Дома для жаркого климата в калифорнии
В двух предыдущих примерах речь шла о зданиях, требующих лишь от 1 до 10% от обычного отопления жилых площадей в условиях холодного климата и пасмурной погоды. А как сделать более прохладными помещения в жарком климате?
Крупнейшее частное американское предприятие коммунального хозяйства «Пасифик гэс энд электрик» проводит эксперимент под названием «Испытание передовых потребительских технологий на максимальную энергоэффективность» (сокращенно ACT2). Цель эксперимента заключается в том, чтобы с помощью тщательных измерений определить наибольшее количество энергии, которое можно сберечь с выгодой для предприятия и его клиентов путем внедрения самых современных комплексов и технологий. Экспериментом руководит комитет, в него входят представители «Пасифик гэс энд электрик», ИРМ, Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (ведущий научно-исследовательский центр по энергоэкономичным зданиям) и Совета по охране природных ресурсов (ведущая национальная группа по сохранению естественных богатств).
По проекту стоимостью 18 миллионов долларов, учрежденному в 1989 г. руководителем исследований из «Пасифик гэс энд электрик» Карлом Вайнбергом и научным руководителем ИРМ Эймори Ловинсом, сейчас уже построены или модернизированы все 12 экспериментальных зданий. Данные подтверждают первоначальную гипотезу о том, что примерно три четверти потребляемой в большинстве случаев электроэнергии можно сэкономить без каких-либо дополнительных затрат и при обеспечении тех же или даже лучших условий.
Новый дом в Дэвисе (Калифорния, рядом с Сакраменто) стал первой проверкой того, как далеко могут зайти проектировщики, бросив вызов климату*. «Расчетная температура» здесь составляет 40°С, но в самые жаркие дни она может достигать 45°С. Широко проводимое летом орошение находящихся на этой территории сельскохозяйственных ферм и угодий существенно повышает влажность. Хотя летние ночи часто прохладны, здесь бывают и многодневные «горячие бури» с незначительным спадом температуры в ночное время.
Задача состояла в проектировании стандартного дома со всеми удобствами общей площадью в 255 квадратных метров, который потреблял бы как можно меньше энергии. Еще до внесения усовершенствований «базовый» дом удовлетворял самым строгим в США энергетическим стандартам — нормам Документа 24, принятого в Калифорнии в 1993 г. Согласно этим нормам, конструкция должна была быть примерно на треть экономичнее, чем средний американский дом. Цена дома составляла 249 500 долларов и также была типичной для Калифорнии.
Сначала команда архитекторов из Энергетической группы Дэви-са за счет улучшения планировки уменьшила на 11% (семь метров) периметр пола, на который впустую тратится энергия, а затем занялась аналогичной работой над контуром крыши. Проектировщики расположили окна в нужных местах, усовершенствовали оконные рамы, разработали стену, которая экономила дерево (см. «Использование дерева при постройке дома», раздел 2.20), сокращала строительные затраты и удваивала изоляцию. В результате энергосбережение составляет 17%, затраты меньше обычных почти на 3 500 долларов; 57% этой суммы сэкономлено за счет уменьшения периметра пола.
Проектировщики внесли также целый ряд мелких новшеств в корпус, освещение, бытовые приборы, систему горячего водоснабжения и окна. В результате общее энергосбережение увеличилось до 60%, что соответствует сумме примерно в 1900 долларов. Единственным необычным мероприятием стало использование отработанного тепла холодильника для подогрева воды, что повышает эффективность его работы и экономит энергию в системе горячего водоснабжения. Кроме того, надо упомянуть вытяжные вентиляторы, тщательный выбор которых при покупке дал экономию в 80% без каких-либо дополнительных затрат. Обычный коэффициент полезного действия вентиляторов в североамериканских домах составляет лишь 1—3%; они, в сущности, являются небольшими электрическими нагревателями, которые, используют крошечную долю своей энергии для движения воздуха. Двойная стенная и кровельная изоляция и более совершенные окна устранили необходимость в печи, вытяжках и другом оборудовании, что сэкономило 2050 долларов. Вместо этого в самые холодные ночи можно через радиатор в виде плоской спирали стоимостью в 2400 долларов пропускать немного горячей воды из газового водонагревателя с коэффициентом полезного действия 94%.
И все же оставалась необходимость в кондиционере, хотя и менее мощном, чем исходный трехтонный*. Самые дорогостоящие усовершенствования уже достигли предела экономичности: ни одно мероприятие не должно было стоить больше, чем ожидаемая, рассчитанная на длительное время цена сэкономленной электроэнергии (6 центов на киловатт-час). Что же можно было сделать еще?
К счастью, проектировщики имели наготове так называемый потенциальный комплексный план по устранению охлаждения. В него входили все энергосберегающие мероприятия, ранее отвергнутые из-за того, что каждое из них в отдельности не сберегало достаточно энергии, чтобы окупить себя. Эти меры снижали потребности в охлаждении, но нуждались в экономическом обосновании. Когда в проект было добавлено семь таких усовершенствований, стоящих 2600 долларов, они сделали ненужными кондиционер стоимостью 1500 долларов и систему вентиляционных труб (плюс 800 долларов будущих расходов на их содержание), т.е. оказались экономичными. Таким образом, большая экономия оказалась дешевле, чем малая.
Проектировщики ожидали, и первое же лето подтвердило это, что никакого дополнительного охлаждения не потребуется. Изоляция и обычные суперокна не пропускали снаружи нежелательное тепло;
экономичные лампы и бытовые приборы внутри помещения испускали мало тепла; тепловая масса (двойная стена сухой кладки и пол из керамической плитки в центральной части) сохраняла прохладу в самые жаркие дни. При необходимости дополнительное радиационное охлаждение можно обеспечить прохладной водопроводной водой, пропускаемой через плоский змеевик. Этот способ применить не удалось, поскольку водопроводная магистраль была закопана на слишком малой глубине и водопроводная вода оказалась неожиданно теплой; к счастью, расчеты были правильными, так что водяное охлаждение не потребовалось.
Компьютерное моделирование показало, что дом будет потреблять на 53% меньше электроэнергии, на 71% меньше электроэнергии в часы пиковой нагрузки и на 69% меньше природного газа, чем достаточно экономичный «базовый» дом. Но это не предполагает каких-либо усовершенствований в небольших бытовых приборах, которые потребляли одну треть первоначальной электроэнергии. Если учесть их, энергосбережение возрастает в среднем до 80% для всей энергии или до 79% для электроэнергии: 78% экономятся на обогреве помещений, 79% на нагревании воды, 80% на холодильниках, 66% на освещении, 100% на охлаждении и 92% на охлаждении и вентиляции вместе взятых. На рынке готовых сооружений дом в Дэвисе при условии применения всех 20 видов энергосберегающих мероприятий стоил бы примерно на 1800 долларов меньше, чем обычный, а его эксплуатация обходилась бы на 1600 долларов дешевле.
Судя по первым результатам проверки, дом ведет себя лучше, чем предусмотрено проектом. (Фактические сбережения несколько уменьшились благодаря внесенным в последний момент изменениям: например, жильцы пожелали иметь другой тип холодильника. Но и с учетом этих изменений реальная экономия хорошо согласуется с прогнозом.) Жильцы, въехавшие в дом в декабре 1993 г., комфортно чувствуют себя здесь даже в сильную жару. Поскольку предполагается, что раздел 24 Калифорнийского энергетического стандарта должен включать в себя все, что является практичным и экономичным, дом в Дэвисе может потребовать принципиального пересмотра этого стандарта.
В соответствии с другим проектом ACT2, завершенным несколько месяцев спустя, похожий дом построен на земельном участке, расположенном в еще более жарком месте — Стэнфорд Ранч (Калифорния). Этот дом сберегает еще больше энергии. Теплоизоляция, окна, светлые стены и крыша, а также двойная стена сухой кладки понижают затраты на охлаждение на 44%. В нем также используется включаемый только ночью испаритель-охладитель, который служит в качестве вентилятора для всего дома и охлаждает воду, циркулирующую по размещенной под полом системе труб; здесь экономия энергии на охлаждение возрастает до 86%. Дом в Стэнфорд Ранч стоит примерно на 1000 долларов, или на 0,4%, дороже, чем постройка обычного дома, но экономия на оборудовании и эксплуатации перекрывает незначительное превышение затрат на строительство, поэтому чистая стоимость приблизительно четырехкратного увеличения эффективности всех основных потребителей энергии равна нулю.
Третий проект ACT2 — модификация обыкновенного одноэтажного дома, находившегося в эксплуатации 15 лет, — реализован весной 1994 г. Дом расположен в жарком районе Стоктон (Калифорния), где люди обычно пользуются кондиционерами с июня по сентябрь. Планировка здания и особые требования жильцов ограничили масштаб выполненных работ. Тем не менее модернизация дома даст возможность сэкономить 64% от общего потребления электроэнергии и 60% природного газа (не считая экономии на небольших электроприборах), что позволяет сэкономить 5500 долларов на амортизационных расходах, включая будущие затраты на замену оборудования и эксплуатацию. Простые усовершенствования кондиционера — более эффективные вентиляторы и двигатели, а также первичный охладитель испарительного типа — вносят вклад в ожидаемое 76-процентное сокращение затрат энергии на охлаждение. Кроме того, по прогнозам, затраты энергии на обогрев уменьшатся на 59%, расход на основные бытовые приборы — на 63%, освещение и небольшие приборы — на 76%, подачу насосом воды для бассейна и из родника—на 76%. Если бы жильцы этого дома придерживались модели потребления, более характерной для американских семей, то некоторые из приведенных цифр могли бы быть еще выше.
Все три дома находятся в зоне жаркого, но не сырого и теплого тропического климата. Однако сравнительно высокая экономия может быть достигнута и там. Ни жара, ни влажность не являются препятствием для четырехкратного энергосбережения при отличном комфорте и рентабельности.