自律型建築物

1970年代、活動家や技術者のグループは、差し迫った資源枯渇と飢餓の警告に触発された。米国では、ニュー・アルケミストと名乗るグループが、プロジェクトに注がれた研究努力の深さで有名だった。彼らは従来の建設技術を用いて一連の「バイオシェルター」プロジェクトを設計し、その中で最も有名なのがプリンスエドワード島の「ジ・アーク」バイオシェルターコミュニティだった。彼らはこれらの計画すべてを、詳細な設計計算と設計図とともに公開した。ジ・アークは風力による揚水と電力を使用し、食料生産も自給自足だった。居住区、タンパク源としてティラピアを養殖する水槽、魚の水で水やりをする温室、人間の排泄物を水槽用の衛生的な肥料にリサイクルする閉鎖型下水再生システムを備えていた。 ^{[ 1 ]}

1975年から1977年頃、オーストラリアの建築家でシドニー大学建築学部の講師である コル・ジェームズは、都市デザイナー、建築家、アーティスト、大学講師のニック・ホロと協力し、学生たちと共同で大学構内に自立型の住宅を設計・建設した。 ^{[ 2 ]}これにより、何百人もの学生にセルフビルドの持続可能性が教えられた。^{[ 3 ] [ 4 ]}

1990年代には、アーク・プロジェクトと同様の意図で、営利事業として組織されたアースシップが開発され、建設の詳細がアメリカ人建築家マイク・レイノルズによる3冊の本シリーズで出版されました。建材は土を詰めたタイヤです。これにより、大量の熱容量を持つ壁が作られます（アースシェルターを参照）。露出した表面には土塁が築かれ、家の温度安定性をさらに高めます。水システムは雨水から始まり、飲料用に処理され、次に洗濯、次に植物の水やり、次にトイレの洗浄、最後に汚水は再び植物の水やりに再利用されます。貯水槽は熱容量として設置され、使用されます。電力、熱、給湯を含む電力は太陽光発電から得られます。

1990年代の建築家、例えばウィリアム・マクドノーやケン・ヤンなどは、オフィスビルなどの大型商業ビルに環境に配慮した建築設計を適用し、エネルギー生産においてほぼ自給自足を実現した。オランダの大手銀行ビル（INGグループのアムステルダム本社）も、自律性と芸術性を兼ね備えた建物として建設された。

2002年、イギリスの建築家ブレンダとロバート・ヴェイルは次のように書いた。^{[ 5 ]}

オーストラリア全土で、暖房や冷房なしでも快適に過ごせ、自家発電、自給自足、自家排水処理まで行う「光熱費ゼロの家」を建設することは十分に可能です。これらの家は、既製の工法を用いて今すぐにでも建設できます。従来の住宅と同じ価格で「光熱費ゼロの家」を建設できますが、面積は（25%）小さくなります。

水を収集・節約する方法は数多くある。水の使用量を削減することは費用対効果が高い。

雑排水システムは、排水された洗濯水をトイレの洗浄や芝生・庭の水やりなどに再利用します。雑排水システムは、ほとんどの住宅における水使用量を半減させることができますが、そのためには排水槽、雑排水加圧ポンプ、および二次配管の購入が必要です。一部の建築業者は、水を使わない小便器や、下水処理における水の使用をなくすコンポストトイレを設置しています。

生活様式をほとんど変えずに済む定番の解決策は、井戸を使うことです。井戸を掘ると、井戸の基部にはかなりの電力が必要になります。しかし、最新の井戸の基部は、旧型モデルに比べて電力消費量を2倍以上削減できます。井戸水は地域によっては汚染されている場合があります。Sonoのヒ素フィルターは、井戸水に含まれる有害なヒ素を除去します。しかし、井戸を掘ることは不確実な作業であり、地域によっては帯水層が枯渇している場合もあります。また、費用も高額になる可能性があります。

降雨量が十分な地域では、雨水利用を前提とした建物の設計の方が経済的であることが多く、干ばつの際には補助的な給水が行われます。雨水は優れた軟水洗浄水になりますが、抗菌処理が必要です。飲料水として使用する場合は、ミネラル補給またはミネラル化が必要です。^{[ 6 ]}

ほとんどの砂漠地帯や温帯地域では、年間少なくとも250 ミリメートル (9.8インチ)の降雨量があります。これは、一般的な平屋建て住宅でグレーウォーターシステムを導入すれば、屋根からの雨水だけで年間を通して必要な水を賄えることを意味します。最も乾燥した地域では、30 立方メートル (7,900米ガロン)の貯水槽が必要になる場合があります。多くの地域では、1 週間の平均降雨量は13 ミリメートル (0.51インチ)ですが、このような地域では10 立方メートル (2,600米ガロン)程度の小さな貯水槽でも十分です。      

多くの地域では、屋根を飲料水として十分な清潔さに保つことは困難です。^{[ 7 ]}汚れや不快な味を減らすために、金属製の集水屋根と、最初の40リットルを迂回させる「屋根洗浄」タンクを使用するシステムがあります。貯水槽の水は通常塩素消毒されますが、逆浸透システムを使用すると、さらに高品質の飲料水が得られます。

古典的なローマの家（「ドムス」）では、家庭用水は貯水槽（「インプルウィウム」）から供給され、これは家の主要な公共空間であるアトリウムの装飾的な要素でした。インプルウィウムには、内側に向いた屋根の開口部（「コンプルウィウム」）からの雨樋タイルによって水が供給されました。水を浄化するために、しばしばスイレンがそこで栽培されました。裕福な家庭では、都市の貯水槽から水を供給された小さな噴水で雨水を補うことがよくありました。インプルウィウムには必ずオーバーフロー排水口があり、家が浸水しないようになっていました。^{[ 8 ] [ 9 ]}

現代の貯水槽は通常、大型のプラスチック製タンクです。低い塔に設置された重力式タンクは信頼性が高く、ポンプの修理はそれほど緊急ではありません。最も安価な大型貯水槽は、地面に設置された柵で囲まれた池やプールです。

自立度を下げることで、貯水槽のサイズとコストを削減できます。多くの自立型住宅では、1人1日あたりの水使用量を10ガロン（38リットル）以下に抑えることができるため、干ばつの際には1か月分の水をトラックで安価に配送できます。ピックアップトラックの荷台に収まる布製の貯水タンクを設置すれば、自家配送も可能になる場合が多いです。 

貯水槽をヒートポンプや空調システムのヒートシンクまたはヒートトラップとして利用することは便利な場合もありますが、冷たい飲料水が温かくなる可能性があり、乾燥した年には空調システムの効率が低下する可能性があります。

太陽熱蒸留器は、溝水や貯水槽の水から効率的に飲料水を生成することができ、特に蒸発器と凝縮器を分離した高効率の多重効果加湿設計は効果的である。

逆浸透膜などの新技術を使えば、汚染水、海水、さらには湿った空気からでも、無尽蔵の純水を作り出すことができます。ヨット向けには、海水と電気を使って飲料水や塩水を作る造水装置も販売されています。大気水生成器は、乾燥した砂漠の空気から水分を抽出し、ろ過して純水にします。

排水システムは、人間の居住環境と安全で持続可能な流域との間の重要な妥協点です。舗装された場所や芝生は、降雨が地面を浸透して帯水層を涵養するのを妨げます。そのため、水が地表を流れて低い場所に向かうため、近隣地域で洪水や被害が発生する可能性があります。

一般的に、雨水処理には、複雑で資本集約的な雨水排水網が設計されています。ビクトリア朝時代のロンドンの下水道や、旧トロント市の大部分など、一部の都市では、雨水排水システムが生活排水システムと一体化されています。大雨が降ると、排水管の末端にある下水処理場への負荷が大きくなりすぎて処理しきれなくなり、未処理の下水が貯水槽に、場合によっては地表水に排出されます。

自律型建築物は、さまざまな方法で降雨に対処できます。各庭に水を吸収する溝を設け、透水性コンクリートの道路と組み合わせれば、近隣から雨水排水溝を省略できます。雨水排水溝をなくすことで、1戸あたり800ドル以上（1970年代）節約できます。^{[ 12 ]}節約したお金を使う方法の1つは、より広い区画を購入することです。これにより、同じ費用でより多くの設備を設置できます。透水性コンクリートは温暖な気候では確立された製品であり、寒冷な気候向けに開発中です。寒冷な気候では、雨水排水溝をなくしても、代わりに溝（浅い集水溝）や水を遮る土手を作るのに十分な土地を購入できることがよくあります。この計画は、住宅所有者により多くの土地を提供し、景観のためのより興味深い地形を提供できます。さらに、緑化屋根は降雨を捕捉し、その水を使って植物を育てます。これは、新しい建物に組み込むことも、既存の屋根を交換するために使用することもできます。

電気は高価な公共料金であるため、自給自足への第一歩は、需要を減らすように家やライフスタイルを設計することです。LEDライト、ノートパソコン、ガス式冷蔵庫は電気を節約しますが、ガス式冷蔵庫はあまり効率的ではありません。^{[ 13 ]}また、Sun Frost社が製造しているような超高効率の電気冷蔵庫もあり、その中には、一般市場向けのエネルギースター認定冷蔵庫の約半分の電力しか使用しないものもあります。

ソーラールーフを利用すれば、太陽電池で発電できます。建物にはいずれにせよ屋根が必要なので、ソーラールーフは既存の太陽光発電設備を後付けするよりも費用対効果が高い場合があります。最新の太陽電池は約40年も使用できるため、地域によっては妥当な投資と言えるでしょう。適切な角度で設置すれば、太陽電池は雨水によって洗浄されるため、生活への影響はほとんどありません。

多くの地域では、冬の夜が長かったり、曇りの日が長かったりします。このような気候では、太陽光発電設備の費用が回収できないか、電力の自給自足を実現するために大規模な蓄電池システムが必要になる場合があります。^{[ 14 ]}嵐や風の強い気候では、風力タービンが太陽光発電を代替または大幅に補完することができます。^{[ 15 ]}平均的な自給自足住宅には、直径5メートル以下の小型風力タービンが1基あれば十分です。30メートル（100フィート）のタワーに設置されたこのタービンは、曇りの日に太陽光発電を補完するのに十分な電力を供給できます。市販の風力タービンは、密閉された可動部品が1つの交流発電機と、メンテナンスなしで何年も稼働できる受動的な自動フェザリングブレードを使用しています。

風力発電の主な利点は、風さえあれば、大型の風力タービンは太陽電池よりもワットあたりのコストが低いことです。タービンの設置場所は非常に重要です。太陽電池に必要な日照量がない場所があるのと同様に、多くの地域ではタービンの費用を賄うのに十分な風がありません。アメリカ合衆国のグレートプレーンズでは、10メートル（33フィート）のタービンで、しっかりとしたオール電化住宅の暖房と冷房に必要なエネルギーを供給できます。他の地域での経済的な利用には調査が必要であり、場合によっては現地調査も必要になります。^{[ 16 ]}

標高差のある小川にアクセスできる場所もあります。このような場所では、小型水力発電システムを使用して発電できます。標高差が30メートル（100フィート）以上あり、小川が一年中流れている場合は、小型で安価な設備で継続的な電力を供給できます。標高差が小さい場合は、より大規模な設備やダムが必要となり、効率が低下する可能性があります。タービンの取水口での詰まりは、実際的な問題となる場合があります。一般的な解決策は、小さな池と滝（水圧管）を設けて、浮遊物を流すことです。別の解決策としては、ゴルロフらせん水車やオスベルガー水車など、浮遊物に強いタービンを使用することがあります。

需要が少ない時間帯には、余剰電力をバッテリーに蓄えて将来使用することができます。ただし、バッテリーは数年ごとに交換する必要があります。多くの地域では、建物を電力網に接続し、ネットメータリングで電力システムを運用することで、バッテリーの費用を削減できます。電力会社の許可が必要ですが、このような共同発電は一部の地域（例えばカリフォルニア州）では法律で義務付けられています。^{[ 16 ]}

グリッドベースの建物は自律性は低いものの、より経済的で持続可能であり、生活様式上の犠牲も少なくて済みます。農村地域では、単線接地帰路システム（例えばMALTシステム）を使用することで、グリッドのコストと影響を軽減できます。

電力網に接続されていない地域では、長期間の霧などのエネルギー不足時に発電機でバッテリーを充電することで、バッテリーのサイズを小さくすることができます。補助発電機は通常、プロパン、天然ガス、または場合によってはディーゼルで稼働します。1時間の充電で通常1日稼働できます。最新の家庭用充電器では、ユーザーが充電時間を設定できるため、夜間は発電機が静かに動作します。一部の発電機は、週に1回自動的に自己テストを行います。^{[ 17 ] [ 18 ]}

近年の受動的に安定した磁気軸受の進歩により、将来的には真空中のフライホイールに安価に電力を蓄えることができるようになるかもしれない。カナダのバラード・パワー・システムズのような研究グループも、「再生型燃料電池」の開発に取り組んでいる。これは、電力が利用可能なときに水素と酸素を生成し、電力が必要なときにこれらを効率的に組み合わせることができる装置である。

地中電池は、地電流と呼ばれる地中の電流を利用します。地中のどこにでも設置できますが、電圧と電流は低レベルです。19世紀には電信の動力源として使われていました。家電製品の効率が向上するにつれて、実用化される可能性があります。

微生物燃料電池と熱電発電機^{[ 19 ] [ 20 ]}は、バイオマスから電気を生成することを可能にする。植物は乾燥させて細かく刻んで変換することも、丸ごと燃やすこともできるし、植物から出る廃液がバクテリアによって変換されるように生きたままにしておくこともできる。

ほとんどの自律型建築物は、断熱材、蓄熱材、パッシブソーラーによる冷暖房を利用するように設計されています。その例としては、トロンブ壁や天窓などの技術が挙げられます。

パッシブソーラー暖房は、温暖な気候や寒冷な気候でも、ほとんどの建物を暖めることができます。寒冷地では、建設コストは従来の新築建物に比べてわずか15%増程度で済みます。年間を通して霜の降りる夜が2週間未満の温暖な気候では、コストへの影響はありません。パッシブソーラー暖房の基本的な要件は、太陽集熱器が卓越太陽光（北半球では南、南半球では北）に面していること、そして建物に蓄熱材を組み込んで夜間の暖かさを保つことです。

最近開発された、やや実験的な太陽熱暖房システム「年間地中太陽熱暖房」は、冬に日照がほとんどない地域でも実用的です。^{[ 21 ]}このシステムは、建物の下の地面を蓄熱体として利用します。降水によって熱が奪われる可能性があるため、地面は6m幅のプラスチック断熱材のスカートで覆われています。このシステムの蓄熱体は十分に安価で大きいため、夏の熱を蓄えて建物を冬の間ずっと暖めることができ、冬の冷気を蓄えて夏の建物を冷やすことができます。

年間発電型の地中太陽熱システムでは、太陽集熱器は居住空間とは別に設置されることが多く、居住空間よりも高温または低温になる場合がある。建物自体が断熱材で構成されている場合もある。例えば、藁束を用いた建築などが挙げられる。一部の建物は、ダクトや内部空間を通じた対流によって電気ファンが不要となるよう、空力的に設計されている。

より控えめな「日中太陽光利用」設計は実用的です。例えば、ヨーロッパのパッシブハウス建築基準では、建築コストが約15%増加するだけで、高性能断熱窓、R-30断熱材、HRV換気システム、および小さな蓄熱体を採用しています。建物の位置を少し変更するだけで、最新のクリプトンまたはアルゴン断熱窓を使用することで、断熱性や構造強度を損なうことなく、見た目は普通の窓からパッシブソーラー暖房を得ることができます。最も寒い夜に小型ヒーターが利用できる場合は、スラブまたは地下の貯水槽で必要​​な蓄熱体を安価に提供できます。特にパッシブハウス建築基準では、建物が1時間に数回空気を入れ替え、熱交換器を通して熱を室内に保持するため、非常に優れた室内空気質を実現します。

全てのシステムにおいて、小型の補助ヒーターは、自立性をわずかに低下させるものの、個人の安全性を高め、生活への影響を軽減します。超高効率住宅で最も一般的なヒーターは、冷暖房機能も備えた小型ヒートポンプ、または給湯器から循環する温水式（ラジエーター式）セントラルヒーターです。パッシブハウス設計では、通常、ヒーターは換気システムと統合されています。

土で覆ったり防風壁を設けたりすることで、建物に必要な熱量を減らすこともできます。地中数フィート下の気温は、ノースダコタ州の4 ℃（39 °F）から南フロリダの26 ℃（79 °F）まで変化します^{[ 21 ]} 。防風壁は、建物から持ち去られる熱量を減らします。    

丸みを帯びた、空気力学に基づいた形状の建物は、熱損失も少ない。

商業ビルでは、天然ガス往復動エンジン、ガスタービン、またはスターリング発電機の出力から暖房（多くの場合、給湯）を供給するために、コジェネレーションを備えた複合サイクルを使用するものが増えている。^{[ 22 ]}

公共サービスの停止に対応できるように設計された住宅は、他の暖房設備の有無にかかわらず、一般的に薪ストーブ、またはディーゼル燃料やボトル入りガスによる熱と電力供給設備を備えている。

電気ヒーターや電気コンロは（電源によっては）汚染のない暖房を提供できるが、大量の電力を消費する。太陽光パネル、風力タービン、その他の手段で十分な電力が供給されれば、電気ヒーターや電気コンロは実用的な自律型システムとなる。

温水熱回収装置は、排水管から熱を回収します。これにより、給湯に必要な熱量や燃料を削減し、建物のエネルギー効率を高めます。また、生活様式を変える必要がないため、魅力的な装置です。

現在主流となっている実用的で快適な家庭用給湯システムは、太陽熱予熱システムと温度調節機能付きガス式循環式給湯器を組み合わせることで、水温を一定に保ち、給湯量を無制限に確保している。これにより、生活様式への影響は軽減されるものの、自立性はやや低下する。

太陽熱温水器は、燃料を大幅に節約できます。また、洗濯、食器洗い、入浴などを晴れた日に行うなど、生活習慣を少し変えるだけでも、その効率を大きく向上させることができます。特に、洗濯室、プール、屋外浴場などでは、晴れた日に使用できるようにスケジュールを設定できるため、純粋な太陽熱温水器が非常に便利です。

太陽熱温水器の基本的な仕組みは、断熱性の高い貯湯タンクを使用することです。システムによっては真空断熱構造を採用しており、大型魔法瓶のような働きをします。タンクには晴れた日に温水が満たされ、いつでも使用可能になります。従来の貯湯式給湯器とは異なり、このシステムでは日照がある時だけタンクに水が満たされます。優れた貯湯能力により、より小型で高性能な集熱器の実現が可能になります。こうした集熱器には、真空断熱や太陽光の反射集光といった、比較的特殊な技術が用いられます。

コジェネレーションシステムは、廃熱を利用して温水を生成する。通常、発電機や燃料電池の排気から熱を得る。

熱リサイクル、コジェネレーション、太陽熱予熱を利用すれば、通常使用されるガスの50～75%を節約できます。また、複数の熱源を組み合わせることで、冗長性と信頼性を確保できる場合もあります。一部の専門家は、ボトル入りガスや天然ガスをバイオガスに置き換えることを推奨していますが、家畜を飼育していない限り、通常は現実的ではありません。一世帯の廃棄物では、少量の調理に必要なメタンガスを生産するには不十分な場合が多いからです。

年間発電量の地中太陽光発電設備には、地中熱を蓄えるための土と地表との間の熱漏れを防ぐため、基礎から6メートル（20フィート）まで伸びる、傾斜した防水性の断熱材のスカートが地中に埋設されていることが多い。 

それほど劇的ではない改善策も可能です。夏場は窓に日よけを取り付けることができます。軒を張り出して必要な日陰を作ることもできます。これらは家の壁にも日陰を作り、冷房費の削減にもつながります。

もう一つの工夫は、夜間に建物の蓄熱体を冷却することです。例えば、全館換気扇などを利用し、日中はその蓄熱体から建物を冷却します。空に面したラジエーター（あるいは、別の用途に転用した空気加熱式太陽熱集熱器）や蒸発冷却器から発生する冷気を蓄熱体に直接通すことができれば効果的です。晴れた夜には、熱帯地域であっても、空に面したラジエーターは氷点下まで冷却することができます。

円形の建物が空気力学的に滑らかで、地面よりも温度が低い場合、「ドーム効果」によって受動的に冷却することができます。多くの事例で、反射性のある、または明るい色のドームは、局所的な垂直方向の熱駆動渦を発生させ、ドームが適切に換気されている場合（単一の天井換気口と周辺換気口）、より冷たい上空の空気をドーム内に吸い込むことが報告されています。ドームの内側と外側の温度差が最大で8℃（15°F ）にも達するという報告もあります。バックミンスター・フラーはこの効果を、穀物サイロを応用したシンプルな住宅設計で発見し、ダイマクションハウスやジオデシックドームに応用しました。

ディーゼルエンジンの排気、暖房機の煙道、太陽熱集熱器などの廃熱を利用した冷蔵庫やエアコンが普及し始めている。これらはガス冷蔵庫と同じ原理に基づいている。通常、煙道からの熱は「吸収式チラー」を駆動する。チラーから得られる冷水または濃縮塩水は、空気や冷蔵空間を冷却するために使用される。

コジェネレーションは、新しい商業ビルで広く利用されています。現在のコジェネレーションシステムでは、天然ガスを燃料とする小型ガスタービンまたはスターリングエンジンが発電し、その排気ガスが吸収式冷凍機を駆動します。

NRG Solutions社は、トラクターのディーゼル排気ガスの廃熱を利用して作動するトラックトレーラー型冷蔵庫の実演​​を行った。NRG社は、廃熱駆動型冷蔵庫に不可欠な、市販されていない2つの新しい部品である、水力式アンモニアガス熱交換器と気化器を開発した。

同様の方式（多相冷却）は、多段式蒸発冷却器によって実現できます。空気はまず塩水溶液の噴霧を通過して除湿され、次に水溶液の噴霧を通過して冷却され、最後に再び塩水溶液を通過して除湿されます。塩水は再生する必要がありますが、これは低温太陽熱蒸留器を用いることで経済的に行うことができます。多相式蒸発冷却器は、空気の温度を50  °F（28  °C）下げることができ、同時に湿度も制御できます。塩水再生器が高温を使用する場合、空気を部分的に殺菌する効果もあります。

十分な電力が供給可能であれば、ヒートポンプを用いた従来型の空調システムで冷房を行うことができる。

食料生産は、安全保障を提供する目的で、歴史的に自治プロジェクトに組み込まれてきたことが多い。^{[ 23 ]} 熟練した集約的な園芸は、 1人あたりわずか100平方メートルの土地で成人を養うことができ、^{[ 24 ] [ 25 ]}有機農業やエアロポニックス の使用が必要になる可能性がある。実証済みの集約的で労力の少ない食料生産システムには、都市型園芸（屋内と屋外）がある。屋内栽培は水耕栽培を使用して設定でき、屋外栽培はパーマカルチャー、森林園芸、不耕起農業、何もしない農業を使用して行うことができる。

温室も含まれる場合がある。^{[ 23 ] [ 26 ]}また、植物に水をやったり、太陽からのエネルギーを蓄えて夜間（温室が冷え始めるとき）に再分配したりできる灌漑システムやヒートシンクシステムが備え付けられている場合もある。^{[ 23 ] [ 27 ]}