מבוא

הסביבה הבנויה מהווה כ-40% מצריכת האנרגיה העולמית ונתח דומה של פליטות פחמן דו חמצני.כפי שהעולם דוחף לעבר מטרות אפס-אפס, הרעיון של בניינים אפס אנרגיה (ZEBs) עבר ממחקר אקדמי למטרה מעשית, גבוהה-פרטיות. בניין אפס אנרגיה מתפתח נועד לייצר כמות אנרגיה ככל שהוא צורך לאורך השנים – ללא איזון יעיל של האנרגיה שלו הוביל באמצעות שילוב של יעילות טכנולוגית משולבת, אך לא מתקדמת באמצעות התפתחות של אנרגיה, אלא באמצעות התפתחות טכנולוגית חדשנית זו, אך אינה מתקדמת.

מה הם בני דור ה- Zero-Energy?

מבנים של אפס אנרגיה, הנקראים לעתים קרובות בנייני אנרגיה של אפס (NZEBs), מייצגים שינוי פרדיגמטי כיצד אנו מעצבים, בונים ופועלים מבנים.המונח כולל מספר מושגים קשורים:

  • (ב) ,0)Net-Zero Site EnergyFLT:1: הבניין מייצר לפחות כמות אנרגיה כפי שהוא משתמש באתר מדי שנה, נמדד במ"ר השירות.
  • מקור:0 (ב-Zero Source EnergyFLT:103): חשבונות עבור האנרגיה הנצרכים בייצור והובלת כוח לאתר, כולל אובדן קו.
  • (FLT:0)Net-Zerocio CarbonFLT:1: מתמקד בחיסול פליטות פחמן ולא מאזן אנרגיה, לעתים קרובות באמצעות מדפים או אנרגיה ללא פחמן.
  • (ב) ⁇ 0)Zero-Energy ReadyFLT:1: בניין כל כך יעיל שמערכת אנרגיה מתחדשת צנועה יכולה לכסות את הביקוש שנותר.

בניינים של אפס אנרגיה אינם רק אידיאלי תיאורטי; דוגמאות רבות קיימות ברחבי העולם, מבתי משפחה בודדים ועד למורכבים מסחריים גדולים.משרד האנרגיה האמריקאי הראה כי ZEBs הם מבחינה טכנית אפשריים על פני אזורי אקלים מרובים, עם פרויקטים כמו מרכז התמיכה במחקר במעבדה לאנרגיה מתחדשת הלאומית (NREL) להשיג אפס נטו באמצעות שילוב של עיצוב סוליבי, ביצועים גבוהים, מערכת צילום גג ותמונה מגנטית.

מרכזי להשגת מעמד אפס אנרגיה הוא העיקרון של הפחתה של:0load הפחתת ראשוןFLT:1: לפני הוספת כל דור מתחדש, מעצבים חייבים למזער את הביקוש לאנרגיה של הבניין באמצעות מעטפות בעלות על-חושים, בנייה אווירית, יעילות גבוהה בוהקת, ואסטרטגיות חימום וקירור פסיביים.

תפקיד מערכות אנרגיה משולבות

מערכות אנרגיה משולבות (IES) הן עמוד השדרה של בניינים אפס אנרגיה.בניגוד לבניינים קונבנציונליים שבהם חימום, קירור, תאורה, וטעימה פועלים באופן עצמאי, IES מתייחס לכל תשתיות האנרגיה כאורגניזם יחיד, תגובתי. על ידי שילוב של דור מתחדשים, אחסון, בקרה חכמה, IES מאפשר בניין לאזן דינמי עם הביקוש, גם כאשר מקורות מתחדשים הם לסירוגין.

ראשי תיבות של A Integrated Energy System

IES מוצלח עבור בניין אפס אנרגיה כולל מספר אלמנטים עיקריים:

  • (FLT:0) מקורות אנרגיה מתחדשת מקורות אנרגיה מתחדשת 1: לוחות סוללובולטאיים (PV) הם הגנרטור הנפוץ ביותר באתר, אבל טורבינות רוח קטנות, משאבות חום גיאותרמי, ומערכות תרמיות סולאריות גם לשחק תפקידים. הגודל והשילוב תלוי באקלים מקומי, מגבלות חלל, ותמריצים זמינים.
  • (FLT:0)Energyve StorageFLT:1: Batteries (lithium-ion, זרימה, או אפילו סוללות EV חיים שני חיים) לאחסן עודף אנרגיה מתחדשת לשימוש במהלך תקופות של הדור הנמוך.אחסון הארומאל - כגון מים צנצפים או אחסון קרח לקירור, או מיכלי מים חמים לחימום - מאריך עומסי HVAC לשעות מפסות ולהפחית את הצורך בציוד גדול מדי.
  • (FLT:0) מערכות גבוהות של HVAC SystemssveFLT:1: משאבות חום, מערכות זרימה קירור משתנה, ואוורור התאוששות אנרגיה (ERVs) הם חיוניים. משאבות חום יכול לספק חימום וקירור על efficiities הרבה יותר גבוה ציוד מבוסס בעירה.
  • (FLT:0) בקרה חכמה ובניית אוטומציה של 1: מערכות ניהול אנרגיה מתקדמות (EMS) משתמשות בחיישנים, אלגוריתמי למידת מכונה ונתוני דיקור כדי להתאים את כל המכשיר.הם מחליטים מתי לגבות סוללות, לפני השימוש בבניין, או לשפוך עומסים לא קריטיים.
  • (FLT:0) בניין EnvelopeovirFLT:1; בעוד לא רק חלק של IES, בידוד המעטפה, חותם אוויר, וחלונות יש השפעה ישירה על זרימת האנרגיה. An Airtight, מלוטש היטב מקטין את הגודל והעלות של המערכת המכנית.
  • (FLT:0) תאורה יעילה ו- PlugsveFLT:1: תאורה LED, בקרת קצירת אור יום ופסי כוח חכמים כי לחסל עומסי ערפד הם סטנדרטיים.משרדים עתידיים ישלבו יצירות DC מופעלות כדי למנוע הפסדים המרה מ-PV ישירות הנוכחי.

כיצד אינטגרציה עובדת בפועל

שקול יום שמש טיפוסי לבניית בניין אפס אנרגיה מסחרי באקלים ממוזג.במשך שעות הבוקר, לוחות PV סולאריים מתחילים לייצר חשמל.מערכת אוטומציה בניין (BAS) מיישר את הכוח הזה ראשון לעומסים קריטיים (אורות, מחשבים, קירור) כל אנרגיה עודף מאוחסן בבנק הסוללה או משמש לייצור מים חמים.

התזמורת דורשת פרוטוקולי תקשורת חזקים (כמו BACnet או Modbus) ומודל אנרגיה מתוחכם במהלך שלב העיצוב.כלי כגון FLT:0EnergyPlusFLT:1 ו-FLT:2 OpenStudioph3 מאפשר למהנדסים לדמות ביצועים לפני הבנייה להתחיל, אימות כי המערכת המשולבת תשיג אפס אנרגיה מלאה לאורך כל השנה.

יתרונות פיתוח בניין Zero-Energy

היתרונות של בניינים של אפס אנרגיה להרחיב הרבה מעבר לנרטיב הסביבתי.הם מציעים יתרונות כלכליים, תפעוליים וחברתיים מוחשיים שמניעים אימוץ בין ממשלות, בעלי חברה ומפתחים.

השפעה סביבתית

בניינים של אפס אנרגיה לחסל או להפחית באופן דרסטי את פליטת גזי החממה הקשורים לפעילות הבנייה.על פי סוכנות האנרגיה הבינלאומית:0.0.000 אנרגיה בינלאומית לאנרגיה הבינלאומית FLT:1, מבנים מהווים כיום כמעט 30% מכלל פליטות CO2 הקשורות לאנרגיה. Scaling ZEB לרמה לאומית יכול להפוך את הניתוק החומרי במטרות האקלים, במיוחד כאשר בשילוב עם רשת מרתיעה.

חיסכון בעלויות ותשואות פיננסיות

למרות עלויות הבנייה הראשוניות עבור ZEBs הן לעתים קרובות 5-15% גבוה יותר מאשר מבנים קונבנציונליים, חיסכון תפעולי לטווח ארוך הוא משמעותי. הפחתה של חשבונות אנרגיה - לפעמים אפס - ליצור תקופת החזר של 7-15 שנים, בהתאם למחירי האנרגיה והתמריצים.עבור מבנים מסחריים, הוצאות תפעול נמוכות יותר יכולות לשפר באופן ישיר את ההכנסה התפעולית והערך של הנכס.בנוסף, ZEB ממוצבת טוב יותר למזג אווירי מחיר אנרגיה עתידיים ופליטת הפחמן.

עצמאות אנרגיה וחוססן

בדור ומחסן באתר מאפשרים לבניינים של אפס אנרגיה לפעול מחוץ להיקף התקופות המורחבת.זה קריטי למתקנים כמו בתי חולים, מקלטי חירום ומרכזי נתונים שצריכים להישאר פונקציונליים במהלך מחוץ לרשת.אפילו מגורים ZEB יכול לספק מקלט במהלך הפסקות חשמל, דאגה גוברת ככל שאירועים קיצוניים במזג אוויר עולים.

שיפור נוחות ובריאות

מכיוון ש-ZEB מעדכנת מעטפות ביצועים גבוהים ומערכות ventilation חזקות, הם מספקים באופן טבעי נוחות תרמית גבוהה באיכות האוויר מקורה. Airtight בנייה בשילוב עם ventilators שחזור אנרגיה מבטיח אספקה קבועה של אוויר טרי מסונן ללא אובדן אנרגיה משמעותי. ZEB רבים גם משלב אסטרטגיות תאורה יום שמשפרות מצב הרוח ופרודוקטיביות.

אתגרים ב- Scaling Zero-Energy Buildings

למרות היתרונות המשכנעים, אימוץ נרחב של ZEBs עם מערכות אנרגיה משולבות עומד בפני כמה מכשולים.

עלויות גבוהות

פרמיה ראשונה עלות נותרה מחסום, במיוחד עבור התפתחויות ⁇ שבו בונה אינו נהנה מחיסכון באנרגיה לטווח ארוך.חלונות בעלי יעילות גבוהה, בידוד עבה, משאבות חום, אחסון סוללות מוסיף אלפי דולרים לפרויקט.עם זאת, ירידה בעלויות אנרגיה מתחדשת, בשילוב עם הוצאות אנרגיה פדרליות והמדינה (למשל, מס אשראי של אינפלציה של ארה"ב עבור מבנים מסחריים), כמו ייצוב אנרגיה נקייה, כמו גם הלוואות אנרגיה נקייה (למשל, הלוואות) והסכמים אנרגיה נקייה).

מורכבות טכנולוגית ובינלאומיות

שילוב ציוד מגוון - חומרים בלתי-פתורים, מערכות ניהול סוללות, משאבות חום, בקרה - חקירה של הנדסה קפדנית וועדת. פרויקטים מוקדמים סבלו מבעיות בין-אופרציה כאשר מכשירים ממוכרים שונים לא הצליחו לתקשר באופן אמין. התעשייה נעה לכיוון סטנדרטים פתוחים, אבל מערכות מיומנים עדיין לא מעטות.בני בניין זקוקים גם לאימון מתמשך כדי לפעול ולתחזק מערכות מתקדמות.

צוק איתן כוח העבודה

תכנון והקמה של ZEBs דורש מומחיות בבניית מדע, דינמיקות תרמיות, אנרגיה מתחדשת ומערכות בקרה - ידע כי עדיין לא נפוץ בין אדריכלים, מהנדסים ואנשי מסחר.ללא הכשרה נאותה, מבנים עשויים להיות underperform או לא להשיג מעמד אפס אנרגיה תוכניות חינוכיות הסמכה, כגון תוכנית פאסיבי בית US (PHIUS) מוסמך בניין של NREL אנרגיה, הם עוזר לבנות קורסים.

מחסומים והגבלות של שימוש

באזורים מסוימים, בניית קודים ומדיניות תועלת מתפרסים מאחורי מטרות ZEB. לדוגמה, מכסה מדמם נטו, דמי חיבור, או מכסי זמן שאינם שווי של אנרגיה מייצאת כראוי יכול להפחית את המקרה הכלכלי עבור הדור באתר. ההגבלות Zoning עשוי גם להגביל את הגודל והמיקום של מערכות מתחדשות.

שינויי אקלים ואתר

מה שעובד באקלים החוף מתון עשוי להיות לא מעשי עבור קריר, מעונן צפון קו רוחב. ZEB עיצוב חייב להיות מותאם למשאב סולארי מקומי, ימי תואר חימום ואמינות רשת. באזורים עירוניים צפופים, מרחב לוחות סולאריים ואחסון תרמי מוגבל, הדורש פתרונות בקנה מידה קהילתי ולא מערכות ברמת הבנייה.

כיוונים עתידיים וחדשנות

העשור הבא יראה התפתחות מהירה בטכנולוגיות ובאסטרטגיות שיאפשרו לבניינים של אפס אנרגיה.

אינטליגנציה מלאכותית ושליטה חיזוי

אלגוריתמי למידת מכונות נעים מעבר לתזמון פשוט כדי לחזות את הביקוש לאנרגיה ושעות ייצור מתחדשות קדימה.מערכות אלה יכולות לייעל את המשלוח, חללי תנאי מראש המבוססים על תחזיות דיקור, ואפילו להשתתף בתוכניות אחראיות לביקוש.

בניינים ידידותיים (GEB)

עתיד ZEB לא רק יהיה אפס נטו אלא תומך באופן פעיל יציבות רשת.על ידי תקשורת עם השירות, GEB יכול לטעון סוללות כאשר מתחדשים בשפע ושחרור במהלך הביקוש לשיא, להרוויח הכנסות תוך צמצום הלחץ על הרשת.מערכת יחסים דו-כיוונית זו הופכת ZEB משאב אנרגיה מבוזר, בדומה למפעל כוח - אלא נקי יותר.

אחסון אנרגיה מתקדם

סוללות מוצקות-מדינה, אחסון מימן ירוק, ו- אולטרה-capacitors מבטיחים תוחלת חיים ארוכה יותר, צפיפות אנרגיה גבוהה יותר, ועלויות נמוכות יותר מאשר מערכות ליתיום-יון נוכחיות.החדשות אחסון הירומליות, כגון חומרי שינוי שלב המשולבים בחומרי בניין, יכולות לאחסן באופן פסיבי חימום או קירור ללא טנקים גדולים.

פתרונות קדם-מסוגרים ו-Refabricated and Retrofittable Solutions

כדי להאיץ את אימוץ, יצרנים מפתחים בתים מודולריים של אפס אנרגיה ופאנלים קיר prefabricated המשלבים בידוד, חלונות ואפילו שיוט סולארי.החזרה של מבנים קיימים ל- Zero-אנרגיה מאתגרת יותר, אך הופכת להיות אפשרית באמצעות רטרופורפיטות אנרגיה עמוקות שמשתפות את HVAC, להוסיף בידוד, ולהתקין תוכניות גג כמו מחלקת האנרגיה של ארה"ב של ארה"ב: 1.

מדיניות ונהגי שוק

ממשלות ברחבי העולם מציבות את המראות שלהם על אפס אנרגיה.המופע של האנרגיה של האיחוד האירופי של בנייה צו דורש שכל המבנים החדשים יהיו כמעט אפס אנרגיה עד 2021 (עם מדינות החברות ליישם וריאציות) הכותרת של קליפורניה 24 קוד אנרגיה דוחפת מבנים מסחריים לעבר אפס נטו עד 2030.כפי יותר סמכות שיפוטית או ריכוז ZEB, השוק יעלה, ויסיע עלויות נמוכות ומומחיות מוגברת.

מסקנה

בניינים של אפס אנרגיה מייצגים את ההתכנסות של תכנון ביצועים גבוהים, אנרגיה מתחדשת ומערכות בקרה אינטליגנטיות.מצב אפס נטו הוא כבר לא אידיאלי רחוק; זה תוצאה ניתנת להשגה כאשר מערכות אנרגיה משולבות מוחלות עם הקפדה וראייה. בעוד עלויות למעלה ומורכבות טכנית נשאר מכשולים, ירידה במחירי הטכנולוגיה, מדיניות תומכת, וביקוש גובר הם אימוץ מאיץ עבור אדריכלים, מפתחים לטווח ארוך, אך לא בטוח, אלא גם ירידה במשקל אנרגיה, אך ורק על ידי פיתוח פחמן, אך ורק על פני אפס אנרגיה, הוא יעיל, הוא אפסי כוח סיכון, אך ורק על פני אפסי, הוא אפסי, אך ורק על פני אפסי, הוא אפסי, הוא אפסי, הוא גם כן, הוא גם כן, ירידה במשקל יעיל, אך ורק על פני אפס בטוח, ירידה במשקל יעיל, ירידה של פחמן, אך ורק על פני אנרגיה, ירידה במחירי פחמן, ירידה של אנרגיה, ירידה במחירי פחמן, ירידה במשקל יעיל, אך ורק על ידי פיתוח פחמן, אך ורק על פני השטח של אנרגיה, אך ורק על ידי פיתוח פחמן, ירידה של פחמן, ירידה במחירי אנרגיה, ירידה של אנרגיה, ירידה של אנרגיה, אך ורק על ידי פיתוח פחמן, ירידה של אנרגיה, ירידה של אנרגיה, ירידה של אנרגיה, ירידה של אנרגיה, ירידה במחירי פחמן, ירידה במחירי פחמן, ירידה במחירי