パッシブソーラー建築設計

対流による熱伝達は、有益な場合も有害な場合もあります。断熱・気密・隙間風対策が不十分なために空気が侵入すると、冬期には熱損失の最大 40% を占める可能性があります。^{[ 11 ]}ただし、開閉可能な窓や換気口を戦略的に配置することで、外気の温度と相対湿度が快適な場合、対流、自然換気、夏季の冷却効果を高めることができます。^{[ 12 ]}ろ過されたエネルギー回収換気システムは、ろ過されていない換気空気中の望ましくない湿度、ほこり、花粉、微生物を除去するのに役立つ場合があります。

自然対流によって暖かい空気が上昇し、冷たい空気が下降すると、熱の不均一な層状化が生じる可能性があります。これは、空調された空間の上部と下部で不快な温度差を生じさせたり、熱気を排出する方法として利用したり、受動的な太陽熱の分配と温度均一化のための自然対流空気流ループとして設計に組み込んだりすることができます。発汗と蒸発による自然な人体冷却は、ファンによる自然対流または強制対流によって促進されますが、天井ファンは部屋の上部に形成された断熱空気層を乱し、暑い屋根裏部屋や近くの窓からの熱伝達を加速させる可能性があります。さらに、高い相対湿度は人体による蒸発冷却を阻害します。

熱伝達の主な源は放射エネルギーであり、その主な源は太陽です。太陽放射は主に屋根や窓（壁も含む）を通して発生します。熱放射は、より暖かい表面からより冷たい表面へと移動します。屋根は、家屋に届く太陽放射の大部分を受け取ります。遮熱材に加えて、クールルーフやグリーンルーフを設置することで、屋根裏部屋が夏の屋外気温のピーク時よりも高温になるのを防ぐことができます^{[ 13 ]}（アルベド、吸収率、放射率、反射率を参照）。

窓は熱放射の容易かつ予測可能な場所である。^{[ 14 ]} 放射からのエネルギーは日中は窓から入り、夜間は同じ窓から出ていく。放射は光子を使用して真空または半透明媒体を通して電磁波を伝達する。太陽熱の取得は、寒くて晴れた日でもかなり大きくなる可能性がある。窓からの太陽熱の取得は、断熱ガラス、日よけ、および方位によって低減できる。窓は屋根や壁に比べて断熱するのが特に難しい。窓の覆いを通しておよび窓の周囲での対流熱伝達も、その断熱特性を低下させる。^{[ 14 ]}窓に日よけをする場合、熱取得を低減するには、内側の窓覆いよりも外側の日よけの方が効果的である。^{[ 14 ]}

西日と東日は暖かさと光をもたらしますが、日陰がないと夏場は過熱しやすいです。一方、低い正午の太陽は冬場は光と暖かさを容易に取り込みますが、夏場は適切な長さの庇や角度のついたルーバー、秋に落葉する葉の茂った夏の木々などで簡単に日陰を作ることができます。放射熱の量は、場所の緯度、高度、雲量、季節/時間ごとの入射角に関係します（太陽の経路とランベルトの余弦法則を参照）。

パッシブソーラー設計のもう一つの原理は、特定の建築材料に熱エネルギーを蓄え、熱負荷が軽減された際に再び放出することで、昼夜の温度変化を安定させるというものです。熱力学の原理が複雑に相互作用するため、初めて設計する人にとっては直感的に理解しにくいかもしれません。しかし、精密なコンピュータモデリングを用いることで、費用のかかる建設実験を回避することができます。

直接取得型パッシブソーラーシステムでは、屋内空間が太陽熱コレクター、熱吸収体、および分配システムとして機能します。北半球では南向きのガラス（南半球では北向き）が太陽エネルギーを建物内部に取り込み、コンクリートや石積みの床や壁などの建物内の熱容量を直接加熱（放射エネルギー吸収）するか、間接的に加熱（対流）します。熱容量として機能する床と壁は、建物の機能的な部分として組み込まれており、日中の加熱強度を緩和します。夜間には、加熱された熱容量が屋内空間に熱を放射します。^{[ 20 ]}

寒冷地では、日照調整型建物は、追加の熱容量を加えることなく、南向きのガラス面積を（わずかに）増やすだけで済む、最も基本的な直接採光型パッシブソーラー構成です。これは、建物の外皮が十分に断熱され、東西方向に細長く、窓の大部分（約80%以上）が南側にある直接採光システムの一種です。建物に既に存在する熱容量（つまり、骨組み、壁板など）以外に、追加される熱容量はほとんどありません。日照調整型建物では、過熱を防ぐために、南向きの窓面積は総床面積の約5～7%に制限する必要があります（日照量の多い地域ではさらに少なく）。追加の南向きガラスは、より多くの熱容量を追加した場合にのみ含めることができます。このシステムによる省エネルギー効果は控えめですが、日照調整は非常に低コストです。^{[ 20 ]}

真の直接採光型パッシブソーラーシステムでは、室内空気の大きな温度変動を防ぐために十分な蓄熱材が必要です。これは、太陽光を利用した建物よりも多くの蓄熱材を必要とします。蓄熱材が不足していたり​​、設計が不適切だったりすると、建物の内部が過熱する可能性があります。床、壁、天井の内部表面積の約半分から3分の2は、蓄熱材で構成する必要があります。蓄熱材としては、コンクリート、日干しレンガ、レンガ、水などが挙げられます。床や壁の蓄熱材は、機能的にも美的にも可能な限りむき出しの状態に保つべきです。蓄熱材は直射日光にさらされる必要があります。壁一面のカーペット、大きな敷物、大型家具、大きな壁掛けなどは避けるべきです。

通常、南向きのガラス1  ft ² につき、約 5 ～ 10 ft ³の熱容量 (5 ～ 10 m 2 あたり^{1 m 3 )}が必要です。最小限から平均的な壁や床の被覆材、家具を考慮すると、これは通常、太陽光が表面に直接当たるかどうかに応じて、南向きのガラス 1 ft 2 あたり約 5 ～ 10 ^{ft 2} ( 5 ^～ 10 m ²あたり m ² ) に相当します。最も簡単な経験則は、熱容量面積は直接熱を収集する集熱器 (ガラス) の表面積の 5 ～ 10 倍であるべきだということです。^{[ 20 ]} 

固体蓄熱材（コンクリート、石材、石など）は比較的薄く、 厚さが約 4 インチ (100 mm) を超えないようにしてください。露出面積が大きく、少なくとも一日のうちの一部 (最低 2 時間) 直射日光が当たる蓄熱材が最も性能を発揮します。直射日光が当たる蓄熱材の表面には、中程度から濃い色で吸収率の高い色を使用してください。日光に当たらない蓄熱材は、どんな色でも構いません。軽量の要素 (乾式壁や天井など) は、どんな色でも構いません。曇りの日や夜間に、ガラス面をぴったりとフィットする可動式の断熱パネルで覆うと、直接熱取得システムの性能が大幅に向上します。プラスチックまたは金属製の容器に入れられ、直射日光に当たる水は、自然対流による熱伝達のため、固体蓄熱材よりも速く均一に加熱されます。対流プロセスは、暗い色の固体蓄熱材の表面が直射日光を受けたときに起こるような、表面温度が極端に高くなるのを防ぎます。

気候条件と十分な蓄熱量に応じて、直接採光システムにおける南向きのガラス面積は、床面積の約 10 ～ 20% に制限する必要があります (例えば、床面積100平方フィートの場合、ガラス面積は^{10 ～ 20} 平方フィート)。これは、正味ガラス面積またはグレージング面積に基づいて決定する必要があります。ほとんどの窓は、窓ユニット全体の面積の 75 ～ 85% の正味ガラス/グレージング面積を持っていることに注意してください。このレベルを超えると、過熱、まぶしさ、布地の退色などの問題が発生する可能性があります。^{[ 20 ]} 

間接取得型パッシブソーラーシステムでは、熱容量（コンクリート、石積み、または水）が南向きのガラスの真後ろ、暖房される室内空間の真前に配置されているため、直接的な暖房は行われません。この質量の位置により、日光が室内空間に入るのを防ぎ、ガラス越しの視界も遮る可能性があります。間接取得型システムには、蓄熱壁システムと屋上池システムの2種類があります。^{[ 20 ]}

カチャドリアンは、トロンブ壁を垂直ではなく水平に配置することで、蓄熱壁の欠点を克服できることを実証した。^{[ 21 ]}蓄熱体を壁ではなく換気コンクリートスラブ床として構築すれば、家の中に入る日光を遮ることはなく（トロンブ壁の最も明白な欠点）、二重ガラスの赤道向きの窓を通して直射日光にさらされる可能性があり、夜間には断熱シャッターやシェードでさらに断熱することができる。^{[ 22 ]}トロンブ壁の日中の熱の捕捉の遅延という問題は解消される。なぜなら、熱が壁を通って内部の空気空間に到達する必要がないからである。熱の一部は床からすぐに反射または再放射される。スラブにトロンブ壁のような空気通路があり、それが南北方向にスラブを貫通し、南北の壁のすぐ内側にあるコンクリートスラブの床を通して内部の空気空間に換気されている場合、垂直トロンブ壁と同様に、スラブを通して活発な空気の熱サイフォン現象が発生し、蓄積された熱が家全体に分配されます（そして、夏には逆のプロセスによって家を冷やします）。

通気性のある水平スラブは、垂直トロンブ壁よりも建設コストが低く抑えられます。これは、スラブが建物の基礎となるため、あらゆる建築において必要不可欠な費用となるからです。スラブオン・グレード基礎は、一般的な構造であり、よく理解されており、費用対効果の高い建築部材です（コンクリートとレンガの空気通路層を設けることでわずかに改良されています）。一方、トロンブ壁は特殊な構造です。この種の蓄熱型ソーラー建築における唯一の欠点は、他のスラブオン・グレード設計と同様に、地下室がないことです。

カチャドリアンの床設計は、直接採光型のパッシブソーラーシステムですが、その蓄熱体は間接的な暖房（または冷房）要素としても機能し、夜間には熱を放出します。これは、ハイブリッド電気自動車のような、交互サイクル型のハイブリッドエネルギーシステムです。

隔離型パッシブソーラーシステムでは、構成要素（集熱器や蓄熱器など）は建物の屋内エリアから隔離されています。^{[ 20 ]}

付属のサンルーム（ソーラールームまたはソラリウムとも呼ばれる）は、建物の一部または付属するガラス張りの内部空間または部屋を備えた、独立した太陽熱利用システムの一種で、主要な居住エリアから完全に遮断することができます。これは、直接採光と間接採光の両方の特性を組み合わせた、付属の温室のような働きをします。サンルームは温室と呼ばれ、見た目も温室に似ていますが、温室は植物を育てるために設計されているのに対し、サンルームは建物に熱と美観をもたらすために設計されています。サンルームは、建物の居住空間を広げ、植物やその他の植物を育てるための部屋を提供するため、非常に人気のあるパッシブデザイン要素です。ただし、温暖な気候や寒冷な気候では、極寒時に植物が凍結しないように、補助的な暖房が必要になります。

付属のサンルームの南向きのガラスは、直接採光システムと同様に太陽エネルギーを集めます。最もシンプルなサンルームの設計は、上部にガラスを張らずに垂直な窓を設置することです。サンルームは、ガラス面が多いため、熱の獲得量と熱損失量が多くなる可能性があります。水平および傾斜したガラスは冬にはより多くの熱を集めますが、夏の過熱を防ぐために最小限に抑えられます。上部のガラスは見た目に美しい場合もありますが、断熱された屋根の方が断熱性能が優れています。天窓は、自然光を取り入れるのに役立ちます。垂直ガラスは、太陽の角度が低い冬には熱の獲得量を最大化し、夏には熱の獲得量を抑えることができます。垂直ガラスは、コストが安く、設置や断熱が容易で、漏水、曇り、破損などのガラスの不具合も起こりにくいです。夏に日よけを設ける場合は、垂直ガラスと傾斜ガラスを組み合わせることも可能です。夏にガラス面を日陰にするには、適切に設計された庇だけで十分な場合もあります。

熱損失と熱利得によって生じる温度変化は、蓄熱材と低放射率窓によって緩和できます。蓄熱材としては、レンガ造りの床、家の境界を囲むレンガ造りの壁、または水容器などが挙げられます。建物への熱の分配は、天井や床の換気口、窓、ドア、またはファンを通して行うことができます。一般的な設計では、居住空間に隣接するサンルームの背面に設置された蓄熱壁が、間接的な熱取得を行う蓄熱壁のように機能します。サンルームに入った太陽エネルギーは蓄熱材に蓄えられます。太陽熱は、サンルーム背面の共有蓄熱壁を通じた伝導、換気口（非通気蓄熱壁と同様）、または壁の開口部（通気蓄熱壁と同様）を通して、対流によってサンルームから室内空間へ空気が流れることで建物内に伝わります。

寒冷地では、ガラスを通して外部への熱伝導損失を減らすために、二重ガラスを使用する必要があります。夜間の熱損失は冬季には大きな問題となりますが、サンルームは建物の他の部分から遮断できるため、直接採光システムほど重要ではありません。温暖地や寒冷地では、夜間にサンルームを建物から断熱することが重要です。建物と隣接するサンルームの間に大きなガラスパネル、フレンチドア、または引き戸式のガラスドアを設置することで、開放的な空間に伴う熱損失を抑えつつ、開放感を維持できます。

気候にもよりますが、石積みの断熱壁を備えたサンルームには、暖房する床面積¹ 平方フィートあたり約0.3平方フィート（床面積¹平方メートルあたり^0.3平方メートル）の蓄熱壁表面積が必要です。壁の厚さは蓄熱壁と同程度にする必要があります。サンルームと居住空間の間にウォーターウォールを使用する場合は、暖房する床面積1平方フィートあたり約0.20平方フィート（床面積1平方メートルあたり0.2平方メートル）の蓄熱^壁表面積が^適切です^。ほとんどの気候では、過熱を防ぐために夏季に換気システムが必要です。一般的に、遮熱ガラスの使用や夏季遮光システムの設置など、夏季の過熱に対する特別な対策を講じない限り、サンルームに広大な天井（水平方向）や東西に面したガラス面を使用すべきではありません。 

蓄熱材の内面は濃い色にする必要があります。可動式の断熱材（例えば、窓覆い、シェード、シャッターなど）は、日没後や曇天時にもサンルーム内の暖かい空気を閉じ込めるのに役立ちます。非常に暑い日には、窓覆いを閉めることでサンルームの過熱を防ぐことができます。

快適性と効率性を最大限に高めるため、ガラスを使用しないサンルームの壁、天井、基礎は十分に断熱する必要があります。基礎壁またはスラブの周囲は、凍結深度まで、またはスラブの周囲全体に断熱材を施す必要があります。温暖な気候または寒冷な気候では、サンルームの東壁と西壁は断熱する必要があります（ガラスは使用しないでください）。

太陽は常に照っているわけではありません。蓄熱、つまり熱容量は、太陽光が届かない時でも建物を暖かく保ちます。

日中太陽熱住宅では、蓄熱は1日または数日分を蓄えるように設計されています。一般的な方法は、特注の蓄熱体を使用することです。これには、トロンブ壁、通気コンクリート床^{[ 23 ]}、貯水槽、水壁、または屋上池^{[ 24 ]}が含まれます。また、土自体の蓄熱体をそのまま使用することも、土を盛ったり、版築土を構造材として使用したりして構造に組み込むことも可能です^{[ 25 ] 。}

亜寒帯地域や、太陽熱の供給が長期間ない地域（例えば、数週間続く凍結霧など）では、専用の蓄熱材は非常に高価です。ドン・スティーブンスは、年間を通して熱を蓄えるのに十分な大きさの蓄熱材として地面を利用する実験的な技術を開拓しました。彼の設計では、家の地下3mに独立したサーモサイフォンを設置し、 6mの防水スカート で地面を断熱しています。 ^{[ 26 ]} 

断熱材または超断熱材（種類、配置、量）は、不要な熱の漏れを減らします。^{[ 10 ]}一部のパッシブ建築物は実際に断熱材で構築されています。

直接太陽熱取得システムの有効性は、断熱材（二重ガラスなど）、分光選択性ガラス（Low-E ）、または可動式窓断熱材（窓用キルト、二つ折り室内断熱シャッター、シェードなど）によって大幅に向上します。^{[ 22 ]}

一般的に、赤道に面した窓には、日射熱の取得を妨げるようなガラスコーティングは使用すべきではない。

ドイツのパッシブハウス基準では、超高断熱窓が広く採用されています。異なる分光選択性窓コーティングの選択は、設計場所における暖房度日と冷房度日の比率によって決まります。

赤道に面したガラス面が多すぎる設計は、冬、春、秋の日中の過剰な暖房、特定の時期における居住空間の不快な明るさ、そして冬の夜間や夏の日中の過剰な熱伝達といった問題を引き起こす可能性がある。

夏至の前後6週間は太陽の高度は同じですが、夏至前後の暖房・冷房需要は大きく異なります。地表での蓄熱によって「熱遅延」が生じます。雲量の変化は日射量に影響を与えます。つまり、緯度に応じた固定式の窓の庇は重要ではありますが、季節ごとの日射量を完全に制御できる解決策ではありません。

制御機構（手動または電動の断熱室内カーテン、シャッター、屋外ロールダウン式シェードスクリーン、格納式オーニングなど）は、熱遅延や雲量によって生じる差を補正し、日中／時間ごとの日射量必要量の変動を制御するのに役立ちます。

温度、日照量、時刻、室内の在室状況などを監視するホームオートメーションシステムは、電動式の窓の日よけや断熱装置を正確に制御できる。

太陽熱エネルギーを反射または吸収するように材料や色を選択することができます。電磁放射に対する色の情報を使用して、反射または吸収の熱放射特性を判断すると、選択に役立ちます。^{[ 30 ]}

冬の日照時間が短い寒冷地では、赤道に面した窓を利用した直接採光システムは、雪が地面を覆っているときに実際により優れた性能を発揮する可能性がある。なぜなら、反射された太陽光と直射日光の両方が家の中に入り込み、熱として取り込まれるからである。^{[ 31 ]}

パッシブソーラー照明技術は、室内照明における自然光の活用を促進し、人工照明システムへの依存度を低減する。

これは、建物の設計、向き、および光を集めるための窓部分の配置を慎重に行うことで実現できます。その他の創造的な解決策としては、反射面を使用して建物の内部に自然光を取り込むことが挙げられます。窓部分は適切なサイズである必要があり、過剰な照明を避けるために、ブリーズソレイユ、オーニング、適切な場所に配置された樹木、ガラスコーティング、その他の受動的および能動的な装置で遮蔽することができます。 ^{[ 32 ]}

多くの窓システムにとってのもう1つの大きな問題は、過剰な熱取得や熱損失の脆弱な場所になり得ることです。高所に設置された高窓や従来の天窓は、建物の向きの悪い部分に自然光を取り込むことができますが、望ましくない熱伝達を制御するのは難しい場合があります。^{[ 33 ] [ 34 ]}そのため、人工照明を減らすことで節約できるエネルギーは、快適な温度を維持するためにHVACシステムを稼働させるのに必要なエネルギーによって相殺されることがよくあります。

この問題に対処するために、窓覆い、断熱ガラス、エアロゲル半透明断熱材などの新素材、壁や屋根に埋め込まれた光ファイバー、オークリッジ国立研究所のハイブリッド太陽光照明など、さまざまな方法が採用できます。

ライトシェルフ、明るい壁や床の色、鏡張りの壁面、上部にガラスパネルのある内壁、透明または半透明のガラス製開き戸や引き戸など、アクティブおよびパッシブな採光器からの反射要素は、取り込んだ光をパッシブに内部に反射します。光は、パッシブな窓や天窓、ソーラーライトチューブ、またはアクティブな採光源から得られます。日本の伝統建築では、半透明の和紙スクリーンを備えた障子戸が先例となっています。インターナショナルスタイル、モダニズム、ミッドセンチュリーモダンの建築は、産業、商業、住宅用途において、このパッシブな光の浸透と反射をより早く革新しました。

太陽熱エネルギーを利用して家庭用水を温める方法は数多く存在する。アクティブ型とパッシブ型の様々な太陽熱温水技術は、地域ごとの経済的な費用対効果分析においてそれぞれ異なる意味合いを持つ。

基本的なパッシブソーラー温水暖房は、ポンプや電気機器を一切使用しません。長期間氷点下になる、または非常に曇りの日が多いといった気象条件がない気候では、非常に費用対効果が高いです。^{[ 35 ]}他のアクティブソーラー温水暖房技術などは、場所によってはより適しているかもしれません。

太陽熱温水器は、電力網から独立して稼働でき、持続可能なシステムとして認められる可能性がある。これは、太陽光エネルギーを利用してポンプを駆動する太陽電池を使用することで実現される。^{[ 36 ]}

近年、超高層ビルの広大な表面積を利用して、全体のエネルギー効率を向上させることへの関心が高まっている。超高層ビルは都市環境でますます普及しているが、運用には大量のエネルギーを必要とするため、パッシブソーラー設計技術を採用することで、大幅なエネルギー節約が可能となる可能性がある。ロンドンに建設予定の22ビショップスゲートタワーを分析したある研究^{[ 41 ]}では、建物を回転させて最適な換気と採光を実現すること、建物内の温度変動を減らすために高熱容量の床材を使用すること、直接的な太陽熱取得のために二重または三重の低放射率窓ガラスを使用することなどにより、間接的な太陽熱取得によってエネルギー需要を35%削減できることが理論的に判明した。間接的な太陽熱取得技術には、壁の厚さを変化させること（20～30cm ）、熱損失を防ぐために屋外空間に窓ガラスを使用すること、床面積の15～20%を蓄熱に充てること、空間に入ってくる熱を吸収するためにトロンブ壁を導入することなどが含まれる。庇は夏場の直射日光を遮り、冬場には日差しを取り込むために用いられ、また、遮熱壁とガラスの間には遮熱ブラインドが設置され、夏場の熱の蓄積を抑える。 

別の研究^{[ 42 ]}では、香港の高層ビルの外側にある二重緑化外装（DGSF）を分析した。研究者らが発見したところによると、このような緑化外装、つまり外壁を覆う植物は、エアコンの使用を大幅に削減でき、最大80％削減できるという。

温暖な気候では、ガラス張り、窓と壁の比率の調整、日よけ、屋根の戦略などの戦略により、30%から60%の範囲でかなりのエネルギー節約が可能になります。^{[ 43 ]}