Energieeffektivitet under en byggnads hela livscykel är det viktigaste målet för hållbar arkitektur. Arkitekter använder många olika passiva och aktiva tekniker för att minska byggnaders energibehov och öka deras förmåga att fånga upp eller generera sin egen energi. För att minimera kostnader och komplexitet prioriterar hållbar arkitektur passiva system för att dra nytta av byggnadens läge med inbyggda arkitektoniska element, komplettering med förnybara energikällor och sedan fossila bränsleresurser endast vid behov. Platsanalys kan användas för att optimera användningen av utnyttjandet av lokala miljöresurser som dagsljus och omgivande vind för uppvärmning och ventilation.
Effektivitet av uppvärmnings-, ventilations- och kylsystemRedigera
Enormt många passiva arkitektoniska strategier har utvecklats över tid. Exempel på sådana strategier är rumsindelningen eller storleken och orienteringen av fönster i en byggnad, och orienteringen av fasader och gator eller förhållandet mellan byggnadshöjder och gatubredder för stadsplanering.
En viktig och kostnadseffektiv beståndsdel i ett effektivt uppvärmnings-, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HVAC-system) är en välisolerad byggnad. En effektivare byggnad kräver mindre värmeproducerande eller värmeavledande kraft, men kan kräva större ventilationskapacitet för att driva ut förorenad inomhusluft.
Signifikanta energimängder spolas ut ur byggnader i vatten-, luft- och kompostströmmarna. Teknik för återvinning av energi på plats kan på ett effektivt sätt återvinna energi från spillvarmvatten och förbrukad luft och överföra den energin till inkommande kallt vatten eller frisk luft. För att återvinna energi för andra ändamål än trädgårdsarbete från kompost som lämnar byggnader krävs centraliserade anaeroba rötningsanläggningar.
HVAC-system drivs av motorer. Koppar, jämfört med andra metallledare, bidrar till att förbättra den elektriska energieffektiviteten hos motorer, vilket ökar hållbarheten hos elektriska byggnadskomponenter.
Stället och byggnadens orientering har några viktiga effekter på en byggnads HVAC-effektivitet.
Den passiva solcellsbyggnadsdesignen gör det möjligt för byggnader att utnyttja solens energi på ett effektivt sätt utan att använda några aktiva solcellsmekanismer som solceller eller solvärmepaneler. Typiska passiva solbyggnadsdesigns innehåller material med hög termisk massa som behåller värmen effektivt och stark isolering som fungerar för att förhindra värmeflykt. För att uppnå låga energianvändningar krävs också solavskärmning i form av markiser, persienner eller fönsterluckor för att minska solvärmetillväxten på sommaren och minska behovet av artificiell kylning. Dessutom har lågenergibyggnader vanligtvis ett mycket lågt förhållande mellan yta och volym för att minimera värmeförlusterna. Detta innebär att man ofta undviker att bygga utspridda byggnader med flera vingar (som ofta anses se mer ”organiska” ut) till förmån för mer centraliserade strukturer. Traditionella byggnader i kallt klimat, t.ex. amerikanska saltlådor från kolonialtiden, utgör en bra historisk modell för centraliserad värmeeffektivitet i en småskalig byggnad.
Fönstren placeras så att de maximerar inflödet av värmeskapande ljus samtidigt som de minimerar värmeförlusten genom glas, som är en dålig isolator. På norra halvklotet innebär detta vanligtvis att man installerar ett stort antal fönster som vetter mot söder för att samla in direkt sol och kraftigt begränsar antalet fönster som vetter mot norr. Vissa fönstertyper, t.ex. dubbel- eller trippelglasade isolerade fönster med gasfyllda utrymmen och beläggningar med låg emissivitet (low-E), ger mycket bättre isolering än enkelglasfönster. Det är viktigt att förhindra överdriven solinstrålning med hjälp av solskyddsanordningar under sommarmånaderna för att minska kylbehovet. Lövträd planteras ofta framför fönstren för att blockera överdriven sol på sommaren med sina löv men släppa igenom ljuset på vintern när löven faller. Lameller eller ljushyllor installeras för att släppa in solljuset på vintern (när solen står lägre på himlen) och hålla det ute på sommaren (när solen står högre på himlen). Barrträd eller vintergröna växter planteras ofta norr om byggnaderna för att skydda mot kalla nordanvindar.
I kallare klimat är värmesystem ett primärt fokus för hållbar arkitektur eftersom de vanligtvis är en av de största enskilda energiförlusterna i byggnader.
I varmare klimat där kylning är ett primärt bekymmer kan passiv soldesign också vara mycket effektiv. Byggnadsmaterial av murverk med hög termisk massa är mycket värdefulla för att bibehålla nattens svala temperaturer under hela dagen. Dessutom väljer byggare ofta utspridda strukturer med en enda våning för att maximera ytan och värmeförlusterna. Byggnaderna utformas ofta för att fånga upp och kanalisera befintliga vindar, särskilt de särskilt svala vindar som kommer från närliggande vattenförekomster. Många av dessa värdefulla strategier används på något sätt i den traditionella arkitekturen i varma regioner, t.ex. sydvästliga missionshus.
I klimat med fyra årstider kommer ett integrerat energisystem att öka effektiviteten: när byggnaden är välisolerad, när den är placerad så att den fungerar tillsammans med naturens krafter, när värme återvinns (för att användas omedelbart eller lagras), när värmeanläggningen som förlitar sig på fossila bränslen eller elektricitet har en effektivitet som är större än 100 %, och när förnybar energi används.
Förnybar energiproduktionRedigera
SolpanelerRedigera
Aktiva solenergianordningar som solcellspaneler bidrar till att tillhandahålla hållbar el för alla användningsområden. Den elektriska produktionen från en solcellspanel är beroende av orientering, effektivitet, latitud och klimat – solvinsten varierar även på samma latitud. Typiska verkningsgrader för kommersiellt tillgängliga solcellspaneler varierar från 4 % till 28 %. Den låga verkningsgraden hos vissa solcellspaneler kan avsevärt påverka återbetalningstiden för deras installation. Den låga verkningsgraden innebär inte att solpaneler inte är ett lönsamt energialternativ. I Tyskland är det till exempel vanligt att solpaneler installeras i bostadsbyggnader.
Tak är ofta vinklade mot solen för att solcellspaneler ska kunna samla in med maximal effektivitet. På norra halvklotet maximerar en orientering i sydlig riktning solpanelernas avkastning. Om det inte är möjligt att ha en sydlig riktning kan solpaneler producera tillräcklig energi om de är inriktade inom 30° från söder. På högre latituder kommer dock energiutbytet på vintern att minska betydligt vid en icke-sydlig orientering.
För att maximera effektiviteten på vintern kan solfångaren vinklas ovanför den horisontella breddgraden +15°. För att maximera effektiviteten på sommaren bör vinkeln vara Latitud -15°. För en årlig maximal produktion bör dock vinkeln för panelen över horisontalplanet vara lika med dess latitud.
VindkraftverkRedigera
Användningen av underdimensionerade vindkraftverk för energiproduktion i hållbara strukturer kräver att många faktorer beaktas. När det gäller kostnader är små vindkraftsystem i allmänhet dyrare än större vindkraftverk i förhållande till den energimängd de producerar. För små vindkraftverk kan underhållskostnaderna vara en avgörande faktor på platser med marginell vindkraftskapacitet. På platser med låg vindstyrka kan underhållet ta en stor del av intäkterna från ett litet vindkraftverk i anspråk. Vindkraftverk börjar fungera när vinden når 8 mph, uppnår energiproduktionskapacitet vid hastigheter på 32-37 mph och stängs av för att undvika skador vid hastigheter över 55 mph. Energipotentialen hos ett vindkraftverk är proportionell mot kvadraten på bladens längd och mot kuben på den hastighet med vilken bladen snurrar. Även om det finns vindturbiner som kan komplettera en enskild byggnad med energi, beror vindturbinens effektivitet på grund av dessa faktorer i hög grad på vindförhållandena på byggplatsen. För att vindkraftverk ska vara effektiva måste de därför installeras på platser där det är känt att det blåser konstant (med en genomsnittlig vindhastighet på mer än 15 mph), snarare än på platser där det blåser sporadiskt. Ett litet vindkraftverk kan installeras på ett tak. Installationsproblem är då bl.a. takets styrka, vibrationer och den turbulens som orsakas av taknocken. Små vindkraftverk på tak har visat sig kunna generera mellan 10 % och 25 % av elbehovet i ett vanligt hushåll. Turbiner för användning i bostadsområden har vanligtvis en diameter på mellan 2 meter och 8 meter och producerar el med en hastighet på 900 watt till 10 000 watt vid den testade vindhastigheten.
Solvärme för vattenuppvärmningRedigera
Solvattenvärmare, även kallade solvärmesystem för hushållsvatten, kan vara ett kostnadseffektivt sätt att generera varmvatten för ett hem. De kan användas i alla klimat och bränslet de använder – solskenet – är gratis.
Det finns två typer av solvattensystem – aktiva och passiva. Ett aktivt solfångarsystem kan producera cirka 80 till 100 liter varmvatten per dag. Ett passivt system har en lägre kapacitet.
Det finns också två typer av cirkulation, direkta cirkulationssystem och indirekta cirkulationssystem. Direktcirkulationssystem slingrar hushållsvattnet genom panelerna. De bör inte användas i klimat med temperaturer under noll grader. Indirekt cirkulation leder glykol eller någon annan vätska genom solpanelerna och använder en värmeväxlare för att värma upp hushållsvattnet.
De två vanligaste typerna av solfångarpaneler är plattplatta och evakuerade rör. De två fungerar på samma sätt förutom att evakuerade rör inte förlorar värme konvektivt, vilket förbättrar deras effektivitet avsevärt (5-25 % effektivare). Med dessa högre verkningsgrader kan solfångare med evakuerade rör också producera rumsuppvärmning med högre temperaturer och ännu högre temperaturer för absorptionskylningssystem.
Vattenvärmare med elektrisk motståndskraft som är vanliga i hemmen i dag har ett elektriskt behov på omkring 4 500 kW-h/år. Med hjälp av solfångare kan energianvändningen halveras. Den initiala kostnaden för att installera solfångare är hög, men med de årliga energibesparingarna är återbetalningstiderna relativt korta.
VärmepumparRedigera
Luftvärmepumpar (ASHP) kan ses som reversibla luftkonditioneringsapparater. Liksom en luftkonditionering kan en ASHP ta värme från ett relativt kallt utrymme (t.ex. ett hus vid 70 °F) och släppa ut den på en varm plats (t.ex. utomhus vid 85 °F). Men till skillnad från en luftkonditionering kan kondensatorn och förångaren i en ASHP byta roller och ta upp värme från den svala utomhusluften och släppa ut den i ett varmt hus.
Luftvärmepumpar är billiga i förhållande till andra värmepumpssystem. Effektiviteten hos luftvärmepumpar sjunker dock när utomhustemperaturen är mycket kall eller mycket varm, och de är därför endast tillämpbara i tempererade klimat.
För områden som inte är belägna i tempererade klimat är jordvärmepumpar (eller geotermiska värmepumpar) ett effektivt alternativ. Skillnaden mellan de två värmepumparna är att en av värmeväxlarna i jordvärmepumpen är placerad under jord – vanligtvis i ett horisontellt eller vertikalt arrangemang. Jordvärmepumpen drar nytta av de relativt konstanta, milda temperaturerna under marken, vilket innebär att deras effektivitet kan vara mycket högre än för en luftvärmepump. Den jordburna värmeväxlaren behöver i allmänhet en avsevärd yta. Konstruktörer har placerat dem på ett öppet område intill byggnaden eller under en parkeringsplats.
Energy Star-värmepumpar med jordvärmepump kan vara 40-60 % effektivare än sina motsvarigheter med luftvärmepump. De är också tystare och kan även användas till andra funktioner som uppvärmning av tappvarmvatten.
När det gäller den initiala kostnaden kostar markvärmepumpssystemet ungefär dubbelt så mycket som en vanlig luftvärmepump att installera. De initiala kostnaderna kan dock mer än väl kompenseras av de minskade energikostnaderna. Minskningen av energikostnaderna är särskilt tydlig i områden med typiskt varma somrar och kalla vintrar.
Andra typer av värmepumpar är vattenkälla och luft-jord. Om byggnaden ligger nära en vattenförekomst kan dammen eller sjön användas som värmekälla eller sänka. Luft-jordvärmepumpar cirkulerar byggnadens luft genom underjordiska kanaler. Med högre krav på fläktkraft och ineffektiv värmeöverföring är luft-jordvärmepumpar i allmänhet inte praktiska för större byggnationer.