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ZEBを実現するための技術

ZEBを実現するための技術は、大きく「エネルギーを減らすための技術(省エネ技術)」と「エネルギーを作るための技術(創エネ技術)」に分けられます。さらに省エネ技術は、「建物内の環境を適切に維持するために必要なエネルギー量(エネルギーの需要)を減らすための技術(パッシブ技術)」と「エネルギーを効率的に利用するための技術(アクティブ技術)」に分けることができます。

実際にZEBを実現する場合には、①パッシブ技術によってエネルギーの需要を減らし、②どうしても必要となる需要についてはアクティブ技術によってエネルギーを無駄なく使用し、③そのエネルギーを創エネ技術によって賄うといったステップで検討することが重要です。

また、建物の運用段階では、どこにエネルギーの無駄が発生しているか、どのように効率的に設備を運用するかなど、エネルギーをマネジメントする技術(エネマネ技術)も重要です。このエネマネ技術によって継続的なエネルギー消費量の削減を図ることができます。

この図は、ZEBを実現するための技術を説明したものです。

ここでは、一般的な建築物においてZEBを実現する上で特に重要となる技術として以下について概要を紹介します。
なお、技術のより詳細な情報を知りたい方は、「ZEB設計ガイドライン」もご覧ください。

この図は、システム概要図を説明したものです。

PASSIVE(パッシブ技術)

■外皮断熱

【高性能断熱材】

外皮断熱とは、建物の室内と屋外の境界となる外皮(屋根、壁、床等)部分を、熱が伝わりにくい(熱伝導率が低い)素材でできた高性能断熱材を用いて施工することで、熱の出入りを抑制し、無断熱の建物に比べて室内温度を快適に保つために必要なエネルギーを少なくする技術です。

夏期には日射熱等の侵入を防ぎ、冬期には室内の熱が外へ逃げてしまうことを防ぐことで、冷暖房にかかるエネルギー消費効率を高めるとともに、建物の躯体の表面温度と室温の差を少なくし、室内の温度差や温度むらを小さくすることができます。

断熱材による効果のイメージ
この図は、断熱材による効果のイメージを説明したものです。

断熱材には、大きく分けて繊維系と発泡系の2つがあり、いずれも熱を伝えにくいという気体(空気等)の特性を利用しています。
繊維系の断熱材は細かな繊維のすき間に空気を保持することで、断熱性を確保しています。発泡系の断熱材も、気泡の中に空気、あるいはそれよりも断熱性能が高いガス等を閉じ込めることで、高い断熱性を実現しています。

繊維系の断熱材には、ガラスを溶かして繊維状に加工した「グラスウール」、高炉スラグや玄武岩等を溶かして繊維状に加工した「ロックウール」、古紙を再利用した「セルロースファイバー」などがあります。価格が安価で施工も容易な反面、材料の中に水蒸気が入りやすく、性能が落ちる可能性があるので、防湿施工を確実にする必要があります。

発泡系の断熱材は、様々なプラスチックを発泡させて製造するものです。
最も多く使われているポリスチレンには、製造方法の違いによって「押出発泡ポリスチレン」、「ビーズ法ポリスチレン」があります。
この他に、 「ウレタンフォーム」 、「高発泡ポリエチレン」や「フェノールフォーム」があります。 「ウレタンフォーム」には板状のものと、現場で吹付けるタイプの商品があります。 「高発泡ポリエチレン」は柔軟性に富み、耐水性・耐薬品性に強いこと、 「フェノールフォーム」はプラスチックでありながら、耐燃焼性に優れていることが特長です。

このように、断熱材の種類によって特徴や施工方法が異なることから、使用する場所によって適しているものを選ぶ必要があります。

断熱材の主な種類とその熱伝導率(物性値)
この図は、断熱材の主な種類とその熱伝導率(物性値)を説明したものです。 出所)「平成28年省エネルギー基準(平成28年1月公布)関係技術資料 エネルギー消費計算プログラム(非住宅版)解説」,p.39 より作成
【高性能断熱・遮熱窓】

建物の開口部は、外皮の中でも最も熱の出入りが多いことから、断熱性能が高いガラスの窓を採用することで、熱の出入りを抑制することが重要となります。

断熱性能が高い窓ガラスとして代表的なものに、複層ガラスがあります。複層ガラスとは、一般的に2枚のガラスの間に中空層を設けて、そこに熱伝導率が低い乾燥した空気や、より熱伝導率が小さいアルゴンガス・クリプトンガスを封入することで、断熱性能を高めたものです。中空層が厚い方がより断熱性能は上がりますが、16mm を超えると空気の対流の影響で、熱抵抗が大きくならないため、商品化されている複層ガラスの中空層は最大でも16mmとなっています。

ガラス1枚のみの単板ガラスの場合、ガラス単体としての熱貫流率※は 5.0~6.0[W/㎡・K]程度であるのに対し、複層ガラスの場合は1.8~3.3[W/㎡ K]程度、Low-E複層ガラスの場合は0.76~2.6 [W/㎡ K]程度となります。

※熱貫流率:壁や窓などの各部位で、両側の気温が異なるときに、暖かい側から冷たい側に向けて、熱が壁や窓などを通過します。ガラスの内外の温度差が1℃[K]あったときに、1時間あたり、ガラス1㎡を通過する熱量を表したもので、数値が小さいほど断熱性に優れていることを表します。

Low-E複層ガラスとは、複層ガラスの表面を酸化スズや銀などの特殊な金属膜(Low-E膜)でコーティングしたもので、この特殊金属膜によりガラス間の中空層の熱放射をより伝わり難くすることで、夏期は板ガラスへ入射した日射エネルギーを室外に反射させ、冬期は暖房熱を室内側に反射させるものです。このため、断熱性能と遮熱性能をより高めることができます。

Low-E膜を室内側のガラスの内側にコーティングすれば室内の熱の流出を防ぐ断熱性能をより高めることが、ガラスの室外側の内側にコーティングすることで日射熱の流入を防ぐ遮熱性能を高めることができます。

複層ガラスの種類と特長
この図は、複層ガラスの種類と特長を説明したものです。 出所)三協立山株式会社ホームページより

■日射遮蔽

日射遮蔽とは、屋根や外壁、窓から侵入する日射を遮蔽し、冷房負荷を抑制するための技術です。

特に、夏期には、一度室内に日射(熱)が侵入すると、その熱を冷やすために冷房エネルギーを大量に消費することになるため、快適な室内環境を実現するためには日射遮蔽技術が重要となります。

日射が室内に侵入してくるルートとしては、窓ガラスから透過して侵入するルートと、屋根や外壁に当たり熱に変わって室内に伝わるルートがありますが、前者からのほうが取得する日射熱が高い傾向にあります。特に夏期においては日射熱の7割が窓ガラスから侵入するので、窓ガラスにおける日射遮蔽対策が特に重要となります。

一方、冬期においては、日射熱を取り込めたほうが暖房負荷の抑制につながります。また、夏期においても照明エネルギーの削減の観点からは、昼間の自然光(昼光)をうまく取り入れたいというニーズもあります。このように、夏期の冷房時には日射熱の侵入を抑制しつつも、冬期の暖房時には取り入られる、日射熱は遮蔽しつつ日照は取り入れるという、相反する要求性能に対応するための対策を考える必要があります。

開口部における日射遮蔽の具体的な対策としては、ブラインドやルーバー、、高性能ガラス等があります。こうした対策を効果的に組み合わせれば、上述のような、相反する複数の要求性能にうまく対応していくことができます。

例えば、ブラインドは室内への直射日光を防ぐことを目的としたものですが、自然光を室内照明として取り入れる採光システムとしての働きも期待されてきてます。最近ではブラインドのスラットの角度を 1 枚ずつ最適に制御して、光を反射させることで、日射熱の侵入を防ぎつつも、効率的に自然光を室内に取り込む「グラデーションブラインド」等も開発されています。
は、基本的に動かすことができませんが、太陽高度や窓の高さを踏まえて、その長さをうまく設計することで、夏の太陽高度が高い日射は遮り、冬の太陽高度が低い日射は取り入れるようにすることができます。

また、開口部以外の壁面等においても、植栽の利用や日射の反射率を高めた素材を採用することにより、断熱性と日射反射性を高め、遮蔽性能を向上させることができます。

日射遮蔽対策の例(ブラインド、庇)
この図は、日射遮蔽対策の例(ブラインド、庇)を説明したものです。

■自然採光

自然採光とは、建物の開口部から昼間の自然光(昼光)を取り入れ、室内を明るくし、人工照明(室内照明)の利用を減らしてエネルギー消費量を削減する技術です。

人工照明に使われるエネルギー消費量は、一般的なオフィスビルにおいて、空調で使われるエネルギー消費量の次に多く、建物の主要なエネルギーの利用先となります。昼光利用により、室内に必要な明るさを確保できれば、照明を消したり、調光して減光することにより、エネルギー消費量を削減することができ、エネルギー自立性を高めることにもつながります。

自然採光の手法としては、建物の開口部から昼光を直接取入れて室内の明るさを確保する手法と、室内の奥に光を導き入れる吹き抜けや欄間、反射可能な軒裏等を設置する手法があります。
前者の例としては、空間の上部に開口部(トップライト)を設ける手法等があります。後者の例としては、建物の窓面の中段に「ライトシェルフ」と呼ばれるを設置し、上面で太陽光を反射させ、より多くの光を室内の天井部に取り入れて室内を明るくする手法や、天井部に内面を高反射率鏡面を用いたダクトを設けて、外光が直接届かない室内奥まで自然光を運ぶ「光ダクトシステム」と呼ばれる手法があります。

昼光には、「時間とともに変化する」、「室内の視環境として必要以上の明るさをもたらすことがある」、「熱を伴う」といった特徴があります。このため、利用にあたっては、これらの特徴を考慮して、空間特性や使い方に適した採光手法を取り入れることが重要となります。空間特性や使い方に適した自然採光を行わないと、建物利用者が昼光を遮光してしまったり、照明電力の削減以上に冷房に要するエネルギー消費量が増加してしまったりすることで、省エネにならない可能性もあります。

例えば、執務室等、均質な明るさを要求される室用途では、直射光を遮り、変動の少ない安定した自然光を取り込むことが求められます。また、執務室等では温熱環境も快適性に影響を及ぼす重要な要素であり、昼光を取り込みことで、かえって温熱環境が悪化することがないよう配慮する必要があります。このため、トップライト等の開口部を設けて昼光を直接取り込む場合にも、採光量を調節できる機構を併設するなどの工夫が必要となります。

一方、ある程度の明るさの変動が許容されるパブリックエリア等では、「自然」を感じられる変動、ゆらぎのある自然光によって、かえって快適性が高まる場合もあります。

自然採光手法の例(ライトシェルフ)
この図は、自然採光手法の例(ライトシェルフ)を説明したものです。

ACTIVE(アクティブ技術)

■高効率空調

空調のエネルギー消費量を削減するためには、まず外皮断熱日射遮蔽のパッシブ技術を取り入れ、冷暖房の負荷を抑制することが重要です。ただし、これらの対策のみでは室内環境を快適に保つことが困難である場合が多いことから、それを補うために用いる空調システムについてもより高効率なシステムとしつつ、適切に制御することで、快適な温熱環境を維持しながら、エネルギー消費量の削減を図っていくことが重要となります。一般的なオフィスビルでは、空調システムによるエネルギー消費量が、全体の中で最も大きな割合を占めており、その削減の重要性は非常に高いです。

空調システムには、下表に示すとおり、大きく分けて中央熱源方式と個別分散熱源方式があります。
中央熱源方式は熱源を機械室などに集約して配置し、冷温水を空気調和機に送水して空調する方式です。
個別分散熱源方式は、熱源を分散させて配置し、冷媒配管を使用して熱輸送して各階あるいは空調のゾーンごとに空調する方式です。
一般的に、大規模建築物では中央熱源方式が、小規模建築物では個別分散熱源方式が採用されているケースが多くなっています。

空調システムの主な方式とその特徴
この図は、空調システムの主な方式とその特徴を説明したものです。

中央熱源方式、個別分散熱源方式いずれについても、以下に示す、「熱源設備」、「熱搬送設備」 、「空調機設備」から構成されています(個別分散熱源方式では熱源設備と空調機設備が一体化しています)。このため、それぞれの設備について、より効率の高い設備を採用し、適切な制御を行うことで、エネルギー消費量の削減を図ることができます。

  • 熱源設備:熱源設備とは、空調既設備全体の熱負荷を処理するための設備で、空調機設備に送る冷温水、蒸気等を製造する熱源機(冷凍機、ボイラ等)を主体とし、冷却塔、冷却水ポンプ、給水設備などの付属設備からなります。
  • 熱搬送設備:熱搬送設備とは、熱源設備と空調機設備の間で、冷温水、蒸気、冷媒などを搬送・循環させるためのポンプ・配管や、空調機設備と空調対象空間との間で空気を循環させる、あるいは外気を取り入れるためのファン・ダクト等を指します。
  • 空調機設備:空調機設備とは、空調対象空間に送るための温度・湿度等を調整した空気を作る設備で、空気の冷却器・減湿器・加熱器・エアフィルタ及び送風機等が一体化したものです。
【熱源設備の高効率化】

中央熱源方式の場合はチリングユニットやターボ冷凍機吸収式冷凍機等が、個別熱源方式の場合はパッケージエアコン、ビル用マルチエアコン等が熱源機として用いられます。こうした熱源機・システムの効率は、一般的にJIS基準に基づく「COP(Coefficient Of Performance:成績係数)」によって評価されますが、これらのCOPは近年著しく向上していることから、より高効率な熱源機を採用することで、エネルギー消費量を削減することができます。

また、熱源機はその定格能力に対する熱負荷の比率(部分負荷率)に応じて効率が変化し、一般的に部分負荷効率が小さくなるとに従って効率も低下します。一方、年間の大半の時間は部分負荷運転となることから、ピーク時間帯だけでなく、部分負荷の発生状況を考慮して熱源システムの機器構成や運転優先順位を選択することも重要となります。

【熱搬送設備の高効率化】

熱搬送に要するエネルギーは流量に比例し、揚程(ポンプが流体を揚げる高さ)の二乗に比例します。また、搬送できる熱量は温度差と流量に比例します。このため、熱搬送に必要なエネルギーを低減するためには下表のような対策が挙げられます。

熱搬送設備の高効率化に関する対策例
この図は、熱搬送設備の高効率化に関する対策例を説明したものです。
【空調機設備の高効率化】

空調機設備にかかるエネルギー消費量を削減するための対策としては、温度と湿度を別々に調整する潜熱・顕熱分離方式空調システムや、温度・湿度だけでなく、人が感じる快適性に着目した放射冷暖房空調システム等の新たな空調機システム等が挙げられます。

従来の一般的な空調機システムは、温度・湿度により、室内の温熱環境を調整しています。しかし、実際に人が感じる快適性は、温湿度だけでなく、対流、放射、着衣量、代謝量等にも影響されます。放射冷暖房システムは、「放射(物質を介さず温度の高いほうから低いほうへ熱が伝わる熱の移動)」の効果を利用して、建物利用者の体感を調整することで、室内設定温度を緩和し、省エネルギーを実現するシステムです。従来の空調機システムに比べて、気流のドラフトや温度ムラによる不快感が少なく、快適なシステムとなります。

高効率空調機システムの例(天井放射冷暖房空調システム)
この図は、高効率空調機システムの例(天井放射冷暖房空調システム)を説明したものです。

■高効率照明

照明エネルギー消費量を削減するためには、まず自然採光の手法を取り入れる等、積極的に昼光を利用することが重要です。
あわせて、昼光利用だけでは足りない明るさを補うために用いる照明設備について、LED照明等のより高効率な照明とすることで、適切な光環境(照度等)を提供しながら、エネルギー消費量の削減を図ることができます。加えて、こうした照明設備を適切に制御することにより、さらに高い省エネルギー効果が期待できます。

【照明器具の高効率化(高効率照明)】

高効率照明として、普及が急速に進んでいるのがLED照明です。

照明のエネルギー消費効率を表す指標として、照明の光源が発する光の量(光束、単位:lm)を消費する電力(単位:W)で除した発光効率(単位:lm/W)が用いられますが、LED照明の発光効率は年々向上しています。これまで広く使用されていた白熱灯照明や蛍光灯照明の発光効率が、それぞれ15lm/W程度、75lm/W程度であるのに対し、LED照明は100lm/W程度にまで達しており、今後更なる効率向上が期待されています。

このため、LED照明を採用することでエネルギー消費量の削減につながります。また、LED照明には、長寿命でコンパクトである、応答が速いといったメリットもあります。

【照明制御】

照明制御の具体例としては、タイムスケジュールによる点灯・照明制御、人感センサーによる自動調光・点灯・照明制御、明るさセンサーによる自動調光制御、およびこれらを組み合わせた制御があります。

CREATE(創エネ技術)

■太陽光発電システム

太陽光発電システムとは、一般的に太陽からの光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体を用いた発電システムのことを言い、右図に示すように、太陽電池モジュール・アレイ、接続箱・集電盤、パワーコンディショナなどで構成されます。

太陽からの光エネルギーの恩恵は、地域によって差はあるものの、あらゆる場所で受けられることから、創エネルギー技術の中でも最も汎用化が進んでいます。

太陽光発電システムの構成
この図は、太陽光発電システムの構成を説明したものです。 出所)NEDO「再生可能エネルギー技術白書(第2版)第2章 太陽光発電」,p.6より

オフィスビルや商業施設の屋上等に設置する場合、勤務時間/営業時間と発電時間が重なるため、太陽光発電システムで発電した電力で、電力需要の一部を賄うことができます。また、企業の社会的責任である環境保全活動の一貫としてアピールすることができ、従業員の環境意識への関心を高められることや、災害時の電力確保が出来るとこともメリットになります。

特に、低層の建物の場合は、建物の規模に対して屋上の面積が広く、電力需要に対して相応の発電量が期待できます。
一方で、高層の建物の場合は、建物の規模の割には屋上面積が狭いため、電力需要に対して、太陽光発電システムによる発電量の割合は小さくなってしまいます。また、屋上設置においては、下表に示すように様々な制約要因があるため、実際の導入に当たってはこれらを考慮して判断する必要があります。

太陽光発電システムの屋上設置にかかる制約要因
この図は、太陽光発電システムの屋上設置にかかる制約要因を説明したものです。

ただし、最近では建物の屋上だけでなく、壁面や窓面にも導入できる「建材一体型太陽光発電システム」の開発も進んできています。上述のとおり、特に高層の建物の場合は、屋上設置だけでは電力需要に対して得られる発電量が小さくなってしまうため、ZEB化を推進していく上では、屋上だけでなく、壁面や窓面にも太陽光発電システムを導入し、建築物のエネルギー自給率を高めることが重要となります。

これまで、壁面への設置は、太陽電池モジュールから周囲への太陽光反射による光害等が発生する可能性があるため、導入が難しいとされてきました。こうした課題に対して、太陽電池モジュール表面の凹凸構造によって光散乱させ、反射を低減させるとともに、モジュール内部に光を閉じ込める技術を用いて発電効率を高めた低反射モジュール等も開発されています。
また、窓面への設置の場合は、視界の確保も必要となるため、高い透視性が求められますが、合わせガラスの中間膜の間にレーザーで薄くカットした太陽電池セルユニットを封入し、さらにそれをLOW-E複層ガラス化することで、高い透視性を実現しつつ、適度な日射遮蔽性、断熱・遮熱性能も確保した太陽光発電システム等も開発されており、実際にこれらのシステムを採用してZEBを実現した事例も出始めてきています。

壁面設置型太陽光発電システムの例
壁面設置型太陽光発電システムの例の写真です。 出所)国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構ニュースリリース(2016年2月25日)
窓面設置型太陽光発電システムとそれを採用したZEBの事例
窓面設置型太陽光発電システムとそれを採用したZEBの事例の写真です。 出所)AGC株式会社提供資料
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