ZEBという言葉を耳にしたことがありますか？
ZEBとは、ネット・ゼロ・エネルギー・ビルの略です。省エネと創エネを組み合わせることで、建物の年間エネルギー消費量を正味ゼロにすることを目指す建築物を指します。
ZEBを実現するための有力な手段の一つが地中熱の活用です。地中熱は、地下の安定した温度を利用して冷暖房を行うシステムで、省エネ効果が高いと注目されています。
本記事では、ZEBと地中熱の関係性、省エネ効果、導入事例、コストなどのポイントを解説していきます。ZEBに取り組む際の参考にしてください。
ZEBと地中熱の関係性は？
ZEBと地中熱は、どのような関係性があるのでしょうか。ここでは、ZEBと地中熱の基本的な概要と、両者を組み合わせることで得られる省エネ効果について説明します。
ZEBはエネルギーゼロを目指す建築物
ZEBを実現するためには、建物の断熱性能を大幅に向上させることが不可欠です。具体的には、外壁や屋根、開口部などの断熱性能を高めるとともに、建物の気密性を高めることで、冷暖房負荷を抑制します。
また、高効率の空調設備や照明設備、給湯設備などを導入することで、エネルギー消費量を大幅に削減できます。さらに、太陽光発電などの再生可能エネルギーを活用することで、建物で消費するエネルギーを自ら生み出せるのです。
こうした省エネ技術と再生可能エネルギーの組み合わせにより、ZEBは年間のエネルギー消費量を正味でゼロにすることを目指しています。
地中熱システムの仕組みとメリット
地中熱システムは、地下の安定した温度を利用して冷暖房をする仕組みです。地下数メートルから100メートル程度の深さでは、外気温の影響を受けにくく、年間を通して安定した温度が保たれています。
夏場は地中の温度が外気温よりも低く、冬場は地中の温度が外気温よりも高いため、この温度差を利用して効率的に冷暖房ができるのです。
地中熱システムでは、地中に熱交換器を設置し、熱交換器内を循環する不凍液と地中の熱を交換することで、冷暖房に必要な熱を得ます。夏場は地中の冷熱を利用して冷房し、冬場は地中の温熱を利用した暖房が可能です。
地中熱システムは、従来の空調システムに比べて大幅な省エネが可能であるというメリットがあります。また、地中熱は再生可能エネルギーの一種であるため、化石燃料の使用量を削減でき、環境負荷の低減にも貢献できるのです。
地中熱システムのデメリット
地中熱システムは、多くのメリットがある一方で、いくつかのデメリットも存在します。主なデメリットは以下のとおりです。
- 初期コストが高い
- 地盤や地下水の影響を受けやすい
- 設置場所が限られる
地中熱システムを効率的に運用するためには、適切な設計と施工が不可欠です。地中熱システムの設計には、地質や地下水の状況、建物の熱負荷などを考慮する必要があり、高度な専門知識が求められます。
施工においても、熱交換器の設置や配管工事など、専門的な技術が必要です。このため、地中熱システムの導入には、専門家の協力が不可欠であり、そのための費用も必要となります。
ZEBと地中熱の相性が抜群な理由
ZEBと地中熱の組み合わせは、省エネ効果の面で非常に相性が良いと言えます。
ZEBは、建物のエネルギー消費量を最小限に抑えることが目的です。そのためには、断熱性や気密性の高い建材、省エネ設備などを複合的に活用することで、快適な住環境を維持しながら、エネルギー消費を大幅に削減する必要があります。
一方、地中熱システムは、地下の安定した温度を利用して効率的に冷暖房ができるため、建物の冷暖房負荷を大幅に削減できます。
つまり、ZEBが目指す大幅なエネルギー消費量の削減に、地中熱システムの高い省エネ性能がマッチするのです。
さらに、地中熱システムは長期的に見ても安定した性能を発揮できるため、建物の省エネ性能を長期的に維持できる点でも、ZEBとの相性が良いと考えられます。
地中熱を利用したZEBの導入事例と省エネ効果
実際に地中熱を導入したZEBには、どのような事例があるのでしょうか。ここでは、地中熱を利用したZEBの導入事例を紹介し、その省エネ効果について見ていきます。
公的機関から商業施設まで幅広く導入されている
地中熱を利用したZEBは、公的機関の庁舎から商業施設、教育施設まで、幅広い建物で導入が進んでいます。
例えば、神奈川県横浜市役所新庁舎では、地中熱システムを利用した空調システムを導入しました。また、東京都内の商業施設でも地中熱を活用したZEBの事例があります。
上記以外にも、全国各地で地中熱を利用したZEBの導入が進んでいます。例えば、学校、病院、オフィスビルなど、さまざまな用途の建物で地中熱が活用されており、省エネに役立っていると言えるでしょう。
地中熱利用によるエネルギー削減効果
地中熱を利用したZEBでは、どの程度のエネルギー削減効果が得られているのでしょうか。
先述の横浜市役所新庁舎の事例では、地中熱を利用した空調システムの導入と、他の技術とも組み合わせ、年間のエネルギー消費量を約50％削減できました。また、東京都内の商業施設の事例でも、地中熱の活用により、エネルギー消費量を40％以上削減できたと報告されています。
これらの事例から、地中熱利用によるエネルギー削減効果は、建物の規模や用途、地域の気候条件などによって異なりますが、一般的に20〜50%程度の削減効果が見込めるでしょう。
参照：地中熱読本
https://www.env.go.jp/content/900542320.pdf
ZEBに適した地中熱システムの特徴
ZEBに地中熱システムを導入する際は、どのようなシステムを選ぶべきなのでしょうか。ここでは、ZEBに適した地中熱システムの特徴について解説します。
地中熱を利用するシステムは？
地中熱を利用するためのシステムには、大きく分けて「クローズドループシステム」と「オープンループシステム」の2種類があります。
クローズドループシステムは、地中に埋設したパイプ内を不凍液が循環する方式で、オープンループシステムは、地下水を直接汲み上げて熱交換をする方式です。
引用：地中熱利用によるZEB・ZEHの事例について
https://www.city.sendai.jp/kankyo/kurashi/machi/machizukuri/energy/documents/setsumei4.pdf
ヒートポンプシステムの特徴
ZEBに導入される地中熱システムの多くは、ヒートポンプ方式を採用しています。
ヒートポンプは、少ない電力で効率的に熱を移動させられる装置で、地中熱との相性が非常に良いとされています。
ヒートポンプシステム①クローズドループ
クローズドループ方式のヒートポンプシステムは、地中に埋設したパイプ内を不凍液が循環する仕組みです。
不凍液が地中の熱を吸収・放出することで、効率的な冷暖房が可能となります。クローズドループ方式は、地下水の汲み上げが不要なため、地盤沈下や水質汚濁のリスクが低いのが特徴です。
ヒートポンプシステム②オープンループ
オープンループ方式のヒートポンプシステムは、地下水を直接汲み上げて熱交換をする仕組みです。汲み上げた地下水は、熱交換後に地中に戻されます。
オープンループ方式は、クローズドループ方式に比べて熱交換効率が高いのが特徴ですが、地下水の水質や水量に左右されるため、導入には適切な調査が必要となります。
ヒートポンプ方式のメリット
ヒートポンプ方式の地中熱システムのメリットは、高い省エネ性能と長寿命にあります。
ヒートポンプは、投入した電力の3倍以上の熱エネルギーを取り出せるため、非常に効率的です。また、地中に埋設するパイプや熱交換器は、耐久性が高く、メンテナンスも少なくて済むため、長期的な運用に適しているのです。
地中熱を利用したZEBの費用対効果
地中熱を利用したZEBは、初期コストが高いことが課題です。しかし、長期的な視点で見れば、大きなコストメリットが得られる可能性があります。
ここでは、地中熱を利用したZEBの費用対効果について解説します。
地中熱システムの初期コストと運用コスト
地中熱システムの初期コストは、通常の空調システムに比べて高くなる傾向にあります。
主にかかるのは以下の費用です。
- 掘削費用（ボーリング費用）
- ヒートポンプユニット費用
- 配管工事費用
一方、運用コストは高い省エネ性能により、大幅に抑えられます。電力消費量が少ないため光熱費の大幅な節約が可能です。また、ランニングコストもほぼかかりません。
地中熱利用による長期的なコストメリット
地中熱を利用したZEBは初期コストが高いものの、長期的なコストメリットが期待できます。
最大限に活用することで、従来の建物が消費する一次エネルギーを大きく削減できる環境システムです。そのため環境に対する負荷や光熱費が少なくすむメリットがあります。
また地中熱は地域の特性を活かせるエネルギーであり、長期間にわたって安定的に利用できるのも利点の一つです。整備後のメンテナンスが不要なため、ランニングコストを大幅に削減できるのは地中熱利用における大きなメリットでしょう。
原子力発電や火力発電では、エネルギーの6割がロスしてしまうと言われています。それに比べ、地中熱はエネルギーが無駄なく使えるのが特徴です。
さらに、地中熱交換器は耐久性が高く、長寿命であるため、設備の交換頻度が低く抑えられ、長期的なコスト削減につながります。
ZEBについての相談は「環境・省エネルギー計算センター」まで！
ZEBと地中熱の組み合わせは、省エネ建築の実現に有効です。
しかし、実際にZEBを計画する際には、さまざまな課題や疑問が生じやすいのも事実です。
そのような時は、ぜひ「環境・省エネルギー計算センター」にご相談ください。
※専門的な内容となりますので、個人の方は設計事務所や施工会社を通してご相談された方がスムーズです。
