Budynek autonomiczny
Z Wikipedii
Budynek autonomiczny (dom autonomiczny) to budynek zaprojektowany tak, by mógł funkcjonować niezależnie od zewnętrznej infrastruktury, to jest bez dostarczania z zewnątrz energii elektrycznej, wody oraz bez odbierania ścieków i kanalizacji burzowej.
Zwolennicy budownictwa autonomicznego wśród jego zalet wymieniają mniejszy jego wpływ na środowisko i koszty utrzymania oraz większe bezpieczeństwo. Ostatnia zaleta wynika z niezależności domu od dostarczania z zewnątrz energii elektrycznej i wody, które mogą zostać zaburzone w przypadku kataklizmu, wojny lub rozruchów. Koszt wybudowania takiego budynku jest jednak wyższy -- ocenia się, że za te same pieniądze można zbudować dom w technologii tradycyjnej lub dom autonomiczny mniejszy o 1/4.
Spis treści |
[edytuj] Teoria
Gdy architekt lub inżynier zaczyna brać pod uwagę wady istniejących sieci przesyłowych (do przesyłu energii elektrycznej i gazu) i zależność od odległych zasobów, wtedy zaczyna tworzyć projekty wyposażone w elementy pozwalające na ich choćby częściową autonomię. Patrząc na ten proces historycznie drogą do osiągnięcia autonomii było zabezpieczenie źródeł ciepła, energii elektrycznej, wody i żywności. W dzisiejszych czasach dążenie to wynika również ze świadomości niekorzystnego wpływu człowieka na środowisko.
Użycie dostępnych na miejscu zasobów (energii słonecznej, wody deszczowej) powoduje zmniejszenie niekorzystnego wpływu na środowisko. W przypadku normalnego budownictwa, większość z tych zasobów jest marnowana. Autonomia zwiększa wpływ na utrzymanie domu kosztów zewnętrznych (abonament za przyłącza gazowe, elektryczne, wodne, kanalizacyjne i koszt dostarczania energii, wody, gazu).
Budynki autonomiczne są zazwyczaj również energooszczędne, co pozwala na dalsze zmniejszenie kosztów ich utrzymania. Taka tendencja wynika z tego, że łatwiej zaspokoić potrzeby energetyczne budynku odłączonego od sieci gdy są one mniejsze.
Budynek autonomiczny nie jest z definicji przyjazny dla środowiska, jednakże jego niezależność od zewnętrznych (nieodnawialnych) źródeł energii oznacza mniejszy wpływ na środowisko niż budownictwa tradycyjnego.
[edytuj] Praktyka
Możliwość osiągnięcia niezależności zależy w dużej mierze od tego, jak to pojęcie zostanie zdefiniowane. Całkowita autonomia jest niemożliwa lub bardzo trudna do uzyskania. Przykładowo, stosunkowo łatwo można się uniezależnić od energii elektrycznej z zewnątrz jednakże hodowanie całej żywności dla mieszkańców domu wymaga znacznie więcej (nakładów finansowych ale i poświęceń ze strony mieszkańców).
Przeniesienie się do autonomicznej siedziby może wymagać od ludzi zmiany nawyków, stylu życia, oczekiwań i zachowania. Nawet najwygodniejszy i najbardziej zaawansowany technicznie dom może wymagać pewnych zmian od mieszkańców. Część ludzi przystosowuje się do takiej sytuacji łatwo, inni uważają że jest ona niewygodna, irytująca, izoluje od społeczeństwa. Dla niektórych utrzymanie autonomicznego domu jest czymś w rodzaju darmowej pracy przymusowej. Dobrze zaprojektowany dom może zmniejszyć ten dyskomfort, zazwyczaj za cenę mniejszej autonomii.
Dom autonomiczny zazwyczaj musi być zbudowany (lub mocno przebudowany) na zamówienie, aby projekt mógł być dobrze dopasowany do jego położenia i warunków klimatycznych. Pasywne systemy słoneczne, przydomowe oczyszczalnie ścieków, bateria akumulatorów w piwnicy, energooszczędne okna i wiele innych systemów wymaga zastosowania nietypowych materiałów, technologii wykonania i montażu a nawet dodatkowych czynności związanych z ich obsługą.
[edytuj] Woda
Woda jest jednym z najważniejszych mediów i szybko kończącym się zasobem. Jest wiele sposobów na oszczędzanie i gromadzenie wody, zmniejszanie jej zużycia jest zazwyczaj bardzo opłacalne.
Klasycznym źródłem do zaopatrzenia domu w wodę bez potrzeby zmiany stylu życia i modyfikacji całego domu jest studnia. W niektórych przypadkach jednak wiercenie studni może być kosztowne lub nawet niemożliwe. Woda ze studni może być zanieczyszczona lub w ogóle niedostępne. Raz zbudowana studnia wymaga nakładu energii na wydobycie wody.
W wielu przypadkach jest bardziej uzasadnione wykorzystywanie wody deszczowej i tylko w okresach suchych korzystanie z innego źródła wody.
Tak zwaną szarą wodę (zanieczyszczoną przez mycie naczyń, pranie i kąpiele) można wykorzystać do spłukiwania toalet, podlewania ogrodów i trawników. Powtórne użycie tej wody może nawet dwukrotnie zmniejszyć zapotrzebowanie na wodę w większości budynków mieszkalnych (stanowi ona 50-80% objętości ścieków). Niestety jej wykorzystanie powoduje skomplikowanie połączeń hydraulicznych i konieczność zakupu dodatkowego zbiornika i pompy. Niektóre projekty domów autonomicznych zakładają wykorzystanie niewymagających spłukiwania pisuarów czy toalet, które całkowicie eliminują tę część zapotrzebowania na wodę.
Większość obszarów w klimacie pustynnym i umiarkowanym otrzymuje rocznie co najmniej 250 mm opadów, czyli 250 litrów wody na metr kwadratowy. Oznacza to, że typowy parterowy dom wykorzystujący szarą wodę może być zaopatrywany w wodę zebraną tylko z jego dachu. W najbardziej suchych obszarach konieczne jest włączenie w system zaopatrzenia w wodę dużego zbiornika o pojemności 30 m³. W wielu miejscach średnia tygodniowa ilość opadów wynosi 12 litrów na metr kwadratowy, tam można wykorzystywać zbiorniki o pojemności już 10 m³. Warto rozważyć wykorzystanie takiego zbiornika wody jako miejsca zrzutu ciepła z instalacji klimatyzacyjnej (co jednak powoduje podgrzanie zimnej wody pitnej i w suche lata obniżenie sprawności klimatyzatora) albo zasobnikiem ciepła dla pompy ciepła.
Zamontowanie zbiornika z wodą na wysokości pozwala na grawitacyjne zaopatrzenie w wodę całej instalacji. W takiej sytuacji ewentualna awaria pompy będzie mniej dotkliwa i mniej pilna do naprawienia. Najtańsze zbiorniki to baseny czy stawy wykopane w ziemi.
Wielkość i koszt zbiornika na wodę można znacznie zmniejszyć jeśli założyć regularne jego uzupełnianie z zewnętrznego źródła. Wiele domów autonomicznych obniża zużycie wody do około 40 litrów na osobę dziennie. W okresie suszy można tanio dowieźć wodę do zbiornika samochodem, nawet na własną rękę, po odpowiednim wyposażeniu samochodu dostawczego, ciężarowego lub półciężarówki.
Na niektórych obszarach trudne lub niemożliwe jest utrzymanie dachu w stanie wystarczająco czystym, by woda była zdatna do picia. Dostępne w handlu urządzenia do oczyszczania wody w drodze odwróconej osmozy zapewniają wodę pitną wysokiej jakości, choć niektórzy ludzie ją ponownie nasycają minerałami lub po prostu kupują butelkowaną wodę pitną.
[edytuj] Ścieki
Utylizacja ścieków jest mało atrakcyjnym, ale bardzo ważnym dla zdrowia i środowiska zagadnieniem. Wiele chorób rozprzestrzenianych jest właśnie przez nieodpowiednie kierowanie ścieków.
Najpopularniejsza przydomowa oczyszczalnia ścieków składa się z osadnika i przewodów rozsączających w gruncie. Osad opada na dno zbiornika (gdzie może podlegać fermentacji beztlenowej) podczas gdy płyn jest rozprowadzany w grunt, najczęściej pod trawnik. Separacja płynu od osadu następuje samoczynnie, grawitacyjnie.
Osadniki muszą być okresowo opróżniane aby usunąć nierozkładalne osady stałe. Zaniedbanie tej czynności może doprowadzić do zniszczenia całej oczyszczalni.
Użycie przydomowej oczyszczalni może wymagać od domowników zmiany nawyków, tj. ograniczenie ilości spłukań toalety i śmieci do niej wyrzucanych. Niekiedy konieczne jest korzystanie ze specjalnego papieru toaletowego do toalet biologicznych. Te niewielkie ograniczenia i możliwość wykorzystania istniejących połączeń hydraulicznych decydują o rosnącej popularności takich instalacji.
Spalanie osadów ściekowych zazwyczaj jest dobrym sposobem na ich utylizację, bo pozostały popiół (czysty biologicznie, ale klasyfikowany jako odpad niebezpieczny) stanowi mniej niż 1/10 początkowej objętości osadów.
Zaawansowane przydomowe biologiczne oczyszczalnie ścieków są w stanie oczyścić ścieki i szarą wodę do postaci wody czystej, bezbarwnej i pozbawionej zapachu. Może ona być stosowana do spłukiwania toalet i podlewania roślin. Woda taka jest bliska spełnianiu wymagań stawianych wodzie pitnej.
Powyższe podejście do utylizacji ludzkich ekskrementów wynika z traktowania ich jako odpad a nie surowiec, który można poddać kompostowaniu w celu późniejszego wprowadzenia do gleby. Recykling ludzkich odchodów wymaga minimalnych zmian w stylu życia.
[edytuj] Kanalizacja burzowa
Zadaniem kanalizacji burzowej czy drenażu (w mniejszej skali) jest rozprowadzenie wody deszczowej, która nie wsiąka w wystarczającym stopniu w zmienione przez człowieka powierzchnie gruntu (utwardzone lub odsadzone trawnikiem). Woda deszczowa wtedy spływa po powierzchni do najniżej położonego punktu, co może być przyczyną powodzi i/lub uszkodzenia mienia.
W miastach usuwanie wody deszczowej jest zadaniem kanalizacji burzowej.
[edytuj] Energia elektryczna
Ponieważ energia elektryczna jest kosztowna, pierwszym krokiem do jej oszczędzania powinno być dopasowanie stylu życia i projektu domu w celu zmniejszenia zapotrzebowania na energię. Oświetlenie fluorescencyjne (świetlówki), komputery przenośne i gazowe chłodziarki absorpcyjne pozwalają oszczędzać energię elektryczną a więc i pieniądze.
Ogniwa słoneczne (fotowoltaiczne) zainstalowane na dachu (wbudowane w dach) mogą być źródłem energii elektrycznej. Żywotność nowoczesnych ogniw słonecznych wynosi około 40 lat, dzięki czemu w wielu obszarach ziemi mogą one być dobrą inwestycją.
Na wielu obszarach o niewielkim nasłonecznieniu przez większość czasu wieją silne wiatry. Do produkcji energii elektrycznej typowy dom autonomiczny potrzebuje jedynie niewielkiej turbiny wiatrowej o wirniku średnicy 5 m lub mniejszej. Taka turbina, zamontowana na wieży wysokości 30 m, może we współpracy z ogniwami słonecznymi zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną w pochmurne dni. Dostępne w handlu turbiny posiadają samoustawne łopaty wirnika, proste generatory prądu zmiennego i szczelną obudowę, co zapewnia bezawaryjną pracę przez wiele lat.
Największą zaletą energetyki wiatrowej jest niższy jednostkowy nakład inwestycyjny w przeliczeniu na kilowat mocy dla dużych turbin niż w przypadku ogniw fotowoltaicznych. Nie wszędzie jednak wiatr osiąga prędkości wystarczające do napędzania turbin. Zwłaszcza w Polsce na większości terenów montaż turbin wiatrowych jest bezsensowny.
W okresie niskiego zapotrzebowania na moc elektryczną (np. w nocy) nadmiar energii może być magazynowany w bateriach akumulatorów. Niestety, akumulatory wymagają wymiany co kilka lat z powodu stopniowego ich zużywania się. Na wielu terenach możliwe jest uniknięcie zakupu akumulatorów przez podłączenie budynku do sieci elektroenergetycznej co pozwoli na sprzedawanie nadwyżek energii do sieci. Taki budynek będzie mniej autonomiczny ale tańszy, wymagający mniej poświęceń ze strony mieszkańców. Jednocześnie przy sprzedaży nadprodukcji energii do sieci nie ma strat związanych ze sprawnością akumulatorów, co pozwala na oszczędzenie większej ilości paliw kopalnych.
Na obszarach, które nie mają dostępu do sieci elektroenergetycznej, pojemność baterii akumulatorów może zostać zmniejszona gdy w układzie zainstalowany jest agregat prądotwórczy do doładowywania akumulatorów w okresie niewystarczającej podaży energii elektrycznej z turbiny wiatrowej i ogniw fotowoltaicznych. Generatory takie mogą być zasilane benzyną, olejem napędowym, większe urządzenia również gazem ziemny. Godzina ładowania akumulatorów zazwyczaj wystarcza na cały dzień korzystania z energii.
W przyszłości być może będzie możliwe magazynowanie energii w wirującym w próżni kole zamachowym (o ile opracowane zostaną łożyska bezkontaktowe) albo poprzez produkcję metodą elektrolizy wodoru i tlenu, które następnie mogą być spalane w ogniwie paliwowym.
[edytuj] Ogrzewanie
Pasywne ogrzewanie słoneczne jest wystarczające do ogrzania większości budynków, nawet w najzimniejszym klimacie.
Nowoczesne okna, z przestrzeniami między szybami wypełnionymi kryptonem lub argonem pozwalają na ogrzewanie pomieszczeń przez słońce i są jednocześnie równie wytrzymałe jak normalne. Konieczne jest by okna wychodziły na stronę nasłonecznioną (w Polsce na południe), budynek musi mieć też dużą pojemność cieplną, co pozwoli na utrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury w ciągu nocy.
Pokrycie domu (dachu i ścian) warstwą ziemi (darnią) i uwzględnienie drzew i krzewów w projekcie domu autonomicznego pozwala na ograniczenie strat ciepła do otoczenia. Również wkopanie domu w grunt pozwala na oszczędności energii do celów grzewczych. Dwa metry pod ziemią temperatura nie spada nigdy poniżej kilkunastu °C.
Drzewa i krzewy ograniczają omywanie budynku przez wiatr, co powoduje zmniejszenie ilości ciepła odbieranego przez powietrze ze ścian i dachu. Opływowe budynki o łagodnych kształtach tracą również mniej ciepła.
Mały dodatkowy grzejnik może znacznie zmniejszyć potrzebną pojemność cieplną budynku i wpływ na styl życia domowników. Popularnym sposobem ogrzewania w wysoce energooszczędnych domach jest centralne ogrzewanie z kaloryferami i kotłem. W nowoczesnych domach autonomicznych stosuje się odzysk ciepła ze spalin z turbiny gazowej, silnika stirlinga lub silnika spalinowego.
Budynki, które mają być odporne na przerwy w dostawie mediów z zewnątrz wyposażone są w kocioł, piec i kuchnię na drewno, olej opałowy albo gaz płynny. Paliwo dla tego urządzenia jest magazynowane przy domu.
Elektryczne grzejniki i kuchenki dostarczają ciepło wolne od zanieczyszczeń w miejscu użycia, ale zużywają olbrzymie ilości drogiej energii elektrycznej. Jeśli wystarczająca ilość energii elektrycznej jest dostarczana przez ogniwa słoneczne, turbinę wiatrową lub z innych źródeł, wtedy ogrzewanie elektryczne może być warte rozważenia.
[edytuj] Ciepła woda użytkowa
Podgrzewanie wody użytkowej przy użyciu kolektorów słonecznych jest coraz bardziej popularne, bo oszczędza mnóstwo energii zużywanej. Jednocześnie ta oszczędność może być jeszcze zwiększona, jeśli wprowadzić małe zmiany w stylu życia mieszkańców domu, takie jak np. kąpanie się, robienie prania i zmywania naczyń w dni słoneczne.
Najważniejszym elementem instalacji do produkcji ciepłej wody użytkowej ogrzewanej słońcem jest dobrze zaizolowany zbiornik wody. Niektóre z profesjonalnych systemów wyposażone są w zbiornik izolowany próżniowo (jak termos). Zbiornik jest napełniany gorącą wodą podgrzaną w czasie słonecznych dni a wykorzystywaną później. W odróżnieniu od zwykłego zbiornika na ciepłą wodę użytkową, jest on napełniany tylko gdy jest dość słońca by ogrzać nim wodę.
Dobre zaizolowanie zbiornika umożliwia zastosowanie mniejszych, tańszych kolektorów, często zbudowanych w oparciu o nowocześniejszą technologię, np. próżniowych.
W praktyce systemy do produkcji ciepłej wody użytkowej łączą ogrzewanie energią słoneczną z kotłem przepływowym na gaz, włączanym przez termostat, co umożliwia dostęp do nieograniczonej ilości gorącej wody o żądanej (stałej) temperaturze. Kosztem straty na autonomii tego budynku życie jego mieszkańców jest nieco wygodniejsze.
Taki układ dwóch źródeł ciepła pozwala na oszczędzenie 50-75% paliwa gazowego, które byłoby użyte w sytuacji niezainstalowania kolektora słonecznego. Dwa źródła ciepła czynią go również bardziej niezawodnym.
Ale czy jakikolwiek budynek uzależniony od energii z paliw kopalnych może być określany mianem autonomicznego? Gaz ziemny może zostać zastąpiony przez biogaz pochodzący z rozkładu ludzkich odchodów i organicznych kuchennych odpadów. Kogenerator zasilany olejem roślinnym lub gazem drzewnym może produkować energię elektryczną i ciepło z drewna czy roślin oleistych produkowanych na miejscu.
[edytuj] Chłodzenie i klimatyzacja
Wkopanie budynku w głąb ziemi czy zapewnienie mu dużej pojemności cieplnej znacznie zmniejszają konieczność chłodzenia pomieszczeń latem.
Skuteczne są również mniej drastyczne zmiany w konstrukcjach domów. Można okna zacienić latem. Dachy mogą zostać wydłużone tak, by zacieniać okna i ściany, co również zmniejsza koszty klimatyzacji.
Inną metodą na obniżanie temperatury budynku jest jego chłodzenie w ciągu nocy. Chłód ze ścian i powietrza jest następnie oddawany w ciągu dnia.
Do użytku wchodzą powoli absorpcyjne chłodziarki i klimatyzatory, wykorzystujące odpadowe ciepło z silników spalinowych, kotłów wodnych czy kolektorów słonecznych. Działają one na tej samej zasadzie co zwykłe klimatyzatory i chłodziarki, ale nie są napędzane przez pracę mechaniczną sprężarki a przez dostarczane z zewnątrz ciepło. Zimna woda lub czynnik chłodniczy z chłodziarki może być używany do schładzania powietrza zasysanego z zewnątrz lub do schładzania powietrza wewnątrz pomieszczeń.
W nowoczesnych budynkach biurowych i handlowych popularne stają się instalacje kogeneracyjne, składające się z małych turbin gazowych lub silników spalinowych napędzanych gazem ziemnym, służących do produkcji energii elektrycznej. Ciepło odpadowe ze spalin jest wtedy wykorzystywane do napędzania chłodziarek absorpcyjnych lub podgrzewania wody grzewczej i użytkowej.
Równie dobry efekt chłodzenie powietrza można uzyskać w wielostopniowej chłodziarce wykorzystującej zjawisko parowania. Do strumienia powietrza rozpylany jest roztwór soli, który absorbuje wodę z powietrza. Następnie rozpylany jest strumień wody - woda parując odbiera ciepło z powietrza. Ostatnim etapem jest ponowne osuszenie powietrza rozpyleniem roztworu soli. Roztwór soli musi być regenerowany (utrzymywany w odpowiednim stężeniu), co można zrobić tanio w prostych destylarkach słonecznych. Takie urządzenia mogą obniżyć temperaturę powietrza aż o ponad 25 °C.
W przypadku dostępu do większej ilości energii elektrycznej, obniżanie temperatury może być wykonywane przez klasyczną sprężarkową klimatyzację czy pompę ciepła.
[edytuj] Żywność
Produkcja żywności w wielu historycznych próbach osiągnięcia autonomii miała olbrzymie znaczenie. Intensywna produkcja żywności w ogrodzie może zapewnić żywność dla osoby dorosłej z jedynie 15 metrów kwadratowych gruntu. Do metod intensywnej ale niewymagającej dużych nakładów pracy uprawy roli należą rolnictwo hydroponiczne i wielopoziomowe.
