최근 기후변화에 따른 기온 상승 및 지나친 도시화가 야기한 도시의 열수지 변화로 인해 도심지에서의 열섬현상 발생이 증가하고 있다. 도시화가 진행된 도심에 도시열섬현상의 저감을 위해 적용 가능한 현실적인 대안으로 제시되는 쿨 루프(Cool Roof)는 동절기 난방부하의 비중이 높은 우리나라 기후조건에서는 적용이 제한적이다. 이러한 한계로 국내의 도시열섬현상 완화 연구는 주로 바람길, 녹지계획, 단지조성 등에 집중되어왔으나 시가화 면적비율이 61% 이상을 차지하고 그 중 건물이 차지하는 비율이 69%에 달하는 서울에서 건물 옥상을 효율적으로 활용하는 것은 도시열섬현상을 개선할 수 있는 효과적인 대안이 될 수 있다. 따라서 본 연구와 선행연구에서는 Cool Roof와 PCM(상변화물질, Phase Change Material)을 접목한 PCM Cool Roof System을 개발하였다. PCM Cool Roof System은 PCM의 상변화 특성을 이용하여 Cool Roof의 단점은 보완하고 장점은 유지함으로써 여름철 도시열섬현상으로 인한 과열과 냉방에너지사용량 증가, 겨울철 도시열섬현상으로 인한 정체기류 형성과 Cool Roof 적용으로 인한 난방에너지 사용량 증가를 해결하고자 한 것이다. PCM Coof System은 아직까지 국내에서는 실험적인 단계이므로 국내 적용에 대한 기준은 마련되어있지 않다. 따라서 본 연구에서는 쿨 루프의 한계를 보완하면서 도시열섬현상 저감에 효과적인 ‘PCM Cool Roof System’의 열성능 최적화 연구를 진행하였다.

PCM Cool Roof System의 Test-bed 실험 결과, 동절기, 중간기, 하절기 모두 표면온도 저감에 효과를 보였고 냉난방에너지 사용량에도 절감효과가 있을 것으로 사료된다. (동절기 평균표면온도 2.5℃ 저감, 중간기 평균표면온도 4.2℃ 저감, 하절기 평균표면온도 4.9℃ 저감)
PCM Cool Roof System 적용 시 지붕표면온도 저감에 따른 도시열섬현상 저감 시뮬레이션 결과, 업무단지와 주거단지 모두 효과를 보였고 건물 밀도가 상대적으로 높은 업무단지에서 도시 캐노피층 온도 저감이 더욱 효과적으로 나타났다. 또한 여름철과 겨울철 모두 PCM Cool Roof System 적용 시 도시 캐노피층 평균 기온 저감 효과가 나타나 도시열섬현상 저감을 확인했다.
PCM Cool Roof System 표면 태양 반사율 및 열 방사율 변화에 따른 건물 냉난방 에너지 사용량 시뮬레이션 결과 일반 Cool Roof의 성능보다 낮은 조건에서 건물 냉난방 에너지 사용량 절감 효과를 보였다 (업무용 건물의 경우 태양 반사율 0.5, 열 방사율 0.3, 주거용 건물의 경우 태양 반사율 0.3, 열 방사율 0.1에서 냉난방 에너지 사용량 최저). 이러한 결과는 PCM Cool Roof System이 일반 Cool Roof의 성능 뿐 아니라 PCM 상변화에 의한 에너지 절감 효과도 포함하기 때문에 적당량의 태양 에너지 유입은 필요함을 의미한다.
연구결과에 따라 PCM Cool Roof System의 적용은 도시열섬현상 저감과 건물 냉난방에너지 사용량 절감에 효과적이라는 결론을 지을 수 있다. 그러나 현재까지 PCM은 전량 수입에 의존하고 있어 국내 상용화가 되기까지는 비용, 공급물량확보 등의 문제가 해결되어야 한다. 본 연구는 이론적 고찰, 실험 및 시뮬레이션을 방법론으로 PCM Cool Roof System의 이론상 적용 가능성을 검증한데에 의미가 있으며 실제 상용화를 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Recently, the incidence of the urban heat island effect has been rising due to rising temperatures following climate change and excessive urban development. The Cool Roof, which is being suggested as a realistic measure to reduce the urban heat island effect, is limited in its use in South Korea, where the heating load in winter seasons is relatively high. Due to this limitation, efforts towards urban heat island effect mitigation have been focused on measures such as wind way, green area, and complex construct. However, in Seoul, where the proportion of developed surface area is over 61%, and of that 69% being occupied by buildings, a measure that utilizes building roof can be an effective way to mitigate the urban heat island effect. Therefore, this study and preceding researches developed the PCM Cool Roof System, which is a combination of the Cool Roof and Phase Change Material (PCM). PCM Cool Roof System was designed to take advantage of the phase change characteristic of PCM to complement the shortcomings of the Cool Roof while keeping the advantages, and therefore help solve the increasing energy demand for cooling caused by the urban heat island effect in the summertime, and for heating caused by the application of the Cool Roof in the wintertime. This study aims to optimize the thermal performance of the PCM Cool Roof System.
The PCM Cool Roof System showed effective reduction of surface temperature in all seasons, and is predicted to be effective in reducing heating and cooling energy demand. (2.5℃ reduction in mean surface temperature in wintertime, 4.9℃ reduction in summertime, 4.2℃ reduction in transition seasons.)
Simulation of the reduction of urban heat island effect following the application of the PCM Cool Roof System and resulting reduction in roof surface temperature showed effectiveness in both office areas and residential areas, particularly in the urban canopy layer in office areas, where the density is relatively higher. Further, both summer and wintertime application of the PCM Cool Roof System resulted in reduction of the average urban canopy layer temperature, showing efficacy in reducing the urban heat island effect.
Simulation of the changes in solar reflectance and thermal emissivity of the PCM Cool Roof System and resulting building heating and cooling energy usage showed that it reduced heating and cooling energy usage under lower figure than the regular Cool Roof. (Minimum usage in office buildings at a solar reflectance of 0.5 and thermal emissivity 0.3, in residential buildings at a solar reflectance of 0.3 and thermal emissivity of 0.1).
Based on this study, it can be concluded that the application of the PCM Cool Roof System is effective in mitigating the urban heat island effect and reducing the heating and cooling energy demand. However, in South Korea, PCM is only available through import, and thus in order for it to be widely used there are issues such as cost and supply that must first be resolved. This study is significant in that it confirmed the theoretical plausibility of applying the PCM Cool Roof System through simulated experiments, but further studies are necessary in order for the system to be practically applied.