도시 폭염 완화…열과 맞서는 기술

과학기술

도시 폭염 완화…열과 맞서는 기술
녹지와 결합한 냉각지붕, 냉각 소재 등 연구 개발

2021.05.25 09:00 정승환 객원기자

매년 찾아오는 폭염, 도시를 구성하는 물질에 축적된 열이 밤 동안 천천히 방출하면서 만들어 내는 열섬현상과 열대야는 올해도 여지없이 찾아올 예정이다.

현재까지 연구된 바로는 폭염 기간에 열섬현상의 크기와 강도는 폭염을 강화하는 데 영향을 끼쳐 열로 인한 사망률을 증가시키는 것으로 나타났다. 더욱이 유럽연합(UN)은 2050년까지 현재보다 70% 증가한 약 63억 인구가 도시에 거주할 것을 예상해 폭염으로 인한 피해가 더욱 커질 것으로 전망하고 있다.

2050년 예상되는 세계 주요 도시인구비율ⓒ아워월드인데이터

과학자는 인간에 의해 만들어진 고온의 영향을 줄이고자 녹지나 반사재 등의 물리적인 모델이나 소재에 관해 관심을 두고 있다.

녹지 확대‧쿨루프 결합, 온도 낮추는 모델링 연구

폭염과 도심의 열섬현상을 완화하는 방법으로 공원, 식물원 등 녹지를 구성한 도시 모델이 자주 거론된다. 녹지면적과 함께 고려되는 것이 햇빛에 직접 노출되는 건물 지붕을 흰색의 특수 페인트로 칠해 태양 복사에너지를 반사하는 ‘쿨루프(Cool roof)’다.

영국 옥스퍼드대 연구에 따르면 쿨루프는 지붕 표면에 입사하는 태양열을 더 많이 반사해 온도를 낮추는 효과가 있어 폭염 기간 최대 3도까지 온도를 낮추고 열 관련 사망률을 25% 낮출 수 있었다.

하지만 쿨루프는 도심의 낮 온도 증가세를 낮추지만, 야간의 열대야에서는 효율성이 떨어진다. 그래서 최근에는 녹지 면적을 확대하면서 함께 결합한 도시 모델을 제안한다. 스페인 바르셀로나 자치대 환경과학 및 기술 연구소(ICTA-UAB) 연구진은 바르셀로나 도심을 대상으로 도시 마스터플랜에서 설정한 목표에 따라 쿨루프와 녹지면적 확장을 결합한 시나리오를 연구했다.

스페인 바르셀로나. 항공에서 촬영한 모습ⓒ게티이미지뱅크

결과는 평균 1.26도의 온도 감소를 보여 각각 단독일 때보다 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 구체적으로는 낮(오후 3시)에는 4.73도, 밤(오후 9시)에는 1.88도를 낮추는 효과를 보였다. 또 녹지에 투입되는 물의 용량을 늘리면 수증기 증발산으로 인한 냉각 효과로 낮 동안 온도가 감소하는 잠재력이 높아졌다. 이런 열 감소는 에너지 소비에도 영향을 미쳐 에어컨 사용을 26% 줄이는 효과를 나타냈다고 연구진은 밝혔다.

논문의 주 저자인 세르기 벤츄라 UAB 환경과학 연구소 조교수는 “도시 녹지가 많아 야간 온도를 낮추는 이점과 알베도와 관개량 증가로 주간에 온도 감소가 이뤄져 24시간 폭염을 완화할 수 있다”라고 설명했다.

냉각소재, 목재, 재귀반사 등…반사율 높은 재료에 초점

복사냉각시스템 모형. 복사냉각과 난방을 할 수 있는 기술로 전기나 연료를 사용하지 않는다. ⓒ버팔로 대학교

한편, 폭염 완화를 위해 반사율 높은 소재 개발에 과학자들의 연구가 진행 중이다. 미국과 사우디아라비아 과학자는 공동으로 수동냉각 구조의 금속 필름을 개발했다. 윤활제나 헤어컨디셔너 등에서 발견되는 실리콘 소재인 ‘폴리 디메틸 실록산(PDMS, Planar Polydimethylsiloxane)’으로 코팅된 필름은 주변 열을 흡수하고 방출한다.

이 필름은 낮에 햇빛으로 달아오른 물체가 야간에 흡수한 열을 방출해 온도가 떨어지는 ‘복사냉각’ 원리를 응용했다. 가시광선 투과율이 높고 열 방사율이 강한 광자 구조로 되어 있어 실험실 조건에서 9.5도의 냉각 효과를 확인됐다. 전기를 사용하지 않는 기술이라 상당한 관심을 받고 있다. 최근에는 ‘V자’ 형태의 양면으로 만들고 난방까지 가능하도록 개선해 상용화 단계에 있다.

열 발산을 차단한 단열 목재(오른쪽)와 일반 천연목재를 비교한 사진 ⓒLiangbing Hu, 인벤트우드(InventWood)

단열 목재도 보고된 바 있다. 미국 메릴랜드대 연구진이 개발한 이 목재는 목재 속 경질 성분인 리그닌을 제거하고, 셀룰로오스 섬유를 나무 성장 방향으로 정렬해 적외선 방출을 증폭시키는 원리다. 셀룰로오스 구조가 입사광을 효과적으로 산란시키는 점을 이용했다. 이 단열 목재는 정오에 주변 온도보다 평균 약 4도, 밤에는 약 9도 정도로 낮추는 효과를 나타냈다. 특히, 자연 분해 가능한 나무라서 환경에 주는 피해가 적다는 점이다. 최근에는 리그닌을 제거하면서 목재의 투명성을 높이고 나뭇결을 그대로 보여 미적인 요소도 가미한 단열 목재로 상용화됐다.

또한, 토요하시 공과대 건축토목공학과 지휘 위안 박사 연구진은 ‘재귀반사 유리비드’ 재료 모델에 관한 연구를 진행 중이다. ‘재귀반사(retro-reflective)’는 입사하는 양만큼 본래의 광원으로 바로 되돌아가는 역반사를 말한다. 보통 교통 표지판에 쓰이는 재료로 운전자에게 더 밝고 눈에 띄도록 하는 역할을 해 도로, 항공 운송 산업에 사용된다.

시뮬레이션 된 유리 비드 수치 모델 ⓒ토요하시 공과대

유리로 된 구슬 형태의 ‘재귀반사 유리비드’ 소재는 기존의 확산반사를 작용하는 코팅보다 냉각 잠재력이 높아 도시 내부를 순환하는 에너지를 줄이는 효과가 높을 것으로 알려진다. 아직 연구개발단계로 태양 복사 입사각에 따른 최적의 반사율만 보완한다면 효율적일 수 있다고 과학자들은 평가한다.

(1911)