غلاف خالٍ من الكربون

تستخدم معظم المنازل التقليدية في البلدان التي تتطلب التدفئة الوقود الأحفوري أو الخشب للتدفئة وتسخين المياه والطهي. ولتحقيق الحياد الكربوني، يجب استبدال أنظمة التدفئة هذه بأنظمة تدفئة خالية من الانبعاثات. وتشمل الخيارات الرئيسية ما يلي:

• تُعدّ المضخات الحرارية ، التي تعمل بالكهرباء، عالية الكفاءة بفضل استغلالها للطاقة الحرارية في الهواء المحيط أو الأرض. تصل كفاءتها الظاهرية إلى 400% أو أكثر، أي أن كمية الحرارة المُوَصَّلة تعادل أربعة أضعاف الطاقة الكهربائية المُستَهلَكة. يمكن استخدام الهواء أو الماء أو الأرض كمصدر للحرارة، ويمكنها توصيل الحرارة على شكل هواء دافئ (مضخة حرارية من نوع هواء إلى هواء) أو عبر نظام تدفئة مائي باستخدام مشعات أو تدفئة أرضية ( مضخة حرارية تعمل بالهواء ). تستخدم معظم المباني في النرويج ^{[ 6 ]} المضخات الحرارية، ويجري نشرها بدعم حكومي في العديد من دول أوروبا الغربية، بينما يتجاوز عدد تركيبات المضخات الحرارية الآن عدد تركيبات أفران الغاز في الولايات المتحدة الأمريكية ^{[ 7 ]} . ونظرًا لأن المضخات الحرارية غالبًا ما تستخدم درجات حرارة تدفق أقل من أنظمة الوقود الأحفوري التقليدية، فقد تحتاج المنازل إلى تحسينات في العزل واستخدام مشعات أكبر (مثل المشعات) عند تركيب مضخة حرارية. تُشير إحدى الدراسات إلى أن انبعاثات الكربون المُتضمنة في مضخة حرارية مُركَّبة في المملكة المتحدة تبلغ 1563  كيلوغرامًا. ^{[ ٨ ]} بالنسبة لمتوسط ​​الطلب على التدفئة في المملكة المتحدة البالغ ١٠٠٠٠ كيلوواط ساعة سنويًا، وكفاءة ( sCOP ) تبلغ ٤، سيستهلك هذا النظام ٢٥٠٠ كيلوواط ساعة من الكهرباء بمعدل ١٥٦ غرام/كيلوواط ساعة = ٣٩٠  كيلوغرامًا. ^{[ ٩ ]} بينما كان الغاز سيُصدر ١٠٠٠٠/٠.٨٥ ^{[ ١٠ ]} × ١٨١ غرامًا ^{[ ٩ ]} = ٢١٢٩  كيلوغرامًا. وبالتالي،  يتم توفير ١٦٢١ كيلوغرامًا سنويًا، وفترة استرداد تكلفة المضخة الحرارية هي ١١ شهرًا. ستكون فترة الاسترداد أطول في بلد ذي كثافة كربونية أعلى في شبكة الكهرباء.
• التدفئة الكهربائية المباشرة (المقاومة) - شائعة الاستخدام بالفعل، لكنها أقل كفاءة من المضخات الحرارية (أقصى إنتاجية عند استهلاك 100% من الكهرباء الداخلة)، وبالتالي فهي أغلى بكثير لتدفئة المساحات والمياه . أما التدفئة بالحث ، فهي بديل للطهي باستخدام الوقود الأحفوري.
• المراجل/الأفران التي تعمل بالهيدروجين - لا تُصدر مرجل الهيدروجين سوى بخار الماء، لذا فهي خالية من الانبعاثات محليًا. مع ذلك، لن تكون خالية من الانبعاثات إجمالًا إلا إذا كان الهيدروجين من مصادر خالية من الكربون، مثل الهيدروجين الأخضر المُستخلص بالتحليل الكهربائي باستخدام الطاقة المتجددة أو النووية. كما تتطلب بنية تحتية توزيعية كبيرة. وقد تم عرض مراجل الهيدروجين على نطاق واسع، لكنها لم تُعتمد على نطاق واسع. وتواجه منافسة من المضخات الحرارية، التي تستخدم الكهرباء المتجددة المتاحة بكفاءة أكبر بكثير. ^{[ 11 ]}
• تعتمد التدفئة الشمسية السلبية على استخدام نوافذ كبيرة موجهة بشكل مناسب نحو الشمس لامتصاص الطاقة الشمسية مباشرةً لتدفئة المنزل. في حالة التجديد، قد يتطلب هذا الأسلوب تعديلات كبيرة في المبنى لتوسيع النوافذ أو تغيير اتجاهها، مع أن إضافة غرفة زجاجية أو مساحة مشمسة قد تكون خيارًا أسهل. لا تعمل التدفئة الشمسية السلبية ليلاً، ومن المرجح أن تُغطي جزءًا فقط من احتياجات التدفئة المنزلية. كما قد تُسبب ارتفاعًا في درجة الحرارة صيفًا إذا لم يتم التحكم بها بشكل مناسب، باستخدام الستائر أو المصاريع أو الستائر الرأسية.
• يستخدم نظام التسخين الحراري الشمسي للمياه المنزلية ألواحًا مثبتة على الأسطح، يتم تدوير سائل من خلالها لتسخين المياه مباشرةً. ويتجه المستهلكون بشكل متزايد إلى استخدام الألواح الكهروضوئية الشمسية، التي يمكن استخدامها أيضًا لتسخين المياه عبر محول حراري أو مضخة حرارية، بالإضافة إلى توفير الكهرباء لاستخدامات أخرى.
• الكتلة الحيوية - في بعض الحالات، قد يُعتبر استخدام حرق الخشب في المواقد أو غلايات الكتلة الحيوية حلاً خالياً من الكربون، إذا كان مصدر الخشب معروفاً، وتم التأكد من امتصاص كمية من الكربون تعادل تلك الناتجة عن الحرق، أو أنه سيتم امتصاصها خلال فترة زمنية قصيرة. مع ذلك، نادراً ما تتوفر هذه المعلومات عملياً، وأصبحت الكتلة الحيوية حلاً مثيراً للجدل كحل خالٍ من الكربون. إضافةً إلى ذلك، تُنتج أنظمة الكتلة الحيوية عادةً تلوثاً هوائياً محلياً كبيراً بسبب دخان الخشب.
• في بعض المواقع، سيتعين استبدال المولدات التي تعمل بالوقود الأحفوري بأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية/البطاريات.

تُعدّ تكلفة هذه الإجراءات على أصحاب المنازل عاملاً حاسماً بطبيعة الحال. ولأن الأنظمة التقليدية تستفيد من وفورات الحجم وتتوفر مهارات التركيب على نطاق واسع، فقد تكون تكلفة رأس المال لتقنيات الطاقة النظيفة الجديدة أعلى ، إلا أن هذا قد يُعوَّض بانخفاض تكاليف التشغيل أو توفير الكفاءة، وذلك بحسب التكاليف النسبية للكهرباء والوقود الأحفوري. ولهذا السبب، تُقدّم بعض الحكومات لأصحاب المنازل منحاً أو إعانات لتغطية تكلفة التحوّل، على سبيل المثال، برنامج تحديث الغلايات ^{[ 12 ]} في المملكة المتحدة، الذي يُساعد في تمويل تركيب مضخات الحرارة.

في معظم الحالات ، يُعدّ استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخيار الأمثل لتوفير الطاقة المتجددة للمساكن. وقد أصبح استخدام هذه الطاقة شائعًا في جميع أنحاء العالم، نظرًا لانخفاض تكاليفها لتصبح أرخص مصدر للكهرباء. [ 13 ^{] تُركّب الألواح} الشمسية عادةً على أسطح المنازل أو ملحقاتها أو على الأرض بالقرب منها، وهي عملية ومناسبة لجميع أحجام المساكن تقريبًا وفي معظم أنحاء العالم. الاستثناء الوحيد قد يكون الشقق في المناطق الحضرية المكتظة، والتي قد تفتقر إلى السقف أو حتى إلى أي تعرض لأشعة الشمس.

لتحقيق منزل خالٍ من الكربون، يجب أن يتناسب حجم/قدرة توليد الطاقة لمنظومة الألواح الشمسية مع الاستهلاك السنوي للمنزل. غالبًا ما يكون هذا الأمر بسيطًا، حتى لو كان المنزل يستخدم الكهرباء للتدفئة، سواءً بشكل مباشر أو عبر مضخة حرارية، أو للتبريد. في حالة التبريد، يتناسب توافر الطاقة الشمسية مع الطلب على التبريد بشكل جيد، ولكن هذا لا ينطبق على التدفئة الشتوية في المناطق ذات خطوط العرض العليا. في هذه الحالة، يستورد المنزل عادةً الكهرباء للتدفئة وأغراض أخرى في الشتاء، ويُصدّر فائض الطاقة الشمسية في الصيف. ولتحقيق صافي انبعاثات صفرية، يجب أن يتجاوز التصدير الاستيراد.

تُستخدم بطاريات التخزين المنزلية على نطاق واسع مع الطاقة الشمسية لتوفير الكهرباء ليلاً أو في ظروف الإضاءة المنخفضة، ولتحقيق ميزة التكلفة حيث تكون أسعار التصدير منخفضة. في هذه الحالة، قد يكون من المجدي اقتصادياً تخزين الكهرباء بدلاً من إعادة استيرادها.

توجد أشكال أخرى من الطاقة المتجددة في الحالات المنزلية، بما في ذلك الطاقة الكهرومائية الصغيرة وتوربينات الرياح، ولكن الحجم الأكبر لهذه المعدات يحد من استخدامها في المزارع أو العقارات الأكبر حجماً، أو في المرافق المشتركة، مثل توربينات الرياح في مبنى سكني.

لا تُعدّ كفاءة الطاقة شرطًا أساسيًا لتحقيق مساكن خالية من الكربون، طالما أن المنزل قادر على تغطية احتياجاته من الكهرباء باستخدام الطاقة المتجددة المولدة محليًا. مع ذلك، فإن زيادة كفاءة الطاقة تُقلل من حجم توليد الطاقة المتجددة المطلوب، وتكلفة الكهرباء المستوردة، وقد تُحسّن الراحة بتقليل تقلبات درجات الحرارة. على المستوى الوطني/الاقتصادي، تُقلل زيادة كفاءة الطاقة المنزلية من الحاجة إلى بنية تحتية واسعة النطاق لتوليد ونقل الكهرباء، ومن واردات الكهرباء. وتتمثل أبرز مناهج كفاءة الطاقة فيما يلي:

عزل مواد البناء لتقليل احتياجات التدفئة والتبريد: يمكن خفض استهلاك الطاقة في المباني القائمة بشكل ملحوظ عن طريق عزل الجدران والأرضيات والأسقف، واتخاذ تدابير أخرى ذات صلة مثل منع تسرب الهواء. في حين أن بعض التدابير، مثل عزل السقف باستخدام الصوف الصخري، رخيصة وبسيطة، فإن تدابير أخرى، مثل عزل الجدران الخارجية، أكثر تعقيدًا وتكلفة. لذا، يتعين على أصحاب المنازل إجراء تحليل دقيق للتكاليف والفوائد من حيث توفير الطاقة. وفي بعض البلدان، تُقدم الدولة دعمًا لبعض تدابير عزل المنازل.

الأجهزة والإضاءة الموفرة للطاقة : تُتيح هذه التقنيات خفض استهلاك الطاقة دون أي تغيير في سلوك المستخدمين. على سبيل المثال، تستهلك إضاءة LED الحديثة طاقة كهربائية أقل بنسبة 75% من المصابيح المتوهجة التقليدية . ^{[ 14 ]} وقد طُوّرت جميع الأجهزة تقريبًا، بما في ذلك الأجهزة المنزلية الكبيرة وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التلفاز والثلاجات، لتستهلك طاقة أقل، حتى أنه منذ عام 1995، عندما كانت الثلاجات منتجًا ناضجًا، تشير التقديرات إلى انخفاض استهلاكها للطاقة بنسبة 60% في الاتحاد الأوروبي. ^{[ 15 ]} إلا أن الأجهزة الأكثر كفاءة قد تكون أغلى ثمنًا، ويجد المستهلكون صعوبة في معرفة أو حساب ما إذا كانت المنتجات الأكثر كفاءة تستحق الشراء. لهذا السبب، طُوّرت شهادات مثل ملصق الطاقة في الاتحاد الأوروبي، وبرنامج Energy Star في الولايات المتحدة لمساعدة المستهلكين.

السلوك الفعال : يؤثر سكان المنزل بشكل كبير على استهلاك الطاقة فيه. وتشمل السلوكيات النموذجية ما يلي:

• ما إذا كانت الأضواء والأجهزة مطفأة عند عدم استخدامها
• تكرار استخدام أجهزة الغسيل مثل غسالات الملابس وغسالات الأطباق ومجففات الملابس، وكثافة الطاقة للبرامج المختارة (مثل درجة حرارة الغسيل).
• سواء كانت عالية الطاقة أو معدات اختيارية مثل أحواض الاستحمام الساخنة ومجففات الملابس ودشات الطاقة الكهربائية يتم تركيبها واستخدامها
• تفضيلات فيما يتعلق بإعدادات درجة الحرارة الداخلية لتدفئة وتبريد المساحات.

تتطلب هذه التصاميم نفس الأساليب المذكورة في القسم السابق، وعادةً ما يكون تصميم هذه الميزات في المنزل منذ البداية أقل تكلفة من بناء منزل تقليدي وتحديثه لاحقًا. تشمل أساليب التصميم الرئيسية ما يلي:

توجيه المنزل : في المناخات الباردة، يُنصح بتوجيه المنزل للاستفادة القصوى من التدفئة الشمسية النشطة (مثل الألواح الكهروضوئية) والسلبية. يتضمن ذلك توجيه أسطح المنازل نحو الجنوب (في نصف الكرة الشمالي) لزيادة الطاقة الشمسية إلى أقصى حد، وتحديد نوافذ كبيرة مواجهة للجنوب لزيادة التدفئة الشمسية السلبية. كما يجب اتخاذ تدابير للحد من ارتفاع درجة الحرارة في الصيف، مثل استخدام الستائر والمظلات. أما في المناخات الحارة، فيمكن توجيه المنزل من الشمال إلى الجنوب لتقليل التعرض لأشعة الشمس المباشرة في منتصف النهار، وبالتالي تقليل الحاجة إلى التدفئة والتبريد، مع العلم أن وجود سطح مواجه للجنوب لتركيب الألواح الكهروضوئية يُعد ميزة إضافية.

ينبغي إيلاء اهتمام خاص لتصميم المنازل المتعددة والمعالم المحيطة بها، كالأشجار، لضمان عدم حجب الألواح الشمسية المنزلية بظلال الأشجار أو المنازل الأخرى. ويُفضّل تجنّب قطع الأشجار لمنع التظليل، لما لذلك من أثر عكسي على انبعاثات الكربون. كما يُعدّ ربط المنازل على شكل شرفات أو منازل شبه منفصلة خيارًا مفيدًا، إذ تُعزل هذه المنازل بعضها بعضًا وتقلل من فقدان الحرارة. وفي المناطق ذات المناخ الحار، يُنصح بالإبقاء على الأشجار أو زراعتها لتوفير الظل للمنازل والشوارع، ما يُقلل من الحاجة إلى التبريد.

العزل العالي وإحكام إغلاق الهواء : ينطبق هذا على جميع عناصر غلاف المبنى، أي الأرضيات والأسقف والجدران والنوافذ والأبواب. تحدد قوانين ومعايير البناء في العديد من البلدان مستويات العزل المطلوبة قانونًا في المباني الجديدة. لمناقشة قوانين وتقنيات عزل المباني حول العالم، انظر عزل المباني . قد تكون قوانين البناء الحديثة، عند الالتزام بها، كافية لتحقيق انبعاثات كربونية صفرية أثناء التشغيل إذا ما اقترنت بإمدادات طاقة مناسبة. قد تحدد هذه القوانين أداء المواد أو كليهما، عادةً من حيث معامل انتقال الحرارة (U-Value) للمادة أو المواد مجتمعة، مقاسًا بالواط/م² ^/ كلفن، و/أو الأداء الكلي للمبنى بالكيلوواط ساعة/م² ^/ سنة. على سبيل المثال، تنص اللوائح البريطانية على أن تكون الجدران أقل من 0.18 واط/م² ^كلفن . ^{[ 17 ]} تختلف معدلات استهلاك الطاقة في المباني اختلافًا كبيرًا: تستهلك المنازل المملوكة في المملكة المتحدة 259 كيلوواط ساعة/م² ^، بينما تستهلك المنازل الجديدة 100 كيلوواط ساعة/ ^م² . ^{[ 18 ]} ومع ذلك، توجد مؤشرات على إمكانية تحقيق أداء أفضل، حيث يُعدّ الوصول إلى 50 كيلوواط ساعة/م² ^/ سنة أمرًا يسيرًا نسبيًا من خلال التحديث. ^{[ 19 ]} في الوقت نفسه، لا يتطلب معيار "باسيفهاوس" العالي أكثر من 15 كيلوواط ساعة/م² ^{[ 20 ] (} للتدفئة فقط)، وهو أمر قابل للتحقيق، على الرغم من أنه يُعتبر حاليًا من المعايير المتخصصة والفاخرة.

يشير إحكام إغلاق المبنى إلى تقليل تسرب الهواء أو تياراته الهوائية إلى داخل المبنى وخارجه. فإذا تسرب الهواء البارد إلى الداخل أو تسرب الهواء الدافئ إلى الخارج، فإن ذلك يزيد من متطلبات التدفئة (أو التبريد في المناخات الحارة). يُقاس إحكام إغلاق المبنى بعدد مرات تغيير الهواء في الساعة (AC/H). ومن الأمثلة على معايير إحكام الإغلاق العالية معيار "باسيف هاوس" الذي يشترط أقل من 0.6 AC/H. كما يُشترط وجود حد أدنى لمستوى تغيير الهواء لمنع تراكم الهواء الرطب والراكد، لما له من آثار صحية سلبية على شاغلي المبنى. ولتحقيق هذين الشرطين، يُوصى غالبًا باستخدام نظام تهوية ميكانيكية مع استعادة الحرارة (MVHR) ، على الرغم من أن ذلك يزيد من التكاليف.

دمج مصادر الطاقة المتجددة في المبنى : يمكن دمج ألواح الطاقة الشمسية الكهروضوئية في السقف بدلاً من تركيبها فوق مواد التسقيف التقليدية كالبلاط. يتيح ذلك توفيرًا في مواد التسقيف، وقد يُحسّن المظهر. كما يمكن تصميم المنزل ليعمل بنظام التدفئة بمضخة حرارية، وذلك بتحديد نظام التدفئة الأرضية الذي يُعدّ أفضل مصدر للحرارة لمضخة الحرارة، إذ يسمح بانخفاض درجات حرارة التدفق، مما يزيد من كفاءة المضخة.

انظر المباني الخضراء .

توفر المنازل الخالية من الكربون هواءً داخليًا أنقى بكثير لأنها تحدّ من احتراق الوقود الأحفوري الذي يُطلق غازات متطايرة وملوثات . وتؤدي الأجهزة المنزلية التي تعتمد على حرق الوقود داخل المنزل ، مثل مواقد الغاز والسخانات والمجففات والأفران، إلى تدهور جودة الهواء الداخلي، وقد تُسبب مشاكل تنفسية للسكان. ولا يقتصر التأثير على جودة الهواء الداخلي فحسب، بل يمتد ليشمل جودة الهواء الخارجي أيضًا. ويُذكر أن التلوث الناتج عن المباني السكنية مسؤول عن حوالي 15,500 حالة وفاة سنويًا في الولايات المتحدة وحدها. ^{[ 21 ]} ويمكن لاستبدال الأجهزة التي تعمل بالوقود الأحفوري أن يُحسّن جودة الهواء الداخلي ويُقلل من أعراض الربو لدى الأطفال بنسبة تصل إلى 42%، بالإضافة إلى تقليل مخاطر الحرائق في المنازل. ^{[ 21 ]}

كما ذُكر سابقاً، يمكن للمنازل الموفرة للطاقة أن تُخفّض فواتير الخدمات العامة لساكنيها من خلال استبدال أجهزتهم بأجهزة موفرة للطاقة، بالإضافة إلى تحديث العزل الحراري وهيكل المبنى. فمقابل كل دولار يُستثمر في تحسينات تهدف إلى إنشاء منزل خالٍ من الكربون، يتم توفير ما يقارب دولارين في تكاليف توليد الكهرباء والخدمات العامة. ^{[ 21 ]}