Eficiența energetică pe parcursul întregului ciclu de viață al unei clădiri este cel mai important obiectiv al arhitecturii durabile. Arhitecții folosesc multe tehnici pasive și active diferite pentru a reduce necesarul de energie al clădirilor și pentru a crește capacitatea acestora de a capta sau de a-și genera propria energie. Pentru a minimiza costurile și complexitatea, arhitectura sustenabilă acordă prioritate sistemelor pasive pentru a profita de amplasarea clădirii cu elemente arhitecturale încorporate, completând cu surse de energie regenerabilă și apoi cu resurse de combustibili fosili doar în funcție de necesități. Analiza amplasamentului poate fi folosită pentru a optimiza utilizarea exploatării resurselor locale de mediu, cum ar fi lumina zilei și vântul ambiant pentru încălzire și ventilație.
Eficiența sistemelor de încălzire, ventilație și răcireEdit
Numeroase strategii arhitecturale pasive au fost dezvoltate de-a lungul timpului. Exemple de astfel de strategii includ dispunerea încăperilor sau dimensionarea și orientarea ferestrelor într-o clădire, precum și orientarea fațadelor și a străzilor sau raportul dintre înălțimea clădirilor și lățimea străzilor pentru planificarea urbană.
Un element important și eficient din punct de vedere al costurilor al unui sistem eficient de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) este o clădire bine izolată. O clădire mai eficientă necesită mai puțină putere de generare sau disipare a căldurii, dar poate necesita o capacitate de ventilație mai mare pentru a expulza aerul interior poluat.
Cantități semnificative de energie sunt eliminate din clădiri în fluxurile de apă, aer și compost. Tehnologiile de reciclare a energiei la fața locului, disponibile la raft, pot recupera în mod eficient energia din apa caldă reziduală și din aerul viciat și pot transfera această energie în apa rece sau în aerul proaspăt care intră. Recapturarea energiei pentru alte utilizări decât grădinăritul din compostul care părăsește clădirile necesită digestoare anaerobe centralizate.
Sistemele HVAC sunt acționate de motoare. Cuprul, față de alți conductori metalici, ajută la îmbunătățirea eficienței energetice electrice a motoarelor, sporind astfel durabilitatea componentelor electrice ale clădirilor.
Orientarea amplasamentului și a clădirii au unele efecte majore asupra eficienței HVAC a unei clădiri.
Proiectarea clădirilor cu energie solară pasivă permite clădirilor să valorifice eficient energia soarelui fără a utiliza mecanisme solare active, cum ar fi celulele fotovoltaice sau panourile solare pentru apă caldă. În mod obișnuit, proiectarea clădirilor cu energie solară pasivă încorporează materiale cu o masă termică ridicată care rețin căldura în mod eficient și o izolație puternică care acționează pentru a împiedica scurgerea căldurii. Proiectele cu consum redus de energie necesită, de asemenea, utilizarea de umbrire solară, prin intermediul copertinelor, jaluzelelor sau obloanelor, pentru a atenua câștigul de căldură solară în timpul verii și pentru a reduce nevoia de răcire artificială. În plus, clădirile cu consum redus de energie au, de obicei, un raport foarte scăzut între suprafață și volum pentru a minimiza pierderile de căldură. Acest lucru înseamnă că proiectele de clădiri cu mai multe aripi (despre care se crede adesea că au un aspect mai „organic”) sunt adesea evitate în favoarea unor structuri mai centralizate. Clădirile tradiționale pentru climă rece, cum ar fi modelele coloniale americane de tip saltbox, oferă un bun model istoric pentru eficiența termică centralizată într-o clădire de mici dimensiuni.
Fereșele sunt amplasate astfel încât să maximizeze aportul de lumină care creează căldură, minimizând în același timp pierderea de căldură prin sticlă, un izolator slab. În emisfera nordică, acest lucru implică, de obicei, instalarea unui număr mare de ferestre orientate spre sud pentru a colecta soarele direct și restricționarea severă a numărului de ferestre orientate spre nord. Anumite tipuri de ferestre, cum ar fi ferestrele izolate cu geamuri duble sau triple, cu spații umplute cu gaz și acoperiri cu emisivitate scăzută (low-E), oferă o izolare mult mai bună decât ferestrele cu un singur geam. Prevenirea câștigului solar în exces prin intermediul dispozitivelor de umbrire solară în lunile de vară este importantă pentru a reduce nevoile de răcire. Copacii de foioase sunt adesea plantați în fața ferestrelor pentru a bloca soarele excesiv în timpul verii cu frunzele lor, dar pentru a lăsa lumina să treacă iarna, când le cad frunzele. Se instalează jaluzele sau rafturi de lumină pentru a lăsa lumina soarelui să intre în timpul iernii (când soarele este mai jos pe cer) și pentru a o ține afară în timpul verii (când soarele este sus pe cer). Plantele conifere sau veșnic verzi sunt adesea plantate la nordul clădirilor pentru a proteja împotriva vânturilor reci din nord.
În climatele mai reci, sistemele de încălzire sunt un obiectiv principal pentru arhitectura sustenabilă, deoarece acestea sunt de obicei unul dintre cele mai mari consumatoare de energie din clădiri.
În climatele mai calde, unde răcirea este o preocupare principală, proiectele solare pasive pot fi, de asemenea, foarte eficiente. Materialele de construcție din zidărie cu masă termică ridicată sunt foarte valoroase pentru a păstra temperaturile scăzute din timpul nopții pe tot parcursul zilei. În plus, constructorii optează adesea pentru structuri întinse cu un singur etaj pentru a maximiza suprafața și pierderile de căldură. Clădirile sunt adesea proiectate pentru a capta și canaliza vânturile existente, în special vânturile deosebit de reci care vin dinspre corpurile de apă din apropiere. Multe dintre aceste strategii valoroase sunt folosite într-un fel sau altul de arhitectura tradițională din regiunile calde, cum ar fi clădirile misionare din sud-vest.
În climatele cu patru anotimpuri, un sistem energetic integrat va crește în eficiență: atunci când clădirea este bine izolată, când este amplasată astfel încât să lucreze cu forțele naturii, când căldura este recapturată (pentru a fi folosită imediat sau stocată), când centrala termică care se bazează pe combustibili fosili sau electricitate are o eficiență mai mare de 100% și când se folosește energie regenerabilă.
Producerea de energie regenerabilăEdit
Panouri solareEdit
Dispozitivele solare active, cum ar fi panourile solare fotovoltaice, ajută la furnizarea de energie electrică durabilă pentru orice utilizare. Producția electrică a unui panou solar depinde de orientare, eficiență, latitudine și climă – câștigul solar variază chiar și la aceeași latitudine. Eficiențele tipice pentru panourile fotovoltaice disponibile în comerț variază între 4% și 28%. Eficiența scăzută a anumitor panouri fotovoltaice poate afecta în mod semnificativ perioada de amortizare a instalării acestora. Această eficiență scăzută nu înseamnă că panourile solare nu reprezintă o alternativă energetică viabilă. În Germania, de exemplu, panourile solare sunt instalate în mod obișnuit în construcția de locuințe rezidențiale.
Topii sunt adesea înclinați spre soare pentru a permite panourilor fotovoltaice să colecteze la eficiență maximă. În emisfera nordică, o orientare adevărată spre sud maximizează randamentul pentru panourile solare. În cazul în care orientarea adevărat-sud nu este posibilă, panourile solare pot produce energie adecvată dacă sunt aliniate la 30° față de sud. Cu toate acestea, la latitudini mai mari, randamentul energetic în timpul iernii va fi semnificativ redus pentru orientarea non-sud.
Pentru a maximiza eficiența în timpul iernii, colectorul poate fi înclinat deasupra latitudinii orizontale +15°. Pentru a maximiza eficiența în timpul verii, unghiul trebuie să fie de Latitudine -15°. Cu toate acestea, pentru o producție maximă anuală, unghiul panoului deasupra orizontalei trebuie să fie egal cu latitudinea sa.
Turbine eolieneEdit
Utilizarea turbinelor eoliene subdimensionate în producția de energie în structuri durabile necesită luarea în considerare a mai multor factori. În ceea ce privește costurile, sistemele eoliene mici sunt, în general, mai scumpe decât turbinele eoliene mai mari în raport cu cantitatea de energie pe care o produc. În cazul turbinelor eoliene mici, costurile de întreținere pot fi un factor decisiv în siturile cu capacități marginale de captare a vântului. În siturile cu vânt slab, întreținerea poate consuma o mare parte din veniturile unei turbine eoliene mici. Turbinele eoliene încep să funcționeze atunci când vântul atinge 8 mph, ating capacitatea de producție de energie la viteze de 32-37 mph și se opresc pentru a evita deteriorarea la viteze care depășesc 55 mph. Potențialul energetic al unei turbine eoliene este proporțional cu pătratul lungimii paletelor sale și cu cubul vitezei la care se rotesc paletele. Deși sunt disponibile turbine eoliene care pot suplimenta energia pentru o singură clădire, din cauza acestor factori, eficiența turbinei eoliene depinde în mare măsură de condițiile de vânt de la locul unde se află clădirea. Din aceste motive, pentru ca turbinele eoliene să fie cât de cât eficiente, acestea trebuie să fie instalate în locații despre care se știe că primesc o cantitate constantă de vânt (cu viteze medii ale vântului mai mari de 15 mile pe oră), mai degrabă decât în locații care primesc vânt sporadic. O turbină eoliană mică poate fi instalată pe un acoperiș. Problemele de instalare includ atunci rezistența acoperișului, vibrațiile și turbulențele provocate de cornișa acoperișului. Se știe că turbinele eoliene de mici dimensiuni amplasate pe acoperiș sunt capabile să genereze energie de la 10% până la până la 25% din necesarul de energie electrică al unei locuințe casnice obișnuite. Turbinele pentru utilizare la scară rezidențială au, de obicei, un diametru cuprins între 2 m (7 picioare) și 8 m (25 picioare) și produc electricitate la o rată de 900 de wați până la 10.000 de wați la viteza vântului testată.
Încălzirea solară a apeiEdit
Călzitoarele solare de apă, numite și sisteme solare de apă caldă menajeră, pot fi o modalitate rentabilă de a genera apă caldă pentru o locuință. Ele pot fi folosite în orice climă, iar combustibilul pe care îl folosesc – soarele – este gratuit.
Există două tipuri de sisteme solare de apă – active și pasive. Un sistem activ de colectoare solare poate produce aproximativ 80 până la 100 de galoane de apă caldă pe zi. Un sistem pasiv va avea o capacitate mai mică.
Există, de asemenea, două tipuri de circulație, sisteme cu circulație directă și sisteme cu circulație indirectă. Sistemele cu circulație directă fac o buclă a apei menajere prin panouri. Acestea nu ar trebui să fie utilizate în climatele cu temperaturi sub zero grade. Circulația indirectă face o buclă de glicol sau un alt fluid prin panourile solare și utilizează un schimbător de căldură pentru a încălzi apa menajeră.
Cele mai comune două tipuri de panouri colectoare sunt cele cu plăci plate și cele cu tuburi vidate. Cele două funcționează în mod similar, cu excepția faptului că tuburile evacuate nu pierd căldură prin convecție, ceea ce le îmbunătățește considerabil eficiența (cu 5%-25% mai eficiente). Cu aceste randamente mai mari, colectorii solari cu tuburi vidate pot produce, de asemenea, încălzirea spațiilor la temperaturi mai ridicate și chiar la temperaturi mai ridicate pentru sistemele de răcire prin absorbție.
Cele de apă cu rezistență electrică, care sunt obișnuite în casele de astăzi, au o cerere de energie electrică de aproximativ 4500 kW-h/an. Prin utilizarea de colectoare solare, consumul de energie se reduce la jumătate. Costul inițial de instalare a colectoarelor solare este ridicat, dar, având în vedere economiile anuale de energie, perioadele de recuperare a investiției sunt relativ scurte.
Pompe de căldurăEdit
Pompele de căldură cu sursă de aer (ASHP) pot fi considerate ca fiind aparate de aer condiționat reversibile. La fel ca un aparat de aer condiționat, o ASHP poate prelua căldura dintr-un spațiu relativ rece (de exemplu, o casă la 70 °F) și o poate evacua într-un loc cald (de exemplu, afară la 85 °F). Cu toate acestea, spre deosebire de un aparat de aer condiționat, condensatorul și evaporatorul unui ASHP pot schimba rolurile și pot absorbi căldura din aerul rece de afară și să o deverseze într-o casă caldă.
Pompele de căldură cu sursă de aer sunt ieftine în raport cu alte sisteme de pompe de căldură. Cu toate acestea, eficiența pompelor de căldură cu sursă de aer scade atunci când temperatura exterioară este foarte rece sau foarte caldă; prin urmare, acestea sunt cu adevărat aplicabile numai în climatele temperate.
Pentru zonele care nu sunt situate în climatele temperate, pompele de căldură cu sursă de sol (sau geotermice) oferă o alternativă eficientă. Diferența dintre cele două pompe de căldură este că pompa de căldură cu sursă terestră are unul dintre schimbătoarele de căldură plasat în subteran – de obicei într-un aranjament orizontal sau vertical. Sursa terestră profită de temperaturile relativ constante și blânde din subteran, ceea ce înseamnă că eficiența lor poate fi mult mai mare decât cea a unei pompe de căldură cu sursă de aer. În general, schimbătorul de căldură îngropat în pământ are nevoie de o suprafață considerabilă. Proiectanții le-au amplasat într-o zonă deschisă de lângă clădire sau sub o parcare.
Pompele de căldură cu sursă de căldură terestră Energy Star pot fi cu 40% până la 60% mai eficiente decât omologii lor cu sursă de aer. Ele sunt, de asemenea, mai silențioase și pot fi aplicate și la alte funcții, cum ar fi încălzirea apei calde menajere.
În ceea ce privește costul inițial, sistemul de pompe de căldură cu sursă de căldură din sol costă aproximativ de două ori mai mult decât o pompă de căldură standard cu sursă de aer pentru a fi instalat. Cu toate acestea, costurile inițiale pot fi mai mult decât compensate de scăderea costurilor energetice. Reducerea costurilor de energie este evidentă mai ales în zonele cu veri de obicei fierbinți și ierni reci.
Alte tipuri de pompe de căldură sunt cele cu sursă de apă și cele aer-pământ. În cazul în care clădirea este situată în apropierea unui corp de apă, iazul sau lacul ar putea fi folosit ca sursă de căldură sau ca radiator. Pompele de căldură aer-pământ fac să circule aerul din clădire prin conducte subterane. Având în vedere că necesită o putere mai mare a ventilatorului și un transfer de căldură ineficient, pompele de căldură aer-pământ nu sunt, în general, practice pentru construcțiile majore.
.