La eficiencia energética durante todo el ciclo de vida de un edificio es el objetivo más importante de la arquitectura sostenible. Los arquitectos utilizan muchas técnicas pasivas y activas diferentes para reducir las necesidades energéticas de los edificios y aumentar su capacidad de captar o generar su propia energía. Para minimizar el coste y la complejidad, la arquitectura sostenible da prioridad a los sistemas pasivos para aprovechar la ubicación del edificio con elementos arquitectónicos incorporados, complementando con fuentes de energía renovable y luego con recursos de combustibles fósiles sólo cuando sea necesario. El análisis del emplazamiento puede emplearse para optimizar el uso de la explotación de los recursos ambientales locales, como la luz del día y el viento ambiental para la calefacción y la ventilación.
Eficiencia de los sistemas de calefacción, ventilación y refrigeraciónEditar
A lo largo del tiempo se han desarrollado numerosas estrategias de arquitectura pasiva. Ejemplos de estas estrategias son la disposición de las habitaciones o el tamaño y la orientación de las ventanas en un edificio, y la orientación de las fachadas y las calles o la relación entre las alturas de los edificios y la anchura de las calles para la planificación urbana.
Un elemento importante y rentable de un sistema eficiente de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) es un edificio bien aislado. Un edificio más eficiente requiere menos potencia de generación o disipación de calor, pero puede requerir más capacidad de ventilación para expulsar el aire interior contaminado.
Cantidades significativas de energía son expulsadas de los edificios en los flujos de agua, aire y compost. Las tecnologías de reciclado de energía in situ pueden recapturar eficazmente la energía del agua caliente residual y del aire viciado y transferir esa energía al agua fría o al aire fresco entrante. La recuperación de energía para usos distintos de la jardinería a partir del compost que sale de los edificios requiere digestores anaeróbicos centralizados.
Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado funcionan con motores. El cobre, frente a otros conductores metálicos, ayuda a mejorar la eficiencia de la energía eléctrica de los motores, mejorando así la sostenibilidad de los componentes eléctricos de los edificios.
El emplazamiento y la orientación del edificio tienen algunos efectos importantes en la eficiencia de la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado de un edificio.
El diseño de edificios con energía solar pasiva permite que los edificios aprovechen la energía del sol de forma eficiente sin el uso de ningún mecanismo solar activo, como células fotovoltaicas o paneles solares de agua caliente. Por lo general, los diseños de edificios solares pasivos incorporan materiales con alta masa térmica que retienen el calor de manera eficaz y un fuerte aislamiento que funciona para evitar la fuga de calor. Los diseños de bajo consumo energético también requieren el uso de protección solar, mediante toldos, persianas o contraventanas, para aliviar la ganancia de calor solar en verano y reducir la necesidad de refrigeración artificial. Además, los edificios de bajo consumo energético suelen tener una relación superficie/volumen muy baja para minimizar la pérdida de calor. Esto significa que a menudo se evitan los diseños de edificios con múltiples alas (que suelen tener un aspecto más «orgánico») en favor de estructuras más centralizadas. Los edificios tradicionales de climas fríos, como los diseños coloniales americanos de cajas de sal, proporcionan un buen modelo histórico de eficiencia térmica centralizada en un edificio de pequeña escala.
Las ventanas se colocan para maximizar la entrada de luz creadora de calor mientras se minimiza la pérdida de calor a través del vidrio, un mal aislante. En el hemisferio norte, esto suele implicar la instalación de un gran número de ventanas orientadas al sur para recoger el sol directo y restringir en gran medida el número de ventanas orientadas al norte. Algunos tipos de ventanas, como las de doble o triple acristalamiento aislante con espacios rellenos de gas y revestimientos de baja emisividad (low-E), proporcionan un aislamiento mucho mejor que las ventanas de un solo cristal. Evitar el exceso de ganancia solar mediante dispositivos de protección solar en los meses de verano es importante para reducir las necesidades de refrigeración. A menudo se plantan árboles de hoja caduca delante de las ventanas para bloquear el exceso de sol en verano con sus hojas, pero dejar pasar la luz en invierno cuando se caen. Se instalan rejillas o repisas de luz para dejar entrar la luz solar durante el invierno (cuando el sol está más bajo en el cielo) y mantenerla fuera en verano (cuando el sol está alto en el cielo). Las coníferas o las plantas de hoja perenne suelen plantarse al norte de los edificios para protegerlos de los fríos vientos del norte.
En los climas más fríos, los sistemas de calefacción son uno de los principales objetivos de la arquitectura sostenible porque suelen ser uno de los mayores consumos de energía de los edificios.
En los climas más cálidos, en los que la refrigeración es la principal preocupación, los diseños solares pasivos también pueden ser muy eficaces. Los materiales de construcción de mampostería con alta masa térmica son muy valiosos para retener las temperaturas frescas de la noche durante el día. Además, los constructores suelen optar por estructuras de una sola planta para maximizar la superficie y la pérdida de calor. Los edificios se diseñan a menudo para captar y canalizar los vientos existentes, en particular los vientos especialmente frescos procedentes de las masas de agua cercanas. Muchas de estas valiosas estrategias se emplean de algún modo en la arquitectura tradicional de las regiones cálidas, como los edificios de las misiones del suroeste.
En climas con cuatro estaciones, un sistema energético integrado aumentará su eficiencia: cuando el edificio esté bien aislado, cuando esté situado para trabajar con las fuerzas de la naturaleza, cuando se recupere el calor (para utilizarlo inmediatamente o almacenarlo), cuando la planta de calor que depende de los combustibles fósiles o de la electricidad tenga una eficiencia superior al 100% y cuando se utilice energía renovable.
Generación de energía renovableEditar
Paneles solaresEditar
Los dispositivos solares activos, como los paneles solares fotovoltaicos, ayudan a proporcionar electricidad sostenible para cualquier uso. La producción eléctrica de un panel solar depende de la orientación, la eficiencia, la latitud y el clima: la ganancia solar varía incluso en la misma latitud. Las eficiencias típicas de los paneles fotovoltaicos disponibles en el mercado oscilan entre el 4% y el 28%. La baja eficiencia de algunos paneles fotovoltaicos puede afectar significativamente al periodo de amortización de su instalación. Esta baja eficiencia no significa que los paneles solares no sean una alternativa energética viable. En Alemania, por ejemplo, los paneles solares se instalan habitualmente en la construcción de viviendas.
Los tejados suelen estar orientados hacia el sol para permitir que los paneles fotovoltaicos se acumulen con la máxima eficiencia. En el hemisferio norte, la orientación hacia el sur maximiza el rendimiento de los paneles solares. Si no es posible orientar el tejado hacia el sur, los paneles solares pueden producir la energía adecuada si se orientan a menos de 30º del sur. Sin embargo, en latitudes más altas, el rendimiento energético en invierno se reducirá significativamente si la orientación no es hacia el sur.
Para maximizar la eficiencia en invierno, el colector puede estar inclinado por encima de la latitud horizontal +15°. Para maximizar la eficiencia en verano, el ángulo debe ser de Latitud -15°. Sin embargo, para una producción máxima anual, el ángulo del panel sobre la horizontal debe ser igual a su latitud.
AerogeneradoresEditar
El uso de aerogeneradores de tamaño reducido para la producción de energía en estructuras sostenibles requiere la consideración de muchos factores. Al considerar los costes, los sistemas eólicos pequeños suelen ser más caros que los aerogeneradores más grandes en relación con la cantidad de energía que producen. En el caso de los aerogeneradores pequeños, los costes de mantenimiento pueden ser un factor decisivo en los emplazamientos con poca capacidad de aprovechamiento del viento. En lugares con poco viento, el mantenimiento puede consumir gran parte de los ingresos de un aerogenerador pequeño. Los aerogeneradores comienzan a funcionar cuando los vientos alcanzan las 8 mph, alcanzan la capacidad de producción de energía a velocidades de 32-37 mph, y se apagan para evitar daños a velocidades superiores a 55 mph. El potencial energético de un aerogenerador es proporcional al cuadrado de la longitud de sus palas y al cubo de la velocidad a la que éstas giran. Aunque existen turbinas eólicas que pueden complementar la energía de un solo edificio, debido a estos factores, la eficiencia de la turbina eólica depende mucho de las condiciones de viento en el lugar de construcción. Por estas razones, para que los aerogeneradores sean eficientes, deben instalarse en lugares que reciban una cantidad constante de viento (con una velocidad media de más de 15 mph), en lugar de lugares que reciban viento de forma esporádica. Una pequeña turbina eólica puede instalarse en un tejado. En ese caso, los problemas de instalación incluyen la resistencia del tejado, las vibraciones y las turbulencias causadas por el saliente del tejado. Se sabe que las turbinas eólicas de pequeña escala instaladas en los tejados son capaces de generar entre un 10% y un 25% de la electricidad que necesita una vivienda doméstica normal. Las turbinas para uso a escala residencial suelen tener entre 7 pies (2 m) y 25 pies (8 m) de diámetro y producen electricidad a una tasa de 900 vatios a 10.000 vatios a su velocidad de viento probada.
Calentamiento solar de aguaEditar
Los calentadores solares de agua, también llamados sistemas solares de agua caliente sanitaria, pueden ser una forma rentable de generar agua caliente para un hogar. Pueden utilizarse en cualquier clima, y el combustible que utilizan -la luz del sol- es gratuito.
Hay dos tipos de sistemas solares de agua: activos y pasivos. Un sistema activo de colectores solares puede producir entre 80 y 100 galones de agua caliente al día. Un sistema pasivo tendrá una capacidad menor.
También hay dos tipos de circulación, sistemas de circulación directa y sistemas de circulación indirecta. Los sistemas de circulación directa hacen circular el agua sanitaria a través de los paneles. No deben utilizarse en climas con temperaturas bajo cero. Los sistemas de circulación indirecta hacen circular glicol u otro fluido a través de los paneles solares y utilizan un intercambiador de calor para calentar el agua sanitaria.
Los dos tipos más comunes de paneles colectores son los de placa plana y los de tubo de vacío. Ambos funcionan de forma similar, salvo que los tubos de vacío no pierden calor por convección, lo que mejora enormemente su eficiencia (entre un 5% y un 25% más). Con estas eficiencias más altas, los colectores solares de tubos de vacío también pueden producir calefacción de espacios a mayor temperatura, e incluso temperaturas más altas para los sistemas de refrigeración por absorción.
Los calentadores de agua de resistencia eléctrica que son comunes en los hogares hoy en día tienen una demanda eléctrica de alrededor de 4500 kW-h/año. Con el uso de colectores solares, el uso de energía se reduce a la mitad. El coste inicial de la instalación de colectores solares es elevado, pero con el ahorro energético anual, los periodos de amortización son relativamente cortos.
Bombas de calorEditar
Las bombas de calor de fuente de aire (ASHP) pueden considerarse como acondicionadores de aire reversibles. Al igual que un acondicionador de aire, una ASHP puede tomar el calor de un espacio relativamente frío (por ejemplo, una casa a 70 °F) y verterlo en un lugar caliente (por ejemplo, en el exterior a 85 °F). Sin embargo, a diferencia de un acondicionador de aire, el condensador y el evaporador de una ASHP pueden cambiar los papeles y absorber el calor del aire exterior frío y verterlo en una casa caliente.
Las bombas de calor aerotérmicas son baratas en relación con otros sistemas de bombas de calor. Sin embargo, la eficiencia de las bombas de calor aerotérmicas disminuye cuando la temperatura exterior es muy fría o muy caliente; por lo tanto, sólo son realmente aplicables en climas templados.
Para las zonas no situadas en climas templados, las bombas de calor geotérmicas ofrecen una alternativa eficiente. La diferencia entre las dos bombas de calor es que la de fuente terrestre tiene uno de sus intercambiadores de calor colocado bajo tierra, normalmente en una disposición horizontal o vertical. La fuente terrestre aprovecha las temperaturas relativamente constantes y suaves del subsuelo, lo que significa que su eficiencia puede ser mucho mayor que la de una bomba de calor de aire. El intercambiador de calor enterrado suele necesitar una superficie considerable. Los diseñadores las han colocado en una zona abierta junto al edificio o debajo de un aparcamiento.
Las bombas de calor geotérmicas Energy Star pueden ser entre un 40% y un 60% más eficientes que sus homólogas de aire. Además, son más silenciosas y también pueden aplicarse a otras funciones como el calentamiento de agua caliente sanitaria.
En términos de coste inicial, la instalación del sistema de bomba de calor geotérmica cuesta aproximadamente el doble que la de una bomba de calor de aire estándar. Sin embargo, los costes iniciales pueden verse compensados con creces por la disminución de los costes energéticos. La reducción de los costes energéticos es especialmente evidente en zonas con veranos típicamente calurosos e inviernos fríos.
Otros tipos de bombas de calor son las de agua y aire-tierra. Si el edificio está situado cerca de una masa de agua, el estanque o el lago puede utilizarse como fuente o sumidero de calor. Las bombas de calor aire-tierra hacen circular el aire del edificio a través de conductos subterráneos. Debido a los mayores requisitos de potencia del ventilador y a la ineficacia de la transferencia de calor, las bombas de calor aire-tierra no suelen ser prácticas para las grandes construcciones.