ビルオートメーションにおける太陽熱利用
建物の空調制御における放射センサーがゼロエネルギービルを実現する仕組み
本アプリケーションノートでは、建物における太陽放射を熱・採光・発電のエネルギー源として活用する方法を取り上げます。 最新のビルオートメーションシステムは複数の機能を統合し、建物に最高レベルの性能をもたらします。 ここでは、日射計を用いて太陽熱取得を評価し、システム効率を高め、コスト削減につなげる方法について概要を紹介します。
ゼロエネルギービルに向けて
過去数十年で、建物の断熱性能は大きく進歩しました。これによりエネルギー効率が向上し、必要な暖房負荷は低減します。一方で、熱負荷がかかる状況では効果的な冷却システムが求められるようにもなっています。
EU や米国の一部の州では、建物にネット・ゼロ・エネルギー（NZE）を求める新たな規制が導入され、課題がさらに大きくなっています。NZE とは、建物が消費するエネルギー量を、再生可能エネルギーによって敷地内で自ら発電して賄うことを意味します。
これらの課題に対応するためには、建物の内部環境をより賢く管理できるビルオートメーションシステムが必要になります。とりわけゼロエネルギービルでは、太陽熱取得の制御が不可欠となります。
熱源としての太陽熱取得
太陽熱取得とは、建物に太陽放射が当たることや、透明な開口部を通して室内に入ることによって生じる熱の増加を指します（図1）。
ゼロエネルギービルでは、窓からの日射をアクティブシェーディングで制御することでエネルギー消費を抑えることができます。冬季には太陽熱取得を積極的に取り入れて暖房コストを下げ、夏季には太陽熱を遮ることで冷房に必要なエネルギーを削減できます。
どれほどのエネルギーが節約できるかを把握するには、モデル化が有効です。そのためには、透明部材の透過率を、波長、ガラスの種類、入射角などの関数として計算する必要があります。
日中は太陽光の入射角が刻々と変化し、それに伴って窓を透過する光の割合も変わります。特定の角度や波長では光がすべて反射される一方、別の条件では一部が透過します。
実際にどれだけのエネルギーが透過するかを正確にモデル化するのは非常に複雑であるため、建築分野では透過特性を示すために簡略化された指標が用いられています。ヨーロッパでは窓の総合的な透過率を示す G 値、米国では SHGC（Solar Heat Gain Coefficient：日射熱取得率） が一般的です。
一般的な窓では、この透過率が 最大 55% に達することがあります。つまり、照射されたエネルギーの半分以上が室内に入り込む可能性があります。北欧の冬の正午に南向きの窓が受ける場合、1㎡あたり約 0.5 kW の熱が室内に流入する計算になります。
窓が一日に受ける日射量は、設置場所やファサードの向きによって大きく変動します。さらに、建物の形状（表面積と体積の比）や季節の違いが加わることで、ビルオートメーションシステムへの影響は多様になります（図2参照）。
夏季に日射を反射するためのシェーディングを行うと、室内に届く光量が減少します。その結果、建物内の自動照明の使用量が増加し、電力消費が高くなるという別の課題も生じます。
ビルオートメーションとの統合
統合されたシステムでは、太陽熱取得、照明システム、冷房需要、そして太陽熱・太陽光発電の収益性といった要素の優先順位を最適化することは容易ではありません。
欧州規格 prEN 15232：Building Automation Control and Building Management の影響 では、この課題を認識し、付属書Aをまるごとこの統合に割り当てています。
同規格ではビルオートメーションシステムを4つのクラスに分類しており、最もエネルギー効率の高いクラスでは太陽熱取得の制御が統合されているべきと定義されています（表1）。
ここで重要な問いとなるのが、ゼロエネルギービルのオートメーションシステムは、太陽放射によってどれだけの太陽熱取得が生じているかをどのように測定するのかという点です。
| BAC 効率クラス | 効率係数 | ⽇射制御 |
| A – 高エネルギー性能 | 熱効率：0.70–0.86 電気効率：0.86–0.96 | 統合型 |
| B – 先進的なシステム | 熱効率：0.80–0.91 電気効率：0.93–0.98 | モーター駆動・自動制御 |
| C – 標準的なシステム | 1 – 定義 | モーター駆動・手動制御 |
| D – 低エネルギー効率 | 熱効率：1.10–1.51 電気効率：1.05–1.10 | 完全手動 |
日射計
従来、放射照度の測定には日射計が使用されてきました。太陽光発電（PV）を備えた屋上システムには、発電量を把握するために日射計が設置されていることが多く、ゼロエネルギー建築でも、PV アレイから得られるデータを HVAC（暖房・換気・空調）システムの最適化に活用できます。
日射計は、水平に設置し上向きに配置することで、入射する全天日射量を高精度に測定します。一般的に、日射計は Modbus/RTU（RS‑485）を介してデジタル通信されます。
多くのデジタル日射計は、温度依存性を補正した放射照度を出力します。WMO（世界気象機関）によれば、最も性能の高いクラスの日射計における日射量の日積算値の不確かさは 2％ とされています。
日射計をビルオートメーション・制御システム（BACS）に接続することで、その出力データを他の設備の制御に活用でき、建物全体のエネルギー効率向上に寄与します。
日射計とフォトダイオードの比較
日射計の代替として、放射照度の測定にフォトダイオードが検討されることがあります。
日射計はスペクトル応答が比較的フラットで、実際の放射照度をより正確に測定できます。一方、フォトダイオードは特定の波長域にのみ反応するため、例えば雲量の変化などで日射スペクトルが変動すると誤差が生じます。
また、フォトダイオードは方向応答誤差が大きく、太陽高度角が高い場合には放射照度を過大評価し、低い場合には過小評価する傾向があります。
多くの日射計は屋外設置を前提に設計されており、気象条件に耐えられる構造を備えています。さらに、降雨や降雪による測定誤差を防ぐための仕組みも組み込まれています。
| フォトダイオード | 日射計 | |
| 価格帯 | 約300ユーロ | 約360ユーロ |
| デジタル出力 | 一般的ではない | 一般的 |
| フラットな応答特性 | 持たない | 持つ |
日射計がフォトダイオード式光センサーに対して持つ利点（表2参照）により、世界気象機関（WMO）および ISO 9060:1990 は、全天日射量を測定する際の推奨機器として日射計を選択することを推奨しています。
ビルオートメーションにおいて日射計の測定値を活用するための具体的な制御戦略の例については、記事の全文で詳しく紹介しています。
日射計の信号を活用した具体的な制御戦略の詳細については、記事の全文で紹介しています。
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