Взгляд в экобудущее

Как обеспечить независимость дома от электро-, тепло- и канализационных сетей, от централизованного водо- и газоснабжения, а также свести к минимуму загрязнение окружающей среды? Это можно сделать, только оснастив его специальным оборудованием.

SCHCOВо многих регионах России в сильные морозы из-за аварий изношенных теплосетей регулярно отключается отопление, а средств на замену теплопроводов в местных бюджетах нет. Цены на все виды энергоресурсов растут гораздо быстрее доходов населения. Поскольку наша страна собирается вступить в ВТО, вскоре стоимость газа для российских потребителей, по прогнозам экономистов, возрастет в 3 раза. Если вы еще не опустили руки и думаете о будущем своих детей и внуков, этот материал- для вас.

Мы уже начали рассказывать вам об экодоме (см. статью "Экодом- тепловая крепость", «ИВД», 2009, №5). Такое здание должно отличаться минимальными потерями тепла и очень низким расходом энергии, при этом энергоснабжение происходит за счет возобновляемых источников. Сейчас мы поговорим о том, как не только уменьшить вредное воздействие жилища на окружающую среду и затраты на энергоресурсы, но и получить максимальную пользу от утилизации органических отходов. Для этого потребуется приобрести специальное оборудование. Оно будет очищать стоки и утилизировать органические отходы биологическим методом, вырабатывать возобновляемое газообразное топливо и накапливать его запасы, служить альтернативным источником электроэнергии, собирать и освобождать от примесей дождевую воду.

Сбор и очистка дождевой воды

Использование дождевой воды в экодоме не только повышает его независимость от водопроводных сетей. Мы писали о применении дождевой влаги в технических целях в энергоэффективном доме, расположенном в датском экопоселке Стенлесе (см. «ИВД», 2009, №5). Каковы же преимущества употребления дождевой воды в экодоме? Благодаря отсутствию кальция и магния в системе ГВС не образуется накипь. Ресурс работы стиральной машины увеличивается примерно в 5 раз. Втакой воде нет железа, что позволяет избежать появления ржавчины на сантехнике и улучшить качество стирки, не применяя хлорсодержащих препаратов. Отсутствие хлора обеспечивает экологичность водооборота в экодоме. Вряде продвинутых экодомов используют дополнительную систему сбора ливневой воды. При моросящем дожде она не работает. Когда начинается ливень, специальный программируемый клапан некоторое время остается закрытым, пока поток не смоет с крыши птичий помет и другие загрязнения. Затем клапан открывается, и вода направляется через последовательно установленные фильтр, ультрафиолетовый стерилизатор и минерализатор в особую чистую емкость. Собираемая в ней вода с точки зрения экологии подходит для мытья и приготовления пищи и по качеству не уступает бутилированной

Биологическая очистка стоков

Экологичность дома и его независимость от централизованной канализации обеспечивает автономная система биологической очистки стоков. Она не загрязняет окружающую среду, избавляет от необходимости чистить выгребную яму и вызывать автоцистерну с фекальным насосом, а кроме того, "платит" своим хозяевам ценным органическим удобрением и биогазом. ВРоссии сейчас можно приобрести устройства индивидуальной биологической очистки- септики, имеющие различную конструкцию и выполненные как в раздельных корпусах, так и "в одном флаконе". Вних используются секции с анаэробным (метантенк) и аэробным (аэротенк) способами очистки стоков. Для сбора биогаза подходит метантенк в отдельном корпусе.

Метантенк. Резервуар для предварительной биологической очистки небольших объемов бытовых сточных вод называется метантенком потому, что при анаэробном (без доступа воздуха) брожении биологических остатков в нем выделяется метан (биогаз, болотный газ). До недавнего времени, пока не наступил глобальный экономический кризис, его просто выпускали в атмосферу. Теперь же в соответствии с Киотским протоколом выбросы метана как очень сильного парникового газа следует ограничивать. Кстати, метантенк- не единственный возможный источник биогаза в экодоме: в интенсивно функционирующем хозяйстве есть и другие, о которых мы расскажем далее. Иесли, используя их, рачительно собирать биогаз, а затем закачивать в индивидуальное газохранилище, удастся получать его в количестве, достаточном для собственных нужд- приготовления еды на кухонной газовой плите, выработки электроэнергии и нагрева воды в системе ГВС. Аесли образуются излишки, их можно реализовать по рыночной цене.

На отечественном рынке представлено такое оборудование, как "Санитек Макси" ("Биоэкология", Россия). Объемы различные: 1,3; 2; 3; 4 и 5м³. Цена одного агрегата- от 35тыс.руб. Устройство представляет собой емкость из полиэфирного стеклопластика. Его применяют для очистки бытовых сточных вод из дома, в котором проживает семья из 2-8человек. Сточные воды текут медленно, и взвешенные частицы оседают на дно отстойника. Там они без доступа воздуха разлагаются, и образуется ил- высококачественное удобрение. Чтобы активизировать брожение, в метантенке размещают мешочки с биологически активным препаратом. Внашей стране таким средством является, например, "Тамир" (Россия); упаковка объемом 1,5л стоит 360руб. Это комплекс полезных почвенных микроорганизмов, позволяющий утилизировать органические отходы (в том числе в выгребных ямах), очищать канализационные системы и стоки от засоров, восстанавливать дренаж, устранять неприятные запахи, а также ускоренно перерабатывать в высококачественный компост бытовые и сельскохозяйственные отбросы (остатки пищи, ботву, сорняки, опилки, навоз идр.). Данный биопрепарат существенно повышает скорость и степень разложения органики. Чтобы метантенки могли функционировать в зимнее время (особенно в морозы), некоторые владельцы такого оборудования встраивают в них трубы получения горячей воды, а корпуса дополнительно теплоизолируют снаружи несколькими слоями пенофола. Тем самым они создают хорошие условия для анаэробных бактерий (оптимальная для жизнедеятельности этих организмов температура составляет 52С). Так удается обеспечить высокоэффективную работу системы очистки и получения метана в течение всего года.

Аэротенк. Эти агрегаты различаются по принципу работы (аэрационное действие, биофильтры с активным илом идр.) и по конструктивному исполнению. Вданной статье мы их не рассматриваем, поскольку аэротенки не являются источниками ценных ресурсов. Монтаж системы биологической очистки сточных вод (метантенк и аэротенк) под ключ стоит от 140тыс.руб. Помимо удобрения и биогаза подобное устройство производит техническую воду. Вэкодоме не следует применять жесткие сильнодействующие моющие и дезинфицирующие средства, если очищенную воду используют для полива растений, употребляемых в пищу. Ведь такая вода может погубить полезные бактерии, функционирующие в биологической системе очистки стоков.

Фото 1 ЭНЕРГОТЕХ

Фото 2 MicroGen

Фото 3 Siemens

Фото 4 FAS

1.Метантенк и аэротенк устанавливают в котловане, выкопанном рядом с домом. При этом люки обслуживания находятся на поверхности земли.
2.Компактные размеры настенной микроТЭЦ вписываются между двух кухонных шкафчиков.
3.Внутреннее устройство микроТЭЦ.
4.Компрессор FAS NZ-R11 предназначен для закачивания газа в подземное газохранилище.

Энергонезависимость в гармонии с природой

Биогаз и пиролизный газ- возобновляемое альтернативное топливо, которое можно использовать для того, чтобы готовить еду на кухонной газовой плите, вырабатывать электроэнергию и нагревать воду в системе ГВС. Чтобы получить его, применяют несколько устройств.

Мокрый газгольдер. Он служит для предварительного сбора био- и пиролизного газа. Газгольдер представляет собой бак с водой, в котором расположен колпак, всплывающий при заполнении его газом. Все газоподводящие трубки выведены под дно колпака и снабжены газозапирающими колпачками, играющими роль обратных клапанов. Если какой-либо источник газа не работает, скапливающийся под колпаком газ не может выйти в данный источник, так как этому препятствует вода, окружающая колпачок. После того как колпак будет заполнен и всплывет, автоматически включается компрессор: он закачивает собранный газ в подземное газохранилище до тех пор, пока колпак не утонет. Таким образом, мокрый газгольдер непрерывно работает круглые сутки, пока хотя бы один из источников выделяет газ.

Для закачивания газа в подземное газохранилище можно использовать, например, компрессор FAS NZ-R11 (FAS Flssiggas-Anlagen, Германия) производительностью 4,5м³/ч с давлением 10бар (стоимость- 56тыс.руб.). ВРоссии есть возможность приобрести подземные газохранилища Gasholder (Германия) емкостью 2,7м³ (цена- от 9тыс.руб.) и 4,85м³ (от 10тыс.руб.).

Измельчители отходов. Все твердые органические отходы перед утилизацией (в биогенераторе или системе биологической очистки сточных вод) необходимо перемалывать. Приборы для измельчения садового мусора перерабатывают тонкие ветви, сучья и листья в материал, который идет на изготовление компоста (есть агрегаты, способные перемолоть даже случайно попавшие бруски толщиной 40мм). Измельчители снабжены системой ножей для суперизмельчения, а также колесами для более удобного перемещения. Например, мощность прибора Al-Ko (Dynamic Micro, Германия) составляет 2,5 кВт, частота вращения ножей- 2800 об/мин. Стоимость- 10-15тыс.руб. Внастольных измельчителях, подобных DJ 2000 (Moulinex, Франция), предусмотрена одна насадка. Максимальная потребляемая мощность- 0,35 кВт. Объем чаши, изготовленной из пластика,- 0,6л. Цена- 1-1,5тыс.руб.

Измельчитель пищевых отходов, скажем ISE М-65 (In-Sink-Erator, США), представляет собой электрический прибор, устанавливаемый на место выпуска в кухонной мойке с большим (89-90мм) сливным отверстием и подсоединяемый к системе канализации. Сначала включают холодную воду, затем- измельчитель, перемалывающий остатки еды в мельчайшие частицы за 10-15 с без применения ножей и лезвий. Отходы попадают на металлический диск, вращающийся с частотой 1450 об/мин, и центробежная сила разбрасывает их на стенки измельчающей камеры, на которых закреплены самозатачивающиеся металлические "терки". Стоимость устройства- 9100руб.

Фото 5 ISE

Фото 6 Bosсh

Фото 7 Bosсh

5.Измельчитель пищевых отходов- прибор, устанавливаемый под мойкой на место выпуска.
6-7.Измельчитель садового мусора(6) оснащен контейнером для сбора продуктов, перемолотых до пригодной для компостирования консистенции. Измельчитель садового мусора(7) не имеет контейнера для сбора переработанных продуктов.

Биогенератор. Этот агрегат предназначен для выработки биогаза и жидкого удобрения из органических отходов. Сначала биогенератор полностью загружают субстратом, состоящим из измельченных органических отходов и воды, тщательно смешанных в пропорции 1 : 1, а также специального препарата, например "Тамир". Вбиогенераторе поддерживается постоянная температура 25-52С; 4 раза в сутки на 15мин автоматически включается перемешивающее устройство, которое разбивает корку, образующуюся на поверхности, чтобы усилить брожение.

Через 7-10 дней начинается активное брожение и выделяется биогаз, отводимый в мокрый газгольдер. Далее идет непрерывный технологический процесс. Каждые сутки сливают готовое жидкое удобрение (его количество- 10 % от рабочего объема биогенератора) и соответственно пополняют субстрат. При этом ежесуточный выход биогаза составляет от 6м³ на каждые 100л биомассы в зависимости от состава органических отходов.

Интересный факт: в настоящее время в России эксплуатируются 10 современных биогенераторных комплексов. Например, один из них находится в Белгородской области. Внем используют оборудование компании Waukesha (США). Этот эффективный комплекс обеспечивает электричеством, газом, горячей водой и жидким удобрением 70частных хозяйств. Вто же время в Европе, в том числе в странах Балтии, уже давно применяют биогаз, получаемый в результате анаэробного брожения различных органических отходов. Взависимости от условий производства в состав биогаза может входить 60-70 % метана и 30-40 % углекислого газа, а также незначительные примеси сероводорода (до 3 %), водорода, аммиака и оксидов азота.

Газогенератор. Это устройство предназначено для получения пиролизного газа. Газогенератор целесообразно сблокировать с накопительным баком ГВС- тогда он будет служить и для подогрева воды. Пиролизный газ образуется в результате неполного сгорания твердого топлива (древесных чурок, торфа, угля, пеллет ит.п.) при ограниченном доступе воздуха (28-35 % от полного количества, необходимого для сгорания топлива).

Внутреннее пространство работающего прибора разделено на четыре зоны. Верхняя часть бункера- зона подсушки (температура- 150-200С). Средняя часть бункера- зона сухой перегонки (температура- 300-500С). Вней топливо без доступа воздуха обугливается, из него выделяются смолы, кислоты и другие продукты сухой перегонки. Зона горения расположена в поясе фурм (температура- 1100-1300С и выше). Сюда поступают обугленное топливо и продукты сухой перегонки и при наличии достаточного количества кислорода, подводимого с воздухом через фурмы, здесь же в основном и сгорают, образуя углекислый газ (СО₂) и окись углерода, или угарный газ (СО). Зона восстановления находится между зоной горения и колосниковой решеткой. Вней СО₂ проходит через раскаленный уголь и, соединяясь с частицами углерода, образует СО. Вактивной камере вырабатывается генераторный газ- смесь газов: угарный, метан (СН₄), водород (Н₂), а также спирты (СН₃ОН, С₂Н₅ОН) идр. Вохладителе-фильтре газ охлаждается, нагревая воду в накопительном баке, и очищается от взвешенных частиц золы и пыли, от муравьиной и уксусной кислот. Устройства, близкие по конструкции к описанным, выпускает фирма "Мастерская своего дела" (Украина), стоимость- около 100тыс.руб.

Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, использующего генераторный газ или биогаз в качестве топлива, экологически более чистые. Октановое число газообразного топлива составляет 110-140. Моторесурс двигателей, работающих на био- или генераторном газе, больше, чем у бензиновых или дизельных. Зимой при пониженной температуре газогенератор функционирует эффективнее, поскольку рабочая газовая смесь лучше наполняет цилиндры двигателя, например когенерационной установки.

Фото 9 Компьютерная графика Александра Самарина

Фото 10 Компьютерная графика Александра Самарина

8.Схема комбинированного получения электроэнергии и тепловой энергии (ГВС).
9.Схема биореактора: 1-загрузочный бункер; 2-выход биогаза.
10.Схема газогенератора: 1-газогенерирующее устройство; 2-накопительный бак; 3-теплообменник.

Когенерация и интеграция альтернативных источников

Комбинированное получение электроэнергии и тепловой энергии с помощью теплового двигателя и электрогенератора называется когенерацией. Передача тепла, например для нагрева воды, происходит посредством двухконтурного теплообменника (он состоит из конденсационного теплообменника для передачи тепла от выхлопных газов и контура охлаждения цилиндров двигателя). За последние 5лет фирма Ecopower (США) продала в Европе, главным образом в Великобритании, около 5 тыс. микроТЭЦ на базе одноцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания мощностью 3кВт. Стоимость микроТЭЦ- от 220тыс.руб. Тепловая мощность нагрева воды- 12кВт. Конденсационный теплообменник работает нормально при условии, что температура оборотной воды не превышает 40-50С. Поэтому производители рекомендуют использовать микроТЭЦ совместно с водяными теплыми полами вместо традиционных радиаторов. Система, включающая микроТЭЦ, накопительный бак объемом 1тыс.л и теплые полы площадью 200м², стоит от 1,8млн руб.

Впоследние 3 года в Европе с описанными установками успешно конкурируют микроТЭЦ компании WhisperGen (Новая Зеландия) c тепловым двигателем внешнего сгорания Стирлинга. Уже продано около 8тыс. таких устройств. Вг.Толоса (Испания) строят специализированный завод, который будет по лицензии выпускать 30тыс. микроТЭЦ WhisperGen в год. Электрическая мощность- 1кВт, тепловая- 5,5кВт. Цена этих микроТЭЦ довольно высока (от 350тыс.руб.), однако потребителей привлекают их несомненные достоинства.

Преимущества микроТЭЦ с двигателем Стирлинга:
бесшумность. Уровень шума на расстоянии 2м от работающей Ecopower составляет 56дБ, а при аналогичных условиях для WhisperGen- не более 40дБ. Это позволяет устанавливать WhisperGen в кухне (традиционное место газовых конденсационных котлов в европейских жилищах);
оптимальное для среднеевропейского дома количество вырабатываемой горячей воды. Летом не приходится думать о том, что делать с ее излишками;
компактность и легкость. Размеры установки, например, WhisperGen (ВШД) составляют 650500450мм, масса- 137кг.Таким образом, агрегат занимает в кухне столько же места, сколько стандартная посудомоечная машина. Для сравнения: габариты американской микроТЭЦ (ДВШ)- 1280980700мм, масса- 400кг;
отсутствие техобслуживания (ресурс работы- до 40тыс.ч): в них нет масла внутри цилиндра, нет фильтров и свечей зажигания, не надо регулировать клапаны и систему зажигания. Ав американской установке с ДВС уже после 8тыс.ч необходим ремонт;
топливная "всеядность". Двигатель Стирлинга способен использовать многие виды газообразного, жидкого и твердого топлива. Например, если он работает на водороде, выхлопа практически нет (все продукты сгорания превращаются в водяной конденсат в конденсационном теплообменнике). Соответственно тепло не уходит на улицу, и КПД достигает почти 100%. Если топливом служит природный газ, в выхлопе содержится до 15-20% водяных паров, которые, конденсируясь, активно поглощают ангидриды угольной, муравьиной и других кислот и тем самым существенно снижают уровень загрязнения окружающей среды. Поскольку "скрытая теплота" конденсации водяных паров передается нагреваемой воде, КПД установки доходит до 95%. Иное дело- каменный уголь: при сжигании он почти не образует водяных паров, а в его состав входит сера. Серный ангидрид при этом не может быть поглощен конденсатом (последний просто не появляется) и, соединяясь с атмосферной влагой, вызывает кислотные дожди. При работе на угле в атмосферу выбрасывается максимальное количество СО₂ и очень много тепла теряется с выхлопными газами, а КПД установки не превышает 85%.

В2008г. фирма MicroGen (международная компания с штаб-квартирой в Великобритании) провела широкомасштабный эксперимент. В100частных домах сотрудников компании EN Milieu на севере Нидерландов были установлены микроТЭЦ WhisperGen, а также компактные настенные микроТЭЦ совершенно нового типа, разработанные MicroGen и внешне почти неотличимые от популярных на Западе настенных газовых конденсационных котлов.

Даже внутреннее устройство этих новых микроТЭЦ визуально напоминает конструкцию стандартного настенного газового конденсационного котла благодаря сходству последнего и теплообменника микроТЭЦ. Разница только в том, что под теплообменником виден подвешенный на пружинах стирлинг-генераторный блок.

Впроцессе эксплуатации этих микроТЭЦ не только регулярно регистрировали показания измерительных приборов, но и оперативно изменяли конструкцию, а также разрабатывали и устанавливали дополнительные альтернативные источники энергии и устройства. Появился даже термин «интеграция альтернативных источников».

Абсорбционный чиллер- альтернативный источник холода. Он призван поглощать в летнее время избыточную тепловую энергию горячей воды и вырабатывать холод для систем кондиционирования воздуха и хранения пищевых продуктов. Когенерация, дополненная выделением холода, называется тригенерацией. Пока существуют только опытно-экспериментальные образцы абсорбционных чиллеров. ВРоссии можно без проблем купить недорогие абсорбционные автомобильные холодильники, приводимые в действие тепловой энергией работающей пропановой горелки. Однако эти устройства вряд ли могут служить абсорбционными чиллерами, так как применяющийся в них в качестве теплоносителя водный раствор аммиака недостаточно эффективен. Аиспользование в ближайшем будущем продуктивного чиллера, несомненно, увеличит электрическую мощность микроТЭЦ без проблем с излишками горячей воды.

Вакуумные коллекторы и солнечные фотопанели- альтернативный источник тепла и электроэнергии. Владельцы некоторых домов не живут в них постоянно. Вморозы в незаселенном здании с выключенным сетевым электричеством нужно поддерживать минимальную необходимую температуру (4-6С), при которой водопровод защищен от аварии, возможной из-за замерзания. Проблему решают вакуумные коллекторы и фотоэлектрические панели.

Взимний период эффективность работы фотопанелей весьма низкая, но ее достаточно для того, чтобы обеспечить действие циркуляционных насосов, поддерживающих движение воды в системе ГВС, нагретой от вакуумных коллекторов. Алетом, когда солнечные фотоэлектрические панели функционируют с максимальной отдачей электроэнергии, можно ограничить время работы микроТЭЦ. Это позволит не производить лишнюю горячую воду, сэкономить газообразное топливо и сберечь моторесурс теплового двигателя.

Специальная газовая горелка является альтернативным источником тепла в микроТЭЦ в морозные дни. Опыт эксплуатации микроТЭЦ показал, что в холодную погоду установка вырабатывает такое количество горячей воды, которого недостаточно для комфортного проживания в доме. Поэтому специалисты фирмы MicroGen монтируют на своих микроТЭЦ дополнительную газовую горелку. Она предназначена только для дополнительного нагрева воды в стужу.

Пеллеты- альтернативное возобновляемое топливо для микроТЭЦ. ВГермании, Австрии и других странах Евросоюза, а также России производство пеллет стремительно растет. Уже сейчас они обходятся европейским потребителям на 30 % дешевле природного газа, и ожидается, что в дальнейшем цены на этот вид топлива будут снижаться. ВНюрнберге фирма Sunmachine (Германия) начала выпускать когенерационные микроТЭЦ электрической мощностью 3 кВт с двигателем Стирлинга, работающим на сжигаемых пеллетах.

Альтернативные потребители горячей воды. При работе когенерационной установки, вырабатывающей электроэнергию, в теплое время года образуется излишнее количество горячей воды. Возникает вопрос: куда ее деть? В промышленности для охлаждения горячей воды строят градирни- устройства, которые рассеивают тепло в окружающую среду.

Рачительные хозяева вместо этих сооружений, не украшающих ландшафт и занимающих полезную площадь, возводят обогреваемые теплицы для интенсивного производства овощей, отапливаемые системы биологической переработки органических отходов в биогаз и удобрения или подогреваемые бассейны для купания, сауны, бани. Всвою очередь, развитие перечисленных устройств приводит к увеличению выработки электрической энергии когенерационными установками, а ее излишки могут поступать в централизованную электросеть.

Эксперимент фирмы MicroGen показал, что домашние микроТЭЦ выбрасывают в атмосферу не более 190 г углекислого газа на 1кВтч произведенной электроэнергии. При централизованных схемах выработки электричества и тепла в окружающее пространство уходит не менее 400г/(кВтч) СО₂. Чтобы выработать 2500кВтч, микроТЭЦ тратят 275м³ природного газа в год (при централизованных поставках- не менее 550м³). Всреднем в течение 1года жилой дом площадью 200м², оборудованный микроТЭЦ, выбрасывает на 1тыс.кг меньше СО₂, чем при централизованных поставках того же количества тепла и электричества.

Делаем выводы

Из-за начавшейся глобализации мировой экономики большинство промышленных предприятий в крупных городах закрываются. Люди переезжают с насиженных мест в провинцию. Те, кто хочет вести полноценную жизнь и решил максимально использовать преимущества вынужденного переселения, задумываются о том, что ощущение свободы и независимости может дать только собственный экодом.

Экодом- не утопия, а часть образа жизни наших детей и внуков. Только такое жилище полностью соответствует принципу устойчивого развития цивилизации, при котором, с одной стороны, люди практически не используют невозобновляемые источники энергии и материалы, а с другой- не причиняют вреда природе и здоровью своих собратьев. Подобный дом можно построить где угодно, поскольку он не зависит от энергоносителей. Это здание гармонично вписывается в ландшафт и, подобно живому существу, запасает летом энергию, а в зимниемесяцы существует благодаря ей. Человек более 50% отпущенного ему времени проводит в жилище, а комфортная среда обитания внутри экодома благотворно влияет на его здоровье и позволяет значительно улучшить качество жизни. Экодом живет за счет регенерируемых видов энергии: земли, солнца, ветра и биомассы (отходов сельского хозяйства и деревообработки). Такой дом не обесценивается. Если деревянный фасад вымок и выцвел (а мы не будем его красить, потому что договорились не применять химических веществ!), точно таким же он останется через 20 и 50лет. Он приобрел свое лицо- естественное. Обитателям этого дома комфортно уже от осознания того, что они не наносят ущерба себе и окружающей среде.

Получение биогаза (пиролизного газа) из отходов