L’efficienza energetica durante l’intero ciclo di vita di un edificio è l’obiettivo più importante dell’architettura sostenibile. Gli architetti usano diverse tecniche passive e attive per ridurre il fabbisogno energetico degli edifici e aumentare la loro capacità di catturare o generare la propria energia. Per minimizzare i costi e la complessità, l’architettura sostenibile dà la priorità ai sistemi passivi per sfruttare la posizione dell’edificio con elementi architettonici incorporati, integrando con fonti di energia rinnovabile e quindi con risorse di combustibili fossili solo se necessario. L’analisi del sito può essere impiegata per ottimizzare l’uso delle risorse ambientali locali come la luce del giorno e il vento ambientale per il riscaldamento e la ventilazione.
Riscaldamento, ventilazione ed efficienza del sistema di raffreddamentoModifica
Numerose strategie architettoniche passive sono state sviluppate nel tempo. Esempi di tali strategie includono la disposizione delle stanze o il dimensionamento e l’orientamento delle finestre in un edificio, e l’orientamento delle facciate e delle strade o il rapporto tra l’altezza degli edifici e la larghezza delle strade per la pianificazione urbana.
Un elemento importante e conveniente di un efficiente sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) è un edificio ben isolato. Un edificio più efficiente richiede meno potenza di generazione o dissipazione del calore, ma può richiedere più capacità di ventilazione per espellere l’aria inquinata all’interno.
Significative quantità di energia vengono scaricate dagli edifici nei flussi di acqua, aria e compost. Le tecnologie di riciclaggio dell’energia in loco possono efficacemente recuperare l’energia dall’acqua calda di scarto e dall’aria viziata e trasferirla in acqua fredda o aria fresca in entrata. Il recupero di energia per usi diversi dal giardinaggio dal compost che lascia gli edifici richiede digestori anaerobici centralizzati.
I sistemi HVAC sono alimentati da motori. Il rame, rispetto ad altri conduttori metallici, aiuta a migliorare l’efficienza dell’energia elettrica dei motori, migliorando così la sostenibilità dei componenti elettrici degli edifici.
Il sito e l’orientamento dell’edificio hanno alcuni effetti importanti sull’efficienza HVAC di un edificio.
Il design passivo degli edifici solari permette agli edifici di sfruttare l’energia del sole in modo efficiente senza l’uso di meccanismi solari attivi come le cellule fotovoltaiche o i pannelli solari di acqua calda. Tipicamente i progetti di edifici solari passivi incorporano materiali con un’alta massa termica che trattengono efficacemente il calore e un forte isolamento che lavora per prevenire la fuga di calore. I progetti a bassa energia richiedono anche l’uso di schermature solari, per mezzo di tende, persiane o tapparelle, per alleviare il guadagno di calore solare in estate e per ridurre la necessità di raffreddamento artificiale. Inoltre, gli edifici a bassa energia hanno tipicamente un rapporto superficie/volume molto basso per minimizzare la perdita di calore. Questo significa che i progetti di edifici tentacolari a più ali (spesso pensati per sembrare più “organici”) sono spesso evitati in favore di strutture più centralizzate. Gli edifici tradizionali per i climi freddi, come i progetti coloniali americani, forniscono un buon modello storico per l’efficienza termica centralizzata in un edificio su piccola scala.
Le finestre sono posizionate in modo da massimizzare l’ingresso di luce che crea calore, minimizzando la perdita di calore attraverso il vetro, un povero isolante. Nell’emisfero settentrionale questo di solito comporta l’installazione di un gran numero di finestre rivolte a sud per raccogliere il sole diretto e limitare fortemente il numero di finestre rivolte a nord. Alcuni tipi di finestre, come le finestre isolate a doppio o triplo vetro con spazi riempiti di gas e rivestimenti a bassa emissività (low-E), forniscono un isolamento molto migliore delle finestre a vetro singolo. Prevenire l’eccesso di guadagno solare per mezzo di dispositivi di protezione solare nei mesi estivi è importante per ridurre le esigenze di raffreddamento. Gli alberi decidui sono spesso piantati di fronte alle finestre per bloccare il sole eccessivo in estate con le loro foglie, ma lasciano passare la luce in inverno quando le foglie cadono. Le feritoie o le mensole di luce sono installate per permettere alla luce del sole di entrare durante l’inverno (quando il sole è più basso nel cielo) e tenerla fuori in estate (quando il sole è alto nel cielo). Piante di conifere o sempreverdi sono spesso piantate a nord degli edifici per schermare i venti freddi del nord.
Nei climi più freddi, i sistemi di riscaldamento sono un obiettivo primario per l’architettura sostenibile perché sono tipicamente uno dei maggiori sprechi di energia negli edifici.
Nei climi più caldi dove il raffreddamento è una preoccupazione primaria, anche i progetti solari passivi possono essere molto efficaci. I materiali da costruzione in muratura con alta massa termica sono molto preziosi per mantenere le temperature fresche della notte durante il giorno. Inoltre i costruttori spesso optano per strutture tentacolari a un solo piano per massimizzare la superficie e la perdita di calore. Gli edifici sono spesso progettati per catturare e incanalare i venti esistenti, in particolare i venti particolarmente freschi provenienti dai vicini corpi d’acqua. Molte di queste preziose strategie sono impiegate in qualche modo nell’architettura tradizionale delle regioni calde, come gli edifici di missione del sud-ovest.
Nei climi con quattro stagioni, un sistema energetico integrato aumenterà in efficienza: quando l’edificio è ben isolato, quando è situato per lavorare con le forze della natura, quando il calore è ricatturato (per essere usato immediatamente o immagazzinato), quando l’impianto di calore che si basa su combustibili fossili o elettricità è più efficiente del 100%, e quando si usa energia rinnovabile.
Generazione di energia rinnovabileModifica
Pannelli solariModifica
I dispositivi solari attivi come i pannelli solari fotovoltaici aiutano a fornire elettricità sostenibile per qualsiasi uso. La produzione elettrica di un pannello solare dipende dall’orientamento, dall’efficienza, dalla latitudine e dal clima: il guadagno solare varia anche alla stessa latitudine. Le efficienze tipiche dei pannelli fotovoltaici disponibili in commercio vanno dal 4% al 28%. La bassa efficienza di alcuni pannelli fotovoltaici può influenzare significativamente il periodo di recupero della loro installazione. Questa bassa efficienza non significa che i pannelli solari non siano una valida alternativa energetica. In Germania, per esempio, i pannelli solari sono comunemente installati nella costruzione di case residenziali.
I tetti sono spesso angolati verso il sole per permettere ai pannelli fotovoltaici di raccogliere alla massima efficienza. Nell’emisfero settentrionale, un orientamento vero-sud massimizza il rendimento dei pannelli solari. Se l’orientamento vero-sud non è possibile, i pannelli solari possono produrre energia adeguata se allineati entro 30° dal sud. Tuttavia, a latitudini più alte, la resa energetica invernale sarà significativamente ridotta per l’orientamento non a sud.
Per massimizzare l’efficienza in inverno, il collettore può essere angolato sopra la latitudine orizzontale +15°. Per massimizzare l’efficienza in estate, l’angolo dovrebbe essere Latitudine -15°. Tuttavia, per una produzione massima annuale, l’angolo del pannello sopra l’orizzontale dovrebbe essere uguale alla sua latitudine.
Turbine eolicheModifica
L’uso di turbine eoliche sottodimensionate per la produzione di energia in strutture sostenibili richiede la considerazione di molti fattori. Considerando i costi, i piccoli sistemi eolici sono generalmente più costosi delle turbine eoliche più grandi rispetto alla quantità di energia che producono. Per le turbine eoliche di piccole dimensioni, i costi di manutenzione possono essere un fattore decisivo in siti con capacità marginali di sfruttare il vento. Nei siti con poco vento, la manutenzione può consumare gran parte delle entrate di una piccola turbina eolica. Le turbine eoliche iniziano a funzionare quando i venti raggiungono 8 mph, raggiungono la capacità di produzione di energia a velocità di 32-37 mph, e si spengono per evitare danni a velocità superiori a 55 mph. Il potenziale energetico di una turbina eolica è proporzionale al quadrato della lunghezza delle sue pale e al cubo della velocità di rotazione delle sue pale. Anche se sono disponibili turbine eoliche che possono integrare l’energia per un singolo edificio, a causa di questi fattori, l’efficienza della turbina eolica dipende molto dalle condizioni del vento sul sito dell’edificio. Per queste ragioni, affinché le turbine eoliche siano efficienti, devono essere installate in luoghi che sono noti per ricevere una quantità costante di vento (con velocità medie del vento di più di 15 mph), piuttosto che in luoghi che ricevono vento sporadicamente. Una piccola turbina eolica può essere installata su un tetto. I problemi di installazione includono quindi la forza del tetto, le vibrazioni e la turbolenza causata dalla sporgenza del tetto. Le turbine eoliche su tetto di piccole dimensioni sono note per essere in grado di generare dal 10% fino al 25% dell’elettricità richiesta da una normale abitazione domestica. Turbine per uso residenziale scala sono di solito tra 7 piedi (2 m) a 25 piedi (8 m) di diametro e producono elettricità ad un tasso di 900 watt a 10.000 watt alla loro velocità del vento testato.
Solar water heatingEdit
Gli scaldacqua solari, chiamati anche sistemi solari di acqua calda sanitaria, possono essere un modo conveniente per generare acqua calda per una casa. Possono essere usati in qualsiasi clima, e il combustibile che usano – il sole – è gratuito.
Ci sono due tipi di sistemi solari per l’acqua – attivi e passivi. Un sistema attivo di collettori solari può produrre circa 80-100 galloni di acqua calda al giorno. Un sistema passivo avrà una capacità inferiore.
Ci sono anche due tipi di circolazione, sistemi a circolazione diretta e sistemi a circolazione indiretta. I sistemi a circolazione diretta fanno passare l’acqua domestica attraverso i pannelli. Non dovrebbero essere usati in climi con temperature sotto lo zero. La circolazione indiretta fa passare il glicole o qualche altro fluido attraverso i pannelli solari e usa uno scambiatore di calore per riscaldare l’acqua domestica.
I due tipi più comuni di pannelli collettori sono Flat-Plate e Evacuated-tube. I due funzionano in modo simile, tranne che i tubi evacuati non perdono convettivamente il calore, il che migliora notevolmente la loro efficienza (5%-25% più efficiente). Con queste efficienze più alte, i collettori solari a tubi evacuati possono anche produrre un riscaldamento degli spazi a temperature più alte, e anche temperature più alte per i sistemi di raffreddamento ad assorbimento.
Gli scaldabagni a resistenza elettrica che sono comuni nelle case oggi hanno una domanda elettrica di circa 4500 kW-h/anno. Con l’uso di collettori solari, il consumo di energia viene dimezzato. Il costo iniziale dell’installazione dei collettori solari è alto, ma con il risparmio energetico annuale, i periodi di recupero sono relativamente brevi.
Pompe di caloreModifica
Le pompe di calore ad aria (ASHP) possono essere considerate come condizionatori d’aria reversibili. Come un condizionatore d’aria, una ASHP può prendere il calore da uno spazio relativamente fresco (ad esempio una casa a 70 °F) e scaricarlo in un luogo caldo (ad esempio fuori a 85 °F). Tuttavia, a differenza di un condizionatore d’aria, il condensatore e l’evaporatore di una ASHP possono cambiare i ruoli e assorbire il calore dall’aria fredda esterna e scaricarlo in una casa calda.
Le pompe di calore ad aria sono poco costose rispetto ad altri sistemi a pompa di calore. Tuttavia, l’efficienza delle pompe di calore ad aria diminuisce quando la temperatura esterna è molto fredda o molto calda; quindi, sono veramente applicabili solo in climi temperati.
Per le aree non situate in climi temperati, le pompe di calore geotermiche (o geotermiche) forniscono un’alternativa efficiente. La differenza tra le due pompe di calore è che la ground-source ha uno dei suoi scambiatori di calore posizionato sottoterra, di solito in una disposizione orizzontale o verticale. Ground-source sfrutta le temperature relativamente costanti e miti del sottosuolo, il che significa che la loro efficienza può essere molto maggiore di quella di una pompa di calore ad aria. Lo scambiatore di calore interrato ha generalmente bisogno di una superficie considerevole. I progettisti li hanno collocati in un’area aperta accanto all’edificio o sotto un parcheggio.
Le pompe di calore interrate Energy Star possono essere dal 40% al 60% più efficienti delle loro controparti ad aria. Sono anche più silenziose e possono anche essere applicate ad altre funzioni come il riscaldamento dell’acqua calda sanitaria.
In termini di costo iniziale, il sistema di pompe di calore da terra costa circa il doppio di una pompa di calore standard da installare. Tuttavia, i costi iniziali possono essere più che compensati dalla diminuzione dei costi energetici. La riduzione dei costi energetici è particolarmente evidente nelle aree con estati tipicamente calde e inverni freddi.
Altri tipi di pompe di calore sono quelle ad acqua e aria-terra. Se l’edificio si trova vicino a un corpo d’acqua, lo stagno o il lago potrebbe essere usato come fonte di calore o come dissipatore. Le pompe di calore aria-terra fanno circolare l’aria dell’edificio attraverso condotti sotterranei. Con maggiori requisiti di potenza del ventilatore e un trasferimento di calore inefficiente, le pompe di calore aria-terra non sono generalmente pratiche per le grandi costruzioni.