Автономные здания: проектирование и принципы независимости от инфраструктуры

Введение

Автономное здание – это здание, спроектированное для функционирования независимо от общественной инфраструктуры, такой как электросети, газовые сети, муниципальные системы водоснабжения, системы очистки сточных вод, ливневые канализации, коммуникационные услуги и, в некоторых случаях, общественные дороги. Сторонники автономных зданий отмечают преимущества, включающие снижение негативного воздействия на окружающую среду, повышение безопасности и снижение затрат на владение. Некоторые из этих преимуществ соответствуют принципам экологического строительства, а не независимости как таковой (см. ниже). Здания, не подключенные к централизованным сетям, часто мало зависят от коммунальных служб и, следовательно, более безопасны и комфортны во время стихийных бедствий или военных действий. Например, такие здания не останутся без электричества и воды, если общественное снабжение будет нарушено. По состоянию на 2018 год большинство исследований и публикаций, касающихся автономных зданий, сосредоточены на жилых домах. В 2002 году британские архитекторы Бренда и Роберт Вейл утверждали, что во всех регионах Австралии вполне возможно построить «дом без счетов», который был бы комфортным без отопления и кондиционирования, производил бы собственное электричество, собирал дождевую воду и самостоятельно перерабатывал отходы. Такие дома можно построить уже сейчас, используя доступные технологии. Возможно построить «дом без счетов» по той же цене, что и обычный дом, но он будет на 25% меньше по площади.

История

В 1970-х годах группы активистов и инженеров были вдохновлены предупреждениями о неминуемом истощении ресурсов и голоде. В Соединенных Штатах группа, называющая себя Новыми Алхимиками, была известна глубиной исследовательских усилий, вложенных в их проекты. Используя обычные строительные методы, они разработали серию проектов "биосфер", самым известным из которых был биосферный комплекс The Ark для острова Принца Эдварда. Они опубликовали планы всех этих проектов с подробными расчетами и чертежами. The Ark использовал ветровую энергию для перекачки воды и производства электроэнергии и был самодостаточен в производстве продуктов питания. В нем были жилые помещения, аквариумы для выращивания тилапии в качестве источника белка, теплица, орошаемая рыбной водой, и система очистки сточных вод замкнутого цикла, перерабатывающая отходы жизнедеятельности человека в дезинфицированное удобрение для аквариумов. По состоянию на январь 2010 года организация-преемник Новых Алхимиков имеет веб-страницу под названием "Новый институт алхимии". The Ark на острове PEI был заброшен и несколько раз частично реконструирован. В 1990-х годах началась разработка Earthships – "Земляных кораблей", схожих по замыслу с проектом The Ark, но организованных как коммерческое предприятие, с деталями строительства, опубликованными в серии из трех книг Майка Рейнольдса. Строительным материалом являются шины, заполненные землей, что создает стену с большой тепловой массой (см. земляное укрытие). Для дальнейшего повышения температурной стабильности дома на открытых поверхностях устанавливаются насыпи. Водоснабжение начинается со сбора дождевой воды, которая затем очищается для питья, мытья, полива растений, смыва в туалете, а затем "черная вода" повторно перерабатывается для полива растений. Резервуары для воды размещаются и используются как тепловые массы. Энергоснабжение, включая электричество, отопление и нагрев воды, осуществляется за счет солнечной энергии. Архитекторы 1990-х годов, такие как Уильям Макдонау и Кен Янг, применяли экологически ответственный дизайн зданий к крупным коммерческим объектам, таким как офисные здания, делая их в значительной степени самодостаточными в производстве энергии. Одно из крупных зданий банка (штаб-квартира ING в Амстердаме) в Нидерландах было построено как автономное и художественное сооружение.

In the 1970s, groups of activists and engineers were inspired by the warnings of imminent resource depletion and starvation. In the United States a group calling themselves the New Alchemists were famous for the depth of research effort placed in their projects. Using conventional construction techniques, they designed a series of "bioshelter" projects, the most famous of which was The Ark bioshelter community for Prince Edward Island. They published the plans for all of these, with detailed design calculations and blueprints. The Ark used wind based water pumping and electricity and was self contained in food production. It had living quarters for people, fish tanks raising tilapia for protein, a greenhouse watered with fish water, and a closed loop sewage reclamation system that recycled human waste into sanitized fertilizer for the fish tanks. As of January 2010, the successor organization to the New Alchemists has a web page up as the "New Alchemy Institute". The PEI Ark has been abandoned and partially renovated several times. The 1990s saw the development of Earthships, similar in intent to the Ark project, but organized as a for profit venture, with construction details published in a series of 3 books by Mike Reynolds. The building material is tires filled with earth. This makes a wall that has large amounts of thermal mass (see earth sheltering). Berms are placed on exposed surfaces to further increase the house's temperature stability. The water system starts with rain water, processed for drinking, then washing, then plant watering, then toilet flushing, and finally black water is recycled again for more plant watering. The cisterns are placed and used as thermal masses. Power, including electricity, heat and water heating, is from solar power. 1990s architects such as William McDonough and Ken Yeang applied environmentally responsible building design to large commercial buildings, such as office buildings, making them largely self sufficient in energy production. One major bank building (ING's Amsterdam headquarters) in the Netherlands was constructed to be autonomous and artistic as well.

Преимущества

По мере того, как архитектор или инженер всё больше осознают недостатки транспортных сетей и зависимость от удалённых ресурсов, их проекты всё чаще включают в себя более автономные элементы. Исторически стремление к автономии было обусловлено необходимостью обеспечения надёжных источников тепла, энергии, воды и продовольствия. Практически параллельно автономии можно прийти, исходя из заботы об экологическом воздействии, которое само по себе несёт в себе недостатки. Автономные здания могут повысить безопасность и снизить негативное воздействие на окружающую среду, используя местные ресурсы (например, солнечный свет и дождевую воду), которые в противном случае были бы потеряны. Автономия зачастую существенно снижает затраты и воздействие на окружающую среду инфраструктуры, обслуживающей здание, поскольку она обходит порочный круг растущей неэффективности сбора и транспортировки ресурсов. Другие важные ресурсы, такие как запасы нефти и сохранение местных водосборных бассейнов, часто можно эффективно сохранить благодаря продуманному проектированию. Автономные здания, как правило, энергоэффективны в эксплуатации и, следовательно, экономичны, поскольку удовлетворить небольшие энергетические потребности вне сети проще. Однако они могут использовать производство энергии или другие технологии, чтобы избежать эффекта убывающей отдачи при чрезмерной экономии. Автономная конструкция не всегда является экологически чистой. Стремление к независимости от внешних систем поддержки связано, но не тождественно другим целям экологически ответственного «зелёного» строительства. Тем не менее, автономные здания обычно включают в себя определённую степень устойчивости за счёт использования возобновляемых источников энергии и других возобновляемых ресурсов, не производя при этом больше парниковых газов, чем потребляют, а также благодаря другим мерам.

Недостатки

Во-первых, независимость – это вопрос степени. Например, избавиться от зависимости от электросети относительно легко. В отличие от этого, организация эффективного и надежного источника питания может быть сложной задачей. Жизнь в автономном жилище также может потребовать жертв в образе жизни или социальных возможностях. Даже самые комфортные и технологически продвинутые автономные дома могут потребовать изменения привычек жильцов. Кому-то может не понравиться дополнительная работа. Вейлы описывали опыт некоторых клиентов как неудобный, раздражающий, изолирующий или даже как нежелательную работу на полный день. Хорошо спроектированное здание может смягчить эту проблему, но обычно за счет снижения уровня автономии. Автономный дом должен быть построен по индивидуальному заказу (или значительно переоборудован), чтобы соответствовать климату и местности. Пассивные солнечные технологии, альтернативные системы туалетов и канализации, конструкции с использованием тепловой массы, системы хранения энергии в подвале, энергоэффективные окна и множество других дизайнерских решений требуют определенной степени нестандартного строительства, дополнительных затрат, постоянных экспериментов и обслуживания, а также влияют на психологическое восприятие пространства.

Системы

В этом разделе содержатся краткие описания методов, чтобы дать общее представление о практичности подобного здания, указать источники дополнительной информации и ознакомить с современными тенденциями.

Вода

Существует множество способов сбора и сохранения воды. Сокращение потребления является экономически эффективным. Системы повторного использования серой воды используют сточные воды от стирки для смыва туалетов или полива газонов и садов. Такие системы могут сократить потребление воды в большинстве жилых зданий вдвое, однако для их установки требуется приобретение накопительного резервуара, насоса для повышения давления серой воды и дополнительной сантехники. Некоторые строители устанавливают безводные писсуары и даже компостирующие туалеты, исключающие использование воды при удалении сточных вод. Классическим решением с минимальными изменениями образа жизни является использование колодца. После бурения колодец требует значительной мощности для работы. Однако современные насосные станции могут снизить энергопотребление в два раза и более по сравнению со старыми моделями. Вода из колодцев в некоторых районах может быть загрязнена. Фильтр Sono для удаления мышьяка устраняет вредный мышьяк в колодезной воде. Однако бурение колодца – это рискованное мероприятие, поскольку в некоторых районах водоносные горизонты истощены. Это также может быть дорогостоящим. В регионах с достаточным количеством осадков часто экономичнее проектировать здание с системой сбора дождевой воды, с дополнительной доставкой воды в периоды засухи. Дождевая вода отлично подходит для стирки, но требует антибактериальной обработки. При использовании для питья необходимы минеральные добавки или минерализация. В большинстве пустынных и умеренных климатических зонах выпадает не менее осадков в год. Это означает, что типичный одноэтажный дом с системой повторного использования серой воды может обеспечить свои потребности в воде круглый год, используя только воду, собираемую с крыши. В самых засушливых районах может потребоваться резервуар объемом. Во многих районах сложно поддерживать крышу в достаточно чистом состоянии для питья. Для уменьшения загрязнений и неприятного привкуса в системах используют металлическую крышу для сбора воды и резервуар для "очистки крыши", который отводит первые 40 литров. Вода в резервуарах обычно хлорируется, хотя системы обратного осмоса обеспечивают еще более качественную питьевую воду. В классическом римском доме ("Domus") водоснабжение осуществлялось из резервуара ("impluvium"), который являлся декоративным элементом атриума – главного общественного пространства дома. Он питался водосточными трубами от отверстия в крыше, обращенного внутрь ("compluvium"). Часто в нем выращивали водяные лилии для очистки воды. Зажиточные семьи часто дополняли дождевую воду небольшим фонтаном, питаемым из городского резервуара. В "impluvium" всегда был предусмотрен переливной дренаж, чтобы избежать затопления дома. Современные резервуары обычно представляют собой большие пластиковые емкости. Гравитационные резервуары на невысоких опорах надежны, поэтому ремонт насосов не требует срочного вмешательства. Наименее дорогим резервуаром является огороженный пруд или бассейн, расположенный на уровне земли. Снижение автономности уменьшает размер и стоимость резервуаров. Многие автономные дома могут сократить потребление воды до уровня на человека в день, так что в засушливые периоды месячный запас воды можно доставить недорого с помощью грузовика. Самостоятельная доставка часто возможна путем установки гибких резервуаров для воды, которые помещаются в кузов пикапа. Может быть удобно использовать резервуар в качестве теплоаккумулятора или ловушки для теплового насоса или системы кондиционирования воздуха, однако это может привести к нагреванию холодной питьевой воды, а в более сухие годы – к снижению эффективности системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Солнечные дистилляторы могут эффективно производить питьевую воду из сточных вод или воды из резервуаров, особенно высокоэффективные многоступенчатые испарительные установки, которые разделяют испарители и конденсаторы. Новые технологии, такие как обратный осмос, позволяют создавать неограниченное количество чистой воды из загрязненной воды, морской воды и даже из влажного воздуха. Для яхт доступны водогенераторы, которые преобразуют морскую воду и электричество в питьевую воду и соленую воду. Генераторы атмосферной воды извлекают влагу из сухого воздуха пустыни и фильтруют ее до состояния чистой воды.

There are many methods of collecting and conserving water. Use reduction is cost effective. Greywater systems reuse drained wash water to flush toilets or to water lawns and gardens. Greywater systems can halve the water use of most residential buildings; however, they require the purchase of a sump, greywater pressurization pump, and secondary plumbing. Some builders are installing waterless urinals and even composting toilets that eliminate water usage in sewage disposal. The classic solution with minimal life style changes is using a well. Once drilled, a well foot requires substantial power. However, advanced well foots can reduce power usage by twofold or more from older models. Well water can be contaminated in some areas. The Sono arsenic filter eliminates unhealthy arsenic in well water. However drilling a well is an uncertain activity, with aquifers depleted in some areas. It can also be expensive. In regions with sufficient rainfall, it is often more economical to design a building to use rainwater harvesting, with supplementary water deliveries in a drought. Rain water makes excellent soft washwater, but needs antibacterial treatment. If used for drinking, mineral supplements or mineralization is necessary. Most desert and temperate climates get at least of rain per year. This means that a typical one story house with a greywater system can supply its year round water needs from its roof alone. In the driest areas, it might require a cistern of Many areas average of rain per week, and these can use a cistern as small as
In many areas, it is difficult to keep a roof clean enough for drinking. To reduce dirt and bad tastes, systems use a metal collecting roof and a "roof cleaner" tank that diverts the first 40 liters. Cistern water is usually chlorinated, though reverse osmosis systems provide even better quality drinking water. In the classic Roman house ("Domus"), household water was provided from a cistern (the "impluvium"), which was a decorative feature of the atrium, the house's main public space. It was fed by downspout tiles from the inward facing roof opening (the "compluvium"). Often water lilies were grown in it to purify the water. Wealthy households often supplemented the rain with a small fountain fed from a city's cistern. The impluvium always had an overflow drain so it could not flood the house. Modern cisterns are usually large plastic tanks. Gravity tanks on short towers are reliable, so pump repairs are less urgent. The least expensive bulk cistern is a fenced pond or pool at ground level. Reducing autonomy reduces the size and expense of cisterns. Many autonomous homes can reduce water use below per person per day, so that in a drought a month of water can be delivered inexpensively via truck. Self delivery is often possible by installing fabric water tanks that fit the bed of a pick up truck. It can be convenient to use the cistern as a heat sink or trap for a heat pump or air conditioning system; however this can make cold drinking water warm, and in drier years may decrease the efficiency of the HVAC system. Solar stills can efficiently produce drinking water from ditch water or cistern water, especially high efficiency multiple effect humidification designs, which separate the evaporator(s) and condenser(s). New technologies, like reverse osmosis can create unlimited amounts of pure water from polluted water, ocean water, and even from humid air. Watermakers are available for yachts that convert seawater and electricity into potable water and brine. Atmospheric water generators extract moisture from dry desert air and filter it to pure water.

Ресурс

Компостирующие туалеты используют бактерии для разложения человеческих экскрементов в полезный, без запаха, санитарный компост. Процесс является санитарным, поскольку почвенные бактерии уничтожают патогенные микроорганизмы человека, а также большую часть массы отходов. Тем не менее, большинство органов здравоохранения запрещают прямое использование "гуманоферы" для выращивания пищевых продуктов. Риск заключается в микробном и вирусном загрязнении, а также в токсичности тяжелых металлов. В сухом компостирующем туалете отходы испаряются или разлагаются до газа (в основном углекислого газа) и выводятся наружу, поэтому туалет производит всего несколько килограммов компоста каждые шесть месяцев. Для контроля запаха современные туалеты используют небольшой вентилятор, поддерживающий отрицательное давление в туалете, и выводят газы через вентиляционную трубу. Некоторые бытовые системы очистки сточных вод используют биологическую очистку, обычно посредством растительных грядок и аквариумов, которые поглощают питательные вещества и бактерии, превращая серые воды и сточные воды в чистую воду. Эта очищенная вода, не имеющая запаха и цвета, может использоваться для смыва туалетов и полива растений. При тестировании она приближается к стандартам питьевой воды. В холодных климатах растения и аквариумы необходимо содержать в небольшом тепличном помещении. Хорошим системам требуется примерно столько же ухода, сколько и большому аквариуму. Электрические туалеты, сжигающие отходы, превращают экскременты в небольшое количество золы. Они остаются прохладными на ощупь, не требуют воды и труб, и нуждаются в вентиляционном отверстии в стене. Они используются в отдаленных районах, где использование септических резервуаров ограничено, обычно для снижения нагрузки питательных веществ в озерах. Биореактор НАСА – это чрезвычайно продвинутая биологическая система очистки сточных вод. Он способен превращать сточные воды в воздух и воду посредством микробиологической активности. НАСА планирует использовать его в пилотируемой миссии на Марс. Другой метод – система дистилляции мочи в воду, разработанная НАСА. Значительным недостатком сложных систем биологической очистки сточных вод является то, что если дом пуст, биота системы очистки может погибнуть от голода.

Отходы

Обработка сточных вод необходима для общественного здоровья. Многие заболевания передаются через неисправные канализационные системы. Стандартная система состоит из дренажного поля с фильтрацией через грунт в сочетании с септиком. Основная идея заключается в обеспечении первичной очистки сточных вод в небольших системах. Осадок оседает на дно септика, частично разлагается в процессе анаэробного сбраживания, а жидкость распределяется в дренажном поле. Дренажное поле обычно располагается под газоном. Септики могут работать исключительно за счет силы тяжести и, при правильной эксплуатации, являются достаточно безопасными. Септики необходимо периодически откачивать вакуумным ассенизатором для удаления неразлагаемых твердых веществ. Отсутствие откачки септика может привести к переполнению, повреждению дренажного поля и загрязнению грунтовых вод. Для работы септика может потребоваться изменение образа жизни, например, отказ от использования измельчителей пищевых отходов, минимизация объема сливаемой жидкости и неперевариваемых твердых веществ. Например, рекомендуется использовать туалетную бумагу, подходящую для септиков. Однако септики остаются популярными, поскольку позволяют использовать стандартное сантехническое оборудование и требуют минимальных изменений в образе жизни. Компостирующие или упаковочные туалеты делают удаление сточных вод экономичным и гигиеничным, позволяя выбрасывать их вместе с обычным мусором. Они также сокращают потребление воды вдвое и избавляют от сложностей и затрат, связанных с септиками. Однако они требуют соблюдения санитарных норм на местных полигонах. Системы сжигания также вполне практичны. Зола биологически безопасна и составляет менее 1/10 от первоначального объема отходов, но, как и все отходы от сжигания, обычно классифицируется как опасные отходы. К традиционным методам обработки сточных вод относятся выгребные ямы, латрины и уборные. Они могут быть безопасными, недорогими и практичными и до сих пор используются во многих регионах.

Штормовые канализации

Дренажные системы – это важнейший компромисс между пригодностью территории для жизни человека и безопасным, устойчивым водосборным бассейном. Заасфальтированные участки и газоны не позволяют большому количеству осадков просачиваться в почву для пополнения подземных вод. Это может приводить к затоплениям и повреждениям в жилых районах, поскольку вода стекает по поверхности к самой низкой точке. Как правило, для отвода ливневых вод создаются сложные и капиталоемкие сети ливневой канализации. В некоторых городах, таких как канализационная система викторианского Лондона или большая часть старого города Торонто, система ливневой канализации объединена с системой бытовой канализации. В случае сильных осадков нагрузка на очистные сооружения на конце трубопровода становится чрезмерной, и неочищенные сточные воды сбрасываются в накопительные резервуары, а иногда и в открытые водоемы. Автономные здания могут решать проблему осадков различными способами. Если водопоглощающий дренажный канал для каждого участка будет дополнен проницаемым бетоном на улицах, то в районе можно отказаться от ливневой канализации. Это может сэкономить более 800 долларов на дом (в 1970-х годах) за счет исключения расходов на ливневую канализацию. Эти средства можно использовать для приобретения участков большей площади, что позволит разместить больше удобств при той же стоимости. Проницаемый бетон – это хорошо зарекомендовавший себя продукт в теплом климате и находится в стадии разработки для регионов с морозами. В условиях заморозков отказ от ливневой канализации часто позволяет выделить достаточно средств на приобретение земли для строительства дренажных каналов (неглубоких водоотводящих канав) или земляных валов, препятствующих распространению воды. Такой подход обеспечивает домовладельцам больше земли и может создать более интересный рельеф для ландшафтного дизайна. Кроме того, зеленая крыша собирает осадки и использует воду для выращивания растений. Ее можно интегрировать в новое здание или использовать для замены существующей крыши.

Электричество

Поскольку электричество — дорогая коммунальная услуга, первым шагом к автономии является проектирование дома и образа жизни с целью снижения потребления. Светодиодные лампы, ноутбуки и холодильники, работающие на газе, экономят электроэнергию, хотя газовые холодильники не отличаются высокой эффективностью. Существуют также сверхэффективные электрические холодильники, такие как модели, производимые компанией Sun Frost, некоторые из которых потребляют всего лишь примерно вдвое меньше электроэнергии, чем холодильники с рейтингом Energy Star, представленные на массовом рынке. Солнечные панели, установленные на крыше, могут обеспечивать электроэнергией. Солнечные крыши могут быть более экономически выгодными, чем установка солнечных панелей на существующие здания, поскольку крыша в любом случае необходима. Современные солнечные панели служат около 40 лет, что делает их разумной инвестицией в некоторых регионах. При достаточном угле наклона солнечные панели очищаются дождевой водой и практически не влияют на образ жизни. Во многих регионах зимы характеризуются длинными ночами или пасмурными днями. В таких климатических условиях солнечная установка может не окупиться, или для достижения электрической самодостаточности потребуются большие системы хранения энергии в аккумуляторах. В регионах с частыми штормами или сильными ветрами ветряные турбины могут заменить или существенно дополнить солнечную энергию. Среднему автономному дому требуется всего одна небольшая ветряная турбина диаметром 5 метров или меньше. Установленная на 30-метровой башне, такая турбина может обеспечить достаточно энергии для дополнения солнечной энергии в пасмурные дни. Коммерчески доступные ветряные турбины используют герметичные генераторы переменного тока с одной движущейся частью и пассивные лопасти с автоматической регулировкой угла атаки, что обеспечивает многолетнюю работу без обслуживания. Основное преимущество ветроэнергетики заключается в том, что большие ветряные турбины имеют более низкую стоимость за ватт по сравнению с солнечными панелями, при условии наличия ветра. Местоположение турбины критически важно: как в некоторых местах не хватает солнечного света для солнечных панелей, так и во многих регионах недостаточно ветра для окупаемости турбины. На Великих равнинах Соединенных Штатов турбина высотой 10 метров может обеспечить достаточно энергии для отопления и охлаждения хорошо построенного полностью электрического дома. Экономическое использование в других регионах требует исследований и, возможно, обследования местности. Некоторые участки имеют доступ к ручью с перепадом высот. На этих участках можно использовать небольшие гидроэлектростанции для выработки электроэнергии. Если перепад высот превышает 30 метров (100 футов), и ручей не пересыхает в течение всего года, это может обеспечить непрерывное энергоснабжение с помощью небольшой и недорогой установки. Меньшие перепады высот требуют более крупных установок или плотин и могут быть менее эффективными. Засорение впускного отверстия турбины может стать практической проблемой. Обычно для удаления плавучего мусора используется небольшой бассейн и водопад (каменный пруд). Другое решение — использовать турбину, устойчивую к мусору, например, спиральную турбину Горлова или турбину Оссбергера. В периоды низкого спроса избыточная энергия может накапливаться в аккумуляторах для последующего использования. Однако аккумуляторы необходимо заменять каждые несколько лет. Во многих регионах расходы на аккумуляторы можно исключить, подключив здание к электрической сети и используя систему учета нетто-потребления. Разрешение на подключение требуется, но такое кооперативное производство электроэнергии юридически закреплено в некоторых регионах (например, в Калифорнии). Недавние достижения в области пассивно-стабильных магнитных подшипников могут в будущем позволить недорого хранить энергию во вращающемся маховике в вакууме. Исследовательские группы, такие как канадская Ballard Power Systems, также работают над созданием "регенеративного топливного элемента" — устройства, которое может генерировать водород и кислород при наличии энергии и эффективно их комбинировать при необходимости в энергии. Земные батареи используют электрические токи в земле, называемые телурическими токами. Их можно устанавливать в любом месте под землей. Они обеспечивают только низкое напряжение и силу тока. Они использовались для питания телеграфов в 19 веке. По мере повышения эффективности приборов они могут стать практическими. Микробные топливные элементы и термоэлектрические генераторы позволяют генерировать электроэнергию из биомассы. Растения можно сушить, измельчать и перерабатывать или сжигать целиком, или их можно оставить живыми, чтобы отходы сока растений перерабатывались бактериями.

Since electricity is an expensive utility, the first step towards autonomy is to design a house and lifestyle to reduce demand. LED lights, laptop computers and gas powered refrigerators save electricity, although gas powered refrigerators are not very efficient. There are also superefficient electric refrigerators, such as those produced by the Sun Frost company, some of which use only about half as much electricity as a mass market energy star rated refrigerator. Using a solar roof, solar cells can provide electric power. Solar roofs can be more cost effective than retrofitted solar power, because buildings need roofs anyway. Modern solar cells last about 40 years, which makes them a reasonable investment in some areas. At a sufficient angle, solar cells are cleaned by run off rain water and therefore have almost no life style impact. Many areas have long winter nights or dark cloudy days. In these climates, a solar installation might not pay for itself or large battery storage systems are necessary to achieve electric self sufficiency. In stormy or windy climates, wind turbines can replace or significantly supplement solar power. The average autonomous house needs only one small wind turbine, 5 metres or less in diameter. On a 30 metre (100 foot) tower, this turbine can provide enough power to supplement solar power on cloudy days. Commercially available wind turbines use sealed, one moving part AC generators and passive, self feathering blades for years of operation without service. The main advantage of wind power is that larger wind turbines have a lower per watt cost than solar cells, provided there is wind. Turbine location is critical: just as some locations lack sun for solar cells, many areas lack enough wind to make a turbine pay for itself. In the Great Plains of the United States, a 10 metre (33 foot) turbine can supply enough energy to heat and cool a well built all electric house. Economic use in other areas requires research, and possibly a site survey. Some sites have access to a stream with a change in elevation. These sites can use small hydropower systems to generate electricity. If the difference in elevation is above 30 metres (100 feet), and the stream runs in all seasons, this can provide continuous power with a small, inexpensive installation. Lower changes of elevation require larger installations or dams, and can be less efficient. Clogging at the turbine intake can be a practical problem. The usual solution is a small pool and waterfall (a penstock) to carry away floating debris. Another solution is to utilize a turbine that resists debris, such as a Gorlov helical turbine or Ossberger turbine. During times of low demand, excess power can be stored in batteries for future use. However, batteries need to be replaced every few years. In many areas, battery expenses can be eliminated by attaching the building to the electric power grid and operating the power system with net metering. Utility permission is required, but such cooperative generation is legally mandated in some areas (for example, California). Recent advances in passively stable magnetic bearings may someday permit inexpensive storage of power in a flywheel in a vacuum. Research groups like Canada's Ballard Power Systems are also working to develop a "regenerative fuel cell", a device that can generate hydrogen and oxygen when power is available, and combine these efficiently when power is needed. Earth batteries tap electric currents in the earth called telluric current. They can be installed anywhere in the ground. They provide only low voltages and current. They were used to power telegraphs in the 19th century. As appliance efficiencies increase, they may become practical. Microbial fuel cells and thermoelectric generators allow electricity to be generated from biomass. The plant can be dried, chopped and converted or burned as a whole, or it can be left alive so that waste saps from the plant can be converted by bacteria.

Нагрев

Большинство автономных зданий проектируются с использованием изоляции, тепловой массы и пассивного солнечного отопления и охлаждения. Примерами служат стены Тромба и другие технологии, такие как световые фонари. Пассивное солнечное отопление может обогревать большинство зданий даже в умеренном и прохладном климате. В более холодных климатах дополнительные строительные затраты могут составлять всего лишь 15% больше, чем для новых, традиционных зданий. В теплых климатах, где количество морозных ночей в году менее двух недель, влияние на стоимость отсутствует. Основным требованием для пассивного солнечного отопления является ориентация солнечных коллекторов на преобладающее солнечное излучение (юг в Северном полушарии, север в Южном полушарии), а также наличие в здании тепловой массы для сохранения тепла ночью. Недавняя, несколько экспериментальная система солнечного отопления "Годовое геосолнечное отопление" применима даже в регионах с небольшим количеством солнечного света зимой или его полным отсутствием. Она использует грунт под зданием в качестве тепловой массы. Осадки могут выносить тепло, поэтому грунт защищен 6-метровыми "юбками" из пластиковой изоляции. Тепловая масса этой системы достаточно дешева и велика, чтобы накапливать достаточно летнего тепла для обогрева здания в течение всей зимы и достаточно зимнего холода для охлаждения здания летом. В системах годового геосолнечного отопления солнечный коллектор часто отделен от жилого пространства (и имеет более высокую или низкую температуру). Здание может быть построено из изоляционных материалов, например, из соломенных блоков. Некоторые здания спроектированы аэродинамически таким образом, что конвекция через воздуховоды и внутренние пространства устраняет необходимость в электрических вентиляторах. Практична и более скромная конструкция "ежедневного солнечного" типа. Например, при увеличении стоимости строительства на 15%, европейские строительные нормы для зданий Passivhaus используют высокоэффективные изолирующие окна, изоляцию R 30, вентиляцию с рекуперацией тепла (HRV) и небольшую тепловую массу. При незначительных изменениях в ориентации здания современные окна, заполненные криптоном или аргоном, позволяют обычным на вид окнам обеспечивать пассивное солнечное тепло без ущерба для изоляции или прочности конструкции. Если имеется небольшой обогреватель для самых холодных ночей, плита или подвальная емкость могут недорого обеспечить необходимую тепловую массу. Строительные нормы Passivhaus, в частности, обеспечивают необычно хорошее качество воздуха в помещении, поскольку здания несколько раз в час обновляют воздух, пропуская его через теплообменник для сохранения тепла внутри. Во всех системах небольшой дополнительный обогреватель повышает личную безопасность и снижает влияние на образ жизни при незначительном снижении автономности. Два наиболее популярных обогревателя для ультраэффективных домов – небольшой тепловой насос, который также обеспечивает кондиционирование воздуха, или центральный гидронический (радиаторный) обогреватель воздуха с рециркуляцией воды из водонагревателя. Проекты Passivhaus обычно интегрируют обогреватель с системой вентиляции. Земляное укрытие и ветрозащитные полосы также могут уменьшить абсолютное количество тепла, необходимого зданию. На глубине нескольких футов под землей температура колеблется от 4 °C (39 °F) в Северной Дакоте до 26 °C (79 °F).

Most autonomous buildings are designed to use insulation, thermal mass and passive solar heating and cooling. Examples of these are trombe walls and other technologies as skylights. Passive solar heating can heat most buildings in even the mild and chilly climates. In colder climates, extra construction costs can be as little as 15% more than new, conventional buildings. In warm climates, those having less than two weeks of frosty nights per year, there is no cost impact. The basic requirement for passive solar heating is that the solar collectors must face the prevailing sunlight (south in the Northern Hemisphere, north in the Southern Hemisphere), and the building must incorporate thermal mass to keep it warm in the night. A recent, somewhat experimental solar heating system "Annualized geo solar heating" is practical even in regions that get little or no sunlight in winter. It uses the ground beneath a building for thermal mass. Precipitation can carry away the heat, so the ground is shielded with 6 m skirts of plastic insulation. The thermal mass of this system is sufficiently inexpensive and large that it can store enough summer heat to warm a building for the whole winter, and enough winter cold to cool the building in summer. In annualized geo solar systems, the solar collector is often separate from (and hotter or colder than) the living space. The building may actually be constructed from insulation, for example, straw bale construction. Some buildings have been aerodynamically designed so that convection via ducts and interior spaces eliminates any need for electric fans. A more modest "daily solar" design is practical. For example, for about a 15% premium in building costs, the Passivhaus building codes in Europe use high performance insulating windows, R 30 insulation, HRV ventilation, and a small thermal mass. With modest changes in the building's position, modern krypton or argon insulated windows permit normal looking windows to provide passive solar heat without compromising insulation or structural strength. If a small heater is available for the coldest nights, a slab or basement cistern can inexpensively provide the required thermal mass. Passivhaus building codes, in particular, bring unusually good interior air quality, because the buildings change the air several times per hour, passing it through a heat exchanger to keep heat inside. In all systems, a small supplementary heater increases personal security and reduces lifestyle impacts for a small reduction of autonomy. The two most popular heaters for ultra high efficiency houses are a small heat pump, which also provides air conditioning, or a central hydronic (radiator) air heater with water recirculating from the water heater. Passivhaus designs usually integrate the heater with the ventilation system. Earth sheltering and windbreaks can also reduce the absolute amount of heat needed by a building. Several feet below the earth, temperature ranges from 4 °C (39 °F) in North Dakota to 26 °C (79 °F),

Дома, предназначенные для работы в условиях перебоев в работе коммунальных служб, обычно включают дровяную печь или тепло и электроэнергию от дизельного топлива или сжиженного газа, независимо от других систем отопления. Электрические обогреватели и плиты могут обеспечивать тепло без загрязнения окружающей среды (в зависимости от источника энергии), но потребляют большое количество электроэнергии. Если достаточно электроэнергии вырабатывается солнечными панелями, ветряными турбинами или другими средствами, то электрические обогреватели и плиты становятся практичным автономным решением.

Водогрев

Установки рекуперации тепла сточных вод восстанавливают тепло из линий водоотвода. Они повышают автономность здания, снижая потребление тепла или топлива для нагрева воды. Они привлекательны тем, что не требуют изменения образа жизни. Современные практичные и удобные системы бытового водоснабжения сочетают в себе систему солнечного предварительного нагрева с термостатическим газовым проточным нагревателем, обеспечивая стабильную температуру воды и неограниченный её объём. Это снижает влияние на образ жизни, но несколько уменьшает автономность. Солнечные водонагреватели позволяют значительно экономить топливо. Кроме того, небольшие изменения в привычках, такие как стирка, мытье посуды и принятие ванны в солнечные дни, могут существенно повысить их эффективность. Солнечные водонагреватели особенно полезны для прачечных, бассейнов и наружных ванн, поскольку их использование можно планировать на солнечные дни. Ключевым элементом солнечной системы нагрева воды является хорошо изолированный накопительный бак. Некоторые системы используют вакуумную изоляцию, действуя подобно большим термосам. Бак наполняется горячей водой в солнечные дни и остаётся доступным в любое время. В отличие от традиционного водонагревателя с баком, этот бак наполняется только при наличии солнечного света. Эффективное хранение позволяет использовать более компактные и технологичные коллекторы. Такие коллекторы могут применять относительно экзотические технологии, такие как вакуумная изоляция и концентрация солнечного света с помощью отражателей. Когенерационные системы производят горячую воду из вторичного тепла, обычно получаемого из выхлопных газов генератора или топливного элемента. Рекуперация тепла, когенерация и солнечный предварительный нагрев позволяют сэкономить 50–75% газа. Кроме того, некоторые комбинации обеспечивают повышенную надёжность за счёт наличия нескольких источников тепла. Некоторые специалисты рекомендуют заменять сжиженный или природный газ биогазом. Однако это обычно непрактично, если на территории нет животноводства, поскольку отходов одного домохозяйства обычно недостаточно для производства метана в количестве, превышающем потребности для приготовления пищи.

Охлаждение

В годовых геосолнечных зданиях часто используются заглубленные, наклонные водонепроницаемые слои утеплителя, простирающиеся от фундамента, для предотвращения утечки тепла между землей, используемой в качестве аккумулирующей тепловой массы, и окружающей средой. Возможны и менее масштабные улучшения. Летом окна можно затенять. Выступы крыши могут обеспечивать необходимую тень, а также затенять стены дома, снижая затраты на охлаждение. Еще один способ – охлаждать тепловую массу здания ночью, например, с помощью системы приточно-вытяжной вентиляции для всего дома, а затем использовать эту тепловую массу для охлаждения здания в течение дня. Полезно иметь возможность направлять холодный воздух от радиатора, ориентированного в небо (например, воздушного солнечного коллектора с альтернативным назначением) или испарительного охладителя, непосредственно через тепловую массу. В ясные ночи, даже в тропических регионах, радиаторы, ориентированные в небо, могут охлаждаться ниже точки замерзания. Если круглое здание имеет аэродинамически гладкую форму и прохладнее земли, его можно пассивно охлаждать за счет "купольного эффекта". Многие установки сообщают, что отражающий или светлый купол создает локальный вертикальный тепловой вихрь, который затягивает более холодный воздух сверху внутрь купола, при условии его правильной вентиляции (один верхний вентиляционный отверстие и периферийные вентиляционные отверстия). Некоторые отмечают разницу температур до 8 °C (15 °F) между внутренней и внешней стороной купола. Бакминстер Фуллер обнаружил этот эффект, разработав простой дизайн дома на основе зернового силоса, и адаптировал свой дом Dymaxion и геодезические купола для его использования. Внедряются холодильники и кондиционеры, работающие на вторичном тепле выхлопных газов дизельного двигателя, дымоходов отопительных систем или солнечных коллекторов. Они основаны на тех же принципах, что и газовые холодильники. Обычно тепло от дымохода используется для питания "абсорбционного чиллера". Холодная вода или рассол из чиллера используется для охлаждения воздуха или холодильного пространства. Когенерация популярна в новых коммерческих зданиях. В современных когенерационных системах небольшие газовые турбины или двигатели Стирлинга, работающие на природном газе, производят электроэнергию, а их выхлопные газы приводят в действие абсорбционный чиллер. Компания NRG Solutions, Inc. продемонстрировала холодильник для полуприцепа грузовика, работающий на вторичном тепле выхлопных газов дизельного двигателя тягача. NRG разработала гидравлический теплообменник и испаритель аммиака – два ключевых новых компонента холодильника, работающего на вторичном тепле, которые пока не поступают в коммерческую продажу. Аналогичная схема (многофазное охлаждение) может быть реализована с помощью многоступенчатого испарительного охладителя. Воздух пропускается через распыление солевого раствора для его осушения, затем через распыление водного раствора для его охлаждения, а затем снова через солевой раствор для повторного осушения. Рассол необходимо регенерировать, что экономически целесообразно делать с помощью низкотемпературного солнечного дистиллятора. Многофазные испарительные охладители могут снижать температуру воздуха на 50 °F (28 °C), сохраняя при этом контроль над влажностью. Если для регенерации рассола используется высокая температура, воздух также частично стерилизуется. При наличии достаточной электроэнергии охлаждение может обеспечиваться традиционным кондиционированием воздуха с использованием теплового насоса.

Annualized geo solar buildings often have buried, sloped water tight skirts of insulation that extend from the foundations, to prevent heat leakage between the earth used as thermal mass, and the surface. Less dramatic improvements are possible. Windows can be shaded in summer. Eaves can be overhung to provide the necessary shade. These also shade the walls of the house, reducing cooling costs. Another trick is to cool the building's thermal mass at night, perhaps with a whole house fan and then cool the building from the thermal mass during the day. It helps to be able to route cold air from a sky facing radiator (perhaps an air heating solar collector with an alternate purpose) or evaporative cooler directly through the thermal mass. On clear nights, even in tropical areas, sky facing radiators can cool below freezing. If a circular building is aerodynamically smooth, and cooler than the ground, it can be passively cooled by the "dome effect." Many installations have reported that a reflective or light colored dome induces a local vertical heat driven vortex that sucks cooler overhead air downward into a dome if the dome is vented properly (a single overhead vent, and peripheral vents). Some people have reported a temperature differential as high as 8 °C (15 °F) between the inside of the dome and the outside. Buckminster Fuller discovered this effect with a simple house design adapted from a grain silo, and adapted his Dymaxion house and geodesic domes to use it. Refrigerators and air conditioners operating from the waste heat of a diesel engine exhaust, heater flue or solar collector are entering use. These use the same principles as a gas refrigerator. Normally, the heat from a flue powers an "absorptive chiller". The cold water or brine from the chiller is used to cool air or a refrigerated space. Cogeneration is popular in new commercial buildings. In current cogeneration systems small gas turbines or stirling engines powered from natural gas produce electricity and their exhaust drives an absorptive chiller. A truck trailer refrigerator operating from the waste heat of a tractor's diesel exhaust was demonstrated by NRG Solutions, Inc. NRG developed a hydronic ammonia gas heat exchanger and vaporizer, the two essential new, not commercially available components of a waste heat driven refrigerator. A similar scheme (multiphase cooling) can be by a multistage evaporative cooler. The air is passed through a spray of salt solution to dehumidify it, then through a spray of water solution to cool it, then another salt solution to dehumidify it again. The brine has to be regenerated, and that can be done economically with a low temperature solar still. Multiphase evaporative coolers can lower the air's temperature by 50 °F (28 °C), and still control humidity. If the brine regenerator uses high heat, it also partially sterilises to the air. If enough electric power is available, cooling can be provided by conventional air conditioning using a heat pump.