Автономное здание — это здание, спроектированное для эксплуатации независимо от инфраструктурных служб поддержки, таких как электросеть , газосеть , муниципальные системы водоснабжения, системы очистки сточных вод , ливневые стоки , службы связи и, в некоторых случаях, дороги общего пользования .
Сторонники автономного строительства описывают преимущества, которые включают в себя снижение воздействия на окружающую среду , повышение безопасности и снижение стоимости владения . Некоторые из указанных преимуществ соответствуют принципам зеленого строительства , а не независимости как таковой (см. ниже). Несетевые здания часто очень мало зависят от гражданских служб и поэтому более безопасны и комфортны во время гражданских катастроф или военных атак. Например, несетевые здания не будут терять электроэнергию или воду, если общественные поставки будут нарушены.
По состоянию на 2018 год большинство исследований и опубликованных статей, посвященных автономным зданиям, были сосредоточены на жилых домах.
В 2002 году британские архитекторы Бренда и Роберт Вейл заявили, что
В любой части Австралии вполне возможно построить «дом без счетов», который был бы комфортным без отопления и охлаждения, который бы производил свое собственное электричество, собирал свою собственную воду и справлялся бы со своими собственными отходами... Такие дома можно построить уже сейчас, используя готовые технологии. Можно построить «дом без счетов» по той же цене, 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, называющая себя Новые Алхимики, была известна глубиной исследовательских усилий, вложенных в их проекты. Используя традиционные методы строительства , они разработали ряд проектов « биоубежищ », самым известным из которых было сообщество биоубежищ Ковчег для Острова Принца Эдуарда . Они опубликовали планы для всех из них с подробными расчетами и чертежами. Ковчег использовал ветряную насосную установку для воды и электричество и был автономным в производстве продуктов питания. Он имел жилые помещения для людей, аквариумы для выращивания тиляпии для получения белка , теплицу , поливаемую рыбной водой, и замкнутую систему утилизации сточных вод, которая перерабатывала человеческие отходы в дезинфицированное удобрение для аквариумов. По состоянию на январь 2010 года организация-преемница Новых Алхимиков имела веб-страницу под названием «Институт Новой Алхимии». [2] Ковчег Острова Принца Эдуарда несколько раз был заброшен и частично реконструирован.
В 1990-х годах началось развитие Earthships , схожего по замыслу с проектом Ark, но организованного как коммерческое предприятие, подробности строительства которого опубликованы в серии из 3 книг Майка Рейнольдса . Строительным материалом являются шины , заполненные землей . Это создает стену с большим количеством тепловой массы (см. укрытие землей ). На открытых поверхностях размещаются бермы для дальнейшего повышения температурной стабильности дома. Водная система начинается с дождевой воды, обработанной для питья, затем мытья, затем полива растений, затем смыва туалета, и, наконец, черная вода снова перерабатывается для большего полива растений. Цистерны размещаются и используются в качестве тепловых масс. Энергия, включая электричество, тепло и нагрев воды, поступает от солнечной энергии .
Архитекторы 1990-х годов, такие как Уильям Макдоноу и Кен Йенг, применили экологически ответственное проектирование зданий к крупным коммерческим зданиям, таким как офисные здания, сделав их в значительной степени самодостаточными в производстве энергии. Одно крупное банковское здание ( штаб-квартира ING в Амстердаме ) в Нидерландах было построено так, чтобы быть автономным и художественным.
По мере того, как архитектор или инженер все больше беспокоятся о недостатках транспортных сетей и зависимости от удаленных ресурсов, их проекты, как правило, включают больше автономных элементов. Исторический путь к автономии был связан с заботой о надежных источниках тепла, электроэнергии, воды и продовольствия. Почти параллельный путь к автономии начинался с заботы об экологических воздействиях, которые вызывают недостатки.
Автономные здания могут повысить безопасность и снизить воздействие на окружающую среду, используя местные ресурсы (такие как солнечный свет и дождь), которые в противном случае были бы потрачены впустую. Автономность часто значительно снижает затраты и воздействие сетей, обслуживающих здание, поскольку автономия замыкает множащуюся неэффективность сбора и транспортировки ресурсов. Другие затронутые ресурсы, такие как запасы нефти и сохранение местного водораздела, часто можно дешево сохранить с помощью продуманных проектов.
Автономные здания обычно энергоэффективны в эксплуатации, и, следовательно, экономичны, по очевидной причине, что меньшие потребности в энергии легче удовлетворить вне сети. Но они могут заменить производство энергии или другие методы, чтобы избежать убывающей отдачи при экстремальном сбережении.
Автономная структура не всегда является экологически чистой. Цель независимости от систем поддержки связана с другими целями экологически ответственного зеленого строительства , но не идентична им . Однако автономные здания обычно также включают некоторую степень устойчивости за счет использования возобновляемой энергии и других возобновляемых ресурсов, не производя больше парниковых газов , чем они потребляют, и других мер.
Во-первых, и это принципиально, независимость — это вопрос степени. Например, устранить зависимость от электросети относительно легко. Напротив, управление эффективным и надежным источником питания может быть рутиной.
Проживание в автономном убежище может также потребовать жертв в образе жизни или социальных возможностях. Даже самые комфортные и технологически продвинутые автономные дома могут потребовать изменения поведения жильцов. Некоторые могут не приветствовать дополнительные обязанности. Вейлы описали опыт некоторых клиентов как неудобный, раздражающий, изолирующий или даже как нежелательную работу на полный рабочий день. Хорошо спроектированное здание может уменьшить эту проблему, но обычно за счет снижения автономии.
Автономный дом должен быть построен по индивидуальному заказу (или значительно модернизирован) для соответствия климату и местоположению. Пассивные солнечные технологии, альтернативные системы туалета и канализации, тепловые накопительные конструкции, системы подвальных батарей, эффективное оконное покрытие и множество других дизайнерских приемов требуют некоторой степени нестандартного строительства, дополнительных расходов, постоянного экспериментирования и обслуживания , а также оказывают влияние на психологию пространства.
В этот раздел включены некоторые минимальные описания методов, которые дают представление о практичности такого здания, содержат указатели к дополнительной информации и дают представление о современных тенденциях.
Существует множество методов сбора и сохранения воды. Сокращение использования является экономически эффективным.
Системы серой воды повторно используют слитую промывочную воду для смыва в туалетах или полива газонов и садов . Системы серой воды могут вдвое сократить потребление воды большинством жилых зданий; однако для них требуется приобретение поддона, насоса для повышения давления серой воды и вторичной сантехники . Некоторые строители устанавливают безводные писсуары и даже компостные туалеты , которые исключают использование воды при утилизации сточных вод.
Классическое решение с минимальными изменениями в образе жизни — использование скважины . После бурения основание скважины требует значительной мощности. Однако усовершенствованные основания скважины могут снизить потребление энергии в два раза или более по сравнению со старыми моделями. Вода из скважины может быть загрязнена в некоторых областях. Фильтр мышьяка Sono устраняет вредный мышьяк в воде из скважины.
Однако бурение скважины — это неопределенное занятие, поскольку в некоторых районах водоносные горизонты истощены. Это также может быть дорогостоящим.
В регионах с достаточным количеством осадков часто бывает более экономично спроектировать здание для использования сбора дождевой воды с дополнительными поставками воды в засуху . Дождевая вода отлично подходит для мягкой воды для мытья, но требует антибактериальной обработки. Если используется для питья, необходимы минеральные добавки или минерализация. [3]
В большинстве пустынных и умеренных климатов выпадает не менее 250 миллиметров (9,8 дюйма) осадков в год. Это означает, что типичный одноэтажный дом с системой серой воды может обеспечивать свои 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) осадков в неделю, и для них может использоваться цистерна объемом всего 10 кубических метров (2600 галлонов США).
Во многих районах сложно поддерживать крышу достаточно чистой для питья. [4] Чтобы уменьшить грязь и неприятный привкус, системы используют металлическую крышу-сборник и бак «очистителя крыши», который отводит первые 40 литров. Вода в цистерне обычно хлорируется , хотя системы обратного осмоса обеспечивают даже более качественную питьевую воду.
В классическом римском доме («Domus») вода для хозяйственных нужд подавалась из цистерны («impluvium»), которая была декоративным элементом атриума, главного общественного пространства дома. Она питалась по водосточной плитке из обращенного внутрь проема крыши («compluvium»). Часто в ней выращивали водяные лилии, чтобы очищать воду. Богатые домохозяйства часто дополняли дождь небольшим фонтаном, питаемым из городской цистерны. Имплювий всегда имел слив для перелива, чтобы он не мог затопить дом. [5] [6]
Современные цистерны обычно представляют собой большие пластиковые емкости. Гравитационные резервуары на коротких башнях надежны, поэтому ремонт насосов менее срочный. Наименее дорогой объемный резервуар — это огороженный пруд или бассейн на уровне земли.
Сокращение автономности уменьшает размер и стоимость цистерн. Многие автономные дома могут сократить потребление воды до менее 10 галлонов США (38 л) на человека в день, так что в засуху месячный запас воды можно недорого доставить на грузовике. Самостоятельная доставка часто возможна путем установки тканевых баков для воды, которые помещаются в кузов пикапа.
Может быть удобно использовать сливной бачок 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 воздуха.
Солнечные дистилляторы могут эффективно производить питьевую воду из воды из арыков или цистерн, особенно это касается высокоэффективных конструкций многоэффектного увлажнения , в которых испаритель(и) и конденсатор(ы) разделены.
Новые технологии, такие как обратный осмос, могут создавать неограниченное количество чистой воды из загрязненной воды, морской воды и даже из влажного воздуха. Для яхт доступны опреснители , которые преобразуют морскую воду и электричество в питьевую воду и рассол . Атмосферные генераторы воды извлекают влагу из сухого воздуха пустыни и фильтруют ее, превращая в чистую воду.
Компостирующие туалеты используют бактерии для разложения человеческих фекалий в полезный, не имеющий запаха, санитарный компост. Этот процесс является санитарным, поскольку почвенные бактерии поедают человеческие патогены, а также большую часть массы отходов. Тем не менее, большинство органов здравоохранения запрещают прямое использование « гумануры » для выращивания продуктов питания. [7] Риск заключается в микробном и вирусном загрязнении, а также в токсичности тяжелых металлов . В сухом компостирующем туалете отходы испаряются или перевариваются до газа (в основном углекислого газа) и выбрасываются, поэтому туалет производит всего несколько фунтов компоста каждые шесть месяцев. Чтобы контролировать запах, современные туалеты используют небольшой вентилятор, чтобы поддерживать в туалете отрицательное давление и выводить газы в вентиляционную трубу. [8]
Некоторые системы очистки сточных вод в домах используют биологическую очистку, обычно с помощью растений и аквариумов, которые поглощают питательные вещества и бактерии и преобразуют серую воду и сточные воды в чистую воду. Эту очищенную воду без запаха и цвета можно использовать для смыва в туалетах и полива растений на улице. При тестировании она приближается к стандартам питьевой воды. В условиях заморозков растения и аквариумы необходимо содержать в небольшом тепличном пространстве. Хорошие системы требуют примерно такого же ухода, как и большой аквариум .
Электрические туалеты-мусорогенераторы превращают экскременты в небольшое количество пепла. Они прохладные на ощупь, не имеют воды и труб и требуют вентиляционного отверстия в стене. Они используются в отдаленных районах, где использование септиков ограничено, обычно для снижения нагрузки на озера биогенными веществами.
Биореактор NASA — это чрезвычайно продвинутая биологическая система канализации. Он может превращать сточные воды в воздух и воду посредством микробного воздействия. NASA планирует использовать его в пилотируемой миссии на Марс . Другой метод — система дистилляции мочи в воду NASA .
Большим недостатком сложных систем биологической очистки сточных вод является то, что если дом пустует, биота канализационной системы может погибнуть от голода.
Обработка сточных вод имеет важное значение для общественного здравоохранения. Многие заболевания передаются через плохо функционирующие канализационные системы.
Стандартная система представляет собой вымощенное плиткой поле выщелачивания в сочетании с септиком . Основная идея заключается в том, чтобы обеспечить небольшую систему первичной очисткой сточных вод . Осадок оседает на дне септика, частично восстанавливается анаэробным сбраживанием , а жидкость рассеивается в поле выщелачивания. Поле выщелачивания обычно находится под травой, растущей во дворе. Септики могут работать полностью под действием силы тяжести, и при хорошем управлении они достаточно безопасны.
Септики необходимо периодически откачивать с помощью вакуумной машины для удаления невосстанавливающихся твердых частиц. Невыполнение откачки септика может привести к переполнению, которое повредит поле выщелачивания и загрязнит грунтовые воды. Септики также могут потребовать некоторых изменений в образе жизни, таких как отказ от использования измельчителей мусора, минимизация количества жидкостей, сливаемых в бак, и минимизация количества неперевариваемых твердых частиц, сливаемых в бак. Например, рекомендуется использовать туалетную бумагу, безопасную для септиков.
Тем не менее, септики остаются популярными, поскольку они позволяют использовать стандартную сантехнику и не требуют значительных изменений в образе жизни.
Компостирующие или упаковочные туалеты делают выбрасывание сточных вод в рамках обычной услуги по сбору мусора экономичным и гигиеничным. Они также сокращают потребление воды вдвое и устраняют трудности и расходы на септики. Однако они требуют от местной свалки соблюдения санитарных норм.
Системы сжигания довольно практичны. Пепел биологически безопасен и составляет менее 1/10 объема исходных отходов, но, как и все отходы сжигания, обычно классифицируется как опасные отходы.
Традиционные методы обработки сточных вод включают выгребные ямы , уборные и надворные постройки . Они могут быть безопасными, недорогими и практичными. Они все еще используются во многих регионах.
Системы дренажа являются важнейшим компромиссом между человеческой жизнедеятельностью и безопасным, устойчивым водоразделом. Мощеные участки и газоны или дерн не позволяют большому количеству осадков просачиваться сквозь землю для пополнения водоносных горизонтов. Они могут вызывать наводнения и ущерб в районах, поскольку вода течет по поверхности к низкой точке.
Обычно сложные, капиталоемкие сети ливневой канализации проектируются для работы с ливневыми водами . В некоторых городах, таких как канализация Лондона викторианской эпохи или большая часть старого города Торонто , система ливневой канализации объединена с системой бытовой канализации. В случае сильных осадков нагрузка на очистные сооружения в конце трубы становится слишком большой, чтобы с ней справиться, и неочищенные сточные воды сбрасываются в накопительные резервуары, а иногда и в поверхностные воды.
Автономные здания могут решать проблему осадков несколькими способами. Если водопоглощающая канава для каждого двора сочетается 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] Один из способов использовать сэкономленные средства — это покупка более крупных участков, что позволяет получить больше удобств по той же цене. Проницаемый бетон — это устоявшийся продукт в теплом климате и в разработке для морозного климата. В морозном климате устранение ливневых стоков часто может по-прежнему окупать достаточно земли для строительства канавы (неглубоких водосборных канав) или водоотводящих берм. Этот план предоставляет больше земли домовладельцам и может предложить более интересный рельеф для озеленения. Кроме того, зеленая крыша улавливает осадки и использует воду для выращивания растений. Ее можно встроить в новое здание или использовать для замены существующей крыши.
Поскольку электричество — дорогостоящая услуга, первым шагом к автономии является проектирование дома и образа жизни, которые снижают спрос. Светодиодные лампы , ноутбуки и газовые холодильники экономят электроэнергию, хотя газовые холодильники не очень эффективны. [10] Существуют также сверхэффективные электрические холодильники, например, производимые компанией Sun Frost, некоторые из которых потребляют всего около половины электроэнергии, чем холодильники массового рынка, имеющие рейтинг Energy Star .
Используя солнечную крышу, солнечные элементы могут обеспечивать электроэнергией. Солнечные крыши могут быть более рентабельными, чем модернизированная солнечная энергия, поскольку зданиям в любом случае нужны крыши. Современные солнечные элементы служат около 40 лет, что делает их разумной инвестицией в некоторых областях. При достаточном угле солнечные элементы очищаются дождевой водой и, следовательно, почти не оказывают влияния на образ жизни.
Во многих регионах длинные зимние ночи или темные пасмурные дни. В таких климатических условиях солнечная установка может не окупиться, или для достижения электрической самодостаточности потребуются большие системы хранения аккумуляторных батарей. [11] В штормовом или ветреном климате ветряные турбины могут заменить или значительно дополнить солнечную энергию. [12] Для среднестатистического автономного дома нужна только одна небольшая ветряная турбина диаметром 5 метров или меньше. На 30-метровой (100-футовой) башне эта турбина может обеспечить достаточно мощности для дополнения солнечной энергии в пасмурные дни. Коммерчески доступные ветряные турбины используют герметичные генераторы переменного тока с одной подвижной частью и пассивные самофлюгирующие лопасти для многих лет работы без обслуживания.
Главное преимущество ветровой энергии заключается в том, что более крупные ветряные турбины имеют более низкую стоимость за ватт, чем солнечные батареи, при условии наличия ветра. Местоположение турбины имеет решающее значение: так же, как в некоторых местах не хватает солнца для солнечных батарей, во многих районах не хватает ветра, чтобы турбина окупила себя. На Великих равнинах Соединенных Штатов 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 участка. [13]
Некоторые участки имеют доступ к ручью с изменением высоты. На этих участках можно использовать небольшие гидроэнергетические системы для выработки электроэнергии. Если разница в высоте составляет более 30 метров (100 футов), а ручей течет в любое время года, это может обеспечить непрерывную подачу электроэнергии с помощью небольшой недорогой установки. Более низкие изменения высоты требуют более крупных установок или плотин и могут быть менее эффективными. Засорение на входе турбины может быть практической проблемой. Обычное решение — небольшой бассейн и водопад (шлюз) для удаления плавающего мусора. Другое решение — использовать турбину, которая устойчива к мусору, например, спиральную турбину Горлова или турбину Оссбергера .
В периоды низкого спроса избыток энергии может храниться в батареях для будущего использования. Однако батареи необходимо заменять каждые несколько лет. Во многих районах расходы на батареи можно устранить, подключив здание к электросети и эксплуатируя энергосистему с чистым измерением . Требуется разрешение коммунальных служб, но такая кооперативная генерация является юридически обязательной в некоторых регионах (например, в Калифорнии). [13]
Здание на основе сети менее автономно, но более экономично и устойчиво с меньшими жертвами образа жизни. В сельской местности стоимость и воздействие сети можно снизить, используя однопроводные системы заземления (например, MALT-система).
В районах, где нет доступа к сети, размер батареи может быть уменьшен 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 бесшумен ночью. Некоторые генераторы автоматически проверяют себя раз в неделю. [14] [15]
Недавние достижения в области пассивно стабильных магнитных подшипников могут когда-нибудь позволить недорогое хранение энергии 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, когда доступна энергия, и эффективно объединять их, когда энергия необходима.
Земляные батареи отбирают электрические токи в земле, называемые теллурическими токами . Их можно устанавливать в любом месте земли. Они обеспечивают только низкое напряжение и ток. Они использовались для питания телеграфов в 19 веке. По мере повышения эффективности приборов они могут стать практичными.
Микробные топливные элементы и термоэлектрические генераторы [16] [17] позволяют вырабатывать электроэнергию из биомассы. Растение можно высушить, измельчить и преобразовать или сжечь целиком, или оставить живым, чтобы отработанные соки растения могли быть преобразованы 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 умеренном и холодном климате. В более холодном климате дополнительные расходы на строительство могут быть всего на 15% больше, чем на новые обычные здания. В теплом климате, где морозных ночей меньше двух недель в году, никаких затрат не будет.
Основным требованием к пассивному солнечному отоплению является то, что солнечные коллекторы должны быть обращены к преобладающему солнечному свету (на юг в Северном полушарии , на север в Южном полушарии ), а здание должно иметь термическую массу , чтобы сохранять тепло ночью.
Недавняя, несколько экспериментальная система солнечного отопления « Геосолнечное отопление на год» практична даже в регионах, где зимой мало или совсем нет солнечного света. [18] Она использует землю под зданием для тепловой массы. Осадки могут уносить тепло, поэтому земля защищена 6-метровыми юбками пластиковой изоляции. Тепловая масса этой системы достаточно недорога и велика, чтобы она могла хранить достаточно летнего тепла, чтобы согреть здание в течение всей зимы, и достаточно зимнего холода, чтобы охладить здание летом.
В годовых геосолнечных системах солнечный коллектор часто отделен от (и горячее или холоднее) жилого помещения. Здание может быть фактически построено из изоляции , например, из соломенных тюков . Некоторые здания были спроектированы с учетом аэродинамики, так что конвекция через воздуховоды и внутренние пространства исключает необходимость в электрических вентиляторах.
Более скромный «ежедневный солнечный» дизайн практичен. Например, примерно за 15% надбавки к стоимости строительства, строительные нормы Passivhaus в Европе используют высокоэффективные изоляционные окна, изоляцию R-30, вентиляцию HRV и небольшую тепловую массу. При скромных изменениях в положении здания современные окна с изоляцией из криптона или аргона позволяют обычным на вид окнам обеспечивать пассивное солнечное тепло без ущерба для изоляции или прочности конструкции. Если небольшой обогреватель доступен для самых холодных ночей, плита или подвальный бак могут недорого обеспечить необходимую тепловую массу . Строительные нормы Passivhaus, в частности, обеспечивают необычайно хорошее качество внутреннего воздуха, поскольку здания меняют воздух несколько раз в час, пропуская его через теплообменник, чтобы сохранить тепло внутри.
Во всех системах небольшой дополнительный нагреватель повышает личную безопасность и снижает влияние на образ жизни при небольшом сокращении автономности. Два самых популярных нагревателя для домов с ультравысокой эффективностью — это небольшой тепловой насос , который также обеспечивает кондиционирование воздуха , или центральный гидравлический (радиаторный) воздухонагреватель с рециркуляцией воды из водонагревателя . Конструкции Passivhaus обычно объединяют нагреватель с системой вентиляции.
Земляное укрытие и ветрозащитные экраны также могут уменьшить абсолютное количество тепла, необходимое зданию. На глубине нескольких футов под землей температура колеблется от 4 °C (39 °F) в Северной Дакоте до 26 °C (79 °F) [18] в Южной Флориде. Ветрозащитные экраны уменьшают количество тепла, уносимого из здания.
Округлые, 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 коммунальном обслуживании, обычно оснащены дровяной печью или отоплением и электроэнергией с использованием дизельного топлива или баллонного газа , независимо от других отопительных систем.
Электронагреватели и электроплиты могут обеспечивать экологически чистое тепло (в зависимости от источника питания), но потреблять большое количество электроэнергии. Если достаточно электроэнергии вырабатывается солнечными батареями, ветряными турбинами или другими способами, то электронагреватели и плиты становятся практичной автономной конструкцией.
Установки утилизации тепла горячей воды извлекают тепло из линий водоотвода. Они повышают автономность здания за счет снижения потребления тепла или топлива для нагрева воды. Они привлекательны тем, что не требуют никаких изменений в образе жизни.
Современные практичные, удобные бытовые системы нагрева воды объединяют солнечную систему предварительного нагрева с термостатическим газовым проточным нагревателем , так что температура воды постоянна, а ее количество не ограничено. Это снижает влияние на образ жизни за счет некоторой потери автономности.
Солнечные водонагреватели могут экономить 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. Чистые солнечные нагреватели особенно полезны для прачечных, бассейнов и внешних ванн, поскольку их можно запланировать для использования в солнечные дни.
Основной трюк в системе солнечного водонагрева заключается в использовании хорошо изолированного накопительного бака. Некоторые системы имеют вакуумную изоляцию, действуя как большие термосы . Бак заполняется горячей водой в солнечные дни и доступен в любое время. В отличие от обычного водонагревателя с баком, бак заполняется только при наличии солнечного света. Хорошее хранение делает возможным использование коллектора меньшего размера и более высокой технологии. Такие коллекторы могут использовать относительно экзотические технологии, такие как вакуумная изоляция и отражательная концентрация солнечного света.
Системы когенерации производят горячую воду из отработанного тепла . Обычно они получают тепло из выхлопных газов генератора или топливного элемента.
Рециркуляция тепла, когенерация и солнечный предварительный нагрев могут сэкономить 50–75% газа, который в противном случае использовался бы. Кроме того, некоторые комбинации обеспечивают избыточную надежность за счет наличия нескольких источников тепла. Некоторые органы власти выступают за замену баллонного газа или природного газа биогазом . Однако это обычно непрактично, если только на месте нет скота. Отходов одной семьи обычно недостаточно для производства достаточного количества метана для чего-либо большего, чем небольшое количество готовки.
Ежегодно используемые 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 и менее радикальные улучшения. Летом можно затенить окна. Карнизы можно навесить, чтобы обеспечить необходимую тень. Они также затеняют стены дома, что снижает расходы на охлаждение.
Другой трюк — охлаждать тепловую массу здания ночью, возможно, с помощью вентилятора на весь дом , а затем охлаждать здание от тепловой массы в течение дня. Полезно иметь возможность направлять холодный воздух от радиатора, обращенного к небу (возможно, солнечного коллектора с альтернативным назначением) или испарительного охладителя непосредственно через тепловую массу. В ясные ночи, даже в тропических районах, радиаторы, обращенные к небу, могут охлаждаться ниже нуля.
Если круглое здание аэродинамически гладкое и холоднее земли, оно может пассивно охлаждаться за счет «эффекта купола». Многие инсталляции сообщали, что отражающий или светлый купол вызывает локальный вертикальный тепловой вихрь, который всасывает более холодный верхний воздух вниз в купол, если купол вентилируется должным образом (один верхний вентиляционный канал и периферийные вентиляционные каналы). Некоторые люди сообщали о разнице температур до 8 °C ( 15 °F ) между внутренней частью купола и внешней стороной. Бакминстер Фуллер обнаружил этот эффект с помощью простой конструкции дома, адаптированной из зернохранилища , и адаптировал свой дом Dymaxion и геодезические купола для его использования.
Вводятся в употребление холодильники и кондиционеры, работающие на отходящем тепле выхлопа дизельного двигателя, дымохода нагревателя или солнечного коллектора. Они используют те же принципы, что и газовый холодильник. Обычно тепло дымохода питает « абсорбционный охладитель ». Холодная вода или рассол из охладителя используется для охлаждения воздуха или охлаждаемого пространства.
Когенерация популярна в новых коммерческих зданиях. В современных системах когенерации небольшие газовые турбины или двигатели Стирлинга, работающие на природном газе, производят электроэнергию, а их выхлопные газы приводят в действие абсорбционный охладитель .
Компания NRG Solutions, Inc. продемонстрировала холодильник для грузового прицепа, работающий на отходящем тепле выхлопных газов дизельного двигателя трактора. Компания NRG разработала теплообменник и испаритель на основе гидронного аммиака — два принципиально новых, не имеющихся в продаже компонента холодильника, работающего на отходящем тепле.
Аналогичная схема (многофазное охлаждение) может быть реализована многоступенчатым испарительным охладителем. Воздух проходит через распыление солевого раствора для его осушения, затем через распыление водного раствора для его охлаждения, затем через еще один солевой раствор для его повторного осушения. Рассол необходимо регенерировать, и это можно сделать экономично с помощью низкотемпературного солнечного охладителя. Многофазные испарительные охладители могут снизить температуру воздуха на 50 °F (28 °C) и при этом контролировать влажность. Если регенератор рассола использует высокое тепло, он также частично стерилизует воздух.
При наличии достаточного количества электроэнергии охлаждение можно обеспечить с помощью обычного кондиционирования воздуха с использованием теплового насоса .
Производство продуктов питания часто включалось в исторические автономные проекты для обеспечения безопасности. [20] Квалифицированное интенсивное садоводство может прокормить взрослого человека, имея всего 100 квадратных метров земли на человека, [21] [22] возможно, требуя использования органического земледелия и аэропоники . Некоторые проверенные интенсивные, не требующие больших усилий системы производства продуктов питания включают городское садоводство (в помещении и на открытом воздухе). Выращивание в помещении может быть организовано с использованием гидропоники , в то время как выращивание на открытом воздухе может осуществляться с использованием пермакультуры , лесного садоводства , нулевой обработки почвы и сельского хозяйства без обработки почвы .
Иногда сюда также включают теплицы . [20] [23] Иногда они также оснащены системами орошения или системами теплоотвода , которые могут соответственно орошать растения или помогать хранить энергию солнца и перераспределять ее ночью (когда теплицы начинают остывать). [20] [24]