مبنى بدون طاقة

مبنى بدون طاقة ، يُعرف أيضًا ببناء الطاقة الصافية (ZNE) ، بناء الطاقة بدون صف (NZEB) ، مبنى صافٍ أو مبنى بدون الكربون هو مبنى بدون استهلاك صافٍ للطاقة ، مما يعني إجمالي كمية الطاقة يستخدمه المبنى على أساس سنوي يعادل تقريباً كمية الطاقة المتجددة التي يتم إنشاؤها على الموقع ، أو في تعريفات أخرى من مصادر الطاقة المتجددة في أماكن أخرى. وبالتالي ، فإن هذه المباني تسهم في انخفاض كمية غازات الدفيئة في الغلاف الجوي بشكل أقل من المباني المماثلة غير المرتبطة بالزنك. وهي تستهلك في بعض الأحيان طاقة غير متجددة وتنتج غازات الدفيئة ، ولكنها في أوقات أخرى تقلل استهلاك الطاقة وإنتاج غاز الدفيئة في مكان آخر بنفس المقدار. هناك مفهوم مشابه تم اعتماده وتنفيذه من قبل الاتحاد الأوروبي والدول الأخرى المتفق عليها وهو تقريبًا مبنى Zero Energy (nZEB) ، بهدف توفير جميع المباني في المنطقة وفقًا لمعايير nZEB بحلول عام 2020. أصبحت المباني الخالية من الطاقة أكثر انتشارًا للبناء الجديد ولكن لا تزال نادرة إلى حد ما مثل ترقيات المنازل القائمة.

نظرة عامة
تحصل معظم مباني الطاقة الصافية الصفرية على نصف طاقتها أو أكثر من طاقتها ، وتعيد نفس الكمية في أوقات أخرى. يمكن أن يطلق على المباني التي تنتج فائضاً من الطاقة على مدار العام “مباني الطاقة زائد” ، وتسمى المباني التي تستهلك طاقة أكثر قليلاً مما تنتج “مبان طاقة تقترب من الصفر” أو “منازل طاقة منخفضة للغاية”.

للوصول إلى بناء طاقة صفري ، يجب خفض استخدام الطاقة في المبنى إلى النقطة التي يمكن فيها توليد كل هذه الطاقة في الموقع باستخدام مصادر خالية من الكربون مثل الألواح الشمسية أو توربينات الرياح. يتم تقليل استخدام الطاقة من خلال:

تثبيت العزل الكثيف (حتى 12 بوصة) في الجدران والسقف وسقف الطابق السفلي ،
مسودة مقاومة لمنع تسرب الهواء البارد إلى المنزل في الشتاء والهواء الدافئ إلى المنزل في الصيف ،
تركيب أجهزة فعالة مثل ثلاجة جديدة والمراوح الدورانية الجديدة لنظام التدفئة / التيار المتردد .
تثبيت النوافذ ذات الزجاج المزدوج أو المزجج ثلاثي الطبقات (التي تصل إلى ثمانية أضعاف العزل كجرفة واحدة من الزجاج) ،
تسخين المنزل بمضخات حرارية عالية الكفاءة (تكون المضخات الحرارية أكثر كفاءة بأربعة أضعاف كفاءة حرق الوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي أو الفحم للتدفئة) ،
استخدام المصابيح الكهربائية الفعالة مثل مصابيح LED (التي تزيد كفاءة استخدام الضوء عن الكهرباء كالمصباح المتوهج – أي المصابيح التقليدية التقليدية – بخمس مرات تقريباً).

لقد أصبح تطوير المباني الحديثة الخالية من الطاقة ممكنا إلى حد كبير من خلال التقدم المحرز في تقنيات وتقنيات الطاقة والبناء الجديدة. وتشمل هذه العوازل عازلة الرغاوي عالية العزل ، الألواح الشمسية عالية الكفاءة ، المضخات الحرارية عالية الكفاءة ، والنوافذ العازلة بدرجة حرارة منخفضة للغاية. كما تم تحسين هذه الابتكارات بشكل كبير من خلال البحث الأكاديمي ، الذي يجمع بيانات دقيقة عن أداء الطاقة في المباني التقليدية والتجريبية ويوفر معايير الأداء لنماذج الكمبيوتر المتقدمة للتنبؤ بفعالية التصاميم الهندسية.

يمكن أن تكون المباني الخالية من الطاقة جزءًا من شبكة ذكية. بعض مزايا هذه المباني هي كما يلي:

تكامل موارد الطاقة المتجددة
دمج المركبات الكهربائية في السيارة الكهربائية – تسمى المركبة إلى الشبكة
تنفيذ مفاهيم الطاقة صفر

على الرغم من أن مفهوم صافي الصفر ينطبق على مجموعة واسعة من الموارد مثل الطاقة والمياه والنفايات. الطاقة هي المورد الأول الذي يتم استهدافه للأسباب التالية:

الطاقة ، وخاصة الكهرباء ووقود التدفئة مثل الغاز الطبيعي أو زيت التدفئة ، باهظة الثمن. وبالتالي ، فإن تقليل استخدام الطاقة يمكن أن ينقذ مال مالك المبنى. في المقابل ، المياه والنفايات غير مكلفة.
الطاقة ، وخاصة الكهرباء ووقود التدفئة ، لديها بصمة عالية الكربون. ومن ثم فإن تقليل استخدام الطاقة يعد وسيلة رئيسية لتقليل البصمة الكربونية للمبنى
هناك وسائل راسخة لتقليل استخدام الطاقة والبصمة الكربونية للمباني بشكل ملحوظ. وتشمل هذه العناصر: إضافة العزل ، باستخدام المضخات الحرارية بدلاً من الأفران ، باستخدام النوافذ الزجاجية المزدوجة أو الثلاثية المنخفضة وإضافة الألواح الشمسية إلى السقف.
هناك إعانات حكومية ومخصصات ضريبية لتركيب مضخات حرارية ، وألواح شمسية ، ونوافذ ثلاثية الطبقات ، وعزل تقلل إلى حد كبير تكلفة الوصول إلى مبنى طاقة خال من الصفر لمالك المبنى. على سبيل المثال في الولايات المتحدة ، هناك اعتمادات ضريبية فيدرالية للألواح الشمسية وحوافز الدولة (التي تختلف حسب الدولة ولكنها مدرجة هنا) للألواح الشمسية والمضخات الحرارية والنوافذ ثلاثية الطبقات شديدة العزل. كما تقدم بعض الولايات ، مثل ماساتشوستس ، قروضاً بدون فائدة أو قروض منخفضة الفائدة للسماح لأصحاب المباني بشراء المضخات الحرارية والألواح الشمسية والنوافذ ثلاثية الزجاج التي لا يمكنهم تحملها. وقد تم الإبلاغ عن تكلفة الحصول على منزل قائم إلى صافي الطاقة صفر بأنها 5-10 ٪ من قيمة المنزل. تم الإبلاغ عن عائد استثماري بنسبة 15٪. انظر هنا لمزيد من التفاصيل.

تعريفات
على الرغم من مشاركة اسم “الطاقة الصافية صفر” ، هناك العديد من التعريفات لما يعنيه المصطلح عمليًا ، مع وجود اختلاف معين في الاستخدام بين أمريكا الشمالية وأوروبا.

صافي استخدام موقع صافي الشبكة
في هذا النوع من ZNE ، كمية الطاقة التي توفرها مصادر الطاقة المتجددة في الموقع تساوي كمية الطاقة المستخدمة من قبل المبنى. في الولايات المتحدة ، يشير “بناء الطاقة الصافي صفر” عمومًا إلى هذا النوع من المباني.

صفر صافي استخدام مصدر الطاقة
هذا ZNE يولد نفس الكمية من الطاقة المستخدمة ، بما في ذلك الطاقة المستخدمة لنقل الطاقة إلى المبنى. هذا النوع يمثل خسائر الطاقة أثناء توليد الكهرباء ونقلها. يجب أن تولد هذه ZNEs المزيد من الكهرباء من مباني الطاقة الصافية للموقع صفر.

صافي انبعاثات الطاقة صفر
خارج الولايات المتحدة وكندا ، يتم تعريف ZEB بشكل عام باعتباره واحدًا يحتوي على انبعاثات طاقة صافية ، والتي تُعرف أيضًا باسم بناء الكربون أو بناء الانبعاثات الصفرية. وبموجب هذا التعريف ، يتم موازنة انبعاثات الكربون الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري في الموقع أو خارج الموقع بمقدار إنتاج الطاقة المتجددة في الموقع. تتضمن التعريفات الأخرى ليس فقط انبعاثات الكربون الناتجة عن المبنى المستخدم ، بل أيضًا تلك الناتجة عن تشييد المبنى والطاقة المتضمنة في الهيكل. ويناقش آخرون ما إذا كان ينبغي أيضاً إدراج انبعاثات الكربون في التنقل من وإلى المبنى في الحساب. وقد بدأ العمل الأخير في نيوزيلندا بنهج لتضمين بناء طاقة نقل المستخدم في أطر بناء الطاقة التي لا تحتوي على أي شيء.

صافي تكلفة الصفر
في هذا النوع من المباني ، تتوازن تكلفة شراء الطاقة مع الدخل من مبيعات الكهرباء إلى شبكة الكهرباء المولدة في الموقع. يعتمد مثل هذا الوضع على الكيفية التي تُسجل بها المنشأة صافي توليد الكهرباء وبنية معدل الفائدة التي يستخدمها المبنى.
صافي خارج الموقع استخدام الطاقة
يمكن اعتبار المبنى ZEB إذا كانت 100٪ من الطاقة التي تشتريها تأتي من مصادر الطاقة المتجددة ، حتى إذا تم توليد الطاقة خارج الموقع.

خارج الشبكة
المباني خارج الشبكة هي أنظمة ZEB قائمة بذاتها غير متصلة بمنشأة مرافق طاقة خارج الموقع. إنها تتطلب توزيع الطاقة المتجددة وقدرة تخزين الطاقة (عندما تكون الشمس غير مشرقة ، لا تهب الرياح ، وما إلى ذلك). إن منزل الطاقة الذاتية هو مفهوم بناء حيث يمكن تحقيق التوازن بين استهلاك الطاقة وإنتاجها على أساس كل ساعة أو حتى أصغر. يمكن أن تؤخذ المنازل ذات الطاقة الذاتية خارج الشبكة.

توليد الطاقة
في حالة المنازل الفردية ، يمكن استخدام العديد من تقنيات الجيل الثاني لتوفير الحرارة والكهرباء للمبنى.

الكهرباء: عن طريق الخلايا الشمسية (الضوئية) ، توربينات الرياح (طاقة الرياح) وخلايا الوقود (الهيدروجين).
الحرارة: من خلال الوقود الحيوي ، الكتلة الحيوية ، المجمعات الحرارية الشمسية (الماء الساخن ، والهواء الساخن ، والبخار منخفض الضغط) ، والتراكم في الكتلة الحرارية للمبنى ، والجدران المائية وجدران ترومبي ميشيل ، من بين الاستراتيجيات الحرارية الأخرى للترسانة البيولوجية المناعية ، التي يتم تجميعها في البيت السلبي. مع هذه التقنيات يمكن أن توفر التدفئة والتبريد وحتى التبريد لبيئات المنزل أو المبنى. ومن بين أحدث التطورات ، تسخين الطاقة الحرارية الأرضية أو تراكم الحرارة الهائجة التي تصنع من خلالها الآبار في أعماق تتراوح بين 40 و 70 م من قطر 30 سم تقريبًا ، حيث يتم إعادة تدوير المياه من ملف المروحة أو أنظمة تكييف الهواء الأرضية الإشعاعية. وبالتالي تتراكم حرارة الصيف ليتم استخدامها في فصل الشتاء والعكس صحيح. المثال الأكثر شهرة هو بناء البرلمان الألماني في برلين من قبل المهندس المعماري نورمان فوستر.
التقلبات في الطلب: للتعامل مع التقلبات في الطلب على الحرارة أو الطاقة الكهربائية ، عادة ما تكون مباني الطاقة الصفرية متصلة بالشبكة ولها عدادان في الاتجاهين. وبهذه الطريقة يتم تصدير الكهرباء خلال النهار واستيرادها خلال الليل. وتتمثل الميزة الكبرى في تجنب ارتفاع تكاليف البطاريات الثابتة وصيانتها لتراكم الكهرباء. مطلوب تشريعات محددة وسياسة الدعم لتنفيذها. إنه أمر صعب للغاية في البلدان التي تكون فيها الخدمات خاصة وقوة الدولة الضعيفة. والاحتمال الآخر هو أن المباني مستقلة تماماً (غير مرتبطة بالشبكة) ، لكن التكاليف الأولية أعلى بكثير ولا يمكن استهلاكها بدون دعم.
الأحياء أو مشاريع الإسكان الخالية من الطاقة قابلة للتنفيذ ، مثل BedZED الذي بني في إنجلترا ، على الرغم من وجود العديد من الأمثلة في ألمانيا. في هذه الحالات ، يتم استخدام مفهوم الجيل الموزع مع التدفئة المركزية. هناك أمثلة حديثة لبناء مدن كاملة الطاقة صفر مثل حالة دونغتان بالقرب من شنغهاي في الصين. في اليابان ، تم تزويد القطاعات الحضرية التي تعمل بنظام التدفئة والتبريد بتوزيع الماء الساخن والماء البارد كخدمة عامة.

بناء صافي الطاقة صفر
استناداً إلى التحليل العلمي في إطار برنامج البحث المشترك “نحو بناء الطاقة الشمسية بدون الطاقة” ، تم وضع إطار منهجي يسمح بالتعريفات المختلفة ، وفقًا للأهداف السياسية للبلد ، والشروط الخاصة (المناخية) والمتطلبات المصاغة على التوالي للظروف الداخلية: الفهم المفاهيمي ل Net ZEB عبارة عن مبنى موفر للطاقة موفر للطاقة وممكّن من توليد الطاقة من المصادر المتجددة لتعويض الطلب على الطاقة.

تؤكد صياغة “Net” على تبادل الطاقة بين المبنى والبنية التحتية للطاقة. من خلال التفاعل مع شبكة البناء ، يصبح صافي ZEBs جزءًا نشطًا من البنية التحتية للطاقة المتجددة. هذا الاتصال بشبكات الطاقة يمنع تخزين الطاقة الموسمي والنظم الزائدة في الموقع لتوليد الطاقة من مصادر متجددة مثل المباني المستقلة للطاقة. التشابه بين كلا المفهومين هو مسار عملين (تقليل الطلب على الطاقة عن طريق تدابير كفاءة الطاقة واستخدام الطاقة السلبية) لتوليد الطاقة من المصادر المتجددة. ومع ذلك ، فإن تفاعل شبكة ZEBs وخطط لزيادة أعدادهم على نطاق واسع تثير الاعتبارات على زيادة المرونة في تحويل أحمال الطاقة وتقليل طلبات الذروة.

ضمن هذا الإجراء التوازن يجب تحديد عدة جوانب وخيارات واضحة:

يتم تقسيم حدود نظام البناء إلى حد مادي يحدد الموارد المتجددة التي يتم أخذها بعين الاعتبار (على سبيل المثال في المباني أو في الموقع أو حتى خارج الموقع ، راجع) على التوالي عدد المباني التي تم تضمينها في الرصيد (مبنى واحد ، مجموعة المباني ) وحدود توازن تحدد استخدامات الطاقة المشمولة (مثل التدفئة والتبريد والتهوية والمياه الساخنة والإضاءة والأجهزة المنزلية وتكنولوجيا المعلومات والمركبات الكهربائية والطاقة المتجسدة ، وما إلى ذلك). وتجدر الإشارة إلى أن خيارات إمدادات الطاقة المتجددة يمكن ترتيبها حسب الأولوية (مثلاً عن طريق النقل أو جهد التحويل ، أو التوافر على مدى عمر المبنى أو إمكانية النسخ المتماثل للمستقبل ، إلخ) وبالتالي إنشاء تسلسل هرمي. قد يقال أنه يجب إعطاء الأولوية للموارد الموجودة ضمن بصمة المبنى أو في الموقع على خيارات التوريد خارج الموقع.

يقوم نظام الترجيح بتحويل الوحدات المادية لمختلف ناقلات الطاقة إلى مقياس موحد (موقع / طاقة نهائية ، أجزاء متجددة / طاقة أولية متجددة متضمنة أم لا ، تكلفة طاقة ، انبعاثات كربون مكافئة وحتى طاقة أو ائتمانات بيئية) وتسمح بمقارنتها والتعويض بين بعضها البعض في توازن واحد (على سبيل المثال ، يمكن للكهرباء PV المصدرة أن تعوض الكتلة الحيوية المستوردة). يمكن أن تؤثر عوامل التحويل / الترجيح المتأثرة سياسياً وبالتالي قد تكون غير متماثلة أو تعتمد على الوقت على القيمة النسبية لحاملات الطاقة ويمكن أن تؤثر على قدرة توليد الطاقة المطلوبة.

غالباً ما يُفترض أن تكون فترة التوازن سنة واحدة (مناسبة لتغطية جميع استخدامات الطاقة التشغيلية). يمكن أيضًا النظر في فترة أقصر (شهرية أو موسمية) بالإضافة إلى توازن طوال دورة الحياة (بما في ذلك الطاقة المتجسدة ، والتي يمكن أيضًا أن تُحسب سنويًا وتُحسب بالإضافة إلى استخدامات الطاقة التشغيلية).

يمكن تحقيق توازن الطاقة في نوعين من التوازن: 1) ميزان الطاقة الموردة / المستوردة والمصدرة (مرحلة المراقبة مثل الاستهلاك الذاتي للطاقة المتولدة في الموقع يمكن تضمينها) ؛ 2) التوازن بين الطلب على الطاقة (المرجحة) وتوليد الطاقة (المرجّح) (بالنسبة لمرحلة التصميم كمستهلكين عادةً أنماط الاستهلاك الزمني -eg للإضاءة والأجهزة المنزلية وما إلى ذلك) غير موجودة. وبدلًا من ذلك ، فإن الرصيد القائم على القيم الصافية الشهرية التي يتم فيها تلقيم البواقي فقط في الشهر إلى رصيد سنوي أمر يمكن تخيله. ويمكن ملاحظة ذلك إما كتوازن بين الحمولة / التوليد أو كحالة خاصة لتوازن الاستيراد / التصدير حيث يفترض “الاستهلاك الذاتي الشهري الفعلي”.

إلى جانب توازن الطاقة ، يمكن أن يتصف صافي ZEBs بقدرته على مطابقة حمل المبنى من خلال توليد الطاقة (مطابقة الحمولة) أو العمل بشكل مفيد فيما يتعلق باحتياجات البنية التحتية للشبكة المحلية (تفاعل الطحن). يمكن التعبير عن كل منهما بمؤشرات مناسبة الغرض منها أدوات التقييم فقط.

تستند المعلومات على المنشورات ، والتي يمكن العثور على معلومات أعمق.

التصميم والبناء
عادةً ما تحدث أكثر الخطوات فعالية من حيث التكلفة نحو خفض استهلاك الطاقة في المبنى أثناء عملية التصميم. لتحقيق كفاءة استخدام الطاقة ، فإن تصميم الطاقة الصفري يغادر بشكل كبير من ممارسة البناء التقليدية. عادةً ما يجمع مصممو بناء الطاقة الناجحين الصفريين بين التكييف الشمسي السلبي الذي تم اختباره بالوقت ، أو التهيئة الاصطناعية / المزيفة ، والمبادئ التي تعمل مع الأصول الموجودة في الموقع. يمكن لأشعة الشمس والحرارة الشمسية ، والنسائم السائدة ، وبرد الأرض أسفل المبنى ، توفير ضوء النهار ودرجات حرارة داخلية مستقرة مع الحد الأدنى من الوسائل الميكانيكية. عادة ما يتم تحسين ZEBs لاستخدام اكتساب الحرارة الشمسية السلبية والتظليل ، جنبا إلى جنب مع الكتلة الحرارية لتحقيق الاستقرار في التغيرات اليومية في درجة الحرارة على مدار اليوم ، وفي معظم المناخات هي superinsulated. جميع التقنيات اللازمة لإنشاء مباني الطاقة صفر متوفرة اليوم.

تتوفر أدوات محاكاة طاقة مبتكرة ثلاثية الأبعاد لتوضيح كيفية أداء المبنى مع مجموعة من متغيرات التصميم مثل اتجاه المبنى (بالنسبة إلى الموقع اليومي والموسمي للشمس) ، ونوع النافذة ونوع الباب ومكانه ، والعمق المعلق ، نوع العزل وقيم عناصر المبنى ، ضيق الهواء (weatherization) ، كفاءة التدفئة والتبريد والإضاءة وغيرها من المعدات ، وكذلك المناخ المحلي. تساعد هذه المحاكاة المصممين على التنبؤ بكيفية أداء المبنى قبل إنشائه ، وتمكينهم من وضع نموذج للآثار الاقتصادية والمالية على بناء تحليل منافع التكلفة ، أو حتى أكثر ملاءمة – تقييم دورة الحياة.

بنيت المباني الخالية من الطاقة بميزات توفير الطاقة. يتم تخفيض أحمال التسخين والتبريد باستخدام معدات عالية الكفاءة (مثل المضخات الحرارية بدلاً من الأفران. تضخ مضخات الحرارة حوالي أربعة أضعاف كفاءة الأفران) العزل (خاصة في العلية وفي الطابق السفلي من المنازل) ، نوافذ فعالة (مثل النوافذ ذات النوافذ الثلاثية المنخفضة) وعزل مسدود وأجهزة عالية الكفاءة (خاصة الثلاجات الحديثة عالية الكفاءة) وإضاءة LED عالية الكفاءة وكسب الطاقة الشمسية في الشتاء والتظليل السلبي في الصيف والتهوية الطبيعية وغيرها من التقنيات. هذه الميزات تختلف تبعا للمناطق المناخية التي يحدث فيها البناء. يمكن تخفيض أحمال تسخين المياه باستخدام تركيبات الحفاظ على المياه ، ووحدات استعادة الحرارة في مياه الصرف الصحي ، وباستخدام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، ومعدات تسخين المياه ذات الكفاءة العالية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يوفر ضوء النهار مع المناور أو solartubes 100 ٪ من الإضاءة خلال النهار داخل المنزل. عادة ما تتم الإضاءة الليلية بإضاءة الفلورسنت و LED التي تستخدم 1/3 أو أقل قوة من الأضواء المتوهجة ، دون إضافة حرارة غير مرغوب فيها. ويمكن تقليل الأحمال الكهربائية المتنوعة عن طريق اختيار الأجهزة الفعالة وتقليل الأحمال الوهمية أو الطاقة الاحتياطية. التقنيات الأخرى للوصول إلى الصفر الصافي (تعتمد على المناخ) هي مبادئ البناء المحمية للأرض ، الجدران الفوقية باستخدام بناء القش ، وألواح البناء سابقة التجهيز Vitruvianbuilt وعناصر السقف بالإضافة إلى المناظر الطبيعية الخارجية للتظليل الموسمي.

بمجرد تقليل استخدام الطاقة للمبنى ، يمكن توليد كل هذه الطاقة في الموقع باستخدام الألواح الشمسية المركبة على السقف. انظر أمثلة على بيوت الطاقة الصافية صفر هنا.

غالباً ما يتم تصميم المباني الخالية من الطاقة لجعل الاستخدام المزدوج للطاقة بما في ذلك من السلع البيضاء. على سبيل المثال ، استخدام عادم الثلاجة لتسخين المياه المنزلية ، والهواء التهويدي ، ومبادلات حرارية للاستحمام ، وأجهزة المكاتب وخوادم الكمبيوتر ، وحرارة الجسم لتسخين المبنى. تستفيد هذه المباني من الطاقة الحرارية التي قد تستنفد المباني التقليدية في الخارج. قد يستخدمون تهوية استرداد الحرارة ، إعادة تدوير حرارة الماء الساخن ، الحرارة والطاقة المشتركة ، ووحدات تبريد المبرد.

حصاد الطاقة
تقوم ZEBs بحصاد الطاقة المتاحة لتلبية احتياجات الكهرباء والتدفئة أو التبريد. إن الطريقة الأكثر شيوعا لحصاد الطاقة هي استخدام الألواح الشمسية الكهروضوئية المركبة على السقف والتي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء. ويمكن أيضا أن يتم حصاد الطاقة مع مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية (التي تستخدم حرارة الشمس لتسخين المياه للمبنى). يمكن لمضخات الحرارة إما مصدر الأرض (والمعروفة باسم الحرارة الجوفية) أو مصادر الهواء أن تحصد الحرارة وتبرد من الهواء أو الأرض بالقرب من المبنى. تعمل المضخات الحرارية تقنياً على تحريك الحرارة بدلاً من حصادها ، ولكن التأثير العام من حيث تقليل استهلاك الطاقة وتقليل البصمة الكربونية متشابه. في حالة البيوت الفردية ، يمكن استخدام تقنيات مختلفة للجيل الصغير لتوفير الحرارة والكهرباء للمبنى ، باستخدام الخلايا الشمسية أو توربينات الرياح للكهرباء ، والوقود الحيوي أو المجمعات الحرارية الشمسية المرتبطة بتخزين الطاقة الحرارية الموسمية (STES) لتدفئة الأماكن . يمكن استخدام STES أيضًا في التبريد الصيفي عن طريق تخزين البرد في الشتاء تحت الأرض. للتعامل مع التقلبات في الطلب ، غالباً ما ترتبط مباني الطاقة الصفرية بشبكة الكهرباء ، وتصدر الكهرباء إلى الشبكة عندما يكون هناك فائض ، وتجذب الكهرباء عندما لا يتم إنتاج الكهرباء الكافية. المباني الأخرى قد تكون مستقلة تماما.

وغالباً ما يكون حصاد الطاقة أكثر فعالية (في التكلفة واستغلال الموارد) عندما يتم على نطاق محلي ولكن مشترك ، على سبيل المثال ، مجموعة من المنازل ، والإسكان المجتمعي ، والمقاطعة المحلية ، والقرية ، إلخ ، بدلاً من أساس فردي. من الفوائد الطاقية لحصاد الطاقة الموضعي هذا القضاء الفعلي على خسائر نقل الكهرباء والكهرباء. إن حصاد الطاقة في الموقع مثل الألواح الشمسية المركبة على السطح يزيل هذه الخسائر في ناقل الحركة بالكامل. هذه الخسائر تصل إلى حوالي 7.2 ٪ -7.4 ٪ من الطاقة المنقولة. ينبغي أن يستفيد حصاد الطاقة في التطبيقات التجارية والصناعية من تضاريس كل موقع. ومع ذلك ، يمكن لموقع خالية من الظل توليد كميات كبيرة من الكهرباء التي تعمل بالطاقة الشمسية من سقف المبنى ، ويمكن لأي موقع تقريبا استخدام مضخات الحرارة الجوفية أو الحرارية. يتطلب إنتاج السلع في إطار صافي استهلاك الطاقة الأحفوري مواقع موارد الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية والطاقة الشمسية وطاقة الرياح للحفاظ على هذا المفهوم.

قد تستخدم الأحياء الخالية من الطاقة ، مثل تطوير BedZED في المملكة المتحدة ، وتلك التي تنتشر بسرعة في كاليفورنيا والصين ، مخططات توليد موزعة. وقد يشمل ذلك في بعض الحالات تسخين المناطق ، والمياه المبردة في المجتمع ، وتوربينات الرياح المشتركة ، الخ. وهناك خطط حالية لاستخدام تكنولوجيات ZEB لبناء مدن كاملة خارج الشبكة أو صافي استخدام الطاقة.

مناقشة “حصاد الطاقة” مقابل “الحفاظ على الطاقة”
أحد المجالات الرئيسية للمناقشة في تصميم بناء الطاقة صفر هو على التوازن بين الحفاظ على الطاقة و حصاد نقطة الاستخدام الموزعة للطاقة المتجددة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الحرارية). معظم المنازل التي تعمل بالطاقة صفر تستخدم مزيجًا من هذه الاستراتيجيات.

نتيجة للدعم الحكومي الكبير للنظم الكهربائية الشمسية الكهروضوئية ، وتوربينات الرياح ، وما إلى ذلك ، هناك من يقترحون أن ZEB هو منزل تقليدي مع تقنيات حصاد الطاقة المتجددة الموزعة. ظهرت إضافات كاملة لمثل هذه المنازل في المواقع التي تكون فيها الإعانات الفولتية الضوئية (PV) كبيرة ، ولكن العديد من ما يسمى “Zero Energy Homes” لا يزال لديها فواتير خدمات. قد لا يكون هذا النوع من حصاد الطاقة بدون حفظ الطاقة المضافة فعالا من حيث التكلفة مع السعر الحالي للكهرباء المولدة بالمعدات الكهربائية الضوئية (اعتمادا على السعر المحلي لكهرباء شركة الكهرباء). تم نشر التكاليف ، وفورات الطاقة الكربونية الناتجة عن الحفظ (مثل العزل الإضافي ، والنوافذ ثلاثية الطبقات ، والمضخات الحرارية) مقارنة بتلك الناتجة عن توليد الطاقة في الموقع (مثل الألواح الشمسية) للترقية إلى منزل قائم هنا.

منذ الثمانينيات ، أظهر تصميم المبنى الشمسي السلبي والمنزل السلبي انخفاض في استهلاك الطاقة الحرارية بنسبة 70٪ إلى 90٪ في العديد من المواقع ، دون حصاد الطاقة النشطة. بالنسبة للبنيات الجديدة ، والتصميم الفني ، يمكن تحقيق ذلك بتكلفة بناء إضافية صغيرة للمواد على مبنى تقليدي. عدد قليل جدا من خبراء الصناعة لديهم المهارات أو الخبرة للاستفادة بشكل كامل من فوائد التصميم السلبي. مثل هذه التصاميم الشمسية السلبية هي أكثر فعالية من حيث التكلفة من إضافة الألواح الضوئية الباهظة الثمن على سطح مبنى تقليدي غير كفؤ. إن بضعة كيلوواط / ساعة من الألواح الكهروضوئية (التي تكلف ما بين 2 إلى 3 دولارات لكل إنتاج سنوي للكيلوواط ساعة ، ما يعادل دولارًا أمريكيًا) قد تؤدي فقط إلى تقليل متطلبات الطاقة الخارجية بنسبة 15٪ إلى 30٪. نسبة كفاءة الطاقة الموسمية العالية التي تبلغ 100000 وحدة حرارية بريطانية (110 ميجا جول) 14 مكيف هواء تقليدي يتطلب أكثر من 7 كيلوواط من الكهرباء الضوئية أثناء تشغيله ، وهذا لا يشمل ما يكفي لتشغيل ليلي خارج الشبكة. يمكن أن يؤدي التبريد السلبي وتقنيات هندسة النظام الفائقة إلى تقليل متطلبات تكييف الهواء بنسبة 70٪ إلى 90٪. تصبح الكهرباء المولدة بالكهرباء الضوئية أكثر فعالية من حيث التكلفة عندما يقل الطلب الإجمالي على الكهرباء.

سلوك الركاب
الطاقة المستخدمة في مبنى يمكن أن تختلف اختلافا كبيرا اعتمادا على سلوك ركابها. يختلف قبول ما يعتبر مريحًا بشكل كبير. أظهرت الدراسات التي أجريت على منازل متطابقة في الولايات المتحدة اختلافات كبيرة في استخدام الطاقة ، حيث تستخدم بعض المنازل المماثلة أكثر من ضعفي طاقة الآخرين. يمكن أن يختلف سلوك الشاغلين من الاختلافات في الإعداد ومنظم الحرارة للبرمجة ، ومستويات الإضاءة المختلفة والماء الساخن ، وكمية الأجهزة الكهربائية المتنوعة أو أحمال التوصيل المستخدمة.

مخاوف المرافق
عادة ما تكون شركات المرافق مسؤولة قانونًا عن صيانة البنية التحتية الكهربائية التي توفر الطاقة لمدننا وأحيائنا ومبانينا الفردية. وعادة ما تمتلك شركات المرافق هذه البنية التحتية حتى خط الملكية الخاص بقطعة واحدة ، وفي بعض الحالات تمتلك البنية التحتية الكهربائية في الأراضي الخاصة كذلك. أعربت المرافق عن قلقها من أن استخدام Net Metering لمشاريع ZNE يهدد إيرادات قاعدة المرافق ، والتي بدورها تؤثر على قدرتها على صيانة وخدمة جزء من الشبكة الكهربائية المسؤولة عنها. وقد أعربت المرافق عن قلقها من أن الدول التي تحافظ على قوانين صافي العدادات قد تزعزع المنازل غير التابعة لشركة ZNE مع ارتفاع تكاليف المرافق ، حيث أن هؤلاء أصحاب المنازل سيكونون مسؤولين عن دفع تكاليف صيانة الشبكة بينما لا يدفع أصحاب المنازل ZNE أي شيء نظريًا إذا حققوا وضع ZNE. وهذا يخلق مشاكل محتملة في الأسهم ، كما هو الحال الآن ، يبدو أن العبء يقع على الأسر ذات الدخل المنخفض. يتمثل الحل المحتمل لهذه المشكلة في إنشاء الحد الأدنى من الرسوم الأساسية لجميع المنازل المتصلة بشبكة المرافق ، مما سيجبر مالكي المنازل التابعة لشركة ZNE على دفع تكاليف خدمات الشبكة بشكل مستقل عن استخدامهم للكهرباء.

توجد مخاوف إضافية من أن التوزيع المحلي وكذلك شبكات الإرسال الأكبر لم يتم تصميمها لنقل الكهرباء في اتجاهين ، وهو ما قد يكون ضروريًا مع ظهور مستويات أعلى من توليد الطاقة الموزعة على الإنترنت. قد يتطلب التغلب على هذا الحاجز ترقيات مكثفة للشبكة الكهربائية ، ولكن لا يُعتقد أن هذه مشكلة كبيرة حتى يصل الجيل المتجدد إلى مستويات أعلى بكثير من الاختراق مما هو متحقق حاليًا.

جهود التنمية
قد يتطلب القبول الواسع لتقنية بناء الطاقة صفر مزيدًا من الحوافز الحكومية أو قوانين قواعد البناء ، أو تطوير معايير معترف بها ، أو زيادات كبيرة في تكلفة الطاقة التقليدية.

اعتمد حرم Google الكهروضوئي وحرم Microsoft 480 كيلوواط الضوئية على الدعم الفدرالي للولايات المتحدة ، وعلى وجه الخصوص كاليفورنيا ، والحوافز المالية. تقدم كاليفورنيا الآن 3.2 مليار دولار أمريكي كإعانات للمباني السكنية والتجارية القريبة من الطاقة. يمكن الاطلاع على تفاصيل دعم الولايات المتحدة للطاقة المتجددة الأخرى (حتى 5.00 دولارات لكل واط) في قاعدة بيانات حوافز الدول للمتجددة والكفاءة. يحتوي مركز فلوريدا للطاقة الشمسية على عرض شرائح حول التقدم الأخير في هذا المجال.

أطلق مجلس الأعمال العالمي للتنمية المستدامة مبادرة كبرى لدعم تطوير ZEB. تحت قيادة الرئيس التنفيذي لشركة يونايتد تكنولوجيز ورئيس مجلس إدارة شركة لافارج ، تحظى المنظمة بدعم الشركات العالمية الكبيرة والخبرات لتعبئة دعم الشركات العالمية والحكومية لجعل ZEB حقيقة واقعة. ويشير تقريرهم الأول ، وهو مسح للجهات الفاعلة الرئيسية في العقارات والبناء ، إلى أن تكاليف البناء الأخضر مبالغ فيها بنسبة 300 بالمائة. وقدر المشاركون في الاستطلاع أن انبعاثات غازات الاحتباس الحراري من المباني هي 19 في المائة من الإجمالي العالمي ، على النقيض من القيمة الفعلية البالغة 40 في المائة تقريباً.

مباني مؤثرة ذات طاقة منخفضة ومباني منخفضة الطاقة
كان أولئك الذين كلفوا ببناء المنازل السلبية والمنازل الخالية من الطاقة (على مدى العقود الثلاثة الماضية) ضروريين للابتكارات التكنولوجية التكرارية والمتطورة والمتطورة. لقد تعلمت الكثير من النجاحات الكبيرة ، وبعض الإخفاقات الباهظة الثمن.

كان مفهوم بناء الطاقة صفر تطورًا تدريجيًا من تصميمات المباني الأخرى منخفضة الطاقة. ومن بين هذه المعايير ، كانت معايير R-2000 الكندية و معايير البيت السلبي الألمانية مؤثرة دوليا. كما لعبت المشاريع التوضيحية الحكومية التعاونية ، مثل دار ساسكاتشوان الممتازة ، ومهمة وكالة الطاقة الدولية 13 دورها.

المميزات والعيوب

مزايا
العزلة لأصحاب المباني من زيادات أسعار الطاقة في المستقبل
زيادة الراحة بسبب درجات الحرارة الداخلية الأكثر توحيدًا (يمكن إثبات ذلك باستخدام خرائط متساوية مقارنة)
انخفاض متطلبات التقشف الطاقة
انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية نتيجة لتحسين كفاءة الطاقة
خفض إجمالي صافي تكلفة المعيشة الشهرية
تقليل مخاطر الخسارة الناجمة عن انقطاع التيار الكهربائي عن الشبكة
موثوقية محسنة – تمتلك أنظمة الخلايا الضوئية ضمانات لمدة 25 عامًا ونادرًا ما تنهار أثناء مشاكل الطقس – لا تزال الأنظمة الكهربائية الضوئية لعام 1982 في Walt Disney World EPCOT Energy Pavilion تعمل بشكل جيد اليوم ، بعد المرور بثلاثة أعاصير حديثة
يتم تقليل التكلفة الإضافية للبناء الجديد مقارنةً بالإصلاح التحديثي
قيمة إعادة البيع الأعلى حيث يطلب الملاك المحتملين المزيد من ZEBs من العرض المتاح
يجب أن تزيد قيمة مبنى ZEB بالنسبة إلى مبنى تقليدي مماثل كلما زادت تكاليف الطاقة
اﻟﻘﻴﻮد اﻟﺘﺸﺮﻳﻌﻴﺔ ﻓﻲ اﻟﻤﺴﺘﻘﺒﻞ ، وﻗﺪ ﺗﻔﺮض اﻟﻀﺮاﺋﺐ / اﻟﻌﻘﻮﺑﺎت ﻋﻠﻰ اﻟﻜﺮﺑﻮن اﻻﻧﺒﻌﺎﺛﺎت اﻟﻤﻜﻠﻔﺔ ﻟﺒﻨﺎء اﻟﻤﺒﺎﻧﻲ ﻏﻴﺮ اﻟﻔﻌﺎﻟﺔ
المساهمة في زيادة فوائد المجتمع ، على سبيل المثال توفير الطاقة المتجددة المستدامة للشبكة ، مما يقلل من الحاجة إلى توسيع الشبكة

سلبيات
يمكن أن تكون التكاليف الأولية أعلى – الجهد المطلوب لفهم ، وتطبيق ، وتأهيل للحصول على دعم ZEB ، إذا كانت موجودة.
عدد قليل جدا من المصممين أو بناة لديهم المهارات أو الخبرة اللازمة لبناء ZEBs
الانخفاض المحتمل في تكاليف الطاقة المتجددة لشركة الطاقة المتجددة في المستقبل قد يقلل من قيمة رأس المال المستثمر في كفاءة الطاقة
فقد انخفض سعر تكنولوجيا معدات الخلايا الشمسية الضوئية الجديدة بنسبة 17٪ تقريبًا في السنة – وسيقلل ذلك من قيمة رأس المال المستثمر في نظام توليد الكهرباء بالطاقة الشمسية – سيتم إلغاء الدعم الحالي ، حيث سيخفض الإنتاج الضخم للكتل الضوئية السعر المستقبلي
التحدي لاسترداد تكاليف أولية أعلى على إعادة بيع المبنى ، ولكن يتم إدخال أنظمة تصنيف الطاقة الجديدة تدريجيا.
في حين أن البيت الفردي قد يستخدم معدل طاقة صفرية صافية على مدى عام واحد ، إلا أنه قد يتطلب طاقة في الوقت الذي يحدث فيه ذروة الطلب على الشبكة. في مثل هذه الحالة ، يجب أن توفر قدرة الشبكة الكهرباء لجميع الأحمال. لذلك ، قد لا يقلل ZEB من سعة محطة الطاقة المطلوبة.
من دون استخدام غلاف حراري محسّن ، فإن الطاقة المتضمنة والطاقة والتدفئة والتبريد واستخدام الموارد أعلى من المطلوب. ZEB بحكم التعريف لا تفوض الحد الأدنى من مستوى أداء التدفئة والتبريد مما يسمح بنظم الطاقة المتجددة ذات الحجم الكبير لملء فجوة الطاقة.
إن التقاط الطاقة الشمسية باستخدام مغلف المنزل لا يعمل إلا في أماكن لا تعوقها الشمس. لا يمكن تحسين امتصاص الطاقة الشمسية في الشمال (في نصف الكرة الشمالي ، أو في جنوب الكرة الأرضية الجنوبية) التي تواجه الظل ، أو المناطق المحيطة بالأشجار.

بناء الطاقة صفر مقابل المباني الخضراء
الهدف من البناء الأخضر والبنية المستدامة هو استخدام الموارد بشكل أكثر كفاءة وتقليل الأثر السلبي للمبنى على البيئة. تحقق مباني الطاقة الخالية من الطاقة هدفًا رئيسيًا واحدًا في الحفاظ على البيئة ، وهو الحد بشكل كبير أو كبير جدًا من استخدام الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري طوال عمر المبنى.قد تكون أو لا تعتبر مباني الطاقة الصفرية “خضراء” في جميع المناطق ، مثل الحد من النفايات ، واستخدام مواد البناء المعاد تدويرها ، إلخ. ومع ذلك ، فإن الطاقة الصفرية أو المباني الصافية الصفرية تميل إلى أن يكون لها تأثير بيئي أقل بكثير على الحياة من المبنى مقارنة مع المباني “الخضراء” الأخرى التي تتطلب الطاقة المستوردة و / أو الوقود الأحفوري لتكون صالحة للسكن وتلبية احتياجات الركاب.

بسبب تحديات التصميم والحساسية للموقع المطلوب لتلبية احتياجات الطاقة لمبنى وركاب الطاقة المتجددة (الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والحرارة الجوفية ، إلخ) ، يجب على المصممين تطبيق مبادئ التصميم الشاملة والاستفادة من الأصول المجانية المتوفرة بشكل طبيعي ، مثل التوجه السلبي للطاقة الشمسية والتهوية الطبيعية والإضاءة النهارية والكتلة الحرارية والتبريد الليلي.