Проект на тему «Дом будущего»

Введение

Когда в классе спрашивают, каким будет дом через тридцать лет, ответы почти всегда приходят из кино: стены меняют цвет, робот подаёт завтрак, а машина сама паркуется в гараже на крыше. Строители и инженеры смотрят на тот же вопрос гораздо приземлённее. Для них дом будущего прежде всего тёплый, недорогой в содержании и по возможности сам добывающий часть энергии, а дождевую воду он собирает в бак вместо того, чтобы сливать её в канаву. Почти всё это можно купить уже сейчас, хотя пока такие дома встречаются нечасто.

Тема проекта связана с программой предмета «Технология» в 8 классе, где изучают домашнее хозяйство, инженерные коммуникации, энергосбережение и современные технологии. Проект помогает собрать эти разделы в одну картину: из чего состоит дом, куда уходит энергия и что можно изменить, чтобы жильё стало удобнее и дешевле в содержании. Кроме того, работа над макетом даёт практику в черчении, измерениях и ручной обработке материалов.

Проблема, с которой начинается проект, такова. Обычный многоквартирный или частный дом, построенный несколько десятилетий назад, расходует на отопление в несколько раз больше энергии, чем современный энергоэффективный, а жильцы часто не знают, какие решения им доступны. Цель проекта состоит в том, чтобы изучить технологии, из которых складывается дом будущего, и на их основе разработать проект и макет такого дома. Продуктом проекта станет макет одноэтажного дома в масштабе 1 : 50 с пояснительной запиской и схемой инженерных систем.

Для достижения цели поставлены задачи: узнать, какие технологии называют основой дома будущего; сравнить расход энергии в домах разного типа; выбрать решения, подходящие для климата средней полосы России; выполнить эскиз, чертёж и макет дома; подсчитать примерные затраты на материалы. Работа выполнялась в несколько этапов, от поиска информации до защиты, а методами служили изучение литературы, сравнение, моделирование и простой расчёт.

Глава 1. Какие технологии делают дом домом будущего

1.1 Энергосбережение: тёплый дом и пассивный дом

Больше всего энергии в жилом доме в России уходит на отопление, ведь отопительный сезон в средней полосе длится больше полугода. Тепло теряется через стены, крышу, пол, окна и с воздухом при проветривании. Поэтому первое, с чего начинается дом будущего, это не солнечные батареи и не роботы, а хорошее утепление. Толстый слой теплоизоляции, окна с двух- и трёхкамерными стеклопакетами и отсутствие щелей сокращают потери тепла сильнее, чем любые сложные приборы.

Дальше всего в этом направлении продвинулся так называемый пассивный дом. Стандарт Passivhaus разработали в Германии, а первый такой дом построили в городе Дармштадте в 1990–1991 годах по проекту физика Вольфганга Файста. Главное требование стандарта звучит просто: на отопление одного квадратного метра площади должно уходить не больше 15 кВт·ч энергии в год. Чтобы уложиться в эту цифру, в доме ставят очень толстую изоляцию, специальные окна и систему вентиляции, которая забирает тепло у уходящего воздуха и отдаёт его свежему.

Такую вентиляцию называют приточно-вытяжной с рекуперацией тепла. Зимой тёплый воздух из комнат проходит через теплообменник и по пути отдаёт своё тепло холодному уличному воздуху, который движется навстречу, причём сами потоки нигде не смешиваются. Форточку в таком доме открывать не нужно, и всё же духоты нет. На уроках физики в 8 классе как раз проходят теплопередачу, так что устройство рекуператора легко объяснить, нарисовав два канала с тонкой стенкой между ними.

Насколько отличаются дома по расходу тепла, показано на рисунке 1. Значения на нём ориентировочные, так как многое зависит от климата, площади и состояния здания, но порядок величин виден хорошо: старый дом тратит на отопление во много раз больше, чем пассивный.

Разница между первым и последним столбцом объясняется не какой-то одной хитростью, а суммой мелочей. В пассивном доме стены толще, окна лучше, нет щелей у порога и под подоконником, а тёплый воздух не уходит на улицу при каждом проветривании. Часть этих мер, например замену окон и утепление чердака, можно провести и в старом доме, хотя до показателей пассивного дома он, конечно, не дотянет.

1.2 Собственная энергия и вода

Второе направление связано с тем, чтобы дом сам получал часть нужной ему энергии. Чаще всего для этого ставят солнечные батареи, то есть фотоэлектрические панели, в которых свет рождает электрический ток. Их кладут на южный скат крыши или вешают на южную стену, а то, что не израсходовано днём, уходит в аккумуляторы. Отапливать дом и греть воду помогает тепловой насос. Он забирает тепло из грунта, воды или даже холодного воздуха и переносит его в комнаты, и устроен он так же, как домашний холодильник, только холодильник выкачивает тепло изнутри наружу, а насос делает наоборот.

Для средней полосы России у солнечной энергетики есть понятное ограничение. Зимой день короткий, солнце стоит низко, панели нередко засыпает снегом, и выработка в декабре оказывается во много раз меньше, чем в июне. Получается, что панели хорошо выручают летом, а в самое холодное время года главную работу берут на себя утепление и тепловой насос. Поэтому при выборе решений для макета мы исходили из того, что сначала дом нужно сделать тёплым, а уже потом думать, где взять для него энергию. Ветряки для частного дома в нашем климате тоже применяют, но они шумят и требуют открытого места, поэтому в проект не включены.

Вода тоже требует бережного отношения. В доме будущего дождевую воду с крыши собирают в бак и используют для полива сада и смыва в туалете, а для питья и готовки берут водопроводную. Краны и душевые лейки с аэраторами смешивают воду с воздухом, поэтому напор остаётся привычным, а расход падает. Счётчики и датчики протечки помогают вовремя заметить, что где-то капает труба или забыт открытым кран.

Основные технологии, о которых шла речь, собраны в таблице 1. В ней указано, что делает каждая технология и насколько она доступна обычной семье уже сейчас.

Таблица 1 — Технологии дома будущего и их назначение

1.3 Умный дом и новые способы строительства

Третье направление касается управления домом. Системой «умный дом» называют набор датчиков, исполнительных устройств и программ, которые связаны между собой и могут работать без участия человека. Датчик освещённости включает свет, когда темнеет, термостат держит заданную температуру в каждой комнате, датчик дыма подаёт сигнал на телефон хозяина. Главная польза такой системы не в развлечении, а в экономии: свет и отопление не работают там, где никого нет.

Меняются и сами способы строительства. Компания Apis Cor зимой 2016–2017 года напечатала на строительном 3D-принтере небольшой жилой дом в подмосковном Ступине, причём стены были возведены меньше чем за сутки. Принтер выдавливает слой за слоем специальную бетонную смесь, повторяя контур стен по компьютерной модели. Такая технология пока не заменила кирпич и панели, однако показывает, что дом можно строить быстрее и с меньшим количеством отходов.

Если сложить всё сказанное, дом будущего получается не одним изобретением, а сочетанием решений: тёплой оболочки, собственного источника энергии, бережного расхода воды и разумного управления. Для макета в практической части выбраны те из них, которые подходят для средней полосы России и которые можно показать наглядно: утеплённые стены, солнечные панели на южном скате крыши, бак для дождевой воды и схема датчиков умного дома. Как выполнялись эскиз, чертёж, сборка макета и расчёт стоимости материалов, описано во второй главе.