Экодом — это энергоэффективное комфортное жильё с независимыми системами жизнеобеспечения и регенерацией отходов. Строительство таких экологических домов началось в разных странах практически одновременно, как реакция на назревающие экологический и энергетический кризисы. Наибольшего успеха в экологическом домостроении добились Европейские страны и США. Настоящий бум строительства экодомов начался после того, как в середине восьмидесятых годов Бент Варн (Bent Warn) построил в Швеции свой стеклянный дом.
Чтобы ни одна частичка тепла не пропала даром, экодом полностью герметичен (воздухонепроницаем).
Для обеспечения экодома свежим воздухом используются специальные системы вентилирования, взаимнообменивающие комнатный воздух и наружный. При таком контролируемом процессе тепло не теряется. Нагрев воды и дополнительного отопления в холодные дни происходит благодаря системам рекуперации тепла и отоплению с помощью природной энергии (посредством тепловых насосов и солнечных коллекторов).
1. Что такое экодом?
Экономный дом (экодом) имеет тот же принцип, что и в активном доме, только не вырабатывающий свою энергию, функционирует аналогично термосканерам: за счет плотного изолированного корпуса, он почти постоянно накапливает тепло в вашем «внутреннем мире». Говоря о экодоме, это не отопительное тепло, а тепло, которое автоматически образуется в любом хозяйстве: выделяется из электрических ламп, стиральных машин, компьютеров и, разумеется, как говорилось выше, от человека.
Основной характеристикой (низкоэнергетического) дома, именуемого экодом является возможность получения комфортной температуры как зимой, так и летом без громоздкой отопительной системы или какого-либо кондиционера. Подобный экодом предлагает повышенный уровень комфорта при максимальном потреблении на отопление/охлаждение не более 15кВт/ч в год на кв. метр. Для сравнения: в обычном доме такое потребление может достигать 400кВт/ч, а в доме с низким энергопотреблением менее 70.
Возобновляемые источники энергии, прежде всего, энергия солнца, в принципе, могут полностью обеспечить энергопотребление экодома. Так, энергия солнца, падающая на поверхность площадью 40 м2 в условиях г. Новосибирска, в три раза превышает годовую потребность в тепловой энергии для дома общей площадью 200 м2. Только использование известных солнечных коллекторов покрывает 30% теплопотребления экодома и на 2-3 месяца сокращает отопительный период.
Экологические дома
... дома с нулевым потреблением энергии и энергоизбыточные. Их называют экологические дома, или попросту, экодома. Экологически-чистый дом - это рационально построенная конструкция дома ... посадки идут на строительство домов, покрытие полов и отопление. Дома в Хортшое ... энергий. Дом теряет энергию почти исключительно в виде тепла, поскольку все виды поступающей энергии превращаются в нем в тепло. ...
Таблица 1
Среднегодовой приход солнечной энергии на горизонтальную площадку
|
Город |
МВт*час/м [2]*год |
|
|
Архангельск |
0.85 |
1.26 |
|
Петербург |
0.93 |
|
|
Новосибирск |
1.14 |
|
|
Москва |
1.01 |
|
|
Ростов на Дону |
1.29 |
|
|
Екатеринбург |
1.1 |
|
|
Астрахань |
1.38 |
Конструкция экодома предусматривает комплекс инженерного оборудования: суточные и долгосрочные аккумуляторы тепла и электроэнергии, рекуператор тепла вентиляции, солнечные коллекторы и электробатареи, традиционные тепло- и электрогенератор, устройства биологической очистки сточных вод и переработки твёрдых органических отходов, буферные зоны и подсобные сооружения (теплица, погреб, ледник и т.д.).
На прилегающей территории размещены устройства биологической очистки и регенерации отходов (растительный фильтр, ботаническая площадка и т.д.).
В настоящее время стоит задача создать экодом, доступный широкому кругу людей, готовых своим трудом участвовать в его строительстве. Стоимость экодома должна быть сравнима со стоимостью городской квартиры. Архитектура экодомов должна гармонировать с традиционным привычным стилем застройки. При этом экодом должен обеспечивать максимальное использование солнечной энергии, количества которой для большинства регионов России оказывается достаточно, чтобы существенно сократить потребность в топливе для производства тепла или даже практически исключить её.
Инженерные системы, разрабатываемые для реализации этой задачи, подчинены одному принципу: максимальная простота решения при достаточной эффективности. Главное здесь — не допустить неоправданного роста стоимости дома при использовании этих инженерных систем. Важным для комфортного проживания в экодоме становится вопрос об использовании экологически совместимых с человеком материалов и строительных конструкций. Недостаточное внимание к этим вопросам может свести на нет все теплотехнические и другие преимущества экодома, если, в конечном счете, человек в нем будет чувствовать себя неуютно. Это всё накладывает существенные ограничения на спектр инженерных и конструкционных решений, которые окажутся приемлемыми в рамках проекта «Экодом». Далеко не всякий материал или конструкционное решение, будучи пригодным для решения теплотехнических, архитектурных и других задач, оказывается приемлемым с точки зрения создания экологически приемлемых условий для человека.
В настоящее время разработаны принципиальные решения по всем аспектам экодома: архитектурные и планировочные решения, эффективные строительные материалы и конструкции, системы жизнеобеспечения и инженерное оборудование, организация и эксплуатация экопоселений, рассчитаны энергетический, биологический и ботанический балансы и т.д.
Разработаны проекты демонстрационного экодома и дома-лаборатории для климатических условий Сибири, предусматривающие весь комплекс инженерного оборудования. Логически, следующим этапом должно быть строительство нескольких демонстрационных домов в разных регионах России, которые, прежде всего, позволят осуществить подбор комплектации экодомов на базе местного производства и из местных материалов.
В Новосибирске намечено строительство экодома-лаборатории. Он предназначен для отработки элементов строительных конструкций и инженерного оборудования следующего поколения, разработанных и разрабатываемых строительных материалов, конструкций и инженерного оборудования, ориентированных на местную промышленность.
Некоторые разработки экодомов и его элементов уже можно использовать на практике. В России складываются благоприятные условия для массового строительства экологического жилья, так как благодаря смене экономического устройства сворачивается строительство многоквартирных домов и начинает интенсивно развиваться индивидуальное строительство. Надо направить усилия на то, чтобы те, кто может и строит себе дома, начали строить именно экодома.
Энергосбережение в экодоме
По данным Центра ООН по населённым пунктам использование энергии в жилищно-коммунальном секторе составляет 40% от общего количества, вырабатываемого в мире. Выбросы в атмосферу окислов серы и углекислого газа от эксплуатации жилья составляют 70% и 50% соответственно. Однако при использовании традиционных и современных экологических технологий дом может не только не нарушать баланса в окружающей среде, но и способствовать его восстановлению.
В само понятие «Экодом» уже заложено энергосбережение, энергоэффективность.
«Экодом» предполагает минимальное энергопотребление энергии и эффективное его использование внутри дома. Кроме этого, «Экодом» встраивается в каждое конкретное место и использует те ресурсы, которым это место располагает. Использование нетрадиционных источников энергии (солнце, ветер, реки, водоёмы, геотермальные источники) обязательно рассматривается.
За то, короткое время, которое мне предоставлено, я хочу обратить ваше внимание на основы энергосбережения и энергоэффективности в «Экодоме» и основы использования нетрадиционных источников энергии.
Часто ставится два вопроса: где взять энергию (электрическую, тепловую) и сколько это будет стоить? Совершенно не задаётся вопрос: как рационально и эффективно использовать эту энергию? Без этого главного вопроса другие два часто становятся просто непреодолимым препятствием. Только сначала решив этот главный вопрос, можно рассматривать остальные. Тогда они уже будут не такими непреодолимыми.
Поэтому предлагаю сначала рассматривать вопрос об эффективном использовании энергии, а уж затем, как получать энергию и сколько это будет стоить.
Первое, с чего начинается энергосбережение — это высокое термическое сопротивление наружных ограждающих конструкций. Это наиболее эффективное инвестирование в энергосбережение! Не обеспечив этого параметра дома, бессмысленно говорить об экономии энергии или использовании Солнца для отопления. Я считаю, что термическое сопротивление стен должно быть не менее R=6 (м2 К)/Вт.
Согласно последних изменений СНиП для одноквартирного дома в климатических условиях Екатеринбурга, термическое сопротивление стен должно быть R=3 (м2 К)/Вт. Если же построить дом с термическим сопротивлением с R не менее 10, то создаются предпосылки отопление дома от работы обычных бытовых приборов, лампочек освещения и тепла, находящихся в нём людей.
Второе. Энергию следует подразделять по качеству на энергию высокого качества и более низкого. Например, электрическая энергия в стабильной сети 220 V 50 Гц — это энергия высокого качества. Её целесообразно использовать только там, где без неё невозможно обойтись: холодильник, компьютер, телевизор, насос, бытовые приборы с электродвигателями.
Для освещения или для работы чайника и электроплиты совершенно не обязательно иметь переменный ток высокого качества. Здесь может быть низкое качество электроэнергии и постоянный ток. Некоторые бытовые приборы имеют коллекторные двигатели (например, пылесос) и поэтому они могут работать и от 220 В постоянного тока.
Совершенно не рационально использовать электричество для отопления. При получении электрической энергии на тепловых станциях коэффициент полезного действия (КПД) по электричеству составляет около 30%. Автономные дизель генераторы так же имеют КПД ~30%. Поэтому сжигать органическое топливо для выработки электрической энергии, которая будет использоваться на отопление — неразумно. Более эффективным в этом случае будет непосредственное сжигание органического топлива для получения тепла на отопление.
Компрессионные тепловые насосы, работающие от электричества высокого качества, перекачивают тепло из низкотемпературных источников (река, водоём, грунтовые воды) в систему отопления и горячего водоснабжения дома. При этом затрачивается электрической энергии до 30% от общего количества полученного тепла. Если это электричество получено при сжигании органического топлива, то экономия топлива равна нулю!
Тепловая энергия — это энергия низкого качества. Её и рационально использовать на нужды отопления и горячего водоснабжения, а также приготовления пищи. В качестве источников этой энергии могут быть традиционное топливо: уголь, дрова, газ, так и нетрадиционные источники: солнечная энергия, биогаз.
Третье. Аккумулирование энергии — тепловой, электрической. Аккумулирование энергии серьёзный фактор экономии энергии в автономном доме. Аккумулирование позволяет перераспределять получение и потребление энергии во времени. Например, Солнце греет днём, а максимальная нагрузка на отопление ночью (суточное аккумулирование), или летом избыток Солнечного тепла — а зимой недостаток (сезонное аккумулирование).
Аккумулирование позволяет накапливать энергию маленькими порциями, а отдавать — большими. Частая ошибка: например, максимальное потребление электрической энергии 5 кВт, и заказчик говорит, что ему нужна электрическая станция мощностью 5 кВт. А это соответствующая стоимость. Кроме того, эта станция должна работать именно тогда, когда необходима эта мощность. Но ведь такая мощность нужна не всё время, а только на какой-то период? Поэтому при наличии аккумулирования электрической энергии, мощность электрической станции уже может быть значительно меньшей, следовательно, дешевле. Кроме этого, при потреблении электрической энергии электрическая станция может и не работать, а включаться в другое время. В этом случае, электрической станцией уже может быть ветрогенератор или солнечный модуль, или мини ГЭС, или генератор с двигателем внутреннего сгорания, работающим на биогазе.
Принцип аккумулирования распространяется так же и на тепловую энергию. Избыток тепла сбрасывается в тепловой аккумулятор и потребляется по мере надобности. Тепловые аккумуляторы бывают водяные, грунтогравийные и химические. Первые два представляют собой части конструкции дома. Химические же — используют специальные вещества, сохраняющие тепло в виде химических связей. Они прекрасно сохраняют большие количества тепловой энергии многие месяцы без потерь. Например, в 3 м3 химического вещества можно за лето накопить достаточное количество тепла на весь последующий отопительный период.
Четвёртое. Сама архитектура и конструкция дома должна способствовать эффективному накоплению и использованию энергии. «Экодом» — это дом-коллектор, дом-аккумулятор и дом-термос.
Дом-коллектор, архитектура дома способствует максимальному проникновению солнечных лучей внутрь дома в отопительный период и минимальному — в жаркий период года. Зоны дневного пребывания освещаются непосредственно солнечным светом, а спальни и подсобные помещения располагаются на теневой стороне дома. Коридоры, туалеты, ванные комнаты освещаются солнечным светом через колодцы-световоды с крыши дома. Кроме этого, дом имеет солнечные коллектора для нагрева воды или/и воздуха для горячего водоснабжения и, возможно, отопления.
Дом-аккумулятор. Внутри дома располагаются большие массы для поглощения тепла. Здесь накапливаются избытки тепла, не вызывая перегрева в доме, и отдаётся тепло, когда его недостаёт.
Пятое. Использование в доме энергоэффективного оборудования. Существуют различные типы бытовых электроприборов, котлов, светильников отличающиеся друг от друга энергоэффективностью. Например, лампы дневного света потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания.
Энергоэффективные лампы «OSRAM» при одинаковой силе света потребляют в 5 раз меньше электрической энергии, чем лампы накаливания, и служат в 10 раз дольше.
Шестое. Использование автоматизации. Например, освещение включается только там, где находятся люди. При движении человека по дому в тёмное время суток свет автоматически включается и выключается. Известно, что солнечных модулей на 100-200 Вт, аккумуляторной батареи и датчиков присутствия достаточно для обеспечения освещением полностью автономного дома.
Электрическая энергия
В автономном доме электрическая энергия традиционно может быть получена от генератора с двигателем внутреннего сгорания на газе, биогазе, бензине и дизтопливе. Эти генераторы всем хорошо известны. Другими источниками в порядке возрастания стоимости являются: микро-ГЭС, ветрогенераторы, солнечные модули. В настоящее время они все представлены на рынке.
Перспективными являются термоэлектрические модули, вырабатывающие электрическую энергию от тепловых источников. Такие модули сегодня используются на автономных необслуживаемых электрических источниках на ядерном топливе. Есть возможность создания дешёвых термоэлектрических модулей, которые можно было бы использовать в обычных водогрейных котлах.
Я могу предоставить информацию по солнечным модулям, выпускаемым серийно Рязанским заводом металлокерамических изделий и ветроэлектрическим станциям, выпускаемым «Компанией ЛМВ Ветроэнергетика» г. Хабаровск.
Тепловая энергия. Солнечные жидкостные коллекторы представляют собой плоские нагревательные панели с внутренними каналами. Эти панели с рабочей стороны покрыты специальным селективным составом, благодаря которому панель поглощает до 95% падающей солнечной энергии, а излучает обратно только 8-11%. Панель размещена в алюминиевой рамке, которая спереди покрыта ударопрочным стеклом, а сзади утеплителем. Солнечные коллекторы размещают, как правило, на крыши под расчётным углом. Солнечные лучи нагревают жидкость в каналах коллектора, которая самотёком или при помощи маленького насоса подаётся в бойлер с теплообменником для нагрева воды на хозяйственные нужды. Такая система из 4 коллекторов «Радуга» и бойлера обеспечивает автономный дом горячей водой с мая по сентябрь-октябрь.
Биогазовые установки сегодня представлены только для хозяйств, в которых образуются органические отходы (навоз, солома, опилки) от 1 м3 в день. Их предлагает Омское производственно-экологическое объединение «Аверс».
Комбинированные системы. Это системы, выполняющие несколько функций. Например, переработка органических отходов, получение биогаза для приготовления пищи и выработки электрической энергии. Другой пример, сжигание древесины (или её отходов) в газогенераторе для выработки СО газа. Этот газ в свою очередь сжигается в двигателе внутреннего сгорания, который вращает электрогенератор. Образующееся в этом процессе тепло используется для отопления дома.
4. Экономические аспекты
В Земле содержится 15,2% кремния по массе и превышает содержание урана в 100 000 раз. Солнечный кремний с чистотой 99,99% стоит столько же, сколько уран для АЭС. Урановый топливный цикл значительно сложнее и опаснее способа получения солнечного кремния. Учитывая сложность получения и малое содержание урана в земной коре по сравнению с кремнием, трудно понять, почему ядерное топливо и кремний для солнечных электростанций имеет одинаковую стоимость. Существует несколько причин, объясняющих такую ситуацию. В развитие технологии производства урана вложены миллиардные средства, которые выделялись в основном по военным программам, и объёмы производства урана в 6 раз превышают объёмы производства солнечного кремния.
Проблема распространения альтернативных источников, на мой взгляд, состоит ещё и в том, что объекты традиционной энергетики строятся на бюджетные средства, то есть на средства всего общества. При этом общество никто не спрашивает: на какую энергетику следует тратить эти деньги. При подключении в сеть, частный застройщик или ничего не платит, или платит только за расходы, связанные с подведением к нему линии электропередачи. Если же застройщик решает установить у себя автономный альтернативный источник питания, то расходы на изготовление-создание альтернативного источника ложатся на его плечи. То есть, он платит дважды: первый раз на создание традиционных коллективных источников электроэнергии и коллективные сети, второй раз — на свой автономный источник.
Проблема развития экологически чистых альтернативных источников не экономическая, а политическая.
Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь уже в 1995 году было построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых преобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечные коллекторы для получения тепловой энергии.
Программа, получившая название «Солар-91» осуществлялась практически без поддержки государственного бюджета, в основном, за счёт добровольных усилий и средств отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов. К 2000-му году программа предусматривала довести количество гелиоустановок до 3000.
Гелиоустановка на кремниевых фотопреобразователях мощностью 2-3 кВт, монтируют на крыше или фасаде здания. Она занимает примерно 20-30 м2. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВт/ч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляется в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.
В той же Швейцарии, чтобы не строить пиковых электростанций, с фермерами, имеющими трактора, заключается договор. По этому договору, фермер в часы пика потребления электрической энергии, подключает к валу отбора мощности трактора электрогенератор, который работает на сеть. Сети покупают эту энергию по такой цене, что примерно за два часа такой работы, фермер оплачивает всю свою суточную потребность в электрической энергии.
В Соединённых Штатах электрическую энергию можно продавать в сеть. Причём сети покупают 1 кВт/час за 8 центов, а продают потребителям за 3 цента.
В Германии покупателям альтернативных источников энергии (солнечные модули, солнечные водонагреватели, ветрогенераторы и т.п.) выплачивается одноразовая компенсация. Эта компенсация не зависит, где изготовлена эта система: в Германии или за рубежом.
Сейчас в Европе появляются источники финансирования новых проектов по экологически чистой энергетике. Именно такой «экологический» налог в размере от 10 до 30% стоимости нефти введён в Швеции, Финляндии, Нидерландах и странах ЕЭС.
Европейский Союз уже объявил, что к 2020 г. доля возобновляемой энергетики составит 20% от общего производства электроэнергии.
В конце хочу сказать, что Экодом является отличным вложением денег и средств, но это не самые его главные качества. А вот защита (косвенная и прямая) окружающей среды от парниковых газов и низкое энергопотребление вот что должно сподвигнуть большинство людей начать строительство подобных домов.
