Energieeffizienz über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes ist das wichtigste Ziel der nachhaltigen Architektur. Architekten setzen viele verschiedene passive und aktive Techniken ein, um den Energiebedarf von Gebäuden zu reduzieren und ihre Fähigkeit zu erhöhen, ihre eigene Energie zu erfassen oder zu erzeugen. Um die Kosten und die Komplexität zu minimieren, setzt die nachhaltige Architektur vorrangig auf passive Systeme, um die Lage des Gebäudes mit integrierten architektonischen Elementen auszunutzen, wobei erneuerbare Energiequellen und fossile Brennstoffe nur bei Bedarf eingesetzt werden. Eine Standortanalyse kann eingesetzt werden, um die Nutzung lokaler Umweltressourcen wie Tageslicht und Umgebungswind für Heizung und Lüftung zu optimieren.
Effizienz von Heiz-, Lüftungs- und KühlsystemenBearbeiten
Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche passive Architekturstrategien entwickelt. Beispiele für solche Strategien sind die Anordnung von Räumen oder die Größe und Ausrichtung von Fenstern in einem Gebäude sowie die Ausrichtung von Fassaden und Straßen oder das Verhältnis zwischen Gebäudehöhen und Straßenbreiten bei der Stadtplanung.
Ein wichtiges und kosteneffizientes Element eines effizienten Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungssystems (HVAC) ist ein gut isoliertes Gebäude. Ein effizienteres Gebäude benötigt weniger Wärmeerzeugungs- oder -ableitungsleistung, kann aber mehr Belüftungskapazität erfordern, um die verschmutzte Innenraumluft abzuführen.
Erhebliche Mengen an Energie werden mit dem Wasser-, Luft- und Kompoststrom aus den Gebäuden gespült. Standardtechnologien für das Energierecycling vor Ort können Energie aus heißem Abwasser und verbrauchter Luft zurückgewinnen und diese Energie in frisches, kaltes Wasser oder frische Luft übertragen. Die Rückgewinnung von Energie aus Kompost, der Gebäude verlässt, für andere Zwecke als die Gartenarbeit erfordert zentrale anaerobe Vergärungsanlagen.
Klimaanlagen werden von Motoren angetrieben. Kupfer trägt im Vergleich zu anderen Metallleitern dazu bei, die elektrische Energieeffizienz von Motoren zu verbessern und damit die Nachhaltigkeit elektrischer Gebäudekomponenten zu erhöhen.
Standort und Gebäudeausrichtung haben große Auswirkungen auf die HLK-Effizienz eines Gebäudes.
Passive Solargebäude ermöglichen es Gebäuden, die Energie der Sonne effizient zu nutzen, ohne dass aktive Solarmechanismen wie Fotovoltaikzellen oder Solarwarmwasserkollektoren eingesetzt werden müssen. In der Regel werden bei der Planung von Gebäuden mit passiver Sonneneinstrahlung Materialien mit hoher thermischer Masse verwendet, die die Wärme effektiv speichern, sowie eine starke Isolierung, die das Entweichen von Wärme verhindert. Niedrigenergiekonzepte erfordern auch die Verwendung von Sonnenschutz durch Markisen, Jalousien oder Rollläden, um den solaren Wärmegewinn im Sommer zu verringern und den Bedarf an künstlicher Kühlung zu reduzieren. Darüber hinaus haben Niedrigenergiegebäude in der Regel ein sehr geringes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, um den Wärmeverlust zu minimieren. Das bedeutet, dass weitläufige Gebäude mit mehreren Flügeln (von denen man oft annimmt, dass sie „organischer“ aussehen) oft zugunsten von zentraleren Strukturen vermieden werden. Traditionelle Gebäude für kalte Klimazonen, wie z. B. die amerikanischen Salzkästen aus der Kolonialzeit, bieten ein gutes historisches Modell für die zentrale Wärmeeffizienz in einem kleinen Gebäude.
Fenster werden so platziert, dass sie den Einfall von wärmeerzeugendem Licht maximieren und gleichzeitig den Wärmeverlust durch Glas, einen schlechten Isolator, minimieren. In der nördlichen Hemisphäre bedeutet dies in der Regel, dass eine große Anzahl von nach Süden ausgerichteten Fenstern eingebaut wird, um direkte Sonneneinstrahlung zu erhalten, und dass die Anzahl der nach Norden ausgerichteten Fenster stark eingeschränkt wird. Bestimmte Fenstertypen, wie z. B. doppelt oder dreifach verglaste Isolierfenster mit gasgefüllten Zwischenräumen und Beschichtungen mit niedrigem Emissionsgrad (Low-E), bieten eine wesentlich bessere Isolierung als Einfachglasfenster. Die Vermeidung übermäßiger Sonneneinstrahlung durch Sonnenschutzvorrichtungen in den Sommermonaten ist wichtig, um den Kühlbedarf zu verringern. Laubbäume werden oft vor den Fenstern gepflanzt, um im Sommer mit ihren Blättern die übermäßige Sonneneinstrahlung zu blockieren, aber im Winter, wenn die Blätter abfallen, Licht durchzulassen. Jalousien oder Lichtschächte werden installiert, um das Sonnenlicht im Winter (wenn die Sonne tiefer steht) hereinzulassen und es im Sommer (wenn die Sonne hoch steht) draußen zu halten. Nördlich von Gebäuden werden oft Nadelgehölze oder immergrüne Pflanzen gepflanzt, um vor kalten Nordwinden zu schützen.
In kälteren Klimazonen sind Heizungssysteme ein Hauptaugenmerk für nachhaltige Architektur, da sie in der Regel einer der größten Energieverschwender in Gebäuden sind.
In wärmeren Klimazonen, in denen die Kühlung ein Hauptanliegen ist, können passive Solarkonzepte ebenfalls sehr effektiv sein. Mauerwerksbaustoffe mit hoher thermischer Masse sind sehr wertvoll, um die kühlen Temperaturen der Nacht den ganzen Tag über zu halten. Außerdem entscheiden sich Bauherren oft für weitläufige einstöckige Strukturen, um die Oberfläche und den Wärmeverlust zu maximieren. Die Gebäude sind oft so konzipiert, dass sie die vorhandenen Winde einfangen und kanalisieren, insbesondere die besonders kühlen Winde, die von nahe gelegenen Gewässern kommen.
In Klimazonen mit vier Jahreszeiten wird ein integriertes Energiesystem effizienter: wenn das Gebäude gut isoliert ist, wenn es so platziert ist, dass es mit den Kräften der Natur zusammenarbeitet, wenn Wärme zurückgewonnen wird (um sofort genutzt oder gespeichert zu werden), wenn das Heizwerk, das auf fossile Brennstoffe oder Elektrizität angewiesen ist, einen Wirkungsgrad von mehr als 100 % hat und wenn erneuerbare Energien eingesetzt werden.
Erneuerbare EnergieerzeugungBearbeiten
SonnenkollektorenBearbeiten
Aktive Solaranlagen, wie z.B. photovoltaische Solarmodule, helfen dabei, nachhaltig Strom für jeden Zweck zu erzeugen. Die elektrische Leistung eines Solarmoduls hängt von der Ausrichtung, dem Wirkungsgrad, dem Breitengrad und dem Klima ab – selbst auf demselben Breitengrad variiert die Sonneneinstrahlung. Typische Wirkungsgrade für handelsübliche PV-Module liegen zwischen 4 % und 28 %. Der geringe Wirkungsgrad bestimmter Photovoltaikmodule kann die Amortisationszeit ihrer Installation erheblich beeinträchtigen. Dieser niedrige Wirkungsgrad bedeutet nicht, dass Solarmodule keine brauchbare Energiealternative sind. In Deutschland zum Beispiel werden Solarmodule häufig im Wohnungsbau installiert.
Dächer werden oft zur Sonne hin ausgerichtet, damit die Photovoltaik-Module mit maximalem Wirkungsgrad auflaufen können. In der nördlichen Hemisphäre maximiert eine Ausrichtung nach Süden den Ertrag der Solarmodule. Wenn eine Südausrichtung nicht möglich ist, können Solarmodule ausreichend Energie erzeugen, wenn sie innerhalb von 30° nach Süden ausgerichtet sind. In höheren Breitengraden wird die Energieausbeute im Winter jedoch deutlich geringer sein, wenn sie nicht nach Süden ausgerichtet ist.
Um den Wirkungsgrad im Winter zu maximieren, kann der Kollektor über dem horizontalen Breitengrad +15° ausgerichtet werden. Um den Wirkungsgrad im Sommer zu maximieren, sollte der Winkel -15° betragen. Für eine maximale Jahresproduktion sollte der Winkel des Kollektors über der Horizontalen jedoch gleich dem Breitengrad sein.
WindkraftanlagenBearbeiten
Der Einsatz von unterdimensionierten Windkraftanlagen zur Energiegewinnung in nachhaltigen Strukturen erfordert die Berücksichtigung vieler Faktoren. Was die Kosten betrifft, so sind kleine Windkraftanlagen im Verhältnis zur erzeugten Energiemenge im Allgemeinen teurer als größere Windkraftanlagen. Bei kleinen Windturbinen können die Wartungskosten an Standorten mit geringer Windausbeute ein entscheidender Faktor sein. An windschwachen Standorten kann die Wartung einen Großteil der Einnahmen einer kleinen Windkraftanlage aufzehren. Windturbinen werden ab einer Windgeschwindigkeit von 8 mph in Betrieb genommen, erreichen ihre Energieerzeugungskapazität bei Geschwindigkeiten von 32-37 mph und werden bei Geschwindigkeiten von mehr als 55 mph abgeschaltet, um Schäden zu vermeiden. Das Energiepotenzial einer Windturbine ist proportional zum Quadrat der Länge ihrer Flügel und zur dritten Potenz der Geschwindigkeit, mit der sich ihre Flügel drehen. Obwohl es Windturbinen gibt, die ein einzelnes Gebäude mit Strom versorgen können, hängt die Effizienz der Windturbine aufgrund dieser Faktoren stark von den Windverhältnissen am Standort des Gebäudes ab. Aus diesen Gründen müssen Windturbinen, um überhaupt effizient zu sein, an Standorten installiert werden, von denen bekannt ist, dass sie eine konstante Windmenge erhalten (mit durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten von mehr als 15 mph), und nicht an Standorten, die nur sporadisch Wind erhalten. Eine kleine Windturbine kann auf einem Dach installiert werden. Bei der Installation sind jedoch die Festigkeit des Daches, Vibrationen und die durch den Dachvorsprung verursachten Turbulenzen zu berücksichtigen. Es ist bekannt, dass kleine Windturbinen auf Dächern zwischen 10 % und 25 % des Strombedarfs eines normalen Haushalts erzeugen können. Turbinen für den Hausgebrauch haben in der Regel einen Durchmesser von 2 m bis 8 m und erzeugen bei der geprüften Windgeschwindigkeit 900 bis 10.000 Watt Strom.
Solare WarmwasserbereitungBearbeiten
Solare Warmwasserbereiter, auch solare Brauchwassersysteme genannt, können eine kostengünstige Möglichkeit sein, Warmwasser für ein Haus zu erzeugen. Sie können in jedem Klima eingesetzt werden, und der Brennstoff, den sie nutzen – die Sonneneinstrahlung – ist kostenlos.
Es gibt zwei Arten von Solaranlagen – aktive und passive. Ein aktives Solarkollektorsystem kann etwa 80 bis 100 Liter Warmwasser pro Tag erzeugen. Ein passives System hat eine geringere Kapazität.
Es gibt auch zwei Arten von Zirkulationssystemen, direkte Zirkulationssysteme und indirekte Zirkulationssysteme. Bei direkten Zirkulationssystemen wird das Brauchwasser in einem Kreislauf durch die Platten geleitet. Sie sollten nicht in Klimazonen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt verwendet werden. Bei der indirekten Zirkulation wird Glykol oder eine andere Flüssigkeit durch die Solarkollektoren geleitet und ein Wärmetauscher verwendet, um das Brauchwasser zu erwärmen.
Die beiden gebräuchlichsten Arten von Kollektoren sind Flachkollektoren und Evakuierungsröhren. Beide funktionieren ähnlich, mit dem Unterschied, dass evakuierte Röhren keine Konvektionswärme verlieren, was ihren Wirkungsgrad erheblich verbessert (5-25% höherer Wirkungsgrad). Mit diesen höheren Wirkungsgraden können Vakuumröhren-Solarkollektoren auch höhere Temperaturen für die Raumheizung und sogar höhere Temperaturen für Absorptionskühlsysteme erzeugen.
Wassererhitzer mit elektrischem Widerstand, die heute in Haushalten üblich sind, haben einen Strombedarf von etwa 4500 kW-h/Jahr. Durch den Einsatz von Solarkollektoren wird der Energiebedarf halbiert. Die Anschaffungskosten für die Installation von Solarkollektoren sind hoch, aber mit den jährlichen Energieeinsparungen sind die Amortisationszeiten relativ kurz.
WärmepumpenBearbeiten
Luft-Wärmepumpen (ASHP) kann man sich als reversible Klimaanlagen vorstellen. Wie eine Klimaanlage kann eine ASHP Wärme aus einem relativ kühlen Raum (z. B. einem Haus mit 70 °F) aufnehmen und an einen heißen Ort (z. B. draußen bei 85 °F) abgeben. Im Gegensatz zu einer Klimaanlage können der Kondensator und der Verdampfer einer ASHP jedoch die Rollen wechseln und Wärme aus der kühlen Außenluft aufnehmen und in ein warmes Haus abgeben.
Luft-Wärmepumpen sind im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystemen kostengünstig. Die Effizienz von Luft-Wärmepumpen nimmt jedoch ab, wenn die Außentemperatur sehr kalt oder sehr heiß ist; daher sind sie nur in gemäßigten Klimazonen wirklich anwendbar.
Für Gebiete, die nicht in gemäßigten Klimazonen liegen, bieten Erdwärmepumpen eine effiziente Alternative. Der Unterschied zwischen den beiden Wärmepumpen besteht darin, dass bei der Erdwärmepumpe einer der Wärmetauscher unter der Erde angebracht ist – in der Regel in horizontaler oder vertikaler Anordnung. Erdwärmepumpen nutzen die relativ konstanten, milden Temperaturen im Erdreich, was bedeutet, dass ihr Wirkungsgrad wesentlich höher sein kann als der einer Luftwärmepumpe. Der Erdwärmetauscher benötigt in der Regel eine große Fläche. Konstrukteure haben sie auf einer Freifläche neben dem Gebäude oder unter einem Parkplatz platziert.
Energy Star-Erdwärmepumpen können 40 % bis 60 % effizienter sein als ihre Pendants mit Luftquelle. Sie sind außerdem leiser und können auch für andere Funktionen wie die Warmwasserbereitung eingesetzt werden.
In Bezug auf die Anschaffungskosten kostet die Installation einer Erdwärmepumpe etwa doppelt so viel wie die einer herkömmlichen Luftwärmepumpe. Die Anschaffungskosten können jedoch durch die geringeren Energiekosten mehr als ausgeglichen werden. Die Senkung der Energiekosten macht sich besonders in Gebieten mit typisch heißen Sommern und kalten Wintern bemerkbar.
Andere Arten von Wärmepumpen sind Wasser- und Luft-Erd-Wärmepumpen. Befindet sich das Gebäude in der Nähe eines Gewässers, kann der Teich oder See als Wärmequelle oder -senke genutzt werden. Luft-Erd-Wärmepumpen lassen die Luft des Gebäudes durch unterirdische Kanäle zirkulieren. Aufgrund des höheren Leistungsbedarfs der Gebläse und der ineffizienten Wärmeübertragung sind Luft-Erd-Wärmepumpen im Allgemeinen für größere Gebäude nicht geeignet.