고층건물 벽면 녹화 시스템

[연해]

 

고층건물 벽면 녹화 시스템

이 건 호 Lee, Keon Ho ․ 한국건설기술연구원 건축연구부 선임연구원

■ 필요성

서울은 유효대지의 협소로 인해 높은 밀도의 개발이 필수적이었다. 우리의 생활에서 항상 접하게 되는 건물들은 온통 콘크리트, 유리 또는 돌로 된 건축이며 이는 결국 생물이 인간과 공존하기 위한 합리적 조건을 제시하지 못하고 있다. 이런 난개발의 결과로 도시 생태 문제가 발생하였다. 한여름 일사에 의해 건물의 온도는 극단적으로 상승하며 이때 건물은 성능이 아주 좋은 방열기로 표현될 수 있으며 이는 도시 온난화현상의 원인을 제공한다. 특히 국내 강우특성상 집중강우시 대부분의 강우가 대지에 흡수되지 못하고 표면 수로 흐르면서 발생하게 되는 도시홍수등은 피하기 어렵다 . 하지만 무엇보다도 이런 건축의 불합리로 인해 생물이 공존할 수 있는 공간이 특히 지난 30년간 난개발과 함께 기하급수적으로 감소하고 있다는 것에 집중 할 필요가 있다.

이런 맥락에서 60% 이상 포장된 서울의 여건을 건축부문에서 개선하기 위해 1996년 이후 기존의 옥상조경 개념을 넘어서는 옥상녹화를 도입하였다. 하지만 이의 경우도 기존 건물에서 적용되다가 2003년 영등포 크로바아파트 노인정에 최초로 신축건물에 적용되기 시작하여 현재 다수의 신축건물(대형)에 적용될 예정으로 있다. 특히 고층화되고 있는 군내 여건을 고려할 때, 고층화 될수록 옥상면적 대비 벽면부 면적이 급격히 증가하게 됨으로써 최근 벽면녹화에 대한 관심이 높아지고 있다고 할 수 있다.

■ 벽면녹화시스템 개발 방향

기존의 벽면녹화는 담쟁이와 같은 수종으로 녹화효과를 얻을 수 있지만 이는 높이의 한계가 존재한다. 고층건물에서는 고층부에서도 적용 가증한 외장재 개념의 벽면녹화시스템이 필요하게 되었다. 이를 위해 한국건설기술연구원은 “복합기능 생태적 건물외피 조성 기술 개발” 이라는 주제로 건물외피를 생태적 관점에서 접근하여 옥상, 벽면, 창호에 있어 상용 가능한 대안을 제시하였다.

옥상녹화와 벽면녹화에 있어서 그 적용방식은 다소 차이가 있다고 하더라도 궁극적인 목적은 동일하다. 요약하면 아래 <그림2>와 같은 4가지 목적으로 그 성과를 요약할 수 있다.

■ 도시 생태기능 회복

생물과 인간이 공생할 수 있도록 건물의 벽면을 통해 도심 조경기능을 극대화함으로써 고밀도심에서 현실적으로 수평면에 조성이 어려운 조경면 확보에 기여.

■ 우수 유출량 저감

기존 벽면에 비해 우수함습 및 저장능력을 30%이상 강화하여 우기중 집중강우에 의한 도심홍수예방을 기대.

■ 도시열섬효과 저감

특히 여름에는 일사에 의해 건물의 표면온도 상승시 방열효과를 50% 이상 감소시켜 도시미기후조절에 기여할 수 있는 시스템으로 활성화함.

■ 건물 내구성 강화

고층부의 건물표면은 여름의 일사 및 자외선에 노출되면 60˚C까지 상승할 수 있으며, 이와 반대로 동절기에는 야간 표면온도가 -20˚까지 내려갈 수 있어서 연간 표면온도변화가 80K 이상에 장기간 노출시 표면균열발생이 심화될 수 있다. 그러나 , 최종적인 탈부착형 벽면녹화 시스템 적용시 건물의 연간 건물표면온도을 30~40K 이하로 낮출 수 있어 이를 통해 건물의 실제적인 내구성을 강화하며 이와 함께 20%이상 단열성능 강화도 예상됨.

■ 도시 차음성능 강화

콘크리트 벽면의 반사율은 95%정도로 매우 높아 도로로부터의 소음이 반사되어 확산되므로 도로변 노이즈가 증가하게 되지만 벽면녹화시스템은 교통량이 많은 도로로부터의 소음을 흡수하여 도시소음전파를 완화할 수 있는 기능 강화 .

벽면녹화시스템의 최종 개발방향은 건축의 외장재로서 활용이 가능한 수준으로 필요에 따라 탈부착이 용이한 구조로 개발하여 현실적으로 적용이 어려운 초고층부에 녹화면을 조성할 수 있는 기술로 개발한다는 것에 있다.

■ Prototype 개발

일반 식물보다 느린 분해속도와 탄소를 고정한 채로 퇴적되어 이탄층을 형성하는 기능을 기진 이끼류를 바탕으로 Prototype 개발에 임하였다. 특히 이끼는 건조상태에 비해 실제 중량의 20배 이상 함수할 수 있어 초기우수의 저장능력이 뛰어나며, 이로 인하여 증발산량 효과도 양호하여 도시미기후조절에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

대부분의 식생에 있어 문제점은 도로변사면과 같이 경사가 있는 경우에는 성장력이 크게 저해되지 않지만 수직면에 있어 성장이 까다로운 한계가 있고, 또한 이상적 수분공급체계 구축에도 한계가 있다. 하지만 수분공급체계 구축에도 한계가 있다. 한지만 이끼류의 경우는 강한 생장력으로 인해 수직면 생장이 비교적 원활하게 이루어 질 수 있고, 셀룰로스로 이루어진 베이스패널이 일체화될 수 있다. 이로 인해 필요에 따라 원활한

수분공급도 가능하며 특히 벽면부 녹화에 이상적인 소재로 평가 할 수 있겠다.

현재까지는 서리 또는 깃털이끼(그림3)와 펄프를 합성하여 만든 셀룰로스 시트판을 실리콘으로 벽면에 접착하

는 공법만을 채택하고 있다. 장기적 관점에서 본 벽면녹화시스템기술의 부품화를 통해 탈부착이 가능한 조립형 패널공법을 통해 생태적 건물외피의 목적을 달성하는 것이다.

■ 접착형 벽면 녹화시스템

현재 접착형 벽면녹화시스템의 우선 적용대상은 공동주택의 측면부와 같은 콘크리트 벽면이다. 접착형 벽면녹화시스템에 합리적인 벽면구조유형은 드라이비트시공 방식이다. 근본적으로 건물의 물리적 열성능적인 측면에서 유리하며 , 내구성측면에서도 이상적 대안은 외단열공법이고, 국내에서는 드라이비트 공법이 주거용으로 적용가능한 유일한 외단열 기법이다. 이의 경우 드라이비트 마감에 접착형 벽면녹화시스템을 바로 적용 할 수 있다. 추가적 단열성능을 개선하기 위하여 <그림4>에서처럼 이끼판에 단열판을 붙여 시공할 수 있고, 시범사업에서 적용한 단열재는 압출법단열재 특호30mm로서 이의 적용시 중부지방 벽면부 단열성능 0.35W/㎡K를 약 30% 개선가능하다.

<그림5>는 2005년 초반에 개발하여 적용한 접착형 벽면녹화시스템 2차 Prototype이다. 기존의 5~10mm 두께의 얇은 벽면녹화 시스템은 수분함유량 확보에 있어 한계가 있음으로 인해 25mm 엔카매트를 베이스판으로 조성하여 수분 부족의 문제를 해결하였다. 동시에 셀룰로스가 외기에 놀출됨에 따라 표면온도차가 극단적으로 발생하면 팽창과 수축에 의해 탈착이 발생할 수 있는데, 이에 대해 엔카매트의 유연성은 문제를 해결 할 수 있었다. 또한 기존 벽면녹화시스템의 적용규모에 있어 표준식생판 크기 300mm × 300mm를 극복하기에 한계가 있었으나, 엔카매트를 이용하여 900mm × 900mm이상 규모의 베이스판 제작이 가능하여 시공사의 효율을 개선할 수 있었다. 무엇보다 이끼판 두께가 두꺼워진 것은 이끼생장을 활성화 할 수 있는 수분확보라는 측면 유리하게 적용하였으며, 벽과 식생판의 사이에 공기층에 존재하여 상시 환기될 수 있는 구조를 조성할 수 있어서 건축물리적으로도 긍정적인 효과를 달성한다.

■ 탈부착형 벽면녹화시스템 Prototype 개발

접착형 벽면녹화시스템의 한계로 시간 경과에 따른 접착재의 내구성에 있어 다소 부정적 측면이 존재할 수 있다. 건물저층부의 경우 적용 상의 그리고 유지관리에 있어 큰 무리가 없지만, 풍압이 높은 건물 고층부는 실제 적용상의 한계가 있을 수밖에 없다. 그러므로 탈부착형 벽면녹화시스템은 어느 조건과 사황이 주어지더라도 구조적 문제나 물리적 한계를 극복할 수 있는 중요한 역할을 담당할 수 있다. 이런 맥락에서 탈부착형 벽면녹화시스템 Prototype<그림6,7>은 적용식생 및 컨셉에서 접착형 벽면녹화시스템과 동일하며 공장생산을 통해 제작되어 현장에서 단순히 조립될 수 있는 건축외장재의 역할을 담당할 수 있다.

이를 위해 탈부착형 벽면녹화시스템 Prototype은 먼저 조립 가능한 구조로서 베이스판으로 개발하여 그 상부에 이끼 페이스트를 타설하는 방식으로 개발되어야 한다. 여기서 베이스판은 단순히 접합의 목적을 넘어서 50mm 이상의 두께가 제공되어 질 수있기 때문에 함습의 문제에 있어서 보다 적극적으로 대응할 수 있고, 또한 베이스판의 물길을 통해 상부에 공급된 수분의 하부로 원활하게 전달될 수 있는, 조립이 원활하게 구조 되어야 한다. 현재 탈부착형 벽면녹화시스템은 재료적 측면에서 베이스판 제작을 도모하고 있으며, 2006년에는 완성품을 제작 시공할 수 있는 여건을 조성할 수 있을 것으로 보인다.

■ 일사시 벽면녹화의 표면온도변화 측정

- 실험목적

기존의 비굴곡형 4mm 이끼판 및 굴곡형 10mm 이끼판 콘크리트판 및 세덤매트와 함께 일사(인공)발생의 상하부 온도변화를 살펴보고자하였다. 건조된 사태 및 강우발생 시를 가정하여 함습후 한국건설 기술연구원읭리사조절형 간이 우수 유출 실험기를 5~6시간 가동하여 각 실험체의 잠재력을 예측하고자 하였다.

- 실험조건

각 실험체 상부 350mm 높이에 180W세기의 할로겐 등을 설치하여 실험체를 가열하는 방식으로 시뮬레이션을 시도 하였다. 자연일사 시의 조건을 완벽하게 재연하기에는 한계가 있으므로, 콘크리트표면온도가 비교적 안정적으로 나타나는 순간까지 가열하여 이때를 기준으로 다른 실험체와 결과를 비교하였다. 또한 일사제거시 표면부 온도강화 유형을 검토할 수 있었다. 건조상태 실험에서는 실험체를 일주일 이상 상온에서 건조시킨 상태에서 실험하였고, 함습상태 실험은 건조된 실험체를 함습하여 실험하였다. 일사조절형 간이우수유출 실험기에 사용된 실험장비는 Grant사 데이터로그 64Ch를 사용하였고, 직경 0.254mm의 온도감지능력 - 50˚C ~ 300˚C인 T-type Thermocouple을 사용하였다. 실험실 내의 온도는 약 20˚C 이상을 유지하고 있는 상태에서 가능한 내부기류변화에 의한 영향을 최소화하기 위해 창과 출입구가 폐쇄된 상태에서 진행되었다.

- 건조상태 실험결과

건조상태에서 5시간 일사 발생 후 콘크리트표면온도가 약 58˚C에 도달하였으며, 이 때 두가지의 이끼판은 약 54~55˚C를 보였고, 세덤매트에서도 유사한 결과가 나타났다. 온도상승패턴에서 열용량이 적은 이끼판은 초기 1시간 내에서 온도상승이 세덤매트에 비해 급하게 이루어졌으며, 온도하강 시는 이끼판이 급격한 온도강하를 보인 반면, 세덤매트 및 콘크리트판은 높은 열용량에 따라 비교적 원만한 곡선으로 온도하강이 이루어졌다.

- 함습상태 실험결과

각 실험체를 함습한 상태에서 인공일사를 가동하였으며, 비교적 안정화에 접어든 6시간 이후 온도상승 및 일사제거 시의 하강패턴을 24시간 관찰하였다. 콘크리트면의 온도가 57˚C까지 지속적으로 상승한 반면, 4mm 및 10mm 이끼판은 약1시간 30분에 40˚C 내외에서 안정화상태가 지속되었으며, 세덤매트의 경우는 초기 30분 정도 30˚C까지 상승하여 이후 온도상승이 유지되어 약 40˚C 내외에서 안정화상태로 접어들었다. 6시간 이후 안공일사 제거시 4시간 경과후 콘크리트면은 약 30K 정도 온도가 떨어졌고, 이끼판 및 세덤매트의 경우는 약 17K~20K의 온도하강이 진행되었다.

- 결론

실험결과로부터 유추하여 볼 때 함습된 이끼를 통한 벽면녹화시스템의 효과가 콘크리트면에 대비하여 일사발생시 약 15K~20k 정도의 표면온도차를 보인 것은 매우 고무적 결과라 할 수 있겠다. 하지만 건조상태의 실험결과는 함습상태에 대비하여 상이한 결과를 목격할 수 있었다. 일사발생 초기에 열용량이 적은 이끼판의 표면온도는 빠르게 상승하지만 시간경과에 따라 온도상승이 지속적으로 이루어지는 콘크리트판과 온도차는 5K 내외에서 결정되었다. 그러므로 건조상태의 녹화면은 콘크리트면과의 온도차가 그다지 크지 않음이 증명될 수 있었으나, 관수시스템의 설치를 통해 여름에도 주기적으로 수분공급이 이루어 질 수 있다면 표면부 온도상승을 억제하기 위한 함습상태에서의 효과를 지속할 수 있을 것으로 판단된다.

무엇보다도 이런 효과를 초래하는 원리는 수분에 의한 증발산효과에 있다. 이끼를 포함한 함습층이 수분을 함습할 수있어 이의 증발을 통해 냉각효과가 발생하는 매우자연스러운 자연의 현상이다. 이를 통해 특히 한여름에 건물의 온도상승과 더 나아가서는 도시열섬현상을 효과적으로 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 함습된 수분은 도시 생물이 살수 있는 기반을 조성할 수 있게 된다. 이로 인해 인간과 생물이 공존하게 되는 도시의 환경을 개선하는 데에 충분히 기여할 수 있다. 현재 세대는 경제개발이 최대의 목표였던 20~30년의 무분별한 개발로 인한 도시황폐화의 후유증을 경험하고 있으며, 다음 세대가 더 나은 환경을 이룰 수 있도록 가반을 조성하는 것은 우리의 몫으로 남겨진 과제이다.