L’efficacité énergétique sur l’ensemble du cycle de vie d’un bâtiment est l’objectif le plus important de l’architecture durable. Les architectes utilisent de nombreuses techniques passives et actives différentes pour réduire les besoins énergétiques des bâtiments et augmenter leur capacité à capter ou à générer leur propre énergie. Pour minimiser les coûts et la complexité, l’architecture durable donne la priorité aux systèmes passifs afin de tirer parti de l’emplacement du bâtiment avec des éléments architecturaux intégrés, en complétant avec des sources d’énergie renouvelables puis des ressources en combustibles fossiles uniquement en cas de besoin. L’analyse du site peut être employée pour optimiser l’utilisation de l’exploitation des ressources environnementales locales telles que la lumière du jour et le vent ambiant pour le chauffage et la ventilation.
Efficacité des systèmes de chauffage, de ventilation et de refroidissementEdit
De nombreuses stratégies architecturales passives ont été développées au fil du temps. Parmi ces stratégies, on peut citer la disposition des pièces ou le dimensionnement et l’orientation des fenêtres dans un bâtiment, et l’orientation des façades et des rues ou le rapport entre la hauteur des bâtiments et la largeur des rues pour la planification urbaine.
Un élément important et rentable d’un système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) efficace est un bâtiment bien isolé. Un bâtiment plus efficace nécessite moins de puissance de production ou de dissipation de chaleur, mais peut nécessiter une plus grande capacité de ventilation pour expulser l’air intérieur pollué.
Des quantités importantes d’énergie sont évacuées des bâtiments dans les flux d’eau, d’air et de compost. Des technologies de recyclage de l’énergie sur place, prêtes à l’emploi, peuvent récupérer efficacement l’énergie de l’eau chaude usée et de l’air vicié et transférer cette énergie dans l’eau froide ou l’air frais entrant. La récupération de l’énergie pour des utilisations autres que le jardinage à partir du compost quittant les bâtiments nécessite des digesteurs anaérobies centralisés.
Les systèmes CVC sont alimentés par des moteurs. Le cuivre, par rapport à d’autres conducteurs métalliques, aide à améliorer les rendements énergétiques électriques des moteurs, améliorant ainsi la durabilité des composants électriques des bâtiments.
Le site et l’orientation du bâtiment ont certains effets majeurs sur l’efficacité du CVC d’un bâtiment.
La conception de bâtiments solaires passifs permet aux bâtiments d’exploiter efficacement l’énergie du soleil sans utiliser de mécanismes solaires actifs tels que des cellules photovoltaïques ou des panneaux solaires à eau chaude. Généralement, les conceptions de bâtiments solaires passifs intègrent des matériaux à masse thermique élevée qui retiennent efficacement la chaleur et une forte isolation qui fonctionne pour empêcher la fuite de la chaleur. La conception de bâtiments à faible consommation d’énergie nécessite également l’utilisation de protections solaires, au moyen d’auvents, de stores ou de volets, afin d’atténuer l’apport de chaleur solaire en été et de réduire le besoin de refroidissement artificiel. En outre, les bâtiments à faible consommation d’énergie ont généralement un rapport surface/volume très faible afin de minimiser les pertes de chaleur. Cela signifie que les bâtiments tentaculaires à plusieurs ailes (dont l’aspect est souvent considéré comme plus « organique ») sont souvent évités au profit de structures plus centralisées. Les bâtiments traditionnels des climats froids, tels que les conceptions coloniales américaines de boîtes à sel, constituent un bon modèle historique d’efficacité thermique centralisée dans un bâtiment à petite échelle.
Les fenêtres sont placées de manière à maximiser l’apport de lumière créatrice de chaleur tout en minimisant la perte de chaleur à travers le verre, un mauvais isolant. Dans l’hémisphère nord, cela implique généralement d’installer un grand nombre de fenêtres orientées vers le sud pour capter le soleil direct et de limiter fortement le nombre de fenêtres orientées vers le nord. Certains types de fenêtres, comme les fenêtres isolées à double ou triple vitrage avec des espaces remplis de gaz et des revêtements à faible émissivité (low-E), offrent une bien meilleure isolation que les fenêtres à simple vitrage. Il est important de prévenir les gains solaires excessifs au moyen de dispositifs de protection solaire pendant les mois d’été afin de réduire les besoins de refroidissement. Des arbres à feuilles caduques sont souvent plantés devant les fenêtres pour bloquer l’excès de soleil en été avec leurs feuilles mais laisser passer la lumière en hiver lorsque leurs feuilles tombent. Des persiennes ou des étagères à lumière sont installées pour laisser entrer la lumière du soleil en hiver (lorsque le soleil est plus bas dans le ciel) et la laisser sortir en été (lorsque le soleil est haut dans le ciel). Des conifères ou des plantes à feuilles persistantes sont souvent plantés au nord des bâtiments pour faire écran aux vents froids du nord.
Dans les climats plus froids, les systèmes de chauffage sont une priorité pour l’architecture durable, car ils sont généralement l’un des plus grands drains énergétiques uniques dans les bâtiments.
Dans les climats plus chauds où le refroidissement est une préoccupation majeure, les conceptions solaires passives peuvent également être très efficaces. Les matériaux de construction en maçonnerie avec une masse thermique élevée sont très précieux pour conserver les températures fraîches de la nuit tout au long de la journée. En outre, les constructeurs optent souvent pour des structures tentaculaires à un seul étage afin de maximiser la surface et les pertes de chaleur. Les bâtiments sont souvent conçus pour capter et canaliser les vents existants, en particulier les vents particulièrement frais provenant des plans d’eau voisins. Nombre de ces stratégies précieuses sont employées d’une manière ou d’une autre par l’architecture traditionnelle des régions chaudes, comme les bâtiments de mission du sud-ouest.
Dans les climats à quatre saisons, un système énergétique intégré gagnera en efficacité : lorsque le bâtiment est bien isolé, lorsqu’il est implanté de manière à travailler avec les forces de la nature, lorsque la chaleur est récupérée (pour être utilisée immédiatement ou stockée), lorsque l’installation de chauffage reposant sur les combustibles fossiles ou l’électricité a un rendement supérieur à 100 %, et lorsque l’énergie renouvelable est utilisée.
Production d’énergie renouvelableEdit
Panneaux solairesEdit
Les dispositifs solaires actifs tels que les panneaux solaires photovoltaïques aident à fournir une électricité durable pour n’importe quel usage. La production électrique d’un panneau solaire dépend de l’orientation, du rendement, de la latitude et du climat – le gain solaire varie même à la même latitude. Les rendements typiques des panneaux photovoltaïques disponibles dans le commerce varient entre 4 % et 28 %. Le faible rendement de certains panneaux photovoltaïques peut affecter de manière significative le temps de retour sur investissement de leur installation. Ce faible rendement ne signifie pas que les panneaux solaires ne constituent pas une alternative énergétique viable. En Allemagne par exemple, les panneaux solaires sont couramment installés dans la construction de maisons résidentielles.
Les toits sont souvent orientés vers le soleil pour permettre aux panneaux photovoltaïques de capter au maximum de leur efficacité. Dans l’hémisphère nord, une orientation vrai-sud maximise le rendement des panneaux solaires. Si cette orientation n’est pas possible, les panneaux solaires peuvent produire une énergie suffisante s’ils sont orientés à 30° du sud. Cependant, à des latitudes plus élevées, le rendement énergétique en hiver sera considérablement réduit pour une orientation non sud.
Pour maximiser l’efficacité en hiver, le collecteur peut être incliné au-dessus de l’horizontale Latitude +15°. Pour maximiser l’efficacité en été, l’angle doit être de Latitude -15°. Cependant, pour une production annuelle maximale, l’angle du panneau au-dessus de l’horizontale doit être égal à sa latitude.
EoliennesModifier
L’utilisation d’éoliennes sous-dimensionnées pour la production d’énergie dans des structures durables nécessite la prise en compte de nombreux facteurs. En considérant les coûts, les petits systèmes éoliens sont généralement plus chers que les grandes éoliennes par rapport à la quantité d’énergie qu’ils produisent. Pour les petites éoliennes, les coûts de maintenance peuvent être un facteur décisif sur les sites ayant des capacités marginales de captage du vent. Dans les sites à faible vent, la maintenance peut absorber une grande partie des revenus d’une petite éolienne. Les éoliennes commencent à fonctionner lorsque les vents atteignent 8 mph, atteignent leur capacité de production d’énergie à des vitesses de 32-37 mph, et s’arrêtent pour éviter les dommages à des vitesses supérieures à 55 mph. Le potentiel énergétique d’une éolienne est proportionnel au carré de la longueur de ses pales et au cube de la vitesse à laquelle ses pales tournent. Bien qu’il existe des éoliennes qui peuvent fournir de l’énergie à un seul bâtiment, l’efficacité de l’éolienne dépend beaucoup des conditions de vent sur le site du bâtiment. Pour ces raisons, pour que les éoliennes soient efficaces, elles doivent être installées à des endroits connus pour recevoir une quantité constante de vent (avec des vitesses de vent moyennes de plus de 15 mph), plutôt qu’à des endroits qui reçoivent du vent de façon sporadique. Une petite éolienne peut être installée sur un toit. Les problèmes d’installation comprennent alors la résistance du toit, les vibrations et les turbulences causées par le rebord du toit. On sait que les petites éoliennes de toit sont capables de produire de 10 % à 25 % de l’électricité nécessaire à un logement domestique ordinaire. Les turbines pour une utilisation à l’échelle résidentielle ont généralement entre 7 pieds (2 m) et 25 pieds (8 m) de diamètre et produisent de l’électricité à un taux de 900 watts à 10 000 watts à leur vitesse de vent testée.
Chauffage solaire de l’eauModification
Les chauffe-eau solaires, également appelés systèmes solaires d’eau chaude sanitaire, peuvent être un moyen rentable de produire de l’eau chaude pour une maison. Ils peuvent être utilisés dans n’importe quel climat, et le combustible qu’ils utilisent – le soleil – est gratuit.
Il existe deux types de systèmes d’eau solaire – actif et passif. Un système de capteurs solaires actifs peut produire environ 80 à 100 gallons d’eau chaude par jour. Un système passif aura une capacité inférieure.
Il existe également deux types de circulation, les systèmes à circulation directe et les systèmes à circulation indirecte. Les systèmes à circulation directe bouclent l’eau sanitaire à travers les panneaux. Ils ne doivent pas être utilisés dans les climats où les températures sont inférieures à zéro. La circulation indirecte boucle le glycol ou un autre fluide à travers les panneaux solaires et utilise un échangeur de chaleur pour chauffer l’eau domestique.
Les deux types de panneaux collecteurs les plus courants sont le Flat-Plate et le Evacuated-tube. Les deux fonctionnent de manière similaire, sauf que les tubes sous vide ne perdent pas de chaleur par convection, ce qui améliore grandement leur efficacité (5 % à 25 % plus efficace). Avec ces rendements plus élevés, les capteurs solaires à tubes sous vide peuvent également produire un chauffage des locaux à plus haute température, et des températures encore plus élevées pour les systèmes de refroidissement par absorption.
Les chauffe-eau à résistance électrique qui sont courants dans les maisons aujourd’hui ont une demande électrique d’environ 4500 kW-h/an. Avec l’utilisation de capteurs solaires, la consommation d’énergie est réduite de moitié. Le coût initial de l’installation de capteurs solaires est élevé, mais avec les économies d’énergie annuelles, les périodes de remboursement sont relativement courtes.
Pompes à chaleurEdit
Les pompes à chaleur à air (ASHP) peuvent être considérées comme des climatiseurs réversibles. Comme un climatiseur, une ASHP peut prendre la chaleur d’un espace relativement frais (par exemple, une maison à 70 °F) et la déverser dans un endroit chaud (par exemple, à l’extérieur à 85 °F). Cependant, contrairement à un climatiseur, le condenseur et l’évaporateur d’une ASHP peuvent changer de rôle et absorber la chaleur de l’air extérieur frais pour la rejeter dans une maison chaude.
Les pompes à chaleur à air sont peu coûteuses par rapport aux autres systèmes de pompes à chaleur. Cependant, l’efficacité des pompes à chaleur à air diminue lorsque la température extérieure est très froide ou très chaude ; elles ne sont donc vraiment applicables que dans les climats tempérés.
Pour les régions qui ne sont pas situées dans des climats tempérés, les pompes à chaleur géothermiques (ou géothermiques) constituent une alternative efficace. La différence entre les deux pompes à chaleur est que la pompe géothermique a un de ses échangeurs de chaleur placé sous terre – généralement dans une disposition horizontale ou verticale. Les pompes géothermiques tirent parti des températures douces et relativement constantes du sous-sol, ce qui signifie que leur efficacité peut être beaucoup plus grande que celle d’une pompe à chaleur à air. L’échangeur de chaleur souterrain nécessite généralement un espace considérable. Les concepteurs les ont placés dans une zone ouverte à côté du bâtiment ou sous un parking.
Les pompes à chaleur géothermiques Energy Star peuvent être de 40 à 60 % plus efficaces que leurs homologues à air. Elles sont également plus silencieuses et peuvent être appliquées à d’autres fonctions comme le chauffage de l’eau sanitaire.
En termes de coût initial, le système de pompe à chaleur géothermique coûte environ deux fois plus cher qu’une pompe à chaleur à air standard à installer. Cependant, les coûts initiaux peuvent être plus que compensés par la diminution des coûts énergétiques. La réduction des coûts énergétiques est particulièrement apparente dans les régions où les étés sont généralement chauds et les hivers froids.
Les autres types de pompes à chaleur sont les pompes à eau et les pompes air-sol. Si le bâtiment est situé près d’un plan d’eau, l’étang ou le lac pourrait être utilisé comme source ou puits de chaleur. Les pompes à chaleur air-terre font circuler l’air du bâtiment dans des conduits souterrains. Avec des besoins en puissance de ventilateur plus élevés et un transfert de chaleur inefficace, les pompes à chaleur air-terrestre ne sont généralement pas pratiques pour les constructions importantes.