サステナビリティ
自然からヒントを得た適応型「ソーラーゲート」シェーディングでHVAC効率を向上
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気候危機は私たちの環境と生活の両方に大きな脅威をもたらしています。 このは 二酸化炭素（CO2）排出量の削減を 緊急の世界的課題にしました。
建築環境は実際に約 全世界の年間CO2排出量の42％。建物の運用が主にこの原因ですが、建築資材やインフラ材料も大きな役割を果たしています。
これは気候変動の主因となっており、その負の影響はすでに頻繁でより破壊的な天候イベントで見られます。
したがって、私たちは、能動的な暖房・冷房の必要性を削減し、建物のエネルギー消費と環境影響を低減できる適応型ファサードだけでなく、気候変動がもたらす課題に耐えうるよりレジリエントな建築も構築しなければなりません。
このような適応型ファサードを構築するために、建築家は地域固有の環境特性を取り入れた設計戦略を活用しなければなりません。 これは単に気候対応型建築を優先することを意味します。
この種の建築は、建設される気候に適したエネルギー効率の高い建物の設計に焦点を当てています。 これは、季節性、自然の日陰、降雨パターン、湿度などの要因を考慮することを必要とします。
局所の気候に逆らうのではなく、気候対応型建物は地域条件と協調し、最小限のエネルギーで居住者に最大の快適さを提供します。
受動的設計戦略を導入するこのアプローチにより、町や都市は気候変動による激しい天候イベントの頻度増加と甚大な被害から守ることができます。
建物の耐久性を向上させ、天候や自然災害に備えるだけでなく、気候対応型建築は自然な受動システムを活用することで運用コストの削減という利点も提供します。
電力を使用するシステムの代わりに、自然光と自然換気を利用することで、エネルギー関連の運用コストを大幅に削減できます。これらの受動システムを広範に使用することで、エネルギー消費を最大90％削減する能力があります。エネルギー消費を最大90％削減します。自然な気流のような受動システムは、居住者の生産性向上にも寄与します。
エネルギー効率の向上、炭素排出の削減、自然資源の保護により、この建築は環境持続可能性の促進にも貢献します。
しかし、気候対応型建物は、持続可能な材料の使用や長期で複雑な建設プロセスにより、初期コストが高額になるという課題も抱えています。また、規制上の障壁も問題となります。
確かに、各国政府は取り組みを進めており、HVACのエネルギー効率や断熱に関する規制は進展していますが、気候対応型設計を支えるルールは依然として不足しています。これらの建築の採用拡大には、教育と関連専門知識への投資が必要です。
課題はあるものの、こうした建物への関心は高まっています。この適応型デザインの主要要素には、自然の空気流と換気源の活用、太陽の位置を考慮した受動的太陽光設計、木材や竹などの自然に持続可能な材料、そして屋根や壁の緑化機能が含まれます。
バイオインスパイア型気象応答型適応シェーディング
気候対応型建築の中で、適応型シェーディングシステムは、外部の天候条件に応じて形状、向き、熱特性を動的に変化させ、室内環境をより効率的に調整する優れた手段です。
しかし、これらの動的シェーディングシステムは、複数の可動部品を駆動する電気機械装置を作動させるために運転エネルギーに依存しており、問題があります。このような複雑な構造は故障しやすく、高額な修理が必要となります。
受動的な着色防止ガラスという代替手段もありますが、自然光を過度に遮ってしまいます。では、解決策は何でしょうか？それは自然にあります。
フライブルク大学とシュトゥットガルト大学の研究者による新しい研究1は自然に目を向け、適応のための既存の解決策がすでにあることを見出しました。これらは生物材料にインスパイアされ、外部刺激に受動的に応答します。
研究者がモデルとして採用した解決策は松ぼっくりで、完全に死んだ材料系でありながら環境に反応し形状を変えます。松ぼっくりは温度と湿度の変化に応じて開閉し、代謝エネルギーを消費しません。
松ぼっくりをモデルに使用し、研究者は天候に受動的に適応する新しいエネルギー自律型ファサードシステムを開発しました。「Solar Gate」と名付けられたこのシステムは、フライブルク大学のlivMatSバイオミメティックシェルに設置されています。livMatSは「Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems」の略で、研究用建物です。
多くの建築ファサードの応答性試みが「高度な技術装置」に依存するのに対し、この研究は「先進的な計算デザインと付加製造を通じて、材料自体の応答性を活用する方法を探求している」と、シュトゥットガルト大学の計算デザイン・建設研究所（ICD）所長であるアーヒム・メンゲス教授は述べています。
メンゲス氏は、統合計算デザインと建築のための卓越性クラスター（IntCDC）の広報担当者でもあり、彼らのアプローチにより、天候変化に応じて自律的に開閉するシェーディングシステムを実現できたと述べています。
この効果は、メカトロニクス要素や運転エネルギーを使用せずに実現されています。ここで「バイオマテリアル構造自体が機械です」。
この気象応答型適応シェーディングシステムは、電力を使用せずに動作する初のシステムです。バイオインスパイアデザインに加えて、研究者は「Solar Gate」のために自然素材と広く利用可能な技術を使用しました。
ここで使用された技術は3Dプリンティング（付加製造）で、複雑な形状や形態の製造を可能にします。このプロセスでは、デジタルファイルから連続的に材料層を積み重ねて三次元オブジェクトを作成します。3Dプリンティングは、迅速な試作、カスタマイズ、コスト削減、高精度を実現し、設計の自由度も提供します。
チームは標準的な3Dプリンターを用いて、植物組織におけるセルロースの方向依存構造を再現しました。
セルロースは地球上で最も豊富なバイオマスであり、自然で低コスト、分解可能、再生可能な材料であり、特に固有のヒュグロモルフィック特性を持つため、適応シェーディングを持続可能にします。
このヒュグロモルフィック特性は、湿度変化に伴う膨張と収縮を表し、自然界で頻繁に観察されます。松ぼっくりの鱗の開閉はその一例です。
この特性を活かし、チームはバイオベースのセルロース繊維をカスタム設計し、松ぼっくりの鱗をインスピレーションにして4Dプリントし、二層構造にしました。
研究者は、FFF 3Dプリンターを通じてセルロース材料の押出を制御する計算製造技術も開発しました。
ここで作製された材料システムは、外部刺激に応じて自律的に形状を変えることができます。セルロース材料は湿度が高いと水分を吸収して膨張し、要素が巻き上がって開きます。一方、湿度が低いと水分を放出して収縮し、印刷された要素が平坦になって閉じます。
「松ぼっくりの鱗とシルバーティスルの苞葉の吸湿性運動にインスパイアされたSolar Gateは、生物モデルの高い機能性と堅牢性をバイオインスパイア型シェーディングシステムに転換しただけでなく、植物の動きの美学も実現しました。」
– フライブルク大学のlivMatS広報担当で植物バイオメカニクスグループの責任者であるトーマス・スペック教授
バイオインスパイア型適応シェーディングシステムはすでに実地でテストされており、機能性と耐久性が評価されています。チームはlivMatSバイオミメティックシェルの南向き天窓に設置し、建物の室内気候調整を支援しています。
1年以上の期間にわたり、期間中、1年以上にわたり、システムは観察されたのは、冬季には、4Dプリントされたシェーディング要素が開き、自然光を取り入れて自然暖房を可能にし、夏季には閉じて太陽放射を減少させることが観測されました。
『Solar Gate』は完全に気象サイクルだけで駆動し、電力を必要としません。これは従来のシェーディングシステムに対する資源効率的かつエネルギー自律型の代替手段です。バイオインスパイアされた4Dプリントシェーディングシステムは、低コスト、低材料消費、軽量構造、そして運用耐久性の向上という利点も提供します。
研究者によれば、このシステムは建物のファサードにとどまらず、建築、エンジニアリング、建設の広範な領域にも影響を及ぼす可能性があります。
今後の研究では、研究者はUV誘起劣化とその長期的影響、Solar Gateの機械的摩耗を詳しく調査し、室内気候調整の改善効果を定量化する予定です。
マルチマテリアル付加製造が社内プロトタイピングへの道を開く方法についてはこちらをご覧ください。
適応型屋根タイル
過去に、私たちはカリフォルニア大学サンタバーバラ校の科学者たちが 開発した適応型屋根タイル。これらのタイルはエネルギーコストを大幅に削減できます。その秘密は「放射スイッチ」で、外部温度に応じて暖房モードと冷房モードを切り替えます。タイルは目標温度から3℃以内で調整され、従来システムと比較して2.5倍以上の効率を実現します。その結果、光熱費が削減され、化石燃料への依存が減少します。
このイノベーションの核心は、4インチ四方の小さなデバイスです。天候に応じて放射熱量を調整し、室内温度を約65°F（18°C）に一定に保つことを目指しますが、常時電力は必要ありません。この技術はまだ市場に出ていませんが、実用化すればエネルギーを節約し、コストを削減し、建物をより環境に優しくすることが可能です。
企業
次に、エネルギー効率、建築持続可能性、材料性能に革新的なソリューションを提供し、適応型建築に取り組んでいる上場企業をいくつか見てみましょう。
1. Johnson Controls International
Johnson Controlsは、より快適で健康的、かつ持続可能な建物環境のために、最大規模のHVAC機器と制御ポートフォリオを提供しています。同社のHVACソリューションは、清浄な空気を測定可能に提供し、総合的な気候制御を実現します。また、予測的・診断的サービスにより、地震関連の問題が発生する前に構造上の問題を検出します。さらに、計画的・予防的メンテナンスやリモートビルディング管理も提供しています。
脱炭素化競争が進む中、Johnson Controlsは効率的な暖房・冷房システムを通じて持続可能性を確保し、効果的な気候制御とエネルギー使用の最適化を提供しています。同社のHVAC機器ポートフォリオはエネルギー効率を最大化するよう設計されています。
HVACに加えて、同社はIOTプラットフォームOpenBlueを提供しており、インテリジェントでプロアクティブな運用と最適化を実現します。このプラットフォームは1分あたり100万件のデータポイントを処理でき、建物をよりスマートで効率的にすることを目指しています。
Johnson Controlsは、企業、商業、住宅環境向けのセキュリティソリューションでAIを大いに活用しています。同社はOpenBlue Enterprise ManagerにおけるAI機能をさらに拡張し、データインサイトを次のレベルへ引き上げました。これらの改善に加え、機器のアップグレードとプロアクティブサービスにより、顧客はエネルギー支出を最大30％削減し、メンテナンス支出を最大20％削減、スペース利用効率を10％向上させています。
「これらの新しいAI駆動機能は、運用効率と持続可能性を向上させるだけでなく、建物の所有者や運用者に前例のないレベルの洞察と制御を提供します。私たちは自動化を推進し、顧客のためによりスマートで応答性の高い環境を創造するイノベーションの先駆けであり続けます。」
– CTO ビジャイ・サンカラン
執筆時点で、JCI株は82.10ドルで取引されており、年初来で4.02％上昇、時価総額は541.9億ドルです。Johnson Controlsの1株当たり利益（TTM）は2.09で、P/E（TTM）比率は39.27です。同社は配当利回り1.80％を支払っています。
JCI 価格チャート
最新の報告四半期、すなわち2024年第3四半期において、Johnson Controlsの売上は期待を下回り、62億5,000万ドルでした。しかし、非GAAPの1株当たり利益は1.28ドルで、アナリストのコンセンサス予想を2.6％上回りました。当時のCEO兼会長であるジョージ・オリバーは、「二桁の有機的売上成長と堅実なマージン拡大を達成できたことに非常に満足している」と述べました。
によると、Statista、Johnson Controlsは2023会計年度に約268億ドルの世界純売上高を記録し、前年に比べて約6％増加しました。
最近では、同社はオランダ拠点の建物自動化・制御プロバイダーであるWebeasyを買収し、エネルギー効率的で持続可能な建築ソリューションのイノベーションというJohnson Controlsのミッションに合致させます。
2. Owens Corning
建築・建設資材のプロバイダーであるOwens Corning (OC ) は、屋根、ドア、複合材、断熱の4つの事業を展開しています。
同社の断熱ソリューションは、外壁、屋根システム、HVACを含むほぼすべての建築状況に対応しています。建築ソリューションはエネルギーと建築コードの遵守、高い熱性能、空気/水抵抗、湿度管理、音響性能を提供します。
ユーザーは、エネルギー効率、耐久性、長寿命性能、設置の容易さ、最小限のメンテナンスという点で同社の断熱サービスを好んでいます。
OC 価格チャート
執筆時点で、OC株は187.57ドルで取引され、年初来で10.13％上昇、時価総額は160.9億ドルです。Owens Corningの1株当たり利益（TTM）は11.76で、P/E（TTM）比率は15.96です。同社は配当利回り1.47％を支払っています。
2024年第3四半期の会社財務では、純売上高は30億ドルで、前年比23％増加しました。新たに取得したドア事業が5億ドル以上を貢献しています。同社の希薄化後EPSは3.65ドル、調整後希薄化EPSは4.38ドルでした。この期間のフリーキャッシュフローは5億5800万ドルでした。
Owens Corningは配当と自社株買いを通じて合計2億5200万ドルを株主に還元しました。財務の強さについて、最高財務責任者のトッド・フィスターは次のように述べました：
「当社は強力な収益力とキャッシュ生成ポテンシャルを示しました。チームは最高水準の商業および運用実行により、トップラインとボトムラインの成長を実現しました。」
同社の持続可能性への取り組みとして、Owens Corningの製品ポートフォリオは顧客がエネルギーを節約し、排出量を削減するのに役立ちます。2023年のサステナビリティレポートでは、同社の製品の14％が100％再生可能エネルギーで製造されたと認証され、全収益の4分の1を占めました。
同社は、2018年ベースラインからスコープ1および2の排出量を28％削減したと報告しており、2030年までに温室効果ガス排出量を50％削減する目標に近づいています。 また、Owens Corningは2020年代末までに米国で年間200万トンのシングル屋根材をリサイクルする取り組みでも進展を遂げています。
建設資材会社は、持続可能で強度の高い建築材料を業界に供給するため、5万2千平方メートルのガラスマット製造施設にも投資しました。
結論
世界の二酸化炭素排出量は急速に増加しており、地球の温度上昇や極端な天候、山火事の増加、食料供給の混乱を引き起こしています。建物が世界の炭素排出のかなりの割合を占めているため、暖房、冷房、換気に必要なエネルギーを削減することが極めて重要です。同時に、構造物は気候災害に耐えられる必要があります。
これら両方のニーズへの答えは、地域の気候と地理的特性を建築設計に取り入れる気候対応型建築です。気候対応型建築は、セクター全体の炭素排出削減と廃棄物削減に高い能力を有していることから、規制支援ともちろん継続的なイノベーションが求められます。
「Solar Gate」のような研究は、環境課題に対処し、建築環境の機能的ニーズを満たす有望な解決策を提供します。また、付加製造などのアクセスしやすい技術や、セルロースのような豊富で再生可能な材料が持続可能な建築ソリューションに貢献できる可能性を示しています。
自然素材とバイオインスパイアデザインを採用し、デジタル製造技術を活用することで、安全で長寿命な構造物とレジリエントな未来を築くことができます！
3Dプリンティングが米国における住宅取得の障壁をどのように解決できるかについてはこちらをご覧ください。
研究参照:
1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). バイオベースおよびバイオインスパイアハイグロモルフィック材料による気象応答型適応シェーディング. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8
