従来型の建物は、気候や季節による気温の影響から建物を守るため、暖房や冷房に多くのエネルギーを消費します。しかし、基本的な検討と計画を、次の10の パッシブソーラー建築設計手法と組み合わせれば、こうしたエネルギーコストを大幅に削減できます。重要な考え方を4つ紹介します。
1. 空間配置を最適化する
暑い気候の居住地における不適切な（左）空間配置と適切な（右）空間配置。他の気候帯から借用した格子状の配置や建物間の広い間隔では、日陰や風よけが得られません。一方、不規則な非格子状の配置は日陰を作り、風の通り道が集中する問題を防ぐため、風を遮るよう設計できます。クレジット：著者。
右：高緯度地域の住宅地の配置例。各敷地でプライバシーを確保し、太陽エネルギーの利用可能性を最大化するため、赤道側を向く居室面と屋根を備えています。灰色の円は木、灰色の線は生け垣（できれば）またはフェンスです。クレジット：著者。
2. 建物の形状と配置を最適化する
表面積と体積の比（S/V）が小さいことは、パッシブで低炭素な建物にとって最適です。これは外部表面積と内部体積の比です。
コンパクトさ C = 体積 / 表面積
大きさも要因です。同じ形状なら、小さな建物は大きな建物よりS/V比が高くなります。U値、換気回数、向きが同じでも、S/V比や規模が異なる建物では、暖房需要に大きな差が生じる場合があります。そのため、次の点が重要です。
小さな独立型建物は、非常にコンパクトな形状にする（正方形は最適形である円に近い）。
大きな建物では、より複雑な形状も可能である。
S/V比が高い場合、同じU値／R値を達成するには、より多くの断熱材が必要となる。
温帯地域では、S/V比を0.7m²/m³以下にすることを目指します。
形状係数
使用可能な床面積Fと地上部の外皮面積Eの比のほうが有用です。床から床までの高さを低くできる建物が有利になるためです。
形状係数 = F/E
形状がコンパクトであるほど比率が高くなり、望ましいといえます。大規模な建物（例：12階建て、172,800 ft2）は、小規模な建物や天井高の高い大規模建物より、暖房負荷に関してはるかに効率的な形状です（ただし冷房では逆になります）。
この指標を使うと、有効床面積に対する建物形状の効率を比較できます。小規模なパッシブハウスの設計では、熱損失形状係数を3以下にすることが有用な目安です。これにより必要な資源とコストも削減できます。ほとんどの建物用途で必要なのは体積ではなく床面積です。この指標には地面に接する面積は含まれませんが、屋根は含まれます。
形状が複雑な建物では、熱橋の割合が高くなり、日影率も増す傾向があり、年間エネルギーバランスにさらに影響します。
床面積が一定の場合、建物が大きくなるにつれて、形状が総エネルギー消費量に及ぼす影響は小さくなります。設計の自由度が高まるだけでなく、建物の一方向の幅を比較的狭く（45～60ft（14～18m））する必要がある採光や自然換気による冷房の手法を用いて、エネルギー需要をさらに削減できます。
例：
20,000 ft2（1800 m2）の小規模オフィスでは、自然換気と採光に適した細長い2階建ての形状の形状係数が0.88となる一方、奥行きのある正方形の平面では1.02となる場合があります。前者の外皮熱損失係数を後者と同じにするには、全体の平均外皮R値を1.02/0.88 = 16%高くする必要があります。そのためには、不透明な壁のR値を大幅に高める、窓面積を減らす、またはより高価な窓を採用する必要があります。
S/V比が10%増える場合（中央の建物）、左の良好な形状の建物と同じ断熱性能を達成するには、断熱材を20mm厚くする必要があります。右の建物（S/V比が20%高い）では、断熱材をさらに40mm追加する必要があります。
気候に応じた住宅の最適な部屋配置。
3. 緯度に応じて住宅の形状と部屋配置を調整する
緯度25°を超える地域：太陽側の窓面積は、東向きと西向きの壁の窓面積の合計より少なくとも50%大きくします。東西軸に沿って長い向きとし、真東西からのずれを15度以内にします。夏至の太陽正午には、太陽側の窓面積の少なくとも90%を完全に日陰にし（オーニング、庇、植栽などによる）、冬至の正午には日陰にならないようにします。住宅の場合、間取りでは赤道側に主な居間を設け、北側にユーティリティールーム、使用頻度の低い部屋、あればガレージを配置します。朝日が入る部屋は通常、寝室です。赤道と反対側では、熱損失を最小限にするため、採光に必要な範囲で窓をできる限り小さく、最小限に抑えます。この壁は建物内に熱を保つため、熱容量を大きくするか、外断熱を施すか、あるいはその両方を行います。
緯度25°未満の地域、または地形が日射に大きく影響する場所では、逆の配置にします。たとえば寝室には朝の光が必要です。建物全体を低い角度から差し込む熱から守る必要があります。
緯度25°前後では、地域の状況に応じてある程度の調整が可能です。こうした中緯度地域では、冬と夏で建物内の使う場所を変えることがあります。赤道側の部屋が暑くなりすぎるため、夏は赤道と反対側の部屋を使うように切り替えます（上の左側の平面図には示されていません）。
表：地域の気候によって建物形状に求められる要件は異なります。
気候 要素と要件 目的 高温多湿 換気のため建物の奥行きを最小限にする 熱取得を抑えるため西向きの壁を最小限にする 熱取得を抑えるため南壁と北壁を最大限にする 夜間冷却のため表面積を最大限にする 換気のため窓のある壁面を最大限にする 複合気候 熱容量を確保するため建物の奥行きを調整する 熱取得を抑えるため西壁を最小限にする 換気と冬季の暖房を一部確保するため赤道側の壁を限定する 換気を制御するため窓のある壁面を中程度の面積にする 高温乾燥 熱取得を抑えるため赤道側と西側の壁を最小限にする 熱取得と熱損失を抑えるため表面積を最小限にする 熱容量を高めるため建物の奥行きを最大限にする 換気、熱取得、光を制御するため窓のある壁面／窓の大きさを最小限にする 地中海性気候 夏季の熱取得を抑えるため西壁を最小限にする 冬季の熱取得を可能にするため赤道側の壁を中程度の面積にする 熱取得を制御するため表面積を中程度にする 熱取得を抑えながら冬の採光を確保するため、窓を小～中程度の大きさにする 冷涼な温帯気候 熱損失を抑えるため表面積を最小限にする 熱取得のため極側と西側の壁を中程度の面積にする 熱損失を抑えるため屋根面積を最小限にする 熱取得と採光のため窓のある壁面を大きくする 赤道地域の高地 熱取得を抑えるため北壁と南壁を最大限にする 熱取得を抑えるため西向きの壁を最大限にする 熱容量を高めるため建物の奥行きを中程度にする 熱損失と熱取得を抑えるため表面積を最小限にする
4. 屋根の形状と向きを最適化する
高温気候帯では、ヴォールト屋根やドームは、平屋根より自然対流によって多くの熱を放散します。これらは熱的安定性を高め、日中の温度を下げます。最適な向きとは、冬にはヴォールト面が日射を最大限に受け、夏には最小限に受ける向きです。
ヴォールト屋根を南北軸に沿って配置するほうが冬季の暖房には適しており、夏季の直達日射を最小限にできます。一方、東西軸に沿った配置では夏季の熱取得が最大となり、朝と夕方に最も多くの日射を受けます。以下に、緯度30°の地点の例をまとめます。
表：季節ごとの直達日射量に対するヴォールトの向きの影響。[i] CSR = 断面比。ヴォールトの垂直高さと水平幅の比です。
向き 季節 直達日射の損失（%） CSR1 = 0.5 CSR1 = 0.8 CSR1 = 1 CSR1 = 1.25 CSR1 = 2 東西 夏 12.4 20.1 23.9 29 37.8 東西 冬 9.8 17 19.6 23.2 30.4 南北 夏 17 28.6 35.1 42.1 56.4 南北 冬 6.3 7.1 8 8.9 10.7 北東－南西 夏 14.7 23.9 29.3 34.8 45.6 北東－南西 冬 8.9 13.4 16 18.8 24.1 北西－南東 夏 14.7 23.9 29.3 34.8 45.6 北西－南東 冬 8.9 13.4 16 18.8 24.1
ヴォールトの向きが季節ごとの直達日射の受熱量に及ぼす影響。
この記事は、 Sustainable Cities Collectiveとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
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著者：David Thorpeは、Sustainable Cities Collectiveの特別コンサルタントです。
画像：2014年10月28日、夕方のニューデリー、コンノート・プレイスを走行する車両。REUTERS/Anindito Mukherjee
