国連は、2050年までに世界人口の70%が都市に暮らすようになると予測しています。都市は建物によって形づくられ、建物は温室効果ガス排出の最大の要因の一つです。たとえばシンガポールでは、建物と家庭が電力のほぼ50%を消費し、国内のCO2排出量の同程度に大きな割合を占めています。
空調はインターネットと同様、「変革をもたらす技術」と呼ばれてきました。空調は私たちが暮らし、働く場所を変え、暮らし方や働き方も変えました。建物の内部を空調することで、外部の気候から切り離し、室内で快適に暮らし、働くことが可能になります。問題は、室内空間の空調に多くのエネルギーが必要なことです。シンガポールでは、建物で使われるエネルギーの70%が冷房、除湿、換気に用いられています。
室内空気の温度と湿度、そして室内表面の温度が、室内の温熱快適性を決定します。従来の空調は、温熱快適性を実現するために大量の冷たく乾燥した空気を使います。このプロセスに伴う非常に低い温度（6°Cまで）は、快適な湿度に達するよう空気を除湿するために必要です。こうした低温を実現するには多くのエネルギーが必要です。さらに、空気は熱輸送媒体としてあまり効率的ではありません。そのため、建物全体に大量の空気を送る必要があり、垂直・水平方向に大規模なダクトシステムを設置しなければなりません。シンガポールでは、空気を送るダクトのために、床面積の体積の最大3分の1が必要になります。つまり、建物の大部分が居住者のためではなく、空調に必要な技術システムを収めるために建設されているのです。
常に高温多湿な気候への対応
2010年、私たちは快適な室内気候をより効率的に実現する方法について、シンガポールETHセンター（SEC）で研究を開始しました。Future Cities Lab Module 1では、新しい技術システムと、それが建築設計、建設、居住者の快適性に及ぼす影響を探っています。シンガポールの気候条件がはるかに厳しく極端であることを十分に承知しつつ、温帯気候向けの「欧州式」の暖房・冷房の概念を携えて研究に臨みました。私たちの気候では暑い時期と寒い時期、乾燥期と多湿期が交互に訪れるのに対し、シンガポールの熱帯気候は常に高温多湿であり、快適な室内空間をつくるうえでの「最悪のシナリオ」となっています。
私たちが開発した概念は、主に3つの要素から成ります。第一は、冷房（顕熱冷却）と除湿（潜熱冷却）を分けることです。両方に冷たく乾燥した空気を使うのではなく、建物内部から熱を取り除くことと、外から入る空気から水分を取り除くことを区別します。この方法の利点は、冷房負荷全体の約60%を占める冷却プロセスを、除湿に必要な温度よりかなり高い温度（最大18°C）で実現できる点にあります。これらの機能を分離することで、必要な電力を削減できます。この方法を採用するには、空間から熱を取り除く方法を変える必要があります。従来のシステムは、空気を循環させることで得られる、いわゆる対流熱伝達を利用します。私たちの方法では、より高い温度で冷却できる大型の冷却面による放射熱伝達に着目します。ただし、この技術を使う際の課題は、高温多湿の空気が冷たい表面に大量に触れたときに起こり得る結露を防ぐことです。
第二の要素は、熱輸送に空気ではなく水を使うことです。水は空気よりもはるかに大きな熱輸送能力を持つため、より細い配管を使うことができ、建築に容易に組み込めます。技術システムを隠すための大規模な二重天井や床は不要となり、その分の体積を節約できます。
第三の要素は、中央換気装置の代わりに、小型の分散型換気ユニットを使うことです[1]。これらの小型ユニットは、室内空気質に必要な空気を外壁越しに取り込み、その過程で除湿してから、設置された部屋に吹き込みます。これにより建物全体への空気の分配が不要になり、再び空間と体積を節約できます。さらに、たとえばユニットを外壁や床に組み込めば、空間をいっそう節約できます。
空間と体積を解放する
この3つの対策はいずれも、設備システムを構造要素とより密接に一体化させ、空間と体積を解放します。また、室内空間や外壁の設計に異なるアプローチを取り入れる興味深い可能性もあります。その結果、シンガポールの一般的な建物の床体積を最大3分の1節約できます。これがプロジェクト名「3-for-2」[2]の由来です。将来は、従来の建物の2フロア分の体積の中に、3フロアを建設できる可能性があります。
従来の建築設計（左）と「3for2」建築コンセプト（右）の比較。このコンセプトでは、体感される床から天井までの高さに影響を与えることなく、建築事業者が標準的な2フロア分の空間に3フロアを建設できます。（図：SEC FCL / ETH Zurich）
シミュレーションを用いて、私たちの方法をシンガポールの標準的な「グリーンビルディング」と比較しました。その結果、「3-for-2」はオフィススペースを20%増やすだけでなく、エネルギー使用量を40%、建設資材を16%削減できることが分かりました。
シンガポールのオフィス賃料が高いことを踏まえると、これはまったく新しい経済的機会を切り開きます。突如として「グリーンビルディング」はコスト増ではなく収益増を意味するようになり、商業開発事業者も参画すべきです。建物が大きいほど効果も大きくなるため、このコンセプトは高密度の都市環境で特に有望です。
実環境での検証
この方法と技術要素の研究・試験を行うため、私たちは可搬式のラボ「BubbleZERO」[3]を建設しました。これはFuture Cities Lab Singaporeの一環として設置・運用され、数年間にわたって稼働しました。有望な結果を受け、次の段階として、日常的に使われる空間へと規模を拡大することになりました。つまり、この概念をラボ規模から実際の応用へ移す段階です。
2014年2月以降、シンガポールのユナイテッド・ワールド・カレッジ（UWC）キャンパスで建設中の新校舎の一部として、3-for-2コンセプトの初の実装が進められています。産業界との協力に支えられたこの設置では、500 m2のオフィススペースを使い、2015年秋以降、実環境でシステムを試験・最適化できます。この実装は、エネルギー性能の研究・試験と、居住者の温熱快適性および受容度の評価を行うまたとない機会となります[4]。
本記事は、ETH Zurichとの協力により公開されています。 ETH Zurich本記事の公開は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
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著者：Arno Schlüterは、ETH Zurichの建築・持続可能な建築技術（SuAT）教授です。
画像：色光に照らされた長さ45メートルの壁に触れる少年。REUTERS/China Daily。
