ساختمان‌هایی با مصرف انرژی خالص صفر

مقدمه

در میان نگرانی‌های فزاینده در مورد قیمت انرژی، استقلال انرژی و تأثیر تغییرات آب و هوایی، آمارها نشان می‌دهد که ساختمان‌ها مصرف‌کننده اولیه انرژی هستند. بخش ساختمان می تواند با استفاده از استراتژی های کارآمد انرژی در طراحی، ساخت و بهره برداری ساختمان های جدید و انجام بهسازی برای بهبود کارایی ساختمان های موجود، مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. این می تواند وابستگی به انرژی به دست آمده از سوخت فسیلی را با افزایش استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در محل و خارج از سایت کاهش دهد.
 
مفهوم ساختمان انرژی خالص صفر (Net Zero Energy Building (NZEB))، ساختمانی که به اندازه مصرف انرژی در طول یک سال تولید انرژی دارد، اخیراً از تحقیقات به واقعیت تبدیل شده است. در حال حاضر، تنها تعداد کمی از ساختمان‌های بسیار کارآمد وجود دارند که معیارهایی را برای نام‌گذاری «خالص صفر» دارند. در نتیجه پیشرفت در فناوری های ساخت و ساز، سیستم های انرژی تجدید پذیر و تحقیقات دانشگاهی، ایجاد ساختمان های با انرژی خالص صفر روز به روز امکان پذیرتر می شود.
 
در حالی که تعاریف دقیق معیارها برای «انرژی خالص صفر» متفاوت است (این مورد در زیر مورد بحث قرار می‌گیرد)، اکثریت بر این توافق دارند که ساختمان‌های انرژی خالص صفر ترکیبی است از:
 
طراحی شایان تقلید ساختمان برای به حداقل رساندن نیاز انرژی
سیستم های انرژی تجدیدپذیر که این نیازهای انرژی کاهش یافته را برآورده می کنند.
 

شرح

تعاریف

از آنجایی که مفاهیم «انرژی صفر» و «انرژی خالص صفر» نسبتاً جدید هستند، هنوز معیارهای قطعی و به طور گسترده پذیرفته شده انرژی صفر وجود ندارد. وزارت انرژی (Department of Energy (DOE)) و آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (National Renewable Energy Laboratory (NREL)) تا به امروز بخش عمده ای از کار روی ساختمان های با انرژی خالص صفر را رهبری کرده اند. NREL تعاریف متعددی را برای «انرژی خالص صفر» ارائه می‌کند و آنها طراحان، مالکان و اپراتورهای ساختمان را تشویق می‌کنند تا معیاری را انتخاب کنند که به بهترین وجه با پروژه‌شان مطابقت داشته باشد. اثر منتشر شده NREL، تحت عنوان Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition (ساختمان‌های انرژی صفر: نگاهی انتقادی به تعریف)، تعاریف را به تفصیل بررسی می‌کند، و چهار راه را پیشنهاد می‌کند که انرژی خالص صفر را می‌توان از طریق آنها تعریف کرد:
 
انرژی سایت خالص صفر
انرژی منبع خالص صفر
هزینه های انرژی خالص صفر
انتشار انرژی خالص صفر
 
انرژی سایت به انرژی مصرف شده و تولید شده در یک سایت (به عنوان مثال یک ساختمان)، صرف نظر از اینکه آن انرژی از کجا و چگونه منشأ گرفته است، اشاره دارد. در یک ساختمان انرژی سایت خالص صفر، به ازای هر یک واحد انرژی که ساختمان در طول یک سال مصرف می کند، باید یک واحد انرژی تولید کند.
 
انرژی منبع به انرژی اولیه مورد نیاز برای استخراج و رساندن انرژی به یک سایت اشاره دارد، از جمله انرژی‌ای که ممکن است در فرآیند تولید، انتقال و توزیع از بین برود یا تلف شود. برای مثال، یک نیروگاه زغال‌سوز ممکن است به ازای هر 3 ژول انرژی در زغال‌سنگ مصرفی، 1 ژول برق تولید کند. اگر گاز طبیعی در یک سایت استفاده شود، به ازای هر 20 ژول مصرفی، ممکن است 1 ژول برای استخراج و توزیع گاز در سایت مورد نیاز باشد. معیارهای ساختمان‌های با منبع انرژی خالص صفر، این عوامل را در نظر می‌گیرند، اگرچه معیارهای دقیق بسته به فاکتورهای مکان و ابزار ممکن است متفاوت باشد.
 
هزینه خالص صفر انرژی شاید ساده ترین معیار برای استفاده باشد: به این معنی است که ساختمان در طول یک سال قبض انرژی صفر دلاری دارد. در برخی موارد، مالکان یا اپراتورهای ساختمان ممکن است از فروش اعتبارهای انرژی تجدیدپذیر (Renewable Energy Credits (RECs)) از تولید انرژی های تجدیدپذیر در محل استفاده کنند.
 
بسیاری از منابع انرژی متعارف منجر به انتشار دی اکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن، دی اکسید گوگرد و غیره می شوند. یک ساختمان با انتشار انرژی خالص صفر یا از انرژی‌ای که منجر به انتشار شود استفاده نمی کند یا با صادرات انرژی بدون انتشار (معمولاً با استفاده از سیستم های انرژی تجدیدپذیر در محل) انتشار گازهای گلخانه ای را جبران می کند.
 

اتصال به شبکه و خالص صفر

اکثر ساختمان‌های با انرژی خالص صفر همچنان به شبکه برق متصل هستند و این، این امکان را فراهم می‌کند که از برق تولید شده از منابع انرژی سنتی (گاز طبیعی، منابع متداول برق و غیره)، زمانی که تولید انرژی تجدیدپذیر نمی‌تواند بار انرژی ساختمان را برآورده کند، استفاده شود. برعکس، زمانی که تولید انرژی در محل از انرژی مورد نیاز ساختمان فراتر رود، انرژی مازاد باید به شبکه برق صادر شود، که قانون این اجازه را می دهد. تولید انرژی مازاد، دوره های بعدی تقاضای مازاد را جبران می کند و در نتیجه مصرف انرژی خالص صفر می شود. با توجه به فناوری فعلی و محدودیت‌های هزینه مرتبط با ذخیره‌سازی انرژی، اتصال به شبکه معمولاً برای فعال کردن تراز خالص انرژی صفر ضروری است. تفاوت در نحوه پرداخت هزینه برای انرژی صادر شده از ساختمان به شبکه می تواند بر اقتصاد پروژه تأثیر بگذارد و باید به دقت ارزیابی شود.
 

بهره وری انرژی

صرف نظر از تعریف یا متریک مورد استفاده برای ساختمان با انرژی خالص صفر، به حداقل رساندن مصرف انرژی از طریق طراحی کارآمد ساختمان باید یک معیار اساسی طراحی و بالاترین اولویت تمام پروژه های NZEB باشد. بهره وری انرژی به طور کلی مقرون به صرفه ترین استراتژی با بالاترین بازگشت سرمایه است و به حداکثر رساندن فرصت های بهره وری قبل از توسعه طرح های انرژی تجدیدپذیر، هزینه پروژه های انرژی تجدیدپذیر مورد نیاز را به حداقل می رساند. با استفاده از ابزارهای پیشرفته تجزیه و تحلیل انرژی، تیم های طراحی می توانند طرح ها و فناوری های کارآمد را بهینه کنند.
 
اقدامات بهره وری انرژی شامل استراتژی‌ها و ویژگی‌های طراحی است که بارهای جانبی را کاهش می‌دهد مانند پوشش‌های با کارایی بالا، سیستم‌های مانع هوا، استفاده از نور روز، دستگاه‌های کنترل جهت خورشید و سایه‌انداز، انتخاب دقیق پنجره‌ها و شیشه‌ها، گرمایش خورشیدی غیرفعال، تهویه طبیعی و حفاظت از آب.
 
هنگامی که بارهای ساختمان کاهش می یابد، کاهش آنها باید با تجهیزات و سیستم های کارآمد جبران شوند. این ممکن است شامل روشنایی کارآمد انرژی، کنترل‌های روشنایی الکتریکی، HVAC با عملکرد بالا و پمپ‌های حرارتی زمین گرمایی باشد. دستگاه های تبدیل انرژی مانند سیستم های ترکیبی حرارت و قدرت، پیل های سوختی و میکروتوربین ها انرژی تجدیدپذیر تولید نمی کنند. در عوض، آنها انرژی سوخت فسیلی را به گرما و الکتریسیته تبدیل می‌کنند و می‌توانند به عنوان استراتژی‌های بهره‌وری انرژی در نظر گرفته شوند.
 

انرژی تجدید پذیر

انرژی های تجدیدپذیر در محل

   
تصویر: یک آرایه فتوولتائیک
 
هنگامی که اقدامات بهره وری گنجانده شد، نیازهای انرژی باقیمانده را می توان با استفاده از فناوری های انرژی تجدید پذیر برآورده کرد. استراتژی های رایج تولید برق در محل شامل فتوولتائیک (photovoltaics (PV))، گرمایش آب خورشیدی و توربین های بادی است.
 
انرژی حرارتی تجدیدپذیر در محل گاهی اوقات می تواند با استفاده مؤثر از زیست توده تامین شود. چوب، گلوله های چوبی، ضایعات کشاورزی و محصولات مشابه را می توان در محل سوزاند تا گرمایش فضا، گرمایش آب سرویس و غیره را فراهم کند. سوخت‌های زیستی مانند بیودیزل نیز ممکن است همراه با سوخت‌های فسیلی معمولی برای پاسخگویی به بارهای حرارتی استفاده شوند.
 
اولویت باید به رویکردهای تجدیدپذیری داده شود که به آسانی در دسترس، قابل تکرار و مقرون به صرفه هستند. نگهداری سیستم نیز باید در طول زمان مورد توجه قرار گیرد. از تجزیه و تحلیل هزینه چرخه عمر باید برای ارزیابی مزایای اقتصادی سیستم های مختلف در طول عمر قابل استفاده آنها استفاده شود.
 

انرژی های تجدیدپذیر خارج از سایت

   
تصویر: توربین های بادی
 
بسته به معیارهای NZE و دستورالعمل های مورد استفاده، ساختمان ها ممکن است مجاز به استفاده از انرژی تولید شده خارج از محل برای جبران انرژی مصرف شده در یک ساختمان باشند. اگر فضا محدود باشد، مالک تأسیسات ممکن است توربین های بادی اختصاصی، کلکتورهای خورشیدی و غیره را در یک مکان جداگانه نصب کند. با این حال، اغلب اعتبار برای تولید انرژی های تجدیدپذیر خارج از محل با خرید اعتبارات انرژی تجدیدپذیر (renewable energy credits (RECs)) به دست می آید.
 
RECها از بسیاری از فناوری های انرژی تجدیدپذیر، در دسترس قرار می گیرند. مزارع بادی بزرگ، نیروگاه های خورشیدی، نیروگاه های زمین گرمایی و نیروگاه های آبی، بدون استفاده از سوخت های فسیلی یا انرژی اولیه، برق تولید می کنند. هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری از این تأسیسات تولید اغلب با فروش «اعتبار» برای تولید انرژی تجدیدپذیر (و همچنین فروش خود انرژی) پرداخت می‌شود. ساختار و بازار RECها در حال تحول است و در هر منطقه، متفاوت است.
 

اهداف ساخت انرژی خالص صفر

دو نقطه عطف برای NZEB توسط وزارت انرژی (DOE) برای ساختمان های مسکونی و تجاری تعریف شده است. اولویت، ایجاد راه‌حل‌های یکپارچه‌سازی سیستم‌ها است با امکان:
 
خانه های با انرژی خالص صفر قابل فروش تا سال 2022
ساختمانهای تجاری با انرژی خالص صفر با هزینه افزایشی کم تا سال 2025.
 
این اهداف با قانون امنیت و استقلال انرژی در سال 2007 مطابقت دارد که خواستار کاهش 100 درصدی مصرف انرژی از سوخت فسیلی (نسبت به سطوح سال 2003) برای ساختمان‌های جدید فدرال و بازسازی‌های اساسی تا سال 2030 است.
 
دفتر فناوری‌های ساختمان (BTO)، که زیر نظر دفتر کارایی انرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر DOE ایجاد شده است، بر بهبود کارایی ساختمان‌ها و تجهیزات، اجزا و سیستم‌های مرتبط با آنها تمرکز دارد. BTO از فعالیت های تحقیق و توسعه، ابزارها، دستورالعمل ها، آموزش و منابع فنی برای بهبود عملکرد ساختمان های جدید و موجود در بخش های تجاری و مسکونی پشتیبانی می کند.
 
ابتکار ساختمان تجاری با انرژی صفر خالص (CBI)، با هدف دستیابی به ساختمان‌های با انرژی خالص صفر تا سال 2025 از طریق مجموعه‌ای از مشارکت‌های دولتی و خصوصی برای پیشبرد توسعه و پذیرش ساختمان‌های با کارایی بالا، دارای برنامه دستیابی به ساختمان‌های با انرژی خالص صفر است.
 
ابتکارات مسکونی موازی تحت برنامه ساختمان انجام می شود، که تحول بازار را از طریق تحقیقات انجام شده تحت BTP نشان داده است.
 

کاربرد

اصول ساختمان با انرژی خالص صفر را می توان در اکثر انواع پروژه ها، از جمله ساختمان های مسکونی، صنعتی و تجاری در ساختمان های جدید و ساختمان های موجود اعمال کرد. تعداد فزاینده ای از پروژه ها در بخش های مختلف بازار و مناطق آب و هوایی طراحی و ساخته شده اند. چندین موضوع مربوط به منابع پروژه تجاری DOE (وزارت انرژی) در زیر ارائه شده است، از جمله:
 
برنامه یکپارچه سازی ساختمان های تجاری
مشارکت های ساختمان های تجاری
اتحادیه های خرید بهتر
پایگاه داده ساختمان های با کارایی بالا
ساختمان های با انرژی صفر
 

نمونه های تجاری

 
تصویر: ساختمان تسهیلات پشتیبانی تحقیقاتی NREL
 
در ژوئن 2010، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (National Renewable Energy Laboratory (NREL)) ساخت فاز 1 مرکز تحقیقات و پشتیبانی خود (Research and Support Facility (RSF)) را تکمیل کرد. RSF واقع در گلدن، کلرادو، در حال حاضر بزرگترین NZEB در ایالات متحده با مساحت 220000 فوت مربع است. این پروژه به هدف انرژی سایت خالص صفر از طریق فرآیند طراحی/ساخت مبتنی بر عملکرد دست یافت. استراتژی‌های بهره‌وری انرژی متعددی از جمله ترکیب فناوری‌های پیشرفته بازیابی گرما که توسط محققان آزمایشگاه توسعه و طراحی شده‌اند و نصب ۱.۶ مگاوات برق فتوولتائیک در محوطه دانشگاه از طریق توافق‌نامه خرید نیرو، اجرا شد. علاوه بر این، نور روز، تهویه طبیعی و یک مرکز داده‌ی با صرفه انرژی نسل بعدی از دیگر ویژگی های انرژی ساختمان هستند.
   
تصویر: مرکز کالج اوبرلین لوئیس، اوبرلین، اوهایو
 
مرکز مطالعات محیطی آدام جوزف لوئیس، واقع در پردیس کالج اوبرلین در اوبرلین، اوهایو، نمونه دیگری از ساختمان انرژی سایت انرژی خالص صفر است. این مرکز به صراحت به عنوان یک سیستم یکپارچه ساختمان-منظر در نظر گرفته شد که به تغییر و بهبود عملکرد در طول زمان ادامه خواهد داد. این مکان دارای فضای کلاس و دفتر، یک سالن، یک کتابخانه کوچک مطالعات محیطی و مرکز منابع، یک سیستم تصفیه فاضلاب در گلخانه و یک دهلیز باز است. مرکز لوئیس یک ساختمان تمام الکتریکی است و با در نظر گرفتن حداکثر بهره وری انرژی، طراحی شده است. این مرکز برق خود را در محل از طریق یک سیستم 60 کیلوواتی PV  روی سقف و یک سیستم 100 کیلوواتی PV واقع در بالای پارکینگ تولید می کند. این مرکز "متصل به شبکه" است، به این معنی که وقتی پنل های خورشیدی بیشتر از مصرف مرکز برق تولید می کنند، برق به شهر اوبرلین صادر می شود. از آنجایی که آرایه PV پارکینگ در می 2006 اضافه شد، مرکز صادرکننده خالص برق بوده است - سالانه بیشتر از مصرف کنندگان خود برق تولید می کند. تولید برق خورشیدی با روشنایی، گرمایش و وسایل برقی کارآمد همراه است تا اثرات منفی محیطی را به حداقل برساند.
   
تصویر: Wayne N. Aspinall و دادگاه ایالات متحده در Grand Junction، CO، که GSA قصد دارد آنها را به یک ساختمان تاریخی مصرف انرژی خالص صفر تبدیل کند.
 
در فوریه 2011، GSA  برنامه خود برای بازسازی ساختمان فدرال وین اسپینال 92 ساله و دادگاه ایالات متحده و تبدیل آن به اولین ساختمان تاریخی انرژی در سایت Net Zero در کشور را اعلام کرد. GSA با شرکت‌های محلی Grand Junction، کلرادو برای حفظ ویژگی‌های تاریخی ساختمان و در عین حال سرمایه‌گذاری در فناوری‌های پایدار که آن را به یکی از کارآمدترین ساختمان‌های انرژی در کشور تبدیل می‌کند، همکاری خواهد کرد. GSA یک سیستم گرمایش و سرمایش زمین گرمایی و یک آرایه پنل خورشیدی نصب خواهد کرد که انرژی کافی برای پوشش نیاز برق ساختمان تولید می کند. هر گونه انرژی مازاد تولید شده به شبکه انرژی محلی صادر خواهد شد. علاوه بر این، ساختمان دارای وسایل روشنایی است که در پاسخ به سطوح نور طبیعی تنظیم می شوند و پنجره های طوفانی دارای پوشش فیلم خورشیدی خواهند شد که تقاضا برای گرمایش و سرمایش را کاهش می دهد.
 

نمونه های مسکونی

 
خانه شارلوت ورمونت توانست با استفاده از منابع طبیعی سایت - خورشید، زمین و باد، به استفاده از انرژی صفر خالص دست یابد.
 
طراحی این خانه Habitat for Humanity با منبع انرژی خالص صفر، با دقت، کارایی پوشش، تجهیزات کارآمد، لوازم خانگی و روشنایی، و ویژگی‌های غیرفعال و فعال خورشیدی، از جمله فتوولتائیک (PV) را برای رسیدن به هدف انرژی صفر ترکیب می‌کند. خانه از شبکه برق شهری برای ذخیره سازی استفاده می کند - زمانی که سیستم PV انرژی بیشتری نسبت به خانه مصرف می کند، انرژی را به شبکه تحویل می دهد و زمانی که سیستم PV انرژی کمتری نسبت به نیاز خانه تولید می کند، از شبکه می گیرد. این رویکرد نیاز به ذخیره سازی توسط باتری را از بین می برد و هزینه، پیچیدگی و نگهداری سیستم برق خورشیدی را کاهش می دهد. بحث‌های قاعده مند با کارکنان ساخت‌وساز و داوطلبان هبیتات، کاربرد راه‌حل‌های بهینه را برای نیازهای ویژه و اقتصادی یک خانه هبیتات ارزیابی می‌کرد که طراحی را به سمت سیستم‌های مکانیکی ساده و آسان و تکنیک‌های ساخت و ساز داوطلبانه پسند هدایت می‌کرد. یک سیستم جمع آوری داده در خانه تکمیل شده برای نظارت بر عملکرد آن نصب شد.
 
این اقامتگاه تک خانواده در شارلوت، ورمونت برای حفظ تمام امکانات یک خانه معمولی با کمترین تأثیر محیطی ممکن طراحی شده است. برای حذف تمام سوخت های فسیلی سوزاندن در محل؛ برای حفظ سطح بالایی از طراحی و جزئیات؛ و از متعارف ترین ابزارها و روش های ممکن استفاده می کند تا مقرون به صرفه و قابل تکرار باشد. چالش انجام همه این کارها در آب و هوای سرد شمالی بود. تنها راه برای دستیابی به سایت خالص صفر و استفاده از انرژی انتشار گازهای گلخانه ای ایجاد خانه ای با بودجه انرژی بسیار کم با استفاده از تمام منابع انرژی تجدیدپذیر طبیعی است که سایت ارائه می کرد.
 
منبع: Steven Winter Associates, Inc