Автономное здание — это здание, предназначенное для эксплуатации независимо от вспомогательных инфраструктурных служб, таких как электросеть , газовая сеть , муниципальные системы водоснабжения, системы очистки сточных вод , ливневая канализация , службы связи и, в некоторых случаях, дороги общего пользования .
Сторонники автономного строительства описывают преимущества, которые включают снижение воздействия на окружающую среду , повышенную безопасность и более низкую стоимость владения . Некоторые из упомянутых преимуществ соответствуют принципам зеленого строительства , а не независимости как таковой (см. ниже). Автономные здания часто мало зависят от гражданских служб и поэтому более безопасны и комфортны во время гражданских катастроф или военных нападений. Например, автономные здания не потеряют электроэнергию или воду, если общественное водоснабжение будет нарушено.
По состоянию на 2018 год большинство исследований и опубликованных статей, касающихся автономного строительства, посвящены жилым домам.
В 2002 году британские архитекторы Бренда и Роберт Вейл заявили, что
Во всех частях Австралии вполне возможно построить «дом без счетов», который был бы комфортен без отопления и охлаждения, который производил бы собственное электричество, собирал бы воду и сам убирал бы свои отходы... Эти дома можно построить уже сейчас, используя готовые методы. Можно построить «дом без счетов» за ту же цену, что и обычный дом, но он будет (на 25%) меньше. [1]
В 1970-х годах группы активистов и инженеров были вдохновлены предупреждениями о неизбежном истощении ресурсов и голоде. В Соединенных Штатах группа, называвшая себя « Новые алхимики» , славилась глубиной исследовательских усилий, вложенных в их проекты. Используя традиционные методы строительства , они разработали серию проектов « биоубежищ », самым известным из которых был биоубежище « Ковчег» на острове Принца Эдуарда . Они опубликовали планы всего этого с подробными проектными расчетами и чертежами. В Ковчеге использовались ветряные насосы для воды и электричество, а также он был автономен в производстве продуктов питания. Здесь были жилые помещения для людей, аквариумы с рыбой, выращивающей тилапию для получения белка , теплица , поливаемая рыбной водой, и замкнутая система очистки сточных вод, которая перерабатывала человеческие отходы в дезинфицированные удобрения для аквариумов. По состоянию на январь 2010 года организация-преемник «Новых алхимиков» открыла веб-страницу под названием «Институт новой алхимии». [2] Ковчег PEI несколько раз был заброшен и частично отремонтирован.
В 1990-е годы были разработаны «Земные корабли» , схожие по замыслу с проектом «Ковчег», но организованные как коммерческое предприятие, детали конструкции которого были опубликованы Майком Рейнольдсом в серии из трёх книг . Строительный материал — шины , наполненные землей . В результате получается стена с большим количеством тепловой массы (см. Земляное укрытие ). Бермы размещаются на открытых поверхностях для дальнейшего повышения температурной стабильности дома. Система водоснабжения начинается с дождевой воды, которая обрабатывается для питья, затем для мытья, затем для полива растений, затем для смыва туалета и, наконец, черная вода снова перерабатывается для дополнительного полива растений. Цистерны размещаются и используются в качестве тепловых масс . Энергия, включая электричество, тепло и нагрев воды, осуществляется за счет солнечной энергии .
Архитекторы 1990-х годов, такие как Уильям Макдонаф и Кен Йеанг, применили экологически ответственный дизайн зданий к крупным коммерческим зданиям, таким как офисные здания, что сделало их в значительной степени самодостаточными в производстве энергии. Одно крупное здание банка ( штаб-квартира ING в Амстердаме ) в Нидерландах также было построено как автономное и художественное.
Поскольку архитектора или инженера все больше беспокоят недостатки транспортных сетей и зависимость от удаленных ресурсов, их проекты, как правило, включают в себя больше автономных элементов. Исторический путь к автономии заключался в заботе о надежных источниках тепла, электроэнергии, воды и продовольствия. Почти параллельный путь к автономии должен был начаться с беспокойства по поводу воздействия на окружающую среду, которое приводит к неблагоприятным последствиям.
Автономные здания могут повысить безопасность и снизить воздействие на окружающую среду за счет использования местных ресурсов (таких как солнечный свет и дождь), которые в противном случае были бы потрачены впустую. Автономия часто значительно снижает затраты и влияние сетей, обслуживающих здание, поскольку автономия сокращает растущую неэффективность сбора и транспортировки ресурсов. Другие затронутые ресурсы, такие как запасы нефти и сохранение местного водораздела, часто можно дешево сохранить с помощью продуманных планов.
Автономные здания обычно энергоэффективны в эксплуатации и, следовательно, экономически эффективны по той очевидной причине, что меньшие потребности в энергии легче удовлетворить вне сети. Но они могут заменить производство энергии или другие методы, чтобы избежать уменьшения отдачи от экстремального энергосбережения.
Автономное строение не всегда экологично. Цель независимости от систем поддержки связана с другими целями экологически ответственного зеленого строительства , но не идентична им . Однако автономные здания также обычно обеспечивают некоторую степень устойчивости за счет использования возобновляемых источников энергии и других возобновляемых ресурсов, производства парниковых газов не больше , чем они потребляют, и других мер.
Прежде всего, независимость – это вопрос степени. Например, устранить зависимость от электросети относительно легко. Напротив, использование эффективного и надежного источника пищи может оказаться рутинной задачей.
Жизнь в автономном приюте также может потребовать жертв в образе жизни или социальных возможностях. Даже самые удобные и технологичные автономные дома могут потребовать изменения поведения жильцов. Некоторые могут не приветствовать дополнительную работу по дому. Вейлы описали опыт некоторых клиентов как неудобный, раздражающий, изолирующий или даже как нежелательную работу на полный рабочий день. Хорошо спроектированное здание может решить эту проблему, но обычно за счет снижения автономности.
Автономный дом должен быть построен по индивидуальному заказу (или тщательно модернизирован), чтобы соответствовать климату и местоположению. Пассивные солнечные технологии, альтернативные туалетные и канализационные системы, конструкции с тепловыми массами, системы подвальных батарей, эффективные окна и множество других тактик проектирования требуют некоторой степени нестандартного строительства, дополнительных затрат, постоянных экспериментов и обслуживания , а также имеют эффект. по психологии космоса.
Этот раздел включает в себя некоторые минимальные описания методов, чтобы дать представление о практичности такого здания, предоставить указатели для дополнительной информации и дать представление о современных тенденциях.
Существует множество методов сбора и сохранения воды. Сокращение использования является экономически эффективным.
Системы «серой» воды повторно используют слитую промывную воду для смыва туалетов или для полива газонов и садов . Системы серой воды могут вдвое сократить потребление воды в большинстве жилых зданий; однако для них требуется покупка отстойника, насоса для повышения давления сточных вод и вторичной сантехники . Некоторые строители устанавливают безводные писсуары и даже компостные туалеты , которые исключают использование воды при удалении сточных вод.
Классическое решение с минимальными изменениями в образе жизни – использование колодца . После бурения скважина требует значительной мощности. Однако усовершенствованные опоры колодца могут снизить энергопотребление в два и более раз по сравнению со старыми моделями. В некоторых районах колодезная вода может быть загрязнена. Фильтр мышьяка Sono удаляет вредный для здоровья мышьяк из колодезной воды.
Однако бурение скважин – это неопределенный вид деятельности, поскольку в некоторых районах водоносные горизонты истощены. Это также может быть дорого.
В регионах с достаточным количеством осадков зачастую более экономично спроектировать здание для сбора дождевой воды с дополнительной подачей воды в засуху . Дождевая вода является отличной мягкой промывочной водой, но требует антибактериальной обработки. При использовании для питья необходимы минеральные добавки или минерализация. [3]
В большинстве стран пустынного и умеренного климата выпадает не менее 250 миллиметров (9,8 дюйма) дождя в год. Это означает, что типичный одноэтажный дом с системой «серой» воды может обеспечить круглогодичные потребности в воде только с крыши. В самых засушливых районах может потребоваться цистерна объемом 30 кубических метров (7900 галлонов США). Во многих районах в среднем выпадает 13 миллиметров (0,51 дюйма) дождя в неделю, и в них можно использовать цистерну объемом всего 10 кубических метров (2600 галлонов США).
Во многих районах трудно содержать крышу в достаточной чистоте для питья. [4] Чтобы уменьшить загрязнение и неприятный привкус, в системах используется металлическая сборная крыша и резервуар для очистки крыши, который отводит первые 40 литров. Вода в цистернах обычно хлорируется , хотя системы обратного осмоса обеспечивают питьевую воду еще более высокого качества.
В классическом римском доме («Домус») хозяйственная вода подавалась из цистерны («имплювиум»), которая была декоративным элементом атриума, главного общественного пространства дома. Он питался черепицей из водосточной трубы из обращенного внутрь проема в крыше («комплювиум»). Часто в нем выращивали кувшинки для очистки воды. Богатые семьи часто дополняли дождь небольшим фонтанчиком, питавшимся из городской цистерны. В имплювиуме всегда был слив для перелива, чтобы он не мог затопить дом. [5] [6]
Современные цистерны обычно представляют собой большие пластиковые резервуары. Гравитационные баки на коротких башнях надежны, поэтому ремонт насосов менее актуален. Самая дешевая цистерна – это огороженный пруд или бассейн на уровне земли.
Снижение автономности уменьшает размеры и стоимость цистерн. Многие автономные дома могут сократить потребление воды до уровня ниже 10 галлонов США (38 л) на человека в день, так что во время засухи месяц воды можно будет недорого доставлять на грузовике. Самостоятельная доставка часто возможна путем установки тканевых резервуаров для воды, соответствующих кузову пикапа.
Бачок может быть удобно использовать в качестве радиатора или ловушки для теплового насоса или системы кондиционирования воздуха ; однако это может сделать холодную питьевую воду теплой, а в засушливые годы может снизить эффективность системы отопления, вентиляции и кондиционирования.
Солнечные дистилляторы могут эффективно производить питьевую воду из канавы или цистерн, особенно это касается высокоэффективных многоступенчатых увлажнителей , в которых испаритель(и) и конденсатор(ы) разделены.
Новые технологии, такие как обратный осмос, могут создавать неограниченное количество чистой воды из загрязненной воды, океанской воды и даже из влажного воздуха. Для яхт доступны опреснители , которые преобразуют морскую воду и электричество в питьевую воду и рассол . Генераторы атмосферной воды извлекают влагу из сухого воздуха пустыни и фильтруют ее до чистой воды.
Компостирующие туалеты используют бактерии для разложения человеческих фекалий в полезный, гигиеничный компост без запаха. Этот процесс является гигиеничным, поскольку почвенные бактерии поедают болезнетворные микроорганизмы человека, а также большую часть массы отходов. Тем не менее, большинство органов здравоохранения запрещают прямое использование « человеческих культур » для выращивания продуктов питания. [7] Риск представляет собой микробное и вирусное загрязнение, а также токсичность тяжелых металлов. В сухом туалете с компостированием отходы испаряются или перевариваются в газ (в основном углекислый газ) и выбрасываются в атмосферу, поэтому каждые шесть месяцев туалет производит всего несколько фунтов компоста. Чтобы контролировать запах, в современных туалетах используется небольшой вентилятор, который поддерживает отрицательное давление в туалете и выводит газы в вентиляционную трубу. [8]
В некоторых системах очистки бытовых сточных вод используется биологическая очистка, обычно грядки с растениями и аквариумы, которая поглощает питательные вещества и бактерии и преобразует серую воду и сточные воды в чистую воду. Эту очищенную воду без запаха и цвета можно использовать для смыва в туалетах и для полива растений. По результатам испытаний она приближается к стандартам для питьевой воды. В условиях замерзшего климата растения и аквариумы необходимо хранить в небольшой теплице. Хорошие системы требуют такого же ухода, как и большой аквариум .
Электрические мусоросжигательные туалеты превращают экскременты в небольшое количество пепла. Они прохладные на ощупь, в них нет воды и труб, и им требуется вентиляционное отверстие в стене. Они используются в отдаленных районах, где использование септиков ограничено, обычно для снижения биогенной нагрузки в озерах.
Биореактор НАСА представляет собой чрезвычайно совершенную биологическую канализационную систему. Он может превращать сточные воды в воздух и воду посредством микробного воздействия. НАСА планирует использовать его в пилотируемой миссии на Марс . Другой метод — система дистилляции мочи в воду НАСА .
Большим недостатком сложных систем биологической очистки сточных вод является то, что если дом пуст, биота канализационной системы может умереть от голода.
Очистка сточных вод имеет важное значение для здоровья населения. Многие заболевания передаются через плохо функционирующие канализационные системы.
Стандартная система представляет собой выложенное плиткой поле для выщелачивания, совмещенное с септиком . Основная идея состоит в том, чтобы обеспечить небольшую систему первичной очистки сточных вод . Ил оседает на дно септика, частично восстанавливается за счет анаэробного сбраживания , а жидкость рассеивается на поле выщелачивания. Поле для выщелачивания обычно находится под травой, растущей во дворе. Септики могут работать полностью под действием силы тяжести и при правильном управлении достаточно безопасны.
Септики необходимо периодически откачивать вакуумной машиной для удаления невосстанавливающих твердых частиц. Невыполнение откачки септика может привести к переливу, который повредит поле выщелачивания и загрязнит грунтовые воды. Септики также могут потребовать некоторых изменений образа жизни, таких как отказ от использования мусоропроводов, минимизация смыва жидкостей в резервуар и минимизация смыва в резервуар неперевариваемых твердых частиц. Например, рекомендуется использовать безопасную для септиков туалетную бумагу.
Тем не менее, септики остаются популярными, поскольку они допускают стандартное сантехническое оборудование и практически не требуют жертв в плане образа жизни.
Компостирующие или упаковочные туалеты позволяют экономно и гигиенично выбрасывать сточные воды в рамках обычной службы по вывозу мусора. Они также вдвое сокращают потребление воды и устраняют трудности и расходы на септики. Однако они требуют, чтобы на местной свалке применялись санитарные нормы.
Системы сжигания весьма практичны. Зола биологически безопасна и составляет менее 1/10 объема исходных отходов, но, как и все отходы мусоросжигательных заводов, обычно классифицируется как опасные отходы.
Традиционные методы очистки сточных вод включают туалеты с выгребными ямами , уборные и надворные постройки . Они могут быть безопасными, недорогими и практичными. Они до сих пор используются во многих регионах.
Дренажные системы являются важнейшим компромиссом между обитаемостью человека и безопасным и устойчивым водоразделом. Мощеные площадки, газоны или газон не позволяют осадкам просачиваться через землю и пополнять водоносные горизонты. Они могут вызвать наводнения и ущерб в окрестностях, поскольку вода течет по поверхности к нижней точке.
Обычно для отвода ливневых вод проектируются сложные капиталоемкие сети ливневой канализации . В некоторых городах, таких как канализационные коллекторы Лондона викторианской эпохи или большая часть старого города Торонто , система ливневой канализации объединена с системой канализации. В случае обильных осадков нагрузка на очистные сооружения на конце трубы становится слишком велика, и неочищенные сточные воды сбрасываются в накопительные резервуары, а иногда и в поверхностные воды.
Автономные здания могут бороться с осадками разными способами. Если водопоглощающую канаву для каждого двора совместить с проницаемыми бетонными улицами, ливневые стоки можно исключить из района. Это может сэкономить более 800 долларов на дом (1970-е годы) за счет устранения ливневых стоков. [9] Одним из способов использования экономии является покупка участков большего размера, что позволяет получить больше удобств по той же цене. Водопроницаемый бетон является признанным продуктом для использования в теплом климате, а также разрабатывается для использования в условиях холодного климата. В холодном климате устранение ливневых стоков часто все еще может окупить достаточно земли для строительства канав (неглубоких водосборных канав) или вместо них насыпей, препятствующих воде. Этот план предоставляет домовладельцам больше земли и может предложить более интересную топографию для ландшафтного дизайна. Кроме того, зеленая крыша улавливает осадки и использует воду для выращивания растений. Его можно встроить в новое здание или использовать для замены существующей крыши.
Поскольку электричество является дорогостоящим ресурсом, первым шагом на пути к автономности является проектирование дома и образа жизни таким образом, чтобы снизить спрос. Светодиодные фонари , портативные компьютеры и газовые холодильники экономят электроэнергию, хотя газовые холодильники не очень эффективны. [10] Существуют также сверхэффективные электрические холодильники, например, производства компании Sun Frost, некоторые из которых потребляют вдвое меньше электроэнергии, чем холодильники массового рынка с рейтингом Energy Star .
Используя солнечную крышу, солнечные элементы могут обеспечивать электроэнергию. Солнечные крыши могут быть более рентабельными, чем модернизированная солнечная энергия, поскольку зданиям в любом случае нужны крыши. Срок службы современных солнечных батарей составляет около 40 лет, что делает их разумной инвестицией в некоторых областях. Под достаточным углом солнечные элементы очищаются стекающей дождевой водой и поэтому практически не оказывают влияния на образ жизни.
Во многих регионах длинные зимние ночи или темные пасмурные дни. В таком климате солнечная установка может не окупиться, или для достижения электрической самообеспеченности потребуются большие аккумуляторные системы хранения. [11] В штормовом или ветреном климате ветряные турбины могут заменить или существенно дополнить солнечную энергию. [12] Среднестатистическому автономному дому нужна только одна небольшая ветряная турбина диаметром 5 метров или меньше. На 30-метровой (100-футовой) башне эта турбина может обеспечить достаточно энергии, чтобы дополнить солнечную энергию в пасмурные дни. В коммерчески доступных ветряных турбинах используются герметичные генераторы переменного тока с одной движущейся частью и пассивные самоплавящиеся лопасти, которые могут годами работать без обслуживания.
Основное преимущество ветроэнергетики заключается в том, что более крупные ветряные турбины имеют более низкую стоимость ватта, чем солнечные элементы, при условии наличия ветра. Расположение турбины имеет решающее значение: так же, как в некоторых местах не хватает солнца для солнечных батарей, во многих районах не хватает ветра, чтобы турбина окупилась. На Великих равнинах США 10-метровая (33-футовая) турбина может обеспечить достаточно энергии для обогрева и охлаждения хорошо построенного полностью электрического дома. Экономическое использование в других областях требует исследований и, возможно, обследования местности. [13]
На некоторых участках есть доступ к ручью с изменением высоты. Эти объекты могут использовать малые гидроэнергетические системы для выработки электроэнергии. Если перепад высот превышает 30 метров (100 футов) и ручей течет в любое время года, это может обеспечить непрерывную подачу электроэнергии с помощью небольшой и недорогой установки. Меньшие перепады высот требуют более крупных сооружений или плотин и могут быть менее эффективными. Засорение впускного отверстия турбины может стать практической проблемой. Обычное решение — небольшой бассейн и водопад (водопровод) для отвода плавающего мусора. Другое решение — использовать турбину, устойчивую к мусору, например винтовую турбину Горлова или турбину Оссбергера .
В периоды низкого спроса избыточная мощность может храниться в батареях для использования в будущем. Однако батарейки необходимо заменять каждые несколько лет. Во многих регионах расходы на аккумуляторы можно исключить, подключив здание к электросети и эксплуатируя энергосистему с чистым измерением . Требуется разрешение коммунальных предприятий, но в некоторых регионах (например, в Калифорнии) такое совместное производство разрешено по закону. [13]
Сетевое здание менее автономно, но более экономично и устойчиво, при этом приходится меньше жертвовать образом жизни. В сельской местности стоимость и воздействие сети можно снизить, используя однопроводные системы возврата на землю (например, систему MALT).
В районах, где нет доступа к электросети, размер батареи можно уменьшить с помощью генератора для подзарядки батарей во время энергетических засух, таких как продолжительные туманы. Вспомогательные генераторы обычно работают на пропане , природном газе или иногда на дизельном топливе . Час зарядки обычно обеспечивает день работы. Современные бытовые зарядные устройства позволяют пользователю устанавливать время зарядки, поэтому генератор работает тихо в ночное время. Некоторые генераторы автоматически проверяют себя один раз в неделю. [14] [15]
Недавние достижения в области пассивно-стабильных магнитных подшипников могут когда-нибудь позволить недорого хранить энергию в маховике в вакууме. Исследовательские группы, такие как канадская Ballard Power Systems, также работают над разработкой « регенеративного топливного элемента », устройства, которое может генерировать водород и кислород при наличии энергии и эффективно комбинировать их, когда энергия необходима.
Земные батареи отводят электрический ток в земле, называемый теллурическим током . Их можно установить в любом месте земли. Они обеспечивают только низкие напряжения и ток. Их использовали для питания телеграфов в 19 веке. По мере повышения эффективности приборов они могут стать практичными.
Микробные топливные элементы и термоэлектрические генераторы [16] [17] позволяют генерировать электричество из биомассы. Растение можно высушить, нарезать и переработать или сжечь целиком, или его можно оставить живым, чтобы отработанные соки растения могли быть переработаны бактериями.
Большинство автономных зданий спроектированы с использованием изоляции, тепловой массы и пассивного солнечного отопления и охлаждения. Примерами этого являются стены тромба и другие технологии, такие как световые люки .
Пассивное солнечное отопление может обогревать большинство зданий даже в мягком и холодном климате. В более холодном климате дополнительные затраты на строительство могут быть всего на 15% больше, чем на строительство новых традиционных зданий. В странах с теплым климатом, где морозные ночи бывают менее двух недель в году, никаких затрат не будет.
Основное требование к пассивному солнечному отоплению заключается в том, что солнечные коллекторы должны быть обращены к преобладающему солнечному свету (юг в Северном полушарии , север в Южном полушарии ), а здание должно иметь тепловую массу , чтобы сохранять тепло в ночное время.
Недавняя, несколько экспериментальная система солнечного отопления « Ежегодное геосолнечное отопление» практична даже в регионах, где зимой мало или совсем нет солнечного света. [18] Он использует землю под зданием для получения тепловой массы. Осадки могут уносить тепло, поэтому землю защищают 6-метровыми юбками из пластиковой изоляции. Тепловая масса этой системы достаточно недорогая и большая, чтобы она могла хранить достаточно летнего тепла, чтобы обогреть здание на всю зиму, и достаточно зимнего холода, чтобы охладить здание летом.
В геосолнечных системах, рассчитанных на год, солнечный коллектор часто расположен отдельно от жилого помещения (и горячее или холоднее его). Здание действительно может быть построено из утеплителя , например, из соломенных тюков . Некоторые здания имеют аэродинамическую конструкцию, поэтому конвекция через воздуховоды и внутренние помещения устраняет необходимость в электрических вентиляторах.
Более скромная «повседневная солнечная» конструкция практична. Например, при надбавке к стоимости строительства примерно на 15% в строительных нормах пассивного дома в Европе используются высокоэффективные изоляционные окна, изоляция R-30, вентиляция HRV и небольшая тепловая масса. При небольших изменениях положения здания современные окна с изоляцией из криптона или аргона позволяют обычным окнам обеспечивать пассивное солнечное тепло без ущерба для изоляции или прочности конструкции. Если для самых холодных ночей доступен небольшой обогреватель, плита или цистерна в подвале могут недорого обеспечить необходимую тепловую массу . Строительные нормы пассивного дома, в частности, обеспечивают необычайно хорошее качество внутреннего воздуха, поскольку в зданиях воздух меняется несколько раз в час, пропуская его через теплообменник, чтобы сохранить тепло внутри.
Во всех системах небольшой дополнительный обогреватель повышает личную безопасность и снижает влияние на образ жизни при небольшом сокращении автономности. Двумя наиболее популярными обогревателями для домов со сверхвысоким КПД являются небольшой тепловой насос , который также обеспечивает кондиционирование воздуха , или центральный водяной (радиаторный) воздухонагреватель с рециркуляцией воды из водонагревателя . В конструкциях пассивных домов обогреватель обычно интегрируется с системой вентиляции.
Земляные укрытия и ветрозащитные полосы также могут снизить абсолютное количество тепла, необходимого зданию. На несколько футов ниже земли температура колеблется от 4 ° C (39 ° F) в Северной Дакоте до 26 ° C (79 ° F) [18] в Южной Флориде. Ветрозащитные конструкции уменьшают количество тепла, уносимого из здания.
Закругленные аэродинамические здания также теряют меньше тепла.
Все большее число коммерческих зданий используют комбинированный цикл с когенерацией для обеспечения отопления, часто нагрева воды, за счет мощности поршневого двигателя, работающего на природном газе , газовой турбины или электрогенератора Стирлинга . [19]
Дома, спроектированные с учетом перебоев в коммунальных услугах, обычно включают в себя дровяную печь или отопление и электроэнергию от дизельного топлива или баллонного газа , независимо от других механизмов отопления.
Электрические обогреватели и электроплиты могут обеспечивать экологически чистое тепло (в зависимости от источника энергии), но потребляют большое количество электроэнергии. Если достаточное количество электроэнергии обеспечивается солнечными батареями, ветряными турбинами или другими средствами, то электрические обогреватели и печи становятся практичной автономной конструкцией.
Установки рециркуляции тепла горячей воды рекуперируют тепло из линий слива воды. Они увеличивают автономность здания за счет уменьшения количества тепла или топлива, используемого для нагрева воды. Они привлекательны тем, что не имеют изменений в образе жизни.
Современные практичные и удобные бытовые водонагревательные системы сочетают в себе солнечную систему предварительного нагрева с термостатическим газовым проточным нагревателем , так что температура воды постоянная, а ее количество не ограничено. Это снижает влияние на образ жизни за счет некоторой стоимости автономии.
Солнечные водонагреватели могут сэкономить большое количество топлива. Кроме того, небольшие изменения в образе жизни, такие как стирка, мытье посуды и купание в солнечные дни, могут значительно повысить их эффективность. Солнечные обогреватели особенно полезны для прачечных, бассейнов и наружных ванн, поскольку их использование можно запланировать на солнечные дни.
Основная хитрость в солнечной системе нагрева воды заключается в использовании хорошо изолированного накопительного бака. Некоторые системы имеют вакуумную изоляцию и действуют как большие термосы . В солнечные дни резервуар наполняется горячей водой и доступен в любое время. В отличие от обычного бакового водонагревателя, бак наполняется только при наличии солнечного света. Хорошее хранение делает возможным создание более компактного и высокотехнологичного коллектора. Такие коллекторы могут использовать относительно экзотические технологии, такие как вакуумная изоляция и отражающая концентрация солнечного света.
Когенерационные системы производят горячую воду из отработанного тепла . Обычно они получают тепло от выхлопных газов генератора или топливного элемента.
Рециркуляция тепла, когенерация и предварительный нагрев солнечной энергией могут сэкономить 50–75% газа, используемого в противном случае. Кроме того, некоторые комбинации обеспечивают дополнительную надежность за счет наличия нескольких источников тепла. Некоторые власти выступают за замену баллонного или природного газа биогазом . Однако это обычно непрактично, если на территории нет скота. Отходов одной семьи обычно недостаточно для производства достаточного количества метана для чего-то большего, чем приготовление пищи в небольших количествах.
Годовые геосолнечные здания часто имеют заглубленные наклонные водонепроницаемые юбки изоляции, которые простираются на 6 метров (20 футов) от фундамента, чтобы предотвратить утечку тепла между землей, используемой в качестве тепловой массы, и поверхностью.
Возможны менее существенные улучшения. Летом окна можно затенить. Карниз можно навесить, чтобы обеспечить необходимую тень. Они также затеняют стены дома, снижая затраты на охлаждение.
Другой трюк — охлаждать тепловую массу здания ночью, возможно, с помощью вентилятора всего дома , а затем охлаждать здание от тепловой массы в течение дня. Это помогает иметь возможность направлять холодный воздух от обращенного к небу радиатора (возможно, солнечного коллектора для нагрева воздуха другого назначения) или испарительного охладителя непосредственно через тепловую массу. В ясные ночи, даже в тропических регионах, радиаторы, обращенные к небу, могут охлаждаться ниже нуля.
Если круглое здание аэродинамически гладкое и прохладнее земли, его можно пассивно охлаждать за счет «эффекта купола». Многие установки сообщают, что отражающий или светлый купол вызывает локальный вертикальный тепловой вихрь, который всасывает более холодный верхний воздух вниз в купол, если купол вентилируется должным образом (единственное верхнее вентиляционное отверстие и периферийные вентиляционные отверстия). Некоторые люди сообщали о разнице температур между внутренней и внешней частью купола до 8 °C ( 15 °F ). Бакминстер Фуллер обнаружил этот эффект с помощью простого проекта дома, адаптированного из зернохранилища , и адаптировал для его использования свой дом Dymaxion и геодезические купола .
Входят в обиход холодильники и кондиционеры, работающие за счет отработанного тепла выхлопов дизельных двигателей, дымоходов обогревателей или солнечных коллекторов. Они используют те же принципы, что и газовый холодильник. Обычно тепло из дымохода питает « абсорбционный охладитель ». Холодная вода или рассол из чиллера используется для охлаждения воздуха или охлаждаемого помещения.
Когенерация популярна в новых коммерческих зданиях. В современных когенерационных системах небольшие газовые турбины или двигатели Стирлинга , работающие на природном газе, производят электроэнергию, а их выхлопы приводят в движение абсорбционный охладитель .
Холодильник с прицепом для грузовых автомобилей, работающий на отходящем тепле выхлопных газов дизельного двигателя трактора, был продемонстрирован компанией NRG Solutions, Inc. NRG разработала теплообменник и испаритель газообразного аммиака , два важных новых, коммерчески недоступных компонента холодильника с приводом от отработанного тепла.
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 через еще один раствор соли для повторного осушения. Рассол необходимо регенерировать, и это можно экономично сделать с помощью низкотемпературного солнечного перегонного аппарата. Многофазные испарительные охладители могут снизить температуру воздуха на 50 °F (28 °C) и при этом контролировать влажность. Если в регенераторе рассола используется высокая температура, он также частично стерилизуется воздухом.
При наличии достаточного количества электроэнергии охлаждение можно обеспечить с помощью обычного кондиционера с использованием теплового насоса .
Производство продуктов питания часто включалось в исторические автономные проекты в целях обеспечения безопасности. [20] Квалифицированное интенсивное садоводство может прокормить взрослого человека всего лишь на 100 квадратных метрах земли на человека, [21] [22] возможно, потребовав использования органического земледелия и аэропоники . Некоторые проверенные интенсивные и не требующие больших усилий системы производства продуктов питания включают городское садоводство (в помещении и на открытом воздухе). Выращивание в помещении можно организовать с использованием гидропоники , тогда как выращивание на открытом воздухе можно осуществлять с использованием пермакультуры , лесного садоводства , нулевой обработки почвы и бездействия в сельском хозяйстве .
Иногда включаются и теплицы . [20] [23] Иногда они также оснащаются ирригационными системами или системами теплоотвода , которые могут соответственно орошать растения или помогать накапливать солнечную энергию и перераспределять ее ночью (когда теплицы начинают остывать). [20] [24]