Efektywność energetyczna w całym cyklu życia budynku jest najważniejszym celem zrównoważonej architektury. Architekci stosują wiele różnych pasywnych i aktywnych technik, aby zmniejszyć zapotrzebowanie budynków na energię i zwiększyć ich zdolność do wychwytywania lub generowania własnej energii. Aby zminimalizować koszty i złożoność, w architekturze zrównoważonej priorytetowo traktuje się systemy pasywne, które wykorzystują lokalizację budynku z wbudowanymi elementami architektonicznymi, uzupełniając je o odnawialne źródła energii, a następnie zasoby paliw kopalnych tylko w razie potrzeby. Analiza terenu może być zastosowana w celu optymalizacji wykorzystania lokalnych zasobów środowiskowych, takich jak światło dzienne i wiatr do ogrzewania i wentylacji.
Wydajność systemów ogrzewania, wentylacji i chłodzeniaEdit
Z biegiem czasu opracowano wiele pasywnych strategii architektonicznych. Przykłady takich strategii obejmują rozmieszczenie pomieszczeń lub wielkość i orientację okien w budynku, a także orientację fasad i ulic lub stosunek wysokości budynków do szerokości ulic w planowaniu urbanistycznym.
Ważnym i opłacalnym elementem wydajnego systemu ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) jest dobrze zaizolowany budynek. Bardziej wydajny budynek wymaga mniejszej mocy generowania lub rozpraszania ciepła, ale może wymagać większej wydajności wentylacji w celu usunięcia zanieczyszczonego powietrza wewnątrz budynku.
Znaczące ilości energii są wypłukiwane z budynków w strumieniach wody, powietrza i kompostu. Dostępne na miejscu technologie recyklingu energii mogą skutecznie odzyskiwać energię ze zużytej gorącej wody i zużytego powietrza i przekazywać ją do dopływającej świeżej zimnej wody lub świeżego powietrza. Odzyskanie energii do zastosowań innych niż ogrodnictwo z kompostu opuszczającego budynki wymaga scentralizowanych komór fermentacji beztlenowej.
Systemy HVAC są zasilane przez silniki. Miedź, w porównaniu z innymi przewodnikami metalowymi, pomaga poprawić wydajność energii elektrycznej silników, zwiększając w ten sposób zrównoważony rozwój elektrycznych komponentów budynku.
Zorientowanie terenu i budynku ma znaczący wpływ na wydajność HVAC w budynku.
Pasywny słoneczny projekt budynku pozwala budynkom efektywnie wykorzystywać energię słoneczną bez użycia jakichkolwiek aktywnych mechanizmów słonecznych, takich jak ogniwa fotowoltaiczne lub panele słoneczne. Zazwyczaj pasywne słoneczne projekty budynków zawierają materiały o wysokiej masie termicznej, które skutecznie zatrzymują ciepło i mocną izolację, która działa, aby zapobiec ucieczce ciepła. Projekty niskoenergetyczne wymagają również zastosowania zacienienia słonecznego, za pomocą markiz, żaluzji lub okiennic, aby zmniejszyć zyski ciepła słonecznego w lecie i zredukować potrzebę sztucznego chłodzenia. Ponadto, budynki niskoenergetyczne mają zazwyczaj bardzo niski stosunek powierzchni do objętości, aby zminimalizować straty ciepła. Oznacza to, że często unika się rozległych wieloskrzydłowych projektów budynków (często uważa się, że wyglądają bardziej „organicznie”) na rzecz bardziej scentralizowanych struktur. Tradycyjne budynki w zimnym klimacie, takie jak amerykańskie kolonialne konstrukcje solniczek, stanowią dobry historyczny model dla scentralizowanej wydajności cieplnej w budynku o małej skali.
Okna są umieszczone tak, aby zmaksymalizować dopływ światła tworzącego ciepło, a jednocześnie zminimalizować utratę ciepła przez szkło, które jest słabym izolatorem. Na półkuli północnej wiąże się to zazwyczaj z instalacją dużej liczby okien wychodzących na południe w celu zebrania bezpośrednich promieni słonecznych i poważnym ograniczeniem liczby okien wychodzących na północ. Niektóre typy okien, takie jak podwójnie lub potrójnie szklone okna izolowane z przestrzenią wypełnioną gazem i powłokami o niskiej emisyjności (low-E), zapewniają znacznie lepszą izolację niż okna z pojedynczą szybą. Zapobieganie nadmiernym zyskom z promieniowania słonecznego za pomocą urządzeń zacieniających w miesiącach letnich jest ważne dla zmniejszenia zapotrzebowania na chłodzenie. Przed oknami często sadzi się drzewa liściaste, które latem blokują nadmiar słońca swoimi liśćmi, ale zimą, gdy liście opadną, przepuszczają światło. Żaluzje lub półki świetlne są instalowane w celu wpuszczenia światła słonecznego w zimie (gdy słońce jest niżej na niebie) i utrzymania go na zewnątrz w lecie (gdy słońce jest wysoko na niebie). Rośliny iglaste lub wiecznie zielone są często sadzone na północ od budynków, aby osłonić je przed zimnymi północnymi wiatrami.
W zimniejszym klimacie systemy grzewcze są głównym celem zrównoważonej architektury, ponieważ są one zazwyczaj jednym z największych pojedynczych drenaży energii w budynkach.
W cieplejszym klimacie, gdzie chłodzenie jest głównym problemem, pasywne projekty słoneczne mogą być również bardzo skuteczne. Murowane materiały budowlane o wysokiej masie termicznej są bardzo cenne dla zachowania chłodnych temperatur w nocy przez cały dzień. Ponadto budowniczowie często decydują się na rozległe jednopiętrowe konstrukcje w celu zmaksymalizowania powierzchni i strat ciepła. Budynki są często projektowane w taki sposób, aby przechwytywać i kierować istniejące wiatry, zwłaszcza te szczególnie chłodne, wiejące od pobliskich zbiorników wodnych. Wiele z tych cennych strategii jest w pewien sposób wykorzystywanych w tradycyjnej architekturze ciepłych regionów, takich jak południowo-zachodnie budynki misyjne.
W klimacie z czterema porami roku, zintegrowany system energetyczny zwiększy swoją wydajność: gdy budynek jest dobrze zaizolowany, gdy jest usytuowany tak, aby współpracować z siłami natury, gdy ciepło jest odzyskiwane (do natychmiastowego wykorzystania lub zmagazynowane), gdy ciepłownia bazująca na paliwach kopalnych lub energii elektrycznej jest bardziej niż w 100% wydajna oraz gdy wykorzystywana jest energia odnawialna.
Wytwarzanie energii odnawialnejEdit
Panele słoneczneEdit
Aktywne urządzenia słoneczne, takie jak fotowoltaiczne panele słoneczne, pomagają zapewnić zrównoważoną energię elektryczną do dowolnego użytku. Wydajność elektryczna panelu słonecznego zależy od orientacji, wydajności, szerokości geograficznej i klimatu – zyski słoneczne różnią się nawet na tej samej szerokości geograficznej. Typowa sprawność komercyjnie dostępnych paneli fotowoltaicznych wynosi od 4% do 28%. Niska sprawność niektórych paneli fotowoltaicznych może znacząco wpłynąć na okres zwrotu nakładów poniesionych na ich instalację. Ta niska wydajność nie oznacza, że panele słoneczne nie są realną alternatywą energetyczną. W Niemczech na przykład, panele słoneczne są powszechnie instalowane w budownictwie mieszkaniowym.
Dachy są często ustawione pod kątem do słońca, aby umożliwić panelom fotowoltaicznym zbieranie przy maksymalnej wydajności. Na półkuli północnej, orientacja prawdziwie południowa maksymalizuje uzysk z paneli słonecznych. Jeżeli nie jest możliwa orientacja południowa, panele słoneczne mogą wytwarzać odpowiednią ilość energii, jeżeli są ustawione w odległości 30° od południa. Jednak na wyższych szerokościach geograficznych, zimowy uzysk energii będzie znacznie zmniejszona dla nie-południowej orientacji.
Aby zmaksymalizować wydajność w zimie, kolektor może być nachylony powyżej poziomu Szerokość +15 °. Aby zmaksymalizować wydajność w lecie, kąt ten powinien wynosić Szerokość geograficzna -15°. Jednak dla rocznej maksymalnej produkcji, kąt panelu powyżej poziomu powinna być równa jego szerokości geograficznej.
Turbiny wiatroweEdit
Wykorzystanie niewymiarowych turbin wiatrowych do produkcji energii w strukturach zrównoważonych wymaga uwzględnienia wielu czynników. Biorąc pod uwagę koszty, małe systemy wiatrowe są generalnie droższe niż większe turbiny wiatrowe w stosunku do ilości produkowanej energii. W przypadku małych turbin wiatrowych, koszty konserwacji mogą być czynnikiem decydującym w miejscach o marginalnych możliwościach wykorzystania wiatru. W miejscach o słabym wietrze, konserwacja może pochłonąć znaczną część przychodów małej turbiny wiatrowej. Turbiny wiatrowe rozpoczynają pracę, gdy wiatr osiąga prędkość 8 mil na godzinę, osiągają zdolność produkcyjną przy prędkościach 32-37 mil na godzinę, a wyłączają się, aby uniknąć uszkodzeń przy prędkościach przekraczających 55 mil na godzinę. Potencjał energetyczny turbiny wiatrowej jest proporcjonalny do kwadratu długości łopat oraz do sześcianu prędkości, z jaką obracają się łopaty. Chociaż dostępne są turbiny wiatrowe, które mogą uzupełnić energię dla pojedynczego budynku, to ze względu na te czynniki, wydajność turbiny wiatrowej zależy w dużej mierze od warunków wiatrowych panujących w miejscu budowy. Z tych powodów, aby turbiny wiatrowe były w ogóle wydajne, muszą być instalowane w miejscach, o których wiadomo, że otrzymują stałą ilość wiatru (o średniej prędkości wiatru powyżej 15 mph), a nie w miejscach, które otrzymują wiatr sporadycznie. Mała turbina wiatrowa może być zainstalowana na dachu. Problemy związane z instalacją obejmują wówczas wytrzymałość dachu, wibracje oraz turbulencje spowodowane przez gzyms dachu. Niewielkie dachowe turbiny wiatrowe są w stanie wygenerować od 10% do 25% energii elektrycznej wymaganej przez zwykłe gospodarstwo domowe. Turbiny do użytku domowego mają zazwyczaj od 7 stóp (2 m) do 25 stóp (8 m) średnicy i wytwarzają energię elektryczną w tempie od 900 W do 10 000 W przy testowanej prędkości wiatru.
Solarne ogrzewanie wodyEdit
Słoneczne podgrzewacze wody, zwane również słonecznymi systemami ciepłej wody użytkowej, mogą być opłacalnym sposobem generowania ciepłej wody dla domu. Mogą być używane w każdym klimacie, a paliwo, którego używają – słońce – jest darmowe. Istnieją dwa rodzaje słonecznych systemów wodnych – aktywne i pasywne. Aktywny system kolektorów słonecznych może produkować około 80 do 100 galonów gorącej wody dziennie. Pasywny system będzie miał mniejszą pojemność.
Istnieją również dwa rodzaje obiegu, systemy obiegu bezpośredniego i systemy obiegu pośredniego. Systemy z obiegiem bezpośrednim przepuszczają wodę użytkową przez panele. Nie powinny być stosowane w klimacie z temperaturami poniżej zera. Pośredni obieg pętli glikolu lub innego płynu przez panele słoneczne i wykorzystuje wymiennik ciepła do ogrzewania wody użytkowej.
Dwa najczęstsze rodzaje paneli kolektora są Flat-Plate i Evacuated-tube. Dwa działają podobnie, z wyjątkiem tego, że rury ewakuacyjne nie konwekcyjnie tracą ciepło, co znacznie poprawia ich wydajność (5%-25% bardziej wydajne). Z tych wyższych wydajnościach, Evacuated-rurowe kolektory słoneczne mogą również produkować wyższą temperaturę ogrzewania pomieszczeń, a nawet wyższe temperatury dla systemów chłodzenia absorpcyjnego.
Elektryczne podgrzewacze wody oporu, które są powszechne w domach dzisiaj mają zapotrzebowanie elektryczne około 4500 kW-h / rok. Dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych, zużycie energii zmniejsza się o połowę. Koszt początkowy instalacji kolektorów słonecznych jest wysoki, ale z rocznych oszczędności energii, okresy zwrotu są stosunkowo krótkie.
Pompy ciepłaEdit
Pompy ciepła ze źródłem powietrza (ASHP) mogą być uważane za odwracalne klimatyzatory. Podobnie jak klimatyzator, ASHP może pobierać ciepło ze stosunkowo chłodnej przestrzeni (np. dom przy 70°F) i wyrzucać je do gorącego miejsca (np. na zewnątrz przy 85°F). Jednakże, w przeciwieństwie do klimatyzatora, skraplacz i parownik ASHP mogą zamienić się rolami i absorbować ciepło z chłodnego powietrza zewnętrznego i zrzucać je do ciepłego domu.
Pompy ciepła typu powietrze-źródło są niedrogie w porównaniu z innymi systemami pomp ciepła. Jednak wydajność powietrznych pomp ciepła spada, gdy temperatura zewnętrzna jest bardzo zimna lub bardzo gorąca; dlatego mają one zastosowanie tylko w klimacie umiarkowanym.
Dla obszarów, które nie znajdują się w klimacie umiarkowanym, gruntowe (lub geotermalne) pompy ciepła stanowią skuteczną alternatywę. Różnica między tymi dwoma pompami ciepła polega na tym, że grunt-źródło ma jeden ze swoich wymienników ciepła umieszczonych pod ziemią – zwykle w układzie poziomym lub pionowym. Źródło gruntowe wykorzystuje stosunkowo stałe, łagodne temperatury pod ziemią, co oznacza, że ich wydajność może być znacznie większa niż w przypadku powietrznej pompy ciepła. Gruntowy wymiennik ciepła wymaga zazwyczaj znacznej powierzchni. Projektanci umieścili je w otwartej przestrzeni obok budynku lub pod parkingiem.
Gruntowe pompy ciepła Energy Star mogą być o 40% do 60% bardziej wydajne niż ich odpowiedniki wykorzystujące powietrze. Są one również cichsze i mogą być również stosowane do innych funkcji, takich jak ogrzewanie ciepłej wody użytkowej.
W zakresie kosztów początkowych, system gruntowej pompy ciepła kosztuje około dwa razy więcej niż standardowa pompa ciepła z powietrzem do zainstalowania. Jednakże, koszty początkowe mogą być więcej niż zrekompensowane przez spadek kosztów energii. Zmniejszenie kosztów energii jest szczególnie widoczne w obszarach z typowo gorącym latem i zimną zimą.
Inne rodzaje pomp ciepła to woda-źródło i powietrze-ziemia. Jeśli budynek znajduje się w pobliżu zbiornika wodnego, staw lub jezioro może być wykorzystywane jako źródło ciepła lub pochłaniacz. Pompy ciepła typu powietrze-ziemia cyrkulują powietrze w budynku poprzez podziemne kanały. Ze względu na wyższe zapotrzebowanie na moc wentylatora i nieefektywne przekazywanie ciepła, pompy ciepła typu powietrze-ziemia są generalnie niepraktyczne w przypadku dużych obiektów budowlanych.