1. 서론
쿨 루프는
(1-19) 도시의 열섬현상
(1,14,16,18)을 줄이고, 하절기 냉방부하를 줄이는 것으로 알려져 있다. 쿨 루프라는 제목 하에 옥상녹화(정원),
(20) 도포한 (특히 흰색) 쿨 루프 등도 문헌에 보이지만, 이 논문에서는 도포한 옥상층만 쿨 루프라 부른다.
(18) 옥상 표면 온도를 5~9℃ 낮추면, 하절기 열섬현상 저감에 도움이 된다.
(18) 혹서기 폭염에 따른 재해에 대한 처방 중 하나로, 쿨 루프는 효과가 있다.
(18)
이 논문의 목적은 국내에서 2010년부터 2018년 6월말까지 발표된 쿨 루프 관련 연구 문헌들을 조사하여 현황을 파악하는 것이다. 건축, 환경공학,
공간정보학, 지리학과와 지구환경시스템학부 등이 관련됐다. 교육부, 환경부, 국토교통부, 산업통상자원부, 행정안전부, 지식경제부, 서울시, 창원시,
한국교육녹색환경 연구원 등이 유관부처다. 논문들은 대한설비공학회, 한국태양에너지학회, 대한건축학회, 한국생태환경건축학회, 한국생활 환경학회, 한국건축친환경설비학회,
한국대기환경학회, 한국지형공간정보학회 등에 발표됐다.
연구 결과들이 다양한 저널에 흩어져 있다. 대기 및 환경 과(공)학자들은 열섬 완화를, 건축 및 기계공학자는 에너지 절약을 목표로 연구한 것 같다.
전자는 실외공기, 후자는 실내공기에 더 관심을 갖게 된다. 대상 공간의 크기는 전자가 후자보다 크며, 전자의 목표달성에 걸리는 시간은 대체로 후자에
비해 오래 걸린다. 햇빛을 모두 반사하면 전자의 주장이 만족되나, 새벽 및 동절기에 난방이 필요하므로, 분야 간 상호 협조가 필요하다.
2. 해 석
옥상을 외기와 내기사이에 놓인 무한 평면으로 가정하고, 표면 열전달에 전도, 대류, 복사만 고려한다. 외기와 접촉하는 면에서의 에너지보존 법칙은
식(1),
식(2)이다.
실내로부터 유입(+값)되는 전도 열유속이 q
cond,o, 태양열 입사량과 표면의 흑체방사량이 각각 G
s, E
b이고, G
sky는 하늘로부터의 입사량, 단위는 [W/m
2]이다. α
s, ε는 각각 일사흡수율(SA = Solar Absorptivity), 표면의 전방사율(TE = Total Emissivity) 이다. T, h는
각각 온도와 대류열전달 계수이다.
실외 표면의 온도 상승에 기여하는 항들이 (+) 부호를 갖도록,
식(1)을 정리하면
식(2)가 된다. 비 투과 면이면, SR = 1-SA이고, SR(Solar Reflectivigy)은 일사반사율이다.
실내 표면에 에너지 보존 법칙을 적용하면
식(3)이 되며, q
cond,i은 벽체에서 실내로 유입(+값) 또는 유출되는 열유속이다. 유입되면 냉방부하이고, 유출되면 난방부하이다. 실내에서의 복사열전달은 무시했다.
일반적으로 전도항 q
cond,o ≠ q
cond,i이며, 벽체에 대한 모델인 비정상 전도방정식을 풀어야 결정 할 수 있다. 페인팅에 의한 실외표면의 가열 및 냉각효과는
식(2)가 잘 설명한다. 둘째 항은 태양열의 흡수, 셋째 항과 넷째항은 각각 복사열 방출과 흡수된 하늘로부터의 입사량이며, 복사냉각이라 부르기도 한다.
(21,22) 실외 표면 온도를 낮추려면 SA를 감소하고 TE를 증가시키면 된다. 넷째 항은 등가하늘 온도가 낮을수록 감소한다.
(22,23) 하첨자 i, o, a, w는 각각 안, 밖, 공기, 벽이다.
3. 외국 사례 요약
2010년에 Choi and Um
(5)이 외국 문헌을 포함한 조사를 했었고, 쿨 루프의 개념 및 효과, 해외 문헌 및 적용사례, 유관기관, 보급정책 및 법제 등을 소개했으며,
(5) Park et al.
(18)이 2017년에 보완했다. Kim and Rhee
(3)는 외국 쿨 루프의 성능기준을 2010년에 요약해서 제시했으며, SR, TE, 지붕 경사각이 주요 변수였다. 미국의 설치 사례 및 효과, 최적 적용
지역 및 정책에 대한 여러 연구자들의 조사내용을 일부 소개하면 다음과 같다. Choi and Um
(5)에 의하면, 플로리다 주에서 주거용 빌딩용 전력 14%를 저감, LA의 스모그 형성 완화(도시 외기온도감소로 인한 오존농도감소), 미국 대도시에서
93 m
2 이상 되는 건물에 쿨 루프를 설치하면 년 간 2.6 TWh와 피크전력 1.7 GW가 절감되며, 아리조나의 경우 상업용건물의 월평균냉방부하가 2.6~3.6%
감소 되었다. 시카고와 플로리다의 조례로 제정된 SR, TE 값들은 Kim and Rhee
(2)에 의해 조사되었다. 뉴욕시는 2010년 9월까지 9만 m
2 이상의 지붕에 쿨 루프를 추가 설치했으며,
(5) 2013년 205개 빌딩의 19.3만 m
2에 설치 되었다.
(18)
캘리포니아 주정부의 사례는 Kim and Rhee
(2)와 Choi and Um
(5)이 잘 요약했으며, 주정부의 CEC(California Energy Council)활동 (2005년 10월부터 상업용 건물, 신축건축물, 재건축물에
대한 쿨 루프 설치 의무화), 성능요건 법제화 등을 소개했다. Park et al.
(18)은 CEC-2008 을 발췌 소개 했다. 예를 들어, 저 경사 지붕이면 (3년 평균 SR
0.55, TE
0.75)이거나 (3년 동안 SRI 64 이상)이다. 여기서 SRI는 Solar Reflective Index이다.
쿨 루프 관련 Code 및 기관은 Yang et al.
(8)이 소개했고, 국내에 쿨 루프를 적용할 때 스테인리스 지붕재에 필요한 성능을 평가했다. ASHRAE(American Society of Heating,
Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers), IECC(International Energy Conservation
Code), LEED(Leadership in Energy and Environmental Design Green Building Rating System
for New Construction and Major Renovations), Energy Star, Green Globes 등이 소개되었고, 2010년까지의
성능기준들이 표로 잘 요약 되어 있다.
(8)
미국 ASHRAE는 1997년 쿨 루프 에너지 저감 평가와 제안을 위해 ASHRAE standard 90.1과 90.2를 제정했다. 90.2는 저층
주거용 빌딩에 대한, 90.1은 이를 제외한 빌딩에 대한 에너지 표준이다.
(2,18) 90.1-2007의 경우, SR
0.7, TE
0.75, SRI
82 및 예외 조건 등이 있다.
(8) 최근판은 90.1-2016이며 ANSI(American National Standard Institute)의 승인을 받았고, 미국조명협회(IES)도
후원하고 있다. 저층 주거용 건물에 대해서는, 90.2-2007 (SR
0.65, TE
0.75에, SRI
75 및 예외조건 등) 로 개정되었고,
(8) ANSI의 승인을 받았으며, 2018년 7월 개정 작업 중이다. 고효율 그린 빌딩 설계에 대한 표준은 ASHRAE 189.1이다. 189.1-2010은
저 경사와 고 경사 지붕에 대해 각각 SRI
78, SRI
29이며, 전체 지붕의 75% 이상 설치하도록 되어 있다.
(8) 최근 버전은 189.1-2014이고, ANSI의 승인을 받았으며 USGBC(US Green Building Council)와 IES가 후원하고 있다.
EPA-2007 Energy Star Label은 참고문헌
(2,8)에 소개되었으며 관련 홈페이지는 www.energystar.gov이다.
CRRC(Cool Roof Rating Council) 1998년부터 도료 특성사이트를 운영해서, 도료제품들의 SR, TE, SRI 정보를 제공한다.
(5,(18) 국내 페인트 업체의 제품도 여러 개 수록되어 있다. 2018년 5월 버전은 CRRC-1, ANSI/CRRC S100 standard이며 홈페이지는
www.coolroofs.org이다.
DOE의 활동도 Choi and Um
(5)의 조사를 기반으로 소개한다. Bretz and Akbari
(24)는 지붕을 페인팅해서 장기적인 에너지 절약을 할 수 있고, 도시 대기의 온도를 저하시켜 오존 농도를 감소시킬 수 있다고 발표했다.
(5) 10년 후인 2008년, Akbari and Levision
(25)은 미국의 경우 Zone 1-2(년 평균기온 = 18.4~21℃)가 쿨 루프 적용에 가장 효율적이고 Zone 4-8(북부)의 경우 동절기 일사량 유입이
적어서 난방 에너지 증가 예상된다고 발표했다.
(8) 그러나 업무용 빌딩의 경우, 주간에만 난방하며 일조시간이 짧으므로, 영향은 미미하리라 예측했다. DOE는 2010년부터, 소속 모든 건물에 쿨 루프
설치 및 교체/연구 확대 및 중소기업지원/프로그램 보조금 지급 등을 계획했다.
(5) 또한 쿨 루프 적용 타당성 검증프로그램을 보급했고,
(18) 2018년 7월 현재 Cool Roof Calculator ver 1.2가 사용되고 있고, 관련 홈페이지는 www.ornl.gov이다.
일본과 EU 및 기타지역에 관한 자료 또한 Choi and Um
(5)이 요약했고, 이후 보완되었다.
(18)
미국은 DOE, DOE 산하 국립연구소, 학회(대학교)가 주축이 되어, 2010년경 쿨 루프에 대한 연구지원 체계 및 틀을 정립했다고 추정된다. 지속적으로
수정 보완하며 발전시켜 왔으며, 2018년 7월 현재, 학회의 코드는 국가의 표준으로 승인되었다. 연구가 지속되리라는 것을 2018년 5월부터 진행
중인 90.2 개정과 열섬 포인트를 주고 있는 것 등으로 추측된다. 2000년경부터 시작된 연구가 1회성이 아닌, 수십 년 지속될 장기 연구 주제였었다고
추정된다. 2018년 7월 미국의 현황은 Cool Roof Calculator 사이트에 게시된 다음 글이 잘 대변한다고 생각 된다; “Please
remember the energy savings that can be achieved with reflective roofing is highly
dependent on facility design, insulation used, climate conditions, building location,
and building envelope efficiency.”
4. 국내 연구 현황
국내 연구자들이 발표한 논문들을 분류해서 Table 1에 제시했다. 참고문헌 번호 [(a) = 지역]/결과/실험/시뮬레이션/ 입력값/계절/기간/건물의
방향/기상조건으로 대 분류되어있다. 실외표면온도/실내표면온도/실내온도/냉난방부하 결과를 제시했는지 아닌지에 따라 소 분류되어있다. 실험/시뮬레이션은
다시 [(b) = 실제/모델 여부], 대상이 표면/공간 여부, 입력값은 표면의 색/실내온도일정/SR/TE/U/[(c) = 코팅 레이어 자료 값 제시]/평지붕/사무용
여부로 구분되어 있다. 계절은 다시 하동/춘추로 나뉘어져 있다. 실험기간이 15일 이상이면 장기로 분류했다. 건물의 방향은 평지붕이 아닌 경우를 고려한
메뉴이다. 기상조건 제시여부를 확인했다[(d) = 직접측정]/[(e) = 실험일시(기상데이터)]. 실내온도가 시간에 따라 변하는지 아닌지는 중요하다.
설치지역에서의 쿨 루프 성능에 큰 영향을 미치는 입력변수는 SR, TE, U, 지붕의 각도이다. 축소모델에 대한 실험과 실제 건물에 대한 실험 결과는
차이를 보인다.
(18) 경제성분석 및 측정법과 관련된 문헌이 각각 1건이어서, 본문에만 서술했다. 학위 논문과 보고서인 경우,
(4,13,14,16) 인용된 문헌을 참고했으며,
Table 1에는 제외했다.
Table 1. Summary of literature about cool roof research in Korea(2010~2018. 6)
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Ref. No.
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Location (a)
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Results
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Experiment
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Simulation
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Input
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Season
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Period Long or Short
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Building Direction
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Weather
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Two
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Twi
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Ti
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CH load
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(b)
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Plate
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Room
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(b)
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plate
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Room
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Color
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Ti
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SR
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TE
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U
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(c)
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Flat Roof
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Office
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(d)
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(e)
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KS
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R
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s
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y
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(a) Location : C(Changwon), D(Daegu), Dj(Daejon), I(Incheon), J(Jeju), Ga(Gangnung),
G(Gwangju), K(Kimhae), P(Pusan), S(Seoul), U(Ulsan)
(b) Model or not
(c) Coating layer information
(d) Measured or not
(e) Date.
4.1 하절기 쿨 루프 설치효과
Choi and Um
(5)는 쿨 루프를 국내에 도입하는 것에 대한 타당성을 냉난방 도일법(기준 난방 18℃, 냉방 24℃) 을 사용해서 검토했다. 분석결과, 국내 대부분 광역
도시권에 쿨 루프 도입이 가능했다. 또한, 국내 실정에 맞는 쿨 루프 성능평가방안, 친환경건축 인증항목, 인센티브 등이 필요하다 주장했다. 한편,
DOE-2000의 년 평균기온 18.4℃를 적용하는 경우, 국내 대도시들은 모두 최적 추천지역은 아니다.
Kim and Rhee
(2)는 2009년 8월 14일의 실험결과를 발표했다. 서울에서 세 가지 지붕 유형인 일반/쿨 루프/ 옥상정원에 대한 축소모형을 사용해서 비교했다. 샌드위치
패널 박스 내부공간은 1.2×1.2×1.0 m였다. 열관류율은 실제 지붕/샌드위치 패널(두께 100mm) 순서대로 0.2/0.28 kcal/(m
2·h·K)이다. 모형의 일반지붕과 쿨 루프의 SR/TE는 각각 0.54/0.87, 0.93/0.89이다. 표면 최대 온도는 쿨 루프가 14.1℃ 낮으므로,
도시 열섬 현상을 저감할 수 있으리라 판단했으며, 이때 일반/쿨 루프/옥상정원의 모형 온도는 순서대로 63.9/49.8/42.1℃였다. 실내 최고온도는
쿨 루프가 약 8℃ 낮았으며, 이때 일반/쿨 루프는 각각 45.7/37.8℃였다.
Ryu and Um
(6)은 대구 경북대에서 지붕색이 다른 건물 옥상층의 하절기 실내온도를 비교했다. 위성영상으로 건물 색을 추출하고, 2010년 8월 낮 12시~3시 사이에
측정했다. 5가지 지붕색은 갈/청/녹/흰/검은 회색이다. 대체로, 청색은 조립식지붕, 녹색은 방수페인트, 검은 회색은 변색된 콘크리트의 색이며, 흰색이
쿨 루프에 사용되었다. 냉방기 가동 없이 밀폐된 공간의, 실내온도분포 및 (평균)은 각각, 녹색 29.1~30.7(30.0), 흰색 29.2~ 30.3(29.7),
갈색 30.8~31.1(30.9), 청색 30.2~31.3(30.7), 검은회색 30.1~30.4(30.3)℃였다. 흰색 칠은 실내온도를 낮추어 냉방
에너지를 줄이며, 넓은 지역을 흰색으로 칠하면 도시열섬효과를 완화시키는 효과가 있다고 분석했다. Ryu and Um
(10)은 지붕색이 다른 평지붕 건물 축소모형의 표면 온도를 대구 경북대에서 열화상으로 측정해서 비교했다. 모형은 한 변이 1 m인 정방형 박스이다. 맑은날
10~18시에 측정했으며, 계절별 시간대별 지붕표면온도 측정의 필요성을 제안했다. 흰색 지붕의 표면온도는 다른 지붕보다 최대 20℃ 낮은 48℃였다.
동절기도 유사한 추세를 보였으며 제 4.2절에 서술한다. 일몰 후 색상에 따른 온도변화는 없었다.
Song et al.
(15)은 창원 시청 옥상에 시공한 쿨 루프가 옥상층 내 외부의 온도를 저감하는 효과가 있음을 2014년 실험으로 보였다. 전체코팅 두께 5 mm(방수포함)를
페인트회사의 공법(UL-200)으로 시공했다. 쿨 루프/기준 지붕의 SR은 각각 0.55/0.22이다. 실내온도 26℃를 유지하며, 2014년 6월~9월
매달 4회(8월은 3회) 측정했다. 옥상표면온도는 쿨 루프가 일반지붕 보다 최고 9℃ 낮았고, 실내 천장표면 온도는 1~2℃ 낮았다. Kim
(16)은 창원 시청에서 녹색지붕, 흰색지붕, 옥상정원에 대해 한 변의 길이가 1 m인 박스 모형으로 실험했다. 표면온도는 흰색이 녹색보다 약 19℃(66.2-47.7)
낮았다. 실내온도는 흰색이 녹색보다 1.8℃(46-44.2) 더 낮았다.
(18)
Park et al.
(17)은 서울에서 실제건물/보드/축소모델에 대해, 녹/회/흰색 지붕을 비교하는 실험을 했다. SR 값은 녹/회/흰색 지붕 순서대로 0.18/0.36/0.9이다.
실제 건물에 대한 실험결과는 방의 면적, 방향, 창문의 비율, 실험일 (일사량, 일조시간, 운량 등)이 다르므로 비교가 어렵다. 보드실험결과, 표면평균온도는
녹/회/흰색 순서대로 55.3/48.1/39.7℃이며, 흰색이 가장 낮았다. 스케일 모델의 경우 외기온도, 표면(실외/실내) 온도, 실내온도를 측정했다.
스케일 모델은 정육면체이며 한 변의 길이는 0.5 m이다. 재질은 두께 20 mm XPS 단열재이고, 외부를 5 mm 보드로 둘러쌓았다. 2016년
8월1일 오후(운량 6.3) 실험 결과, 외부표면의 최대 온도는 녹/회/흰색 순서대로 56.8/47.3/36.0℃여서, 쿨 루프가 열섬현상을 저감한다고
주장했다. 최대 실내 표면온도는 녹/회/흰색 순서대로 37.9/37.4/36.1℃였고, 실내온도는 오후 3시에 순서대로 34.6/33.3/32.9℃였다.
쿨 루프가 냉방부하도 줄이고, 실내온도도 낮춘다고 분석했다.
Park et al.
(18)은 서울에서 쿨 루프가 열섬현상을 완화함을 실증하려 했다. 전체 지붕의 34%를 쿨 루프로 도포한 서울시 강남구 보건소 건물과 이를 모사한 모델에
대해 실험했다. 철제 시트 방수 위에 페인트를 칠했다. 2016년 3월 6일~2017년 2월 28일까지 총 47회의 실험을 주말에만 했다. 지붕의
열관류율은 0.876 W/m
2K 이다. 쿨 루프의 SR/TE/SRI 값은 초기에 0.81/0.89/101이고 3년경과 후 0.72/0.89/88이다. 쿨 루프가 일반지붕보다,
하절기 지붕 표면온도는 최대 12.9℃ 낮았고, 하절기 실내 온도는 0.34~1.12℃ 정도 낮았다. 하절기에 서울과 창원에서, 지붕과 실내온도가
각각 14~20, 1.8~8℃ 낮아졌다,
(4,18) 대구에서 지붕온도가 20℃ 낮아졌다는 결과도 있다.
(13,18) 내부공간이 큰 실제 건물에 적용된 쿨 루프는 성능이 감소하여 실내온도에 미치는 영향은 작다고 분석했다.
(18) 동절기 및 간절기에 대한 결과는 제 4.2절에 서술한다.
Kim et al.
(19)은 하절기 차열성능을 갖는 방수재의 적용에 따른 건축물 표면온도 변화추이를 서울과 김해에서 측정했다. 서울에서 2016년 8월 23일 13 : 30(28℃,
RH = 65%, 맑음) 실험했다. 시공면적은 211 m
2이며, 시공 전후 온도 차는 19.8℃(55.4-35.6)였다. 김해에서는 2016년 7월 15일 13 : 30(27℃, RH = 65%, 맑음)
시공면적은 1,190 m
2 이며, 시공 전후 온도 차는 21.7℃(48.3-26.6)였다.
4.2 하절기외 쿨 루프 설치효과
업무용 빌딩의 경우, 동절기 난방은 외기온도가 낮고 이용자가 증가하는 오후 11시~12시경 가장 높고, 오전 2~3시 가장 낮은 난방부하를 갖는다.
(26) 토론토지역의 경우, 쿨 루프와 나무의 영향으로, 동절기에 일부 난방 부하를 증가시킬 수 있지만, 그 영향은 작다는 연구결과가 있다.
(12)
Kim
(4)의 실험(서울, 동절기, 흐린날)에서, SR에 따른 실내온도차가 0.2℃여서, 난방부하 증가는 미미했다.
(12)
Ryu and Um
(10)이 수행한 대구에서의 모형에 대한 동절기 실험결과는 다음과 같다. 지붕의 온도가 하절기에 비해 모두 낮았다. 흰색지붕의 경우 검은색에 비해 약 13℃
낮았으나, 시간에 따른 온도변화는 가장 작았다. 오후 4시 이후의 온도는 모든 색에서 비슷했다. 실험결과는 이들이 인용한 Kim
(4)의 측정 결과와 유사했다: 동절기 쿨 루프의 표면온도는 일반지붕(녹, 청)에 비해 약 8.7℃(10.1-1.4) 낮았다. 일몰 후 색상으로 인한 표면온도
변화가 없으므로 난방부하가 증가되지 않으리라 추정했다.
(10) Ryu and Um
(11)은 원격으로 빗겨 찍은 영상과 수직 영상 사이의 상관관계를 연구했다. 빗겨 찍은 영상으로 구한 표면온도가 실제온도와 서로 상관성이 높았다. 이 결과를
이용해서, Ryu and Um(12)은 동절기 경북대 건물 옥상 표면온도의 색상별 변화추세를 원격 열화상을 이용해서 비교했다. 2012년 2월 2일,
10~16시, 2시간 간격으로 실험했다. 평균/최고/최저 기온은 순서대로 -8.7/-4.6/-12.4℃였고, 운량은 0, 일몰은 17시 57분이었다.
12시의 표면 온도는 흑/흰/청/녹색 순서대로 15.3/7.2/ 15.6/11.5℃였고, 흰색의 경우 흑색보다 약 8.1℃가 낮았다. 오후 4시 표면
온도는 흑/흰/청/녹색 순서대로 8.9/ 4.2/5.8/5.5℃였다. 청색지붕의 온도는, 가열시 급격하게 상승하고, 냉각 시 급격하게 하락했다. 금속재질로
만든 샌드위치 패널 위에 청색으로 도색했기 때문이다.
(12) 동절기에도 대구지역의 쿨 루프의 지붕 표면 온도는 일반지붕에 비해 3~9℃ 낮으므로, 냉방부하의 절감이 난방부하의 증가보다 크다고 추정했다.
(12)
Park et al.
(18)이 발표한 결과 중 서울에서 하절기가 아닌 경우에 대해 서술한다(제 4.2절 하절기 참조). 동절기 총 13회의 주말 실험 결과에 의하면, 쿨 루프
설치 후 표면 온도가 1.5℃ 증가했다. 하/춘/추 절기에는 순서대로 12.9/7.1/8.2℃ 감소했다. 실내 온도는 쿨 루프 설치 후, 동절기에
난방이 없는 방에 비해 0.17℃ 높았고(하절기 0.34~1.12℃ 낮았다), 난방부하가 5회(총 13회)만 실온저하로 인해 증가되었으므로, 쿨 루프는
동절기에 표면과 실내온도에 큰 영향을 주지 않으며, 난방부하를 심각하게 증가시키지도 않으리라고 분석했다.
(18)
쿨 루프가 춘추 절기 지붕온도 및 냉난방 부하에 미치는 영향에 대한 연구는 상대적으로 더 적었다. 동절기에 실내온도를 일정하기 유지시킨 상태에서의
결과는 찾지 못했다.
4.3 쿨 루프 국내 적용에 필요한 성능기준
Kim,
(4,12) Kim, and Rhee
(3)는 국내에 쿨 루프를 도입하는 경우, 이에 필요한 성능을 구하려 했다.
(3,5,12) VisulDOE4.1 건물부하 에너지해석 프로그램으로 15층 건물을 해석해서 냉난방 부하를 계산했다.
(3,5) 태양 에너지학회의 (서울 및 제주)지역에 대한 표준 기상 테이터를 사용했으며, 그 외 입력 조건은 논문에 잘 정리되어 있다.
(3) 단열상태에 적절한 SR, TE 값들을 계산했다. 일부 결과만 소개하면, 남부나 제주 지역의 적정 열관류율은 0.157~0.159 W/m
2K이고, 이때 권장 값은 SR
0.7, TE
0.7이다. 중부지역의 적정 열관류율은 0.127 W/m
2K이고, 권장값은 SR
0.6, TE
0.7이다(사용한 냉방 및 난방 기준은 26, 20℃이고 RH = 50%).(3,5)
4.4 쿨 루프에 대한 시뮬레이션
문헌에 인용된 시뮬레이션 도구들은 Energy Plus,
(9) Transys, GIS 프로그램, 상품에 대한 성능테스트 및 에너지 해석 프로그램,
(5) VisulDOE4.1 건물부하 에너지해석 프로그램,
(3,5) Roof saving calculator이다.
(18)
Kim,
(4,12) Kim, and Rhee
(3)에 의해 수행된 연구는 제 4.3절에 서술되어 있다. Lee et al.
(9)은 주택의 냉난방 부하를 고려해서 지역별 최적반사율과 지붕형태를 구하려 했다. 중부(강릉/인천) 와 남부(울산/광주) 지역에 남향으로 놓인 한국농어촌공사의
표준주택모델 설계를 따른 주택을 가정했다. 입력조건은 ASHRAE 기준을 사용했다. 흰색(SR = 0.8), 검정색(SR = 0.06), 중간값(SR
= 0.2~0.7) 등 총 8개 값이 냉난방부하(26℃, 20℃ 기준)에 미치는 영향을 모사했다. SR이 증가하면 냉방 에너지는 감소하고 난방 에너지는
증가한다. 남부지역의 경우, SR이 증가할수록 냉방부하의 감소폭이 난방부하의 증가폭보다 커서 총 에너지를 절약했다. 총에너지 사용량은 일정한 경향이
없었다. 도시별 절약폭은 광주/울산/강릉/인천의 순으로 35/28/24/13% 감소했다. 인천의 최적값은 SR = 0.7이며, 이때 년 간 총에너지
소비량이 최소였다.
(9) 지붕 경사각의 영향은 제 4.5절에 서술한다.
4.5 지붕 경사각, 페인트 및 지붕재, 경제성 분석, 설치지원 및 홍보
지붕경사각에 따라 쿨 루프의 성능을 최대로 하는 SR, TE가 변한다. Tae
(27)는 냉방부하를 최소로 하는 지붕의 각도에 대한 연구를 했다.
(9) Lee et al.
(9)은 주택용 평/외쪽/박공 지붕을 고려했으며 각도는 순서대로 0/16.7/ 30도이다. 경사(2/12, 9.46도)를 기준으로 완/급 경사를 분류하고
있다. 지역 및 SR에 무관하게, 지붕의 각도가 증가할수록 년 간 총부하가 증가했다.
Park et al.
(18)은 국내의 차열페인트 관련회사를 소개했다. Ryu and Um
(12)과 Park et al.
(18)의 결과는 페인트가 도포된 얇은 층의 물성이 표면온도에 영향을 크게 미치는 경우이다. 색들이 대변하고 있는 쿨 루프의 물성치는 SR, TE이다. 강의
SR은 흰색
스테인리스강금속
검은색 순서로 감소한다.
(8) Energy Star나 CRRC 등이 페인트 제품의 쿨 루프 성능이나 효과를 검증하고 있다.
(5,18) Yang et al.
(8)은 국외의 쿨 루프 데이터베이스를 분석한 후, 강으로 된 쿨 루프 지붕재에 요구되는 성능을 LEED 기준으로 제안했다. 3년 동안 SRI 값의 저하율,
SR, TE, SRI 값들을 표로 제시했다.
(8) 강으로 만든 지붕재를 국내 쿨 루프에 적용하려는 경우, 중부지역에서는 SR 값을 0.03~0.09, 남부/제주 지역의 경우 0.13~0.19 더
증가시켜야 한다고 제안했다.
(8) TE 값 또한 조절이 필요하다고 추정되며, 페인트로 SR, TE 값을 조절할 수 있다. Kim et al.
(19)은 차열과 방수성능을 갖는 페인트를 사용한 실험결과를 발표했지만, SR, TE 값들은 제시하지 않았다(제 4.1절 참조). 도시열섬현상 저감을 위해
축열 도료 등도 사용되고 있다.
(28,29) Jeong et al.
(28)이 MPCM(Microencapsulated Phase Changing Material)을 적용한 축열 도료의 제조 및 이에 대한 열적 성능평가 결과를
제시했다. Lee et al.
(29)은 축열 도료를 적용한 지붕을 시뮬레이션 했다. 지붕온도의 저하와 균등해진 열 분포로 도시 열섬현상이 저감된다고 분석했다.
Park et al.
(18)에 의하면, 옥상녹화는 강수 유출지연, 냉방 에너지 절약, 공기 질 개선, 열섬저감 효과가 있으나 상대적으로 유지 관리비용이 크다. 반면에 흰색 쿨
루프는 주변건물에서의 눈부심과 난방부하 상승에 대한 우려가 있다. Kim and Um
(7)은 Kim
(4)에 의해 수행된 쿨 루프와 일반 지붕의 생애주기비용을 비교한 연구를 소개했으며, 경북대학교에 설치된 쿨 루프와 옥상녹화에 소요되는 생애 주기비용을
현가법으로 계산했다. 현가 초기설비비는 쿨 루프가 12.1만 원/m
2, 옥상정원이 60.1만 원/m
2이어서, 쿨 루프가 약 4.7배 저렴했다. 옥상정원의 경우 초기비용이 크기에 비례해서 더 증가하리라 예상했다.
(7)
Park et al.
(18)에 의하면, 서울시는 국내의 옥탑방 거주 시민에게 간단하고 저렴한 비용으로 옥상의 열기를 저하하고 쿨 루프 사업의 홍보와 확산을 위해 옥탑방에 무료로
흰색 차열 페인트를 칠하는 사업을 하고 있다.
(18) 서울시는 2015 년부터 건물에너지 효율화 사업 융자 대상에 쿨 루프를 포함시켰다. 설비금액의 100%를 년 1.75%, 8년 분할상환조건으로 융자한다.
최소 500만 원, 최대 20억 원까지 지원이 가능하다.
(18)
5. 결과 요약 및 고찰
쿨 루프 연구에 대한 대략적 골격은 국내에도 갖추어졌다고 생각된다. 표준규격을 정비하거나, Cool roof Calculator 같은 도구를 개발하거나
도입하려면, 더 많은 연구들이 세부적으로 수행되고 발표되어야 한다.
(1) 쿨 루프가 국내 기후에 적합한지에 대한 검증은 지속적으로 필요하다. 년 평균기온이 18.4℃ 이상 되어야, 쿨 루프 적용에 최적이라는 조건(DOE-2000)을
단순 적용하면, 국내 대도시 대부분이 최적합 지역은 아니다. 년 간 총 부하를 고려해서 타당성을 주장한 결과들은 다음과 같다. 도일법을 적용해서,
국내 대부분 광역 도시권에 쿨 루프가 가능하다는 결과도 있다.
(5) 쿨 루프가 총 냉난방부하(냉방+난방)를 저감하므로, 국내에서도 효율적이라는 시뮬레이션 결과도 있다.
(9) 쿨 루프와 일반지붕의 하절기의 온도차가 동절기에 비해 커서, 총부하의 증가가 작을 것이라 예측한 결과도 있다.
(4,10,12) 일몰 후, 색상에 따른 온도 변화가 없으므로, 난방부하 증가는 없다고 예상한 결과도 있다.
(10) SR이 커질수록 냉방부하의 감소폭이 난방 부하의 증가폭보다 커져서 총 에너지가 절약되었다.
(9) 남부에서 중부로 갈수록, SR 증가에 따른, 도시별 총에너지 절약 폭이 감소했다.
(9) 지붕의 각도가 증가할수록, 지역 및 SR에 무관하게, 년 간 총부하가 증가했다.
(9)
(2) 쿨 루프를 국내에 도입할 때 권장되는 조건들을, 시뮬레이션으로 구한 결과는 제 4.3절에 제시되어있다.
(3,4)
(3) 옥상층(모델포함)의 실내온도가 일정한지 아닌지에 따라, 발표된 논문의 결과를 정리하면 다음과 같다. 실내 온도가 변하는 경우 : 서울과 창원사이의
구간에서, 하절기에 옥상 표면 온도는 12.9~20℃ 낮아지고, 실내온도는 0.3~8℃ 낮아진다.
(2,4,10,12,15-17) 동절기 옥상표면온도는 1.3~10℃ 낮아졌다. 비난방구역보다 실내온도가 0.17℃ 증가한 경우도 있다.
(18) 실내온도가 일정한 경우 : 하절기에 옥상 표면 온도는 최고 9℃ 낮아지고, 실내 천장표면 온도는 1~2 ℃ 낮았다(실온 26℃).
(15) 다른 절기에 대한 실험결과는 찾지 못했다.
(4) 다음 분야들에 대한 연구는 상대적으로 부족했다 : 하절기 이외의 절기, 실내온도를 일정하게 유지시킨 상태에서의 실증 또는 시뮬레이션 결과(특히
동절기), 지붕재의 성질, 페인트, 경제성 분석에 대한 연구들이다. 쿨 루프 연구는, 페인트 관련 분야에 대한 연구 및 산업의 경쟁력 확보 및 수출에
도움 된다. 페인트 층의 두께 및 페인트 바로 밑층의 물성이 성능에 영향을 준다.
(12,18)
(5) 논문 발표 시 가능하면 다음사항들을 제시할 필요가 있다고 생각된다. 건물의 용도, 건물의 위치, 일시, 기상, 평지붕 여부, 건물의 방향,
외기조건(외기온도, 습도, 일사량, 운량) 또는 실험일시, 지붕에 대한 정보 (SR, TE, U, 지붕의 경사, 지붕 층에 대한 재질 물성), 실내온도가
일정한지 여부 등이다.
(6) 쿨 루프를 열섬완화의 수단으로 본 연구자들과 에너지 절감의 수단으로 본 연구자들의 원하는 목표가 다를 수 있다. 혹서로 인한 재난 방지에
쿨 루프는 효과적 수단 중 한 가지이다.
(2,18) 그러나 동절기 혹한에 대비해야할 경우도 예상된다. ‘쿨 루프는 지붕표면 온도를 낮추어, 주변 공기 온도를 저하시켜서 열섬을 완화시킨다.’가 참이
되려면 가정이 필요하다고 추정된다. 동절기에 쿨 루프로 인해 주변 공기 온도가 하강되는 경우도 예상된다. 도시열섬현상을 쿨 루프를 사용해서 완화하는
것이 목표라면, 분야별 연구의 상호 피드백이 필요하다. 우선, 도시 전체에 대한 장기적 목표 및 계획이 필요하다. 타당한 계획이라도, 목표 달성에
수십 년(예-기존도시 개조)이 소요될 수도 있다. 따라서 장기 계획에 의거, 두 분야 연구자들이 협업해서 단기 목표를 완성하고 정책들을 수정 보완하면서,
지속적으로 연구가 수행되어야 할 것이다. 이 경우, 국가 차원의 중심 연구축이 필요하다고 생각한다(예-미국이 2010년에 만들어 놓고 진행 중인 연구체계
및 지원체계).
6. 결론 및 제안
국내의 쿨 루프에 대한 문헌조사를 통해 내린 결론을 요약하고 제안하면 다음과 같다.
(1) 쿨 루프에 의한 열섬 현상 완화 효과와 에너지 절감 효과는 분리해서 접근 할 필요가 있다.
(2) 혹서기 재난을 방지하는 수단으로, 쿨 루프는 유효하나, 혹한기에 대한 보완 대책이 필요할 수도 있다.
(3) 열섬현상을 완화하려고 쿨 루프를 도입한다면, 제주/남부 지역의 업무용 빌딩들인 경우 비교적 저비용으로 가능하다. 한편, 타 지역인 경우 단열을
보강해야하는 등, 비용과 시간이 많이 필요하다.
(4) 하절기 외의 시기에 대한 쿨 루프의 효능에 대한 연구결과는 많이 부족하다.
(5) 페인트가 도포된 층의 물성이 쿨 루프의 열적 특성에 중요하므로 반드시 고려해야 한다.
(6) 국내 표준규격의 완성과 타당성 진단 도구의 개발을 위해 지속적인 연구 결과들의 축적이 필요하다.
(7) 도시열섬 완화가 목표라면, 쿨 루프도 고려대상이며, 국가 차원의 연구중심 축과 장기지원이 필요하다.