太陽光の利得

太陽熱利得（太陽熱利得または受動太陽熱利得とも呼ばれる）は、入射する太陽放射を吸収することによって空間、物体または構造物の熱エネルギーが増加することです。空間が受ける太陽熱利得の量は、入射する太陽放射の総量と、介在する物質が放射 を透過または阻止する能力の関数です。

太陽光が当たる物体は、可視光線と短波赤外線成分を吸収して温度が上昇し、その熱をより長い赤外線 波長で再放射します。ガラスなどの透明な建築材料は可視光線をほぼ妨げられることなく通過させますが、その光が屋内の材料によって長波赤外線に変換されると、ガラスはそれらのより長い波長に対して不透明であるため、窓から逃げることはできません。このように閉じ込められた熱は、温室効果と呼ばれる現象によって太陽熱の増加を引き起こします。建物では、太陽熱の増加が多すぎると空間内の過熱につながる可能性がありますが、暖房が必要な場合は受動的な暖房戦略として使用することもできます。^[1]

窓やドアの設計と選択では、太陽熱取得が最も頻繁に考慮されます。このため、窓アセンブリの熱特性を報告する標準的な方法として、太陽熱取得を定量化する最も一般的な指標が使用されています。米国では、米国暖房冷凍空調学会 ( ASHRAE ) ^[2]と米国窓評価協議会(NFRC) ^[3]が、これらの値の計算と測定の標準を維持しています。

遮蔽係数( SC)は、建物内のガラスユニット (パネルまたは窓)の放射熱性能の尺度です。これは、特定の波長と入射角でガラスユニットを通過する太陽放射と、フレームのない 3 ミリメートル (0.12 インチ) の透明フロートガラスの基準窓を通過する放射の比率として定義されます。^[3]比較される量は波長と入射角の両方の関数であるため、窓アセンブリの遮蔽係数は通常、ガラス面に対して垂直に入る太陽放射の一般的な単一波長に対して報告されます。この量には、ガラスを直接透過するエネルギーと、ガラスとフレームによって吸収されて空間に再放射されるエネルギーの両方が含まれ、次の式で与えられます。^[4]

${\displaystyle F(\lambda,\theta)=T(\lambda,\theta)+N*A(\lambda,\theta)}$

ここで、λ は放射の波長、θ は入射角です。「T」はガラスの透過率、「A」はガラスの吸収率、「N」は吸収されたエネルギーのうち空間に再放射される割合です。したがって、全体的な遮蔽係数は次の比率で表されます。

${\displaystyle SC=F(\lambda ,\theta )_{1}/F(\lambda ,\theta )_{o}}$

遮光係数は、窓アセンブリの放射特性に依存します。これらの特性は、透過率「T」、吸収率「A」、放射率（任意の波長の吸収率に等しい）、反射率であり、これらはすべて合計が 1 になる無次元量です。^[4]色、色合い、反射コーティングなどの要因がこれらの特性に影響を与えるため、これを考慮する補正係数として遮光係数が開発されました。ASHRAE の太陽熱取得係数表^[2]には、さまざまな緯度、方位、時間における ⅛ インチ透明フロートガラスの予想される太陽熱取得が示されており、これに遮光係数を掛けて放射特性の違いを補正できます。遮光係数の値は 0 から 1 の範囲です。評価が低いほど、ガラスを通過する太陽熱が少なくなり、遮光能力が高くなります。

ガラスの特性に加えて、窓アセンブリに組み込まれた遮光装置もSC計算に含まれます。このような装置は、不透明または半透明の材料でガラスの一部を遮ることで遮光係数を下げ、全体的な透過率を低下させます。^[5]

窓の設計方法は、日よけ係数から太陽熱取得係数 (SHGC) へと移行しています。これは、窓アセンブリ全体 (ガラス部分だけではない) から建物に熱取得として実際に入る入射太陽放射の割合として定義されます。SHGC を計算するための標準的な方法も、日よけ係数のように単一の波長の係数を提供するのではなく、より現実的な波長ごとの方法を使用します。^[4]日よけ係数は、メーカーの製品資料や一部の業界コンピュータ ソフトウェアでまだ言及されていますが、^{[6]業界固有のテキスト[2]}やモデル建築基準ではオプションとして言及されなくなりました。 ^[7] SC の本質的な不正確さは別として、その直感に反する名前も欠点です。この名前は、高い値は高い日よけに等しいと示唆しますが、実際にはその逆です。業界の技術専門家は SC の限界を認識し、1990 年代初頭までに米国で SHGC (およびヨーロッパの類似の g 値) を推進しました。^[8]

SCからSHGCへの変換は、それぞれ異なる熱伝達メカニズムと経路（窓アセンブリとガラスのみ）を考慮するため、必ずしも簡単ではありません。SCからSHGCへのおおよその変換を実行するには、SC値に0.87を掛けます。^[3]

g 値 (ソーラー ファクターまたは全太陽エネルギー透過率とも呼ばれる) は、ヨーロッパで窓の太陽エネルギー透過率を測定するために一般的に使用されている係数です。SHGC と比較してモデリング標準に若干の違いがあるにもかかわらず、2 つの値は実質的に同じです。g 値 1.0 はすべての太陽放射の完全な透過率を表し、0.0 は太陽エネルギー透過率のない窓を表します。ただし、実際には、ほとんどの g 値は 0.2 から 0.7 の範囲で、ソーラー コントロール ガラスの g 値は 0.5 未満です。^[9]

SHGC は、米国で使用されている日よけ係数の後継で、窓全体の透過日射量と入射日射量の比率です。0 から 1 の範囲で、ガラス、フレーム素材、サッシ (ある場合)、分割されたライトバー (ある場合)、スクリーン (ある場合) を考慮した、窓またはドア全体の太陽エネルギー透過率を示します。^[3]各コンポーネントの透過率は、日よけ係数と同様の方法で計算されます。ただし、日よけ係数とは異なり、総太陽熱取得量は波長ごとに計算され、太陽熱取得係数の直接透過部分は次のように表されます。^[4]

${\displaystyle T=\int \limits _{350\ nm}^{3500\ nm}T(\lambda )E(\lambda )d\lambda }$

ここで、はナノメートル単位の特定の波長におけるスペクトル透過率であり、は入射太陽スペクトル放射照度です。短波太陽放射の波長にわたって積分すると、すべての太陽波長にわたる透過太陽エネルギーの合計割合が得られます。したがって、この積は、ガラスだけでなく、すべてのアセンブリコンポーネント全体で吸収され、再放射されたエネルギーの割合です。標準 SHGC は、窓に対して垂直な入射角に対してのみ計算されることに注意してください。ただし、これは、ほとんどの場合、垂直から最大 30 度までの広い角度範囲にわたって適切な推定値を提供する傾向があります。^[3]${\displaystyle T(\lambda )}$${\displaystyle E(\lambda )}$${\displaystyle N*A(\lambda ,\theta )}$

SHGCは、シミュレーションモデルを通じて推定することも、熱量計チャンバーを使用して窓を通過する総熱流量を記録することによって測定することもできます。どちらの場合も、NFRC規格では、SHGCのテスト手順と計算の手順が概説されています。^[10]動的窓枠または操作可能なシェーディングの場合、それぞれの可能な状態は、異なるSHGCによって説明できます。

SHGCはSCよりも現実的ですが、遮光装置などの複雑な要素が含まれているため、どちらも大まかな近似値にすぎません。遮光装置は、ガラス処理よりも窓枠が太陽光の入射から遮られるタイミングをより正確に制御できます。^[5]

窓以外にも、壁や屋根も太陽光の通路として機能します。これらの部品では、不透明材料では透過率がすべて遮断されるため、熱伝達は吸収、伝導、再放射によってのみ行われます。不透明部品の主な指標は、表面の太陽光反射率（アルベド）と放射率の両方を考慮した太陽反射指数です。^[11] SRI の高い材料は、熱エネルギーの大部分を反射および放射するため、他の外装仕上げよりも涼しく保たれます。これは屋根の設計において非常に重要です。暗い色の屋根材は周囲の気温よりも 50 °C も高温になることが多く、大きな熱応力と内部空間への熱伝達につながるためです。^[5]

太陽熱利用は、気候に応じてプラスにもマイナスにも影響します。パッシブ ソーラー ビルディングの設計では、通常、設計者の目標は、冬季に建物内の太陽熱利用を最大化し (暖房需要を減らすため)、夏季には太陽熱利用を制御する (冷房需要を最小限に抑えるため) ことです。熱質量は、日中およびある程度は日中の変動を平準化するために使用できます。

暑い気候では、制御されていない太陽熱の取得は、空間を過熱する可能性があるため望ましくありません。これを最小限に抑え、冷却負荷を減らすために、太陽熱取得を減らすためのいくつかの技術があります。SHGCは、ガラスの色や色合いと反射率の影響を受けます。反射率は、ガラスの表面に反射性金属酸化物を塗布することで変更できます。低放射率コーティングは、反射および再放射される波長をより特定的に提供する、最近開発されたもう1つのオプションです。これにより、ガラスは可視透過率を大幅に低下させることなく、主に短波赤外線を遮断できます。^[3]

寒冷気候および混合気候向けの気候対応設計では、窓は通常、暖房シーズン中に太陽熱の取得を可能にするようにサイズ設定され、配置されます。このため、特に家の日当たりの良い側では、太陽熱の取得を妨げないように、比較的高い太陽熱取得係数を持つガラスがよく使用されます。また、窓に使用されるガラス板の数に応じて SHGC は低下します。たとえば、三重ガラス窓では、SHGC は 0.33 - 0.47 の範囲になる傾向があります。二重ガラス窓では、SHGC は 0.42 - 0.55 の範囲になることがよくあります。

さまざまな種類のガラスを使用して、窓からの太陽熱の吸収を増減させることができますが、窓の向きを適切にしたり、オーバーハング、ルーバー、フィン、ポーチ、その他の建築遮光要素などの遮光装置を追加したりすることで、より細かく調整することもできます。

パッシブソーラーヒーティングは、追加の暖房が必要な場合に建物内の太陽熱の取得量を最大化しようとする設計戦略です。パッシブソーラーシステムはポンプのエネルギーを必要とせず、占有空間の構造と仕上げに直接熱を蓄えるため、太陽エネルギーを吸収するためにポンプ付きの屋外水タンクを使用するアクティブソーラーヒーティングとは異なります。^[12]

直接太陽光取得システムでは、建物のガラスの組成とコーティングを操作して放射特性を最適化することで温室効果を高めることもできます。また、ガラスのサイズ、位置、遮光を利用して太陽光取得を最適化することもできます。太陽光取得は、間接的または独立した太陽光取得システムによって建物に伝達することもできます。

パッシブソーラー設計では、通常、高 SHGC の赤道向きの大きな窓と、夏季には太陽光を遮り、冬季には窓から太陽光が入るようにする張り出し窓を採用しています。太陽光が入る経路に設置すると、コンクリートスラブやトロンベ壁などの高熱容量の特徴は、日中に大量の太陽放射を蓄え、夜間にゆっくりと空間に放出します。^[13]適切に設計されていれば、温度変動を調整できます。この主題領域に関する現在の研究の一部は、過度の重量を必要とせずに光を取り入れ、エネルギーを蓄える透明な相変化材料を使用することで、蓄熱用の不透明な熱容量と収集用の透明な窓ガラスとの間のトレードオフに取り組んでいます。^[14]

• ダブルスキンファサード
• 暖房度日
• 断熱ガラス
• 低放射率コーティング