Energie-efficiëntie gedurende de hele levenscyclus van een gebouw is het belangrijkste doel van duurzame architectuur. Architecten gebruiken veel verschillende passieve en actieve technieken om de energiebehoefte van gebouwen te verminderen en hun vermogen om hun eigen energie op te vangen of op te wekken te vergroten. Om kosten en complexiteit tot een minimum te beperken, geeft duurzame architectuur voorrang aan passieve systemen om te profiteren van de locatie van het gebouw met ingewerkte architecturale elementen, aangevuld met hernieuwbare energiebronnen en vervolgens alleen fossiele brandstoffen als dat nodig is. Locatie-analyse kan worden gebruikt om optimaal gebruik te maken van lokale milieubronnen, zoals daglicht en omgevingswind voor verwarming en ventilatie.
Efficiëntie van verwarmings-, ventilatie- en koelsystemenEdit
Er zijn in de loop der tijd talloze passieve architectuurstrategieën ontwikkeld. Voorbeelden van dergelijke strategieën zijn de indeling van kamers of de grootte en oriëntatie van ramen in een gebouw, en de oriëntatie van gevels en straten of de verhouding tussen de hoogte van gebouwen en de breedte van straten voor stedelijke planning.
Een belangrijk en kosteneffectief element van een efficiënt verwarmings-, ventilatie-, en airconditioningsysteem (HVAC) is een goed geïsoleerd gebouw. Een efficiënter gebouw heeft minder vermogen nodig om warmte op te wekken of af te voeren, maar heeft wellicht meer ventilatiecapaciteit nodig om verontreinigde binnenlucht af te voeren.
Significante hoeveelheden energie worden uit gebouwen gespoeld in de water-, lucht- en compoststromen. Kant-en-klare technologieën voor energierecycling ter plaatse kunnen doeltreffend energie terugwinnen uit warm afvalwater en muffe lucht en die energie overbrengen naar inkomend vers koud water of verse lucht. Voor het terugwinnen van energie voor andere doeleinden dan tuinieren uit compost dat gebouwen verlaat, zijn gecentraliseerde anaërobe vergisters nodig.
HVAC-systemen worden aangedreven door motoren. Koper, in tegenstelling tot andere metalen geleiders, helpt de elektrische energie-efficiëntie van motoren te verbeteren, waardoor de duurzaamheid van elektrische gebouwcomponenten wordt verbeterd.
De locatie en de oriëntatie van het gebouw hebben enkele belangrijke effecten op de HVAC-efficiëntie van een gebouw.
Passieve zonnebouwontwerpen stellen gebouwen in staat de energie van de zon efficiënt te benutten zonder gebruik te maken van actieve zonne-energiemechanismen zoals fotovoltaïsche cellen of warmwaterpanelen op zonne-energie. Typisch voor passieve zonnebouwontwerpen zijn materialen met een hoge thermische massa die de warmte effectief vasthouden en een sterke isolatie die ontsnapping van warmte tegengaat. Lage-energie-ontwerpen vereisen ook het gebruik van zonwering, door middel van zonneschermen, jaloezieën of rolluiken, om de zonnewarmtewinsten in de zomer te verlichten en de behoefte aan kunstmatige koeling te verminderen. Bovendien hebben lage-energiegebouwen doorgaans een zeer lage oppervlakte-volumeverhouding om warmteverlies te minimaliseren. Dit betekent dat uitdijende gebouwontwerpen met meerdere vleugels (die er vaak “organischer” uitzien) vaak worden vermeden ten gunste van meer gecentraliseerde structuren. Traditionele gebouwen in een koud klimaat, zoals de Amerikaanse koloniale saltboxontwerpen, bieden een goed historisch model voor gecentraliseerde warmte-efficiëntie in een kleinschalig gebouw.
Ramen worden zo geplaatst dat de input van warmte scheppend licht wordt gemaximaliseerd terwijl het verlies van warmte door glas, een slechte isolator, wordt geminimaliseerd. Op het noordelijk halfrond houdt dit meestal in dat een groot aantal ramen op het zuiden wordt geïnstalleerd om de directe zon op te vangen en dat het aantal ramen op het noorden sterk wordt beperkt. Bepaalde typen ramen, zoals dubbele of driedubbele beglazing met gasgevulde ruimten en lage emissiviteit (low-E) coatings, zorgen voor een veel betere isolatie dan ramen met enkele beglazing. Het voorkomen van overmatige zonnewinst door middel van zonweringen in de zomermaanden is belangrijk om de behoefte aan koeling te verminderen. Bladverliezende bomen worden vaak voor ramen geplant om in de zomer overmatige zonnestralen tegen te houden met hun bladeren, maar in de winter licht door te laten wanneer hun bladeren afvallen. Louvres of lichtplanken worden geïnstalleerd om het zonlicht in de winter binnen te laten (wanneer de zon lager aan de hemel staat) en het in de zomer buiten te houden (wanneer de zon hoog aan de hemel staat). Naald- of wintergroene planten worden vaak ten noorden van gebouwen geplant als bescherming tegen koude noordenwinden.
In koudere klimaten zijn verwarmingssystemen een belangrijk aandachtspunt voor duurzame architectuur, omdat zij gewoonlijk een van de grootste energieverspillers in gebouwen zijn.
In warmere klimaten, waar koeling een primaire zorg is, kunnen passieve zonneontwerpen ook zeer effectief zijn. Metselwerk bouwmaterialen met een hoge thermische massa zijn zeer waardevol voor het vasthouden van de koele temperaturen van de nacht gedurende de dag. Daarnaast kiezen bouwers vaak voor uitgestrekte constructies met één verdieping om de oppervlakte en het warmteverlies te maximaliseren. Gebouwen worden vaak ontworpen om bestaande winden op te vangen en te kanaliseren, met name de bijzonder koele winden afkomstig van nabijgelegen watermassa’s. Veel van deze waardevolle strategieën worden op de een of andere manier toegepast in de traditionele architectuur van warme streken, zoals de missiegebouwen in het zuidwesten.
In klimaten met vier seizoenen zal een geïntegreerd energiesysteem efficiënter worden: wanneer het gebouw goed geïsoleerd is, wanneer het zo gesitueerd is dat het samenwerkt met de krachten van de natuur, wanneer warmte wordt teruggewonnen (om onmiddellijk te worden gebruikt of opgeslagen), wanneer de warmtecentrale die afhankelijk is van fossiele brandstoffen of elektriciteit meer dan 100% efficiënt is, en wanneer hernieuwbare energie wordt gebruikt.
Hernieuwbare energieopwekkingEdit
ZonnepanelenEdit
Actieve zonne-apparaten zoals fotovoltaïsche zonnepanelen helpen om duurzame elektriciteit te leveren voor elk gebruik. De elektrische opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van de oriëntatie, het rendement, de breedtegraad en het klimaat – de zonneopbrengst varieert zelfs op dezelfde breedtegraad. De typische efficiëntie van in de handel verkrijgbare fotovoltaïsche panelen varieert van 4% tot 28%. De lage efficiëntie van bepaalde fotovoltaïsche panelen kan een aanzienlijke invloed hebben op de terugverdientijd van hun installatie. Deze lage efficiëntie betekent niet dat zonnepanelen geen levensvatbaar energiealternatief zijn. In Duitsland bijvoorbeeld worden zonnepanelen vaak geïnstalleerd in de woningbouw.
De daken worden vaak in de richting van de zon gekanteld, zodat de fotovoltaïsche panelen met een maximale efficiëntie kunnen worden opgevangen. Op het noordelijk halfrond is de oriëntatie op het zuiden de beste opbrengst voor zonnepanelen. Als een zuidelijke oriëntatie niet mogelijk is, kunnen zonnepanelen voldoende energie produceren als ze binnen 30° van het zuiden gericht zijn. Op hogere breedtegraden zal de energieopbrengst in de winter echter aanzienlijk lager zijn bij een niet-zuid-oriëntatie.
Om de efficiëntie in de winter te maximaliseren, kan de collector boven horizontale breedtegraad +15° worden gekanteld. Om de efficiëntie in de zomer te maximaliseren, moet de hoek op breedtegraad -15° liggen. Voor een jaarlijkse maximale productie moet de hoek van het paneel boven horizontaal echter gelijk zijn aan de breedtegraad.
WindturbinesEdit
Het gebruik van ondermaatse windturbines voor energieproductie in duurzame constructies vereist de afweging van vele factoren. Wat de kosten betreft, zijn kleine windsystemen over het algemeen duurder dan grotere windturbines in verhouding tot de hoeveelheid energie die ze produceren. Voor kleine windturbines kunnen de onderhoudskosten een doorslaggevende factor zijn op locaties met marginale mogelijkheden om wind te vangen. Op locaties met weinig wind kan het onderhoud een groot deel van de inkomsten van een kleine windturbine opslokken. Windturbines beginnen te werken bij een windkracht van 8 mph, bereiken energieproductiecapaciteit bij snelheden van 32-37 mph, en worden uitgeschakeld om schade te voorkomen bij snelheden van meer dan 55 mph. Het energiepotentieel van een windturbine is evenredig met het kwadraat van de lengte van de bladen en met de kubus van de snelheid waarmee de bladen draaien. Hoewel er windturbines beschikbaar zijn die stroom kunnen leveren voor één gebouw, hangt de efficiëntie van de windturbine vanwege deze factoren sterk af van de windomstandigheden op de plaats van het gebouw. Om deze redenen moeten windturbines, willen ze efficiënt zijn, worden geïnstalleerd op locaties waarvan bekend is dat er een constante hoeveelheid wind is (met gemiddelde windsnelheden van meer dan 15 mph), in plaats van locaties waar de wind sporadisch waait. Een kleine windturbine kan op een dak worden geïnstalleerd. Installatieproblemen zijn dan de sterkte van het dak, trillingen en de turbulentie die door de dakrand wordt veroorzaakt. Van kleinschalige windturbines op daken is bekend dat ze 10% tot 25% van de elektriciteit kunnen opwekken die nodig is voor een gewone woning. Turbines voor gebruik op residentiële schaal hebben gewoonlijk een diameter van 2 tot 8 meter en produceren bij hun geteste windsnelheid 900 tot 10.000 watt elektriciteit.
ZonneboilerEdit
Zonneboilers, ook wel zonnesystemen voor warm water genoemd, kunnen een kosteneffectieve manier zijn om warm water voor een huis te genereren. Ze kunnen in elk klimaat worden gebruikt, en de brandstof die ze gebruiken – zonneschijn – is gratis.
Er zijn twee soorten zonneboilersystemen: actieve en passieve. Een actief zonnecollectorsysteem kan ongeveer 80 tot 100 gallon warm water per dag produceren. Een passief systeem zal een lagere capaciteit hebben.
Er zijn ook twee soorten circulatie, directe circulatiesystemen en indirecte circulatiesystemen. Directe circulatiesystemen laten het water door de panelen stromen. Ze mogen niet worden gebruikt in klimaten met temperaturen onder het vriespunt. Indirecte circulatie lus glycol of een andere vloeistof door de zonnepanelen en gebruikt een warmtewisselaar om het huishoudwater op te warmen.
De twee meest voorkomende typen collectorpanelen zijn Flat-Plate en Evacuated-tube. De twee werken op dezelfde manier, behalve dat geëvacueerde buizen geen convectieve warmte verliezen, wat hun rendement aanzienlijk verbetert (5%-25% efficiënter). Met deze hogere rendementen kunnen geëvacueerde-buis zonnecollectoren ook ruimteverwarming met een hogere temperatuur produceren, en zelfs hogere temperaturen voor absorptiekoelsystemen.
Elektrische weerstand-waterkachels die tegenwoordig gebruikelijk zijn in woningen, hebben een elektrische vraag van ongeveer 4500 kW-h/jaar. Met het gebruik van zonnecollectoren wordt het energiegebruik gehalveerd. De initiële kosten voor het installeren van zonnecollectoren zijn hoog, maar met de jaarlijkse energiebesparingen zijn de terugverdientijden relatief kort.
WarmtepompenEdit
Air source heat pumps (ASHP) kunnen worden gezien als omkeerbare airconditioners. Net als een airconditioner kan een ASHP warmte onttrekken aan een relatief koele ruimte (bijv. een huis van 70 °F) en deze op een warme plaats lozen (bijv. buiten bij 85 °F). In tegenstelling tot een airconditioner kunnen de condensor en de verdamper van een ASHP echter van rol wisselen en warmte uit de koele buitenlucht opnemen en in een warm huis lozen.
Air-source warmtepompen zijn goedkoop in vergelijking met andere warmtepompsystemen. De efficiëntie van luchtwarmtepompen neemt echter af wanneer de buitentemperatuur erg koud of erg warm is; daarom zijn ze alleen echt toepasbaar in gematigde klimaten.
Voor gebieden die niet in een gematigd klimaat liggen, bieden grondbronwarmtepompen (of geothermische) een efficiënt alternatief. Het verschil tussen de twee warmtepompen is dat bij de aardwarmtebron één van de warmtewisselaars ondergronds is geplaatst – meestal in een horizontale of verticale opstelling. Bodembronnen maken gebruik van de relatief constante, milde temperaturen onder de grond, waardoor hun rendement veel hoger kan zijn dan dat van een luchtwarmtepomp. De ondergrondse warmtewisselaar heeft over het algemeen een aanzienlijk oppervlak nodig. Ontwerpers plaatsen ze op een open plek naast het gebouw of onder een parkeerplaats.
Energy Star-bronwarmtepompen kunnen 40% tot 60% efficiënter zijn dan hun lucht-brontegenhangers. Ze zijn ook stiller en kunnen ook worden toegepast voor andere functies, zoals het verwarmen van sanitair warm water.
In termen van initiële kosten kost het grondwarmtepompsysteem ongeveer twee keer zoveel als een standaard luchtwarmtepomp om te worden geïnstalleerd. De initiële kosten kunnen echter ruimschoots worden gecompenseerd door de daling van de energiekosten. De verlaging van de energiekosten is vooral duidelijk in gebieden met typisch warme zomers en koude winters.
Andere typen warmtepompen zijn waterbron- en lucht-aarde. Als het gebouw zich in de buurt van een waterlichaam bevindt, kan de vijver of het meer worden gebruikt als warmtebron of -put. Lucht-aarde warmtepompen circuleren de lucht van het gebouw door ondergrondse kanalen. Door de hogere vermogensbehoefte van de ventilatoren en de inefficiënte warmteoverdracht zijn lucht-aarde warmtepompen over het algemeen niet praktisch voor grote gebouwen.