Eficiência energética durante todo o ciclo de vida de um edifício é o objetivo mais importante da arquitetura sustentável. Os arquitetos utilizam muitas técnicas diferentes passivas e ativas para reduzir as necessidades energéticas dos edifícios e aumentar sua capacidade de capturar ou gerar sua própria energia. Para minimizar o custo e a complexidade, a arquitetura sustentável prioriza sistemas passivos para aproveitar a localização dos edifícios com elementos arquitetônicos incorporados, complementando-os com fontes de energia renováveis e, em seguida, com recursos de combustíveis fósseis apenas quando necessário. A análise do local pode ser empregada para otimizar o uso de recursos ambientais locais como a luz do dia e o vento ambiente para aquecimento e ventilação.
Eficiência do sistema de aquecimento, ventilação e refrigeraçãoEditar
Númeras estratégias de arquitetura passiva foram desenvolvidas ao longo do tempo. Exemplos dessas estratégias incluem a disposição dos quartos ou o dimensionamento e orientação das janelas de um edifício, e a orientação das fachadas e ruas ou a relação entre a altura dos edifícios e a largura das ruas para o planeamento urbano.
Um elemento importante e económico de um sistema eficiente de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) é um edifício bem isolado. Um edifício mais eficiente requer menos energia geradora ou dissipadora de calor, mas pode requerer maior capacidade de ventilação para expelir o ar interior poluído.
Quantidades significativas de energia são expelidas dos edifícios nos fluxos de água, ar e composto. Fora das prateleiras, as tecnologias de reciclagem de energia no local podem efetivamente recuperar energia de água quente e ar velho e transferir essa energia para a água fria ou ar fresco que entra. A recaptura de energia para outros usos que não jardinagem a partir de adubo saindo dos edifícios requer digestores anaeróbicos centralizados.
Sistemas de AVAC são alimentados por motores. O cobre, em comparação com outros condutores metálicos, ajuda a melhorar a eficiência energética eléctrica dos motores, aumentando assim a sustentabilidade dos componentes eléctricos dos edifícios.
A orientação do local e dos edifícios tem alguns efeitos principais na eficiência do AVAC de um edifício.
A concepção passiva de edifícios solares permite que os edifícios aproveitem a energia do sol de forma eficiente sem o uso de quaisquer mecanismos solares activos, tais como células fotovoltaicas ou painéis solares de água quente. Tipicamente projetos de edifícios solares passivos incorporam materiais com alta massa térmica que retêm o calor de forma eficaz e isolamento forte que funciona para evitar a fuga de calor. Os projetos de baixa energia também requerem o uso de sombreamento solar, por meio de toldos, persianas ou persianas, para aliviar o ganho de calor solar no verão e para reduzir a necessidade de resfriamento artificial. Além disso, os edifícios de baixa energia têm tipicamente uma área de superfície muito baixa em relação ao volume para minimizar a perda de calor. Isto significa que os projetos de edifícios com várias alas (muitas vezes pensados para parecerem mais “orgânicos”) são muitas vezes evitados em favor de estruturas mais centralizadas. Os edifícios tradicionais de clima frio, como os projetos de caixas salinas coloniais americanos, fornecem um bom modelo histórico de eficiência de calor centralizada em um edifício de pequena escala.
As janelas são colocadas para maximizar a entrada de luz geradora de calor enquanto minimiza a perda de calor através do vidro, um mau isolante. No hemisfério norte isso geralmente envolve a instalação de um grande número de janelas voltadas para o sul para coletar sol direto e restringir severamente o número de janelas voltadas para o norte. Alguns tipos de janelas, tais como janelas com isolamento duplo ou triplo vidro com espaços preenchidos com gás e revestimentos de baixa emissividade (baixo E), proporcionam um isolamento muito melhor do que as janelas de vidro de um só painel. A prevenção do ganho solar em excesso por meio de dispositivos de sombreamento solar nos meses de verão é importante para reduzir as necessidades de resfriamento. Árvores decíduas são frequentemente plantadas em frente às janelas para bloquear o sol excessivo no verão com suas folhas, mas permitem a passagem da luz no inverno quando suas folhas caem. As persianas ou prateleiras de luz são instaladas para permitir a entrada da luz solar durante o inverno (quando o sol está mais baixo no céu) e mantê-la fora no verão (quando o sol está alto no céu). As plantas coníferas ou sempre-verdes são frequentemente plantadas ao norte dos edifícios para proteger contra os ventos frios do norte.
Em climas mais frios, os sistemas de aquecimento são um foco principal para a arquitectura sustentável porque são tipicamente um dos maiores sumidouros de energia nos edifícios.
Em climas mais quentes onde o arrefecimento é uma preocupação principal, os projectos solares passivos também podem ser muito eficazes. Os materiais de construção em alvenaria com elevada massa térmica são muito valiosos para reter as temperaturas frias da noite ao longo do dia. Além disso, os construtores optam frequentemente por estruturas de um único andar, a fim de maximizar a área de superfície e perda de calor. Os edifícios são muitas vezes projetados para capturar e canalizar os ventos existentes, particularmente os ventos especialmente frios vindos de corpos de água próximos. Muitas destas valiosas estratégias são empregadas de alguma forma pela arquitectura tradicional das regiões quentes, como os edifícios de missão do sudoeste.
Em climas com quatro estações, um sistema energético integrado aumentará a eficiência: quando o edifício está bem isolado, quando está localizado para trabalhar com as forças da natureza, quando o calor é recapturado (para ser utilizado imediatamente ou armazenado), quando a central térmica que depende de combustíveis fósseis ou electricidade é mais eficiente do que 100%, e quando é utilizada energia renovável.
Geração de energia renovávelEditar
Painéis solaresEditar
Dispositivos solares activos como os painéis solares fotovoltaicos ajudam a fornecer electricidade sustentável para qualquer uso. A produção elétrica de um painel solar depende da orientação, eficiência, latitude e ganho climático-solar varia, mesmo na mesma latitude. As eficiências típicas para painéis fotovoltaicos disponíveis comercialmente variam de 4% a 28%. A baixa eficiência de certos painéis fotovoltaicos pode afetar significativamente o período de retorno da sua instalação. Esta baixa eficiência não significa que os painéis solares não sejam uma alternativa energética viável. Na Alemanha, por exemplo, os painéis solares são normalmente instalados na construção de casas residenciais.
Telhados são muitas vezes inclinados para o sol para permitir a coleta de painéis fotovoltaicos com a máxima eficiência. No hemisfério norte, uma verdadeira orientação voltada para o sul maximiza o rendimento dos painéis solares. Se a orientação verdadeiro-sul não for possível, os painéis solares podem produzir energia adequada se alinhados dentro de 30° do sul. No entanto, em latitudes mais elevadas, o rendimento energético no inverno será significativamente reduzido para orientação não sul.
Para maximizar a eficiência no inverno, o coletor pode ser inclinado acima da latitude horizontal +15°. Para maximizar a eficiência no verão, o ângulo deve ser de Latitude -15°. Entretanto, para uma produção anual máxima, o ângulo do painel acima da horizontal deve ser igual à sua latitude.
Turbinas eólicasEditar
O uso de turbinas eólicas de tamanho inferior ao normal na produção de energia em estruturas sustentáveis requer a consideração de muitos fatores. Ao considerar os custos, os pequenos sistemas eólicos são geralmente mais caros do que as grandes turbinas eólicas em relação à quantidade de energia que elas produzem. Para pequenas turbinas eólicas, os custos de manutenção podem ser um fator decisivo em locais com capacidades marginais de aproveitamento de energia eólica. Em locais com ventos fracos, a manutenção pode consumir grande parte do rendimento de uma pequena turbina eólica. As turbinas eólicas começam a funcionar quando o vento atinge 8 mph, atingem capacidade de produção de energia a velocidades de 32-37 mph, e desligam-se para evitar danos a velocidades superiores a 55 mph. O potencial energético de uma turbina eólica é proporcional ao quadrado do comprimento das suas pás e ao cubo da velocidade em que as suas pás giram. Embora existam turbinas eólicas disponíveis que podem complementar a energia de um único edifício, devido a estes factores, a eficiência da turbina eólica depende muito das condições do vento no local da construção. Por estas razões, para que as turbinas eólicas sejam eficientes, devem ser instaladas em locais conhecidos por receberem uma quantidade constante de vento (com velocidades médias de vento superiores a 15 mph), em vez de locais que recebem o vento esporadicamente. Uma pequena turbina eólica pode ser instalada em um telhado. Os problemas de instalação incluem a resistência do telhado, a vibração e a turbulência causada pelo parapeito do telhado. Sabe-se que as pequenas turbinas eólicas no telhado são capazes de gerar energia de 10% a até 25% da eletricidade necessária para uma residência doméstica regular. As turbinas para uso residencial em escala estão geralmente entre 7 pés (2 m) a 25 pés (8 m) de diâmetro e produzem eletricidade a uma taxa de 900 a 10.000 watts à sua velocidade de vento testada.
Aquecimento solar de águaEditar
Aquecedores solares de água, também chamados sistemas solares de água quente doméstica, podem ser uma forma rentável de gerar água quente para uma casa. Eles podem ser utilizados em qualquer clima, e o combustível que utilizam – sol – é grátis.
Existem dois tipos de sistemas solares de água – activo e passivo. Um sistema de colector solar activo pode produzir cerca de 80 a 100 galões de água quente por dia. Um sistema passivo terá uma capacidade inferior.
Existem também dois tipos de sistemas de circulação, sistemas de circulação directa e sistemas de circulação indirecta. Os sistemas de circulação directa fazem o laço da água doméstica através dos painéis. Eles não devem ser utilizados em climas com temperaturas abaixo de zero. A circulação indirecta faz o laço glicol ou algum outro fluido através dos painéis solares e utiliza um permutador de calor para aquecer a água doméstica.
Os dois tipos mais comuns de painéis colectores são o Flat-Plate e o Evacuated-tube. Os dois funcionam de forma semelhante, excepto que os tubos evacuados não perdem calor convectivamente, o que melhora muito a sua eficiência (5%-25% mais eficiente). Com estas eficiências mais elevadas, os colectores solares Evacuated-tube também podem produzir aquecimento ambiente a temperaturas mais elevadas, e até temperaturas mais elevadas para sistemas de arrefecimento por absorção.
Aquecedores de água com resistência eléctrica que são comuns em casas hoje em dia têm uma procura eléctrica de cerca de 4500 kW-h/ano. Com a utilização de colectores solares, o consumo de energia é reduzido para metade. O custo inicial de instalação dos colectores solares é elevado, mas com a poupança anual de energia, os períodos de retorno são relativamente curtos.
Bombas de calorEditar
Bombas de calor de fonte de ar (ASHP) podem ser consideradas como aparelhos de ar condicionado reversíveis. Como um ar condicionado, uma ASHP pode pegar calor de um espaço relativamente fresco (por exemplo, uma casa a 70 °F) e despejá-lo num local quente (por exemplo, no exterior a 85 °F). Contudo, ao contrário de um ar condicionado, o condensador e o evaporador de um ASHP podem mudar de função e absorver o calor do ar exterior frio e despejá-lo numa casa quente.
Bombas de calor com fonte de ar são baratas em relação a outros sistemas de bombas de calor. No entanto, a eficiência das bombas de calor de fonte de ar diminui quando a temperatura exterior é muito fria ou muito quente; portanto, elas só são realmente aplicáveis em climas temperados.
Para áreas não localizadas em climas temperados, as bombas de calor de fonte terrestre (ou geotérmicas) fornecem uma alternativa eficiente. A diferença entre as duas bombas de calor é que a fonte de calor subterrânea tem um dos seus permutadores de calor colocado no subsolo – normalmente num arranjo horizontal ou vertical. A fonte terrestre tira partido das temperaturas relativamente constantes e amenas no subsolo, o que significa que a sua eficiência pode ser muito maior do que a de uma bomba de calor de fonte aérea. O permutador de calor no subsolo necessita geralmente de uma quantidade considerável de área. Os projetistas as colocaram em uma área aberta próxima ao edifício ou embaixo de um estacionamento.
Bombas de calor de fonte terrestre Energy Star podem ser 40% a 60% mais eficientes do que as suas contrapartes de fonte de ar. Elas também são mais silenciosas e também podem ser aplicadas a outras funções como aquecimento de água quente doméstica.
Em termos de custo inicial, o sistema de bomba de calor de fonte terrestre custa cerca de duas vezes mais do que uma bomba de calor de fonte de ar padrão a ser instalada. No entanto, os custos iniciais podem ser mais do que compensados pela diminuição dos custos de energia. A redução dos custos energéticos é especialmente evidente em áreas com verões tipicamente quentes e invernos frios.
Outros tipos de bombas de calor são as de fonte de água e de ar-terra. Se o edifício está localizado perto de um corpo de água, o tanque ou lago pode ser usado como uma fonte de calor ou pia. As bombas de calor de ar-terra fazem circular o ar do edifício através de condutas subterrâneas. Com maiores requisitos de potência de ventilação e transferência ineficiente de calor, as bombas de calor Air-earth não são geralmente práticas para construções principais.