Energiatehokkuus rakennuksen koko elinkaaren ajan on kestävän arkkitehtuurin tärkein tavoite. Arkkitehdit käyttävät monia erilaisia passiivisia ja aktiivisia tekniikoita vähentääkseen rakennusten energiantarvetta ja lisätäkseen niiden kykyä ottaa talteen tai tuottaa omaa energiaansa. Kustannusten ja monimutkaisuuden minimoimiseksi kestävässä arkkitehtuurissa asetetaan etusijalle passiiviset järjestelmät, joissa hyödynnetään rakennuksen sijaintia ja arkkitehtonisia elementtejä, täydennetään uusiutuvilla energialähteillä ja fossiilisilla polttoaineilla vain tarvittaessa. Sijoituspaikan analyysin avulla voidaan optimoida paikallisten ympäristöresurssien, kuten päivänvalon ja ympäröivän tuulen, hyödyntäminen lämmityksessä ja ilmanvaihdossa.
Lämmitys-, ilmanvaihto- ja jäähdytysjärjestelmien tehokkuus Muokkaa
Lukuisia passiivisia arkkitehtuuristrategioita on kehitetty ajan myötä. Esimerkkejä tällaisista strategioista ovat huoneiden sijoittelu tai ikkunoiden mitoitus ja suuntaus rakennuksessa sekä julkisivujen ja katujen suuntaus tai rakennusten korkeuksien ja katujen leveyden suhde kaupunkisuunnittelussa.
Tärkeä ja kustannustehokas osa tehokasta lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmää (HVAC) on hyvin eristetty rakennus. Tehokkaampi rakennus tarvitsee vähemmän lämpöä tuottavaa tai luovuttavaa tehoa, mutta se voi vaatia enemmän ilmanvaihtokapasiteettia saastuneen sisäilman poistamiseksi.
Vesi-, ilma- ja kompostivirtojen mukana rakennuksista poistuu huomattavia määriä energiaa. Valmiilla, paikan päällä käytettävillä energian kierrätystekniikoilla voidaan tehokkaasti ottaa talteen energiaa lämpimästä jätevedestä ja ummehtuneesta ilmasta ja siirtää tämä energia sisään tulevaan kylmään kylmään veteen tai raikkaaseen ilmaan. Rakennuksista poistuvasta kompostista saatavan energian talteenotto muuhun käyttöön kuin puutarhanhoitoon edellyttää keskitettyjä anaerobisia mädättämöitä.
Lämmitys- ja ilmastointijärjestelmissä on moottorit. Kupari auttaa parantamaan moottoreiden sähköenergian hyötysuhdetta verrattuna muihin metallijohtimiin, mikä parantaa sähköisten rakennusosien kestävyyttä.
Sijoituspaikalla ja rakennuksen suuntauksella on merkittäviä vaikutuksia rakennuksen LVAC-tehokkuuteen.
Passiivisen aurinkoenergian rakennussuunnittelun avulla rakennukset pystyvät hyödyntämään auringon energiaa tehokkaasti ilman aktiivisia aurinkomekanismeja, kuten aurinkokennoja tai aurinkoenergian lämpimän käyttöveden tuottamiseen tarkoitettuja paneeleja. Tyypillisesti passiivisen aurinkorakennuksen suunnittelussa käytetään materiaaleja, joilla on suuri lämpömassa, joka pidättää lämpöä tehokkaasti, sekä vahvaa eristystä, joka estää lämmön karkaamisen. Matalaenergiarakentaminen edellyttää myös aurinkosuojauksen käyttöä markiisien, kaihtimien tai ikkunaluukkujen avulla, jotta auringon lämpövirtaukset vähenevät kesällä ja keinotekoisen jäähdytyksen tarve vähenee. Lisäksi matalaenergiarakennuksissa on tyypillisesti hyvin pieni pinta-alan ja tilavuuden suhde lämpöhäviöiden minimoimiseksi. Tämä tarkoittaa, että rönsyileviä monisiipisiä rakennuksia (joiden ajatellaan usein näyttävän ”orgaanisemmilta”) vältetään usein keskitetympien rakenteiden hyväksi. Perinteiset kylmän ilmaston rakennukset, kuten amerikkalaiset siirtomaa-ajan suolalaatikkorakennukset, tarjoavat hyvän historiallisen mallin keskitetylle lämmöntaloudelliselle tehokkuudelle pienimuotoisessa rakennuksessa.
Ikkunat sijoitetaan siten, että maksimoidaan lämpöä tuottavan valon tulo ja minimoidaan samalla lämpöhäviö lasin, joka on huono eriste, läpi. Pohjoisella pallonpuoliskolla tämä tarkoittaa yleensä sitä, että asennetaan suuri määrä etelään suuntautuvia ikkunoita suoran auringon keräämiseksi ja rajoitetaan voimakkaasti pohjoiseen suuntautuvien ikkunoiden määrää. Tietyt ikkunatyypit, kuten kaksois- tai kolminkertaiset eristetyt ikkunat, joissa on kaasutäytteiset tilat ja matalan emissiivisyyden (low-E) pinnoitteet, eristävät paljon paremmin kuin yksiruutuiset lasi-ikkunat. Ylimääräisen auringonpaisteen estäminen aurinkosuojalaitteilla kesäkuukausina on tärkeää jäähdytystarpeen vähentämiseksi. Ikkunoiden eteen istutetaan usein lehtipuita, joiden lehdet estävät kesällä liiallista auringonvaloa, mutta päästävät talvella valon läpi, kun lehdet putoavat. Sälekaihtimet tai valohyllyt asennetaan siten, että auringonvalo pääsee sisään talvella (kun aurinko on alempana taivaalla) ja pysyy poissa kesällä (kun aurinko on korkealla taivaalla). Havupuita tai ikivihreitä kasveja istutetaan usein rakennusten pohjoispuolelle suojaamaan kylmiltä pohjoistuulilta.
Kylmemmissä ilmastoissa lämmitysjärjestelmät ovat kestävän arkkitehtuurin ensisijainen painopistealue, koska ne ovat tyypillisesti yksi rakennusten suurimmista yksittäisistä energiaviemäreistä.
Lämpimämmissä ilmastoissa, joissa viilennys on ensisijainen huolenaihe, passiivinen aurinkosähköinen muotoilu voi olla myös erittäin tehokas. Muuratut rakennusmateriaalit, joilla on suuri lämpömassa, ovat erittäin arvokkaita säilyttämään yön viileät lämpötilat koko päivän ajan. Lisäksi rakentajat valitsevat usein rönsyileviä yksikerroksisia rakenteita maksimoidakseen pinta-alan ja lämpöhäviön. Rakennukset suunnitellaan usein siten, että ne vangitsevat ja kanavoivat olemassa olevat tuulet, erityisesti läheisistä vesistöistä tulevat erityisen viileät tuulet. Monet näistä arvokkaista strategioista ovat jollakin tavalla käytössä lämpimien alueiden perinteisessä arkkitehtuurissa, kuten lounaisissa lähetysrakennuksissa.
Neljä vuodenaikaa sisältävässä ilmastossa yhdennetyn energiajärjestelmän tehokkuus paranee, kun rakennus on hyvin eristetty, kun se on sijoitettu siten, että se toimii luonnonvoimien kanssa, kun lämpö otetaan talteen (välittömästi käytettäväksi tai varastoitavaksi), kun fossiilisiin polttoaineisiin tai sähköön perustuva lämpölaitos on yli 100-prosenttisen tehokas ja kun käytetään uusiutuvaa energiaa.
Uusiutuvan energian tuotantoEdit
AurinkopaneelitEdit
Aktiiviset aurinkolaitteet, kuten aurinkosähköpaneelit, auttavat tuottamaan kestävää sähköä mihin tahansa käyttöön. Aurinkopaneelin sähköteho on riippuvainen suunnasta, hyötysuhteesta, leveysasteesta ja ilmastosta – auringon tuottama hyöty vaihtelee jopa samalla leveysasteella. Kaupallisesti saatavilla olevien aurinkopaneelien tyypilliset hyötysuhteet vaihtelevat 4 prosentista 28 prosenttiin. Tiettyjen aurinkosähköpaneelien alhainen hyötysuhde voi vaikuttaa merkittävästi niiden asennuksen takaisinmaksuaikaan. Tämä alhainen hyötysuhde ei tarkoita, etteivätkö aurinkopaneelit olisi käyttökelpoinen energiavaihtoehto. Esimerkiksi Saksassa aurinkopaneelit asennetaan yleisesti asuntorakentamiseen.
Kattoja kallistetaan usein aurinkoa kohti, jotta aurinkopaneelit voivat kerätä aurinkoa mahdollisimman tehokkaasti. Pohjoisella pallonpuoliskolla aurinkopaneelien tuotto maksimoituu, kun aurinko on suunnattu etelään. Jos etelään suuntautuminen ei ole mahdollista, aurinkopaneelit voivat tuottaa riittävästi energiaa, jos ne on suunnattu 30 asteen päähän etelästä. Korkeammilla leveysasteilla talven energiantuotto kuitenkin vähenee merkittävästi, jos suuntaus ei ole etelään.
Talvella hyötysuhteen maksimoimiseksi keräin voidaan kallistaa vaakasuoran leveysasteen +15° yläpuolelle. Kesällä hyötysuhteen maksimoimiseksi kulman tulisi olla -15° leveysastetta. Vuotuisen maksimituotannon saavuttamiseksi paneelin kulman vaakatason yläpuolella tulisi kuitenkin olla yhtä suuri kuin sen leveysaste.
Tuulivoimalat Muokkaa
Alimitoitettujen tuuliturbiinien käyttö energiantuotannossa kestävissä rakenteissa edellyttää monien tekijöiden huomioon ottamista. Kustannuksia tarkasteltaessa pienet tuulijärjestelmät ovat yleensä kalliimpia kuin suuremmat tuulivoimalat suhteessa niiden tuottamaan energiamäärään. Pienten tuuliturbiinien osalta huoltokustannukset voivat olla ratkaiseva tekijä kohteissa, joissa tuulivoiman hyödyntämismahdollisuudet ovat vähäiset. Vähätuulisilla paikoilla huolto voi viedä suuren osan pientuulivoimalan tuloista. Tuulivoimalat aloittavat toimintansa, kun tuulen nopeus on 8 mailia tunnissa, saavuttavat energiantuotantokapasiteettinsa nopeudella 32-37 mailia tunnissa ja kytkeytyvät pois päältä vaurioiden välttämiseksi, kun nopeus ylittää 55 mailia tunnissa. Tuulivoimalan energiapotentiaali on verrannollinen sen lapojen pituuden neliöön ja lapojen pyörimisnopeuden kuutioon. Vaikka saatavilla on tuulivoimaloita, jotka voivat täydentää yhden rakennuksen tehoa, näiden tekijöiden vuoksi tuulivoimalan tehokkuus riippuu paljon rakennuspaikan tuuliolosuhteista. Näistä syistä tuulivoimaloiden tehokkuus edellyttää, että ne asennetaan sellaisiin paikkoihin, joissa tuulee tiettävästi jatkuvasti (keskimääräinen tuulen nopeus on yli 15 mailia tunnissa), eikä sellaisiin paikkoihin, joissa tuulee satunnaisesti. Pieni tuuliturbiini voidaan asentaa katolle. Asennuskysymyksiin kuuluvat tällöin katon lujuus, tärinä ja katon reunan aiheuttama turbulenssi. Pienten kattotuuliturbiinien tiedetään pystyvän tuottamaan energiaa 10 prosentista jopa 25 prosenttiin tavallisen kotitalousasunnon tarvitsemasta sähköstä. Asuntokäyttöön tarkoitetut turbiinit ovat yleensä halkaisijaltaan 2 metristä 25 metriin (8 m), ja ne tuottavat sähköä 900 watista 10 000 wattiin testatulla tuulennopeudellaan.
Aurinkoenergialla lämmitettävä vesi Muokkaa
Aurinkoenergialla toimivat vedenlämmittimet, joita kutsutaan myös aurinkoenergialla toimiviksi käyttövesijärjestelmiksi, voivat olla kustannustehokas tapa tuottaa lämmintä vettä kotiin. Niitä voidaan käyttää missä tahansa ilmastossa, ja niiden käyttämä polttoaine – auringonpaiste – on ilmaista.
Aurinkovedenlämmitinjärjestelmiä on kahdenlaisia – aktiivisia ja passiivisia. Aktiivinen aurinkokeräinjärjestelmä voi tuottaa noin 80-100 gallonaa kuumaa vettä päivässä. Passiivisen järjestelmän kapasiteetti on pienempi.
Kiertojärjestelmiä on myös kahta tyyppiä, suora kiertojärjestelmä ja epäsuora kiertojärjestelmä. Suoran kierron järjestelmät kierrättävät käyttövettä paneelien läpi. Niitä ei tulisi käyttää ilmastossa, jossa lämpötila on alle pakkasen. Epäsuora kiertojärjestelmä kierrättää glykolia tai muuta nestettä aurinkopaneelien läpi ja käyttää lämmönvaihdinta käyttöveden lämmittämiseen.
Kaksi yleisintä keräinpaneelityyppiä ovat Flat-Plate ja Evacuated-tube. Ne toimivat samalla tavalla, paitsi että evakuoidut putket eivät menetä lämpöä konvektiivisesti, mikä parantaa niiden tehokkuutta huomattavasti (5-25 % parempi hyötysuhde). Näiden korkeampien hyötysuhteiden ansiosta evakuoitujen putkien aurinkokeräimillä voidaan tuottaa myös korkeamman lämpötilan lämmitystä ja jopa korkeampia lämpötiloja absorptiojäähdytysjärjestelmiä varten.
Kodeissa nykyään yleisten sähkövastuksisten vedenlämmittimien sähköntarve on noin 4500 kWh/vuosi. Aurinkokeräimiä käyttämällä energiankulutus puolittuu. Aurinkokeräinten asennuksen alkukustannukset ovat korkeat, mutta vuotuisten energiansäästöjen ansiosta takaisinmaksuaika on suhteellisen lyhyt.
LämpöpumputMuutos
Lämpöpumppuja (ASHP, Air Source Heat Pump) voidaan ajatella palautuvina ilmastointilaitteina. Kuten ilmastointilaite, ASHP voi ottaa lämpöä suhteellisen viileästä tilasta (esim. 70 °F:n lämpötilassa olevasta talosta) ja luovuttaa sen lämpimään paikkaan (esim. 85 °F:n lämpötilassa olevaan ulkoilmaan). Toisin kuin ilmastointilaitteessa, ASHP:n lauhdutin ja höyrystin voivat kuitenkin vaihtaa roolia ja imeä lämpöä viileästä ulkoilmasta ja pudottaa sen lämpimään taloon.
Lämpöpumput ovat edullisia muihin lämpöpumppujärjestelmiin verrattuna. Ilmalämpöpumppujen hyötysuhde kuitenkin heikkenee, kun ulkolämpötila on hyvin kylmä tai hyvin kuuma; siksi niitä voidaan käyttää vain lauhkeassa ilmastossa.
Alueilla, jotka eivät sijaitse lauhkeassa ilmastossa, maalämpöpumput (tai geotermiset lämpöpumput) ovat tehokas vaihtoehto. Nämä kaksi lämpöpumppua eroavat toisistaan siinä, että maalämpöpumppujen yksi lämmönvaihdin on sijoitettu maan alle – yleensä vaaka- tai pystyasentoon. Maalämpöpumpuissa hyödynnetään maan alla vallitsevia suhteellisen tasaisia ja leutoja lämpötiloja, minkä vuoksi niiden hyötysuhde voi olla paljon suurempi kuin ilmalämpöpumppujen. Maahan sijoitettu lämmönvaihdin tarvitsee yleensä huomattavan paljon pinta-alaa. Suunnittelijat ovat sijoittaneet ne avoimelle alueelle rakennuksen viereen tai parkkipaikan alle.
Energy Star -maalämpöpumput voivat olla 40-60 % tehokkaampia kuin ilmalämpöpumput. Ne ovat myös hiljaisempia, ja niitä voidaan käyttää myös muihin toimintoihin, kuten lämpimän käyttöveden lämmitykseen.
Aloituskustannuksiltaan maalämpöpumppujärjestelmä maksaa asennettuna noin kaksi kertaa enemmän kuin tavallinen ilmalämpöpumppu. Energiakustannusten aleneminen voi kuitenkin enemmän kuin korvata alkukustannukset. Energiakustannusten aleneminen näkyy erityisesti alueilla, joilla on tyypillisesti kuumat kesät ja kylmät talvet.
Muita lämpöpumpputyyppejä ovat vesilämpöpumppu ja ilma-maalämpöpumppu. Jos rakennus sijaitsee lähellä vesistöä, lampea tai järveä voidaan käyttää lämmönlähteenä tai -nieluna. Ilma-maa-lämpöpumput kierrättävät rakennuksen ilmaa maanalaisten kanavien kautta. Koska puhaltimen tehontarve on suurempi ja lämmönsiirto tehotonta, ilma-maa-lämpöpumput eivät yleensä ole käytännöllisiä suurissa rakennuskohteissa.