Дмитрий Калюжный - Армагеддон завтра (учебник для желающих выжить)
Как это ни странно может показаться на первый взгляд, можно отапливать дом, отбирая тепло от холодного воздуха, воды или льда. Всё вещество вокруг нас имеет температуру значительно выше абсолютного нуля. В нём содержится тепловая энергия, но при низкой температуре. Тепло самопроизвольно перетекает от горячих тел к холодным, однако с помощью небольших затрат энергии, например, электрической или механической, можно его заставить течь от холодных тел к горячим. Это подобно тому, как насос заставляет течь воду вверх. Такие устройства называются тепловыми насосами, и мы видим их каждый день: это обычные холодильники. Холодильник отбирает тепло у тел внутри холодильной камеры и отдаёт его через заднюю радиаторную решетку комнатному воздуху.
Чтобы не перегружать нашу популярную книгу излишними техническими мелочами (вы можете найти их в специальной литературе) кратко отметим, что вполне решаема и проблема аккумулирования энергии. Сложность – в создании достаточно эффективных долгосрочных (месяцы), и маневренных (дни, часы) аккумуляторов. Но и они уже тоже есть. Можно строить гравитационные аккумуляторы (ночью излишняя энергия поднимает наверх воду, днём вода, стекая вниз, даёт электрический ток). Можно использовать водородный энергетический цикл (сходный тому, что используется растениями в процессе фотосинтеза). Технология создания металлгидридных аккумуляторов водорода уже развита настолько, что ведущие автомобильные компании начали разработку водородных автомобилей. Расчёты показывают, что металлгидридный водородный аккумулятор объёмом 2–3 м3 способен с лихвой обеспечить энергопотребности одноквартирного экодома в средней полосе России на отопительный сезон.
Как ни смеялись над лозунгами Л.И. Брежнева, но экономика – а словечко это означает «искусство ведения домашнего хозяйства» – и впрямь должна быть экономной. На освещение в современных домах тратится 20—35 % электроэнергии, но уже есть лампы (галогенные, натриевые и т. д.), лучшие из которых потребляют в 6–7 раз меньше энергии, чем обычные лампы накаливания, а их свет по спектру близок к естественному. Ещё один способ экономии – микропроцессорное управление; на рынке уже имеются датчики присутствия и местоположения человека в помещении, в некоторых домах уже действуют автоматические системы управления освещением. Потенциально это позволит снизить осветительное электропотребление в разы.
Помещения с недостатком естественного освещения можно освещать не только с помощью окон и потолочных фонарей. Немалые энергетические преимущества дают появившиеся в последнее время различные светопроводы для естественного света с концентраторами, находящимися снаружи здания. Перечисленные и другие меры способны снизить бытовое энергопотребление в несколько раз. В зимнее время можно не тратить электроэнергию для работы холодильника, забирая необходимый холод с улицы с помощью специального теплового регулятора. Это тоже способ экономии.
Ныне принятые стандарты бытового электрического тока: напряжение, частота – были выбраны в начале ХХ века из соображений удобства построения больших распределительных сетей с крупными электростанциями в качестве источников энергии. В экодоме энергоисточники, как правило, будут генерировать постоянный ток пониженного напряжения. Сначала его придётся преобразовывать в переменный ток с повышением напряжения до принятого стандарта, но в перспективе необходимо изменение стандартов в сторону снижения напряжения и перехода на постоянный ток.
Придётся решить и проблему потери тепла. Энергия поступает в дом в различных видах: в химическом (топливо, пища), электрическом, тепловом, а потери, за малым исключением, носят тепловой характер. Потери идут через непрозрачные ограждающие конструкции (стены, пол, потолок), через светопрозрачные ограждения (окна, фонари) и за счёт воздухообмена. Если перекрыть какой либо один из этих трёх каналов, потери по другим возрастут и почти обесценят затраченные усилия. Поэтому уменьшать теплопотери необходимо по всем трём направлениям одновременно. И для решения этой задачи сейчас имеются десятки различных технических способов. Опять же, не будем тратить на них время, просто отметим, что сегодняшние технологии позволяют даже в России с её суровым климатом снизить теплопотери дома до 30—40 квт. час/м2год. При таких низких потерях можно отказаться от системы отопления в доме вообще. Воистину, лучше один раз утеплить дом, чем всю жизнь его отапливать!
Помимо электроэнергии, в обычный дом поступают извне ещё и газ, и другое топливо, холодная и горячая вода, атмосферный воздух. Но экодом – не обычный дом. Ему привычные нам инженерные сети не нужны. Весь смысл экодома, избавиться от сетей, стать от них независимым. Для примера, крупнейший порок централизованных водопроводов – сумасшедшие потери воды в них. Люди гробят природу, чтобы добыть воду и доставить в дома, а 30 % по пути уходит, попадая в подземное пространство города и внося свой вклад в процесс его подтопления. Вдобавок в цене подаваемой воды 80—90 % составляют расходы на поддержание самой сети.
Внутри домов разнообразные сантехнические устройства также имеют течи; бесполезно теряется уже около половины всей забираемой из природных источников воды. Нельзя признать рациональным, что вода питьевого стандарта, очистка которой требует высоких затрат, используется для целей, при которых не нужна особая чистота. Выгоднее и дешевле ставить в доме локальные сети и индивидуальные установки водоснабжения и канализации с разделением воды по степени очистки, в зависимости от характера использования. Бытовые водоочистители уже есть в продаже.
В этом случае, как и в случае с энергией, эффективность означает экономию без ухудшения потребительских стандартов.
К каждому экодому вода может доставляться даже через несколько водопроводов, но в силу близости водозабора и за счёт упрощения водоподготовки и очистки стоков эти короткие водопроводы оправдают себя. Воду можно собирать из дождевых осадков; это делается и сейчас на всех дачах: если дождевая вода удовлетворяет поливным стандартам, её не требуется очищать. Кроме того, использование дождевой воды приближает водный баланс местности к естественному, уменьшает возможные нарушения водного баланса территории.
В экодоме предпочтительно применение безводных туалетов; кроме прямой экономии воды это дает ещё и то преимущество, что уменьшится объём сточных вод, причём за счёт самой трудноочищаемой их части. Уже появились эффективные безреагентные технологии стирки и мытья, основанные на физических эффектах – ультразвуке, кавитации и т. д., что позволяет ещё более облегчить очистку сточной воды и её повторное использование. Технически возможно сделать в доме замкнутую водооборотную систему, но не такую, как на космической станции, – в экодоме в этом нет необходимости. В большинстве случаев достаточно очищать воду до качества, позволяющего её использовать для полива, или отводить на грунтовую фильтрацию. Так вода, проходя через почву, одновременно доочищается и обогащает её питательными веществами, что может рассматриваться и как повторное использование воды.
Поскольку при застройке территории экодомами гидрологические условия хотя и в небольшой мере, но всё же будут нарушаться, потребуется создание дренажной системы. Центральная канализация в экопосёлке скорее всего не будет необходима, однако при сложных гидрологических условиях может потребоваться ливневая канализация.
Что касается внутреннего воздуха, то в настоящее время известны специальные технические и биологические системы для коррекции и улучшения его качества, так что нам опять нет нужды подробно описывать проблему и способы её решения. В целом, оптимальная стратегия поддержания хорошего качества внутреннего воздуха – это разумное сокращение внешнего воздухообмена, подавление инфильтрации и внутренних источников загрязнения, и применение покомнатной вентиляции с возвращением тепла удаляемого воздуха.
Что важно, в экологических поселениях уже не обязательна полная автономность каждого дома. Иногда может оказаться выгодным объединение некоторых инженерных систем, прежде всего, энергосистемы. Так, из опыта известно, что целесообразнее размещать ветрогенераторы на удалении от жилья в качестве коллективных источников. При определённых условиях может быть более удобным устройство общего для нескольких домовладений одного металлгидридного водородного аккумулятора с устройствами преобразования.
В отдельных случаях могут строиться коллективный водопровод и коллективный биопруд для очистки стоков.
Чтобы соответствовать различным географическим и социальным условиям, экологические дома должны быть очень разными. В пределах России диапазон физико-географических условий, непосредственно влияющих на конструкцию экодома, весьма велик. С одной стороны, это крайний север с вечной мерзлотой, где критически важной является теплоизоляция и надёжное снабжение энергией зимой, с другой стороны – южные районы, где летом встаёт задача защиты от перегрева. Ещё больше различий в конструкциях экодомов, если говорить о всём диапазоне географических и социальных условий Земли, и это предопределяет большой объём опытно-конструкторских работ, необходимых для подготовки проектов экодомов, адаптированных к месту. Короче говоря, оптимальное решение планировки будет зависеть от конкретных условий.
