Gli edifici consumano molta energia: ecco come progettare intere comunità che restituiscono tanto quanto prendono

Gli edifici consumano molta energia: ecco come progettare intere comunità che restituiscono tanto quanto prendono Interpretazione dell'artista del National Western Center, un campus net-zero in costruzione a Denver per ospitare molteplici attività. Città e contea di Denver | Sindaco del National Western Center, CC BY-ND

Sebbene la pandemia di coronavirus abbia dominato i titoli recenti, i cambiamenti climatici non è andato via. Molti esperti chiedono un "verde "ripresa economica che indirizza gli investimenti in fonti e tecnologie energetiche a basse emissioni di carbonio.

Gli edifici rappresentano 40% del consumo totale di energia negli Stati Uniti, rispetto al 32% per l'industria e al 28% per i trasporti. stati e città con ambiziosi piani d'azione per il clima stanno lavorando per ridurre le emissioni del settore edile a zero. Ciò significa massimizzare l'efficienza energetica per ridurre il consumo di energia dell'edificio, e quindi soddisfare il fabbisogno energetico rimanente con l'elettricità generata da fonti prive di carbonio.

Io e i miei colleghi studiamo i modi migliori per farlo ridurre rapidamente le emissioni di carbonio del settore edile. Negli ultimi anni, i progetti di costruzione sono notevolmente migliorati. Gli edifici a energia zero netta, che producono l'energia di cui hanno bisogno sul posto da fonti rinnovabili, sono sempre più la scelta di default. Ma per accelerare la transizione a zero emissioni di carbonio, credo che gli Stati Uniti debbano pensare in grande e concentrarsi sulla progettazione o la riqualificazione di intere comunità a energia zero.

La lotta contro il consumo di energia negli edifici a livello distrettuale offre economie di scala. Gli architetti possono implementare grandi pompe di calore e altre attrezzature per servire più edifici in un programma sfalsato nel corso della giornata. I distretti che riuniscono case, luoghi di lavoro, ristoranti, centri ricreativi e altri servizi nelle comunità pedonali riducono significativamente anche l'energia necessaria per il trasporto. A mio avviso, questo movimento in crescita svolgerà un ruolo sempre più importante nell'aiutare gli Stati Uniti e il mondo ad affrontare la crisi climatica.

 Gli edifici a energia zero producono abbastanza energia rinnovabile per compensare o addirittura superare l'energia che consumano.

I circuiti ambientali si riscaldano e si raffreddano

Il riscaldamento e il raffreddamento sono i maggiori consumi energetici negli edifici. Le strategie di progettazione distrettuale possono affrontare questi carichi in modo più efficiente.

Il teleriscaldamento ha da tempo usato in Europa, nonché in alcuni college statunitensi e altri campus. Questi sistemi in genere hanno un impianto centrale che brucia gas naturale per riscaldare l'acqua, che viene poi fatto circolare nei vari edifici.

Per raggiungere zero emissioni di carbonio, l'ultima strategia utilizza un design noto come circuito di temperatura ambiente che contemporaneamente ed efficacemente riscalda e raffredda diversi edifici. Questo concetto è stato sviluppato per la prima volta per il Villaggio Olimpico di Whistler nella Columbia Britannica.

In un tipico sistema ad anello ambientale, una pompa fa circolare l'acqua attraverso una rete di tubi non isolata sepolta sotto la linea di congelamento. A questa profondità, la temperatura del suolo è vicina a quella della temperatura media annuale dell'aria per quella posizione. Mentre l'acqua si muove attraverso il tubo, si riscalda o si raffredda verso questa temperatura.

Le pompe di calore in singoli edifici o altri punti lungo il circuito ambientale aggiungono o estraggono il calore dal circuito. Possono anche spostare il calore tra i pozzi geotermici profondi e l'acqua circolante.

Il circuito circola anche attraverso un impianto centrale che lo mantiene in un intervallo di temperatura ottimale per le massime prestazioni della pompa di calore. L'impianto può utilizzare torri di raffreddamento o acque reflue per rimuovere il calore. Può aggiungere calore tramite fonti rinnovabili, come collettori solari termici, combustibile rinnovabile o pompe di calore alimentate da elettricità rinnovabile.

Gli edifici consumano molta energia: ecco come progettare intere comunità che restituiscono tanto quanto prendono Schema del sistema ad anello ambientale per il Whistler Olympic Village nella Columbia Britannica. Gruppo integrale, CC BY-ND

Mettere le acque reflue da usare

Un esempio di un distretto potenzialmente a energia zero attualmente in fase di sviluppo, il Centro occidentale nazionale, è un campus multiuso attualmente in costruzione a Denver per ospitare l'annuale National Stock Stock Show e altri eventi pubblici incentrati su cibo e agricoltura.

Un tubo di 6 piedi di diametro che trasporta le acque reflue della città scorre sotterraneo attraverso la proprietà prima di consegnare l'acqua a un impianto di trattamento. La temperatura dell'acqua rimane entro un intervallo ristretto da 61 a 77 gradi F durante tutto l'anno.

Il tubo delle acque reflue e uno scambiatore di calore trasferiscono il calore da e verso un circuito di circolazione dell'acqua circolante in tutto il distretto. Il sistema fornisce calore in inverno e assorbe il calore in estate tramite refrigeratori a recupero di calore, che sono pompe di calore che possono fornire contemporaneamente riscaldamento e raffreddamento. Questa strategia è al servizio di singoli edifici ad altissima efficienza.

L'elettricità utilizzata per il funzionamento delle pompe di calore, l'illuminazione e le altre apparecchiature provengono dal fotovoltaico in loco e dall'elettricità generata dal vento e dal sole importata da fuori sede.

Alloggio integrato a basso consumo energetico ad Austin

Un altro distretto che minimizzerà le emissioni di carbonio è il Comunità di Whisper Valley, in costruzione ad Austin, in Texas. Questo 2,000 acri sviluppo multiuso include 7,500 case completamente elettriche, 2 milioni di metri quadrati di spazio commerciale, due scuole e un parco di 600 acri. Il suo design ha già ricevuto un premio per l'edilizia verde.

Whisper Valley funzionerà con un sistema energetico integrato che include una vasta rete di circuiti ambientali riscaldata e raffreddata da pompe di calore e pozzi geotermici situati in ogni casa. Ogni proprietario di abitazione ha la possibilità di includere un impianto fotovoltaico solare sul tetto da 5 kilowatt per far funzionare la pompa di calore e gli apparecchi ad alta efficienza energetica, compresi gli scaldacqua a pompa di calore e i piani cottura induttivi. Secondo lo sviluppatore, l'economia di scala di Whisper Valley consente un prezzo di vendita medio di US $ 50,000 inferiore a quello delle tipiche case di Austin.

Nel 2018 Ross Trethewey di "This Old House" visita lo sviluppo della Whisper Valley a bassa energia fuori Austin, in Texas.

Il futuro delle comunità a energia zero

Il National Renewable Energy Laboratory, il Lawrence Berkeley National Laboratory e altri partner del progetto stanno sviluppando un kit di sviluppo software open source chiamato URBANopt che modella elementi di distretti energetici pari a zero, come strategie di efficienza / flessibilità della domanda dell'edificio, array fotovoltaici sul tetto, sistemi termici distrettuali ad anello ambientale. Il software può essere integrato in altri modelli di computer per facilitare la progettazione di comunità a energia zero. Gli ingegneri NREL si sono impegnati con progetti distrettuali ad alte prestazioni in tutto il paese, come il National Western Center, per aiutare a informare e guidare lo sviluppo della piattaforma URBANopt.

I progetti che ho descritto sono di nuova costruzione. È più difficile ottenere energia netta zero in edifici o comunità esistenti economicamente, ma ci sono modi per farlo. Ha senso applicare quelle misure di efficienza che sono il più conveniente per il retrofit, convertire i sistemi di riscaldamento e raffreddamento degli edifici in elettricità e fornire elettricità con il solare fotovoltaico.

Le utility offrono sempre più spesso pianificazioni dei tempi di utilizzo, che pagano di più per il consumo energetico durante i periodi di forte domanda. I sistemi emergenti di gestione dell'energia domestica permetteranno ai proprietari di case di riscaldare l'acqua, caricare batterie domestiche e veicoli elettrici e far funzionare altri apparecchi nei momenti in cui i prezzi dell'elettricità sono più bassi. Che si tratti di edifici nuovi o esistenti, vedo le comunità sostenibili a energia zero alimentate da energia rinnovabile come l'onda del futuro mentre affrontiamo la crisi del cambiamento climatico.

Circa l'autore

Charles F. Kutscher, Fellow e Senior Research Associate, Renewable & Sustainable Energy Institute, University of Colorado Boulder

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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