Ο Ρόλος των Πρωτογενών Συστημάτων στην Υποστήριξη των Μηδέν Ενεργειακών Στόχων

Ο Ρόλος των Πρωτογενών Συστημάτων στην Υποστήριξη των Μηδέν Ενεργειακών Στόχων

Η πιστοποίηση LEED Zero Energy αποτελεί την κορυφή της βιώσιμης απόδοσης των κτιρίων. Αυτό το αυστηρό πρότυπο απαιτεί τα κτίρια να παράγουν τόση ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές όσο καταναλώνουν σε μια περίοδο 12 μηνών. Ενώ οι στρατηγικές σχεδιασμού, η συμπεριφορά των επιβατών, και οι επιλογές υλικού όλα συμβάλλουν, η ραχοκοκαλιά κάθε κτιρίου μηδενικής ενέργειας έγκειται στα κύρια συστήματά του. Αυτά είναι τα βασικά μηχανικά, ηλεκτρικά και δομικά στοιχεία που υπαγορεύουν πώς χρησιμοποιείται, διαχειρίζεται και παράγεται η ενέργεια. Κατανόηση του τρόπου επιλογής, το μέγεθος, την ενσωμάτωση, και τη βελτιστοποίηση αυτών των συστημάτων είναι απαραίτητη για τις ομάδες έργων που στοχεύουν στην επικύρωση της ενέργειας LEED Zero.

Η πιστοποίηση LEED Zero Energy, που διαχειρίζεται το Συμβούλιο Πράσινης Ενέργειας των ΗΠΑ (USGBC), βασίζεται στο υπάρχον σύστημα διαβάθμισης LEED. Απαιτεί τουλάχιστον δύο χρόνια συνεχούς ενεργειακής απόδοσης, επιδεικνύοντας τη χρήση ενέργειας από καθαρό μηδενικό πηγή. Αυτό σημαίνει ότι τα πρωτογενή συστήματα πρέπει όχι μόνο να είναι αποτελεσματικά μεμονωμένα αλλά και να συνεργάζονται απρόσκοπτα για να ελαχιστοποιήσουν τα φορτία και να μεγιστοποιήσουν την επί τόπου ανανεώσιμη παραγωγή. Αυτό το άρθρο επεκτείνεται σε κάθε κρίσιμο πρωτογενές σύστημα, περιγράφει στρατηγικές ολοκλήρωσης, συζητά τα οφέλη του πραγματικού κόσμου, και τονίζει κοινές παγίδες για να αποφευχθεί.

Κατανόηση των Πρωτογενών Συστημάτων στο Σχεδιασμός Κτιρίων

Τα πρωταρχικά συστήματα είναι τα κύρια συστατικά μέρη που καταναλώνουν ενέργεια και παράγουν ενέργεια μέσα σε ένα κτίριο. Διαφέρουν από τα δευτερεύοντα συστήματα (όπως τα φορτία βύσματος ή οι ανελκυστήρες) κατά το ότι αυτά θέτουν σε άμεση κατάσταση το περιβάλλον ή παράγουν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Οι πέντε βασικές κατηγορίες περιλαμβάνουν:

• Θερμαντική, εξαερισμός και Κλιματισμός (HVAC) ⁇ ο μεγαλύτερος καταναλωτής ενέργειας στα περισσότερα εμπορικά κτίρια.
• Φωτισμός ⁇ συνήθως το δεύτερο μεγαλύτερο φορτίο, αλλά πολύ επηρεασμένο από τους ελέγχους και το φως της ημέρας.
• Ανανεώσιμα Ενεργειακά Συστήματα ⁇ επί τόπου παραγωγή, συνηθέστερα φωτοβολταϊκές συστοιχίες (PV).
• Φύλλο κατασκευής ⁇ ο φυσικός διαχωριστής μεταξύ εσωτερικών και εξωτερικών χώρων, συμπεριλαμβανομένων τοίχων, στεγών, παραθύρων και μόνωσης.
• Αποθήκευση και διαχείριση ενέργειας ⁇ μπαταρίες, θερμική αποθήκευση και έξυπνοι έλεγχοι που ισορροπούν την προσφορά και τη ζήτηση.

Για παράδειγμα, ένας φάκελος κατασκευής υψηλών επιδόσεων μειώνει το μέγεθος και την ενέργεια έλξης του εξοπλισμού HVAC, ο οποίος με τη σειρά του μειώνει την απαιτούμενη χωρητικότητα του συστήματος ανανεώσιμης ενέργειας. Ομοίως, αυτοματοποιημένοι έλεγχοι φωτισμού συνδεδεμένοι με αισθητήρες πληρότητας μπορούν να μειώσουν τα φορτία ψύξης μειώνοντας το εσωτερικό κέρδος θερμότητας.

Βασικά πρωτογενή συστήματα που υποστηρίζουν την ενέργεια LEED Zero

Συστήματα υψηλής απόδοσης HVAC

Για τα έργα LEED Zero Energy, οι σχεδιαστές πρέπει να ωθήσουν πολύ πέρα από τον ελάχιστο εξοπλισμό κώδικα. Οι επιλογές περιλαμβάνουν:

• Γεωθερμικές Αντλίες Θερμότητας (GHPs): Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν τη σταθερή θερμοκρασία της γης για να παρέχουν θέρμανση και ψύξη με εξαιρετικά υψηλούς συντελεστές απόδοσης (COP 4.0 ⁇ 6.0). Τα GHP μειώνουν την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας κατά 30% ⁇ 60% σε σύγκριση με τις συμβατικές αντλίες θερμότητας από αέρα-πηγή.
• Διαθέσιμα συστήματα ροής ψυκτικού μέσου (VRF): Το VRF επιτρέπει την ταυτόχρονη θέρμανση και ψύξη σε διαφορετικές ζώνες, ανακτώντας θερμότητα από περιοχές που χρειάζονται ψύξη και ανακατευθύνοντάς το σε περιοχές που χρειάζονται θέρμανση. Αυτό μειώνει σημαντικά τη συνολική ενέργεια του συμπιεστή.
• Εξαεριστές ανάκτησης ενέργειας (ERVs):[[LFT:1]] Τα ERV δεσμεύουν τη θερμότητα και την υγρασία από τον αέρα εξάτμισης σε προαπαιτούμενο εισερχόμενο καθαρό αέρα, περικόπτοντας την ενέργεια που απαιτείται για την κατάσταση του αέρα εξαερισμού.
• Αφιερωμένα εξωτερικά συστήματα αέρα (DOAS): Διαχωρίζοντας τον αέρα εξαερισμού από το βρόχο θερμικής ρύθμισης επιτρέπει σε κάθε σύστημα να λειτουργεί με μέγιστη απόδοση.

Οι στρατηγικές ελέγχου είναι εξίσου σημαντικές. Ο εξαερισμός ελεγχόμενης ζήτησης (DV) ρυθμίζει την εξωτερική πρόσληψη αέρα με βάση τα επίπεδα CO2 σε πραγματικό χρόνο, ενώ οι οικονομιστές φέρνουν δωρεάν ψύξη όταν οι συνθήκες εξωτερικού χώρου είναι ευνοϊκές. Όλα τα εξαρτήματα HVAC πρέπει να συνδέονται με ένα κεντρικό σύστημα αυτοματισμού κτιρίων (BAS) για συνεχή βελτιστοποίηση.

Προηγμένα συστήματα φωτισμού

Τα φορτία φωτισμού έχουν πέσει δραματικά με την ευρεία υιοθέτηση των LED. Ωστόσο, η επίτευξη LEED Zero Energy απαιτεί περισσότερα από αποτελεσματικά εξαρτήματα.

• Λαμβάνοντας το φως της ημέρας: Φωτοαισθητήρες αμβλύνουν ή σβήνουν τα ηλεκτρικά φώτα όταν υπάρχει επαρκής φως της ημέρας. Τα γραφεία ανοικτού σχεδιασμού μπορούν να μειώσουν την ενέργεια φωτισμού κατά 20% ⁇ 60% με τους κατάλληλους ελέγχους της ημέρας.
• Αισθητήρες με δυνατότητα πρόσβασης και κινητικότητας:[ Οι αισθητήρες αυτοί σβήνουν τα φώτα σε μη κατειλημμένους χώρους. Η ολοκλήρωση με το BAS επιτρέπει τον προγραμματισμό και τον έλεγχο σε επίπεδο ζώνης.
• Ψυχή/Αμφίβολος Φωτισμός: Παρέχοντας χαμηλότερα επίπεδα φωτισμού περιβάλλοντος (π.χ., 30 ⁇ 40 πόδια-κεριά) με ρυθμιζόμενο φωτισμό εργασίας σε θέσεις εργασίας μειώνει τη συνολική ισχύ ενώ βελτιώνει την ικανοποίηση των επιβατών.
• Λουμινάρια υψηλής αποτελεσματικότητας:[[LFT:1]] Επιλέγοντας εξαρτήματα με αποτελεσματικότητα άνω των 150 lumens ανά watt είναι πλέον εφικτό.

Η ψυκτική ισχύς του φωτιστικού συστήματος είναι μικρότερη από την πυρακτωμένη ή φθοριζόμενη ενέργεια, μειώνοντας άμεσα τη ζήτηση του HVAC. Σε κτίρια μηδενικής ενέργειας, το σύστημα φωτισμού είναι σχεδιασμένο ως ένα σύστημα χαμηλής ισχύος, υψηλής ελέγχου που συμπληρώνει τη στρατηγική του HVAC.

Συστήματα Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας

Η πιο κοινή επιλογή είναι οι συστοιχίες φωτοβολταϊκών (PV) που είναι τοποθετημένες επίγειες, οι οποίες ανταποκρίνονται στις μηδενικές μετρήσεις, το σύστημα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας πρέπει να αντισταθμίσει τη συνολική ετήσια κατανάλωση ενέργειας.

• Σειρά: Η φωτοβολταϊκή ικανότητα πρέπει να υπολογιστεί με βάση ιστορικά δεδομένα καιρού, μοντέλα κατασκευής ενέργειας και αναμενόμενες απώλειες απόδοσης (σχάτευση, απόδοση inverter, αποδόμηση).
• Προσανατολισμός και κλίση: Συστοιχία με νότια όψη σε γωνία κλίσης ίση με τη μέγιστη απόδοση γεωγραφικού πλάτους ετήσια παραγωγή.
• Εγκατάσταση με αποθήκευση: Η αποθήκευση μπαταρίας επιτρέπει την υπέρβαση της παραγωγής κατά τη διάρκεια της ημέρας που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί τη νύχτα, βελτιώνοντας το λόγο αυτοκατανάλωσης του κτιρίου. Η θερμική αποθήκευση (π.χ., δεξαμενές με ψύξη) μπορεί επίσης να μετατοπίσει φορτία.
• Εναλλακτικές Ανανεώσιμες: Αιολικής ενέργειας, ηλιακής θερμότητας για οικιακό ζεστό νερό, ή γεωθερμική ανταλλαγή μπορεί να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει Φ/Β όπου οι συνθήκες της τοποθεσίας είναι ευνοϊκές.

Η USGBC απαιτεί να παράγεται ανανεώσιμη ενέργεια στο αποτύπωμα του κτιρίου ή στο χώρο του έργου εντός των ορίων. Οι αγορές εκτός εγκαταστάσεων ή οι αντισταθμίσεις δεν είναι επιλέξιμες για πιστοποίηση LEED Zero Energy. Αυτό καθιστά την ακριβή PV μέγεθος και την ολοκλήρωση με άλλα πρωτογενή συστήματα κρίσιμη.

Απόδοση φακέλου κτιρίων

Ακόμη και το πιο αποτελεσματικό σύστημα HVAC δεν μπορεί να ξεπεράσει ένα διαρροές, κακώς μονωμένο φάκελο. Για LEED Zero Energy, ο φάκελος πρέπει να σχεδιαστεί για να ελαχιστοποιήσει τη θερμική γεφύρωση και τη διήθηση του αέρα.

• Συνεχής Μόνωση: Η εγκατάσταση μόνωσης στο εξωτερικό του δομικού πλαισίου εξαλείφει τις θερμικές γέφυρες μέσω κροτίδων και κονταριών. Οι τιμές R-20 έως R-40 για τοίχους και R-40 έως R-60 για στέγες είναι κοινές σε σχέδια μηδενικής ενέργειας.
• Υψηλή απόδοση Windows: Τριπλό τζάμι, με χαμηλό πάχος παραθύρων με αργκόν ή κρύπτον πλήρωσης επιτυγχάνουν τιμές U κάτω από 0,25 Btu/h·ft2·°F. Οι συσκευές σκίασης (εξωτερικές περσίδες, υπερεκτάσεις) ελέγχουν την ηλιακή θερμότητα.
• Αξιοπρόσεκτη Κατασκευή: Οι δοκιμές πόρτας φυσητήρα πρέπει να επιτύχουν ποσοστά διαρροής κάτω από 0,15 cfm/ft2 στο 75 Pa. Η σφράγιση όλων των διεισδυτικών, αρθρώσεων και μεταβάσεις είναι απαραίτητη.
• Cool Roofs and Green Roofs:[[LFT:1]] Η ανακλαστική στέγη μειώνει το φαινόμενο της θερμότητας στα νησιά και μειώνει τα φορτία ψύξης.

Ένας βελτιστοποιημένος φάκελος μειώνει την απαιτούμενη ικανότητα HVAC, η οποία με τη σειρά της μειώνει το μέγεθος και το κόστος του συστήματος ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Συστήματα αποθήκευσης και διαχείρισης ενέργειας

Με εξαιρετικά αποδοτικά πρωτογενή συστήματα και επιτόπια παραγωγή, το τελικό κομμάτι είναι η διαχείριση της χρονικής αναντιστοιχίας μεταξύ της παραγωγής ενέργειας και της κατανάλωσης. Οι μπαταρίες, η θερμική αποθήκευση και οι έξυπνοι έλεγχοι βοηθούν στην επίτευξη του net-zero σε ωριαία, καθημερινή και εποχική βάση. Για παράδειγμα:

• Τα συστήματα μπαταρίας ιόντων λιθίου αποθηκεύουν την περίσσεια ηλιακής ενέργειας για χρήση κατά τις βραδινές κορυφές ή τις θολό μέρες.
• Το ζεματισμένο νερό ή η αποθήκευση πάγου[ μετατοπίζει τα φορτία ψύξης σε ώρες εκτός αιχμής, μειώνοντας τα τέλη ζήτησης και επιτρέποντας στον ψύκτη να λειτουργεί τη νύχτα όταν οι θερμοκρασίες περιβάλλοντος είναι χαμηλότερες (αύξηση της απόδοσης).