Main Street Net-Zero Energy Buildings: The Zero Energy Method in

Conference Paper 会議論文
NREL/CP-550-47870
2010 年 7 月
Main Street Net-Zero Energy
Buildings: The Zero Energy
Method in Concept and Practice
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
Preprint 出版前原稿
Paul Torcellini, Shanti Pless, and Chad Lobato
National Renewable Energy Laboratory
Tom Hootman
RNL Design
Presented at the ASME 2010 4th International Conference on Energy Sustainability
Phoenix, Arizona
May 17–22, 2010
1
注意(訳注:このパラグラフは要約です)
提 出 さ れ た 原 稿 は 、 エ ネ ル ギ ー 持 続 可 能 な 会 社 組 織 ( 以 下 ASE ) の 従 業 員 ( 契 約 者 番 号 DEAC36-08-GO28308)によって提供されたものである。したがって、米国政府と ASE は、非独占的にロイ
ヤリティフリーのライセンスを保持する。公開、複製、発行されたフォームを、他のユーザーが使用で
きる。
このレポートは、米国政府機関によって、制度提供された研究記述である。米国政府、またそれらの任
意の機関、従業員は、一切の保証を負わず、明示または黙示、またはすべての法的責任または責任を正
確、完全、有用性のあらゆる情報、装置、製品、またはプロセスの開示のためを前提とし、その使用は
個人所有の権利を侵害しないことを表している。
ここにある特定の商業用品などに関わる参考文献は、米国政府または機関によって、指示や推薦を意味
するものではない。意見等は、著者の意見は、米国政府または機関を反映したものではない。
電子販売 http://www.osti.gov/bridge
米国エネルギー省と請負業者、費処理のために利用可能
U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information
P.O. Box 62 Oak Ridge, TN 37831-0062
phone: 865.576.8401
fax: 865.576.5728
email: mailto:[email protected]
書類での販売
U.S. Department of Commerce
National Technical Information Service
5285 Port Royal Road Springfield, VA 22161
phone:800.553.6847
fax: 703.605.6900
email: [email protected]d.gov
online ordering: http://www.ntis.gov/ordering.htm
2
Proceedings of ASME 2010 4th International Conference on Energy Sustainability
ES2010
May 17-22, 2010, Phoenix, Arizona, USA
ES2010-90225
MAIN STREET NET-ZERO ENERGY BUILDINGS:
THE ZERO ENERGY METHOD IN CONCEPT AND PRACTICE
Paul Torcellini
National Renewable
Energy Laboratory
1617 Cole Boulevard
Golden, CO 80401
Shanti Pless
National Renewable
Energy Laboratory
1617 Cole Boulevard
Golden, CO 80401
Chad Lobato
National Renewable
Energy Laboratory
1617 Cole Boulevard
Golden, CO 80401
Tom Hootman
RNL Design
1050 17th Street, Suite A200
Denver, CO 80265
ABSTRACT
概要
我々は、解析方法について述べ、また、上記の公
最近まで、大規模で、費用効果のあるネットゼロ
約を達成し、建設費用コストを 259/ ft2 に維持する
エネルギー建物(以下 NZEBs)は将来何十年も不
ために設計、施工期間を通して行われた費用トレ
可能と思われていた。しかし、国立再生可能エネ
ードオフについて述べる。大規模で複製可能な
ルギー研究所(以下 NREL)で現在進行中のプロ
NZEB を達成する方法についても述べる。多くの
ジェクトは、NZEB が達成可能で、繰り返すこと
受動的、再生可能エネルギー戦略(昼光照明、高
も可能であることを示している。本論文は、NZEB
性能ライト、操作可能な窓を通した自然換気、サ
の分類方法を定義するものであり、また、大規模
ーマルマス、発散太陽熱収集、輻射冷暖房、昼光
オフィス建物において費用対効果のあるネットゼ
照明を最適化する機器の設定)は利用されている。
ロエネルギーを、実際の社会においていかに達成
本論文は、以下のメンバーにより作成されている。
するかを示すものである。
Paul Torcellini, PhD, PE, Commercial Building
NZEB のビジョンは、説得力のあるものである。
Research Group Manager with NREL; Shanti Pless
理論的には、エネルギー効率の高い建物は、典型
and Chad Lobato,
的な一年を通して、消費するエネルギーを相殺で
Building Energy Efficiency Research Engineers with
きる十分な量の再生可能エネルギーを生成するこ
NREL; David Okada,
とができる。NREL は、ネットゼロの状態を判定
PE, LEED AP, Associate with Stantec; and Tom
する基準と、ネットゼロの状態を達成するための
Hootman, AIA, LEED AP,
再生可能エネルギーの供給方法をもとに、NZEB
Director of Sustainability with RNL
の分類方法を定義している。アメリカエネルギー
省の 220,000ft2 の建物(以下 RSF:Research Support
INTRODUCTION
Facilities)を用いて、なぜ NZEB の定義が重要で
はじめに
あるかを説明し、この定義の枠組みが、どのよう
建物はエネルギー消費と環境において重大な影響
に費用効果のある NZEB の作成の方法論を提供す
を与える。商業ビルと住宅ビルは、主なエネルギ
るかを示している。2010 年 6 月にオープンする
ーのおよそ 40%、
アメリカの電気の約 70%を使う。
RSF は、エネルギー環境評価(以下 LEED)にお
建設分野のエネルギー消費量は増え続けている。
2
いてプラチナのレベルを取得し、25 kBtu/ ft (通
新しい建物は、古い建物の寿命より早いペースで
常の LEED プラチナレベルの半分)のエネルギー
建設されることが主な原因である。商業ビル分野
消費に抑え、ネットゼロエネルギー状態を達成す
の電気消費量は 1980 年から 2000 年の間に倍にな
る、という公約を実現する必要がある。
り、2025 年までには、更に 50%増加すると予想さ
3
れている[1]。商業ビル分野のエネルギー使用量増
炭素排出目標達成のキーとなる戦略としてとらえ
加の解決に向けて、産業界のリーダーと研究者で
ている。2009 年 10 月 5 日、オバマ大統領は、
(議
構成される影響のあるグループが、NZEB を達成
会の承認が不要の)大統領命令にサインし、連邦
するために建物の性能の限界を押し上げる約束を
政府に対し、持続可能な目標を設定した。この命
している。
令は、2020 年までに設計プロセスに入る全ての新
NZEB のビジョンには説得力がある。エネルギー
しい連邦政府関連施設は、NZEB として設計しな
効率の高い建物は、毎年通常の送電線から使用す
ければならない、というものである[5]。カリフォ
る電気より、できるだけ多くのエネルギーを生成
ルニア公共事業委員会は、2020 年までに全ての新
(そして送電)するために、再利用可能エネルギ
しい住宅建設に対して NZEB を達成する、2030 年
ー技術を使う。そして、今日の建物は、エネルギ
までに全ての新しい商業ビルに対して NZEB を達
ー消費と二酸化炭素の排出が最も高いにも関わら
成する、というエネルギーアクションプランを持
ず、NZEB によって、国内のクリーンエネルギー
っている。
資産のネットワークの作成が可能となる。
NZEB のゴールは、ヨーロッパの議会でも 2009 年
アメリカエネルギー省(以下 DOE)は、2030 年
3 月のプレスリリースで発表されている[6]。全て
までにすべての新築の商業ビルがネットゼロエネ
の EU 加盟国は、2018 年末までには、新しく建設
ルギーを達成するというゴールをサポートする目
された建物は消費するエネルギーより多くのエネ
的で、2007 年に議会で認可された。2040 年までに
ルギーを生成する、ということを保証している。
50%のアメリカの商業ビルが NZEB、2050 年まで
しかしながら、DOE のゼロエネルギー建物データ
に、アメリカの全ての商業ビルが NZEB となるこ
ベース[7]による複数のアメリカの NZEB が示す
とが、目標である。
ように、早期に適用された商業用 NZEB の数は非
Building design professional societies(建築設計協
常に少ない。最近まで、大規模の費用効果の高い
会)
も NZEB のビジョンを認識している。
例えば、
NZEB は、これから先何十年も不可能と思われて
・The ASHRAE(アメリカ暖房冷凍空調学会)Vision
いた。初期の NZEB の例は、技術的にネットゼロ
2020 report[2]の中で、2030 年までに商業的に実
エネルギーは可能であるということを示している
現可能な NZEB を可能とするために、2020 年ま
が、大規模、費用対効果、複製可能、という点で
でにツールを開発するという要求が出された。
は注目されていない。この論文は、NZEB の分類
ASHRAE の最近の会議では、25 以上の論文[3]
方法の定義と、実社会でどのように大規模オフィ
が NZEB をテーマにしており、そのうちのいく
ス建物が、費用面で効果的にネットゼロエネルギ
つかは、ネットゼロか、それに近いものを実現
ーを達成するかの例を示している。
している。その他には、様々な段階の設計や施
WHAT IS A NET-ZERO ENERGY BUILDING?
工に関する論文である。
ネットゼロエネルギー建物とは何か?
・The AIA 2030 Challenge [4]は、徐々にエネルギー
使用量を減少させることを求めている。新築ビ
広い意味では、NZEB はエネルギー需要を大きく
ルがカーボンニュートラルとなっていると予測
削減させた住居または商業ビルのことである。こ
される 2030 年までに、既存建物に関して 50%の
のような建物において、エネルギー効率の向上に
エネルギー使用量の削減を求めている。いくつ
よって、エネルギー需要を再生可能エネルギー技
かの設計事務所は、自発的に、エネルギー節約
術で相殺できる。しかし広義においては解釈の余
設計目標の適用と、カーボンニュートラルに向
地、オーナーや建築家やその他の関係者の誤解、
けたステップの導入を約束している。
がある。NZEB の境界や計測方法の共通定義に同
意することは、設計のゴールや戦略にとって不可
政策立案者もまた、NZEB をエネルギーと二酸化
4
欠である。
NET-ZERO ENERGY BUILDING DEFINITIONS
この定義を明確にするために、NREL は、2つの
ネットゼロエネルギー建物の定義
基本的な基準を発表している。
・ネット・ゼロ・サイト・エネルギー:サイト(敷
・ゼロ・エネルギー建物:文書[8]によると、4つ
地内)において、年間使用量以上の再生可能エ
の NZEB を定義している。ネット・ゼロ・サイ
ネルギーを生産(さらに送電)することができ
ト・エネルギー
(建物で消費されるエネルギー)
、
る。
ネット・ゼロ・ソース・エネルギー(建物が使
・ネット・ゼロ・ソース・エネルギー:年間使用
用するエネルギーの生成と送電に必要なエネル
量以上の再生可能エネルギーを生産、送電(購
ギー入力量)
、ネット・ゼロ・エネルギー・コス
入)
をすることのできるソース
(エネルギー源)
。
ト、ネット・ゼロ・エネルギー・エミッション
ソース・エネルギーとは、抽出、処理、生成、
(排出)
。
そしてサイトへ送電に使用されるエネルギーで
・ネット・ゼロへ[9]は、使用された再生可能エネ
ある。建物の全ソース・エネルギーは、受電と
ルギー源に基づいて NZEB を分類する。この分
送電されるエネルギー量を掛け合わせて算出す
類システムのトップは、NZEB:A。全ての使用
る。その際、設備のソースエネルギータイプに
エネルギーを建物敷地内で生成された再生可能
基づいた最適算出方法を利用する。
エネルギーで相殺できる建物。最も低いのは
・ネット・ゼロ・エネルギー・コスト:一年間で、
NZEB:D。オンサイト(建物敷地内)の再生可
再生可能エネルギーをグリッドに売電すること
能エネルギーとオフサイト(建物敷地外)から
によって得られる金額が、エネルギー使用で支
購入した再生可能エネルギーを組み合わせて、
払う金額以上であること。
・ネット・ゼロ・エネルギー・エミッション:年
NZEB を実現させている建物。
表1と“NZEB 定義”セクションは、4つの NZEB
間をとおして使用される全エネルギーによる排
定義と4つのエネルギー使用分類をまとめている。
出量を相殺できるエミッション・フリーの再生
すべての NZEB は、エネルギー効率や、昼光、断
可能エネルギーを生産
(または購入)
すること。
熱、パッシブソーラー熱、高効率 HVAC 装置、自
カーボン、窒素酸化物、硫黄酸化物が、NZEB
然換気、蒸発冷却、地熱ヒートポンプ、海水冷却
の相殺させる一般的な排出物です。建物の総排
のような需要側の再生可能エネルギー技術を通し
出量は、受電と送電されるエネルギー量を掛け
て、サイトエネルギーを減少させなければならな
合わせて算出する。その際、設備の排出と現場
い。また、4つの NZEB に従って、供給側の再生
での排出(もしあれば)に基づいた最適算出方
可能エネルギーも使わなければならない。3 列目
法を利用する。
では、NZEB のサイト、ソース、エミッション、
コストの定義を満たすそれぞれの分類の能力につ
いて述べている。
ベストな定義、エネルギー使用計算方法、という
ものは存在しない。それぞれ利点と欠点があり、
それぞれのプロジェクトのアプローチは、オーナ
ーの目標に連携して選択されるべきである。しか
し、全ての NZEB の定義と分類を通して、一つの
設計ルールはかわらない:まず取り組み、それか
ら供給する。
5
フィスビルのひとつになる予定である。これは、
最初の大規模な NZEB として設計され、米国グリ
表 1:再生可能エネルギー供給による ZEB 分類
ZEB 分類
ZEB サプライサイドオプション
オンサイトサプライオプション
A
建物内部と建物の関連施設内部
で、入手できる再生可能エネルギ
ー源を利用。
(例:建物の上に設置した、太陽
光発電、太陽熱温水器、風力)
A に示された、再生可能エネルギ
ー源を利用、かつ、または、
建物敷地内と建物の関連施設内
で、入手できる再生可能エネルギ
ー源を使うこと。
(例:隣接したオープンスペース
にある駐車場に設置された、太陽
光発電、太陽熱温水器、低インパ
クト水力発電、風力、ただし物理
的に建物へ装着しない)
オフサイトサプライオプション
C
A かつ、または B に示された、
再生可能エネルギー源を利用。
さらに、
建物敷地内と建物の関連施設内
でエネルギーを生成するために
外部から入手したエネルギー源
を使うこと。
(例:バイオマス、木材ペレット、
エタノール、オフサイトからイン
ポートされるパイオディーゼル、
または、オンサイト処理で廃棄流
によって集める発電や発熱)
D
A かつ、または B、C に示された、
再生可能エネルギー源を利用。
最近追加された外部の再生可能
エネルギー源の購入、それらは、
Green-E (2009)の証明書または他
の同等な証明プログラムを取得
している。継続して購入すること
で ZEB ステータスを維持する。
(例:Utility-based wind、太陽光
発電、排出権、または他の“グリ
ーン”購入オプション。外部から
購入するすべてのエネルギー源
は 、 最 近 追 加 さ れ た (Green-E
2009)のような証明されたもので
なければならない。建物は、ウィ
ンドタービンまたは PV パネルを
建物内または外部の風力資源を
設置する場合、電力供給者と協議
することができる。この手法は、
建物がハードウェアを所有し電
力のクレジット(売電)を受け取
る。電力会社または、契約者はハ
ードウェアを整備する。)
B
ZEB 定義
ーンビルディング協議会(USBGC)の(LEED)
YES:
サイト
ソース
エミッション
Difficult::
コスト
NO:
YES:
サイト
ソース
エミッション
Difficult:
コスト
NO:
の最高評価、LEED プラチナクラスの評価を得て
いる。この 220,000ft2 建物は、824 人の従業員をコ
ロラド州ゴールデンの NREL キャンパスに収容す
る。NREL は、現在、複合オフィス施設近くにオ
フィススペースをリースしている。RSF によって
多くのスタッフが施設の中心に移動することがで
きる。図 1 に RSF の建築完成図を示す。
YES:
サイト
Difficult:
ソース
コスト、
エミッション
NO:
図 1:RSF の東面建築完成図
ENERGY-DRIVEN
DESIGN
AND
CONTRACTURAL
REQUIREMENTS
エネルギーを主体とした設計と契約の用件
エネルギーを、主な設計考察として RSF 建設する
YES:
ソース
エミッション
Difficult:
NO:
サイト
コスト
にあたり、性能に基づいた設計施工過程が用いら
れた。NZEB は、その初期からの計画にあたって、
建物のすべてのシステムの相互作用が考慮される
ことを要求している。DOE と NREL は、サイズ、
形状や施工のようなキーとなる建物の特徴などを
特定するよりも、むしろ建物性能パラメータの 3
つのカテゴリーの提案要求(RFP)明記した:
・Mission Critical.ミッションク・リティカル最終
設計に必要な性能項目。
RSF の設計は、
施工中、
通常の運転と管理、解体において、すべての労
働者と占有者にとって安全でなければならない。
この建物は、LEED プラチナ評価とエナジース
ターを満たす必要がある。
・Highly Desirable.きわめて望ましい。優先度に従
REAL-LIFE
NET-ZERO
ENERGY
BUILDING:
ってランク付けられた性能項目。この設計は、
NREL’S RESEARCH SUPPORT FACILITIES
800 人のスタッフを収容することができ、年間
現実のネットゼロエネルギー建物:国立再生可
エネルギー使用強度(EUI)
(太陽光発電[PV]は
能エネルギー研究支援施設(RSF)
含まない)は 25kBtu/ft2 持ち、無欠陥建築とし、
2010 年 6 月に公開の、NREL の新しい研究支援施
将来必要な従業員を収容するための十分適応で
設(RSF)は世界で最もエネルギー効率の高いオ
6
き、50%以上 ASHRAE 90.1-2004 を優っていて、
で比較できる。図 2 は、RSF の年間 EUI と変化す
2010 年までに完了する。
るエネルギーパフォーマンスレベルの建物への再
生利用可能エネルギーの生成を比較する。
RSF は、
・If Possible. 可能な場合。予算が可能ならば取り
そろえたい性能項目。建物が NZEB であるべき
74%一般的なオフィスビルより低い EUI を稼働す
性能要件が含まれ、世界で最もエネルギー効率
ることが期待されている。
の高い建物のひとつであり、LEED プラチナス
テータスを超えること。
プロポーザル段階の期間は、Haselden Construction
建設と RNL 設計は、
デザインビルドチームによっ
て選定された、プロジェクトのきちんとした固定
価格の範囲内で、プロジェクトの評価項目のすべ
てを引き受ける。このチームは、NREL と DOE と
緊密に連携し、全体の設計アプローチを完全に理
解しプロジェクトを明確にする。
すべての NZEB は、エネルギー効率が最優先され
る。 RSF は、NZEB を達成できるように、エネル
ギー効率を可能な限り向上させなければならない。
オリジナルの RFP は、年間 EUI が 25kBtu/ft2 であ
図 2 全建物 EUI 比較
った。この要件は、標準的な政府系建物が、従業
員許容 650 名、220,000ft2、データセンターは、RSF
ENERGY MODELING AS A DESIGN TOOL
にいる人たちへサービスを提供する、ということ
設計ツールとしてのエネルギーのモデル化
に基づいていた。現在の設計では、同じ階で許容
建物のエネルギー使用とコストは、沢山のパラメ
人数を 824 人まで増加できるようになった。従業
ータと変数による複雑な相互作用に依存する。全
員数密度とスペースの効率化を上昇させることで、
建物のエネルギー・シミュレーション・ソフトウ
RFP は、一人当たり EUI の目標規格化を可能にす
ェアは、HVAC システムとデザインの特徴との間
る。必要な EUI は、すなわち 824 人収容のデータ
における、あらゆる相互作用を、完全に評価でき
2
センターでは 32kBtu/ft 、または、全データセンタ
る。設計過程を知らせるエネルギーモデル化に適
2
ーとして、35kBtu/ft が規格化されている。
した時期は、どんな設計概念も未開発前の概念設
EUI の必要条件は、NREL の要望設計に基づいて、
計の段階である。しかし、エネルギー解析がすべ
開発され、米国内で最もエネルギー効率の高い建
て完了していれば、一般にデザイン開発を開始し、
物として稼働している。NREL の研究者たちは、
LEED に準拠または、HVAC タイプの選択を行う。
コンピュータシミュレーションに従事し、国内の
しかし建物の方位、集合体、断面、包囲を設計す
高パフォーマンス建物のデータを収集し、予算の
るものではない。
範囲内で見合う、エネルギー規格を考案する。さ
RSF 設計施工チームに関して、早い時期のエネル
らに、意欲的に新国家エネルギー効率のベンチマ
ギーモデル設計のコンセプトが必要である。完成
ークを設定する。
した設計の一部とすることで、デザイン/ビルドチ
必要条件は、全建物の年間消費エネルギー量測定
ームは、エネルギー目標へ導くことできる。概念
に基づいている。エネルギー消費量を1平方フィ
設計の段階では、設計チームは、最初に、建物の
ート単位当たり基準とすることで、エネルギーパ
断面図が完全な採光になるような最適な幅を定義
フォーマンスを直接異なるサイズや用途の建物間
できるように考慮した。全建物のエネルギーモデ
7
ルに加えて、設計チームは、早い時間帯の採光モ
テリア・サポートなどの障害物を除いたものが含
デリングが最適なガラス窓の方位、サイズ、遮光
まれている。図 4 は、2009 年 12 月に撮影された
を決めるとして実行した。エネルギーと昼光モデ
建設中の写真である。
ルは、すべての設計過程で、設計と必要な使用エ
北ウィングは 4 階建て、南ウィングは 3 階建てで
ネルギー目標と一致することを保証するために、
ある。二つのウィングはオフィス・スペースとし
最新のものにされた。設計施工チームは、実際の
て設計されている。この二つを結ぶ結合部は、会
建築物件をエネルギーモデルに基づく更新を行い、
議室、図書館、メディアエリアといった共有エリ
2
さらに、引渡し時には EUI 目標の 35kBtu/ft を満
アである。
たし運転できること。運転 1 年後には、性能を検
13 の高いアスペクト比は、狭い床板によって、建
証するために、使用したデータに基づくエネルギ
物エリアの中で最大な採光と自然換気を提供して
ーモデルの調整が行われる。最終的な RSF 設計を
いる。採光、自然換気、視界の優位性と、不利な
基にした使用予想データの EUI が図 3 に示されて
熱損失や増加、追加のエンベロープコストを均一
いる。
にするために、窓壁比(WWRs)は最大限の採光
を最適化し視界を提供するが、オーバーグレイズ
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。
図 3:最終設計エネルギーモデル kBtu/ft2
ENVELOPE DESIGN
図 4:“Lazy-H”2 つの細長い多層オフィス・ウィン
Orientation
グ(隣接するブリッジとコートヤードで接合)
エンベロープ(封筒型に覆われた)デザイン
ワーク・スペースへ昼光照明が入り込む形状
方位
設計施工チームは、意欲的なコストとエネルギー
Façade
パフォーマンスの契約条件に見合うように、まず
ファサード
シンプルなエンベロープモヂュールを開発した。
外観のファサードは、規格ユニットのプレキャス
RSF は、“Lazy-H”レイアウト(支柱は長い東西軸
ト・コンクリート・パネルで構成され、断熱、サ
を持つ)の特徴を持つ。この建物の方位によって
ーマル・マス、室内温度変動の調節を備える。こ
コロラドの環境の優位性を持つことができる。占
れらは、3 インチの外部コンクリートレイヤー、
有されたゾーンは 60 フィート幅、
すべての占有者
R-14 リッジド・フォーム断熱材、6 インチの室内
が窓から 30 フィートの範囲内に入るようにする。
コンクリートから構成されている。屋根は R-33、
また、オープン・スペース・フロアーは柱やイン
2 インチの複合デッキの上にある 3 インチのコン
8
図 5:地下ラビリンス建築見取図
クリート・スラブである。
Windows
窓ガラス
HVAC DESIGN
窓ガラスのグレージングは、機能している。ビジ
冷暖房空調設備設計
ョン・ガラスは 3 倍のグレージングである。低 e-
プロジェクトの意欲的なエネルギー効率条件を満
グレージングは U 値(熱損失値)が 0.17、ソーラ
たすために、RSF 空調システムのすべての面で、
ー熱は係数 0.22 である。隔離されたフレームは、
快適さを犠牲にすることなく、エネルギー効率よ
集合体の U 値を 0.34 に上昇させる。上部の採光ガ
く設計されている。オフィス・ウィングは、熱を
ラスは 2 倍のグレージングである。低 e-グレージ
放つ天井スラブによって、熱したり冷やしたりす
ングは U 値が 0.27、ソーラー熱は係数 0.38 に上昇
るし、ASHARE 規格 55 快適レベルを維持するよ
し、可視光透過率は 65%である。隔離されたフレ
うに設計されている[10]。
NREL キャンパスは、セ
ームは、集合体の U 値を 0.44 に上昇させる。スパ
ントラル・ウッド・チップボイラーと高効率水冷
ンドレル・ガラスは、3 倍のグレージングである。
式冷却装置を持ち、温冷水の区域を供給する。RSF
低 e-グレージングは U 値が 0.25、集合体の U 値は
の放熱システムは、この水を利用して温めたり冷
0.38 である。
やしたりする。42 マイルの放熱チューブ・ヒート
交換器は、すべてのレベルにおいて天井を通して
Labyrinth
動いている。
ラビリンス
大きなオフィスビルにあるデータセンターは、一
地下のラビリンス(図 5 参照)によってサーマル
般に巨大なエネルギーを消費する。最新のデータ
マスが追加される。低層階は、コロラド特有の膨
センター・クーリング・温度ガイドラインを採用
張土(水分の有無による土壌の膨張収縮が構造物
し、ホットアイルを封じ込めのために利用し、デ
に悪影響を与える)のせいで、地上より上に建設
ータセンターは効率的なエバポレーター・クーリ
しなければならない。地上より高い低層階が持ち
ングと年 99%シングルパス外気によって冷却さ
上げられているために、大きな床下スペースがで
れる。この手法は、データセンターからの排気熱
きた。迷路状のコンクリートの壁は、その床下部
を建物が利用することも可能にしている。
に続いて、専用外気システム(DOAS)へ巨大な
換気は DOAS と自然換気によって供給される。床
サーマルマスを追加している。このサーマルマス
下エアー分布(UFAD)渦巻きディフーザー・シ
はヒート・シンクとして、外気を予熱するために
ステムによって分配される。機械換気システムは
使われる。寒い時期に、蒸散型(transpired)ソー
ASHRAE 規格 62.1-2004 条件により 30%の追加外
ラーコレクターから温められた空気は、サーマル
気を供給する[11]。温暖な気候の時は、操作可能
マスを熱して、換気する空気を予熱する。
な窓が自然換気を行う。南側の低いレベルの窓は、
手動と自動による操作可能なシステムが特徴であ
る。北側の窓は、低いレベルの手動と上部の自動
システムが特徴である。手動の窓は、部屋の占有
者に合うよう、必要に応じに操作する。ワークス
テーション・ベース・タスク・マネージャー・イ
ンターフェイスは、部屋の状態が自然換気に適し
ている場合、窓を開けるよう占有者に通知する。
作動した窓は、主に、夜間の予備冷却を維持する
ために、制御と運転が行われる。図 6 は、オフィ
9
ス・ウィングに用いられた自然換気の案を表して
ルギー効率性、25-W、T-8 電気照明を不足する場
いる。
合は、加重平均の 0.63W/ ft2 で設計し、机上では
最低 30 フットキャンドルを供給する。
照明制御の
概念は、できるだけシンプルに開発し、さらに可
能な昼光照明に応答させる。手動スイッチやフォ
トセンサー、在室センサは、電気照明が、昼光照
明が十分な光量を供給できない場合に提供されて
いることを確実としている。オフィス空間は、昼
光照明調光センサーと建物の使用者のスケジュー
ルによって制御されている。LED のタスクライト
は、オフィススペースにおいて局所的な電気照明
を供給し、各 LED ライトの消費はわずか 13W で
ある。北側オフィスのような、雑然とした部屋、
会議室、いろいろ囲まれた Daylit スペースにおい
ては、空室センサーは、照明制御とのやり取りで
図 6:RSF 自然換気概念図
適切な部屋使用状況に役立てる。制御の概念は、
部屋の使用者が不十分な昼光照明なら電気照明を
LIGHTING DESIGN
つけ、部屋を出る際には電気を消す、ということ
照明設計
奨励している。空室センサーは、部屋の使用者が
一般に、オフィス建物において、照明は最大のエ
いない場合は電気を消す。
ネルギー使用量であり、これを削減することは、
主要な設計の考察である。RSF での照明と採光の
設計は、方角からはじめる。東西の長い軸によっ
て、ほとんど部屋にいる人は自然光を受けること
ができる。北と南側のグレイジングは、ビジョン
と採光ガラスを特徴とする。
南のファサードには、
張り出した部分が低い部分のビジョンガラスに影
をつける。光は上部の採光ガラスを通して入って、
天井に向かった高反射ルーバーの反射によって部
屋の奥深くまで光が入ってくる。北面のグレイジ
ングは、影にならず、間接光を取り入れられる。
高度な採光モデリングツールは、細長い床板、性
図7:RSF の daylit 内部の例
能特性とルーバーによって一年中オフィスウィン
グの 100%の採光を取り入れられることを、最適
室内音響抵抗、家具、塗装は、採光設計のキーと
に設計するために開発されている。図7は、オフ
なる構成要素として選択された。内壁の表面と天
ィスウィングの最上階内部の昼光(daylit)を示し
井は、オフィス空間に光を反射させるために最も
ている。この写真が示すように、昼光照明がある
高い反射率(80%超)を可能にする、白色で塗装
晴天下では、あらゆる必要な明るさを供給し、す
した。高音響反射天井パネルは、昼光照明の分布
2
べての仕事場で 30 フットキャンドル(m/ft )を超
を 最 大 限 に す る 。 低 い パ ー テ ィ シ ョ ン ( wall
えている。昼光照明が RSF の必要な明るさ、エネ
cubicles)とオフィス家具は、光を反射するよう明
10
るい色で覆われている。わずか 42 インチの高さの
当たり平均 30W)を使用している。デスクトップ
パーティションは、昼光照明が部屋の奥まで届く
PC からノート PC への移行により、占有者あたり
ようにする。
約 70W(建物全体で 57kW)節約できる。タスク
PLUG AND MISCELLENEOUS LOADS
ライティング(オフィスにおける各デスク上のラ
プラグやいろいろな負荷
イト)は 35W の蛍光灯でなく 13W の LED ライト
建物が高レベルのエネルギー効率を達成する場合、
とする。電話器は、各々15W 消費する標準的なも
全 EUI の大きな部分をコンセントやいろいろな負
のから、voIP 対応の 4W 消費の機器に変更してい
荷が占めている。
最小限の規則に沿った建物では、
る。
プラグ負荷は全 EUI の約 25%以下であるが、RSF
の目標と比較すると、基準のコンセント負荷は、
Copiers and Printers
ほぼ全体のエネルギー収支を消費する。削減され
コピー機、プリンター
たレベルでは、コンセント負荷は全エネルギー使
共有で使用されるオールインワン機(コピー、プ
用量の 50%を占める。ネットゼロのエネルギーの
リンター)により、個々の仕切られたエリア内の
ステータスを達成するためには、設計チーム、オ
プリンタは使用しなくてよい。共有のプリンタを
ーナー、運営者は、プラグとプロセス負荷に取り
使用する人数は、一つあたり 15 人から 20 人へと
組むことを明らかにしなければならない。
増えてきている。
Equipment
Elevators
装置
エレベータ
コンセント負荷は、エネルギー予算に対して相当
RSF は、低層建物でよく使用される一般的な油圧
のインパクトがあるため、できるかぎりそれを削
によるエレベータではなく、エネルギー効率の高
減するよう努力された。ENERGY STAR 装置は、
い、牽引力再生エレベータを使用する。このエレ
可能な限りどこでも使用されるべきで、その使用
ベータは、エネルギー効率の高い蛍光灯を装備し
は正確にスケジュールされるべきである。RSF(と
ている。一般的なエレベータの照明と違い、RSF
同等のオフィス建物)は与えられた年の三分の一
のエレベータの照明とファンは、エレベータが使
しか入居しないであろう。全体のエネルギー目標
われていない場合は電源 OFF となる。
を上回らないコンセント負荷 EUI を達成するため
には、使用していない装置の電源は OFF にする必
Appliances
要がある。
電化製品
設計チームの共有スペースの最大化は、コンセン
Computers, Monitors, and Telephones
ト負荷の削減に寄与している。現在の NREL オフ
コンピュータ、モニタ、電話
ィス建物には、冷蔵庫、電子レンジ、コーヒーポ
デスクトップコンピュータに関しては、ノート PC
ット、水飲み器、自動販売機を備えた休憩室があ
へ移行することでプラグ負荷を減らすことが出来
る。RSF も同様のアメニティを呼び物とするが、
る。NREL の初期の段階のプロジェクトで計測さ
既存の他の建物の休憩室が 15 名を収容するのに
れたコンセント負荷の結果によると、使用中のデ
対し、RSF のそれぞれの休憩室は、約 20 名を収
スクトップコンピュータは、一時間あたり平均
容する。この収容人数の増加は、エネルギーを消
100W、ドッキングステーションを使用したノート
費する電化製品数の減少を意味する。さらに、自
PC では、一時間あたり平均 30W となっている。
動販売機の delamping(蛍光灯を一部外したり、反
どちらの場合も 19 インチの液晶モニター
(一時間
射板を入れる)[10]、最も効率的な冷蔵庫の見極
11
めと購入、キッチンシンク下の浄水器設置による
れた。
水飲み冷水器の削除を行っている。
図8は、NREL の既存建物と RSF のコンセント負
荷 EUI の比較である。データセンターの効率的な
操作による可能な節約を除外すると、コンセント
とプロセス負荷からおよそ 30%の省エネと期待さ
れる。
RENEWABLES
再利用可能
RSF のエネルギー効率化レベルは、ワールドクラ
スと予想される。
しかしこの建物は初の大規模で、
敷地内にて年間の全エネルギー消費量を相殺する
再利用可能エネルギーを生成する NZEB としても
際立っているだろう。
最終エネルギー使用量には、
すべての HVAC 負荷(熱、冷水を含む)
、昼光、
コンセント負荷、データセンターが含まれる。
図 8:コンセント負荷削減
NREL の NZEB 定義と分類と比較して、RSF は、
ゼ ロ サ イ ト、 ソ ー ス、コ ス ト 、 エミ ッ シ ョン
Turning It All Off
NZEB:B となる。サイトエネルギー、ソースエネ
すべて OFF
ルギー、エネルギーコスト、エミッションを相殺
使われていないオフィス空間の設備の電源が OFF
する充分な量の再利用可能エネルギーが敷地内で
になっていることを確認するために、設計、オー
生成される。屋根は、南に面して 10 度傾斜してい
ナーチームは、コンセント負荷が OFF になってい
る。屋根(standing seam metal roof)の建設にて、
るか確認をしている。頼もしい戦略があり、各々
ルーフトップ PV システムのための最適なマウン
のワークスペースには、スイッチ ON/OFF が容易
ト表面が実現した。屋根は、594kW の PV パネル
で、監視結果のフィードバックが容易な、コンセ
に覆われ、これにより 17%効率化となる。連続す
ント負荷管理システムが設置されている。各々の
るルーフトップだけでは、RSF の需要に合う十分
PC の電源管理設定を行うことで、ノート PC とデ
なエネルギーを生成できない。従って、駐車場が
ィスプレイのスタンバイ期間を増やすことができ
1100kW の PV で覆われた。ルーフトップと駐車場
る。
の組み合わせにより、RSF の年間エネルギー使用
ネットゼロエネルギープロジェクトにおいて、最
量を相殺するおよそ 1.7MW の PV が供給される。
小のコンセント負荷ですら、見極め、モデルとし
て考慮すべきである。例えば、コンセント負荷の
COSTS
配電変圧器もモデルに含まれた。これらの非効率
費用
性を最小化するために、設計チームは、配電変圧
建設コストの目標は、RSF を他の新たに建設する
器の数をできるだけ減らし、高効率のモデルを特
オフィス建物と同等のコストで設計、建設するこ
定した。RSF にとって、全エネルギー使用量を相
とだった。RSF は、すべてのプロジェクトにおい
殺する量の PV の需要のために、あらゆるワット
て、一括請負契約の金額の目標を満たすか、目標
が計算される。それゆえ、PV の購入より安価で
以上の結果を出した。RSF の建設費(建物、イン
あればあらゆる費用効果のあるアイデアが考慮さ
テリア、敷地内、インフラ)は、259 ドル/ ft2 だっ
12
た。これには、インテリアの家具やケーブル類も
合わせていることに加えて、同等のオフィス建物
含まれる。PV システムは、部分的に第三者 PPA
と比べて、大幅に RSF の設計施工プロセスは削減
(Power Purchase Agreement:電力消費契約)とア
されている。典型的な設計施工 DOE プロジェク
メリカ復興・再投資法(ARRA)から融資を受け
トでは、計画から入居まで4-5年かかる:RSF
ている。もし、税控除や 5 ドル/W の建設交付金が
では 3 年で完了する。
2
まったくなければ、RSW のコストは、34 ドル/ ft
以上も上がっていただろう。
この建物では、契約において一括請負契約の点で
複製可能であることが求められた。従って典型的
な建物の金額と同レベルの金額に抑える必要があ
った。ゆえに、このプロジェクトにおいて、その
他のエリアのサイズとコストを抑えるために予算
の大部分がある設計側面に使われた。長細い床プ
レートによって封筒状建物のおおい(エンベロー
プ)のエリアを拡大させた。このエリアは、断熱
効果を高めると同時に、典型的な建物より多くの
コストがかかる。しかし、これによって設計チー
ムは、機械、電気システムのサイズとコストを削
減することができた。この床プレートにより、昼
光の採光が増加し、電気照明を削減することにな
図 9:HVAC 容量から建築要素への電送コスト:
る。またこのエリアの自然換気の割合を大きくす
ほとんどコスト増加のないエネルギー効率化
ることができ、HVAC システム負荷の減少につな
がる。断熱性能の増加により、暖冷房負荷は小さ
CONCLUSIONS
くなり、
暖冷房設備のダウンサイズも可能になる。
結論
図9は、標準より効率の良いエリアのおかげでダ
NZEB は、国家の省エネの未来にとって極めて重
ウンサイズしたエリアからの転送コストを示して
要である。NZEB は、日々の基本的な生活に必要
いる。全体的に見れば、コスト削減戦略の鍵は、
な空間を供給し、しかし環境的な負荷は非常に少
建築設計や建物のおおい(シェル)と多くのエネ
ない。NZEB を設計、建設するためには、エネル
ルギー効率戦略をうまく統合させることである。
ギー効率と再生可能エネルギーの生成は、最初か
このエネルギー効率戦略とは、昼光、パッシブソ
ら必要条件である。特定の計測可能な EUI 目標を
ーラーヒーティング、高サーマルマス、自然換気
含む明白で包括的な RFP は、エネルギー目標が費
であり、すべてこれらの建築要素は高い資本金を
用対効果を満たすことを保証するために極めて重
必要としない。RSF の建設に当たり、特にユニー
要である。本論文はいかに、明快な NZEB の目標
クな技術は使われていない。外壁は、仕上げ(取
が大規模オフィル建物に適用できるか、を示して
り付け)作業が最小で済むプレキャストパネルを
いる。確立された契約上のエネルギー目標によっ
使っている。このパネルは、繰り返し使用可能な
て、チームは、最適な建物の性能と費用のバラン
オフィススペースに使用されるもので、曲面の仕
スを保つために、あらゆる設計を統合することが
上げを避けてあり、取り付けが容易で、コストダ
できる。
ウンにつながる。
費用効果の高い NZEB は、統合された設計プロセ
エネルギー効率化を、費用効果の方法として組み
スと今日の技術の結合によって、現実的なもので
13
ある。NZEB のステータスに到達するために、関
係者全員が同じ目標に向かって努力しなければな
らない。設計、建設チーム、建物のオーナーそし
て占有者がかかわり合う必要がある。買い上げ、
契約プロセスにおける EUI の目標も含めて、
設計、
建設、完成後の日々の活動プロセスの全てを通し
てエネルギー目標が考慮されている。
内部負荷は、
多くの場合設計チームが制御できない潜在力であ
る。占有者が一般的に内部負荷を制御し、全建物
の EUI の増大を低減させるために、エネルギー効
率戦略を作成しなければならない。負荷低減には、
設備、プログラム、IT 制度の変更、占有者のふる
まいの意識の組み合わせが必要である。NZEB に
とって、1watt の省エネの積み重ねは、33 ドルの
PV 資本コストの削減と同等である。
RSF は、世界で最もエネルギー効率の高い建物と
して、設計、建設された。設計の戦略は容易に実
現可能であり、特殊な技術は使っていない。この
プロジェクトを終えると、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。
14
REFERENCES 参考文献
[1]
EIA.
2005.
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
Annual
Energy
Review
2004.
[11]
ASHRAE.
2004.
ANSI/ASHRAE
Standard
Washington,
62.1-2004:
D.C.: U.S. Department of Energy, Energy Information
Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality — Part
Administration.
3.Atlanta,
www.eia.doe.gov/emeu/aer/contents.html.
Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
[2]ASHRAE.
2008.
“ASHRAE
Vision
GA:
American
Society
for
Heating,
2020.”
[12] Deru, M.; Torcellini, P.; Bottom, K.; Ault, R.
www.ashrae.org/doclib/20080226_ashraevision2020.pdf.
2003.Analysis of NREL Cold-Drink Vending Machines
Last accessed September 2009.
for Energy Savings. Golden, CO: National Renewable
[3]ASHRAE. 2009. Net Zero Conference. Poster
Energy
Presentations. www.ashrae.org/events/page/2198. Last
34008.pdf
accessed September 2009.
[13] Verrengia, J. 2009. NREL Sets the Bar for Office
[4] AIA. 2009. AIA 2030 Commitment. www.aia.org/
Building
about/initiatives/AIAB079458. Last accessed September
20091207_rsf.html
2009.
[14]Research
[5] Federal Leadership in Environmental, Energy, and
www.nrel.gov/sustainable _nrel/rsf.html
Economic Performance Executive Order. 2009.
www.whitehouse.gov/assets/documents/2009fedleader_e
o_rel.pdf. Last accessed March 2010.
[6]European
Parliament.
2009.
Press
Release.
www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do?pubRef=-//EP//
TEXT+IM-PRESS+20090330IPR52892+0+DOC+XML
+
V0//EN&language=EN. Last accessed September 2009.
[7] DOE. 2009. DOE Zero Energy Buildings Database.
http://zeb.buildinggreen.com. Last accessed September
2009.
[8] Torcellini, P.; Pless, S.; Deru, M.; Crawley, D. 2006.
“Zero
energy
buildings:
a
critical
look
at
the
definition.”ACEEE Summer Study on Energy Efficiency
in Buildings. Golden, CO: National Renewable Energy
Laboratory. www.nrel.gov/docs/fy06osti/39833.pdf. Last
accessed September 2009.
[9] Crawley, D.; Pless, S.; Torcellini, P. 2009. Getting to
Net Zero. ASHRAE Journal. Vol. 51(9), September 2009;
pp. 18-25; Golden, CO: National Renewable Energy
Laboratory. NREL Report No. JA-550-47027
[10] ASHRAE. 2004. Standard 55-2004—Thermal
Environmental Conditions for Human Occupancy.
Atlanta,
GA:
American
Society
for
Heating,
15
Laboratory.
Energy
www.nrel.gov/docs/fy03osti/
Use.
www.nrel.gov/features/
Support
Facilities.
フォーム承認
OMB の番号 0704-0188
報告文書
公開する報告書の要旨
1.報告日
2010 年 7 月
4.タイトルとサブタイトル
2.報告タイプ
会議論文
3.期間
5a.契約番号
DE-AC36-08-GO28308
5b.許可番号
5c.ブログラム要素番号
6.著者
P. Torcellini, S. Pless, C. Lobato, and T. Hootman
5d.プロジェクト番号
NREL/CP-550-47870
5e. タスク番号
BEC7.1123
5f. ワークユニット番号
7.プログラム組織名と住所
National Renewable Energy Laboratory 1617 Cole Blvd. Golden, CO 80401-3393
9.スポンサー/モニター機関名と住所
8.プログラム組織リポート番号
NREL/CP-550-47870
10. スポンサー/モニター頭字語
NREL
11. スポンサー/モニター機関リポート
番号
12.配布可能ステートメント
National Technical Information Service
U.S. Department of Commerce
5285 Port Royal Road
Springfield, VA 22161
13. 補足注意事項
14.要約(200 文字以内)
国立再エネルギー研究所における進行中事業は、ネットゼロエネルギー建物(NZEB)の状況が今日繰り返し達成できるこ
とを示している。この論文は、NZEB の分類をするための枠組み定義を示し、実生活の例として大規模オフィスビルがど
のようにネットゼロエネルギーを達成するためにコスト効率を上げるかを証明する。
15.対象用語
ネットゼロエネルギー建物;nzeb;ゼロエネルギー
16. セキュリティ分類:
19a.責任者名
17.要約制限
18.ページ数
a.リポート
未分類
b.要約
未分類
c.このページ
未分類
19b.電話番号
Standard Form 298 (Rev. 8/98)
Prescribed by ANSI Std. Z39.18
16