Energieeffektivitet over hele en bygnings livscyklus er det vigtigste mål for bæredygtig arkitektur. Arkitekter anvender mange forskellige passive og aktive teknikker til at reducere bygningers energibehov og øge deres evne til at opsamle eller generere deres egen energi. For at minimere omkostninger og kompleksitet prioriterer bæredygtig arkitektur passive systemer for at drage fordel af bygningens placering med inkorporerede arkitektoniske elementer og supplerer med vedvarende energikilder og derefter kun fossile brændstofressourcer efter behov. Stedanalyse kan anvendes til at optimere udnyttelsen af lokale miljøressourcer såsom dagslys og omgivende vind til opvarmning og ventilation.
Effektivitet af opvarmnings-, ventilations- og kølesystemerRediger
Der er udviklet adskillige passive arkitektoniske strategier gennem tiden. Eksempler på sådanne strategier omfatter indretning af rum eller størrelsen og orienteringen af vinduer i en bygning og orienteringen af facader og gader eller forholdet mellem bygningshøjder og gadebredder i forbindelse med byplanlægning.
Et vigtigt og omkostningseffektivt element i et effektivt varme-, ventilations- og klimaanlæg (HVAC-system) er en velisoleret bygning. En mere effektiv bygning kræver mindre varmeproducerende eller -afledende energi, men kan kræve større ventilationskapacitet for at udlede forurenet indendørs luft.
Signifikante mængder energi skylles ud af bygninger i vand-, luft- og kompoststrømmene. Færdige teknologier til genanvendelse af energi på stedet kan effektivt genvinde energi fra spildvarmt vand og forladt luft og overføre denne energi til indkommende frisk koldt vand eller frisk luft. Genindvinding af energi til andre formål end havebrug fra kompost, der forlader bygninger, kræver centraliserede anaerobe rådnetanke.
HVAC-systemer drives af motorer. Kobber, i modsætning til andre metalledere, bidrager til at forbedre motorernes elektriske energieffektivitet og dermed til at øge bæredygtigheden af elektriske bygningskomponenter.
Stedet og bygningens orientering har nogle vigtige virkninger på en bygnings HVAC-effektivitet.
Design af passive solbygninger gør det muligt for bygninger at udnytte solens energi effektivt uden brug af aktive solmekanismer som f.eks. solceller eller solvarmevandspaneler. Typisk omfatter passive solbygningsdesigns materialer med høj termisk masse, der holder effektivt på varmen, og en stærk isolering, der forhindrer, at varmen slipper ud. Lavenergidesigns kræver også brug af solafskærmning ved hjælp af markiser, persienner eller skodder for at mindske solvarmetilvæksten om sommeren og reducere behovet for kunstig køling. Desuden har lavenergibygninger typisk et meget lavt forhold mellem overfladeareal og volumen for at minimere varmetabet. Det betyder, at man ofte undgår at bygge udstrakte bygninger med flere fløje (som ofte anses for at se mere “organiske” ud) til fordel for mere centraliserede strukturer. Traditionelle bygninger i koldt klima som f.eks. amerikanske koloniale saltkassedesigns er en god historisk model for centraliseret varmeeffektivitet i en bygning i lille skala.
Vinduer placeres for at maksimere tilførslen af varmeskabende lys og samtidig minimere tabet af varme gennem glas, som er en dårlig isolator. På den nordlige halvkugle indebærer dette normalt, at der skal installeres et stort antal sydvendte vinduer for at opsamle direkte sol, og at antallet af nordvendte vinduer skal begrænses kraftigt. Visse vinduestyper, f.eks. isolerede vinduer med dobbelt- eller tredobbelt glas med gasfyldte rum og belægninger med lav emissivitet (low-E), giver en langt bedre isolering end enkeltglasvinduer. Det er vigtigt at forhindre overskydende solindfald ved hjælp af solafskærmningsanordninger i sommermånederne for at reducere kølebehovet. Løvfældende træer plantes ofte foran vinduer for at blokere for meget sol om sommeren med deres blade, men lader lyset komme igennem om vinteren, når bladene falder af. Der installeres lameller eller lysreoler for at lukke sollyset ind om vinteren (når solen står lavere på himlen) og holde det ude om sommeren (når solen står højt på himlen). Nåletræer eller stedsegrønne planter plantes ofte nord for bygningerne for at skærme mod kolde nordenvinde.
I koldere klimaer er varmesystemer et hovedfokus for bæredygtig arkitektur, fordi de typisk er et af de største energidrænere i bygninger.
I varmere klimaer, hvor køling er et primært problem, kan passive soldesigns også være meget effektive. Murede byggematerialer med høj termisk masse er meget værdifulde til at fastholde de kølige temperaturer om natten hele dagen. Desuden vælger bygherrerne ofte vidtløftige strukturer i én etage for at maksimere overfladearealet og varmetabet. Bygninger er ofte designet til at opfange og kanalisere eksisterende vinde, især de særligt kølige vinde, der kommer fra nærliggende vandområder. Mange af disse værdifulde strategier anvendes på en eller anden måde i den traditionelle arkitektur i varme regioner, f.eks. sydvestlige missionsbygninger.
I klimaer med fire årstider vil et integreret energisystem øge effektiviteten: når bygningen er godt isoleret, når den er placeret, så den arbejder sammen med naturens kræfter, når varme genvindes (til øjeblikkelig brug eller oplagring), når varmeværket, der er afhængig af fossile brændstoffer eller elektricitet, er mere end 100 % effektivt, og når der anvendes vedvarende energi.
Produktion af vedvarende energiRediger
SolpanelerRediger
Aktive solcelleanlæg som solcellepaneler er med til at levere bæredygtig elektricitet til ethvert brug. Det elektriske output fra et solcellepanel er afhængigt af orientering, effektivitet, breddegrad og klima – solindvindingen varierer selv på samme breddegrad. De typiske virkningsgrader for kommercielt tilgængelige solcellepaneler ligger mellem 4 % og 28 %. Den lave virkningsgrad for visse solcellepaneler kan påvirke tilbagebetalingstiden for deres installation betydeligt. Denne lave effektivitet betyder ikke, at solpaneler ikke er et levedygtigt energialternativ. I Tyskland er solcellepaneler f.eks. almindeligt installeret i boligbyggeri.
Tagene er ofte vinklet mod solen, så solcellepaneler kan samle solceller med maksimal effektivitet. På den nordlige halvkugle giver en orientering i sydlig retning et maksimalt udbytte for solpaneler. Hvis det ikke er muligt at vende sydpå, kan solpaneler producere tilstrækkelig energi, hvis de er orienteret inden for 30° fra syd. På højere breddegrader vil energiudbyttet om vinteren dog være betydeligt mindre ved ikke-sydlig orientering.
For at maksimere effektiviteten om vinteren kan solfangeren vinkles over den horisontale breddegrad +15°. For at maksimere effektiviteten om sommeren bør vinklen være breddegrad -15°. For at opnå en årlig maksimal produktion bør panelets vinkel over vandret dog være lig med dets breddegrad.
VindmøllerRediger
Anvendelsen af underdimensionerede vindmøller til energiproduktion i bæredygtige strukturer kræver, at der tages hensyn til mange faktorer. Når man overvejer omkostningerne, er små vindsystemer generelt dyrere end større vindmøller i forhold til den mængde energi, de producerer. For små vindmøller kan vedligeholdelsesomkostningerne være en afgørende faktor på steder med marginale vindudnyttelsesmuligheder. På steder med ringe vindstyrke kan vedligeholdelsen opbruge en stor del af en lille vindmølles indtægter. Vindmøller begynder at fungere, når vinden når op på 8 mph, opnår energiproduktionskapacitet ved hastigheder på 32-37 mph og slukker for at undgå skader ved hastigheder på over 55 mph. En vindmølles energipotentiale er proportionalt med kvadratet på vingernes længde og kuben på den hastighed, hvormed vingerne drejer rundt. Selv om der findes vindmøller, som kan supplere strømmen til en enkelt bygning, afhænger vindmøllens effektivitet på grund af disse faktorer i høj grad af vindforholdene på byggepladsen. For at vindmøller overhovedet kan være effektive, skal de derfor installeres på steder, hvor der er kendt for at være konstant vind (med en gennemsnitlig vindhastighed på mere end 15 mph), og ikke på steder, hvor vinden kun er sporadisk. En lille vindmølle kan installeres på et tag. Problemerne i forbindelse med installationen omfatter i så fald tagets styrke, vibrationer og den turbulens, der forårsages af tagkanten. Små vindmøller på tage er kendt for at kunne producere fra 10 % til op til 25 % af den elektricitet, der kræves i en almindelig husstand. Turbiner til brug i boligskala er normalt mellem 2 m (7 fod) og 8 m (25 fod) i diameter og producerer elektricitet med en hastighed på 900 watt til 10.000 watt ved deres testede vindhastighed.
Solvarme til vandopvarmningRediger
Solvarmevandvarmere, også kaldet solvarmeanlæg til varmt brugsvand, kan være en omkostningseffektiv måde at generere varmt vand til et hjem på. De kan bruges i alle klimaer, og det brændstof, de bruger – solskin – er gratis.
Der findes to typer solvandssystemer – aktive og passive. Et aktivt solfangersystem kan producere ca. 80 til 100 galloner varmt vand om dagen. Et passivt system vil have en lavere kapacitet.
Der er også to typer cirkulation, systemer med direkte cirkulation og systemer med indirekte cirkulation. Direkte cirkulationssystemer sløjfer brugsvandet gennem panelerne. De bør ikke anvendes i klimaer med temperaturer under frysepunktet. Indirekte cirkulation fører glykol eller en anden væske gennem solpanelerne og bruger en varmeveksler til at opvarme brugsvandet.
De to mest almindelige typer solfangerpaneler er fladplader og vakuumrør. De to fungerer på samme måde, bortset fra at evakuerede rør ikke mister varme ved konvektion, hvilket i høj grad forbedrer deres effektivitet (5-25 % mere effektiv). Med disse højere virkningsgrader kan solfangere med evakuerede rør også producere rumopvarmning ved højere temperaturer og endnu højere temperaturer til absorptionskølesystemer.
Vandvarmere med elektrisk modstandsdygtighed, som er almindelige i boliger i dag, har et elforbrug på omkring 4500 kW-h/år. Ved brug af solfangere halveres energiforbruget. De indledende omkostninger ved installation af solfangere er høje, men med de årlige energibesparelser er tilbagebetalingstiden relativt kort.
VarmepumperRediger
Luftvarmepumper (ASHP) kan opfattes som reversible klimaanlæg. Ligesom et klimaanlæg kan en ASHP tage varme fra et relativt køligt rum (f.eks. et hus med en temperatur på 70 °F) og sende den ud til et varmt sted (f.eks. udenfor med en temperatur på 85 °F). Men i modsætning til et klimaanlæg kan kondensatoren og fordamperen i en ASHP skifte rolle og optage varme fra den kølige udeluft og dumpe den ind i et varmt hus.
Luftvarmepumper er billige i forhold til andre varmepumpesystemer. Luftvarmepumpernes effektivitet falder dog, når den udendørs temperatur er meget kold eller meget varm; de kan derfor kun anvendes i tempererede klimaer.
For områder, der ikke ligger i tempererede klimaer, er jordvarmepumper (eller geotermiske varmepumper) et effektivt alternativ. Forskellen mellem de to varmepumper er, at jordvarmepumpen har en af sine varmevekslere placeret under jorden – normalt i en vandret eller lodret opstilling. Jordvarmepumper udnytter de relativt konstante, milde temperaturer under jorden, hvilket betyder, at deres effektivitet kan være meget højere end for luftvarmepumper. Den nedgravede varmeveksler har generelt brug for et betydeligt areal. Designere har placeret dem i et åbent område ved siden af bygningen eller under en parkeringsplads.
Energy Star jordvarmepumper kan være 40 % til 60 % mere effektive end deres luftvarmepumper. De er også mere støjsvage og kan også anvendes til andre funktioner som opvarmning af varmt brugsvand.
Med hensyn til de oprindelige omkostninger koster det ca. dobbelt så meget at installere et jordvarmepumpesystem som en standard luftvarmepumpe at installere. De indledende omkostninger kan dog mere end opvejes af faldet i energiomkostningerne. Reduktionen i energiomkostningerne er især tydelig i områder med typisk varme somre og kolde vintre.
Andre typer varmepumper er vand-kildevarmepumper og luft-jordvarmepumper. Hvis bygningen ligger i nærheden af et vandområde, kan dammen eller søen bruges som varmekilde eller -sænke. Luft-jord-varmepumper cirkulerer bygningens luft gennem underjordiske kanaler. Med et større behov for ventilatorstrøm og ineffektiv varmeoverførsel er luft-jord-varmepumper generelt ikke praktisk anvendelige i større byggerier.