サステナビリティ
適応型屋根タイルは暖房・冷房エネルギー消費削減の鍵になる可能性があります
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市場調査の推計によると、世界の屋根市場は2023年の約US$82 billionから2033年までにUS$1400億を超える可能性があります。屋根ソリューションなしで完了する建設作業はありません。住宅と商業施設の両方にとって同様に重要です。屋根は頻繁に交換が必要なため、市場は動的です。北米全体では、市場調査の推計によると、屋根プロジェクトの94%は屋根の交換です。
古い屋根を交換することは、多くの場合、環境に持続可能でエネルギー効率が高いことに関わります。クールルーフは、太陽放射を反射し屋根温度を下げることができ、研究によると1平方フィートあたりUS$0.50 per square footの節約が可能です。
いくつかの推計では、世界のクールルーフ市場は2025年までに年平均成長率5.7% through 2025で成長すると予想されています。白い膜やコーティングなどの反射性屋根材料は、屋根表面温度を最大で50 degrees Fahrenheitまで下げることができます。
冷却や加熱の特性が屋根ソリューションの決定的な特徴となっている一方で、持続可能性とエネルギー節約への関心は、ソリューションが効率的である必要があることを示しています。
本日の議論は、世界中の屋根業界で注目を集めているこのようなソリューションから始めます。
適応型屋根タイル：外気温度に敏感；エネルギー消費削減に貢献
カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者は、屋根タイルが熱と冷房コストを削減できることを詳細に示す学術研究を発表しました。
このプロジェクトに関わった3人の研究者、チャーリー・シャオ、エリオット・ホークス、ボリン・ラオの目的は、米国人のエネルギー料金を削減し、家庭内HVACシステムに必要な化石燃料の使用量を減らすことでした。
これらの適応タイルは放射スイッチを備えており、加熱状態と冷却状態の切り替えを助けます。スイッチ温度の±3度セルシウスの範囲で冷却と加熱の状態を切り替えることができます。静的デバイスと比較して、冷暖房の必要量を2.5倍以上削減できます。
「スイッチ」または受動的熱調整装置は、4インチ四方の正方形です。これは、温度範囲に応じて熱特性を変えることができる可動表面として機能します。
研究者のチャーリー・シャオによると：
タイルの温度に応じて、加熱状態と冷却状態を切り替えます。
研究者らは、65°F（約18°C）を目標温度としてこのソリューションを考案しました。
しかし、なぜこのソリューションは屋根業界からこれほど期待されているのでしょうか？この質問の根底には、米国の建物エネルギー消費状況の理解が必要です。
米国の建物エネルギー消費の50％が暖房と冷房に費やされている
米国の建物における暖房と冷房へのエネルギー消費量は膨大です。米国エネルギー情報局（United States Energy Information Administration）によると、住宅部門と商業部門の合計エンドユースエネルギー消費は2022年の米国全体エンドユースエネルギー消費の約29％を占めました。電力系統のエネルギー損失を含めると、住宅部門と商業部門は2022年の米国全体エネルギー消費の38％を占めました。
米国の建物エネルギー消費の50％が暖房と冷房に費やされているため、システムはあらゆるコストでエネルギー効率が求められます。さらに、気候変動と地球温暖化により冷房需要は増加します。一方で、暖房需要が高く、さらに増加する地域もあります。
従来のクールルーフシステム（反射コーティング、膜、シングル、タイルなど）は、太陽光を反射して住宅を冷やす原理で機能します。これらのソリューションは、閉じ込められた熱の一部を熱赤外線放射として放出します。しかし、これらのソリューションの問題は、冬季にクールルーフシステムが熱を放射し続け、暖房コストが上昇する点です。要するに、エネルギー効率とコスト効果に欠けています。
上記のすべての側面を考慮すると、外気温度に応じて加熱と冷却の状態を切り替えるソリューションは、電力を使用せずに動作する点で、画期的と言えるでしょう。
このソリューションは、同じ建物で同日に暖房と冷房の要件に対応できるため、業界にとって決定的な役割を果たすと考えられています。現在、自動的に受動的加熱と冷却を切り替える技術はほとんどありません。利用可能なソリューションは、状態サイクルに広い温度範囲を必要とするため、日常的な切り替えには非効率的です。
研究者は、設計が高度に適応可能であると主張しています。相変化材料を変更することで、異なる温度設定点を実現できます。放射冷却性能の向上、加熱性能の強化、耐久性の向上のために、適応タイルはコーティングを変更するだけで済みます。
もう一つの魅力的な特徴は、シンプルな設計と低コストでの生産可能性です。
これらすべての利点とメリットが業界で活用され、大規模に生産されるのを待つ間、他にも多くの建物ソリューションが暖房/冷房エネルギー消費削減に取り組んでいます。次にいくつかのソリューションを見てみましょう。
全季節エネルギー節約のためのスマートルーフコーティング
ジュンチアオ・ウーが率いる研究チーム（バークレー研究所材料科学部門の教員科学者、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学・工学教授）は、冬は暖かく、夏は涼しい全季節スマートルーフコーティングを開発しました。
前述のソリューションと同様に、こちらも天然ガスや電力を必要としません。
ジュンチアオ・ウーによると：
（当社の）全季節ルーフコーティングは、屋外気温に応じて自動的に冷却から暖房へ切り替わります。エネルギーフリーで、排出ゼロの空調と暖房が一つの装置で実現します。
目的を達成するために、研究者は温度適応放射コーティング（TARC）という新素材を開発しました。TARCは冬季に放射冷却を自動的にオフにし、過冷却やエネルギー浪費を防ぎます。
TARCを導入すれば、米国の平均世帯は電力使用量を最大10% on electricity削減できると予測されています。このソリューションは年間を通じて太陽光の75％を反射します。ただし、周囲温度が25°C（77°F）を超えると、熱放射率は約90％に達します。
ジュンチアオ・ウーは、ソリューションの可能性に興奮しながら次のように述べました：
当初、暖房から冷房への切り替えがそれほど劇的になるとは考えていませんでした。シミュレーション、屋外実験、ラボ実験がそれを裏付けており、非常に興奮しています。
研究者は、より大規模な応用に適したTARCプロトタイプの開発を計画していました。TARCは、スマートフォンやノートパソコンのバッテリー寿命を延ばす熱保護コーティングとして価値があると期待されています。他の用途としては、衛星や自動車を極端な高温・低温から保護したり、テント、温室カバー、帽子、ジャケット用の温度調整ファブリックを作ることが考えられます。
米国の建物向けエネルギー効率の高いソリューション、特に効率的な屋根に焦点を当てたものは、企業レベルでも利用可能です。次のセグメントでいくつか紹介します。
1. Whitco Roofing, Inc.
Whitcoは、アトランタで最大の商業用屋根請負業者であり、北米でも有数の屋根請負業者として位置付けています。Whitcoは、認定グリーンルーフプロフェッショナルをスタッフに抱える北米の商業用屋根会社の数少ない企業の一つです。また、建物全体エネルギーの25％以上を効率的に供給できるソーラールーフパネルも提供しています。そのソリューションにはポリイソシアヌレート屋根断熱材も含まれます。正しく適用すれば、商業・産業用途での暖房・冷房コストを大幅に削減できます。
Whitco Roofingは2005年に設立された、ジョージア州アトランタに本社を置く民間企業です。
2. Grundfos
建物の暖房・冷房エネルギー消費削減に対する包括的アプローチにおいて、Grundfosはトップに位置する名前です。そのソリューションは商業ビルと住宅の両方に対応しています。
商業用暖房をエネルギー効率化するために、Grundfosは循環ポンプ、ミキシングループ、分散ポンピングソリューション、ブースターセット、インライン単段ポンプ、ハイドロブースターなどを提供しています。住宅用のエネルギー効率的な暖房については、主に循環ポンプに依存しています。
2022会計年度において、Grundfosは純売上高DKK 33.3億（2021年：DKK 28.7億）を記録しました。前会計年度（2021年）と比較して、現地通貨ベースで12.1％の売上成長を示しました。2022年の売上利益率は11.8％に上昇し、2021年の11.4％と比較して改善しました。
3. Tesla Solar Roofs
Teslaのソーラールーフを設置すると、完全に統合されたソーラーとエネルギー蓄電システムで自宅に電力を供給する機会が得られます。25年保証と24時間365日の停電保護が提供されます。ソーラールーフは、常時エネルギーセキュリティを提供するコンパクトな家庭用バッテリーであるPowerwallと組み合わされています。これらのバッテリーは、ソーラールーフで生成されたエネルギーを蓄え、いつでも自宅に電力を供給できます。
構成として、ソーラールーフはガラス製ソーラータイルと鋼製屋根タイルの両方で構成されています。ガラス製ソーラータイルはエネルギーを生成し、建築用グレードの鋼タイルは屋根に耐久性と耐食性を付与します。
同社が公式に公表した数字によると、Teslaの社内エネルギー専門チームは、約480,000枚の屋根にわたり総計約4ギガワットのソーラーを設置しました。これらの屋根は合計で25テラワット時以上のクリーンエネルギーを生成しています。
このシステムには、Tesla (TSLA ) Solarインバーターが含まれ、システムの統合性、安全性、信頼性、停電対応を確保しています。Teslaアプリを使用すれば、エネルギー生成をリアルタイムで監視でき、即時アラートやリモートアクセスでどこからでもシステムを制御できます。
TSLA 価格チャート
2023年第3四半期に、Teslaは210億ドル超の収益を記録しました。営業利益率は17.2％でした。
建物とエネルギー効率：今後の道筋
地球温暖化と気候変動は文明的な課題です。政府、規制機関、各国の協議会、企業はすべて、エネルギーモジュールの効率的な実現を支援するソリューションの開発に熱心です。専門的なソリューションに加えて、建物システムの日常的な小さな変更でもこれらの課題に取り組む方法は多数あります。
米国エネルギー効率・再生可能エネルギー局（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）は、断熱材の追加、LED照明の使用、ヒートポンプの設置など、多くのソリューションを推奨しています。
暑く湿度の高い気候に住む人々は、除湿ヒートパイプを使用して室内湿度を低減し、快適性を向上させることができます。ダクト内のエネルギー損失を最小化することもエネルギー効率を促進する方法です。ダクトの断熱と気密処理が有効です。
建物の効率的な給湯システムとして、タンクレスコイル、間接給湯器、太陽熱温水器などが考えられます。排水熱回収プロセスの導入も有用です。
暖房・冷房エネルギー消費を削減することには多くの利点があります。単にコスト削減だけでなく、地域社会全体の利益が大きくなります。コミュニティのレジリエンスとエネルギー的に公平なシステム構築に寄与します。すべての地域にサービスが行き届いていないコミュニティは、コスト効率の高い技術とインフラの支援を必要としており、途切れないエネルギー供給へのアクセスが求められています。
エネルギー効率の高いシステムは大気汚染を減少させ、コミュニティ全体の健康に貢献します。化石燃料の燃焼が減少することは、我々の生態系、植物、動物にも有益です。
国内インフラ経済への利益も重要です。効率的なエネルギーシステムは電力網への負荷を軽減し、任意の時点での送電網の混雑とストレスを最小化します。
その利益は広範かつ深遠であり、将来的に適応型屋根タイルのようなソリューションがさらに必要です。これは効率と持続可能性への旅路において、確実に励みになるマイルストーンです。
