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옥상 녹화 시스템의 전과정 평가를 통해 조성, 사용, 폐기 과정에서 발생하는 환경부하를 정량적으로 산출하고자 한다.

옥상 녹화와 쿨루프가 설치되는 건축물은 건축면적 262.5m2의 4-5층 높이 철근-콘크리트 기반 동일 건물로 가정한다. 옥상 녹화 시스템은 국립원예특작과학원의 교육용 옥상 녹화 시스템을 표준으로 하며, 돌나물이 식재된 단면의 구조를 전면화한 저관리·경량형으로 하였다. 건축물은 콘크리트 옥상으로 가정하고, 국토교통부 승인 <조경설계기준(2016)>에 따라 2개소의 관경 75mm 배수공이 있으며, Gyeonggi Research Institute(2010)에 제시된 최소 경사인 1.1〬의 경사를 가지고, <건축법 시행령> 제40조와 <조경기준> 제18조에 근거하여 1.2m 이상의 난간이 설치된 것으로 가정한다. 또한 <법인세법 시행규칙(개정2011.2.28.)>의 ‘건축물 등의 기준내용연수 및 내용연수범위표(제15조 제3항 관련)에 따라 건축물의 수명을 40년으로 설정하며, <도시재생 활성화 및 지원에 관한 특별법> 제13조 및 시행령 제17조에 의거하여 준공된 후로 20년이 경과한 노후 건축물에 옥상 녹화를 설치 및 건물 내구 보강 작업이 동반되어 수명이 20년 증가한 것으로 가정한다.

연구 대상인 옥상 녹화 시스템의 기능은 단열이며, 기능 단위는 옥상의 면적이다. 환경영향 평가의 시스템 경계(System boundary)는 40년간 각 시스템이 조성-사용-폐기까지의 생애주기 전반(Cradle-to-grave)으로 설정하였고, 제조·유지 단계에서 들어가는 재료(Component)와 기계의 사용을 통해 소모되는 전기 에너지 및 연료를 데이터로 가진다. 운송 거리에 대한 데이터는 조달처에 따라 크게 변동되므로 고려하지 않는다. 건물의 수명이 종료되어도 재사용 및 재활용 가능한 물질의 경우, 본 연구의 폐기 단계에서 환경부하를 발생하지 않기 때문에 시스템 경계의 폐기 단계에서 배제하였다. 또한, 제외 사항(Cut off)으로는 설치 시 소모되는 고정핀, 너트와 같은 부자재를 대상으로 하며 데이터가 명확하지 않고, 그 양이 환경 부하에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 평가되어 환경영향 평가 대상에서 제외했다. 이에 따른 옥상 녹화의 시스템 경계는 [Fig. 2]로 도식화하였다.

[Fig. 2] 
System boundary of Green roof.

환경영향 평가는 하나의 대상이 생성되고 소멸될 때까지 발생시키는 환경 부하를 합산하는 전과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA)로 진행되었다. 수명 기준은 법인세법에 명시된 건축물 등의 기준 내용 연수에 따라 40년으로 설정했다. 모델링 프로그램은 MiLCA를 사용하였고, 투입물의 데이터는 현장 조사, 문헌 조사, 인터뷰를 통해 진행했다(JEMAI. 2011). 또한, 투입물의 환경 부하는 IDEA (Inventory Database for Environmental Analysis) 데이터베이스를 활용했으며, LIME2 (Life-cycle Impact assessment Method based on Endpoint modeling) 방법론으로 특성화 단계까지 진행했다. 환경영향 범주는 수명 기준에 대한 잠재적 환경 부하로 한정한다.

환경영향 평가를 위한 1차적 데이터는 시스템을 구성하는 재료로써, 문헌자료와 현장 조사 그리고 전문가 인터뷰를 통해 수집하여 <Table 1>에 나타내었다. 그리고 각각의 재료를 완성하기까지 발생한 환경 부하인 2차적 데이터는 IDEA (Inventory Database for Environmental Analysis)의 LCI (Life Cycle Inventory)를 사용하였다. 데이터의 시간적 범위는 2014～2019년이며, 현재까지 국가 기관을 통해 제작·유포된 최신 기술을 기술적 경계로 가진다. 옥상 녹화 시스템을 구성하는 재료의 경우, 국립원예특작과학원의 교육용 옥상정원 보급형(2014) 설계도 및 내역서를 토대로 구성한다. 문헌자료를 통해 특정 업체의 제품이 다수 사용되었음을 확인할 수 있었으며, 해당 업체의 제품 카탈로그를 통해 재료의 소재(素材, Material) 정보를 알 수 있었다. 출처를 알 수 없는 기타 구성품의 경우 3～5개 업체의 동일 품목을 현장 조사하여 계산치를 적용하였다. 또한 식생의 성장 환경을 향상시켜주는 피트모스는 IDEA의 LCI에서도 찾을 수 없어 피트모스의 국내 주요 수입국 중 한 곳인 캐나다의 Canadian Sphagnum Peat Moss Association(2006)의 결과 값을 적용하였다. 마지막으로 장비 사용으로 인한 연료 소모량은 양중기(Crane)는 NTM (Network for Transport Measures)를 활용하였고, 에어 용접기는 Ko and Kim(2014)에 기재된 장비 사양과 Kim et al.(2018)의 용착속도를 추정치로 활용하였다. 사용 단계에서 요구되는 기질 보충량은 G. Peri et al.(2012)의 기질 보충량을 추측치로 차용하였다. 또한 전정을 위한 기기의 전기 에너지 소모량을 현장 조사를 통해 기기 정보를 추출하여 평균 계산치를 사용하였다. 마지막으로 폐기는 환경부의 <건설폐기물의 처리 등에 관한 업무처리지침(시행 2018.1.16.)>을 기준으로 폐기 방식을 결정하였다.

생애주기 전반을 고려한 전과정 평가(Cradle-to-grave)에서는 수명주기가 고려되는데, 옥상 녹화 시스템의 소재의 경우 Nyuk Hien Wong et al.(2003)에 의하면 구성 자재들이 직사광선으로부터 보호되어 내구수명이 40년 이상이 될 것으로 보고 있고, Giorgia Peri et al.(2012)과 Sanaz Bozorg Chenani et al.(2015) 또한 옥상 녹화 시스템 수명을 40년으로 가정하였기에, 본 연구에서도 옥상 녹화 시스템의 부품을 포함한 전반의 수명이 40년인 것으로 가정하였다. 더불어 전과정 평가에 포함되는 소재들의 일부가 국내 데이터베이스인 TOTAL software의 LCI에 구축되어있지 않아 IDEA ver1.1의 데이터베이스를 활용하였다. 옥상 녹화 시스템에서 복합 방수·방근시트를 고정하는 용도의 메탈시트, 패스너는 정확한 사용량에 대한 자료가 없고, 그 사용량도 적어 LCA에 관한 ISO 문서의 제외 권장 기준에 따라 제외(Cut-off)한다. 적용한 기준은 누적 질량 기여도이며, 해당 재료는 95% 미만으로 제외한다. 배수판과 부직포를 연결하는 핀과 드레인 캡 또한 동일한 이유로 제외한다.

전과정 목록분석은 설정된 시스템 경계를 바탕으로 투입물과 산출물의 데이터를 수집하고, 기능 단위 또는 기준 흐름에 따른 환경 부하를 계산 및 파악하는 단계이다. 옥상 녹화 시스템에 투입되는 자재 <Table 1>을 IDEA의 데이터베이스를 활용해 MiLCA로 모델링하였다. 목록분석 결과 옥상 녹화는 총 150개의 목록항목이 도출되었으며, 투입된 물질은 67개로 나타났고, 산출된 물질은 대기권, 수권, 지권에 복합적으로 83개의 환경부하 물질이 발생하였다. 옥상 녹화의 목록항목은 <Table 2>로 중복을 제외하고 나타내었다.

특성화를 통하여 전과정 평가에서 환경영향을 분석하였다. 특성화는 투입물에 의해 발생한 환경부하를 특정 영향범주로 분류화를 거쳐 영향 범주별 특성화 인자에 대한 잠재적인 환경영향을 정량화하였다. 본 연구에서는 가장 큰 기후변화로 손꼽히는 지구온난화를 가속화시키는 온실가스를 감축하기 위하여 옥상 녹화와 쿨루프의 환경영향을 비교하는 것으로, 환경영향 평가 범주는 지구온난화(Global Warming, GW)를 중심으로 평가하였다. 더불어 도시에 미치는 환경적 영향을 평가하기 위해 도시 대기오염(Urban Air Pollution, UAP)을 추가 범주로 채택하였다.

가. 지구온난화(Global Warming, GW)

옥상 녹화 시스템의 지구온난화에 대한 잠재적 영향을 분석하였다. 그 결과 총 21,540kg·CO₂e로 산출되었으며, 이 중 이산화탄소(Carbon dioxide. CO₂)가 97%의 높은 기여도로 나타났다(<Table 3>).

<Table 3> 
Global Warming Effect Factors and Resulting values of Green roof

Global Warming	Effect Factor	Value (kg·CO2e)	%
	carbon dioxide	20,948.19	97
	methane	382.40	2
	nitrous oxide	209.68	1
	PFC-14	0.31	0
	sulfur hexafluoride	0.13	0
	Total	21,540.71	100

이산화탄소의 주 발생 요인을 찾기 위해 시스템 구성 재료(Component)를 재분석한 결과 [Fig. 3]과 같이 사용 단계의 인공토양에서 6,644kg·CO₂e의 높은 잠재적 환경부하가 도출되었다. 다음으로 높은 값을 가지는 요소 또한 설치 단계의 인공토양으로, 인공토양이 옥상 녹화를 구성하는 자재 중 지구온난화의 환경부하를 야기하는 주된 요인으로 나타났다. 인공토양에서 높은 환경부하가 발생한 이유는 옥상 녹화에 투입되는 요소들의 총무게 중 인공토양이 90%의 높은 비율을 차지하기 때문으로 추정된다. 또한 Lee et al.(1999)의 Molecular sieve, Kim et al.(2018)의 Bottom ash, Kim et al.(2017)의 Coco-peat와 같은 인공토양 소재의 제조 단계에서 직접적인 가열 또는 전기 에너지 소모가 있기 때문에 인공토양의 사용과 함께 지구온난화에 대한 잠재적 환경부하가 존재한다고 할 수 있다. 인공토양 다음으로 피트모스가 높은 값으로 도출되었다. 피트모스는 약 300여종의 식물 및 물이끼류가 죽고, 분해되며 쌓인 잔여물(Shaw et al., 2013)로 환경부하가 발생되지 않는 자연물로 생각될 수 있으나, Canadian Sphagnum Peat Moss Association(2006)에 따르면 수확-포장-이동의 각 단계에서 기기 장비가 사용되며 유기물 분해 과정을 통해 온실가스가 추가로 배출되기 때문에 피트모스는 높은 환경부하를 나타내었다. 이러한 결과를 통해 피트모스에 대한 세 가지의 우려 점은 다음과 같다. 첫 번째는 본 연구에 사용된 피트모스의 양이 인공토양의 1/4에 불과하나 환경부하는 1/2이 발생하여 인공토양에 비해 높은 밀도의 환경부하를 발생한다는 점이다. 두 번째는 뛰어난 보수력과 다양한 영양소를 함유를 장점으로 환경부하 발생 정도와 관계없이 원예·축산업에서 활발하게 활용한다는 점이다. 마지막으로, 국내에서 사용하는 피트모스가 주로 라트비아와 캐나다에서 수입되기 때문에 본 연구에서 고려되지 않은 선박 또는 항공을 통한 운송 과정을 포함하면 대량의 환경부하를 발생시킨다는 점이다. 피트모스는 국내 생산이 어렵기 때문에 수입을 지속하면서 환경부하를 절감시킨다는 것은 현실적으로 어려운 것으로 판단된다. 따라서 국내의 자원을 활용한 대체재 개발이 필요하다.

[Fig. 3] 
Global Warming Impact Value by Component. Installation stage (INS), Use stage (USE), Disposal stage (DIS).

인공토양과 피트모스 다음으로 복합방근·방수 자재인 PVC (Polyvinyl chloride)가 설치 단계에서 1935kg·CO₂e,의 환경부하를 발생시키는 것으로 나타났다. 플라스틱은 석유를 원료로 하기 때문에 원유를 추출하는 과정부터 폐기 단계까지 온실가스를 지속 방출하여 세 번째로 높은 환경부하를 야기한 것으로 추측된다. 또한, 배수층을 구성하는 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 제품도 플라스틱의 일종이다. 이러한 이유로 Gargari, C et al.(2016) 과 Morau, D et al.(2017)는 화학약품 또는 에너지가 투입되는 인공 소재가 아닌, 천연소재 또는 재활용된 소재로의 대체와 연구가 강조되고 있다.

옥상 녹화 시스템의 지구온난화 영향을 단계별로 봤을 때, 제조 과정을 포함한 설치 단계가 11,646kg·CO₂e으로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 다량의 인공토양이 투입되는 사용 단계가 31%, 폐기 단계가 15%를 차지하였다(<Table 4>). 폐기 단계가 낮은 비율을 차지하게 된 원인으로 재사용과 재활용을 들 수 있다. 전문가 인터뷰를 통해 옥상 녹화 시스템 종료 후, 인공토양은 재사용이 가능함을 확인하였다. 투입물 중 가장 많은 양을 차지하는 인공토양이 재사용되기 때문에 폐기 단계에서 환경영향이 낮은 비율로 나타난 것으로 판단된다. 피트모스와 통기망(Ventilation channel)으로 쓰이는 부석 또한 자연물로써 원예용으로 재사용이 가능하여 환경영향이 없는 것으로 간주하였다. 재활용은 스테인리스로 이루어진 배수 점검구만 대상으로 선정한다. 복합 방근·방수시트(PVC)와 배수판(ABS), 보호층·여과투수층(부직포)는 공기·물·식생의 영향으로 부식의 강도가 높아 재사용과 재활용이 어렵다고 가정하여 <건설폐기물의 처리 등에 관한 업무처리지침(2019년 시행)>을 기준하여 폐기 방식을 소각으로 적용하였다.

<Table 4> 
Comparison of Global Warming Effects by Stages of Green roof.

Global Warming	Stage	Value (kg·CO2e)	%
	Installation	11,645.91	54
	Use(40yr)	6,662.56	31
	Disposal	3,232.24	15
	Total	21,540.71	100

나. 도시 대기오염(Urban Air Pollution, UAP)

옥상 녹화 시스템의 도시 대기오염에 대한 잠재적 영향을 분석하였다. 그 결과 총 17.62 kg·SO₂e로 산출되었다. 이산화황(Sulfur dioxide)이 65%로 가장 높은 비중을 차지하였고, 다음으로 황산화물(Sulfur oxides) 25%, 질소산화물(Nitrogen oxides) 10%, 그리고 이산화질소(Nitrogen dioxide)는 0에 가까운 값으로 나타났다(<Table 5>).

<Table 5> 
Urban Air Pollution Factors and Resulting values of Green roof.

Urban Air Pollution	Effect Factor	Value (kg·SO2e)	%
	sulfur dioxide	11.37	65
	sulfur oxides	4.47	25
	nitrogen oxides	1.78	10
	nitrogen dioxide	0.00	0
	Total	17.62	100

대기의 구성 성분은 질소(Nitrogen, N₂) 78%, 산소(Oxygen, O₂) 21%, 아르곤(Argon, Ar) 0.93%, 이산화탄소(Carbon dioxide, CO₂) 0.03%, 기타 0.04%으로 되어있으며, 기타에는 네온(Neon, Ne), 헬륨(Helium, He), 메탄(Methane, CH₄), 크립톤(Krypton, Kr), 수소(Hydrogen, H₂) 등이 포함된다. 위와 같은 대기의 주성분 외의 SOx, NOx, O₃ 같은 물질은 인간의 활동에 따라 농도 변화 및 2차 오염물질 발생으로 이어지는데, 이들의 농도가 인간에게 해로운 수준에 도달할 경우 대기오염이 된다(LIME2, News Letter 2.4).

도시 대기오염에 대한 환경영향 평가는 인간에게 위해요소가 될 수 있는 SOx와 NOx를 중심으로 평가하여 SO₂로 특성화한다. 황(S) 성분을 함유하고 있는 화석연료의 사용이 증가함에 따라 도시 대기오염 농도가 올라가는데, 대표적인 1차적 발생처로 공장과 자동차를 지목할 수 있다.

연구 결과, 옥상 녹화는 90%의 높은 비율로 SOx가 발생하여 화석연료 사용이 많았음을 추측할 수 있다. <Table 5>와 같은 결과가 도출된 원인을 찾기 위해 투입 물질별 환경부하를 추가 계산하였다. 그 결과 도출된 [Fig. 4]는 지구온난화에 대한 잠재적 환경부하를 물질별로 분석한 [Fig. 3]과 유사한 형태를 띠고 있어 도시 대기오염 또한 인공토양의 투입량에 큰 영향을 받은 것으로 판단된다.

[Fig. 4] 
Urban Air Pollution Impact Value by Component. Installation stage (INS), Use stage (USE), Disposal stage (DIS).

단계별 도시 대기오염 잠재적 환경부하는 <Table 6>의 제조 과정이 포함된 설치 단계에서 57%로 높게 나타났으며, 사용 단계에서 36% 그리고 폐기 단계에서 7%로 나타났다. 설치 단계에서 환경부하 비율이 높게 도출된 것은 제품 제조를 위한 공장의 에너지를 다량 사용한 것이 원인으로 추측된다. 더불어 사용 단계에서는 가장 높은 환경부하를 보였던 보충용 흙의 양이 추가로 고려되었을 것으로 추정된다.

<Table 6> 
Comparison of Urban Air Pollution Effects by Stages

Urban Air Pollution	Stage	Value (kg·SO2e)	%
	Installation	10.12	57
	Use(40yr)	6.28	36
	Disposal	1.21	7
	Total	17.61	100