Energetická účinnost během celého životního cyklu budovy je nejdůležitějším cílem udržitelné architektury. Architekti používají mnoho různých pasivních i aktivních technik, aby snížili energetické potřeby budov a zvýšili jejich schopnost zachycovat nebo vyrábět vlastní energii. Aby se minimalizovaly náklady a složitost, dává udržitelná architektura přednost pasivním systémům, které využívají polohu budovy se začleněnými architektonickými prvky, a doplňuje je obnovitelnými zdroji energie a fosilními zdroji pak pouze podle potřeby. Analýzu místa lze využít k optimalizaci využití místních zdrojů prostředí, jako je denní světlo a okolní vítr, pro vytápění a větrání.
Účinnost systémů vytápění, větrání a chlazeníEdit
V průběhu času bylo vyvinuto mnoho pasivních architektonických strategií. Příkladem takových strategií je uspořádání místností nebo dimenzování a orientace oken v budově a orientace fasád a ulic nebo poměr mezi výškou budov a šířkou ulic při urbanistickém plánování.
Důležitým a nákladově efektivním prvkem účinného systému vytápění, větrání a klimatizace (HVAC) je dobře izolovaná budova. Účinnější budova vyžaduje menší výkon při výrobě nebo rozptylu tepla, ale může vyžadovat větší větrací kapacitu pro odvod znečištěného vzduchu uvnitř budov.
Významné množství energie se z budov vyplavuje v proudech vody, vzduchu a kompostu. Hotové technologie recyklace energie na místě mohou účinně zpětně získávat energii z odpadní teplé vody a vydýchaného vzduchu a převádět tuto energii do přiváděné čerstvé studené vody nebo čerstvého vzduchu. Zpětné získávání energie z kompostu opouštějícího budovy pro jiné účely než zahradnictví vyžaduje centralizované anaerobní fermentory.
Vzduchotechnické systémy jsou poháněny motory. Měď oproti jiným kovovým vodičům pomáhá zvyšovat účinnost elektrické energie motorů, čímž se zvyšuje udržitelnost elektrických součástí budov.
Nastavení a orientace budovy mají významný vliv na účinnost HVAC.
Pasivní solární konstrukce budov umožňuje budovám účinně využívat sluneční energii bez použití aktivních solárních mechanismů, jako jsou fotovoltaické články nebo solární panely pro ohřev vody. Návrhy pasivních solárních budov obvykle zahrnují materiály s vysokou tepelnou hmotností, které účinně zadržují teplo, a silnou izolaci, která působí proti úniku tepla. Nízkoenergetické návrhy také vyžadují použití slunečního stínění pomocí markýz, žaluzií nebo rolet, které v létě zmírňují tepelné zisky ze slunečního záření a snižují potřebu umělého chlazení. Kromě toho mají nízkoenergetické budovy obvykle velmi nízký poměr plochy k objemu, aby se minimalizovaly tepelné ztráty. To znamená, že se často vyhýbají rozlehlým vícekřídlým konstrukcím budov (o nichž se často předpokládá, že vypadají „organičtěji“) ve prospěch centralizovanějších staveb. Tradiční stavby pro chladné podnebí, jako jsou americké koloniální konstrukce saltbox, představují dobrý historický model centralizované tepelné účinnosti v malé budově.
Okna jsou umístěna tak, aby maximalizovala přívod světla vytvářejícího teplo a zároveň minimalizovala tepelné ztráty sklem, které je špatným izolantem. Na severní polokouli to obvykle zahrnuje instalaci velkého počtu oken orientovaných na jih, která zachycují přímé slunce, a výrazné omezení počtu oken orientovaných na sever. Některé typy oken, například okna s izolačními dvojskly nebo trojskly s plynem vyplněnými prostory a nízkoemisivními (low-E) vrstvami, poskytují mnohem lepší izolaci než okna s jednoduchým sklem. Pro snížení potřeby chlazení je důležité zabránit v letních měsících nadměrným solárním ziskům pomocí stínicích zařízení. Před okny se často vysazují listnaté stromy, které v létě svými listy blokují nadměrné slunce, ale v zimě, když listy opadají, propouštějí světlo. Žaluzie nebo světelné police se instalují tak, aby v zimě (když je slunce níže na obloze) propouštěly sluneční světlo dovnitř a v létě (když je slunce vysoko na obloze) ho zadržovaly. Na sever od budov se často vysazují jehličnaté nebo stálezelené rostliny, které chrání před chladnými severními větry.
V chladnějším podnebí se v rámci udržitelné architektury zaměřuje pozornost především na topné systémy, protože ty jsou obvykle jedním z největších odběratelů energie v budovách.
V teplejším podnebí, kde je hlavním problémem chlazení, mohou být pasivní solární konstrukce také velmi účinné. Zděné stavební materiály s vysokou tepelnou hmotností jsou velmi cenné pro udržení chladných nočních teplot po celý den. Kromě toho stavitelé často volí rozlehlé jednopodlažní stavby, aby maximalizovali plochu a tepelné ztráty. Budovy jsou často navrhovány tak, aby zachycovaly a usměrňovaly stávající větry, zejména obzvláště chladné větry přicházející od blízkých vodních ploch. Mnoho z těchto cenných strategií nějakým způsobem využívá tradiční architektura teplých oblastí, například jihozápadní misijní stavby.
V klimatických podmínkách se čtyřmi ročními obdobími se zvýší účinnost integrovaného energetického systému: pokud je budova dobře izolovaná, pokud je umístěna tak, aby spolupracovala s přírodními silami, pokud je teplo rekuperováno (k okamžitému využití nebo uložení), pokud je účinnost teplárny spoléhající se na fosilní paliva nebo elektřinu vyšší než 100 % a pokud se využívá obnovitelná energie.
Výroba energie z obnovitelných zdrojůEdit
Solární panelyEdit
Aktivní solární zařízení, jako jsou fotovoltaické solární panely, pomáhají zajistit trvale udržitelnou elektřinu pro jakékoli použití. Elektrický výkon solárního panelu závisí na orientaci, účinnosti, zeměpisné šířce a klimatu – solární zisky se liší i ve stejné zeměpisné šířce. Typická účinnost komerčně dostupných fotovoltaických panelů se pohybuje od 4 % do 28 %. Nízká účinnost některých fotovoltaických panelů může výrazně ovlivnit dobu návratnosti jejich instalace. Tato nízká účinnost neznamená, že solární panely nejsou životaschopnou energetickou alternativou. Například v Německu se solární panely běžně instalují při výstavbě obytných domů.
Střechy jsou často natočeny směrem ke slunci, aby fotovoltaické panely mohly sbírat energii s maximální účinností. Na severní polokouli maximalizuje výnos solárních panelů orientace na pravý jih. Pokud orientace na pravý jih není možná, mohou solární panely vyrábět dostatečné množství energie, pokud jsou orientovány do 30° od jihu. Ve vyšších zeměpisných šířkách se však výtěžnost energie v zimě při jiné než jižní orientaci výrazně sníží.
Pro maximalizaci účinnosti v zimě lze kolektor naklonit nad horizontální zeměpisnou šířku +15°. Pro maximalizaci účinnosti v létě by měl být úhel -15° zeměpisné šířky. Pro maximální roční produkci by však měl být úhel kolektoru nad vodorovnou rovný jeho zeměpisné šířce.
Větrné turbínyEdit
Použití poddimenzovaných větrných turbín při výrobě energie v udržitelných stavbách vyžaduje zohlednění mnoha faktorů. Při zvažování nákladů jsou malé větrné systémy obecně dražší než větší větrné turbíny v poměru k množství vyrobené energie. U malých větrných turbín mohou být rozhodujícím faktorem náklady na údržbu v místech s okrajovými možnostmi využití větru. V lokalitách se slabým větrem může údržba spotřebovat velkou část příjmů malé větrné turbíny. Větrné turbíny začínají pracovat, když vítr dosáhne rychlosti 8 mph, dosahují kapacity výroby energie při rychlosti 32-37 mph a vypínají se, aby nedošlo k poškození při rychlosti vyšší než 55 mph. Energetický potenciál větrné turbíny je úměrný čtverci délky jejích lopatek a krychli rychlosti, kterou se lopatky otáčejí. Ačkoli jsou k dispozici větrné turbíny, které mohou doplnit energii pro jednu budovu, kvůli těmto faktorům závisí účinnost větrné turbíny do značné míry na větrných podmínkách v místě stavby. Z těchto důvodů, aby byly větrné turbíny vůbec účinné, musí být instalovány na místech, o kterých je známo, že mají stálé množství větru (s průměrnou rychlostí větru vyšší než 15 mph), spíše než na místech, kde vítr fouká sporadicky. Malou větrnou turbínu lze instalovat na střechu. K problémům instalace pak patří pevnost střechy, vibrace a turbulence způsobené střešní římsou. Je známo, že malé střešní větrné turbíny jsou schopny vyrobit 10 % až 25 % elektrické energie potřebné pro běžné domácí obydlí. Turbíny pro použití v obytném měřítku mají obvykle průměr od 7 stop (2 m) do 25 stop (8 m) a při testované rychlosti větru vyrábějí elektřinu o výkonu 900 W až 10 000 W.
Solární ohřev vodyUpravit
Existují dva typy solárních systémů na ohřev vody – aktivní a pasivní. Aktivní systém solárních kolektorů dokáže vyrobit asi 80 až 100 galonů teplé vody za den. Pasivní systém bude mít nižší výkon.
Existují také dva typy cirkulace, systémy s přímou cirkulací a systémy s nepřímou cirkulací. Systémy s přímou cirkulací vedou vodu pro domácnost smyčkou přes panely. Neměly by se používat v klimatických podmínkách s teplotami pod bodem mrazu. Nepřímá cirkulace smyčkuje glykol nebo jinou kapalinu přes solární panely a k ohřevu užitkové vody používá výměník tepla.
Dva nejběžnější typy kolektorových panelů jsou ploché a evakuované trubice. Oba pracují podobně s tím rozdílem, že evakuované trubice neztrácejí teplo konvekcí, což výrazně zvyšuje jejich účinnost (účinnost je o 5-25 % vyšší). Díky těmto vyšším účinnostem mohou solární kolektory s evakuovanými trubkami také produkovat vyšší teploty pro vytápění prostor a ještě vyšší teploty pro absorpční chladicí systémy.
Elektrické odporové ohřívače vody, které jsou dnes běžné v domácnostech, mají elektrickou potřebu kolem 4500 kW-h/rok. Při použití solárních kolektorů se spotřeba energie sníží na polovinu. Počáteční náklady na instalaci solárních kolektorů jsou vysoké, ale vzhledem k ročním úsporám energie je doba návratnosti relativně krátká.
Tepelná čerpadlaEdit
Vzduchová tepelná čerpadla (ASHP) si lze představit jako reverzibilní klimatizace. Stejně jako klimatizace může ASHP odebírat teplo z relativně chladného prostoru (např. z domu o teplotě 70 °F) a vypouštět ho do horkého místa (např. venku o teplotě 85 °F). Na rozdíl od klimatizace však kondenzátor a výparník ASHP mohou přepínat role a odebírat teplo z chladného venkovního vzduchu a vypouštět ho do teplého domu.
Vzduchová tepelná čerpadla jsou ve srovnání s jinými systémy tepelných čerpadel levná. Účinnost vzduchových tepelných čerpadel však klesá, když je venkovní teplota velmi nízká nebo velmi vysoká; proto jsou skutečně použitelná pouze v mírném podnebí.
Pro oblasti, které se nenacházejí v mírném podnebí, představují účinnou alternativu tepelná čerpadla země-voda (nebo geotermální). Rozdíl mezi těmito dvěma tepelnými čerpadly spočívá v tom, že tepelné čerpadlo země-zdroj má jeden z výměníků tepla umístěn pod zemí – obvykle v horizontálním nebo vertikálním uspořádání. Tepelná čerpadla typu země-zdroj využívají relativně stálé a mírné teploty pod zemí, což znamená, že jejich účinnost může být mnohem vyšší než u tepelných čerpadel typu vzduch-zdroj. Zemní výměník tepla obvykle potřebuje značnou plochu. Projektanti je umisťují na volné prostranství vedle budovy nebo pod parkoviště.
Tepelná čerpadla země-voda podle programu Energy Star mohou mít o 40 až 60 % vyšší účinnost než jejich protějšky využívající vzduch. Jsou také tišší a lze je použít i pro další funkce, jako je ohřev teplé užitkové vody.
Z hlediska počátečních nákladů stojí instalace systému tepelného čerpadla země-voda přibližně dvakrát více než instalace standardního tepelného čerpadla vzduch-voda. Počáteční náklady však mohou být více než kompenzovány snížením nákladů na energii. Snížení nákladů na energii se projeví zejména v oblastech s typicky horkými léty a chladnými zimami.
Dalšími typy tepelných čerpadel jsou tepelná čerpadla voda-voda a vzduch-země. Pokud se budova nachází v blízkosti vodní plochy, může být rybník nebo jezero využito jako zdroj nebo jímka tepla. Tepelná čerpadla vzduch-země zajišťují cirkulaci vzduchu v budově prostřednictvím podzemního potrubí. Vzhledem k vyšším nárokům na výkon ventilátoru a neefektivnímu přenosu tepla nejsou tepelná čerpadla vzduch-země obecně praktická pro velké stavby.
.