建築科学

建築科学は、より良い室内環境品質（IEQ）、エネルギー効率の高い建築環境、居住者の快適性と満足度を提供するための科学技術主導の知識の集合体です。 建築物理学、建築科学、応用物理学は、建築科学と重複する知識領域に使用される用語です。建築科学では、自然科学やハードサイエンスで使用される方法が広く適用されており、これには、制御された実験と準実験、ランダム化制御、物理的測定、リモートセンシング、シミュレーションが含まれる場合があります。一方、ケーススタディ、インタビューとフォーカスグループ、観察法、調査、経験サンプリングなどの社会科学やソフトサイエンスの手法も、定性データを取得して居住者の満足度、快適性、経験を理解するために建築科学で広く使用されています。建築科学の最近の傾向の1つは、2つの異なる方法を組み合わせることです。たとえば、同じ屋内環境であっても、居住者の温熱感覚と快適さは、性別、年齢、感情、経験などによって異なる可能性があることは広く知られています。建築科学におけるデータ抽出および収集技術の進歩にもかかわらず、客観的な測定だけでは、快適性や好みなどの居住者の心の状態を表すことはほとんどできません。そのため、研究者は、複雑な相互関係を解明するために、物理的な状況を測定し、人間の反応を理解しようとしています。

建築科学には伝統的に、室内温熱環境、室内音響環境、室内光環境、室内空気質、エネルギーや建築材料の使用を含む建築資源の使用に関する研究が含まれます。^{[1]これらの分野は、物理的原理、建物居住者の健康、}快適性、生産性との関係、およびそれらが建物の外皮や電気・機械システムによってどのように制御できるかという観点から研究されています。^[2]国立建築科学研究所（NIBS）は、さらに、建物情報モデリング、建物コミッショニング、防火工学、耐震設計、レジリエント設計の分野をその範囲に含めています。^[3]

建築科学の応用の 1 つは、新築および既存の建物の建物性能と持続可能性を最適化し、建物の故障を理解または防止し、新しい技術やテクノロジーの設計を導くための予測機能を提供することです。

建築設計プロセスでは、建築科学の知識が、建物の性能を最適化するための設計決定に活用されます。設計決定は、NIBS Whole Building Design Guide (WBDG)や建築科学に関連するASHRAE 規格のコレクションなど、建築科学の原則と確立されたガイドラインの知識に基づいて行うことができます。

計算ツールは、設計された建物の外皮、照明システム、機械システムに関する入力情報に基づいて、設計中に建物の性能をシミュレートするために使用できます。モデルを使用して、運用エネルギー使用量、太陽熱と放射の分布、空気の流れ、および建物内のその他の物理現象を予測できます。^[4]これらのツールは、建設が始まる前に設計を評価し、許容範囲内で機能することを確認するのに役立ちます。利用可能な計算ツールの多くは、建物のパフォーマンス目標を分析し、設計の最適化を実行します。^[5]モデルの精度は、モデラーの建築科学の原則に関する知識と、特定のプログラムに対して実行される検証の量によって左右されます。 ^[4]

既存の建物を評価する場合、測定と計算ツールを使用して、測定された既存の状態に基づいてパフォーマンスを評価できます。さまざまな現場テスト機器を使用して、温度、湿度、騒音レベル、大気汚染物質、またはその他の基準を測定できます。これらの測定を行うための標準化された手順は、「商業ビルのパフォーマンス測定プロトコル」に記載されています。^[6]たとえば、熱赤外線 (IR) 画像装置を使用して、建物の使用中に建物のコンポーネントの温度を測定できます。これらの測定値を使用して、機械システムの動作状態や、建物の外壁を介した異常な熱の増加または熱損失の領域があるかどうかを評価できます。^[7]

既存建物の状態の測定は、入居後評価の一環として行われます。入居後評価には、居住者の満足度や幸福度に関するデータを収集したり、測定装置では捕捉できなかった可能性のある建物の性能に関する定性データを収集したりするために、建物居住者を対象とした調査^[ 8]も含まれる場合があります。

建築科学の多くの側面は建築家の責任であり(カナダでは、多くの建築会社がこの目的で建築技術者を雇用しています)、多くの場合、土木工学、構造工学、地震工学、地盤工学、機械工学、電気工学、音響工学、消防法工学など、建築外皮以外の建築科学の問題を扱うために発展してきた工学分野と連携しています。インテリア デザイナーであっても、必然的に建築科学の問題をいくつか生み出すことになります。

採光とは、電気照明を減らしてエネルギーを節約するために、建物に自然光、直射日光、拡散した天窓を制御的に取り入れることです。採光システムは、天窓や窓などの採光口だけでなく、採光に反応する照明制御システムも備えています。^[9]採光は人間の概日リズムを刺激することで、人間の心理的および生理的な健康に良い影響を与え、うつ病を軽減し、睡眠の質を改善し、無気力を軽減し、病気を予防します。^[10]

しかし、研究では、日光の利用可能性を最大化することと人間の快適さや健康との間に常に正の相関関係が示されるわけではありません。 ^[11]建物内に大きな窓がある場合、視覚環境の量と質を制御する必要があります。^[12]視覚的快適性の問題への配慮が不足すると、空間内の過度の明るさと高コントラストの輝度比によりグレアが発生し、最良の日光利用の意図が効果を発揮しないことがよくあります。照明工学協会 (IES) の照明ハンドブックでは、グレアを、視野内の輝度レベルが目が順応できるレベルよりも十分に高く、不快感や視覚機能や視認性の低下を引き起こす感覚と定義しています。^[13]グレアは、不快なほど明るい光源または反射によって引き起こされる視覚知覚を妨げます。建物の窓から日光が過度に侵入して視覚的な不快感を感じる居住者は、遮光装置を閉じたいと思うかもしれませんが、これにより日光の利用可能性が低下し、電気照明のエネルギー消費が増加します。^[14]

日光と視覚的快適性は、日光の有効活用とエネルギー節約を可能にする建築科学において、広く研究されているテーマです。建築家、エンジニア、建物所有者は、日光とグレアの指標を使用して、居住者の健康と快適性のために日光が当たる空間の照明条件を評価することが重要です。

室内環境品質（IEQ）とは、建物内の空間を占有する人々の健康と幸福に関連した建物環境の品質を指します。IEQは、照明、空気の質、温度など、多くの要因によって決まります。^[15]労働者は、勤務先の建物内の汚染物質への曝露により症状や健康状態が悪化するのではないかと心配することがよくあります。この懸念の理由の1つは、建物内にいないと症状が改善することが多いためです。研究では、一部の呼吸器症状や病気は湿気の多い建物と関連していることが示されていますが、^[16]屋内汚染物質のどの測定値が労働者の病気のリスクを示しているかはまだ明らかではありません。労働者と医師が建物環境が特定の健康状態を引き起こしていると疑うほとんどの場合、医学的検査や環境検査から得られる情報は、どの汚染物質が原因であるかを確定するのに十分ではありません。何を測定するか、測定結果をどのように解釈するかについては不確実性がありますが、研究では、建物関連の症状は湿気、清潔さ、換気特性などの建物の特性と関連していることが示されています。

屋内環境は非常に複雑で、建物の居住者は、オフィス機器、清掃用品、建設作業、カーペットや家具、香水、タバコの煙、水害を受けた建材、微生物の増殖（真菌、カビ、細菌）、昆虫、屋外の汚染物質などから、さまざまな汚染物質（ガスや粒子の形で）にさらされる可能性があります。室内温度、相対湿度、換気レベルなどの他の要因も、個人の屋内環境への反応に影響を与える可能性があります。屋内環境汚染物質の発生源を理解し、それを制御することは、多くの場合、建物関連の労働者の症状を予防または解決するのに役立ちます。屋内環境を改善および維持するための実用的なガイダンスが利用可能です。^[17]

建物の屋内環境は、エネルギー効率が高く、健康的で快適な建物の設計、分析、運用における環境面をカバーします。専門分野には、建築、HVAC設計、温熱快適性、室内空気質(IAQ)、照明、音響、制御システムなどがあります。

温度、湿度、圧力、および屋内環境のその他の特定の側面を制御するために使用される機械システムは、通常、より広範な建物設備のサブセットであり、暖房、換気、空調 (HVAC) システムと呼ばれることがよくあります。居住者がより厳密な環境制御を要求し、建物が大きくなり、快適性を提供する手段としての囲いや受動的な対策の重要性が低下するにつれて、これらのシステムは複雑さと重要性が増しています (多くの場合、商業ビルの総予算の約 20% を占めます)。

建築科学には、HVAC システムの物理的影響 (熱分布、気流速度、相対湿度など) と建物の居住者の快適性への影響の両方の分析が含まれます。居住者が感じる快適さは、現在の天気や建物が位置する気候の種類などの要因に依存するため、快適な環境を提供する HVAC システムのニーズはプロジェクトごとに異なります。^[18]さらに、居住者の快適性の向上に貢献するために、さまざまな HVAC 制御戦略が実装および研究されてきました。米国では、ASHRAE がビル管理者やエンジニアがシステムを設計および操作できるようにするための標準を公開しています。^[19]英国では、同様のガイドラインがCIBSEによって公開されています。^[20]業界の慣行とは別に、高度な制御戦略も研究で広く議論されています。たとえば、閉ループフィードバック制御では、空気の温度設定値とセンサー測定値を比較できます。^[21] デマンドレスポンス制御では、時間とともに変化するレートに基づいて使用量を削減またはシフトすることで、電力網のピーク負荷を防ぐことができます。 ^[22]計算性能と機械学習アルゴリズムの向上により、最適制御による冷暖房負荷のモデル予測は、 HVACシステムを事前操作することで居住者の快適性をさらに向上させることができます。 ^[23]高度な制御戦略の実装は、モノのインターネット（IoT）などの統合スマート通信技術を備えたビルオートメーションシステム（BMS）の開発の範囲内であることが認識されています。ただし、実務家が特定した大きな障害の1つは、建物の設計の特殊性による制御ロジックと建物データマッピングのスケーラビリティです。相互運用性が不十分なため、米国では建築業界が年間158億ドルの損失を出していると推定されています。^{[24] Haystack [25]}やBrick ^[26]などの最近の研究プロジェクトは、メタデータスキーマを利用して問題に対処することを目的としており、これにより、建物の機械システムのデータポイントと接続階層をより正確かつ便利にキャプチャできます。セマンティックモデルのサポートにより、自動構成はHVAC制御のコミッショニングとソフトウェアのアップグレードにさらに役立ちます。^[27]

建物の囲いとは、建物の屋内と屋外を隔てる部分です。これには、壁、屋根、窓、地面のスラブ、およびこれらすべての接合部が含まれます。建物の囲いの近くのエリア（つまり、周辺ゾーン）にいる建物居住者の快適さ、生産性、さらには健康は、騒音、温度、太陽放射などの屋外の影響と、これらの影響を制御する能力によって左右されます。その機能の一部として、囲いは、構造にかかる負荷（風、地震）に耐えながら、湿気、熱、空気、蒸気、太陽放射、昆虫、または騒音の流れを制御（必ずしもブロックまたは停止する必要はない）する必要があります。ファサードのガラス部品を通した日光の透過率を分析すると、電気照明の必要性がどれだけ減ったかを評価できます。^[28]

持続可能な建築は、持続可能な設計とも呼ばれ、建物の寿命中のエネルギー使用による排出である運用炭素と、材料の生産と建設による排出である組み込み炭素の両方を削減するなど、建物の環境への影響を低減するための戦略を統合します。 ^[29]持続可能な建築の実践は、将来の資源と環境の現実を考慮して設計することを目的としています。

建物は世界のエネルギー消費量の約40% ^[30]と炭素排出量の13% ^[31]を占めており、そのほとんどが建物のHVACシステムの運用に関連しています。気候変動を緩和するには、運用中の炭素排出量を削減することが重要です。これらの排出量に対処するために、太陽光や風力などの再生可能エネルギー源が建築業界で採用され、発電をサポートしています。しかし、電力需要プロファイルは、供給と需要の不均衡を示しており、「ダックカーブ」として知られています。これは、グリッドシステムの安定性の維持に影響を与える可能性があります。^{[32]そのため、グリッドのピーク電力を削減することで、より高いレベルの持続可能性を実現するために、}熱エネルギー貯蔵システムなどの他の戦略が開発されています。^[23]

建築科学の分野では、ネットゼロエネルギービルとしても知られるゼロエネルギービルへの推進が進められています。ネットゼロエネルギービル認定の資格については、Living Building Challenge のWeb サイトで確認できます。

組み込まれた炭素とは、建築材料のライフサイクル全体（材料の抽出、製造、生産、輸送、建設、および使用終了）に関連する総炭素排出量を指します。^[29]建物の性能研究により運用上の炭素が減少するにつれて、エネルギー効率の高い設計に対する材料の需要の増加もあって、建築部門内の組み込まれた炭素が増加しています。^[33]この変化により、総合的な脱炭素化を達成するには、運用上の排出量と並行して組み込まれた炭素に対処する必要があることが強調されています。

建物の脱炭素化は、開発段階に進む前に、材料、システム、構造の選択を最適化して、組み込まれた炭素を削減し、運用効率を向上させることができる初期段階の設計で最も効果的です。^[29]鉄やコンクリートなどの構造材料は、建物の組み込まれた炭素フットプリントに大きく貢献しています。^[33]これらの影響を軽減するための戦略には、材料の代替、リサイクルおよび再利用材料の組み込み、低炭素製造プロセスの採用などがあります。

炭素排出量の削減に取り組む上での課題としては、不十分なデータ、標準化の欠如、コストの考慮、規制上の障壁などが挙げられます。信頼性の高いデータベースは限られており、地域固有で一貫性がないため、普遍的に適用することが困難です。既存の基準は多くの場合自主的であり、範囲がさまざまであるため、比較やベンチマークが困難です。^[33]建物の炭素排出量を評価するためのライフサイクルアセスメント基準には、ISO 14040、ISO 14044、EN 15978、PAS 2050、ReCiPeなどがあります。^[34]これらのフレームワークは、炭素排出量などのライフサイクル環境影響を評価および定量化するための構造化されたアプローチを提供します。

組み込まれた炭素に対処することは建築科学の成長分野であり、建築の持続可能性の取り組みを推進し、建築環境の環境への影響を軽減するために重要になりつつあります。

POE は、建築環境が占有された後の建物のパフォーマンスを測定する調査ベースの方法です。占有者の応答は、構造化された質問またはオープンな質問を通じて収集されました。統計的手法とデータの視覚化は、建物のどの側面 (機能) が占有者にとって有益であるか、または問題であるかを示すためによく使用されました。結果は、建築家が新しい建物を設計するための設計知識になったり、現在の環境を改善するためのデータ ベースを提供したりする可能性があります。

建築科学には直接的または統合的な建築またはエンジニアリングの専門資格はありませんが、分野に関連した独立した専門資格はあります。建築科学は、通常、建築またはエンジニアリング業務の幅広い分野における専門分野です。ただし、専門分野ごとに個別の専門資格を提供する専門組織があります。最も有名なグリーン ビルディング評価システムには、次のものがあります。

• BREEAM （Building Research Establishment Environmental Assessment Method）は、 Building Research Establishmentによって開発された、世界で最も長い歴史を持つ持続可能な建築物の評価システムです。
• LEED（エネルギーと環境デザインにおけるリーダーシップ）^[35]は、米国グリーンビルディング協会によって開発されました。
• グリーンスター（オーストラリア）は、オーストラリアグリーンビルディング協会が開発したオーストラリアの主要なグリーンビルディング評価システムです。
• WELLは国際WELL建築協会によって提供され、グリーンビジネス認証株式会社によって管理されている。^[36]
• 日本における主要なグリーン建築評価システムであるCASBEE （建築環境総合性能評価システム）
• 国際リビングフューチャー研究所が開発したリビングビルディングチャレンジ。
• Passivhaus（パッシブハウス）は、パッシブハウス研究所によって開発されたもので、建築における国際的に認められた性能ベースのエネルギー基準です。^[37]

他にも、建物の持続可能性に関する認定および認証機関があります。また、米国では、独立組織である Building Performance Institute によって認定された請負業者が、建築科学者として事業を営んでいると宣伝しています。これは、科学的な背景と資格が不足しているため疑問視されています。一方、カナダでは、認定エネルギー アドバイザーのほとんどが、より正式な建築科学の経験を持っています。これらの職業や技術者の多くは、建築科学の非常に特殊な分野 (気密性や断熱性など) に関する何らかのトレーニングを必要とし、受けています。

• 建築と環境：この国際ジャーナルは、建築科学、都市物理学、屋内外の建築環境と人間の相互作用に関連するオリジナルの研究論文とレビュー記事を掲載しています。このジャーナルで最も引用されている記事は、建物内の居住者の行動、^[38]、 グリーンビルディング認証システム、^[39]、トンネル換気システム^[40]などのトピックをカバーしています。出版社：エルゼビア。インパクトファクター（2019）：4.971 ^[41]
• Energy and Buildings : この国際ジャーナルは、建物のエネルギー使用に明確に関連する記事を掲載しています。その目的は、建物のエネルギー需要を削減し、室内空気質を改善することを目的とした新しい研究結果と新しい実証済みの実践を提示することです。このジャーナルで最も引用されている記事は、建物のエネルギー消費の予測モデル、^[42] HVACシステムの最適化モデル、^[43]ライフサイクルアセスメントなどのトピックをカバーしています。^[44]出版社: Elsevier。インパクトファクター (2019): 4.867 ^[45]
• 室内空気：この国際ジャーナルは、健康への影響、温熱的快適性、モニタリングとモデリング、発生源の特性評価、換気（建築）およびその他の環境制御技術など、非産業用建物の室内環境の分野における幅広い関心分野を反映した論文を掲載しています。このジャーナルで最も引用されている記事は、室内空気汚染物質と温熱条件が居住者のパフォーマンスに与える影響、^[46]、屋内環境での飛沫の動き、^[47]、換気率が居住者の健康に与える影響などのトピックをカバーしています。^[48]出版社：John Wiley＆Sons。インパクトファクター（2019年）：4.739 ^[49]
• 建築科学レビュー：1958年にオーストラリアのシドニー大学で創刊されたこの雑誌は、幅広い環境問題に関する科学的知識の開発、蓄積、応用を促進することを目的としています。雑誌の説明によると、テーマには、建築科学技術、環境の持続可能性、構造と材料、オーディオと音響、照明、熱システム、建築物理学、建築設備、建築気候学、建築経済学、人間工学、建築科学の歴史と理論、建築の社会科学などが含まれますが、これらに限定されません。発行元：テイラー＆フランシスグループ
• Building Research and Information : このジャーナルは、建物、建物ストック、およびそれらを支えるシステムに焦点を当てています。BRI の特徴は、建物に対する全体的かつ学際的なアプローチであり、建物の寿命を通じて建築環境やその他のシステムの複雑さを認識していることです。公開された記事は、文化、環境、経済、社会、組織、生活の質、健康、幸福、建築環境の設計とエンジニアリングの間の複雑さとつながりを反映した概念的かつ証拠に基づくアプローチを利用しています。このジャーナルで最も引用されている記事は、パフォーマンスと実際のエネルギー消費のギャップ、^[50] 、持続可能な建物の障壁と推進要因、^[51]、回復力のある都市の政治などのトピックをカバーしています。^[52]発行元: Taylor & Francis Group。インパクトファクター (2019): 3.887 ^[53]
• Journal of Building Performance Simulation：この国際的な査読付きジャーナルは、建物の非構造性能、特に熱伝達、空気、湿気伝達のあらゆる分野の科学的徹底的な進歩を促進するために、高品質の研究と最先端の「統合」論文を掲載しています。このジャーナルで最も引用されている記事は、建物のエネルギーと制御システムの共同シミュレーション、^[54]建物ライブラリ、^[55]居住者の行動が建物のエネルギー需要に与える影響などのトピックをカバーしています。^[56]発行元：Taylor & Francis Group。インパクトファクター（2019）：3.458 ^[57]
• LEUKOS : このジャーナルは、光の応用に関する工学的開発、科学的発見、実験結果を発表しています。関心のあるトピックには、光放射、光生成、光制御、光測定、照明デザイン、昼光、エネルギー管理、エネルギー経済、持続可能性などがあります。このジャーナルで最も引用されている記事は、照明デザインの指標、^[58]、照明の質に影響を与える心理的プロセス、^[59]、照明の質とエネルギー効率が作業のパフォーマンス、気分、健康、満足度、快適さに与える影響などのトピックをカバーしています。^[60]発行元: Taylor & Francis Group。インパクトファクター (2019): 2.667 ^[61]
• Building Simulation : この国際ジャーナルは、建物とそのシステムのモデリングとシミュレーションを扱う、オリジナルで高品質の査読済み研究論文とレビュー記事を掲載しています。その目標は、モデリングが例外ではなく日常的に建物建設のあらゆる側面で使用されるレベルまで建築科学技術分野を推進することです。特に興味深いのは、モデリングツールの最近の開発と応用、およびそれらが建築科学技術の進歩に与える影響を反映した論文です。出版社: Springer Nature。インパクトファクター (2019): 2.472 ^[62]
• 応用音響学：このジャーナルは、工学と科学における音響の実用的応用に関する研究成果を扱っています。このジャーナルで最も引用されている建築科学関連の論文は、天然素材の吸音の予測、 ^[63]、低コストの都市音響モニタリング装置の実装、^[64]、天然ケナフ繊維の吸音などです。^[65]出版社：エルゼビア。インパクトファクター（2019）：2.440 ^[66]
• 照明研究と技術：このジャーナルは、光に対する人間の反応、光の生成、光の制御、光の測定、照明設計機器、採光、照明設計のエネルギー効率、持続可能性など、光と照明のあらゆる側面をカバーしています。このジャーナルで最も引用されている記事は、建築照明の概日刺激としての光、 ^[67]人間の色彩表現の知覚、 ^[68]色域のサイズと形状が色の好みに与える影響などのトピックをカバーしています。 ^[69]出版社： SAGE Publishing。インパクトファクター（2019）：2.226 ^[70]

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