Bygninger forbruger masser af energi – sådan designer man hele samfund, der giver lige så meget tilbage, som de tager

Selvom coronavirus-pandemien har domineret de seneste overskrifter, klimaforandringerne er ikke forsvundet. Mange eksperter efterlyser et "grønt" økonomisk opsving, der styrer investeringer i kulstoffattige energikilder og -teknologier.

Bygninger tegner sig for 40 % af det samlede energiforbrug i USA, sammenlignet med 32% for industrien og 28% for transport. Stater og byer med ambitiøse klimahandlingsplaner arbejder på at reducere emissionerne fra byggesektoren til nul. Det betyder at maksimere energieffektiviteten for at reducere bygningens energiforbrug, og derefter forsyne det resterende energibehov med elektricitet genereret af kulstoffrie kilder.

Mine kolleger og jeg studerer de bedste måder at hurtigt reducere kulstofemissioner fra byggesektoren. I de seneste år, konstruktionsdesign har udviklet sig dramatisk. Netto nul energi bygninger, som producerer den energi, de har brug for på stedet, fra vedvarende kilder, i stigende grad er standardvalget. Men for at fremskynde overgangen til nul CO2-emissioner, Jeg mener, at USA skal tænke større og fokusere på at designe eller ombygge hele samfund, der er nulenergi.

At tackle energiforbruget i bygninger på distriktsniveau giver stordriftsfordele. Arkitekter kan indsætte store varmepumper og andet udstyr til at betjene flere bygninger på en forskudt tidsplan hen over dagen. Distrikter, der bringer hjem, arbejdspladser, restauranter, rekreative centre og andre tjenester sammen i gangbare lokalsamfund reducerer også betydeligt den energi, der er nødvendig til transport. Efter min mening, denne voksende bevægelse vil spille en stadig vigtigere rolle i at hjælpe USA og verden med at håndtere klimakrisen.

Ambient-sløjfer varmer og køler

Opvarmning og afkøling er det største energiforbrug i bygninger. Distriktsdesignstrategier kan håndtere disse belastninger mere effektivt.

Fjernvarme har længe været brugt i Europa, samt på nogle amerikanske universiteter og andre campusser. Disse systemer har typisk et centralt anlæg, der brænder naturgas for at opvarme vand, som derefter cirkuleres til de forskellige bygninger.

For at opnå nul CO2-emissioner, den seneste strategi bruger et design kendt som en omgivende temperatursløjfe, der samtidigt og effektivt både opvarmer og afkøler forskellige bygninger. Dette koncept blev først udviklet til Whistler Olympic Village i British Columbia.

I et typisk ambient loop system, en pumpe cirkulerer vand gennem et uisoleret ledningsnet begravet under frostlinjen. I denne dybde, jordtemperaturen er tæt på den årlige gennemsnitlige lufttemperatur for det pågældende sted. Når vandet bevæger sig gennem røret, det varmer eller afkøles til denne temperatur.

Varmepumper ved individuelle bygninger eller andre punkter langs den omgivende sløjfe tilfører eller trækker varme fra sløjfen. De kan også flytte varme mellem dybe geotermiske brønde og det cirkulerende vand.

Sløjfen cirkulerer også gennem et centralt anlæg, der holder det i et optimalt temperaturområde for maksimal varmepumpeydelse. Anlægget kan bruge køletårne ​​eller spildevand til at fjerne varme. Det kan tilføre varme via vedvarende kilder, såsom termiske solfangere, vedvarende brændstof eller varmepumper drevet af vedvarende elektricitet.

Tager spildevand i brug

Et højt profileret netto nulenergiprojekt, National Western Center, er et multi-anvende campus, der i øjeblikket er under opførelse i Denver for at huse det årlige National Western Stock Show og andre offentlige begivenheder med fokus på mad og landbrug.

Et rør på 6 fod i diameter, der transporterer byens spildevand, løber under jorden gennem ejendommen, før det afleverer vandet til et renseanlæg. Vandtemperaturen forbliver inden for et snævert område på 61 til 77 grader F i løbet af året.

Spildevandsrøret og en varmeveksler overfører varme til og fra en omgivende sløjfe, der cirkulerer vand i hele distriktet. Systemet giver varme om vinteren og absorberer varme om sommeren via varmegenvindingskølere, som er varmepumper, der samtidig kan levere varme og køling. Denne strategi tjener individuelle bygninger med meget høj effektivitet.

Elektricitet brugt til at drive varmepumperne, belysning og andet udstyr kommer fra fotovoltaik på stedet og vind- og solgenereret elektricitet importeret fra off-site.

Integreret lavenergiboliger i Austin

Et andet distrikt, der vil minimere kulstofemissioner, er Whisper Valley Community, under opførelse i Austin, Texas. denne 2, 000-acre multi-use udvikling omfatter 7, 500 helelektriske huse, 2 millioner kvadratmeter kommercielt areal, to skoler, og en 600 hektar stor park. Dens design har allerede modtaget en grøn bygningspris.

Whisper Valley vil køre på et integreret energisystem, der inkluderer et omfattende ambient loop netværk opvarmet og afkølet af varmepumper og geotermiske brønde placeret ved hvert hus. Hver husejer har mulighed for at inkludere et solcelleanlæg på 5 kilowatt på taget til at betjene varmepumpen og energieffektive apparater, herunder varmepumpe vandvarmere og induktive komfurer. Ifølge udvikleren, Whisper Valleys stordriftsøkonomi giver mulighed for en median salgspris US$50, 000 under typiske Austin-huse.

Fremtiden for nul-energi samfund

National Renewable Energy Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, og andre projektpartnere er ved at udvikle et open source-softwareudviklingskit kaldet URBANopt, der modellerer elementer i nulenergidistrikter, såsom opbygning af effektivitets-/efterspørgselsfleksibilitetsstrategier, solcelleanlæg på taget, ambient loop distriktets termiske systemer. Softwaren kan integreres i andre computermodeller for at hjælpe med udformningen af ​​nulenergisamfund. NREL-ingeniører har engageret sig i højtydende distriktsprojekter over hele landet, såsom National Western Center, at hjælpe med at informere og guide udviklingen af ​​URBANopt-platformen.

De projekter, jeg har beskrevet, er nybyggeri. Det er sværere at opnå netto nulenergi i eksisterende bygninger eller samfund økonomisk, men ikke umuligt. Det giver mening at anvende de effektivitetsforanstaltninger, der er de mest omkostningseffektive at eftermontere, konvertere bygningsvarme- og kølesystemer til elektricitet og forsyne elektriciteten med solcelleanlæg.

Værktøjer tilbyder i stigende grad time-of-use prisplaner, som opkræver mere for strømforbrug i perioder med høj efterspørgsel. Nye energistyringssystemer i hjemmet vil give boligejere mulighed for at opvarme vand, oplade batterier i hjemmet og elbiler og køre andre apparater på tidspunkter, hvor elpriserne er lavest. Uanset om vi taler om nye eller eksisterende bygninger, Jeg ser bæredygtige nulenergisamfund drevet af vedvarende energi som fremtidens bølge, når vi tackler klimaforandringskrisen.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.