[심층-도시계획 진단] 18. 경사지 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지 저감 효과 CFD 시뮬레이션 연구
미세먼지 농도 저감 효과는 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순... 저층주거지의 물리적 현실을 고려한 다양한 설계기법이 적용된 주거환경의 재생 필요
2024-11-22
코로나19 팬데믹(대유행) 기간 동안에 사회적 거리두기, 이동제한 등으로 교통수단 운행 축소, 공장 가동 중단 등으로 미세먼지로 인한 대기질 악화 빈도가 크게 줄어들었다.
하지만 팬데믹이 종료된 이후에 중국 내 이산화탄소 배출 증가와 11월 동절기 난방 수요가 급증할 뿐 아니라 계절적 대기 정체로 대기질 악화 빈도가 확대되고 있다.
특히 우리나라 중부 지방을 중심으로 중 "나쁨" 수준이 자주 발생하고 있다. 미세먼지 농도가 2023년 대비 악화 추세를 보이고 있다.
이번 회에서는 '경사지 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지(PM2.5) 저감 효과 CFD 시뮬레이션 연구'라는 주제의 논문을 소개하고자 한다.
이 논문은 2021년 서울도시연구 제21권 제3호에 게재됐다. 중앙대 일반대학원 토목공학과 도시설계 및 계획 전공 김상현이 완성했다.
서울특별시의 초미세먼지 농도의 나쁨 일수도 해마다 증가해 2015년 12일에서 2019년에서 23일로 급증한 실정이므로 본 연구는 좋은 주제라고 생각한다. 주요 내용을 간략히 소개한다.
◇ 연구의 목적... 이상기후에 취약하고 미세먼지 등의 위험에 노출된 저층 거주지의 거주환경 개선
도시지역에서 평균 경사도가 높아질수록 이상기후에 취약하고 인구 1000명당 재산피해액도 증가한다는 점을 고려하면 저층주거지는 물리적 노후화, 인구 고령화 등이 중첩되어 재해는 물론 거주민의 안전과 건강 등에 취약성이 높다.
이와 같이 저층주거지의 거주환경은 이상기후에 취약하고 미세먼지 등의 위험에 노출되므로 이를 해결할 수 있는 개선방안의 연구가 필요하다. 세부 목적을 정리하면 다음과 같다.
첫째, 저층주거지의 여건을 분석해 취약성이 심각한 주거환경을 효과적으로 개선할 수 있는 방안으로 골목길 오픈스페이스 조성의 필요성을 도출한다.
둘째, 골목길에 녹지를 도입함으로써 미세먼지(PM2.5)저감 효과를 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해 구체적으로 분석함으로써 효과적인 녹지배치의 유형을 밝히고자 한다.
셋째, 시뮬레이션 결과를 기초로 저층주거지의 환경개선을 위해 요구되는 녹지배치를 중심으로 저층주거지 물리적 환경개선 설계 방향을 제시하고자 한다.
▲ 분석의 틀
◇ 연구의 방법... 대상지역에 대해 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지 저감효과 시뮬레이션
이 연구에서는 1·2종 일반주거지역으로 저층주택이 밀집하며 경사지형의 수변(한강변)지역이고 현장 및 자료 접근성이 뛰어난 서울시 동작구 본동 저층주거지를 대상지역으로 선정했다.
선정된 대상지역에 대해 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지 저감효과를 시뮬레이션하기 위해 ‘기초현황분석 → 시뮬레이션 조건 정립 → 시범모델 시뮬레이션 → 적용모델 시뮬레이션 → 연구종합 및 시사점’단계를 거친다.
첫째, 대상지의 입지, 골목길, 경사도, 주택현황 등의 기초현황을 분석했다. 특히 골목길 현황은 경사도, 도로폭원, 결절점, 주변 건물높이로 특성을 구분해 정리한다.
둘째, CFD 시뮬레이션 분석을 위한 모델링은 건물 2호를 배치하는 시범모델과 실제 경사지 골목길 모델링을 생성해 적용모델에 활용한다.
CFD시뮬레이션 프로그램은 단시간에 실제와 유사한 가상공간에서 요구되는 성능에 대해 시뮬레이션이 가능하다는 장점이 있다.
또한 녹지배치 유형은 녹지의 위치를 기준으로 가로녹지(건물전면), 옥상녹지(건물벽면), 벽면녹지(건물옥상)를 포함한다. 공기의 이동 및 PM입자분포 계산을 위해 Eulerian-Eulerian 방법을 사용한다.
셋째, 시범모델 시뮬레이션은 녹지주변에서 미세먼지 유동흐름을 분석하고 녹지유형별 흡착량, 저감거리, 저감면적 및 구간을 분석해 미세먼지의 유동을 파악한다.
넷째, 시범모델 시뮬레이션을 바탕으로 실제 저층주거지 골목길 대상 적용모델 시뮬레이션으로 녹지배치 유형에 따른 미세먼지(PM2.5) 저감효과를 분석한다.
◇ 주요 연구결과... 미세먼지 농도 저감 효과는 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순
첫째, 골목길 22개 지점에 대한 높이별 미세먼지 저감효과 분석결과, 지점마다 다르게 나타났다. 하지만 전체적으로 흡착량, 미세먼지 저감 영향거리, 높이에 따른 미세먼지 저감면적 및 저감구간은 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순으로 조사됐다.
둘째, 녹지배치 유형에 따른 미세먼지 저감효과는 골목길(결절점, 경사도, 폭원, 건물층수)의 특성에 따라 지점마다 차이가 있다는 것을 확인했다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
골목길 결절점은 총 3개소(6spot, 16spot,18spot)로 경사도와 폭원에 관계없이 지표면에서 5m 높이까지 결절점에서 가로녹지가 가장 저감효과가 우수하게 나타났다.
골목길 경사도에 따른 미세먼지 저감 효과는 1∼5m 높이에서 평탄지인 1~12spot과 20~21spot 부분은 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순서로 조사됐다.
반면에 완경사지 구간인 13~20spot과 급경사지인 21~22spot은 벽면녹지>가로녹지>옥상녹지 순으로 나타났다.
골목길 폭원에 관계없이 지표면 높이에서는 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순으로 가로녹지의 효과가 높게 나타났다.
높이 1m, 1.5m, 2m, 5m에서 폭원 6m 구간은 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순으로 나타났다. 도로폭원 4m 구간은 일부 지점을 제외하고 벽면녹지>가로녹지>옥상녹지 순으로 확인됐다. 도로폭원이 3m 미만인 구간은 벽면녹지>가로녹지>옥상녹지 순으로 나타났다.
◇ 향후 연구 과제... 저층주거지의 물리적 현실을 고려한 다양한 설계기법이 적용된 주거환경의 재생 필요
코로나19 팬데믹 이후 사회활동이 회복되고 있으므로 미세먼지 대응을 위해 저층주거지의 보행자 환경을 개선하는 녹지설치 등을 적극 고려할 필요가 있다.
특히 건강한 주거환경을 조성하려면 이상기후 현상에 취약한 저층주거지의 물리적 현실을 고려한 다양한 설계기법이 적용된 주거환경의 재생이 요구된다.
하지만 팬데믹이 종료된 이후에 중국 내 이산화탄소 배출 증가와 11월 동절기 난방 수요가 급증할 뿐 아니라 계절적 대기 정체로 대기질 악화 빈도가 확대되고 있다.
특히 우리나라 중부 지방을 중심으로 중 "나쁨" 수준이 자주 발생하고 있다. 미세먼지 농도가 2023년 대비 악화 추세를 보이고 있다.
이번 회에서는 '경사지 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지(PM2.5) 저감 효과 CFD 시뮬레이션 연구'라는 주제의 논문을 소개하고자 한다.
이 논문은 2021년 서울도시연구 제21권 제3호에 게재됐다. 중앙대 일반대학원 토목공학과 도시설계 및 계획 전공 김상현이 완성했다.
서울특별시의 초미세먼지 농도의 나쁨 일수도 해마다 증가해 2015년 12일에서 2019년에서 23일로 급증한 실정이므로 본 연구는 좋은 주제라고 생각한다. 주요 내용을 간략히 소개한다.
◇ 연구의 목적... 이상기후에 취약하고 미세먼지 등의 위험에 노출된 저층 거주지의 거주환경 개선
도시지역에서 평균 경사도가 높아질수록 이상기후에 취약하고 인구 1000명당 재산피해액도 증가한다는 점을 고려하면 저층주거지는 물리적 노후화, 인구 고령화 등이 중첩되어 재해는 물론 거주민의 안전과 건강 등에 취약성이 높다.
이와 같이 저층주거지의 거주환경은 이상기후에 취약하고 미세먼지 등의 위험에 노출되므로 이를 해결할 수 있는 개선방안의 연구가 필요하다. 세부 목적을 정리하면 다음과 같다.
첫째, 저층주거지의 여건을 분석해 취약성이 심각한 주거환경을 효과적으로 개선할 수 있는 방안으로 골목길 오픈스페이스 조성의 필요성을 도출한다.
둘째, 골목길에 녹지를 도입함으로써 미세먼지(PM2.5)저감 효과를 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해 구체적으로 분석함으로써 효과적인 녹지배치의 유형을 밝히고자 한다.
셋째, 시뮬레이션 결과를 기초로 저층주거지의 환경개선을 위해 요구되는 녹지배치를 중심으로 저층주거지 물리적 환경개선 설계 방향을 제시하고자 한다.
▲ 분석의 틀
◇ 연구의 방법... 대상지역에 대해 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지 저감효과 시뮬레이션
이 연구에서는 1·2종 일반주거지역으로 저층주택이 밀집하며 경사지형의 수변(한강변)지역이고 현장 및 자료 접근성이 뛰어난 서울시 동작구 본동 저층주거지를 대상지역으로 선정했다.
선정된 대상지역에 대해 저층주거지 골목길 녹지배치에 따른 미세먼지 저감효과를 시뮬레이션하기 위해 ‘기초현황분석 → 시뮬레이션 조건 정립 → 시범모델 시뮬레이션 → 적용모델 시뮬레이션 → 연구종합 및 시사점’단계를 거친다.
첫째, 대상지의 입지, 골목길, 경사도, 주택현황 등의 기초현황을 분석했다. 특히 골목길 현황은 경사도, 도로폭원, 결절점, 주변 건물높이로 특성을 구분해 정리한다.
둘째, CFD 시뮬레이션 분석을 위한 모델링은 건물 2호를 배치하는 시범모델과 실제 경사지 골목길 모델링을 생성해 적용모델에 활용한다.
CFD시뮬레이션 프로그램은 단시간에 실제와 유사한 가상공간에서 요구되는 성능에 대해 시뮬레이션이 가능하다는 장점이 있다.
또한 녹지배치 유형은 녹지의 위치를 기준으로 가로녹지(건물전면), 옥상녹지(건물벽면), 벽면녹지(건물옥상)를 포함한다. 공기의 이동 및 PM입자분포 계산을 위해 Eulerian-Eulerian 방법을 사용한다.
셋째, 시범모델 시뮬레이션은 녹지주변에서 미세먼지 유동흐름을 분석하고 녹지유형별 흡착량, 저감거리, 저감면적 및 구간을 분석해 미세먼지의 유동을 파악한다.
넷째, 시범모델 시뮬레이션을 바탕으로 실제 저층주거지 골목길 대상 적용모델 시뮬레이션으로 녹지배치 유형에 따른 미세먼지(PM2.5) 저감효과를 분석한다.
◇ 주요 연구결과... 미세먼지 농도 저감 효과는 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순
첫째, 골목길 22개 지점에 대한 높이별 미세먼지 저감효과 분석결과, 지점마다 다르게 나타났다. 하지만 전체적으로 흡착량, 미세먼지 저감 영향거리, 높이에 따른 미세먼지 저감면적 및 저감구간은 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순으로 조사됐다.
둘째, 녹지배치 유형에 따른 미세먼지 저감효과는 골목길(결절점, 경사도, 폭원, 건물층수)의 특성에 따라 지점마다 차이가 있다는 것을 확인했다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
골목길 결절점은 총 3개소(6spot, 16spot,18spot)로 경사도와 폭원에 관계없이 지표면에서 5m 높이까지 결절점에서 가로녹지가 가장 저감효과가 우수하게 나타났다.
골목길 경사도에 따른 미세먼지 저감 효과는 1∼5m 높이에서 평탄지인 1~12spot과 20~21spot 부분은 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순서로 조사됐다.
반면에 완경사지 구간인 13~20spot과 급경사지인 21~22spot은 벽면녹지>가로녹지>옥상녹지 순으로 나타났다.
골목길 폭원에 관계없이 지표면 높이에서는 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순으로 가로녹지의 효과가 높게 나타났다.
높이 1m, 1.5m, 2m, 5m에서 폭원 6m 구간은 가로녹지>벽면녹지>옥상녹지 순으로 나타났다. 도로폭원 4m 구간은 일부 지점을 제외하고 벽면녹지>가로녹지>옥상녹지 순으로 확인됐다. 도로폭원이 3m 미만인 구간은 벽면녹지>가로녹지>옥상녹지 순으로 나타났다.
◇ 향후 연구 과제... 저층주거지의 물리적 현실을 고려한 다양한 설계기법이 적용된 주거환경의 재생 필요
코로나19 팬데믹 이후 사회활동이 회복되고 있으므로 미세먼지 대응을 위해 저층주거지의 보행자 환경을 개선하는 녹지설치 등을 적극 고려할 필요가 있다.
특히 건강한 주거환경을 조성하려면 이상기후 현상에 취약한 저층주거지의 물리적 현실을 고려한 다양한 설계기법이 적용된 주거환경의 재생이 요구된다.
 ▲ 배웅규 전문위원 (중앙대학교 교수) |
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