Bir yapının arazisi, yönelimi ve bileşenleri soğuk havada dışarıya ısı kaybını ve sıcak havada dışarıdan ısı kazanımını en aza indirmelidir. Bina kullanıcıları için ısıl konforun sağlanması amacıyla, oluşabilecek aşırı ısı kaybı veya kazanımı pasif enerji sistemleri veya mekanik ısıtma ve soğutma sistemleriyle dengelenmelidir. Mekanik sistemin en temel ve gerekli görevi, mekanın hava sıcaklığını kontrol etmek amacıyla ısıtma ve soğutma olsa da, insan konforunu etkileyen bunun dışında üç etkene daha önem vermek gerekir, nispi nem, ortalama ışıma sıcaklığı ve hava hareketi.
Nispi nem, nemlendirici gereçlerle su buharı verilerek veya havalandırmayla su buharının uzaklaştırılmasıyla denetim altına alınabilir. Oda yüzeylerinin ortalama ışıma sıcaklığı, radyan ısı panelleri, kullanılarak artırılabilir veya radyan soğutmayla azaltılabilir. Hava hareketi, doğal veya mekanik havalandırmayla kontrol edilebilir.
Hava sıcaklığı, mekana akışkan bir madde verilerek kontrol edilir. Hava kazanları havayı ısıtır, su kazanları suyu ısıtır veya buhar üretir, elektrikli ısıtıcılar dirençler aracılığıyla elektrik enerjisini ısıya dönüştürürler. Bir bina için gerekli ısıtma ve soğutma ekipmanının boyutu tahmini ısıtma ve soğutma yüklerine göre belirlenir. Geleneksek fosil yakıtları ısıtma ve soğutma sistemleri için enerji üretiminde hala en yaygın olarak kullanılan yakıtlardır. Doğalgaz temiz bir şekilde yanar ve boru hattı dışında depolama veya dağıtım gerektirmez. Propan gazı, doğalgadan bir miktar pahalı, fakat temiz yanan bir yakıttır. Yağ da verimli bir yakıt seçeneğidir, fakat kamyonlarla kullanım noktasının yanına veya yakınına yerleştirilen depolama tanklarına kadar taşınması gerekir. Yeni konut yapılarında ısıtma için kömür nadiren kullanılmaktadır, ticaret ve endüstri yapılarında kömür kullanımı dalgalanma göstermektedir.
Elektrik, arazide yanma işlemi ve yakıt deposu gerektirmeyen temiz bir enerji kaynağıdır. Küçük teller aracılığıyla dağıtıldığından ve nispeten küçük ve sessiz bir tertibat kullandığından aynı zamanda kompakt bir sistemdir. Fakat, bir binayı elektrikle ısıtma veya soğutmanın maliyeti oldukça yüksektir.
Uygun şekilde biçilmiş odun sürdürülebilir bir kaynaktır, fakat yakılan odun hava kirliliğine neden olur ve iç hava kitlesine zarar verir. Orman yan ürünlerinden yapılan odun peletleri de temiz şekilde yanar ve alternatif bir yakıt olarak değerlendirilmelidir.
Gün geçtikçe etkisini gösteren sorunlardan biri de geleneksel enerji kaynaklarının maliyetleri ve sürdürülebilirlikleri konusundaki belirsizlik ve enerjinin çıkarılması ve üretilmesinin çevresel kaynaklar üzerine etkisidir. ABD’de elektriğin %60’ından fazlası ve tüm enerjinin %30’undan fazlası binalard kullanıldığından, tasarımcılar ve inşaat sektörü binaların enerji tüketimini azaltmak için stratejiler araştırmakta ve güneş enerjisi, rüzgar jeneratörleri, jeotermal enerji ve fotovoltaik paneller gibi elektrik üretme kapasitesine sahip alternatif enerji sistemlerini değerlendirmektedir. Nükleer enerji, tesisata ve nükleer atık malzemelerin kontrolüne ilişkin süregelen güvenlik endişelerine rağmen hala önemli bir güç kaynağı potansiyeli oluşturmaktadır.
Bir binada gerekli ısıtma ve soğutma ekipmanını boyutlandırmak için, soğuk havada ısı kaybı ve sıcak havada ısı kazanımını hesaplamak gerekir. Bu hesaplamada, istenen iç hava sıcaklığı ile dış hava tasarım sıcaklığı arasındaki fark, günlük sıcaklık aralıkları, güneş yönelimi, duvar pencere ve çatı sistemlerinin ısıl direnci ve ayrıca yaşanabilir mekanların işlev ve kullanımları dikkate alınır. Binanın yerleşimi, planı ve yönlenimiyle ısı kaybı ve kazanımı ne kadar azaltılırsa, böylece kullanılacak daha küçük ısıtma ve soğutma ekipmanlarıyla o kadar az enerji tüketilir. Diğer enerji bilinçli tasarım stratejileri, ısının yapı bileşenlerinden iletimini etkili şekilde kontrol etmek için ısı yalıtımı ve ısıl kütle kullanılması, enerji etkin HVAC sistemleri, su ısıtıcıları, aletler ve aydınlatma sistemlerinin tercih edilmesi ve ısıl koşulların ve aydınlatmanın kontrolü için akıllık sistemlerin tercih edilmesidir.
Isıtma yükü örtülü bir mekanda bir saat içindeki net ısı kaybıdır. Btu/saat olarak ifade edilir ve ısıtma biriminin veya sistemin seçiminde esas alınır. ( Btu/sa = W)
İngiliz ısı birimi (Btu), 1 lb (0,4 kg) suyun sıcaklığını 1oF (0,55 oC) artırmak için gerekli gerekli ısı miktarıdır.
Derece-gün, ortalama günlük dış hava sıcaklığında belirli bir standart sıcaklıktan 1 derecelik hareketi ifade eden bir birimdir. Isıtma ve soğutma yüklerini hesaplamak, HVAC sistemlerini boyutlandırmak ve yıllık yakıt tüketimini hesaplamak için kullanılır.
Isıtma derece-günü, 19 oC standart sıcaklığın bir derece-gün altındadır ve bir ısıtma sisteminin yakıt veya enerji tüketimini tahmini olarak hesaplamak için kullanılır.
Soğutma yükü, örtülü bir mekanda bir saat içindeki net ısı kazanımıdır. Btu/saat olarak ifade edilir ve iklimlendirme ünitesinin veya soğutma sisteminin seçiminde esas alınır.
Soğutma derece-gün 24 oC standart sıcaklığın bir derece-gün üzerindedir ve bir iklimlendirme veya soğutma sisteminin enerji gereksinimi tahmini olarak hesaplamada kullanılır.
Soğutma tonu, 0 oC deki 1 ton buzun 24 saatte aynı sıcaklıkta suya dönüştürülmesiyle elde edilen soğutma etkisidir ve 12.000 Btu/saat (3,5 kW)’a eşdeğerdir.
Enerji etkinlik derecesi, bir soğutma ünitesinin etkinlik indisidir ve bir vatlık elektrik enerjisi girişiyle ortadan kaldırılan Btu miktarını ifade eder.
Soğuk havada ısı kaybına neden olan başlıca kaynaklar;
Isının dış duvar, pencere ve çatı bileşenleri ve ısıtılmayan mekanlar üzerindeki döşemeler aracılıyla dışarı taşınımı, ışınımı ve iletimi.
Dış yapıdaki çatlaklardan, özellikle de pencere ve kapı boşluklarının çevresinden hava sızıntısı.
Ilık veya sıcak havada ısı kazanımı kaynakları;
Dış hava sıcaklıkları yüksek olduğunda dış duvar, pencere ve çatı bileşenlerinden ısı taşınımı, ışınımı ve iletimi; günlük zaman dilimi, bileşenlerin güneşe göre yönlenimi ve ısıl gecikme etkisine bağlı olarak değişir.
Camlı açıklık üzerindeki güneş ışınımı, güneşe göre yönelim ve kullanılan gölgeleme elamanlarının etkinliğine göre değişir.
Bina kullanıcıları ve onların etkinlikleri.
Aydınlatma ve diğer ısı üreten ekipmanlar.
Kokuları ve kirletici maddeleri dışarı atmak için gerekli olabilecek mekan havalandırması.
Gizli ısı, bir mekanda nispi nemin aşırı oranlara çıkmasını önlemek için amacıyla sıcak havadaki nemin yoğunlaşması için enerjiye ihtiyaç vardır.