استخدام الطاقة المستدامة

استخدام الطاقة المستدامة

K2 شقق مستدامة في Windsor ، Victoria ، أستراليا بواسطة DesignInc (2006) ميزات التصميم الشمسي السلبي ، المواد المعاد تدويرها والمستدامة ، الخلايا الكهروضوئية ، معالجة المياه العادمة ، تجميع مياه الأمطار و الماء الساخن بالطاقة الشمسية .

يجمع معيار passivhaus بين مجموعة متنوعة من التقنيات والتقنيات لتحقيق استخدام منخفض جدًا للطاقة.

بعد تدميرها بواسطة إعصار في عام 2007 ، مدينة Greensburg ، Kansas (الولايات المتحدة ) تم انتخابه لإعادة البناء وفقًا لمعايير LEED البلاتينية البيئية الصارمة للغاية. يظهر المركز الفني الجديد في المدينة ، والذي يدمج الألواح الشمسية ومولدات الرياح الخاصة به لتحقيق الاكتفاء الذاتي من الطاقة.
تعد كفاءة الطاقة على مدار دورة حياة المبنى بأكملها أهم هدف للهندسة المعمارية المستدامة. المهندسين المعماريين يستخدمون العديد من التقنيات السلبية والنشطة المختلفة لتقليل احتياجات الطاقة للمباني وزيادة قدرتها على التقاط أو توليد الطاقة الخاصة بهم. لتقليل التكلفة والتعقيد ، تعطي الهندسة المعمارية المستدامة الأولوية للأنظمة السلبية للاستفادة من موقع المبنى مع عناصر معمارية مدمجة ، مع استكمال مصادر الطاقة المتجددة ثم موارد الوقود الأحفوري فقط حسب الحاجة. يمكن استخدام تحليل الموقع لتحسين الاستخدام لاستغلال الموارد البيئية المحلية مثل ضوء النهار والرياح المحيطة للتدفئة والتهوية.

كفاءة نظام التدفئة والتهوية والتبريد
تم تطوير العديد من الاستراتيجيات المعمارية السلبية بمرور الوقت. تتضمن أمثلة هذه الاستراتيجيات ترتيب الغرف أو تحجيم النوافذ واتجاهها في المبنى ، وتوجيه الواجهات والشوارع أو النسبة بين ارتفاعات المباني وعرض الشوارع للتخطيط الحضري.

هام و فعال من حيث التكلفة عنصر نظام تدفئة وتهوية وتكييف فعال نظام تدفئة وتهوية وتكييف هواء (HVAC) عبارة عن مبنى جيد العزل . يتطلب المبنى الأكثر كفاءة طاقة أقل لتوليد الحرارة أو تبديدها ، ولكنه قد يتطلب قدرة تهوية أكبر لطرد هواء داخلي ملوث .

يتم التخلص من كميات كبيرة من الطاقة خارج المباني في الماء والهواء و سماد تيارات. على الرف ، يمكن لتقنيات إعادة تدوير الطاقة في الموقع أن تستعيد بفعالية الطاقة من النفايات الماء الساخن والهواء القديم وتحويل هذه الطاقة إلى الماء البارد النقي أو الهواء النقي. يتطلب استعادة الطاقة لاستخدامات أخرى غير البستنة من المباني الخارجة من السماد العضوي هاضمات لاهوائية مركزية .

أنظمة HVAC تعمل بمحركات. النحاس ، مقابل الموصلات المعدنية الأخرى ، يساعد على تحسين كفاءة الطاقة الكهربائية للمحركات ، وبالتالي تعزيز استدامة مكونات المباني الكهربائية.

اتجاه الموقع والمبنى له بعض التأثيرات الرئيسية على كفاءة HVAC للمبنى.

تصميم المبنى الشمسي السلبي يسمح للمباني بتسخير طاقة الشمس بكفاءة دون استخدام أي آليات شمسية نشطة مثل الخلايا الكهروضوئية أو تسخين شمسي ألواح المياه . عادةً ما تشتمل تصميمات المباني الشمسية السلبية على مواد ذات كتلة حرارية عالية والتي تحتفظ بالحرارة بشكل فعال وقوي وعزل يعمل على منع تسرب الحرارة. تتطلب التصميمات منخفضة الطاقة أيضًا استخدام التظليل الشمسي ، عن طريق المظلات أو الستائر أو الستائر ، للتخفيف من اكتساب حرارة الشمس في الصيف وتقليل الحاجة إلى التبريد الاصطناعي. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي المباني منخفضة الطاقة عادةً على مساحة سطح منخفضة جدًا إلى نسبة الحجم لتقليل فقد الحرارة. وهذا يعني أن تصميمات المباني متعددة الأجنحة المترامية الأطراف (التي يُعتقد غالبًا أنها تبدو أكثر “عضوية”) يتم تجنبها غالبًا لصالح الهياكل الأكثر مركزية. توفر مباني المناخ البارد التقليدية مثل تصميمات الأمريكية المستعمرة صندوق الملح نموذجًا تاريخيًا جيدًا لكفاءة الحرارة المركزية في مبنى صغير الحجم.

يتم وضع النوافذ لزيادة مدخلات الضوء المولِّد للحرارة مع تقليل فقد الحرارة من خلال الزجاج ، وهو عازل رديء. في نصف الكرة الشمالي عادةً ما يتضمن ذلك تثبيت عدد كبير من النوافذ المواجهة للجنوب لتجميع أشعة الشمس المباشرة وتقييد عدد النوافذ المواجهة للشمال بشدة. توفر أنواع معينة من النوافذ ، مثل الزجاج المزدوج أو الثلاثي النوافذ المعزولة ذات المساحات المملوءة بالغاز و منخفضة الانبعاثية (low-E) عزلًا أفضل بكثير من النوافذ الزجاجية أحادية اللوحة. يعد منع زيادة الطاقة الشمسية عن طريق أجهزة التظليل الشمسي في أشهر الصيف أمرًا مهمًا لتقليل احتياجات التبريد. غالبًا ما تُزرع الأشجار المتساقطة الأوراق أمام النوافذ لمنع أشعة الشمس الزائدة في الصيف بأوراقها ولكنها تسمح بمرور الضوء في الشتاء عندما تتساقط أوراقها. يتم تثبيت فتحات التهوية أو الأرفف الضوئية للسماح بدخول ضوء الشمس خلال فصل الشتاء (عندما تكون الشمس منخفضة في السماء) وإبقائها بعيدة في الصيف (عندما تكون الشمس عالية في السماء). غالبًا ما تُزرع نباتات صنوبرية أو دائمة الخضرة في شمال المباني للحماية من الرياح الشمالية الباردة.

في المناخات الباردة ، أنظمة التدفئة هي التركيز الأساسي للهندسة المعمارية المستدامة لأنها عادة ما تكون واحدة من أكبر مصارف الطاقة الفردية في المباني.

في المناخات الأكثر دفئًا حيث يكون التبريد هو الشغل الشاغل ، يمكن أيضًا أن تكون التصميمات الشمسية السلبية فعالة جدًا. تعتبر مواد البناء مواد البناء ذات الكتلة الحرارية العالية ذات قيمة كبيرة للحفاظ على درجات الحرارة الباردة ليلا طوال اليوم. بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما يختار البناة المباني المترامية الأطراف ذات الطابق الواحد من أجل زيادة مساحة السطح وفقدان الحرارة. غالبًا ما يتم تصميم المباني لالتقاط وتوجيه الرياح الموجودة ، وخاصة الرياح الباردة القادمة من المسطحات المائية القريبة من المسطحات المائية . يتم استخدام العديد من هذه الاستراتيجيات القيمة بطريقة ما من خلال العمارة التقليدية للمناطق الدافئة ، مثل مباني المهمة الجنوبية الغربية.

في المناخات ذات الفصول الأربعة ، ستزداد كفاءة نظام الطاقة المتكامل: عندما يكون المبنى معزولًا جيدًا ، وعندما يكون في موقع للعمل مع قوى الطبيعة ، وعند استعادة الحرارة (لاستخدامها على الفور أو المخزنة) ، عندما تكون محطة التسخين التي تعتمد على من الوقود الأحفوري أو الكهرباء أكبر من 100٪ ، وعندما يتم استخدام الطاقة المتجددة .

توليد الطاقة المتجددة

BedZED (Beddington Zero Energy Development) ، أكبر وأول مجتمع بيئي محايد للكربون في المملكة المتحدة: السطح المميز مع الألواح الشمسية ومداخن التهوية السلبية
الألواح الشمسية
تعمل الأجهزة الشمسية النشطة مثل الخلايا الضوئية الألواح الشمسية تساعد على توفير كهرباء مستدامة لأي استخدام. يعتمد الإخراج الكهربائي للوحة شمسية على الاتجاه والكفاءة وخط العرض والمناخ – يختلف الكسب الشمسي حتى عند نفس خط العرض. تتراوح الكفاءات النموذجية للألواح الكهروضوئية المتاحة تجاريًا من 4٪ إلى 28٪. يمكن أن تؤثر الكفاءة المنخفضة لبعض الألواح الكهروضوئية بشكل كبير على فترة الاسترداد لتركيبها. لا تعني هذه الكفاءة المنخفضة أن الألواح الشمسية ليست بديلاً قابلاً للتطبيق للطاقة. في ألمانيا على سبيل المثال ، يتم تثبيت الألواح الشمسية بشكل شائع في بناء المنازل السكنية.

غالبًا ما تكون الأسطح بزاوية نحو الشمس للسماح للألواح الكهروضوئية بالتجمع بأقصى قدر من الكفاءة. في نصف الكرة الشمالي ، يؤدي الاتجاه المواجه للجنوب الحقيقي إلى زيادة إنتاجية الألواح الشمسية. إذا كان الجنوب الحقيقي غير ممكن ، يمكن للألواح الشمسية إنتاج طاقة كافية إذا تم محاذاة ضمن 30 درجة من الجنوب. ومع ذلك ، عند خطوط العرض الأعلى ، سينخفض ​​إنتاجية الطاقة الشتوية بشكل كبير للتوجه غير الجنوبي.

لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في الشتاء ، يمكن وضع زاوية التجميع فوق خط العرض الأفقي + 15 درجة. لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في الصيف ، يجب أن تكون الزاوية خط العرض -15 درجة. ومع ذلك ، بالنسبة إلى الحد الأقصى للإنتاج السنوي ، يجب أن تكون زاوية اللوحة فوق الأفقي مساوية لخط العرض.

توربينات الرياح
يتطلب استخدام توربينات الرياح الأصغر حجمًا في إنتاج الطاقة في الهياكل المستدامة النظر في العديد من العوامل. عند النظر في التكاليف ، تكون أنظمة الرياح الصغيرة أغلى بشكل عام من توربينات الرياح الأكبر مقارنة بكمية الطاقة التي تنتجها. بالنسبة لتوربينات الرياح الصغيرة ، يمكن أن تكون تكاليف الصيانة عاملاً حاسماً في المواقع ذات القدرات الهامشية لتسخير الرياح. في مواقع الرياح المنخفضة ، يمكن أن تستهلك الصيانة الكثير من عائدات توربينات الرياح الصغيرة. تبدأ توربينات الرياح العمل عندما تصل سرعة الرياح إلى 8 ميل في الساعة ، وتحقق قدرة إنتاج الطاقة بسرعات تتراوح بين 32 و 37 ميلاً في الساعة ، وتغلق لتفادي التلف بسرعات تتجاوز 55 ميلاً في الساعة. تتناسب إمكانات الطاقة لتوربينات الرياح مع مربع طول ريشها ومكعب السرعة التي تدور بها ريشها. على الرغم من توفر توربينات الرياح التي يمكن أن تكمل الطاقة لمبنى واحد ، بسبب هذه العوامل ، فإن كفاءة توربينات الرياح تعتمد كثيرًا على ظروف الرياح في موقع المبنى. لهذه الأسباب ، لكي تكون توربينات الرياح فعالة على الإطلاق ، يجب تركيبها في مواقع معروفة باستقبالها كمية ثابتة من الرياح (بمتوسط ​​سرعة رياح تزيد عن 15 ميلاً في الساعة) ، بدلاً من المواقع التي تستقبل الرياح بشكل متقطع. يمكن تركيب توربينات رياح صغيرة على السطح. تتضمن مشكلات التثبيت بعد ذلك قوة السقف والاهتزاز والاضطراب الناجم عن حافة السقف. من المعروف أن توربينات الرياح الصغيرة الموجودة على الأسطح قادرة على توليد الطاقة من 10٪ إلى 25٪ من الكهرباء المطلوبة للمنازل المنزلية العادية. يتراوح قطر التوربينات المخصصة للاستخدام السكني عادةً ما بين 7 أقدام (2 م) إلى 25 قدمًا (8 م) وتنتج الكهرباء بمعدل 900 وات إلى 10000 وات عند سرعة الرياح التي تم اختبارها.

تسخين المياه بالطاقة الشمسية
سخانات المياه بالطاقة الشمسية ، والتي تسمى أيضًا أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية المنزلية ، يمكن أن تكون وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتوليد الماء الساخن للمنزل. يمكن استخدامها في أي مناخ ، والوقود الذي تستخدمه – أشعة الشمس – مجاني.

هناك نوعان من أنظمة المياه بالطاقة الشمسية – النشطة والسلبية. يمكن لنظام تجميع الطاقة الشمسية النشط أن ينتج حوالي 80 إلى 100 جالون من الماء الساخن يوميًا. سيكون للنظام السلبي سعة أقل.

هناك أيضًا نوعان من الدوران ، أنظمة الدوران المباشر وأنظمة الدوران غير المباشرة. تقوم أنظمة الدوران المباشر بتدوير المياه المحلية عبر الألواح. لا ينبغي استخدامها في المناخات ذات درجات حرارة أقل من درجة التجمد. يقوم الدوران غير المباشر بحلقات الجليكول أو بعض السوائل الأخرى عبر الألواح الشمسية ويستخدم مبادل حراري لتسخين المياه المنزلية.

النوعان الأكثر شيوعًا من لوحات التجميع هما اللوح المسطح والأنبوب المفرغ. يعمل كلاهما بشكل مشابه باستثناء أن الأنابيب المفرغة لا تفقد الحرارة بشكل حراري ، مما يحسن كفاءتها بشكل كبير (5٪ -25٪ أكثر كفاءة). مع هذه الكفاءات العالية ، يمكن لمجمعات الطاقة الشمسية ذات الأنابيب المفرغة أيضًا إنتاج تدفئة ذات درجة حرارة أعلى للمكان ، ودرجات حرارة أعلى لأنظمة التبريد بالامتصاص.

سخانات المياه المقاومة الكهربائية الشائعة في المنازل اليوم لها طلب كهربائي حولها 4500 كيلوواط · ساعة / سنة. مع استخدام مجمعات الطاقة الشمسية ، يتم تقليل استخدام الطاقة إلى النصف. التكلفة الأولية لتركيب مجمعات الطاقة الشمسية مرتفعة ، ولكن مع توفير الطاقة السنوي ، تكون فترات الاسترداد قصيرة نسبيًا.

مضخات الحرارة
يمكن التفكير في مضخات حرارية مصدر الهواء (ASHP) كمكيفات هواء عكسية. مثل مكيف الهواء ، يمكن لـ ASHP أخذ الحرارة من مكان بارد نسبيًا (على سبيل المثال منزل عند 70 درجة فهرنهايت) وتفريغها في مكان ساخن (على سبيل المثال في الخارج عند 85 درجة فهرنهايت). ومع ذلك ، على عكس مكيف الهواء ، يمكن لمكثف ومبخر ASHP تبديل الأدوار وامتصاص الحرارة من الهواء الخارجي البارد وتفريغها في منزل دافئ.