Większość właścicieli domów nie zdaje sobie sprawy, że ogrzewanie i chłodzenie zużywają ponad połowę ich budżetu energetycznego. Według Departamentu Energii USA odsetek ten wynosi 56%. Jest to ogromny drenaż Twoich pieniędzy. Zielone technologie mają na celu wyeliminowanie tego problemu. Nie chodzi tylko o ratowanie niedźwiedzi polarnych. Chodzi także o to, aby rachunki za media nie rosły w zastraszającym tempie.
Weźmy na przykład Uniwersytet Santa Clara w Dolinie Krzemowej w Kalifornii. W kwietniu 2011 roku zamontowano na dachu 60 kolektorów słonecznych. Cel był prosty: efektywnie ogrzewać i chłodzić centrum studenckie. Inżynierowie zaprojektowali system tak, aby zapewniał zarówno ciepłą wodę, jak i klimatyzację. Działa poprzez wychwytywanie światła słonecznego i koncentrację energii. Woda w środku się nagrzewa. Robi się bardzo gorąco. Mówimy o temperaturze 200 stopni Fahrenheita.
Wyniki były natychmiastowe i imponujące. System zmniejszył zużycie gazu ziemnego o 70 procent rocznie. Zapobiegło także uwolnieniu do atmosfery 34 ton dwutlenku węgla. Uczelnia wydzierżawiła ten system na dziesięć lat po ustalonej cenie. Otrzymali także ponad 86 000 dolarów dotacji rządowych.
To nie jest odosobniony przypadek. Do ruchu przyłączają się uniwersytety, firmy i indywidualni właściciele domów. Ma to znaczenie, ponieważ zmniejsza emisję gazów cieplarnianych. Oszczędza również pieniądze. Ale bądźmy szczerzy: te systemy nie są tanie.
Weźmy na przykład koszty początkowe. Instalacja niektórych kolektorów słonecznych kosztuje od 30 do 80 dolarów za metr kwadratowy. Potrzebujesz kapitału. Lub możliwość pozyskania pożyczonych środków. Rząd oferuje programy motywacyjne, aby pomóc budowniczym i właścicielom domów zrównoważyć te koszty. Tylko w 2008 roku Amerykanie zaoszczędzili dzięki tym metodom ponad 19 miliardów dolarów. Trend jest rosnący. Wpływ jest realny.
Aby zrozumieć, w co się pakujesz, musisz znać różnicę między dwiema głównymi kategoriami: systemami pasywnymi i aktywnymi.
Strategie projektowania pasywnej energii słonecznej
Systemy pasywne nie korzystają ze sprzętu mechanicznego. Nie polegają na piecach ani klimatyzatorach. Wykorzystują w pełni zdolność natury do regulowania temperatury. To jest geometria architektoniczna.
Klasycznym przykładem jest dach. Dachy białe lub jasne odbijają światło słoneczne. Nie absorbują tego. Rezultatem jest chłodniejszy budynek. Latem do chłodzenia domu potrzeba mniej energii. Ważną rolę odgrywają także okna. Okna o wysokiej wydajności zatrzymują ciepło na zewnątrz i chłodne powietrze wewnątrz. Projektując, walczysz z prawami fizyki.
Aktywne systemy zielonej energii
Systemy aktywne są różne. Używają urządzeń mechanicznych. Systemy te działają w oparciu o ekologiczne źródła energii. Najbardziej popularna jest energia słoneczna. Energia geotermalna to kolejny ważny gracz. Trzecią opcją jest energia z biomasy z materiałów organicznych.
Do tej kategorii zaliczają się także wodne systemy grzewcze. Przepuszczają gorącą wodę lub płyny grzewcze. Klimatyzatory lodowe wykorzystują zamarzniętą wodę, aby zmniejszyć szczytowe zużycie energii elektrycznej w ciągu dnia. Systemy te są złożone. Wymagają wiedzy specjalistycznej.
Opcja 10: Ogrzewanie i chłodzenie geotermalne
Lista opcji zaczyna się od systemów geotermalnych. Wspomniałeś już o tym we wnioskach. Ale co to właściwie oznacza dla Twojego domu?
Technologia geotermalna wykorzystuje stabilną temperaturę wnętrza Ziemi. Ziemia pozostaje chłodna latem i ciepła zimą, niezależnie od temperatury powietrza nad nią. Geotermalna pompa ciepła wykorzystuje tę stabilność. Przenosi ciepło z lub do gruntu.
Zimą system pobiera ciepło z gruntu i przekazuje je do wnętrza domu. Latem proces ten ulega odwróceniu. Pobiera ciepło z domu i odprowadza je do chłodniejszego gruntu. Wydajność jest oszałamiająca w porównaniu do powietrznych pomp ciepła. Nie walczysz z temperaturą powietrza. Wykorzystujesz stałą masę termiczną Ziemi.
Instalacja jest inwazyjna. Chcesz, żeby kontury zostały zakopane na twoim podwórku. Kontury poziome wymagają dużej powierzchni. Pionowe kontury sięgają głęboko w studnie. Tutaj koszty drastycznie rosną. Wiercenie jest drogie. Sprzęt jest drogi.
Ale koszty operacyjne są niskie. Po zainstalowaniu zużycie energii jest znikome w porównaniu z mocą cieplną. Jest to inwestycja długoterminowa. Płacisz opłatę instalacyjną, aby zaoszczędzić na każdym rachunku przez następne dwie dekady.
Czy to jest dla Ciebie odpowiednie? To zależy od Twojej witryny i budżetu. Potrzebujesz miejsca na kontury poziome lub kapitału na wiercenia pionowe. Potrzebujesz wykonawcy, który zna systemy pętli uziemienia. To nie jest weekendowy projekt typu „zrób to sam”.
Przejście na ekologiczne ogrzewanie i chłodzenie następuje powoli. To jest drogie. Ale oszczędności się sumują. A wpływ na środowisko jest mierzalny. Udowodnił to Uniwersytet w Santa Clara. Możesz powtórzyć tę zasadę na mniejszą skalę.
“W porównaniu ze standardowymi systemami ogrzewania i chłodzenia, stosowanie zielonej technologii jest lepsze dla środowiska, ponieważ pomaga zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych. Dodatkowo wydajność tych zielonych systemów pozwala ludziom oszczędzać pieniądze na rachunkach za energię. “
Technologia istnieje. Istnieją zachęty. Matematyka się sumuje. Pytanie brzmi, czy jesteś skłonny zainwestować kapitał początkowy, aby zatrzymać drenaż energii. Większość ludzi odmawia, dopóki rachunek nie stanie się zbyt wysoki. Wtedy działają. Nie bądź jak większość ludzi.
Zacznij od sprawdzenia swojego obecnego systemu. Ile ona ma lat? Jaka jest jej ocena występów? Następnie spójrz na zarys swojego domu. Strategie pasywne są tańsze niż aktywne. Uszczelnij nieszczelności. Dodaj izolację. Przyciemnij okna. Rozwiąż proste problemy przed wezwaniem wykonawcy instalacji geotermalnych.
Kolejne opcje na liście to biomasa i systemy wodne. Oferują różne drogi do tego samego celu. Zmniejszona zależność energetyczna. Niższe rachunki. Mniejszy ślad węglowy. Ale mają swoje kompromisy. Wymagania dotyczące przechowywania. Harmonogramy konserwacji. Źródła paliwa.
Masz pierwszy element układanki
Nie potrzebujesz doktoratu z geologii, aby wykorzystać niewyczerpany potencjał energetyczny planety. Ziemia jest nasycona ciepłem. Wrze w głębinach. Ale nie musisz kopać tak głęboko, aby wyremontować swój dom. Zaledwie kilka stóp pod powierzchnią temperatura gruntu pozostaje stała. Przez cały rok waha się od 42 do 80 stopni Fahrenheita. To właśnie ta stabilność jest kluczem. System geotermalny wykorzystuje tę stałą temperaturę gruntu do ogrzewania i chłodzenia niemal każdego rodzaju budynku.
Należy pamiętać, że systemy te nie wykorzystują stopionego jądra Ziemi. Używają pomp ciepła. Pompa tłoczy ciecz — wodę lub czynnik chłodniczy — przez podziemne studnie. Zimą ciecz ta pochłania ciepło ziemi i przenosi je do wnętrza. Latem proces się zmienia. Pobiera ciepło z domu i zwraca je z powrotem do ziemi.
9: Projekt pasywnej energii słonecznej
Słońce dostarcza darmowej energii odnawialnej. Nie potrzebujesz brzydkich paneli słonecznych, aby czerpać te korzyści. Pasywna konstrukcja solarna wykorzystuje naturalny transfer ciepła. Brak ruchomych części. Minimalna konserwacja. Opiera się na samej konstrukcji budynku – ścianach, podłogach, oknach – w celu gromadzenia, przechowywania i uwalniania energii słonecznej.
Nie jest to rozwiązanie całkowicie samodzielne. Nadal potrzebujesz mechanicznego systemu zapasowego. System wymuszonej wentylacji lub promiennikowe ogrzewanie podłogowe przejmuje większość pracy związanej z chłodzeniem latem i ogrzewaniem zimą. Ale elementy pasywne zmniejszają obciążenie.
Najprostsza wersja, odpowiednia do samodzielnego wykonania, to „bezpośrednia absorpcja”. Światło słoneczne wpada przez okna. Szkło przekształca światło w energię cieplną. Ciemne ściany i podłogi pochłaniają to ciepło. Gromadzą to. Dopóki powietrze wewnątrz pozostaje ciepłe, dom zatrzymuje tę energię. W nocy, gdy temperatura spada, ściany oddają ciepło z powrotem do pomieszczeń mieszkalnych.
Aby uzyskać nieco bardziej wyrafinowane podejście, budowniczowie mogą zainstalować w ścianach metalowe lub plastikowe rury wodociągowe. Światło słoneczne pada na zewnątrz. Woda w środku się nagrzewa. Pompujesz tę ciepłą wodę wokół domu. Pełni funkcję źródła ciepła. To prosta fizyka. To działa.
8: Aktywne systemy słoneczne
Niektórzy właściciele domów nie mają nic przeciwko wykorzystaniu części przestrzeni na dachu. Aktywna energia słoneczna wykorzystuje ogniwa fotowoltaiczne (PV). Materiały te przekształcają światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Energia ta może zasilać system HVAC (ogrzewanie, wentylację i klimatyzację), oświetlenie i urządzenia. Technologia fotowoltaiczna jest znana od dziesięcioleci. Zasila satelity i kalkulatory.
Jest jedno zastrzeżenie. Efektywność. Nowoczesne ogniwa przekształcają tylko około 10 procent światła słonecznego w energię użyteczną. Duża część tego potencjału słonecznego jest tracona w postaci ciepła.
Do tego dochodzi kwestia kosztów. Instalacja systemu fotowoltaicznego kosztuje od 27 000 do 36 000 dolarów. Okres zwrotu rachunków za energię wynosi 12–15 lat. Ulgi podatkowe i zachęty federalne pomagają zrównoważyć koszty początkowe. Ale to jest znacząca inwestycja.
Istnieją tańsze alternatywy dla systemów aktywnych. Systemy te wykorzystują powietrze lub wodę. Kolektor pochłania energię słoneczną. Powietrze lub woda nagrzewają się. Ciepło to jest przekazywane bezpośrednio do domu lub zbiornika magazynowego. Stamtąd wentylatory lub pompy rozprowadzają ciepło. Mówimy tu nie tyle o wytwarzaniu energii elektrycznej, ile o bezpośrednim wychwytywaniu ciepła.
Jak działają ogniwa słoneczne
Na poziomie mikroskopowym ogniwa słoneczne wychwytują fotony. Wybijają elektrony. Te szybko poruszające się elektrony wytwarzają prąd elektryczny. Podłącz przewody. Dostajesz energię. Wystarczająco, aby zapalić żarówkę lub zakręcić silnikiem. Pamiętaj jednak, że liczy się 10-procentowy współczynnik wydajności. Potrzebujesz dużo miejsca na dachu, aby znacznie obniżyć rachunki za prąd.
7: Energia z biomasy
Energia z biomasy pochodzi z materiałów organicznych. Drewno, odpady rolnicze, a nawet stałe odpady komunalne. Spalisz je. Albo się rozkładasz. Rezultatem jest ciepło lub paliwo. Jest to źródło odnawialne, ponieważ można wyhodować więcej roślin. Ale nie jest bezemisyjny. Podczas spalania drewna wydziela się dwutlenek węgla. Cykl działa tylko wtedy, gdy nowy wzrost pochłonie CO2.
Dla właścicieli domów typu „zrób to sam” biomasa zwykle oznacza piec na drewno lub kocioł na pellet. Wymaga miejsca do przechowywania paliwa. Wymagana jest regularna konserwacja w celu usunięcia popiołu i sadzy. Nie jest to system typu „ustaw i zapomnij” jak pompa ciepła. Jeśli jednak masz dostęp do taniego lub bezpłatnego drewna, koszty operacyjne mogą być bardzo niskie. Jest to namacalne źródło energii. Widzisz paliwo. Kontrolujesz proces spalania.
Ekonomika ogrzewania biomasą
Ogień drewnem zapewnia pierwotny komfort. To nie tylko nostalgia. To jest fizyka.
Biomasa to energia uzyskiwana z materii żywej. Drzewa. Rośliny. Słoneczny. Spalając drewno wykorzystujesz zgromadzoną energię słoneczną. Jest odnawialny. Ona jest naturalna. A dla właścicieli domów, którzy chcą radykalnie obniżyć swoje rachunki za media, często jest to tańsze niż propan, gaz ziemny lub olej opałowy.
Nowoczesne systemy są czystsze, niż można by się spodziewać. Na przykład system zrębków drzewnych emituje znacznie mniej substancji zanieczyszczających niż tradycyjny piec na drewno. Jaki jest jego ślad węglowy? Minimum. Paliwa kopalne uwalniają węgiel, który był zakopany pod ziemią przez miliony lat. Spalanie biomasy uwalnia tylko ten węgiel, który roślina pochłonęła w ciągu swojego życia. To błędne koło.
Matematyka działa na Twoją korzyść. Spójrz na Wisconsin. W 2008 roku państwo ogłosiło, że przejście szkół z gazu ziemnego na biomasę drzewną obniży koszty ogrzewania o 29–57%. Oznacza to oszczędności od 53 000 do 75 000 dolarów na szkołę rocznie. Wyobraź sobie, że oszczędzasz tyle na rachunkach za ogrzewanie własnego domu.
### Ogrzewanie wodne: cichy pracownik
Pamiętasz stukające kaloryfery w domu Twojej babci? Są to systemy hydrauliczne. Ale dzisiejsze wersje są bardziej złożone. Ogrzewają nie tylko powietrze. Podgrzewają wodę.
Kotły w tych systemach wykorzystują energię słoneczną lub geotermalną do podgrzewania płynu. Zwykle jest to woda. Czasami – roztwór zapobiegający zamarzaniu. Ciecz ta jest pompowana rurami z tworzywa sztucznego. Rury mogą przebiegać pod deskami podłogowymi. Można je umieścić wzdłuż listew przypodłogowych. Można je też podłączyć do klasycznych grzejników.
Jak przekazywane jest ciepło? Trzy sposoby.
Przewodność. Ciepło przekazywane jest z obiektu na obiekt. Wyobraź sobie łyżkę w garnku z gorącą zupą. Uchwyt nagrzewa się. Promieniowanie. Energia przekazywana jest poprzez fale elektromagnetyczne. Czujesz ciepło lampy grzewczej, nie dotykając jej. Konwekcja. Podnosi się ciepła woda. Zimna woda opada. Wrząca woda jest doskonałym przykładem.
Jest tu jeszcze druga zaleta. Systemy hydrauliczne mogą pompować gorącą wodę przez rury na dachu. Zapobiega to tworzeniu się zapór lodowych. Śnieg nie gromadzi się. Twoje rynny pozostają nienaruszone.
### Absorpcyjne pompy ciepła
Większość pomp ciepła działa na energię elektryczną. Absorpcyjne pompy ciepła nie. Działają na gorąco. Zazwyczaj zasilane gazem ziemnym, chociaż odpowiednie są również źródła słoneczne i geotermalne.
Istnieją dwie główne różnice między pompami oczyszczającymi a standardowymi pompami elektrycznymi. Po pierwsze, źródło energii. Pompa absorpcyjna wykorzystuje palnik gazowy. Po drugie, płyn roboczy. Pompy elektryczne wykorzystują czynniki chłodnicze. Pompy absorpcyjne wykorzystują roztwór wody i amoniaku.
Zimą rozwiązanie to pochłania ciepło z gruntu. Pompa tłoczy podgrzany płyn do domu. Powietrze się nagrzewa. Latem proces ten ulega odwróceniu. Wymiana ciepła działa w odwrotnym kierunku.
Niektóre większe obiekty idą dalej. Mall of America odzyskuje ciepło z ciał gości, aby regulować temperaturę. Nie jest to skalowalne w przypadku domu na przedmieściach. Ale to potwierdza tę koncepcję: ciepło odpadowe jest cennym ciepłem.
### Biodiesel i BioCiepło
Wcześniej biodiesel był używany w samochodach ciężarowych i traktorach. Teraz – dla Twojego kotła.
Właściciele domów ignorowali go przez lata. Ropa była tania. Ale ceny ropy rosną. Biodiesel nadrabia zaległości. Mieszanki „BioHeat” zawierają 5, 10 lub 20 procent biopaliwa zmieszanego ze standardowym olejem opałowym. Można palić te mieszaniny w zwykłym kotle olejowym. Nie wymaga modyfikacji.
Korzyści dla środowiska są oczywiste. Mniej zanieczyszczeń. Mniej dwutlenku węgla. Paliwa te produkowane są z roślin energetycznych. Pszenica. Kukurydza. Soja. Trzcina cukrowa. Są odporne.
Ale jest wąskie gardło. Zaopatrzenie. Dystrybutorów jest za mało. W Stanach Zjednoczonych tylko około 19 firm dostarcza mieszanki BioHeat klientom indywidualnym. Jeśli mieszkasz daleko od dystrybutora, nie masz szczęścia. Przed podjęciem decyzji sprawdź lokalną dostępność.
### Kondycjonery do lodu
Lód świetnie nadaje się do koktajli. Jednak jego zastosowanie jako głównego źródła chłodzenia w nowoczesnym dwupoziomowym biurowcu lub domu podmiejskim jest mniej oczywiste. Jednakże firma Ice Energy udowodniła, że zamarznięta woda może zasilać systemy klimatyzacyjne. Ich system nie zastępuje całkowicie klimatyzatora. Ona z nim pracuje. Cel jest prosty: przenieść większość obciążenia do godzin niskiego obciążenia sieci.
W upalne dni sieci energetyczne są przeciążone. Domy i firmy włączają swoje systemy z pełną wydajnością. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu zużycia energii elektrycznej. Systemy lodowe zmieniają reguły gry, zamrażając wodę w nocy. Gromadzą ten lód. Lód następnie chłodzi czynnik chłodniczy w ciągu dnia. Sprężarka pracuje w trybie łagodnym. Zmniejsza to całkowite zużycie energii o około 30 procent.
Jak systemy energii lodowej zmniejszają koszty chłodzenia
Zasada działania jest prosta. Nie trzeba mieć dyplomu fizyki, żeby to zrozumieć. W nocy urządzenie przepuszcza czynnik chłodniczy przez miedziane wężownice. Wężownice te znajdują się wewnątrz zbiornika zawierającego 450 galonów wody. Czynnik chłodniczy usuwa ciepło. Woda zamarza.
Kluczową rolę odgrywa oszczędzanie. Lód jest w zbiorniku. Kiedy nadchodzi upał, istniejący system klimatyzacji nie działa z pełną wydajnością. Zamiast tego lód chłodzi gorący czynnik chłodniczy. Budynek pozostaje wygodny. Sieć energetyczna pozostaje stabilna. Oszczędzasz pieniądze na rachunkach za energię. Ten system chłodzenia oparty na lodzie jest szczególnie skuteczny na obszarach o wysokich temperaturach w ciągu dnia i niższych stawkach w nocy.
Koncepcja zielonego węgla: przekształcanie zanieczyszczeń w energię
„Zielony węgiel” brzmi jak oksymoron. Węgiel jest notorycznie brudny. Zawiera od 25 do 90 procent węgla. Podczas spalania wydziela się dwutlenek węgla, siarka i tlenek azotu. Gazy te przyczyniają się do globalnego ocieplenia. Nauka oferuje jednak ciekawy zwrot akcji.
Naukowcy stosują proces zwany zgazowaniem. Pozyskuje tlen z wody za pomocą węgla z węgla. Rezultatem jest czysty wodór, który można spalić. Gaz ten może napędzać turbinę. Turbina wytwarza energię elektryczną. Emisje nie są uwalniane tylko do atmosfery. Są pompowane pod ziemię. Inne zanieczyszczenia przekształcają się w ciała stałe. Te ciała stałe mogą zostać spalone. Jest to złożony proces. Ale zmienia to sposób, w jaki myślimy o paliwach kopalnych.
Ogrzewanie wody własnymi rękami za pomocą wiatru: opcja zrównoważona
Wiemy, że wiatr wytwarza energię elektryczną. A co z ciepłem? Nie potrzebujesz wielkiego wiatraka na swoim podwórku. Studenci Uniwersytetu Stanowego Oregon udowodnili to w 2006 roku. Zbudowali miniaturowy podgrzewacz wody z turbiną wiatrową.
System ten jest całkowicie stabilny. W przeciwieństwie do tradycyjnych grzejników wykorzystujących elementy elektryczne lub palniki gazowe, ten opiera się na wietrze. Jest przymocowany do dachu. Główny wymóg? Wystarczająca siła wiatru, aby obrócić turbinę.
Mechanika jest elegancka. Turbina obraca magnesy przymocowane do metalowej płytki. Magnesy te obracają się obok miedzianej płytki. Opór magnetyczny podgrzewa miedź. Woda pompowana przez miedziane rurki z tyłu płyty pochłania to ciepło. Rezultatem jest gorąca woda. Teoretycznie ta ciepła woda może być rozprowadzana po całym domu. Staje się źródłem ciepła. Jest to praktyczne rozwiązanie na tereny wietrzne.
Często zadawane pytania
Jakie są początkowe koszty instalacji systemów geotermalnych?
Systemy geotermalne są początkowo drogie ze względu na koszty wierceń i sprzętu, często wahające się od 10 000 do 20 000 dolarów, ale mogą znacznie obniżyć długoterminowe koszty energii.
Czy istnieją zachęty rządowe do instalowania systemów ogrzewania i chłodzenia wykorzystujących energię słoneczną?
Tak, wiele rządów oferuje zachęty podatkowe, rabaty i dotacje w celu zrównoważenia kosztów instalacji słonecznych systemów ogrzewania i chłodzenia, promując ich przyjęcie.
Więcej informacji
