ネットゼロエネルギー住宅設計のヒント
2015 年、私たちはアイオワ州の田舎にあるネットゼロ エネルギーの一戸建て住宅 Iowa Nest について書きました。 Sterner Design 社の Carl Sterner 氏 (現在は Sol Design + Consulting に所属) が設計したこのプロジェクトは、最適化されたフォルムとパッシブ＆アクティブ デザイン戦略を組み合わせることで、ネット ゼロ エネルギーを達成し、年間光熱費はわずか 24 ドルという優れたものでした！
多くのデザイナーが単に夢を見るだけであるのに対し、Sterner 社とそのクライアントは、提案に照らして、竣工時のプロジェクトのパフォーマンスを厳密に追跡し、比較してきました。 ここでは、大まかな設計の動きを要約し、入居後の評価から得られた 5 つの教訓を紹介します。
プロジェクトの概要
- プロジェクト タイプ: ネットゼロ エネルギー目標、一戸建て住宅
- 場所: 米国アイオワ州
- 建物の種類: 一戸建て住宅
- 床面積 / 占有率: 2 階建て、2400 平方フィート。 リビング エリア (および無条件の収納とガレージ)
- プロジェクトの段階と完了日: 2019 年に完了
- パフォーマンスのベースライン: IECC 2012 (国際エネルギー保全コード)
- パフォーマンス目標: ネットゼロ エネルギー、良好な採光
Iowa Nest ホーム、建設後。 画像提供: Sterner Design 社。
設計プロセス
ネットゼロ エネルギーと採光の目標を達成するために、いくつかの異なる設計案をテストしました。 まず、SketchUpで 6 つの形状をモデリングし、Sefaira で分析しました。メインの居住エリアでは、1 年の 60％ で少なくとも 200 ルクスの日照を維持することを目標にしました。
SketchUp でモデリングし、Sefaira Daylight Analysis プラグインで分析した建物の形状反復調査。 画像提供: Sterner Design 社。
最終的なデザインは、幅の狭いプレート、コンパクトな形状、背の高い窓、そして内部の「ライト ウェル」を組み込んでいます。 理想的な概念設計が決まると、冬は非常に寒く、夏は高温多湿という混合気候で、安定した受動的な温度を維持するという課題に取り組みました。 Sefaira を使って 11 の設計戦略を分析した結果、断熱コンクリート型枠 (ICF) を採用し、南向きの窓には小さな固定オーバーハングと操作可能な遮光スクリーンを組み合わせることに決めました。
SketchUp と Sefaira を使った光環境分析。画像提供: Sterner Design 社。
上記のすべての設計上の決定に加え、パッシブ戦略 (自然換気、最適化された建物構造、遮光装置) 、効率的な機械システムを採用した結果、エネルギー使用量はコードのベースラインから 79％ 削減されると予測されました。 南向きの屋根に設置された太陽光発電パネルは、家族のエネルギー需要を満たすように設計され、プロジェクトはネットゼロ ステータスに移行しました。
従来の住宅設計と Iowa Nest の設計とのエネルギー使用量の比較。設計戦略の組み合わせにより、国際省エネルギー コード 2012 ベースラインから 79% の削減を実現しました。画像提供: Sterner Design 社。
これらの設計戦略が長期にわたってどのように機能するかをテストするため、居住者は家中の3か所の温度と相対湿度を入念に追跡し、エネルギー使用量を回路ごとに計測しました。 これにより、所有者はエネルギー使用量を特定のスペースに正確にマッピングすることができます。 ここで、数字と設計プロセスから得られる 5 つの教訓を紹介しましょう。
1) 形を変えてもよい。
設計者は、設計のアイデアを反復するという考え方を熟知しており、このプロジェクトでは、選択を確定する前に複数の建物の形状をテストし、分析することの価値を強調しています。
当初の提案は、予算の 2 倍になることが判明しました。 構造を簡素化し、床面積をわずかに縮小することで、Sterner Design 社は建設コストを半分に抑え、設計を予算内に収め、冷暖房負荷を 30％ 削減することができました。
設計オプション間での冷暖房負荷の比較。 設計代替案 B では EUI (エネルギー使用強度) を30%削減できました。 画像提供: Sterner Design 社。
最終的な建築形態に至るまでの道のりを振り返って、Sterner 社は次のように勧めています。「コンパクトな形状と細長い形状を比較する形状調査を実施すれば、理想的な建築形態をより効率的に特定できたはずです。」
SketchUp と Sefaira でこれらの単純な Whitebox モデルをすばやくモデリングして分析することで、形状に基づく建物の効率的な比較が可能になります。 画像提供: Sterner Design 社。
教訓: 複数の形状をすばやくモデリングして分析し、エネルギーとコストを削減する機会を見つけます。
2) 可能であれば、洗練させ、単純化する。
形状の変更とそれに伴う複雑化により、エネルギー使用量が 10% 削減されました。
優れた建築の特徴の 1 つは、創造性と機能が融合して、洗練された、ほとんど疑いようのない建築形態を生み出すことです。 設計を「簡潔化」して明確にすることの利点は、単に優れた建築を提供し、施工性を高めることにとどまりません。エネルギー使用量を削減することもできます。 Sterner Design 社は、クライアントの空間的要求を実現しつつ、当初の提案にあった継ぎ目、コーナー、接続の数を減らすことで、エネルギー使用量を 10％ も削減することに成功しました。
同社によると、「この経験から、デザインと性能がいかに密接に絡み合っているかがわかりました。基本設計の一部を見直すことで、当初の設計に比べ資本コストを 50% 削減し、よりエネルギー効率の高い設計を実現できました。ネットゼロやパッシブ ハウスのデザインは、設計の最後に簡単に組み込めるものではなく、デザインの DNA に不可欠なものでなければなりません。」
設計オプションの分析を早い段階から頻繁に行うことで、クライアントとの会話をより有意義なものにする機会が生まれました。確かなデータがクライアントに確信を与え、概要に沿った変更を承認し、資本コストと運営コストを削減できたのです。
教訓: 物事を (比較的) シンプルに保つ価値は確かにあります。設計を明確にすることで、優れた建築を実現し、施工性を高め、エネルギー使用量を削減することができます。
3) 適切なアクティブ空調システムを選択する。
適切な空調システムを指定するかどうかで、パッシブな取り組みが向上することもあれば、大きく損なわれることもある、というのが設計者の一致した意見です。 空調設備の選択は、スペースの節約や内部環境の改善につながる可能性があるだけでなく、クライアントの資本コストやランニング コストの急増を招く可能性もあります。
繰り返しになりますが、Sefaira の空調解析を早期かつ頻繁に活用し、特定の敷地やプロジェクトに有効なシステムの組み合わせをテストすることが、クライアントの出費を数千ドル削減できるかどうかの分かれ目になる可能性があります。
Iowa Nest は結局、従来よりも安価でありながら、快適性と室内空気の質を向上させ、ネットゼロの達成に貢献する空調システムを導入しました。 どうやって？まず、エアコンを使わないことにしました。これは、アイオワの混合気候では簡単なことではありません。
空調システムのコスト比較。真ん中のオプションは当初の提案で、3 番目のオプションは最終デザインを反映しています。画像提供: Sterner Design 社。
このプロジェクトでは、土留め、遮光、自然換気、内部負荷の最小化などのパッシブ デザイン戦略を取り入れています。これにより、冷房負荷が軽減され、設計者は空調を完全に回避できるようになりました。 同様に、高断熱、高気密、パッシブ ソーラー設計により、暖房負荷が大幅に軽減され、小型で安価な電気輻射暖房システムを指定することができました。
通常、電気輻射熱の効率の悪さはネットゼロ住宅には不向きですが、このケースでは負荷が非常に小さいため、エネルギー ペナルティはわずかであり、太陽光発電パネルの追加で簡単に補うことができました。
教訓: 空調と外壁の戦略を組み合わせて検討します。
4) 詳細を描く。
住宅の窓の断熱に関する詳細な仕様書。 SketchUp でモデリングし、LayOut で包括的な図面セットを作成しました。画像提供: Sterner Design 社。
Sterner 氏は、SketchUp と LayOut を活用して、気密性と安定した内部環境を実現するための典型的なディテールと特注ディテールの包括的なセットを描き、作成しました。 また、典型的な壁のディテール、特注の壁の接合部、窓、ドアにどのような気密性と断熱性が必要かを指定しました。
住宅の気密層がハイライトされています (左)。 住宅の断熱材がハイライトされています (右)。 画像提供: Sterner Design 社。
こうした厳格さの結果、敷地内の年間気温差は華氏 70 度と記録されているにもかかわらず、隙間風のない気密性の高い内装が実現し、内部温度の変動もほとんどありませんでした。
2021 年 2 月の極寒渦期間中、アクティブな暖房を使用しなかった場合の外気温 (黒の線) に対する室内温度 (青、ピンク、赤の線) を示す温度比較データ。 この設計により、外気温の変動にもかかわらず、安定した快適な内部温度が実現します。 画像提供: iowanest.com。
教訓: 細部や仕様を掘り下げて、優れた構造と居住性を確保します。
5) EUI を超えて: パッシブ戦略と指標。
EUI (エネルギー使用強度) は、設計の全体的な良さをベンチマーキングして理解するのには最適ですが、優れた設計指標ではありません。 特に熱的快適性や高負荷の問題など、潜在的な問題を隠してしまう可能性があります。 設計プロセスを進めていく中で、あるエンジニアは、当初の提案では予算の 2 倍の費用がかかり、冬は寒い寝室、夏はうだるようなオフィスになる可能性が高いことを指摘しました。 この熱の不均一な分布を軽減するには、より複雑で高価で、より大きな空調システムが必要だったかもしれません。
作用温度指標を使って熱的快適性の解析を行うことで、チームは空調の必要性を排除し、より小型で安価な空調システムを指定して、家の中の不快な部屋を避けることができました。
教訓: 合理的な EUI のベースラインが確立されたら、ピーク負荷、作用温度、熱的自律性 (空間が受動的に快適さを維持する時間の割合) など、他の指標を評価し、設計中により詳細で有意義な洞察を提供することが得策です。
パッシブ デザイン戦略の威力 - 所有者のセルフビルドの時間を標準的な人件費で評価することを含め、最終的なプロジェクト コストでは、従来の住宅よりも 9％ 安くできました。
熱的快適性やエネルギー データなど、このプロジェクトの詳細については、Iowa Nest に関する以前のブログ、およびこの住宅の Web サイト www.iowanest.com でご覧いただけます。
Carl Sterner 氏について
Sol Design + Consulting のデザイン＆持続可能性担当ディレクター。 パッシブ ハウス、LEED プラチナ、リビング ビルディング チャレンジ認証設計など、持続可能性の高いプロジェクトの設計・施工を監督しています。 同氏は、よりヒューマンで、公平で、楽しい世界を実現するデザインの力を信じています。