「設備設計」第 48 巻１月号 01 特集「環境とエネルギー」 第４回／環境と建築設備 米国における ZEB（ゼロエネルギービル）視察報告 服部 幸二／株式会社服部設計 代表取締役 社団法人日本設備設計事務所協会副会長 はじめに 太陽光発電（PV システム）39.6KW（屋根） 2010年３月11日の東日本大震災後、日本のエネル 自然採光（昼光利用で照明は出来る限り使用しな ギー政策は、電力供給不安から、かってない節電運動 い） が展開され、低炭素社会の実現に向けて今後、建築設 地中熱利用（クール・ヒートチューブ） 備技術者の役割がますます重要となった。 自然換気（夏は網戸使用） このような中、米国 ZEB 調査団（2010年６月26日～ 断熱材（州基準の２倍超使用） ７月２日）に参加し、海外の ZEB 状況を視察した。 無水小便器 １．視察先概要 １－１ オバーリン大学ルイスセンター オハイオ州オバーリン 2000年１月完成 地上２ 階建 Ｓ造 延面積1,260m2 太 陽 光 発 電（PV シ ス テ ム ）60KW（ 屋 根 ） ＋ 100KW（駐車場） 自然採光（北側昼光利用） 地中熱利用（深さ90ｍ×24本） 断熱（アルゴン充填 Low-E3重ガラス） 計測値を Web で公開 写真−２ アルド・レオポルド・レガシーセンター １－３ 国立再生可能エネルギー研究所 研究支援施 設（NREL） コロラド州デンバー 2010年８月完成 地下１階 地上４階 Ｓ造 延面積20,524m2 太 陽光発電（PV システム）594KW（屋根）＋ 1,100KW（駐車場） 自然採光（反射ルーバーによる昼光利用） パッシブソーラ（冬期、外壁利用し地下躯体に蓄 熱） 写真−１ オバーリン大学ルイスセンター 自然換気（外気冷房、夏期のナイトパージ） 断 熱（Low-E3重ガラス・外壁は断熱プレキャス １－２ アルド・レオポルド・レガシーセンター ウィスコンシン州バラブー 2007年４月完成 平屋建 木造 ３棟 延面積 1,100m2 トコンクリート） 無水小便器 「設備設計」第 48 巻１月号 02 トゼロの状態を達成するための再生可能エネルギーの 供給方法をもとに、NZEB の分類方法を定義している。 米 国 エ ネ ル ギ ー 省 の220,000ft2の 建 物（ 以 下 RSF: Research Support Facilities）を用いて、なぜ NZEB の定義が重要であるかを説明し、この定義の枠組み が、どのように費用効果のある NZEB の作成の方法 論を提供するかを示している。2010年６月にオープン する RSF は、エネルギー環境評価（以下 LEED）に おいてプラチナのレベルを取得し、25kBtu/ft2（通常 の LEED プラチナレベルの半分）のエネルギー消費 に抑え、ネットゼロ・エネルギー状態を達成する、と いう公約を実現する必要がある。 写真−３ 国立再生エネルギー研究所 我々は、解析方法について述べ、また、上記の公約 を達成し、建設費用コストを259/ft2に維持するために 設計、施工期間を通して行われた費用トレードオフに ついて述べる。大規模で複製可能な NZEB を達成す る方法についても述べる。多くの受動的、再生可能エ ネルギー戦略（昼光照明、高性能ライト、操作可能な 窓を通した自然換気、サーマルマス、発散太陽熱収集、 輻射冷暖房、昼光照明を最適化する機器の設定）は利 用されている。 ２－２ はじめに 図−１ 国立再生エネルギー研究所・研究支援施設概要 建物はエネルギー消費と環境において重大な影響を 与える。商業ビルと住宅ビルは、主なエネルギーのお よそ40％、米国の電気の約70％を使う。建設分野のエ ２．ネットゼロ・エネルギー建物：ゼロエネルギー手 法の概念と実践 ネルギー消費量は増え続けている。新しい建物は、古 い建物の寿命より早いペースで建設されることが主な 本章では、米国のエネルギー持続可能な会社組織 原因である。商業ビル分野の電気消費量は1980年から （ASE）によって2010年７月に発表された研究論文「メ 2000年の間に倍になり、2025年までには、更に50％増加 インストリート・ネットゼロ・エネルギー建物：ゼロ すると予想されている。商業ビル分野のエネルギー使用 エネルギー手法の概念と実践」を抜粋して紹介する。 量増加の解決に向けて、産業界のリーダーと研究者で構 成される影響のあるグループが、NZEB を達成するた ２－１ 概要 めに建物の性能の限界を押し上げる約束をしている。 最近まで、大規模で費用効果のあるネットゼロ・エ 米国エネルギー省（以下 DOE）は、2030年までに ネルギー建物（以下 NZEB）は、将来何十年も不可能 すべての新築の商業ビルがネットゼロ・エネルギーを と思われていた。しかし、国立再生可能エネルギー研 達成するという最終目標をサポートする目的で、2007 究所（以下 NREL）で現在進行中のプロジェクトは、 年に議会で認可された。2040年までに50％の米国の商 NZEB が達成可能で、繰り返すことも可能であること 業ビルが NZEB、2050年までに、米国の全ての商業ビ を示している。本論文は、NZEB の分類方法を定義す ルが NZEB となることが目標である。 るものであり、また、大規模オフィス建物において費 建 築 設 計 協 会（Building design professional 用対効果のあるネットゼロ・エネルギーを、実際の社 societies）も NZEB のビジョンを認識している。例え 会においていかに達成するかを示すものである。 ば、 米 国 暖 房 冷 凍 空 調 学 会（ASHRAE）Vision NZEB のビジョンは、説得力のあるものである。理 2020report の中で、2030年までに商業的に実現可能 論的には、エネルギー効率の高い建物は、典型的な一 な NZEB を可能とするために、2020年までにツール 年を通して、消費するエネルギーを相殺できる十分な を開発するという要求が出された。ASHRAE の最近 量の再生可能エネルギーを生成することができる。 の会議では、25以上の論文が NZEB をテーマにして NREL は、ネットゼロの状態を判定する基準と、ネッ おり、そのうちのいくつかは、ネットゼロか、それに 「設備設計」第 48 巻１月号 03 近いものを実現している。その他には、様々な段階の 設計や施工に関する論文である。 を定義している ・ネットゼロは、使用された再生可能エネルギー源に 政策立案者もまた NZEB をエネルギーと二酸化炭 基づいて NZEB を分類する。この分類システムの 素排出目標達成のキーとなる戦略として捉えている。 トップは、NZEB: A。全ての使用エネルギーを建物 2009年10月５日、オバマ大統領は、議会の承認が不要 敷地内で生成された再生可能エネルギーで相殺でき の大統領命令にサインし、連邦政府に対し、持続可能 る建物。最も低いのは NZEB: D。オンサイト（建物 な目標を設定した。この命令は、2020年までに設計プ 敷地内）の再生可能エネルギーとオフサイト（建物 ロ セ ス に 入 る 全 て の 新 し い 連 邦 政 府 関 連 施 設 は、 敷地外）から購入した再生可能エネルギーを組み合 NZEB として設計しなければならない、というもので わせて、NZEB を実現させている建物である。 ある。カリフォルニア公共事業委員会は、2020年まで に全ての新しい住宅建設に対して NZEB を達成する、 2030年までに全ての新しい商業ビルに対して NZEB を達成する、というエネルギーアクションプランを 持っている。 ２－４ ネットゼロエネルギー建物：国立再生可能エ ネルギー研究支援施設 2010年６月に公開の、NREL の新しい研究支援施設 （以下 RSF）は世界で最もエネルギー効率の高いオ NZEB の最終目標は、欧州の議会でも2009年３月の フィスビルのひとつになる予定である。これは、最初 プレスリリースで発表されている。全ての EU 加盟国 の大規模な NZEB として設計され、米国グリーンビ は、2018年末までには、新しく建設された建物は消費 ルディング協議会（USBGC）の LEED の最高評価、 するエネルギーより多くのエネルギーを生成する、と LEED プ ラ チ ナ ク ラ ス の 評 価 を 得 て い る。 こ の いうことを保証している。 220,000ft2の建物は、824人の従業員をコロラド州ゴー しかしながら、DOE のゼロエネルギー建物データ ル デ ン の NREL キ ャ ン パ ス に 収 容 す る。NREL は、 ベースによる複数の米国の NZEB が示すように、早 現在、複合オフィス施設近くにオフィススペースを 期に適用された商業用 NZEB の数は非常に少ない。 リースしている。RSF によって多くのスタッフが施 最近まで、大規模の費用効果の高い NZEB は、これ 設の中心に移動することができる。写真−４に RSF から先何十年も不可能と思われていた。初期の NZEB の建築完成図を示す。 の例は、技術的にネットゼロ・エネルギーは可能であ るということを示しているが、大規模、費用対効果、 複製可能、という点では注目されていない。本論文は、 NZEB の分類方法の定義と、実社会でどのように大規 模オフィス建物が、費用面で効果的にネットゼロ・エ ネルギーを達成するかの例を示している。 ２－３ ネットゼロ・エネルギー建物とは何か？ 広い意味では、NZEB はエネルギー需要を大きく削 写真−４ 国 立 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー 研 究 支 援 施 設 （RSF）の東面建築完成図 減させた住居または商業ビルのことである。このよう ２－５ 設計ツールとしてのエネルギーのモデル化 な建物において、エネルギー効率の向上によって、エ 建物のエネルギー使用とコストは、沢山のパラメー ネルギー需要を再生可能エネルギー技術で相殺でき タと変数による複雑な相互作用に依存する。全建物の る。しかし広義においては解釈の余地、オーナーや建 エネルギー・シミュレーション・ソフトウェアは、 築家やその他の関係者の誤解がある。NZEB の境界や HVAC システムとデザインの特徴との間における、 計測方法の共通定義に同意することは、設計目標や戦 あらゆる相互作用を完全に評価できる。設計過程を知 略にとって不可欠である。 らせるエネルギーモデル化に適した時期は、どんな設 この定義を明確にするために、NREL は、２つの基 計概念も未開発前の概念設計の段階である。しかし、 本的な基準を発表している。 エネルギー解析がすべて完了していれば、一般にデザ ・ゼロ・エネルギー建物：ネットゼロ・サイト・エネ イン開発を開始し、LEED に準拠または HVAC タイ ルギー（建物で消費されるエネルギー） 、ネットゼ プの選択を行う。しかし建物の方位、集合体、断面、 ロ・ソース・エネルギー（建物が使用するエネルギー 包囲を設計するものではない。 の生成と送電に必要なエネルギー入力量） 、ネット RSF 設計施工チームに関して、早い時期のエネル ゼロ・エネルギー・コスト、ネットゼロ・エネル ギーモデル設計のコンセプトが必要である。完成した ギー・エミッション（排出） 。という４つの NZEB 設計の一部とすることで、デザイン／ビルドチーム 「設備設計」第 48 巻１月号 04 は、エネルギー目標へ導くことできる。概念設計の段 階では、設計チームは最初に建物の断面図が完全な採 光になるような最適な幅を定義できるように考慮した。 全建物のエネルギーモデルに加えて、設計チーム は、早い時間帯の採光モデリングが最適なガラス窓の 方位、サイズ、遮光を決め、実行した。エネルギーと 昼光モデルは、すべての設計過程で、設計と必要な使 用エネルギー目標と一致することを保証するために、 最新のものにされた。設計施工チームは、実際の建築 物件をエネルギーモデルに基づく更新を行い、さら に、引渡し時には EUI 目標の35kBtu/ft2を満たし運転 できるようにした。運転１年後には、性能を検証する ために、使用したデータに基づくエネルギーモデルの 調整が行われる。最終的な RSF 設計を基にした使用 写真−５ “Lazy-H”２つの細長い多層オフィス・ウィン グ（隣接するブリッジとコートヤードで接合） ワーク・スペースへ昼光照明が入り込む形状 予想データの EUI を図−２に示す。 採光、自然換気、視界の優位性と、不利な熱損失や増 ポンプ0.3 換気ファン1.6 スペース・クーリング1.4 棟内温水0.1 照明3.9 加、追加のエンベロープコストを均一にするために、 街灯0.1 窓壁比（WWR）は最大限の採光を最適化し視界を提 タスクライト0.2 供するが、オーバーグレーズではいけない。南ファ サードは WWR が約28％、ノースファサードは WWR が26％である。 スペース・ヒーティング6.1 データセンター10.6 ２－７ ファサード 外観のファサードは、規格ユニットのプレキャス オフィス・プラグ負荷 9.2 データセンター クーリング0.0 データセンター ファン0.6 図−２ 最終設計エネルギーモデル kBtu/ft 2 ト・コンクリート・パネルで構成され、断熱、サーマ ルマス、室内温度変動の調節を備える。これらは、３ インチの外部コンクリートレイヤー、R-14リッジド・ フォーム断熱材、６インチの室内コンクリートから構 成されている。屋根は R-33、２インチの複合デッキ ２－６ エンベロープ（封筒型に覆われた）デザイン 方位 の上にある３インチのコンクリート・スラブである。 設計施工チームは、意欲的なコストとエネルギーパ ２－８ 窓ガラス フォーマンスの契約条件に見合うように、まずシンプ 窓ガラスのグレージングは機能している。ビジョン ルなエンベロープモヂュールを開発した。RSF は、 ガラスは３倍のグレージングである。低 e- グレージ “Lazy-H” レイアウト（支柱は長い東西軸を持つ）の ングはＵ値（熱損失値）が0.17、ソーラー熱は係数0.22 特徴を持つ。この建物の方位によってコロラドの環境 である。隔離されたフレームは、集合体のＵ値を0.34 の優位性を持つことができる。占有されたゾーンは60 に上昇させる。上部の採光ガラスは２倍のグレージン フィート幅、すべての占有者が窓から30フィートの範 グである。低 e-グレージングはＵ値が0.27、ソーラー 囲内に入るようにする。また、オープン・スペース・ 熱は係数0.38に上昇し、可視光透過率は65％である。 フロアーは柱やインテリア・サポートなどの障害物を 隔離されたフレームは、集合体のＵ値を0.44に上昇さ 除いたものが含まれている。写真−５は、2009年12月 せる。スパンドレル・ガラスは、３倍のグレージング に撮影された建設中の写真である。 である。低 e-グレージングはＵ値が0.25、集合体のＵ 北ウィングは４階建て、南ウィングは３階建てであ 値は0.38である。 る。二つのウィングはオフィススペースとして設計さ れている。この二つを結ぶ結合部は、会議室、図書館、 ２－９ ラビリンス メディアエリアといった共有エリアである。 地下のラビリンス（図−３）によってサーマルマス 13の高いアスペクト比は、狭い床板によって、建物 が追加される。低層階は、コロラド特有の膨張土（水 エリアの中で最大な採光と自然換気を提供している。 分の有無による土壌の膨張収縮が構造物に悪影響を与 「設備設計」第 48 巻１月号 05 える）のせいで、地上より上に建設しなければならな いレベルの手動と上部の自動システムが特徴である。 い。地上より高い低層階が持ち上げられているため 手動の窓は、部屋の占有者に合うよう、必要に応じ操 に、大きな床下スペースができた。迷路状のコンク 作する。ワークステーション・ベース・タスク・マネー リートの壁は、その床下部に続いて、専用外気システ ジャー・インターフェイスは、部屋の状態が自然換気 ム（DOAS）へ巨大なサーマルマスを追加している。 に適している場合、窓を開けるよう占有者に通知す このサーマルマスはヒート・シンクとして、外気を予 る。作動した窓は、主に、夜間の予備冷却を維持する 熱 す る た め に 使 わ れ る。 寒 い 時 期 に、 蒸 散 型 ために、制御と運転が行われる。図−４は、オフィス （transpired）ソーラーコレクターから温められた空気 ウィングに用いられた自然換気の案を表している。 は、サーマルマスを熱して、換気する空気を予熱する。 図−３ 地下ラビリンス建築見取図 ２－10 冷暖房空調設備設計 プロジェクトの意欲的なエネルギー効率条件を満た すために、RSF 空調システムのすべての面で、快適 図−４ RSF 自然換気概念図 さを犠牲にすることなく、エネルギー効率よく設計さ れている。オフィスウィングは、熱を放つ天井スラブ ２－11 照明設計 によって、熱したり冷やしたりするし、ASHARE 規 一般に、オフィス建物において、照明は最大のエネ 格55快適レベルを維持するように設計されている。 ルギー使用量であり、これを削減することは、主要な NREL キャンパスは、セントラル・ウッド・チップボ 設計の考察である。RSF での照明と採光の設計は、 イラーと高効率水冷式冷却装置を持ち、温冷水の区域 方角から始める。東西の長い軸によって、殆ど部屋に を供給する。RSF の放熱システムは、この水を利用 いる人は自然光を受けることができる。北と南側のグ して温めたり冷やしたりする。42マイルの放熱チュー レージングは、ビジョンと採光ガラスを特徴とする。 ブ・ヒート交換器は、すべてのレベルにおいて天井を 南のファサードには、張り出した部分が低い部分の 通して動いている。 ビジョンガラスに影をつける。光は上部の採光ガラス 大きなオフィスビルにあるデータセンターは、一般 を通して入り、天井に向かった高反射ルーバーの反射 に巨大なエネルギーを消費する。最新のデータセン によって部屋の奥深くまで光が入ってくる。 ター・クーリング・温度ガイドラインを採用し、ホッ 北面のグレージングは、影にならず間接光を取り入 トアイルを封じ込めのために利用し、データセンター れられる。高度な採光モデリングツールは、細長い床 は効率的なエバポレーター・クーリングと年99％シン 板、性能特性とルーバーによって一年中オフィスウィ グルパス外気によって冷却される。この手法は、デー ングの100％の採光を取り入れられることを、最適に タセンターからの排気熱を建物が利用することも可能 設計するために開発されている。 にしている。 換気は DOAS と自然換気によって供給される。床 写真−６にオフィスウィングの最上階内部の昼光 （Daylit）を示す。この写真が示すように、昼光照明 下エアー分布（UFAD）渦巻きディフーザー・システ がある晴天下では、あらゆる必要な明るさを供給し、 ム に よ っ て 分 配 さ れ る。 機 械 換 気 シ ス テ ム は すべての仕事場で30フットキャンドル（m/ft2）を超え ASHRAE 規格62.1-2004条件により30％の追加外気を ている。昼光照明が RSF の必要な明るさ、エネルギー 供給する。温暖な気候の時は、操作可能な窓が自然換 効率性、25-W、T-8電気照明を不足する場合は、加重 気を行う。南側の低いレベルの窓は、手動と自動によ 平均の0.63W/ft2で設計し、机上では最低30フットキャ る操作可能なシステムが特徴である。北側の窓は、低 ンドルを供給する。照明制御の概念はできるだけシン 「設備設計」第 48 巻１月号 06 プルに開発し、さらに可能な昼光照明に応答させる。 用できるか、を示している。確立された契約上のエネ 手動スイッチやフォトセンサー、在室センサーは、 ルギー目標によって、チームは最適な建物の性能と費 電気照明が、昼光照明が十分な光量を供給できない場 用のバランスを保つために、あらゆる設計を統合する 合に提供されていることを確実としている。オフィス ことができる。 空間は、昼光照明調光センサーと建物の使用者のスケ 費用効果の高い NZEB は、統合された設計プロセ ジュールによって制御されている。LED のタスクラ スと今日の技術の結合によって、現実的なものであ イトは、オフィススペースにおいて局所的な電気照明 る。NZEB のステータスに到達するために、関係者全 を供給し、各 LED ライトの消費はわずか13Ｗである。 員が同じ目標に向かって努力しなければならない。設 北側オフィスのような、雑然とした部屋、会議室、 計、建設チーム、建物のオーナーそして占有者が関わ いろいろ囲まれた Daylit スペースにおいては、空室 り合う必要がある。買い上げ、契約プロセスにおける センサーは、照明制御とのやり取りで適切な部屋使用 EUI の目標も含めて、設計、建設、完成後の日々の 状況に役立てる。制御の概念は、部屋の使用者が不十 活動プロセスの全てを通してエネルギー目標が考慮さ 分な昼光照明なら電気照明をつけ、部屋を出る際には れている。内部負荷は、多くの場合、設計チームが制 電気を消す、ということを奨励している。また、空室 御できない潜在力である。占有者が一般的に内部負荷 センサーは、部屋の使用者がいない場合は電気を消す。 を制御し、全建物の EUI の増大を低減させるために、 室内音響抵抗、家具、塗装は、採光設計のキーとな エネルギー効率戦略を作成しなければならない。負荷 る構成要素として選択された。内壁の表面と天井は、 低減には、設備、プログラム、IT 制度の変更、占有 オフィス空間に光を反射させるために最も高い反射率 者 の ふ る ま い の 意 識 の 組 み 合 わ せ が 必 要 で あ る。 （80％超）を可能にする、白色で塗装した高音響反射 NZEB にとって、１Ｗの省エネの積み重ねは、33ドル 天井パネルは、昼光照明の分布を最大限にする。 の PV 資本コストの削減と同等である。 低いパーティション（wall cubicles）とオフィス家 RSF は、世界で最もエネルギー効率の高い建物とし 具は、光を反射するよう明るい色で覆われている。わ て、設計、建設された。設計の戦略は容易に実現可能で ずか42インチの高さのパーティションは、昼光照明が あり、特殊な技術は使っていない。このプロジェクトを 部屋の奥まで届くようにする。 終えると、全ての使用量のモニタリングシステムがエネ ルギー実績をデモするために使われる予定である。 出典 本論文はエネルギー持続可能な会社組織（ASE）によっ て提供されたもので、米国政府機関によって、制度提供 された研究記述論文「メインストリート・ネットゼロ・ エネルギー建物：ゼロエネルギー手法の概念と実践」を 翻訳し、抜粋したものです。 なお、全体版は本会ホームページで閲覧できます。 【（社）日本設備設計事務所協会 HP】 http://www. jieoa. or. jp/ 写真−６ SF の Daylit 内部の例 ３．おわりに 今回、視察した各施設の省エネルギー技術は特殊な 技術はないが、様々な技術で ZEB 実現の達成を目指 ２－12 結論 し、検証結果等を Web でも公開している。国立再生 NZEB は、国家の省エネの未来にとって極めて重要 エネルギー研究所・研究支援施設では、天井内の配 である。NZEB は、日々の基本的な生活に必要な空間 管・配線・ダクトなどが透明のアクリル床で見えるこ を 供 給 し、 し か し 環 境 的 な 負 荷 は 非 常 に 少 な い。 とができる。オバーリン大学のガイドツアー担当の教 NZEB を設計、建設するためには、エネルギー効率と 員は、施設の設備は１にメンテナンス、２にメンテナ 再生可能エネルギーの生成は、最初から必要条件であ ンス、３、４がなくて５にメンテナンスと、いかに維 る。特定の計測可能な EUI 目標を含む明白で包括的 持管理が重要であるかと強調していた。当に「仏作っ な RFP は、エネルギー目標が費用対効果を満たすこ て魂入れる」必要があり、日本の ZEB 実現には建築 とを保証するために極めて重要である。本論文はいか 設備技術者の存在感が増してきたのである。 に、明確な NZEB の目標が大規模オフィス建物に適
© Copyright 2024 Paperzz
