Annual-cycle assessment of street orientation effects on outdoor thermal comfort in a hot-summer cold-winter district

당신의 도시를 거대한 야외 거실이라고 상상해 보세요. 건물은 가구이고 보도는 바닥입니다. 마치 외풍이 드는 구석에 앉아 있으면 으스스함을 느끼거나 직사광선 아래의 조명 아래에서 땀을 흘리는 것처럼, 거리의 사람들은 주변 건물이 어떻게 배치되어 있느냐에 따라 서로 다른 온도를 느낍니다. 이것이 바로 "도시 미기후(urban microclimates)"의 세계, 즉 우리 거리와 광장이 만들어내는 작고 국지적인 날씨 시스템입니다. 이 이야기의 핵심 요소는 "실외 열적 쾌적성(outdoor thermal comfort)"인데, 이는 단순히 "지금 밖에 서 있기에 기분이 좋은가?"라고 묻는 세련된 표현일 뿐입니다. 태양이 당신을 내리쬐면 불편할 것이고, 벽에 의해 시원한 바람이 갇혀 있다면 그것은 아주 좋을 것입니다. 하지만 까다로운 점은 태양이 움직인다는 것입니다. 태양은 여름과 겨울에 다르게 빛나며, 매 시간마다 각도가 변합니다. 대부분의 과학자들은 단 하나의 더운 여름날, 예를 들어 7월의 가장 더운 어느 화요일의 날씨만 확인하는 것처럼 연구해 왔습니다. 하지만 실제 삶은 일 년 내내 일어납니다. 7월에 완벽하게 느껴지는 거리가 1월에는 얼음 상자처럼 느껴질 수도 있습니다. 일 년 내내 기분 좋게 느껴지는 거리를 설계하는 방법을 이해하는 것이 이 논문이 풀고자 하는 커다란 퍼즐입니다.

이 연구를 진행한 연구진은 추측하는 것을 멈추고 중국 첸저우의 유후 거리라는 역사적 지역에 대해 일 년 전체를 시뮬레이션하기로 했습니다. 이 도시는 "하절기 고온, 동절기 저온" 지역에 위치하여, 여름에는 타는 듯이 덥고 겨울에는 몹시 춥기 때문에 설계 과제가 매우 까다롭습니다. 보통 일 년 전체의 날씨를 매 시간마다 확인하는 것(무려 8,760시간!)은 컴퓨터가 숫자를 계산하는 데 너무 오랜 시간이 걸려 도시 계획가들이 포기하고 집에 돌아가게 만들 것입니다. 이를 해결하기 위해 팀은 "푸리에 조화 회귀 알고리 \text{(Fourier harmonic regression algorithm)}"라는 영리한 수학적 기법을 사용했습니다. 이것은 마치 음악 압축기(compressor)와 같습니다. 8,760시간의 날씨 데이터를 전체 교향곡처럼 듣는 대신, 알고리즘이 전체 노래의 리듬을 포착하는 12개의 가장 중요한 "음표"(또는 대표적인 날들)를 골라내는 방식입니다.

이 12개의 특별한 날들을 사용하여, 팀은 네 가지 서로 다른 거리 방향(남북, 동서, 북동-남서, 북서-남동)이 일 년 동안 어떻게 느껴지는지 확인하기 위해 48번의 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 단순히 온도만 본 것이 아니라, "열적 인지"(얼마나 뜨겁거나 차갑게 느껴지는지)와 "자율성"(도움 없이 얼마나 자주 쾌적한 상태를 유지하는지)을 지도화했습니다.

시뮬레이션 결과는 명확한 승자와 명확한 패자를 보여주었습니다. 북동-남서 방향이 "골디락스(Goldilold - 적당한)" 방향으로 나타났습니다. 너무 덥지도, 너무 춥지도 않았으며, 딱 적당했습니다. 이 배치는 무더운 여름철에 필요한 그늘과 추운 겨울날에 필요한 햇빛 사이의 균형을 맞추어, 일 년 내내 최선의 절충안이 되었습니다. 반면에 동서 방향은 문제를 일으키는 주범이었습니다. 시뮬레이션에서 이 방향은 열적 불쾌감의 위험이 가장 높았으며, 사람들이 별도의 조치 없이 즐기기에는 너무 불편한 상태인 "비자율성" 상태로 머무는 시간이 많았습니다.

궁극적으로 이 연구는 일 년 전체의 날씨를 시뮬레이션하는 이 빠르고 새로운 방법을 사용함으로써, 도시 설계자들이 더 현명한 선택을 할 수 있음을 시사합니다. 단 하나의 여름날만을 위해 설계하는 대신, 이 방법을 사용하여 특히 극심한 열기와 추위를 오가는 지역에서 일 년 내내 사람들을 쾌적하게 유지할 수 있는 거리 배치를 찾아낼 수 있습니다.