atmospheres. I proposed dense city policies to respond to heatwaves based on my results. In the case of traditional row-rise courtyard districts, rooftop greening, cool roofs, and resilience hubs can be considered. In high-rise tower districts., they can be robust against the heat island effect. Since they have little shade, it is appropriate to supplement this. Appropriate guidelines such as wind tunnels and avoiding enclosed complex layouts can be proposed in areas with frequent heatwaves. In public health, providing thermal insulation for dense, low-rise, old houses is preferential. With these implications, I intended to contribute to urban planning and public health. In future studies, building orientation and diversity can be considered. Also, more verification through simulation is encouraged. This research is also limited to hot-humid climates, so confirmation in other environments (hot-arid) is promoted. Nonetheless, this study is meaningful because the sustainability of urban densification is reconsidered in extremely hot weather. Also, this research presents ways to mitigate vulnerability and enhance resilience against heatwaves. Ultimately this research contributes to responding to climate change in cities.

기후변화로 인해 극단적인 이상 기후가 빈번해지고 있으며 도시의 안정성을 위협하고 있다. 이 중 폭염은 도시 거주민의 열사병을 유발하여 사망률을 높이고 냉방 에너지 수요를 급증시킨다. 정상적인 도시 기능을 유지하기 위해서는 폭염 시 열 환경을 개선하고 냉방 수요 급증을 막을 필요가 있다. 본 연구에서는 어떠한 도시 형태가 폭염 기간 더욱 취약한가에 대해 탐구하였으며, 이를 밀도 관점에서 해석하였다. 왜냐하면 고밀화된 도시는 더욱 강한 열섬효과를 겪으며, 이는 냉방 에너지 소비를 증가시키기 때문이다. 특히 고밀도시는 경제성 및 지속 가능성 측면에서 많은 장점이 있는 것으로 논의되었지만, 과연 냉방 에너지 측면에서는 효율적인지에 대해서 추가적인 논의가 필요하다. 이러한 논의를 진행하고자 문헌 조사를 통해 도시 밀도를 정의하였으며 건물 냉방 에너지 간 관계를 파악하였다. 이 외에도 건물 냉방 에너지에 미치는 영향 요인들을 도시 환경을 포함하여 폭넓게 파악하였다. 이러한 과정들을 통해 구조적 밀도인 용적률로 도시 밀도를 정의하고 수직 밀도(층수)와 수평 밀도(건폐율)로 분해하였다. 밀도와 냉방 에너지 간 관계는 열섬효과, 그늘효과 및 표면비에 따른 열 유입의 상호작용에 따라 결정되며 열섬효과는 냉방 수요를 증가시킨다는 결과는 다수 존재한다. 그러나 층수를 높이는 고층 고밀화와 건폐율을 높이는 저층 고밀화 중 어떠한 형태가 이를 완화할 수 있는지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. 방법론적으로 고밀화된 도시가 폭염 기간 냉방 증가율이 더 높은지 실증적으로 확인하고자 하였다. 수도권의 공동주택 단지를 1,949개 선별하였으며, 데이터를 기반으로 평년 대비 폭염 기간의 냉방 에너지 증가율과 용적률, 평균층수를 계산하였다. 기타 통제변수는 냉방 에너지 영향 요인을 기반으로 정의하여 정량적으로 계산하였다. 이후 도시 밀도 지표인 용적률과의 상관관계는 다중선형회귀분석을 통해 검증하였다. 층수에 따른 차이는 상호작용 항을 통해 검증하였으며, 결과적으로 밀도와 증가율 간 양의 상관관계와 층수와의 상호작용을 확인하였다. 이는 저층 단지가 고층 단지에 비해 고밀화 시 더욱 빠르게 취약해짐을 의미한다. 고밀 단지에서 냉방 에너지 증가율이 높은 원인을 파악하기 위해 단지 고밀화에 따른 내부 녹지 비율, 단지 배치, 인동 간격 변화를 비교하였다. 먼저 단지가 고밀화될 경우 녹지 면적이 감소하였다. 특히 고밀 단지에서는 건축물이 중정을 둘러싸는 위요형 배치가 많고 HW비율이 낮았다. 1990년대 후반 용적률과 인동 간격 규제가 약했으며, 이 시기 고밀화에 유리한 판상 위요형 배치가 다수 지어졌기 때문이다. 이 경우 Sky-view Factor가 매우 낮으며 열 포집과 장파 복사 방해가 발생한다. 따라서 고밀단지에서는 녹지가 적고 원활한 열 방출이 이루어지지 않아 열섬효과가 강해지기 때문에 폭염 기간 취약한 것으로 해석된다. 고층 및 저층 단지를 비교한 결과 고층 단지가 녹지가 더 많으며 건폐율도 고밀화에 따라 천천히 증가한다. 폭염 기간에는 옥상 표면 온도가 월등히 높고 이는 최상층의 냉방 효율을 악화시키는데, 고층 단지가 이에 노출되는 세대가 적기 때문으로 해석된다. 고층 단지는 인동 간격이 더 넓고 시원한 고층대기를 접하기 때문에 폭염 기간 통풍에 유리한 것으로 해석된다. 연구 결과를 바탕으로 폭염에 대응하는 고밀도시 정책들을 제안하였다. 폭염에 취약한 중정형 저층 고밀 지구의 경우 옥상 녹화, 쿨루프, Resilience Hub 등을 적극 고려해 볼 수 있다. 반대로 고층 타워형 지구의 경우 폭염 기간 열섬효과에는 상대적으로 강할 수 있으나 그늘이 적기 때문에 이를 보완하는 방안이 적절하다. 폭염이 빈번한 지역의 경우 통경축 확보 및 위요형 단지 지양 등 적절한 고밀화 가이드라인을 제시할 수 있다. 공중보건 측면에서도 저층 고밀하고 폐쇄적인 노후 주택 거주민에게 단열 및 창호 지원을 제공할 수 있다. 이러한 시사점들을 통해 도시계획 및 공중보건 분야에 기여하고자 한다. 향후 연구에서는 단지의 향, 다양성을 추가로 고려하고 시뮬레이션으로 연구 결과를 검증해야 한다는 필요성이 존재한다. 또한, 본 연구 결과는 덥고 습한(hot-humid) 기후에 한정된다는 한계점 역시 존재한다. 다만 본 연구를 통해 도시 고밀화의 지속 가능성을 폭염이라는 이상 기후 차원에서 재고한다는 점, 취약성을 완화하고 회복탄력성을 강화하는 방안을 제시한다는 점에서 의의가 있다. 결과적으로 도시의 빈번해지는 기후 위기 대응에 기여하고자 한다.