1. 서 론
2. 연구 방법
2.1. 시뮬레이션
2.2. 옥상층 구성
2.3. 옥상녹지 구성
2.4. 습기 안정성 평가기준
3. 연구결과
3.1. 옥상층 콘크리트 슬래브 상대습도
3.2. 곰팡이 발생가능성
3.3. 단열재 함습량 및 열관류율 변화
4. 결 론
1. 서 론
도시 녹지의 조성은 도시민의 삶의 질 향상에 직접적인 연관성이 있는 환경적‧사회적‧경제적 이점을 위해 보급되고 있다. 녹지는 도로 및 건축물에 비해 흡수 열량이 적어 도시 열섬 현상을 완화할 수 있으며, 광합성‧증산작용‧미생물 활동을 통해 교통 및 산업 활동에서 나오는 고농도 CO2‧미세먼지(PM)저감 등 공기질 개선이 가능해, 도심의 종합적인 환경 문제를 해결하는 방안으로 평가되고 있다(Irfeey et al., 2023; Jin et al., 2024). 또한, 녹지의 확충은 도시민 간의 커뮤니케이션 증진, 육체적 및 정신적 건강 개선 등에 영향을 끼치며, 기후 변화로 인한 극심한 강우에 따른 도시 인프라 마비 및 구조물 복구와 관련된 피해를 줄이는 등 광범위한 사회적, 경제적 이점도 기대할 수 있다(Wallis, Westerveld, & Burton, 2023; Van der Borght and Pallares-Barbera, 2024).
그러나 고밀화된 도시에서는 지상녹지면적 확보가 어려운 한계로 인해, 여러 국가에서 옥상녹화와 관련된 정책 채택이 증가하는 추세이다. 미국에서는 각 주별로 옥상녹화면적을 확보하기 위한 정책을 시행하고 있다. 예를 들어, 워싱턴 DC에서는 비영리단체 Chesapeake Bay에서 폭우 우수통제 장치로서 녹색 지붕을 선택하도록 장려하는 인센티브 보조금 프로그램을 운영하고 있으며, 시카고는 1991년부터 보조금 지급, 우수 관리 수수료 감면, 주택 밀도 향상 보너스, 도시 개발 시 의무화 등 다양한 정책을 통해 옥상녹화 활성화를 추진하여 2007년까지 300개 건물에 280,000 m2의 옥상녹화를 확보했다(Taylor, 2007). 또한, 스위스 바젤에서는 2002년 이후 모든 신축 및 리모델링 건축물에 옥상녹화를 의무화하였고, 덴마크 코펜하겐은 2010년 이후 지붕 경사 30도 미만의 신축 건물에, 독일 뮌헨은 1997년 이후 100 m2 이상의 평지붕에, 일본 도쿄는 2001년 이후 평지붕 면적이 최소 1,000 m2 이상인 신축 건물에 대해 옥상녹화를 의무화하고 있다(Savarani, 2019). 국내에서는 서울시에서 옥상녹지로 활용 가능한 면적 약 55,000 m2를 대상으로 옥상녹화 지원사업을 추진하여 2002 ~ 2013년 동안 59,338 백만원을 투자하여 총 278,242 m2의 옥상녹화 661개소를 확보하였다(Lee, 2017).
이와 함께 국제적인 문제로 대두되고 있는 식량 안보 및 식품 운송으로 인한 탄소 배출량 저감을 위해 옥상녹지의 또 다른 형태인 옥상온실이 주목받고 있다. 식량관련 산업이 전체 탄소배출량에서 차지하는 비율은 34%에 달하며, 그 중 유통‧가공‧소비‧폐기의 29%로 농지와 도심 간의 물리적 거리로 인한 문제가 탄소배출량으로 이어지고 있다(Crippa et al., 2021). 이에 따라 도심 내에서도 농업을 가능하게 하는 옥상온실의 필요성이 증가하고 있으며, 이러한 옥상온실은 에너지 절감, 지역 일자리 창출, 물 절약, 스마트 설비를 통한 높은 수확량 등 다양한 부가적인 이점을 제공하고 있다(Drottberger, Zhang, Yong, & Dubois, 2023). 실제로 캐나다 몬트리올의 Lufa Farm은 옥상온실을 활용하여 매주 11,000 kg 이상의 토마토와 가지를 생산하며, 건축물의 난방 에너지 절약, 빗물 수집 및 재순환, 폐기물 감소 등의 장점을 가지고 운영되고 있다(Lufa Farms Inc., n.d.).
한편, 옥상녹화와 옥상온실이 건축물에 미치는 연관성은 주로 에너지 절약 측면에서 강조되어 왔지만, 식물 재배를 위해 유지되는 고습 조건이 건축물에 미치는 영향을 평가한 연구는 거의 없는 실정이다. Table 1은 옥상녹화 및 옥상온실이 건축물에 미치는 영향을 평가한 선행 연구들을 정리한 표로, 하부 건축물의 실내온도 변화 및 에너지저감 측면에서의 연구가 주로 이루어졌다. 그러나 옥상녹화에서는 주기적인 관수로 토양이 쉽게 마르지 않으며, 옥상온실은 60 ~ 80%RH의 습도 유지와 증산작용 인해 일반 건축 공간보다 높은 습도 조건을 갖고있다(Wang, Laktionov, Rodríguez, Sánchez-Molina, & Ming, 2024; Agmail, Linker, & Arbel, 2009). 특히, 일반 건축물에서 지붕발생 하자 중 습기와 관련된 누수‧결로‧곰팡이가 차지하는 비율이 50%에 달하여 가장 빈번한 하자로 꼽히고 있다(Kim et al., 2024). 따라서, 옥상녹지의 적용은 기존 발생 하자를 과속화 시킬 수 있는 위험이 있으므로, 온도 조건과 함께 습기와 관련된 평가가 함께 이루어져야 한다.
본 논문에서는 국내 건축물 옥상구성별로 옥상녹지의 종류인 옥상녹화와 옥상온실을 적용할 경우 습기 안정성을 평가하여, 국내에 적합한 옥상녹지 유형을 선정하고자 하였다. 이를 위해 일반 콘크리트 내단열 옥상과 역전지붕 옥상 두 가지 유형을 옥상구성으로 선정하였다. 옥상녹지 중 옥상온실의 경우 재배식물에 따라 온습도 유지조건이 상이하므로, 온실 내 온습도대를 두 가지로 구분하였다. 그로 인해, 기본적인 옥상만 있을 때 2가지 케이스와 옥상 두 종 및 옥상온실 세 종의 조합을 통한 6가지 케이스를 분석하여, 총 8개의 케이스 평가가 수행되었다. 시뮬레이션 평가의 경우 동적 습열거동 분석이 가능한 프로그램을 통해 옥상층을 구성하는 자재별 상대습도, 곰팡이 발생 여부, 함습량 및 열관류율를 판단하여 옥상녹지의 국내 기후에서 습기안정성을 평가하였다.
Table 1.
Advantages of Green Roofs and Rooftop Greenhouses Evaluated in Various Climate Zones
| Reference | Location | Methodology | Advantages |
| Greenroof | |||
| Foustalieraki, Assimakopoulos, Santamouris, & Pangalou, 2017 | Athens (Greece) | EnergyPlus |
- In summer, the indoor air temperature of the building below the greenhouse decreases by 1.1 K, while in winter, it increases by 0.7 K. - The annual energy consumption of the building is reduced by 15.1%. |
| Santamouris et al., 2007 | Athens (Greece) | Field test | - During the summer, cooling loads for the entire building are reduced by 6–49%, while the top floor sees a reduction of 12–87%. |
| Jia, Weng, Yoo, Xiao, & Zhong, 2024 |
Cairo (Egypt), Hong Kong (China), Seoul (Republic of Korea), London (UK), Los Angeles (USA), Sao Paulo (Brazil) | EnergyPlus |
- Energy analysis was performed based on projected future climate scenarios from 2021 to 2100. - HVAC consumption decreased by up to 65.51%. |
| Scholz-Barth & Tanner, 2004 | Ottawa (Canada) | Field test | - In summer, heat transfer is reduced by 75%, while in winter, heat loss is reduced by an average of 26%. |
| Rooftop greenhouse | |||
| Nadal et al., 2017 | Barcelona (Spain) | EnergyPlus | - Through iRTG*, 341.93 kWh/m² of thermal energy is recycled annually. |
| Yeo et al., 2022 | Seoul, Daejeon, Daegu, Busan (Republic of Korea) | TRNSYS | - An average energy savings of 11.8% (a total of 48,607 MJ annually) was achieved. |
| Chen & You, 2024 |
Bangkok (Thailand), Dubai (United Arab Emirates), Taipei (Taiwan), Shanghai (China), Phoenix (Arizona), Tokyo (Japan), Columbus (Ohio), Madrid (Spain), New York (USA), Stockholm (Sweden), Reykjavik (Iceland) | EnergyPlus |
- Integrating iRTG with a building under the NMPC** framework reduces control costs by 15.2%. - The iRTG model can adapt to various climates and shows greater cost-saving potential in colder regions. |
2. 연구 방법
2.1. 시뮬레이션
콘크리트 건축물 옥상층을 대상으로 Table 2의 총 8가지 케이스를 선정하였으며, 각 케이스별 습기안정성을 평가하였다. 국가통계포털의 2023년 기준 국내 건축허가현황 상 연면적별 구조체 허가 건수 중 콘크리트 구조체가 81%를 차지하여, 콘크리트 구조체는 국내 건축물의 대표적인 구조로 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 건축물 옥상층을 대상으로, 일반 옥상, 옥상녹화, 옥상온실 3가지 변수를 적용하여 국내 대표지역인 서울 기후대의 습열분석을 수행함으로써 외피적용의 적합성을 평가하고자 하였다. 일반 옥상은 단열위치에 따른 2가지 종류가 적용되었으며, 옥상녹화는 초화식물이 적용된 표준모델, 옥상온실은 작물재배요건을 고려한 2가지 온실기후대가 적용되었다. 그를 통해 일반 옥상 2가지 케이스와 옥상 2종 및 옥상녹지 3종(옥상녹화, 옥상온실-고온, 옥상온실-중온)간 조합을 통한 6가지 케이스로 총 8가지 케이스 분석이 필요하다.
콘크리트 옥상의 습열거동으로 인한 불쾌적 및 성능저하를 평가를 위해서는 ⓐ콘크리트의 상대습도 변화, ⓑ곰팡이 발생여부, ⓒ단열재 함습량 및 케이스별 열관류율 변화의 종합적인 분석이 필요하다. WUFI® Pro는 실제 기후조건을 기반 동적 습열분석 메커니즘을 통해 구조체 구성 전체 및 자재별 수분함량, 상대습도, 온도 등의 변화와 결로‧곰팡이 발생여부 등을 분석할 수 있다(Fraunhofer IBP, 2021). 이를 통해 건축물 외피의 습열물성 안정성을 검토하여 구성의 적합성을 평가하는 데 활용되고 있으므로, 본 연구에 활용하기 적합한 프로그램이라 판단하였다. 프로그램 내 자재별 습열물성값은 ISO 10456기반으로 적용되었으며, 기준 내 값이 부재할 경우 자재의 실제 물성 측정값을 활용하였다. 시뮬레이션 평가기간은 10년으로 선정해 장기적인 습열안정성을 평가하였다.
2.2. 옥상층 구성
옥상층의 구성은 Table 2의 케이스 A에서 확인할 수 있듯이, 국내에서 일반적으로 사용되는 콘크리트 내단열 방식과, 이를 보완하여 안정적인 방수 성능을 확보 가능한 역전지붕(inverted roof system) 구조, 두 가지를 선정하였다. 첫 번째로, 콘크리트 내단열 방식은 2023년 한국토지주택공사(LH)의 표준 상세도에서 콘크리트 내단열 평지붕 설계를 참고하였다. 해당 방식에서는 XPS 단열재가 콘크리트 하부에 위치하므로, 특히 겨울철 구조체의 온도가 낮아 항상 상대습도가 높을 뿐만아니라, 수분이 콘크리트와 단열재 사이에 갇히게 되어 결로점에 쉽게 도달할 수 있어 실내 곰팡이 발생의 우려를 높인다. 또한, 외부에 노출된 우레탄 방수층은 태양열로 인해 빠르게 노후화되어 훼손될 위험이 있으며, 특히 사람이 이동하는 경우 그 위험이 가중되어 실내 누수 가능성이 커진다. 이에 반해, 역전지붕은 XPS 단열재가 실외에 위치하여 실내측이 결로점에 도달하기 어려운 온도 구배가 형성되 구조체의 습기 안정성이 높은 구성이다. 또한, 쇄석, 부직포, 조경용 배수판 아래에 방수층이 위치한 비노출식 방식은 장기적인 방수층 보호가 가능한 장점이 있다.
2.3. 옥상녹지 구성
2.3.1 옥상녹화
옥상녹화 구성은 KCS(Korea Construction Specification)에 기재된 옥상조경구성을 활용하였다. 국가건설기준센터(KCSC, Korea construction standard center)에서는 2016년부터 건설공사의 설계‧시공 시 안전‧품질 보장을 위해 설계자 및 시공자가 준수해야 하는 기준을 코드화하여 관리하고 있다. 그 중 표준시방서에 해당하는 KCS 중 ‘KCS 34 40 15 - 인공식재기반 식재’에서 옥상녹화시스템 구성 단면도를 명시하고 있으므로, 본 단면도를 국내 옥상녹화의 기본 구성으로 선정하였다. 이를 기반으로 각 옥상층에 적용한 구성은 Table 2의 케이스 B에서 확인할 수 있다.
관수로 인한 토양의 습기요소는 전체 두께 150 mm의 토양 중 하부 20 mm에 40%의 강우량 비율이 유지되도록 설정하였으며, 초목층의 외부 표면 열전달계수 19 W/m2, 단파 복사 흡수율 0.3, 장파 복사 방출율 0을 적용하여 옥상녹화의 특성을 시뮬레이션에 반영하였다(Fraunhofer IBP., n.d.).
2.3.2 옥상온실
옥상층 위에 구축되는 온실은 실내환경이 비교적 일정하게 유지되는 스마트팜임을 전제로, 식물 분류에 따른 온‧습도 조건 2가지를 선정하였다. 스마트팜에서는 채소, 과일, 화훼, 곡물 등 다양한 식물을 재배할 수 있으며, 이에 작물에 따라 실내 온‧습도 조건을 상이하게 설정하는 특징이 있다. 토마토, 파프리카, 오이, 수박 등의 고온성 채소와 열대성식물의 생육은 고온조건에서, 저온성 채소와 국화와 같은 화훼류 및 온대성식물은 중온조건에서 재배할 수 있다(Sim et al., 2018; Seoul Agricultural Technology Center, 2005). 습도조건의 경우 온실의 목표상대습도로 일반적인 60 ~ 80%RH 조건이 유지되는 것으로 가정하였다. 이에 본 연구에서는 Table 2의 케이스 C와 같이 고온성/중온성 식물조건 2가지를 구조체 실외측 온‧습도 조건으로 적용하였다.
2.4. 습기 안정성 평가기준
콘크리트의 내부 상대습도는 콘크리트 내 철근부식에 직접적인 영향을 줄 뿐만 아니라, 실내‧로 전달되며 구조체 내부의 결로‧곰팡이 생성에 직접적인 원인이 된다. 따라서, 시공직후 콘크리트 내 약 95%RH 잔존수분의 저감 여부 파악이 수행되어야 한다. 콘크리트 내 철근 부식과 관련된 선행 연구에서는 75 ~ 80%RH이상의 상대습도가 유지될 경우 부식속도에 영향을 미친다고 판단하고 있으므로(Angulo Ramirez, Meira, Quattrone, & John, 2023), 본 연구에서는 80%RH를 분석의 임계치로 선정하였다.
실내측의 곰팡이 발생 여부는 재실자의 건강에 직접적인 영향을 미치므로, 지속 가능한 건축물을 구현하기 위해 반드시 고려되어야 하는 요소이다. 이에 더해 반자 위 공간은 보이지 않기 때문에, 콘크리트 내단열 구성에서는 달대, 배관 및 기타 설비의 설치 및 시공이 미흡할 경우 Figure 1과 같이 단열층이 훼손되는 경우가 자주 발생한다. 따라서, 내단열 구성에서는 실내측 뿐만 아니라 콘크리트 슬라브와 단열재 사이의 곰팡이 발생 여부도 추가로 평가해야 한다. DIN 4108-8 기반 건축재료 표면 곰팡이 발생 여부를 평가하는 WUFI® Pro에서는 곰팡이 발생 가능성을 LIM곡선, 곰팡이 성장속도, 곰팡이 인덱스(Mould Index)를 통해 평가하고 있다. LIM곡선에서는 자재의 생분해성여부를 기준으로 평가 기준을 LIM Ⅰ, Ⅱ로 구분하고 있다. 본 연구에서 내단열 옥상구성이 포함된 케이스의 경우 XPS단열재의 실내측, 역전지붕 옥상구성이 포함된 케이스의 경우 콘크리트 구조체의 실내측 표면에서의 곰팡이 발생여부가 평가되었으며, 두 자재 모두 생분해성 자재가 아니므로 LIM Ⅱ곡선 위에 점이 위치할 경우 곰팡이 발생위험이 있는 것으로 판별한다. 점의 색상이 노란색에서 진한 녹색이 될수록 초기에서 후기시점을 의미한다. 또한, 곰팡이 성장 결과를 시뮬레이션 수행기간 중 마지막 1년을 대상으로 허용/일부허용/불허용 3가지 등급으로 나누어 평가하고 있으며, 실내 공기와 직접 접촉하지 않는 구조물내부 표면의 불허용 등급의 경우 곰팡이 성장속도가 239 mm/year이상, 곰팡이 인덱스(Mould Index)는 0 ~ 6 중 3이상일 경우 해당된다(Sedlbauer, 2001).
외피의 열관류율에 직접적인 영향을 끼치는 단열재는 함습량이 높을수록 열관류율이 높아지는 경향이 있다. 국내 콘크리트 건축물 옥상층에 흔히 사용되는 XPS 또한 함습 및 노후화로 인해 열전도율 값이 30%이상 상승할 가능성이 있다(Choi, Jeong, Kim, Kang, & Lee, 2003). DIN 4108-3에 따르면 함습량의 평형상태 도달 여부는 특정 연도의 함습량과 직전 연도의 함습량 차가 1.0% 미만일 경우 평형상태에 도달한 것으로 판정하며, 적어도 10년 이내에 평형상태에 도달해야 안정성이 있다고 판단한다. 그러므로, 습열거동에 따른 단열재 함습량 저감여부 및 그로 인한 구조체 전체 열관류율의 시계열 변화값 확인으로, 케이스별 장기적인 열적성능 저감여부 확인이 필요하다.
각 요소별 습기 안정성 평가기준을 정리하면 Table 3과 같다.
Table 3.
Criteria for moisture stability by evaluation factor
3. 연구결과
3.1. 옥상층 콘크리트 슬래브 상대습도
Figure 2를 통해 내단열 방식의 옥상에 옥상녹지가 적용될 경우 콘크리트 상대습도 시계열 추이는 모두 우상향하여, 철근부식이 우려됨을 확인할 수 있다. 내단열 옥상인 케이스 A-1는 내단열 구성 중 유일하게 콘크리트 상대습도가 평행하게 유지되나, 93%RH 이상으로 콘크리트 내부 철근 부식기준 한계선인 80%RH를 초과하여 유지된다. 내단열 옥상에 옥상녹화가가 적용된 케이스 B-1는 시공직후 잔존수분 95%RH에서 꾸준히 증가해 10년 경과한 시점에 99.5%RH에 달한다. 이에 더해 내단열 옥상에 온실이 적용된 케이스 C-1-1, 케이스 C-1-2의 경우 1.5년이 경과한 시점부터 100%RH에 도달한 뒤 저감되지 않는다. 즉, 내단열 구성은 옥상녹지 적용여부와 관계 없이 콘크리트 내부 철근부식의 가속화가 예상되므로 철근에 별도의 부식방지 방안 적용이 필요하다.
이에 비해 역전지붕 옥상은 모든 조건에서 콘크리트 상대습도가 우하향하여 안정화 되는 것을 확인할 수 있다. 역전지붕이 적용된 케이스 A-2, 케이스 B-2, 케이스 C-2-1, 케이스 C-2-2 모두 1.5년이 경과한 시점부터 콘크리트 상대습도가 80%RH이하에 도달하여 안정되며, 모두 흡사한 기울기와 증감양상을 보인다.
3.2. 곰팡이 발생가능성
Figure 3은 실내측 곰팡이 발생가능성 여부를 나타내는 등치선 그래프로, 모든 케이스에서 실내측 곰팡이 발생 가능성이 희박함을 확인할 수 있다. 내단열 옥상구성이 포함된 케이스 A-1, 케이스 B-1, 케이스 C-1-1, 케이스 C-1-2 모두 초기부터 10년 경과시험까지 LIM Ⅱ곡선 위에 해당하는 시점이 없는 것으로 평가되었다. 역전지붕 옥상구성이 포함된 케이스 A-2, 케이스 B-2, 케이스 C-2-1, 케이스 C-2-2의 경우 초기 시공습기로 인한 곰팡이 발생가능성이 있지만, 그 가능성이 희박한 것으로 판단된다.
반면 Figure 4은 내단열 옥상이 포함된 케이스의 콘크리트 구조체와 XPS단열재 사이 부분의 곰팡이 발생가능성을 평가한 그래프로, 모든 조건에서 곰팡이발생 위험성이 크다는 것을 확인할 수 있다. 케이스 A-1과 케이스 C-2-1은 연간 3/4 정도의 기간이, 케이스 B-1은 초기 일부 시점을 제외한 모든 시점이, 케이스 C-1-1은 모든 시점이 LIM Ⅱ곡선 위에 점이 위치하는 것으로 볼 수 있다.
추가적으로, 위험정도를 정량적으로 파악하기 위해 곰팡이 성장속도 및 평가등급을 Table 4에 명시하였다. 모든 내단열 케이스의 곰팡이 성장속도 불허용 기준치의 최소 3.8배에서 최대 7.0배의 성장속도를 가지고 있으며, 곰팡이 인덱스의 최고등급인 6등급에 속하여 자재 전체 표먼에 곰팡이가 시각적으로 자라는 것으로 해석할 수 있다. 특히, 케이스별 곰팡이 성장속도를 비교하면 케이스 A-1대비 케이스 B-1와 케이스 C-1-1은 각각 약 1.4배, 1.6배의 빠르기로 진행된다. 즉, 내단열구성의 경우 XPS단열재 훼손이 발생되지 않는 상세도 및 시공성, 유지관리 등이 종합적으로 적용되어야 실내 재실자 건강에 위해가 없는 환경조성이 가능할 것으로 판단된다.
Table 4.
A numerical evaluation of mould growth potential between the concrete slab and XPS insulation
| Case | Mould Growth Rate [mm/Year] | Mould Index | Characteristic feature |
| A-1 | 1,080 | 6 |
Visually visible growth for 100% area |
| B-1 | 1,473 | ||
| C-1-1 | 1,683 | ||
| C-1-2 | 911 |
3.3. 단열재 함습량 및 열관류율 변화
콘크리트 옥상에 옥상녹지를 적용할 경우 XPS 함습량이 안정화 되는 것은 옥상온실 중온조건(케이스 C-2-2)이 유일한 것을 Figure 5에서 확인할 수 있다. 옥상녹지가 적용되지 않은 케이스 A의 경우 분석 2년차부터 함습량이 일정하게 유지되는 특징이 있지만, 내단열 옥상구성(케이스 A-1)이 역전지붕 옥상구성(케이스 A-2)보다 높은 함습량이 유지된다. 즉, 습기로 인한 XPS의 열관류율 변화는 내단열 및 역전지붕 모두 2년차부터 안정화가 되나, 역전지붕보다 내단열 구성에서의 XPS 열관류율 감소가 클 것으로 예상된다. 옥상녹화가 적용된 케이스 B에서는 두 구성 모두 기울기가 낮은 우상향 그래프를 볼 수 있다. 케이스 A와는 달리 케이스 B에서는 역전지붕의 XPS 함습량이 내단열에 비해 1 ~ 8 년간 높게 유지되는 것으로 평가되나, 8년을 기점으로 함습량이 비슷해 지는 것을 확인할 수 있다. 이는 옥상녹화가 콘크리트 지붕에 조성될 경우, 옥상층 구성에 관계 없이 XPS 함습량이 꾸준하게 증가하여 단열성능이 저감됨을 의미한다. 옥상온실이 내단열 옥상구성에 설치된 케이스 C-1에서는 온실의 중온/고온조건 모두에서 XPS함습량이 급한 기울기로 우상향하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 일반적인 내단열 옥상구성에 온실을 조성할 경우 XPS를 통한 옥상 열관류율 확보는 불가할 것으로 예측된다. 반면, 역전지붕 옥상구성에 옥상온실이 구축될 경우 고온/중온 조건 모두 역전지붕 옥상구성에 옥상녹화를 조성한 것 보다 XPS함습량이 낮게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 고온온실이 역전지붕에 구성될 경우(케이스 C-2-1) XPS 함습량이 우상향함에도, 케이스 B-1, 케이스 B-2보다 낮은 기울기 및 절대값이 유지되어, 옥상녹화보다는 옥상온실을 적용하는 것이 XPS 성능저하 방지를 위한 방법이라 볼 수 있다. 특히, 중온온실이 역전지붕에 구축될 경우(케이스 C-2-2) 함습량은 초기 2년간 우하향하고 이후 일정량이 유지되므로, XPS의 초기성능이 유지될 것으로 판단된다.
구조체 전체의 겨울철(12월, 1월, 2월) 복합열관류율 시계열 그래프를 케이스별로 작성하였다(Figure 6, 7, 8). 개별 자재의 열저항으로 계산된 Table 2의 복합열관류율은 모든 케이스에서 0.138 ~ 0.150 W/(m2·K)인 반면, 자재의 함습 및 실내‧외 겨울철 온도조건을 반영한 동적 계산에 따른 복합 열관류율은 Figure 6과 7에서 0.131 ~ 0.162 W/(m2·K), Figure 8에는 0.000 ~ 0.507 W/(m2·K)의 범위대로 상이하다.
Figure 6과73의 비교를 통해 내단열과 역전지붕 모두 옥상녹화로 인해 열관류율에 이득이 있음을 확인할 수 있다. 케이스 A-1 대비 케이스 B-1의 열관류율 최소 ~ 최대값은 0.134 ~ 0.153에서 0.131 ~ 0.137로 평균 7% 감소하였다. 또한, 케이스 A-2 대비 케이스 B-2의 열관류율 최소 ~ 최대값은 0.131 ~ 0.162에서 0.134 ~ 0.151로 평균 3% 감소하였다. 이를 통해 옥상녹화는 내단열 방식에서 역전지붕보다 더 큰 열관류율 감소 효과를 보이는 것을 알 수 있다.
Figure 8에서 고온온실 조건인 케이스 C-1-1, 케이스 C-2-1에서는 열관류율이 0 W/(m2·K) 또는 그 이하로 평가되었으며, 이는 실내의 열이 손실되는 것이 아닌 오히려 온실에서 열을 얻고 있음을 나타낸다. 한편, 중온온실 조건인 케이스 C-1-2와 케이스 C-2-2의 열관류율 최소 ~ 최대값은 각각 0.369 ~ 0.507 W/(m2·K), 0.365 ~ 0.496 W/(m2·K)이며, 평균 열관류율은 각각 0.422 W/(m2·K), 0.416 W/(m2·K)이다. 그러나 실내‧외 온도차가 10 K에 불과하므로, 케이스 A, B와 비교하기 위해서는 열 손실량으로 환산해야 한다. Table 5는 모든 케이스의 동적계산된 평균 복합열관류율과 실내‧외 온도차이 및 그를 기반으로 환산된 열 손실량을 확인할 수 있다. 결론적으로, 열 손실량이 적은 순으로 나열하면 고온온실이 구축된 케이스 C-1-1 및 케이스 C-2-1이 가장 적고, 두 번째는 내단열 옥상녹화인 케이스 B-1, 세 번째는 옥상녹지가 적용된 나머지 케이스 B-2 / 케이스 C-1-2 / 케이스 C-2-2, 마지막으로는 일반 옥상구성인 케이스 A-1 및 케이스 A-2 순이다.
Table 5.
U-value and heat loss for each case during December, January, and February
4. 결 론
본 연구는 건축물 옥상에 옥상녹지가 조성될 때 구조체의 습기 안정성을 검토하고자 총 8가지 케이스를 시뮬레이션하고 분석하였다. 이를 위해 옥상층 구성을 내단열과 역전지붕 2가지로 가정하고, 옥상녹지는 옥상녹화와 옥상온실 2가지 종류가 적용되었으며, 옥상온실의 경우 온실 내 식생조건에 따라 고온과 중온 2가지 온도조건으로 구분하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 콘크리트 구조체의 장기적 성능저하 판단에 필요한 단열재 함습량 및 구조체 복합열관류율, 콘크리트 상대습도, 곰팡이 생성여부를 평가하여, 옥상녹지의 국내 건축물 적용 적합성을 평가하였다.
콘크리트 상대습도 평가에서는 모든 내단열 케이스는 철근부식이 우려되는 반면, 모든 역전지붕 케이스의 콘크리트 상대습도는 1.5년 경과시점부터 안정적인 수치를 유지하는 것으로 분석되었다.
실내측 표면의 곰팡이 발생가능성은 모든 케이스에서 발견되지 않았으나, 내단열 구성의 경우 XPS단열재가 훼손되는 경우 콘크리트와 XPS단열재 사이 곰팡이 성장속도가 기준치의 3.8 ~ 7.0배로 자라기 때문에 재실자 건강에 위협이 될 수 있음을 확인하였다.
단열재 함습량 및 구조체 복합열관류율 분석 결과, 중온온실조건이 적용된 역전지붕형식인 케이스 C-2-2가 유일하게 XPS 함습량이 안정화 되면서 겨울철 열손실 값 또한 적은 편으로 평가되었다. XPS함습량 측면에서는 케이스 C-2-2외 역전지붕 옥상구성에 옥상녹지가 적용된 케이스 B-2, 케이스 C-2-1의 XPS 함습량이 완만하게 증가함에 비해, 내단열 구성에 옥상녹지가 적용된 케이스 B-1, 케이스 C-1-1, 케이스 C-1-2는 비교적 급격히 증가하는 특성이 있다. 열관류율의 경우 고온온실이 적용될 경우 실내‧외 온도차가 0 K에 가까우므로, 내단열 및 역전지붕 모두 열관류율값이 0 W/(m2·K)으로 나타났으며, 이외 옥상녹지가 적용된 내단열 및 역전지붕 구성은 흡사한 열손실량을 갖는 것으로 평가되었다.
즉, 케이스 C-2-2는 모든 평가기준을, 케이스 B-2 및 케이스 C-2-1 또한 XPS함습량의 완만한 증가추이를 제외하고 다른 평가기준은 만족하는 것으로 분석되어, 역전지붕 위 옥상녹지 조성은 습열안정성 측면에서 국내 적용에 가장 적합할 것으로 판단된다. 반면, 내단열 옥상구성에 옥상녹지가 적용되는 모든 경우는 콘크리트 상대습도가 높게 유지되어 철근부식의 위험으로 구조적 문제가 발생할 수 있으며, XPS단열재가 훼손될 경우 곰팡이 위험성이 극히 높으므로, 국내에서는 지양해야 하는 구성으로 평가할 수 있다.
다만, 본 연구는 작물 생장에 필요한 온실 내 온도 조건을 두 가지로 한정하여, 저온 생장 조건 및 컨테이너형 온실 조건 등 다양한 온실형태를 다루지 못한 한계가 있다. 향후 연구에서는 유리온실 외에도 컨테이너형 온실 등 다양한 유형을 고려하여 옥상 녹지의 습열 조건의 종합적인 분석이 필요하다.
