ゼロカーボン住宅

暖房が必要な国々の一般的な住宅のほとんどは、暖房、給湯、調理に化石燃料または木材を使用しています。ゼロカーボンを実現するには、これらの暖房システムをゼロエミッションの暖房方法に置き換える必要があります。主な選択肢は以下のとおりです。

• ヒートポンプは電気で駆動し、周囲の空気や地面の熱エネルギーを利用して高効率を実現します。ヒートポンプは見かけの効率が400%以上、つまり供給される熱量が入力された電気エネルギーの4倍になることがあります。熱源として空気、水、または地面を使用することができ、温風として熱を供給することも（空気対空気ヒートポンプ）、ラジエーターや床暖房を使用した湿式システムを介して熱を供給することもできます（空気源ヒートポンプ）。ノルウェーのほとんどの建物^{[ 6 ]}ではすでにヒートポンプが使用されており、西ヨーロッパの多くの国で政府の支援を受けて導入が進められています。一方、米国ではヒートポンプの設置数がガス炉の設置数を上回っています^{[ 7 ]} 。ヒートポンプは従来の化石燃料システムよりも低い流量温度を使用することが多いため、ヒートポンプを設置する際には、住宅の断熱性の向上やより大きな放熱器（ラジエーターなど）が必要になる場合があります。ある研究では、英国に設置されたヒートポンプのエンボディドカーボンを1563  kgと推定しています。^{[ 8 ]}英国の年間平均熱需要が 10,000kWh、sCOP (効率) が 4 の場合、156g/kWh で 2,500kWh の電力を使用することになり、390  kg になります。^{[ 9 ]}一方、ガスの場合、10,000/0.85 ^{[ 10 ]} x181g ^{[ 9 ]} =2129  kg を排出します。したがって、 年間 1621 kg が節約され、ヒートポンプの炭素回収期間は 11 か月です。電力網の炭素強度が高い国では、回収期間は長くなります。
• 直接式（抵抗式）電気加熱― すでに広く普及しているが、ヒートポンプ（最大出力は入力電力の100%）よりも効率が悪く、そのため暖房や給湯には著しくコストがかかる。誘導加熱方式は、化石燃料を使った調理の代替手段となる。
• 水素燃焼ボイラー/炉 — 水素ボイラーは水蒸気のみを排出するため、局所的には排出ゼロです。ただし、水素が再生可能エネルギーまたは原子力エネルギーで駆動される電気分解によるグリーン水素など、炭素ゼロの供給源から得られた場合にのみ、全体として排出ゼロになります。 また、大規模な流通インフラも必要です。水素ボイラーは広く実証されていますが、大規模には普及していません。利用可能な再生可能電力をはるかに効率的に使用するヒートポンプとの競争に直面しています。^{[ 11 ]}
• パッシブソーラー暖房とは、太陽の向きに合わせて適切な角度で配置された大きな窓から太陽エネルギーを直接吸収し、室内の暖房に利用する方式です。既存の建物を改修する場合、窓を大きくしたり向きを変えたりするために大規模な改築が必要になることがありますが、温室やサンルームを増設する方が比較的容易な選択肢となる場合もあります。パッシブソーラー暖房は夜間は機能せず、住宅の暖房需要の一部しか満たせない可能性があります。また、日よけ、シャッター、ブラインドなどで適切に制御しないと、夏場に過熱を引き起こす可能性もあります。
• 家庭用温水の太陽熱利用 ― 屋根パネルに流体を循環させて家庭用温水を直接加熱する方式。近年では、太陽光発電パネルを選択する消費者が増えている。太陽光発電パネルは、分流器やヒートポンプを通して温水を供給するだけでなく、他の用途に電力を供給することもできる。
• バイオマス― ストーブやバイオマスボイラーで薪を燃やす場合、薪の出所が分かっていて、燃焼によって発生する炭素量に相当する炭素が回収されているか、短期間のうちに回収されることが確認できれば、状況によってはゼロカーボンとみなされる場合もある。しかし、実際にはこのような情報はめったに得られず、バイオマスはゼロカーボンソリューションとして非常に議論の的となっている。さらに、バイオマスシステムは通常、薪の煙によって局所的な大気汚染を引き起こす。
• 地域によっては、化石燃料発電機を太陽光発電／蓄電池システムに置き換える必要があるだろう。

これらの対策にかかる費用は、当然ながら家庭にとって重要な要素です。従来型のシステムは規模の経済の恩恵を受け、設​​置技術も広く普及しているため、新しいゼロカーボン技術は初期費用が高くなる可能性がありますが、電気と化石燃料の相対的なコストによっては、運用コストの低下や効率化による節約で相殺される場合もあります。そのため、一部の政府は、例えば英国のボイラーアップグレードスキーム^{[ 12 ]}のように、移行費用に対する補助金や助成金を家庭に提供しています。このスキームは、ヒートポンプの設置費用を支援しています。

ほとんどの場合、住宅向けの再生可能エネルギー源として選ばれるのは太陽光発電（PV）です。太陽光発電のコストが下がり、最も安価な電力源となったため、太陽光発電の利用は世界中で一般的になりつつあります。^{[ 13 ]}太陽光パネルは通常、屋根、物置、または家の近くの地面に設置され、ほぼすべての規模の住宅と世界のほとんどの地域で実用的です。唯一の例外は、屋根がなかったり、日光が全く当たらない密集した都市部のフラット/アパートかもしれません。

ゼロカーボン住宅を実現するには、太陽光発電アレイの規模／発電容量が住宅の年間消費量に見合う必要があります。これは、住宅が暖房（直接またはヒートポンプ経由）や冷房に電気を使用している場合でも、多くの場合容易です。冷房の場合、太陽エネルギーの供給量は冷房需要とほぼ一致しますが、高緯度地域での冬の暖房の場合はそうではありません。このような場合、住宅は通常、冬に暖房やその他の用途のために電気を輸入し、夏には余剰の太陽光発電を輸出します。正味ゼロを実現するには、輸出量が輸入量を上回らなければなりません。

家庭用蓄電池は、太陽光発電と併用することで、夜間や薄暗い時間帯に電力を供給したり、輸出料金が低い地域ではコスト面で有利になるため、広く利用されています。このような状況では、電力を再輸入するよりも蓄電する方が経済的に理にかなっている場合があります。

家庭環境においても、マイクロ水力発電や風力タービンなど、他の形態の再生可能エネルギーは可能であるが、これらの設備は大型であるため、大規模な農場や邸宅、あるいは集合住宅の風力タービンといった共同施設に限定される。

住宅が敷地内で発電された再生可能エネルギーで電力需要を賄える限り、エネルギー効率は必ずしもゼロカーボン住宅の実現に必須ではありません。しかし、エネルギー効率を高めることで、必要な再生可能エネルギー発電の規模と輸入電力のコストを削減でき、温度変化を抑えることで快適性を向上させることができます。国レベル／経済レベルでは、家庭におけるエネルギー効率の向上は、大規模な送電網の発電・送電インフラや電力輸入の必要性を低減します。主なエネルギー効率化のアプローチは以下のとおりです。

建物の断熱による冷暖房需要の削減：既存の建物では、壁、床、屋根の断熱や、隙間風対策などの関連対策によって、エネルギー消費量を大幅に削減できます。ロックウールを使用した屋根裏断熱など、安価で簡単な対策もあれば、外壁断熱など、より手間がかかり費用も高額になる対策もあります。住宅所有者は、節約できるエネルギーコストの観点から、費用対効果を慎重に分析する必要があります。国によっては、住宅の断熱対策に対して国の支援制度があります。

効率的な家電製品と照明：これらは、居住者の行動を変えることなくエネルギー消費を削減することを可能にします。たとえば、最新のLED照明は、従来の白熱電球よりも75%少ない電力で済みます。^{[ 14 ]}白物家電、コンピューター、テレビ、冷蔵庫など、ほぼすべての家電製品は、より少ない電力で済むように開発されており、成熟した製品であった1995年以降でも、EUの冷蔵庫の電力消費量は60%削減されたと推定されています。^{[ 15 ]}しかし、より効率的な家電製品は高価になる可能性があり、消費者はより効率的な製品が価値があるかどうかを知ることも計算することも困難です。このため、EUのエネルギーラベルや米国のエネルギースターなどの認証が、消費者を支援するために開発されました。

効率的な行動：住宅のエネルギー消費には、居住者の行動が大きく影響します。典型的な行動としては、以下のようなものがあります。

• 使用していないときに照明や電化製品の電源が切れているかどうか
• 洗濯機、食器洗い機、乾燥機などの洗濯機器の使用頻度、および選択されたプログラムのエネルギー消費量（例：洗濯温度）
• 高エネルギー消費型のオプション機器（温水浴槽、乾燥機、電気シャワーなど）が設置され、使用されているかどうか
• 室内暖房および冷房における室温設定に関する好み。

上記セクションで説明したのと同様のアプローチが必要であり、従来型の住宅を建ててから後から改修するよりも、最初からこれらの機能を住宅設計に組み込む方が通常は安価です。主な設計アプローチは以下のとおりです。

住宅の向き：涼しい気候では、アクティブソーラー暖房（例：太陽光発電）とパッシブソーラー暖房を最大限に活用できるよう、住宅の向きを調整する必要があります。これには、太陽光発電を最大化するために屋根を南向き（北半球の場合）にし、パッシブソーラー暖房を最大化するために南向きの大きな窓を設けることが含まれます。また、ブラインド、シャッター、日よけなど、夏の過熱を最小限に抑えるための対策も講じる必要があります。暑い気候では、日中の日射量を最小限に抑え、過熱や冷房の需要を減らすために、住宅を南北に配置できますが、太陽光発電のために南向きの屋根を持つことは依然として有利です。

複数の住宅の配置や、樹木などの周囲の環境にも注意を払い、住宅用ソーラーパネルが樹木や他の住宅によって日陰にならないようにする必要があります。日陰をなくすために樹木を伐採することは、炭素排出量の観点から逆効果となるため避けるべきです。テラスハウスやセミデタッチドハウスのように住宅を連結することも、互いに断熱効果を発揮し、熱損失を抑えることができるため有利です。温暖な気候では、樹木をそのまま残したり、新たに植えたりして、住宅や道路に日陰を作り、冷房の必要性を減らすべきです。

高い断熱性と気密性: これは、床、屋根、壁、窓、ドアなど、建物の外皮のすべての要素に適用されます。多くの国の建築基準と規格では、新築建物に法律で義務付けられている断熱レベルが規定されています。世界中の建物の断熱基準と技術についての議論は、建物の断熱を参照してください。現代の建築基準は、適切なエネルギー供給と連携すれば、遵守すれば運用時にゼロカーボンを達成するのに十分である可能性があります。これらの基準では、通常、材料または複合材料のU値（ワット/m ² /Kで測定）で表される材料性能、および/またはkWh/m ² /年で表される建物全体の性能のいずれか、または両方が規定されている場合があります。たとえば、英国の規制では、壁は<0.18W/m ² Kである必要があると規定されています。 ^{[ 17 ]}建物のエネルギー消費率は大きく異なります。英国の住宅は259kWh/m ^{2を使用するのに対し、新築住宅は100kWh/m 2}を使用します。^{[ 18 ]}しかし、改修によって比較的容易に50kWh/m ² /yrを達成できるなど、より優れた性能が可能である兆候があります。 ^{[ 19 ]一方、高いパッシブハウス基準では 15kWh/m 2}以下 (暖房のみ) が求められており^{[ 20 ]}、これは達成可能ですが、現在では専門的でハイエンドであると考えられています。

気密性とは、建物内外への空気の漏れや気流を最小限に抑えることを指します。冷たい空気が漏れ込んだり、暖かい空気が漏れ出したりすると、暖房（または暑い地域では冷房）の必要量が増加します。気密性は、1時間あたりの換気回数（AC/H）で測定されます。高い気密性の基準の一例として、 0.6AC/H未満を要求するパッシブハウス基準があります。また、湿気やよどんだ空気が溜まり、居住者の健康に悪影響を及ぼさないように、最低限の換気回数も必要です。これらの要件を両方満たすために、MVHRシステムがよく採用されますが、コストは増加します。

建物に再生可能エネルギー供給を統合する：太陽光発電パネルは、瓦などの従来の屋根材の上に設置するのではなく、屋根に組み込むことができます。これにより、屋根材の節約が可能になり、外観も向上する可能性があります。また、床暖房を指定することで、ヒートポンプ暖房に対応した住宅を設計することもできます。床暖房はヒートポンプにとって最適な熱放出源であり、低い流量温度でヒートポンプの効率を高めることができます。

グリーンビルディングを参照してください。

ゼロカーボン住宅は、揮発性ガスや汚染物質を放出する化石燃料の燃焼を抑制するため、室内の空気がはるかにきれいです。ガスコンロ、ヒーター、乾燥機、オーブンなど、家の中で燃料を燃焼させる家電製品は、室内の空気の質を悪化させ、居住者の呼吸器系の問題を引き起こす可能性があります。室内の空気の質だけでなく、屋外の空気の質も影響を受けます。住宅からの汚染は、米国だけでも年間約15,500人の死亡の原因となっていると指摘されています。^{[ 21 ]}化石燃料で動く家電製品を交換すると、室内の空気の質が改善され、子供の喘息の症状が最大42%軽減され、住宅の火災の危険性も減少します。^{[ 21 ]}

前述のとおり、エネルギー効率の良い住宅は、家電製品をエネルギー効率の良いものに交換したり、断熱材や建物の外壁を改修したりすることで、居住者の光熱費を節約できます。ゼロカーボン住宅の実現に向けた改善に1ドル投資するごとに、発電と光熱費で約2ドル節約できます。^{[ 21 ]}