Гейл Марсленд, закохавшись у пустельний клімат Аризони, переїхала туди і згодом разом із чоловіком побудувала будинок, що працює автономно, використовуючи принципи сталої архітектури, пасивного сонячного опалення та традиційні південно-західні будівельні техніки. Живучи без доступу до комунальних мереж, вони покладалися на сонячні фотоелектричні панелі, акумулятори, пропан та інноваційні системи охолодження, поступово модернізуючи свої технології, оскільки відновлювана енергетика ставала ефективнішою та доступнішою. Їхній будинок був вперше представлений у статті Fine Homebuilding у 1997 році. У цій новій статті Марсленд ділиться тим, чого вони з чоловіком навчилися за 30 років життя в цьому будинку.
На Захід
Я вперше відвідала Аризону автостопом з другом, який мав знайомих у Туксоні. Ми залишили коледж Віттенберг у Спрінгфілді, штат Огайо, на весняні канікули. Похмура погода нас втомлювала, тому ми вирушили на захід у пошуках зміни краєвидів. Я не бачила жодної хмарини весь час, поки була там, і це був такий контраст із промисловим смогом Клівленда 1970-х, де я виросла, що наступного року я перевелася до Університету Аризони. Там я зустріла Річарда, будівельника другого покоління, який став моїм чоловіком.
У 1988 році, після восьми років шлюбу, Річард та я переїхали до гір Туксон, оточених Національним парком Сагуаро, щоб жити в автономному будинку, який ми збудували. Земля, яку ми купили для будівництва, колись була гірничою концесією 1890 року, а найближчий сусід та комунальні мережі знаходилися майже за дві милі.
Річард і я познайомилися завдяки нашій спільній відданості сталому способу життя та екологічній свідомості, і ми роками проєктували та будували будинки з пасивним сонячним опаленням, тому ми розглядала будівництво нашого будинку на все життя як можливість використовувати фотоелектричні системи та кілька пропанових приладів для повного автономного життя в будинку, який ми б спроєктували та збудували самі.
Автономні будинки були і залишаються незвичними, тому ми вважали за цінне поділитися тим, чого ми навчилися, проживши в нашому будинку понад 30 років. Наш проєкт був представлений у 1997 році в Fine Homebuilding («Off the Grid in Tucson», FHB #110). Ця стаття містить оригінальні фотографії та ілюстрації та пропонує історичну перспективу того, що ми намагалися зробити 30 років тому. Ця стаття повертається до будинку і пояснює, чого ми навчилися про життя з дефіцитом води та без мережевого живлення в наступні десятиліття.
Проєктування для пустелі
Батько Річарда був майстром з виготовлення адобі, і він навчив Річарда бути майстром також. У будинку, який ми спроєктували, використовуються будівельні техніки, розроблені поколіннями місцевих та іспанських колоніальних будівельників. Традиційна архітектура гарячих, сухих місць, таких як Аризона, включає теплову масу та затінення для збереження прохолоди в приміщеннях.
Сонце повільно нагріває товсті цегляні стіни протягом дня, а потім будинок випускає це тепло в інтер’єр під час прохолодних пустельних ночей. Велика увага приділяється розташуванню дверей і вікон, а також забезпеченню тіні за допомогою веранд і навісів, щоб не допускати потрапляння тепла від сонця всередину будинку. Ми використовували подібні традиційні техніки при будівництві нашого дому, але адаптували їх до сучасних методів будівництва.
Замість адобі-цегли, яка виготовляється з місцевої глини та піску зі зв’язуючим соломи, ми використали бетонні блоки, які не потребують обслуговування і краще протистоять пекучому сонцю, ніж інші матеріали. Оскільки бетонні блоки не мають такої маси, як традиційні стіни з адобі товщиною 1 або 2 фути, ми використали товсті шари ізоляції.
Шар безперервної піноізоляції під мембраною покрівлі та скловолоконні килимки R-30 у порожнинах крокв додають до R-42 у покрівлі. Стіни мають дводюймовий шар пінопласту між двома шарами блоків. Тридцять років тому ми були на передньому краї енергоефективного будівництва, оскільки такі рівні ізоляції були нечуваними поза високопродуктивними будинками в Канаді та холодних частинах Сполучених Штатів.
Як і попередні покоління будівельників Південного Заходу, ми уникали вікон, що виходять на захід, через їхній денний сонячний виграш. (Ми встановили балконні двері, що виходять на захід, у гостьовому будинку як засіб виходу.) Ми також додали віконниці, які блокують сонце; однак, на відміну від дерев’яних віконниць попередніх поколінь, ми використали сталеві рулонні віконниці від Roll-A-Shield ззовні, щоб запобігти нагріванню та захистити вікна від сильного вітру та крадіжок під час нашої відсутності.
Напрямні та фурнітура віконниць вбудовані в цегляні стіни, а згорнуті віконниці приховані у карнизі над вікном. Незважаючи на те, що Річард їх встановив, електрично керовані віконниці були досить дорогим задоволенням на той час, але вони виявилися розумним рішенням для нашої будівлі.
Ми також створили огороджений двір, оточений тінистими деревами, як захист від сонця та панівних вітрів для життя на свіжому повітрі. Його дорослий ландшафт також допомагає затінювати будинок. Ми мали знання попередніх поколінь про методи, які ефективно справляються з виснажливим сонцем пустелі, але нам довелося застосувати власну творчість, щоб вирішити проблему відстані нашої будівлі від комунальних мереж.
Стратегії економії водиЗбір та зберігання дощової водиЗ кожного дюйма дощу ми збираємо близько 1200 галонів води. На відміну від часу, коли ми проєктували та встановлювали нашу систему, зараз існують підрядники, які спеціалізуються на проєктуванні та будівництві систем збору дощової води, а також постачальники, що продають компоненти для професіоналів та DIY-майстрів. Багато посушливих районів пропонують знижки на системи збору дощової води.
Системи поливу можуть бути ненадійнимиНаше найбільше джерело стресу – це система поливу через поломки та витоки. Одного разу система працювала безперервно, доки насос у резервуарі для зберігання не згорів. Ми зрозуміли, що таймери для автоматичного вимкнення води є абсолютною необхідністю на кожній лінії поливу. Сіра вода – не така вже й чудоваДля економії води ми провели каналізацію від душових, пральної машини, посудомийної машини, ванн та умивальників до системи сірої води з насосом та невеликим резервуаром. Початкові витрати були незначними, але коли ми поливали дерева на західній стороні маєтку, ця ділянка деякий час неприємно пахла, і дерева почали демонструвати пошкодження, хоча ми використовували біорозкладні мила. Цієї осені ми плануємо спрямувати сіру воду в дренажне поле, яке очищає чорну воду з кухонної раковини та туалетів.
Випарне охолодження споживає багато водиОригінальна охолоджувальна вежа споживала дуже мало електроенергії – близько 40 Вт, але використовувала кілька сотень галонів води на день. Вона також протікала і залишала плями на деяких дерев’яних стелях. Приблизно через 10 років ми замінили її на надзвичайно ефективний випарний охолоджувач від Southwest Solar, який споживав близько 100 Вт електроенергії, але все ще використовував 100 галонів води на день. Додавання міні-сплітів скоротило використання води, і ми перетворили охолоджувальну вежу на оглядову, яка пропонує дивовижні краєвиди.
Уникайте сонячного нагріву водиСонячний нагрів води може заощадити енергію, але проточні та теплові насосні водонагрівачі, доступні зараз, є ефективними та надійними. Оскільки сонячний нагрів води недоступний цілодобово, вам потрібні резервні водонагрівачі. Розглядаючи плюси і мінуси, ми не замінили наші сонячні водонагрівачі, коли вони вийшли з ладу. Системи рециркуляції – це розумноОдним з наших найкращих рішень було додати рециркуляційні петлі до всіх приладів для гарячої води. При активації перемикачем у ванній або на кухонній раковині, насос повертає охолоджену воду в лініях гарячої води назад до водонагрівача, замість того, щоб зливати її в каналізацію.
|
Виробництво електроенергії з фотоелектричних панелей
Наша ділянка була за милі від незаасфальтованої дороги, а найближчий стовп був за дві милі. Електроенергетична компанія відмовилася безкоштовно проводити електроенергію, а ми не хотіли псувати краєвид повітряними лініями, тому прокладання підземних електричних кабелів на всі дві милі було б нашою фінансовою відповідальністю і коштувало б десятки тисяч доларів. Річард і я роками проєктували високоенергоефективні будинки, і я була активною прихильницею сонячної енергії, закликаючи законодавчу владу штату та бізнес-спільноти фінансувати та встановлювати сонячні системи, оскільки Аризона мала величезний потенціал для сонячної енергії.
З нашими інтересами до екології та самозабезпечення, а також нашим досвідом у будівництві з ефективним використанням ресурсів, Річард і я вважали, що можемо вести комфортне життя без комунальної електроенергії. Це було добре, оскільки з ціною фотоелектричних (PV) панелей того часу нам довелося б економно використовувати електроенергію.
Щоб мінімізувати споживання електроенергії, ми планували використовувати газову плиту, водонагрівач, сушилку та холодильник. Пропанові холодильники були і залишаються поширеними в автономних будинках, оскільки пропан, порівняно з електрикою, відносно легко транспортувати вантажівкою та зберігати на місці.
Пропановий водонагрівач миттєвої дії був резервним до системи сонячного нагріву води, яка також була частиною початкової конструкції. Ми відмовилися від сонячного водонагрівача, коли він зламався, оскільки він не мав значного впливу на наше споживання енергії або запас гарячої води. Ми також встановили невеликий пропановий камін прямої тяги для опалення взимку, який доповнював цегляний камін, збудований Річардом.
На початках ми використовували близько 100 галонів пропану на місяць. Пізніше ми перейшли на електричний холодильник, встановили міні-спліти для опалення та охолодження, і додали більше акумуляторів, що призвело до меншої кількості годин роботи генератора. Зараз ми використовуємо близько 35 галонів пропану на місяць.
Кондиціонування повітря є необхідним у пустелі, але традиційні системи кондиціонування старого зразка використовують занадто багато енергії для будинку, що працює автономно. Тому за допомогою піонера в цій галузі ми встановили “охолоджувальну вежу” – великий випарний охолоджувач, призначений для охолодження та кондиціонування всього будинку за допомогою конвективного руху повітря. Вона була розроблена за зразками багатовікової давнини, створеними для охолодження мечетей на Близькому Сході.
Охолоджувальна вежа розміром 10 на 10 футів мала 200 кв. футів випарних панелей. Повітря втягувалося через панелі за допомогою конвекції, і під час випаровування води температура повітря знижувалася, змушуючи його опускатися в житлову зону. Її насос потужністю 40 Вт (єдина рухома частина вежі) споживав мізерну частку енергії, необхідної для традиційної системи кондиціонування повітря з повітроводами. Охолоджувальна вежа стала проривом, і ілюстрація в оригінальній статті FHB показує, як вона працювала.
Все електричне обладнання, включаючи розетки, освітлення, посудомийну машину, пральну машину та насос нашої системи охолодження, живилося від нашої фотоелектричної системи потужністю 5 кВт та інвертора потужністю 4 кВт, який перетворював постійний струм системи PV на змінний. Надлишок електроенергії, виробленої протягом дня, зберігався у свинцево-кислотних акумуляторах ємністю 32 кВт·год для використання вночі та в похмурі дні.
Свинцево-кислотні акумулятори не могли розряджатися більше ніж на 50%, інакше вони б не заряджалися повністю в майбутньому. Акумулятори також потребували ручного доливання води, що займало годину кожні кілька тижнів. Процес зарядки розбиває воду на гази водень та кисень; регулярне доливання води утримує свинцеві пластини зануреними, запобігаючи пошкодженню.
Іноді під час сезону мусонів навесні, коли сонячного світла було недостатньо, нам доводилося заряджати акумулятори за допомогою резервного пропанового генератора. Інвертори того часу також не виробляли найчистішого живлення, тому наша мікрохвильова піч іноді видавала дзижчання, а деякі флуоресцентні лампи мерехтіли.
Пізніше ми встановили масив потужністю 7 кВт і більший інвертор. Цей новий інвертор виробляв живлення з більш плавним, модифікованим синусоїдальним сигналом, і дзижчання електроніки та мерехтіння світла переважно зникли. З більшою потужністю ми позбулися нашого пропанового холодильника і перейшли на холодильник Sunfrost DC. Компанія досі виробляє енергоефективні змінні та постійні холодильники, які віддають перевагу люди, що виробляють власну електроенергію з вітру або фотоелектричних систем.
Наші оригінальні акумулятори прослужили 28 років, а фотоелектричні системи потужністю 5 кВт та 7 кВт майже завжди задовольняли наші потреби в електроенергії, враховуючи низьке споживання електроенергії нашим домогосподарством. Єдиним винятком був ігровий комп’ютер нашого сина-підлітка. Він міг споживати сотні ватів під час нічних ігрових сесій. Один-два рази він ледь не розрядив акумулятори до ранку.
Кілька років тому ми встановили нашу поточну фотоелектричну систему, яка має масив потужністю 13,5 кВт, підключений до інвертора потужністю 12 кВт з акумуляторною системою ємністю 50 кВт·год для зберігання. Ця третя система робить автономне життя дитячою грою порівняно з тим, коли ми починали. До того ж, експертиза в електроніці більше не потрібна для електромонтажу та усунення несправностей. Сучасні інвертори мають самодіагностику та добре позначені для усунення несправностей. Вони також виробляють чисте живлення з істинною синусоїдою, що майже дорівнює мережевому живленню.
Сучасні літієві акумулятори також є революційними. Вони займають менше місця, не потребують обслуговування та не потребують вентиляції для запобігання накопиченню водню. Їх також можна розряджати до 20% потужності, що забезпечує більше доступної енергії.
Найважливіше, наша третя система фотоелектричних панелей і акумуляторів мала достатню потужність, щоб ми могли перейти на енергоефективні міні-спліти для опалення та охолодження, замість того, щоб покладатися на дров’яний камін і пропановий обігрівач для опалення та випарне охолодження для кондиціонування. Відмова від випарних охолоджувачів була б величезною допомогою у подоланні нашої найбільшої проблеми: дефіциту води.
Життя з водою, що доставляється вантажівками
Коли ми придбали власність, ми знали, що існує досить велика ймовірність того, що ми не знайдемо води на прийнятній глибині. Нерідко колодязі в горах Туксон сягають сотень футів у глибину, і багато ділянок взагалі не мають води. Ми свердлили там, де, на думку лозошукача, ми мали б знайти воду, але коли наш бурильник досяг 850 футів, ми здалися.
На такій глибині було б дуже складно викачувати воду без комунальної електроенергії через розмір необхідного насоса. Також обладнання було б дорогим, тому ми вирішили доставляти воду, як і багато жителів пустелі, і зберігати її у двох підземних цистернах, які використовуються донині.
Іноді люди запитують, чи купили б ми цю власність, якби знали, що не знайдемо води. Відповідь – так. Оточена Національним парком Сагуаро, з дивовижними краєвидами та нічним небом, це місце робить майже будь-які труднощі вартими терпіння. І навіть якби ми знайшли воду у своєму колодязі, немає гарантії, що ми мали б її зараз.
Більшість колодязів наших сусідів дають значно менше води, ніж раніше, або взагалі висохли, оскільки рівень ґрунтових вод знизився, що є проблемою в багатьох місцях. Ми встановили систему збору дощової води під час будівництва будинку, але в пустелі дощів мало, і він непередбачуваний. Якщо ми отримуємо середню кількість опадів, ми збираємо 12 000–14 000 галонів на рік.
Доставка води для поповнення нашого збору дощової води є одним із наших найбільших викликів. Щоб заощадити воду, ми маємо ефективні прилади та систему рециркуляції гарячої води, яка повертає холодну воду в трубах назад у бак для повторного нагрівання, а не зливає її в каналізацію. Випарне охолодження колись було нашим найбільшим споживачем води, причому перша система використовувала 3000 галонів на тиждень, а друга, більш ефективна, – близько 1200 галонів на тиждень.
Оскільки наш бізнес – будівництво, ми змогли отримати дозвіл на самостійну доставку води. Річард перевозив воду нашим цистерно-вантажівкою, по 1000 галонів за рейс, кілька разів на тиждень по дорозі на роботу та з роботи. Вода, дозволи, тестування та обслуговування коштували близько 250 доларів на місяць, що було вигідною пропозицією порівняно з отриманням води від місцевих постачальників, які беруть близько 300 доларів за 4000 галонів.
Тепер, коли ми охолоджуємо наш будинок за допомогою міні-сплітів, ми використовуємо близько 300–400 галонів води на тиждень і зменшили нашу доставку води до одного разу на три тижні. У нас є дві підземні цистерни ємністю 2600 галонів, які ми використовуємо для зберігання води. Ми намагаємося тримати одну повною весь час і жити за рахунок іншої. Надлишок може забезпечити тижні водопостачання, якщо ми не зможемо її доставити.
Конструкція для зменшеного споживання електроенергіїПасивні системи працюють вічно без обслуговуванняВікна, що виходять на південь, оптимально розташовані для максимізації сонячного виграшу від низькокутного зимового сонця. Пасивна вентиляція допомагає як при опаленні, так і при охолодженні. Відкритий план поверху та високі та низькі операбельні вікна дозволяють нам скористатися бризом і максимізувати рух повітря. Стельові вентилятори в кожній кімнаті покращують циркуляцію та підвищують комфорт.
Віконниці економлять енергію та додають безпекиУсі вікна мають електронно керовані рулонні сталеві віконниці для контролю сонячного світла, максимізуючи тепловий виграш взимку та мінімізуючи його влітку. Бонус – вони можуть бути закриті, коли нас немає вдома, що робить практично неможливим проникнення через вікна та двері.
Масивні стіни регулюють температуруВисокомасивні цегляні стіни та бетонні підлоги мінімізують коливання температури, допомагаючи зберігати будинок прохолодним влітку та теплим взимку. Тінь від дерев у дворі також зменшує тепловий виграш, зберігаючи будинок прохолоднішим у теплі дні. Західна стіна, яка частково знаходиться під землею та захищена від сонця, також знижує температуру в приміщенні. Ефективні прилади зменшують споживання електроенергіїМи перейшли від ламп розжарювання до флуоресцентних, а потім до світлодіодних лампочок, кожен крок був ефективнішим за попередній. Побутова техніка також пройшла довгий шлях – наш оригінальний холодильник був не дуже ефективним, хоча й використовував пропан, а не дорогоцінну електроенергію. Спочатку ми замінили його на надзвичайно ефективний холодильник DC від Sunfrost; тепер у нас є два основних подвійних холодильники з рейтингом Energy Star. Ізоляція забезпечує велику цінністьВстановлення ізоляції вище мінімальних норм коду принесло швидку окупність і робить наш будинок комфортним цілий рік. Ми обрали жорстку піну через її високе значення R на дюйм. Стіни мають два 2-дюймові шари XPS між внутрішнім та зовнішнім шарами блоків, що складають стіни. Також є дюйм пінопласту під бетонною плитою. Невентильована покрівля має 1-дюймовий шар безперервного XPS над кроквами для уповільнення теплопередачі, і між кроквами знаходяться скловолоконні килимки. Міні-спліти полегшують опалення та охолодженняНаші безканальні міні-спліти є ефективними та тихими, і їх можна легко вимкнути в приміщеннях будинку, які не використовуються. Наша система складається з трьох зовнішніх блоків з індивідуальними внутрішніми блоками з дистанційним керуванням та таймерами, що дозволяє легко охолоджувати приміщення перед їхнім заселенням і автоматично вимикати їх на ніч. Сучасні фотоелектричні системи роблять життя комфортнимУ 1988 році ми платили 25 доларів за ват за сонячні панелі. Ця вартість знизилася – ті, що ми додали нещодавно, коштували 0,40 долара за ват. Найновіші фотоелектричні панелі також є двосторонніми, що означає, що вони генерують енергію як від світла, що падає на передню, так і на задню поверхню. Сучасні інвертори більш ефективно перетворюють постійний струм на змінний, а вихідний сигнал є “чистішим”, тому наше світло більше не мерехтить, коли ми використовуємо мікрохвильову піч. Наша остання фотоелектрична система забезпечує більше енергії, ніж ми можемо використати протягом дня, а наш акумуляторний банк зберігає надлишок для нічного використання.
|
Будинок, який ми б збудували знову
Мені подобається готувати на газових приладах, тому я не знаю, чи змогла б я коли-небудь перейти на електрику для приготування їжі, але якби ми будували сьогодні, я б серйозно розглянула водонагрівач з тепловим насосом замість газового, щоб ще більше зменшити потребу в пропані, особливо з урахуванням зниження цін на фотоелектричні системи. Крім цього, Річарду і мені важко придумати, що б ми змінили в будинку, якби нам довелося робити це знову.
Ми обидва погоджуємося, що автономне життя легше, ніж коли ми переїхали сюди десятиліття тому. Досягнення та зниження вартості фотоелектричних систем та акумуляторів, сучасне світлодіодне освітлення та високоефективне обладнання для опалення та охолодження, як-от міні-спліти, зробили автономне життя легшим. Незайманий пустельний ландшафт, низькозатратна в обслуговуванні конструкція будинку, а також дивовижне світло та краєвиди розпестили мене настільки, що я не впевнена, чи змогла б жити деінде.
— Гейл Марсленд – президент-пенсіонер SolarBuilt, дизайнер і будівельник будинків, що працюють на сонячній енергії та є енергоефективними.