A fenntartható építészet legfontosabb célja az energiahatékonyság az épület teljes életciklusa során. Az építészek számos különböző passzív és aktív technikát alkalmaznak az épületek energiaszükségletének csökkentésére és a saját energia befogadására vagy előállítására való képességük növelésére. A költségek és a bonyolultság minimalizálása érdekében a fenntartható építészet a passzív rendszereket helyezi előtérbe, hogy kihasználja az épület elhelyezkedését a beépített építészeti elemekkel, és csak szükség esetén egészíti ki megújuló energiaforrásokkal, majd fosszilis energiaforrásokkal. Helyszínelemzéssel optimalizálható a helyi környezeti erőforrások, például a napfény és a környezeti szél fűtésre és szellőztetésre történő kihasználása.
Fűtési, szellőztetési és hűtési rendszerek hatékonyságaSzerkesztés
Az idők során számos passzív építészeti stratégiát dolgoztak ki. Ilyen stratégiák például a helyiségek elrendezése vagy az ablakok méretezése és tájolása egy épületben, valamint a homlokzatok és utcák tájolása vagy az épületmagasság és az utcaszélesség aránya a várostervezésben.
A hatékony fűtési, szellőzési és légkondicionálási (HVAC) rendszer fontos és költséghatékony eleme a jól szigetelt épület. Egy hatékonyabb épület kevesebb hőtermelő vagy -leadó energiát igényel, de több szellőztetési kapacitást igényelhet a szennyezett beltéri levegő kiürítéséhez.
A víz-, levegő- és komposztáramlással jelentős mennyiségű energia távozik az épületekből. A készen kapható, helyszíni energia-újrahasznosítási technológiák hatékonyan képesek visszanyerni az energiát a hulladék melegvízből és az állott levegőből, és ezt az energiát a bejövő friss hideg vízbe vagy friss levegőbe továbbítani. Az épületekből kikerülő komposztból származó energia visszanyerése a kertészkedéstől eltérő célokra csak központosított anaerob emésztőberendezésekkel lehetséges.
A légkondicionáló rendszereket motorok hajtják. A réz más fémvezetőkkel szemben segít javítani a motorok elektromos energiahatékonyságát, ezáltal fokozva az elektromos épületelemek fenntarthatóságát.
A helyszín és az épület tájolása jelentős hatással van az épület HVAC-hatékonyságára.
A passzív napelemes épülettervezés lehetővé teszi az épületek számára a napenergia hatékony hasznosítását aktív napenergia-mechanizmusok, például fotovoltaikus cellák vagy napelemes melegvíz-panelek használata nélkül. A passzív napenergia-épülettervezés jellemzően nagy hőtömegű anyagokat tartalmaz, amelyek hatékonyan megtartják a hőt, és erős szigetelést, amely megakadályozza a hőszökést. Az alacsony energiafelhasználású épületek tervezése napellenzők, redőnyök vagy redőnyök segítségével történő árnyékolást is igényel, hogy nyáron enyhítse a napsugárzás okozta hőnyereséget, és csökkentse a mesterséges hűtés szükségességét. Ezenkívül az alacsony energiafelhasználású épületek jellemzően nagyon alacsony felület/térfogat aránnyal rendelkeznek a hőveszteség minimalizálása érdekében. Ez azt jelenti, hogy a burjánzó, többszárnyú épületszerkezeteket (amelyekről gyakran úgy gondolják, hogy “organikusabbnak” tűnnek) gyakran elkerülik a központosított szerkezetek javára. A hagyományos hideg éghajlatú épületek, mint például az amerikai gyarmati sódobozok, jó történelmi mintát nyújtanak a kis méretű épületek központosított hőhatékonyságára.
A nyílászárókat úgy helyezik el, hogy maximalizálják a hőtermelő fény bevitelét, miközben minimalizálják a hőveszteséget a rossz szigetelőanyagnak számító üvegen keresztül. Az északi féltekén ez általában nagyszámú déli fekvésű ablak beépítését jelenti a közvetlen napsugárzás összegyűjtése érdekében, és az északi fekvésű ablakok számának erőteljes korlátozását. Bizonyos ablaktípusok, például a kettős vagy hármas üvegezésű, gázzal töltött terekkel és alacsony emissziós képességű (low-E) bevonattal ellátott hőszigetelt ablakok sokkal jobb szigetelést biztosítanak, mint az egyrétegű üvegablakok. A nyári hónapokban a hűtési igény csökkentése érdekében fontos a túlzott napenergia-nyereség megakadályozása napárnyékoló eszközökkel. Lombhullató fákat gyakran ültetnek az ablakok elé, hogy nyáron leveleikkel eltakarják a túlzott napsütést, de télen, amikor leveleik lehullanak, átengedik a fényt. A lamellákat vagy fényrekeszeket úgy szerelik fel, hogy télen (amikor a nap alacsonyabban áll az égen) beengedjék a napfényt, nyáron (amikor a nap magasan áll az égen) pedig távol tartsák azt. A tűlevelű vagy örökzöld növényeket gyakran az épületek északi oldalára ültetik, hogy megvédjék a hideg északi szelektől.
Hidegebb éghajlaton a fűtési rendszerek a fenntartható építészet elsődleges szempontjai közé tartoznak, mivel jellemzően ezek jelentik az épületek egyik legnagyobb egyedi energiafogyasztását.
Melegebb éghajlaton, ahol a hűtés az elsődleges szempont, a passzív napenergia-kialakítás is nagyon hatékony lehet. A nagy hőtömegű falazott építőanyagok nagyon értékesek az éjszakai hűvös hőmérséklet egész napos megtartásában. Ezenkívül az építők gyakran választják a burjánzó, egyszintes szerkezeteket, hogy maximalizálják a felületet és a hőveszteséget. Az épületeket gyakran úgy tervezik, hogy felfogják és elvezessék a meglévő szeleket, különösen a közeli vízfelületek felől érkező különösen hűvös szeleket. Ezen értékes stratégiák közül sokat valamilyen módon alkalmaz a meleg régiók hagyományos építészete, például a délnyugati missziós épületek.
A négy évszakkal rendelkező éghajlaton az integrált energiarendszer hatékonysága növekszik: ha az épület jól szigetelt, ha úgy van elhelyezve, hogy a természet erőivel együttműködjön, ha a hő visszanyerhető (azonnal felhasználható vagy tárolható), ha a fosszilis tüzelőanyagokra vagy villamos energiára támaszkodó hőerőmű 100%-nál nagyobb hatékonyságú, és ha megújuló energiát használnak.
Megújuló energiatermelésSzerkesztés
NapelemekSzerkesztés
Az olyan aktív napelemes eszközök, mint a fotovoltaikus napelemek, segítenek fenntartható villamos energiát biztosítani bármilyen felhasználásra. A napelemek elektromos teljesítménye függ a tájolástól, a hatékonyságtól, a földrajzi szélességtől és az éghajlati viszonyoktól – a napenergia-nyereség még ugyanazon a földrajzi szélességen is változik. A kereskedelemben kapható napelemek tipikus hatásfoka 4% és 28% között mozog. Egyes fotovoltaikus panelek alacsony hatásfoka jelentősen befolyásolhatja a telepítés megtérülési idejét. Ez az alacsony hatékonyság nem jelenti azt, hogy a napelemek nem jelentenek életképes energetikai alternatívát. Németországban például a napelemeket gyakran telepítik a lakóházak építésénél.
A tetőket gyakran a nap felé fordítják, hogy a fotovoltaikus panelek maximális hatékonysággal gyűjthessenek. Az északi féltekén a valódi déli tájolás maximalizálja a napelemek hozamát. Ha a valódi déli tájolás nem lehetséges, a napelemek megfelelő energiát termelhetnek, ha a délihez képest 30°-on belülre vannak tájolva. Magasabb szélességi fokokon azonban a téli energiatermelés jelentősen csökken a nem déli tájolás esetén.
A téli hatékonyság maximalizálása érdekében a kollektort a vízszintes szélesség +15° fölé lehet állítani. A nyári hatékonyság maximalizálásához a szögnek -15°-os szélességi fokon kell lennie. Az éves maximális termeléshez azonban a kollektor vízszintes feletti szögének meg kell egyeznie a szélességgel.
SzélturbinákSzerkesztés
A méret alatti szélturbinák alkalmazása az energiatermelésben fenntartható szerkezetekben számos tényező figyelembevételét igényli. A költségeket figyelembe véve a kis szélrendszerek általában drágábbak, mint a nagyobb szélturbinák az általuk termelt energiamennyiséghez képest. A kis szélturbinák esetében a karbantartási költségek döntő tényezőt jelenthetnek a marginális szélhasznosítási képességekkel rendelkező helyszíneken. A gyenge szélerősségű helyszíneken a karbantartás a kis szélturbinák bevételeinek nagy részét felemésztheti. A szélturbinák akkor kezdenek el működni, amikor a szél sebessége eléri a 8 mérföld/órát, 32-37 mérföld/óra sebességnél érik el az energiatermelési kapacitást, és 55 mérföld/óra feletti sebességnél a károk elkerülése érdekében leállnak. A szélturbina energiapotenciálja arányos a lapátok hosszának négyzetével és a lapátok forgási sebességének négyzetével. Bár léteznek olyan szélturbinák, amelyek képesek egyetlen épület energiaellátását kiegészíteni, e tényezők miatt a szélturbina hatékonysága nagyban függ az épület helyszínén uralkodó szélviszonyoktól. Ezen okok miatt ahhoz, hogy a szélturbinák egyáltalán hatékonyak legyenek, olyan helyekre kell telepíteni őket, amelyekről ismert, hogy állandó mennyiségű szelet kapnak (15 mérföld/óránál nagyobb átlagos szélsebességgel), nem pedig olyan helyekre, amelyeken szórványosan fúj a szél. Egy kis szélturbina telepíthető a tetőre. A telepítéssel kapcsolatos problémák közé tartozik ekkor a tető szilárdsága, a rezgés és a tető párkánya által okozott turbulencia. A kis méretű tetőtéri szélturbinákról ismert, hogy képesek egy átlagos háztartási lakás áramszükségletének 10%-ától akár 25%-áig terjedő energiát termelni. A lakossági méretű turbinák átmérője általában 7 láb (2 m) és 25 láb (8 m) között van, és a vizsgált szélsebességüknél 900 watt és 10 000 watt közötti teljesítményű villamos energiát termelnek.
Napelemes vízmelegítésSzerkesztés
A napenergiával működő vízmelegítők, más néven napenergiával működő használati melegvíz-rendszerek költséghatékony módja lehetnek az otthoni melegvíz előállításának. Bármilyen éghajlaton használhatók, és az általuk használt üzemanyag – a napfény – ingyenes.
A napkollektoros vízmelegítő rendszereknek két típusa van – aktív és passzív. Egy aktív napkollektoros rendszer körülbelül 80-100 gallon meleg vizet képes előállítani naponta. Egy passzív rendszer kisebb kapacitással rendelkezik.
A keringtetésnek is két típusa van, a közvetlen keringtetésű rendszerek és a közvetett keringtetésű rendszerek. A közvetlen cirkulációs rendszerek a használati vizet hurokszerűen vezetik át a paneleken. Ezeket nem szabad fagypont alatti hőmérsékletű éghajlaton használni. Az indirekt cirkulációs rendszerek glikolt vagy más folyadékot hurkolnak át a napelemeken, és hőcserélőt használnak a használati víz felmelegítésére.
A kollektorpanelek két legelterjedtebb típusa a síklemezes és az evakuált csöves. A kettő hasonlóan működik, kivéve, hogy az evakuált csövek nem veszítenek konvektív módon hőt, ami jelentősen javítja a hatékonyságukat (5%-25%-kal hatékonyabbak). Ezekkel a nagyobb hatásfokkal az evakuált csöves napkollektorok magasabb hőmérsékletű helyiségfűtést is képesek előállítani, és még magasabb hőmérsékletet az abszorpciós hűtőrendszereknél.
A mai háztartásokban elterjedt elektromos ellenállású vízmelegítők elektromos igénye 4500 kW-h/év körül van. Napkollektorok használatával az energiafelhasználás a felére csökken. A napkollektorok telepítésének kezdeti költségei magasak, de az éves energiamegtakarítással a megtérülési idő viszonylag rövid.
HőszivattyúkSzerkesztés
A léghőszivattyúkra (ASHP) úgy lehet gondolni, mint megfordítható légkondicionálókra. A légkondicionálóhoz hasonlóan az ASHP is képes egy viszonylag hűvös helyiségből (pl. egy 70 °F-os házból) hőt elvenni, és azt egy meleg helyre (pl. a szabadban 85 °F-on) leadni. A légkondicionálóval ellentétben azonban az ASHP kondenzátora és elpárologtatója szerepet cserélhet, és a hűvös külső levegőből hőt vehet fel, és azt a meleg házba juttathatja.
A léghőszivattyúk más hőszivattyús rendszerekhez képest olcsók. A léghőszivattyúk hatékonysága azonban csökken, ha a külső hőmérséklet nagyon hideg vagy nagyon meleg; ezért csak mérsékelt éghajlaton alkalmazhatóak igazán.
A nem mérsékelt éghajlaton fekvő területeken a földhőszivattyúk (vagy geotermikus hőszivattyúk) hatékony alternatívát jelentenek. A két hőszivattyú között az a különbség, hogy a földhőszivattyú egyik hőcserélőjét a föld alatt helyezik el – általában vízszintes vagy függőleges elrendezésben. A földi hőforrás kihasználja a viszonylag állandó, enyhe hőmérsékletet a föld alatt, ami azt jelenti, hogy hatékonyságuk sokkal nagyobb lehet, mint a léghőszivattyúé. A földbe épített hőcserélőnek általában jelentős területre van szüksége. A tervezők az épület melletti nyílt területen vagy egy parkoló alatt helyezik el őket.
A földi hőszivattyúk Energy Star energiahatékonysága 40-60%-kal nagyobb lehet, mint léghőforrású társaiké. Emellett csendesebbek, és más funkciókra, például használati melegvíz-fűtésre is alkalmazhatók.
A kezdeti költségeket tekintve a földhőszivattyús rendszer telepítése körülbelül kétszer annyiba kerül, mint egy hagyományos léghőszivattyúé. A kezdeti költségeket azonban bőven ellensúlyozhatja az energiaköltségek csökkenése. Az energiaköltségek csökkenése különösen a jellemzően forró nyarakkal és hideg telekkel rendelkező területeken jelentkezik.
A hőszivattyúk további típusai a vízalapú és a levegő-föld hőszivattyú. Ha az épület egy víztest közelében található, a tó vagy a tó hőforrásként vagy hőelnyelőként használható. A levegő-föld hőszivattyúk az épület levegőjét föld alatti csatornákon keresztül keringetik. A nagyobb ventilátorteljesítmény-igény és a nem hatékony hőátadás miatt a levegő-föld hőszivattyúk általában nem praktikusak nagyobb építkezéseknél.