도시열섬 완화를 위한 캠퍼스 Cool Surfaces 비교 연구

I. 서론

도시 열섬(Urban heat island, UHI) 현상은 전 지구적 도시화와 토지피복 변화에 따라 도시 지역의 지표면온도(LST)를 지속적으로 상승시키는 대표적 환경 문제로, 특히 불투수 포장과 저반사(저알베도) 표면의 확대가 여름철 고온 노출과 냉방에너지 부담을 심화시키는 주요 요인으로 지적된다(Mashhoodi, Stead and van Timmeren, 2020). 이러한 온도 증가는 냉방 에너지 소비 증가, 오존 및 미세먼지 농도 상승에 따른 대기질 악화, 열 관련 질환 및 사망 위험 증대 등 다층적인 도시 환경･보건 문제로 이어지며, 기후변화 적응 및 완화 전략의 핵심 과제로 논의되고 있다(Ward, Lauf, Kleinschmit and Endlicher, 2016). 특히 위성 기반 온도 자료와 고해상도 토지피복 자료를 결합한 선행연구들은 불투수 포장 비율, 표면 알베도, 인공피복의 3차원 형태가 국지적 열섬 강도와 밀접하게 연관됨을 반복적으로 입증하고 있다(유영희･백종진, 2012). 이러한 점에서 불투수･저알베도 표면을 고알베도･고방출율 쿨표면으로 전환하는 물리적 개입은 도시 차원의 UHI 완화와 건물 에너지 수요 관리를 동시에 달성하기 위한 핵심 수단으로 부각되고 있다(U.S. Environmental Protection Agency, 2021) 도시 열환경과 에너지 문제를 미시 규모에서 정밀하게 관찰･관리하기에 적합한 공간 단위 중 하나가 대학 캠퍼스이며, 명확한 경계를 가지면서도 강의동, 연구동, 기숙사, 상업･지원시설 등 다양한 건물용도와 녹지･포장 공간이 혼재한 복합 구조로 이러한 토지피복 구성과 3차원 공간형태에 따라 미기후가 민감하게 변화하는 것으로 보고된다(Qiao and Yan, 2024; Rahman and Das, 2024). 캠퍼스 내부에서 건물 배치, 가로 공간의 개방도, 녹지･수변･그늘 공간의 유무는 보행 동선의 열환경과 야외활동의 열쾌적성에 직접적인 영향을 미치며, 이는 야외 이용행태와 학습･연구 활동의 질, 나아가 캠퍼스 생태계 서비스 제공 수준에까지 파급될 수 있다(Cho, Ha, and Lee, 2017; Wang, de Groot, Bakker, Wörtche and Leemans, 2017). 이러한 선행연구 결과는 대학 캠퍼스가 도시 차원의 열환경과 에너지 문제를 축소 모형처럼 관찰하고, 다양한 물리적 개선 전략을 실험하기에 적절한 연구 단위임을 시사한다(Cho et al., 2017; Qiao and Yan, 2024). 에너지 관점에서도 대학 캠퍼스 건물군은 중요한 대상으로 국내 연구에 따르면 대학 건물은 병원, 호텔, 공공청사 등 다른 에너지 다소비 건물 유형과 비교해 단위면적당 에너지 사용량이 높은 수준을 보이며, 특히 전력 사용 비중이 크고 이 중 상당 부분이 강의실･연구실･강의지원시설의 냉난방 및 공조 설비 운전에 소모되는 것으로 나타났다(박기현, 2016). 국제 문헌에서도 도시열섬으로 인한 외기 온도 상승이 건물 냉방 에너지 수요를 증가시키는 메커니즘이 수치모형과 계량 분석을 통해 반복적으로 제시되고 있어(Li et al., 2019), 도시열섬 완화와 대학 건물의 에너지 효율 개선을 통합적으로 다루는 연구의 필요성이 강조된다(Leal Filho, Echevarria Icaza, Neht, Klavins and Morgan, 2018). 따라서 캠퍼스 단위에서 토지피복과 표면 특성, 특히 알베도와 불투수･투수 표면 구성비가 열환경 및 에너지 수요에 미치는 잠재적 영향을 규명하는 것은, 도시 차원의 에너지･기후 적응 전략을 수립하는 데 있어 의미 있는 기초 단계로 볼 수 있다(박기현, 2016). 이러한 맥락에서 쿨 루프(cool roof)와 쿨 파브먼트(cool pavement)는 지붕 및 포장 표면의 알베도와 방출율을 높여 지표면온도 및 인접 공기온도를 저감하는 대표적 물리적 대응 전략으로 주목받고 있다(Mohajerani, Bakaric and Jeffrey-Bailey, 2017; U.S. Environmental Protection Agency, 2021). Mohajerani et al.(2017)은 포장재의 열용량･알베도 특성이 UHI 기여도에 미치는 영향을 종합 정리하면서, 고반사 포장과 수분 증발형 포장의 결합이 국지적 열섬 완화에 효과적임을 제시하였다(Mohajerani, Bakaric and Jeffrey-Bailey, 2017). U.S. Environmental Protection Agency(2021)는 쿨 루프와 쿨 파브먼트를 도시 열섬 완화와 건물 냉방 부하 저감을 동시에 달성할 수 있는 핵심 수단으로 제시하며, 고알베도 지붕･포장이 기존 표면에 비해 낮은 표면온도와 더 적은 태양복사 흡수를 보인다고 보고한다(U.S. Environmental Protection Agency, 2021). Li et al.(2019)은 이러한 쿨표면 도입이 건물 에너지 소비와 온실가스 배출 저감 측면에서 유의한 잠재력을 가진다고 평가하며, 쿨 루프･쿨 파브먼트･녹지 확대를 결합한 전략의 중요성을 강조한다(Li et al., 2019). 이와 같은 논의를 고려할 때 대학 캠퍼스 단위에서 지붕과 포장 표면의 반사율･열특성을 개선하는 쿨표면 전략을 정량적으로 평가하는 것은, 열환경 개선뿐만 아니라 에너지･기후정책의 실증 기반을 제공하는 측면에서 중요하다. 국내의 캠퍼스 단위의 경우 환경부의 그린 캠퍼스 조성 가이드라인이 2011년부터 시행되어 국내 대학의 지속가능한 캠퍼스 구축을 위한 제도적 틀을 제공하고 있지만 이 프로그램이 명시적으로 다루는 영역은 쿨루프/쿨포장 기술은 구체적 평가항목이나 의무사항으로 포함되지 않았으며, 기술 도입 기준도 마련되어 있지 않다. 해외 주요 연구중심 대학들은 기후･에너지 계획과 연계하여 쿨 루프･쿨 파브먼트 도입이 정책･제도적으로 지붕･포장 전략을 체계적으로 수립하고 있다는 점에서, 국내･외 캠퍼스를 아우르는 정량 비교 연구의 필요성이 제기된다(MIT Office of Sustainability, 2020; U.S. Environmental Protection Agency, 2021). 부산대학교 캠퍼스는 환경부가 발표한 2013년 그린캠퍼스 대학으로 선정된 대학으로 대표적인 국내 국립대 캠퍼스 사례로서, 교육･연구･지원시설과 광범위한 포장･녹지 공간이 혼재하는 전형적인 물리적 구조를 보이는 것으로 알려져 있으나, 현재까지는 제도화된 쿨 루프･쿨 파브먼트 프로그램이 제도 등이 부재한 상황이다. 이에 반해 MIT 캠퍼스는 기후행동계획과 연동된 “Sustainable Roof Study & Planning Tool” 등을 통해 지붕의 반사율･단열･녹화･태양광 도입을 체계적으로 평가하고, 콘크리트 지속가능성 허브 등을 중심으로 쿨 파브먼트 연구를 선도해 온 사례로 평가된다(MIT Office of Sustainability, 2020). 따라서 본 연구는 국내 국립대 캠퍼스의 대표 사례인 부산대학교와 쿨 루프･쿨 파브먼트 전략을 선도적으로 추진해 온 미국 MIT 캠퍼스를 비교 대상으로 설정하여, 위성자료와 토지피복 정보를 활용해 두 캠퍼스 간 쿨표면 구성과 반사율(알베도) 구조의 차이를 정량적으로 규명하고자 한다(황영석･엄정섭, 2015; MIT Office of Sustainability, 2020). 이러한 비교 분석을 통해 쿨표면 제도가 부재한 국내 캠퍼스가 선도 캠퍼스(MIT)에 비해 어느 정도의 쿨표면 비율･알베도 격차를 보이는지 진단함으로써, 향후 국내 대학 캠퍼스의 기후탄력적 공간계획 및 쿨표면 도입 전략 수립을 위한 계량적 기준과 개선 여지를 제시하는 데 학술적･실무적 의의를 두고자 한다.

Ⅱ. 선행연구

Ⅲ. 측정방법

본 연구는 쿨표면기술 도입에 대한 정책･제도 환경이 상이한 두 대학 캠퍼스의 쿨표면 구조를 정량적으로 비교하고, 이들의 공간 배치 전략의 차이를 분석했다. 공간적 범위로는 PNU와 MIT로 선정하였다. 두 캠퍼스는 국가･기후･도시구조는 상이하지만, 대규모 종합대학 캠퍼스로서 고밀도 건축물과 광범위한 포장면을 보유하고 있으며, 교육･연구시설의 밀집으로 냉난방 에너지 수요가 크고 미기후 조절이 중요한 공간이라는 공통점을 가진다. 또한 MIT는 설계 기준과 캠퍼스 개발 체계에서 열섬 저감형 지붕･포장 전략을 상대적으로 명시적으로 다루는 사례로 알려져 있어, MIT캠퍼스를 준거로 PNU의 쿨표면 구조를 비교･진단하는 것은 도시계획적 관점에서 알베도 기반 표면 특성이 열환경 개선 잠재력에 미치는 상대적 함의를 도출하는 데 유의미하다. 시간적 범위로는 쿨표면의 공간적 패턴을 정량화하기 위해 유럽우주국(European Space Agency, ESA) Sentinel- 2 Level-2A Surface Reflectance(SR)를 주 자료로 활용하였다(ESA, 2021). 토지피복은 ESA WorldCover 10 m 제품을 기준으로 하였으며, 2025년 12월 기준 최신 공식 공개된 WorldCover 토지피복 지도는 2020(v100)과 2021 (v200)로 제공된다(ESA WorldCover Project, 2021; Zanaga et al., 2022). 이에 토지피복 지도(2021)와 알베도 영상 간 연도 불일치를 최소화하기 위해 2022년을 분석연도로 설정하였다. 영상의 시간 범위는 2022년 5–9월로 한정하여 식생이 활발하고 기상 조건이 비교적 안정적인 하절기 영상을 사용함으로써 그림자와 토양 수분에 따른 잡음을 최소화하였다. MIT캠퍼스가 있는 보스턴 시가 발표한 공식 보고서인 [Boston Heat Resilience Plan] (City of Boston, 2022)에 따르면, 보스턴 지역에서 화씨 90°F(약 32.2°C)를 초과하는 고온일은 역사적으로 주로 5월에서 9월 사이에 집중되어 발생하며, 또한, 한반도의 기후 특성상 5월에서 9월은 하절기 고온기이며, 여름철 몬순의 영향으로 장마의 영향을 배제하기 위해 장면 선택 시 구름비율 10% 이하의 영상만을 선별한 뒤, 기간 내 영상은 중앙값을 합성하여 시점별 편차와 순간 기상잡음을 동시에 완화하였다.

분석 대상 밴드는 10m 해상도의 Blue(B2), Green(B3), Red(B4), Near-Infrared(B8) 밴드와 20 m 해상도의 Short-Wave Infrared(B11, B12) 밴드로 구성하였으며, SWIR 밴드는 10m 해상도로 최근접 이웃법을 이용해 재보간하였다. 공간분석도구로는 Google Earth Engine (GEE)를 활용하였다. GEE는 클라우드 기반의 위성영상 분석 플랫폼으로, 대규모 다중시계열 자료의 접근과 밴드 연산을 웹 환경에서 자동화할 수 있다. 본 연구에서는 GEE를 이용하여 Sentinel-2 SR 영상의 불량화소 제거, 밴드조합, 반사율(Albedo) 계산 및 픽셀 단위 통계치 도출을 일괄적으로 수행하였다. 특히 Liang et al(2003)의 연구에서 사용된 협대역-광대역 변환식(narrow- to broadband conversion formula)을 적용하여 각 밴드의 반사율을 가중평균함으로써 지표 Albedo를 산정하였다. 측정방법으로는 첫 번째, 캠퍼스 경계 및 격자 자료 구축으로 Google Earth Pro 및 학교에서 제공하는 캠퍼스 평면도를 참조하여 각 캠퍼스의 법적･물리적 경계를 구축하여 이를 GEE 상에 일치시켰다. 이후 각 경계 폴리곤의 면적은 WGS84 타원체를 기준으로 GEE의 함수를 이용해 산정하였다. 두 번째, 불투수･투수 표면 분류 및 재범주화단계로 지표 피복 분류에는 ESA WorldCover 2021 v200(공간해상도 10 m)을 활용하였다. WorldCover는 Tree cover(10), Shrubland(20), Grassland(30), Cropland(40), Built-up(50), Bare/sparse vegetation(60), Snow and ice(70), Permanent water bodies(80), Herbaceous wetland(90), Mangroves(95), Moss and lichen(100)의 11개 클래스를 제공한다(Zanaga et al., 2022). 연구 대상인 중위도 내륙 캠퍼스(PNU, MIT)의 공간적 특성과 WorldCover의 분포 특성을 검토한 결과, 눈･빙설(70), 맹그로브(95), 이끼･지의류(100), 습지(90)는 연구 범위 내에 사실상 존재하지 않는 것으로 확인되어 분석 대상에서 제외하였다. 이에 따라 Built-up(50)을 불투수 표면, Tree cover(10), Grassland(30), Cropland(40), Bare/sparse vegetation(60), Permanent water bodies(80)를 투수 표면으로 간주하였다(Arnold and Gibbons, 1996; Zanaga et al., 2022). 투수 표면은 수문･열환경 기능의 차이를 반영하기 위해 네 개 기능군(Pervious surface functional groups, PG)으로 재범주화하였다. 수역(Permanent water bodies, 80)은 PG1, 수목(Tree cover, 10)은 PG2, 초지･농경지(Grassland 30 + Cropland 40)는 저층 초본녹지로 통합하여 PG3, 맨땅･공터(Bare/sparse vegetation, 60)는 PG4로 정의하였다. 초지와 농경지를 단일 군으로 통합한 것은 두 피복이 모두 낮은 초본식생(herbaceous vegetation)이 우점하는 구조를 가지며, 알베도･LST･증발산 특성이 유사하다는 LCZ 및 도시녹지 선행연구에 근거한다(Stewart and Oke, 2012; Liu et al., 2022). 세 번째로 알베도 기반 불투수 Cool Surface 등급화 단계로 불투수 표면(Built- up, 50)에 대해서는 위성 반사율로부터 광대역 알베도(broadband albedo)를 산정한 뒤, 알베도 수준에 따라 세 개 등급으로 구분하였다. 알베도 산정에는 Landsat 및 Sentinel 계열 위성자료에 대한 Liang (2000)과 Liang, Fang and Chen (2001)의 밴드 조합식을 적용하였다. 단파 복사 영역의 반사율을 이용해 각 픽셀의 광대역 알베도를 계산한 후, 세계 쿨루프･쿨지붕 기준 및 선행연구에서 제시하는 임계값을 참고하여 고반사 Cool Surface(IG1), 중간 반사도 불투수면(IG2), 저반사 일반 불투수면(IG3)으로 재분류하였다(Synnefa et al., 2007).

Ⅳ. 분석결과

본 연구는 PNU(부산대학교)캠퍼스와 MIT(매사추세츠공과대학교) 캠퍼스의 Cool Surface 특성을 비교 분석하였다. 두 캠퍼스의 전체 면적은 각각 530,654.8 m²(PNU), 814,887.1 m²(MIT)로, MIT가 약 1.5배 넓지만, 분석의 초점은 절대면적이 아니라 각 캠퍼스 내부에서 차지하는 비율 구조에 두었다. <표 1>과 <표 2>는 부산대학교(PNU)와 MIT 캠퍼스를 대상으로 산정한 불투수･투수 Cool Surface의 면적 및 면적비율을 비교한 결과이다.

<표 1>

캠퍼스별 알베도 등급 및 면적

<표 2>

투수면적 비율 결과비교

2. 투수 표면(PG) 분석결과

전체 투수면 비율은 PNU 캠퍼스의 경우 35.84%로 상대적으로 높은 녹지비율을 가지고 있으며, MIT 캠퍼스의 경우 25.21%로 투수면이 PNU보다 10.63%p 낮은 것으로 나타났다.

투수표면의 유형별 분포를 살펴보면 먼저, PG1 등급인 수표면 면적은 PNU 캠퍼스는 0.000%상설 수역이 전무한 것으로 나타났다. MIT 캠퍼스의 경우 0.205%를 차지하며 극소량의 인공 연못 존재하는 것으로 나타났다. 즉, 두 캠퍼스 모두 상설 수역이 거의 없는 상황으로, 생태수로, 빗물 저류지, 인공 연못 등의 조성을 통한 냉각 기능 강화의 필요성이 매우 높다. 다음으로 PG2 등급은 수목면적으로 PNU 캠퍼스의 경우 34.307%로 매우 높은 수목 비율을 보유하고 있으며, MIT 캠퍼스는 11.771%로 PNU의 약 2.91배 차이로 상대적으로 낮은 수준의 결과를 보였다. PG3 등급에서는 PNU 캠퍼스가 전체 면적의 1.194%로 극소량임에 비해, MIT 캠퍼스는 13.071%로 PNU의 약 10.9배에 달하는 높은 비율을 보인다. 한편, PG4 등급 비율은 양 캠퍼스 모두에서 극히 낮게 나타났다. 이러한 결과는 캠퍼스의 공간이 대부분 용도에 따라 포장되거나 녹지 등 기능적으로 정형화되어 있으며, 미개발 또는 비정형적인 맨땅 공간이 거의 남아 있지 않음을 시사한다. 이는 현대 대학 캠퍼스의 토지 이용이 고도화되고 있으며, 관리 효율성 및 이용 안전성을 중시하는 설계 및 관리 방식이 두 공간 모두에 적용되고 있음을 의미한다.

<그림 1>

IT캠퍼스-Albedo결과

<그림 2>

IT캠퍼스-Coolsurface결과

<그림 3>

NU캠퍼스-Albedo결과

<그림 4>

NU캠퍼스-Coolsurface결과

Ⅴ. 토론

Ⅵ. 결론

본 연구는 ESA WorldCover 2021과 Sentinel-2 알베도를 결합하여 부산대학교(PNU)와 매사추세츠공과대학(MIT) 캠퍼스의 쿨표면 구조를 정량적으로 비교하고, 이들의 공간 배치 전략의 차이를 분석했다. 본 연구의 분석결과를 비교하였을 때, 주요 발견사항은 첫 번째, 두 캠퍼스의 토지피복 구성에서 나타나는 반사율과 녹지 유형의 차이이다. 불투수 표면의 경우 양 캠퍼스 모두 저반사 포장(IG3)이 지배적이었다(PNU 63.608%, MIT 69.601%). 그러나 중간 반사율 포장(IG2)에서 MIT 5.046%가 PNU 0.553%보다 9.1배 높다는 점은 MIT의 포장 현대화가 진행 중임을 명확히 보여준다. 더욱 주목할 점은 국제 기준(Energy Star, α≥0.65)을 충족하는 고반사 쿨루프(IG1)의 거의 전무한 현황이다. PNU 0%, MIT 0.145%로, 두 캠퍼스 모두 국제 에너지 효율 기준을 만족하는 시설이 사실상 존재하지 않으며, 이는 향후 신축 건물 및 노후 건축물 리모델링 시 쿨루프 기술의 도입이 절실함을 의미한다. 투수 표면의 구성에서는 더욱 극단적인 대조가 나타난다. 수목 피복도에서 PNU 34.307%가 MIT 11.771%보다 약 2.9배 높다. Smith, Ford, Kim, Vautard, and Bellouin (2024)의 정량화에 따르면, PNU의 수목 커버는 약 -3.05 K의 냉각 효과를 제공하는 반면, MIT는 약 -1.05 K의 냉각 효과만 제공한다. 이러한 차이는 단순한 통계치가 아니라 캠퍼스 설계 철학의 근본적 차이를 반영한다. 초지･농경지(PG3)에서는 정반대 패턴이 나타났으며(PNU 1.194% vs MIT 13.071%), 이는 미국 대학의 스포츠 필드 전통과 개방 공간 설계 문화가 MIT에 반영되었음을 의미한다. 반면 PNU의 극소 비율은 산악 지형의 물리적 제약과 숲 중심의 녹지 설계 철학을 명확히 보여준다. 이러한 토지피복 구성의 차이는 각 캠퍼스가 서로 다른 지형･기후･문화적 맥락에서 이루어진 의도적 선택의 결과로 해석된다.

두 번째로 정량적 구성 이상으로 공간 배치방식의 상이함이다. PNU의 배치 특성은 중앙 고밀도 포장과 주변부 수목 집중 배치 구조로 특징지어진다. 강의실과 실험실이 집중된 중앙부는 저반사 포장(IG3)의 고밀도 지역이며, 남동쪽 산림 지역의 연속적인 수목대가 열환경 완화의 주요 역할을 담당하고 있다. 이는 열이 취약한 지역(중앙)과 열 완화 지역(주변)의 공간적으로 분리된 형태로, 가장 많은 사용자가 머무르는 중앙부가 오히려 높은 열 스트레스에 노출되는 역설적 구조를 의미한다. 반면 MIT의 배치 특성은 캠퍼스 전역에 초지･포장 분산하여 배치되어있고 경계부 수목대를 연속 배치하였다. 초지(13.1%)와 고반사 포장(5.046%)이 건물군 사이의 오픈스페이스, 산책로, 광장에 전략적으로 분산되어 있으며, 수목(11.8%)은 건물 주변과 캠퍼스 경계부에 연속적으로 배치되어 있다. 이러한 배치는 직접적으로 이용자에게 복사열을 저감할 수 있으며, 경계부의 연속적 수목대는 캠퍼스 외부의 열 유입을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. MIT 캠퍼스는 다음의 세 가지 점에서 쿨서피스 정책의 우수사례로 평가된다. 첫째, 포장 현대화의 선도성이다. IG2 비율 5.046%는 이미 포틀랜드 시멘트 콘크리트(PCC) 포장을 시범 도입하고 있음을 의미하며, 이는 MIT 소재 보스턴의 도시 쿨포장 정책과의 연계를 시사한다. 둘째, 초지의 다원적 활용이다. 13.1%의 초지는 단순한 녹지가 아니라 스포츠 시설, 휴게 공간, 우수 저류지, 생물 다양성 서식처 등 여러 기능을 동시에 수행함으로써, 열환경 개선과 캠퍼스 활용성을 극대화한다. 셋째, 경계부 수목대의 열 차단 기능이다. 낮은 수목 비율(11.8%)에도 불구하고 미기후 악화가 극심하지 않은 것은 캠퍼스 경계부에 연속적인 수목대를 유지하여 외부 열 유입을 억제하기 때문이다. 반면 PNU는 다음의 과제를 가지고 있다. 첫째, 중앙부 포장의 높은 저반사율(63.6%)로 인한 열 취약성이다. 비록 높은 수목 비율(34.3%)을 보유하고 있으나, 이는 주변부에 집중되어 있어 중앙부 사용자의 열 스트레스 완화에는 직접적 효과가 제한된다. 둘째, 초지의 부재로 인한 다원적 기능 손실이다. 극소의 초지 비율(1.194%)은 단순히 냉각 기능의 손실뿐 아니라 우수 관리, 생물 다양성, 휴게 공간 제공 등 다원적 기능을 방기한 것을 의미한다. 셋째, 쿨포장 도입의 전무이다. PNU에서 IG2 비율 0.553%는 국제 기준 이상의 현대적 포장이 거의 없음을 의미하며, 이는 포장 현대화에서 MIT보다 상당히 뒤떨어져 있음을 시사한다. 그러나 이러한 과제는 동시에 개선의 큰 잠재력을 의미한다. PNU는 이미 보유한 높은 수목 비율(34.3%)을 자산으로 활용하면서, MIT의 우수사례를 참고하여 중앙부 포장의 선택적 현대화, 초지 도입, 쿨포장 확충 등을 통해 열환경 관리의 효율성을 획기적으로 개선할 수 있다.

Acknowledgments

이 논문은 4단계 두뇌한국21 사업 (4단계 BK21 사업)에 의하여 지원되었음.

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