Автономное жилье

Описываемый коттедж возведен под городом Чеховом в 40 км от МКАД. Электричество к дому было подведено от близлежащего поселка. Однако постоянные перебои в подаче электроэнергии (аварии на старой подстанции, обрывы ветхих проводов) заставили хозяев задуматься об автономном энергоснабжении. Тем более что в случае отключения электричества зимой на долгое время возникала опасность заморозить дом и всех его жильцов – паровое отопление запитано от электрического котла мощностью 18 кВт.

Новые жители поселка озаботились инфраструктурой (сети, дороги), но об уединении в этом случае пришлось забыть – снова коллективные отношения, совместное решение общих проблем. Поэтому автономность дома – лучший выход из сложившейся ситуации.

По проекту инженеры получили в свое распоряжение многокомнатный двухэтажный коттедж с мансардой. Общая отапливаемая площадь 200 м2. Из подведенных коммуникаций – артезианская вода и электричество.

Автономные системы теплоснабжения в своем классическом виде предназначены для отопления и горячего водоснабжения жилых домов. Такие системы используют в качестве источника тепла различное котельное оборудование (электрическое, газовое, жидкотопливное) и обычный трубопровод с радиаторами в каждой комнате.

Преимуществ автономных систем несколько. Во-первых, нет потребности в проведении серьезных дорогостоящих земляных работ при подведении распределительных тепловых сетей к дому. Еще более дорогостоящим может стать их обслуживание и ремонт в аварийных ситуациях. Во-вторых, автономные системы характеризуются гибкостью и возможностью быстрого монтажа и запуска. Стоимость и скорость работ не зависит от погоды, времени года – работы производятся внутри здания. В-третьих, при организации автономного теплоснабжения заказчик практически избегает бюрократических вопросов, связанных с разрешением, организацией подключения к городской теплоцентрали. Последнее преимущество автономных систем заключается в независимости от режима работы тепловых сетей города – жильцы сами решают, когда включить, а когда выключить отопление.

По принципу принятых схем автономное теплоснабжение подразделяется на системы с естественной и искусственной циркуляцией теплоносителя. В свою очередь схемы с естественной и искусственной циркуляцией теплоносителя могут быть одно- и двухтрубные, а по принципу движения теплоносителя – тупиковые, попутные и смешанные.

Похожая ситуация и с автономным электроснабжением. Для выработки электроэнергии используются генераторы на жидком топливе (дизельные, бензиновые и т. д.). Иногда применяют альтернативные источники электроэнергии – ветряные, солнечные, микроГЭС. Для России это остается экзотикой, но в Европе подобные источники электроэнергии вполне распространенное явление. Генератор на жидком топливе – самый распространенный тип мини-электростанций в автономных системах. Самые обычные генераторы используются чаще всего в качестве аварийных источников энергии. Применять их для постоянной генерации достаточно дорого и неэффективно.

Фотоэлектрические (солнечные батареи) и ветроэлектрические установки встречаются значительно реже. Часто эти источники могут использоваться как дополнительные или резервные, покрывающие потребности в электричестве в часы пиковых нагрузок. В такие системы обычно входит аккумуляторная батарея и инвертор, который преобразовывает постоянный ток, вырабатываемый солнечной батареей, в переменный. Отдельный блок контролирует заряд аккумуляторной батареи, чтобы поддерживать ее в работоспособном состоянии.

Как упоминалось, классические автономные источники тепловой и электрической энергии (генераторы и котлы на жидком топливе) – самые дорогие. Мазут, дизтопливо, бензин и газ – все это дорогостоящее топливо, которое требует соответствующего хранения. Этот источник электричества был отвергнут при проектировании описываемой системы.

Проектировщики дома стремились к максимальной энергоэффективности. Чтобы ее достигнуть, надо учитывать и соблюдать некоторые правила и факторы. Необходимо максимальное совершенствование теплосберегающих качеств дома. Хорошая теплоизоляция стен, герметичные окна, плотно закрывающиеся двери, правильно организованная система приточно-вытяжной вентиляции – все это влияет на энергоэффективность, которая также зависит от экономичности электроприборов в доме и типа отопительной системы.

Автономное электричество на солнечных батареях

После некоторых раздумий и поисков, проектировщики остановили свой выбор на солнечных батареях. Предполагалось, что вся система будет достаточно экономичной, с использованием высокоэффективного энергосберегающего оборудования. Поэтому большой потребности в электроэнергии не планировалось.

Солнечная батарея мощностью 3 кВт была закуплена и смонтирована прямо на участке за домом. По расчетам инженеров, такой мощности должно было хватить на подпитку аккумуляторных батарей, которые в свою очередь бесперебойно питали дом и систему отопления. В средней полосе России летом на каждый квадратный метр земной поверхности приходится около 5 кВт солнечной энергии в час; около 10% этой энергии может быть преобразовано в электрическую с помощью солнечной батареи. Зимой приход солнечной энергии в несколько раз меньше, чем летом.

Монтаж батареи занял несколько дней. В работе с подобной техникой, к сожалению, много времени приходится ждать поставки заказанного оборудования: частично оно поставляется из США, а периферия в основном российского производства.

Стоимость организации электроснабжения с помощью подобных фотоэлектрических генераторов рассчитывается исходя из ставки 9 долларов на каждый ватт вырабатываемой энергии. Общая стоимость батареи составила порядка 27 тыс. долларов. Учитывая, что это бесплатный источник электричества и эта статья расходов будет вычеркнута из семейного бюджета, затраты на установку солнечной батареи окупятся менее чем за десять лет. Для капитального строительства – это хороший показатель.

Автономное производство тепла из геотермальной энергии

Отопление – более сложная задача. С одной стороны, существовал лимит по генерации электроэнергии, обусловленный возможностями солнечной батареи. С другой – электрический котел долгое время казался единственным разумным выходом. Варианты подбирались достаточно долго, пока в поле зрения инженеров не попали геотермальные отопительные системы. Именно они помогли решить проблему с отоплением. Принцип действия теплового насоса вообще и геотермального в частности очень прост и реализован в обычном бытовом холодильнике: хладагент проходит через испаритель, нагревается до температуры окружающей для теплообменника среды, закипает и испаряется, компрессор сжимает полученный пар, что позволяет нагревать воздух или рабочую жидкость отопительного контура, проходящую через другой теплообменник. На выходе получается теплоноситель с температурой до 30–65 °С. После этого давление сбрасывается и хладагент вновь поступает в испаритель. Так работает любой водяной тепловой насос.

Главное достоинство геотермального теплового насоса заключается в том, что испарение хладагента производится с помощью низкопотенциальных источников тепловой энергии – не нужны ни котел, ни другие источники с высокой температурой. Для того чтобы геотермальный тепловой насос работал эффективно, достаточно внешней температуры теплоносителя – 4 °С. Такой температурой всегда обладают многие естественные источники: земля (на определенной глубине), глубокие водоемы, которые не промерзают зимой до дна, родники и грунтовые воды, моря.

Таким образом, под землей или на дне водоема в контуре циркулирует вода, нагреваясь до температуры грунта. Эта вода поступает в тепловой насос, который с помощью компрессора и хладагента нагревает до 35–65 °С теплоноситель самой отопительной системы – воздух (если отопление воздушное) или воду, которая циркулирует в доме по классической отопительной системе. Также немаловажен тот факт, что данная геотермальная система может как забирать тепло из земли, так и сбрасывать его в землю, то есть работать в кондиционном режиме, обеспечивая охлаждение. Но в случае с водяным отоплением это неактуально. Да и для загородного дома с просторными комнатами, высокими потолками и большой площадью кондиционирование чаще всего не является первостепенной задачей.

Благодаря использованию природного тепла – энергии, которую накопила земля, – энергоэффективность системы очень высока. Утилизируя тепло земли и передавая его в дом, заказчик получает самый экологичный источник энергии. Затрачивая на работу теплового и циркуляионного насоса только 1 кВт энергии, на выходе можно получить 4–6 кВт тепла.

Для реализации проекта был закуплен американский тепловой насос типа «вода–вода». Данный тип тепловых насосов с помощью теплообменников производит горячую воду, которая может быть использована для горячего водоснабжения и отопления с помощью радиаторных батарей. В ТНУ используется хладагент R22. Габариты установки – 0,65 х 78 х 84. Максимальная потребляемая мощность при работе на обогрев 3,5 кВт.

Как говорилось выше, в доме уже была построена система отопления. Ее не стали изменять, а лишь адаптировали под тепловой насос. Инженеры занялись прокладкой подземного водяного контура-теплообменника. Технике пришлось работать на закрытой ограниченной площадке. Необходимо было выкопать траншею глубиной 2 м, на дно которой кольцами укладывался контур – полиэтиленовая труба диаметром 32 мм и длиной 80 м. Общая стоимость земляных работ составила около 2 тыс. долларов. Работы по укладке контура были полностью закончены за две недели. Если бы площадка была открытой и не ограничивалась забором и стеной дома, можно было бы уложиться в три дня. Установка теплового насоса с монтажом, поставкой оборудования и комплектующих обошлась в 10 тыс. долларов США.

Итогом работы стала уникальная экспериментальная система. В этой системе отстроена работа в связке двух экологичных и высокоэкономичных типов оборудования – тепловых насосов и солнечных батарей. Такое комплексное решение позволяет не задумываться о цене на нефть и формальных препонах при проведении коммуникаций. За счет экономии эта система способна себя окупать, принося доход заказчику. А ее надежность покажет время. Можно лишь сказать, что ресурс как солнечных батарей, так и геотермальных систем составляет более 20 лет.