Полуавтономный энергоэффективный экодом в Каменушке вблизи Академгородка

Более половины граждан хотели бы жить в своем доме с удобствами городской квартиры. Ценовой фактор является главным ограничителем, поэтому развитие малоэтажного строительства индивидуального жилья определяется затратами: на земельный участок, коммуникации, возведение дома и его эксплуатацию.

Поиск оптимальной стратегии по соотношению капитальных затрат на дом и его эксплуатацию полностью зависят от застройщика. Можно дешево купить готовый быстро возводимый домик (по канадской, финской и т.д. технологии) и потом нести большие затраты на его содержание, или построить очень дорогой умный дом, но с минимальными затратами на его эксплуатацию. Можно быстро поставить деревянный дом с гарантируемым сроком службы 20 лет, а можно родовую усадьбу из камня на 100-200 лет без капитального ремонта. Выбор на практике крайне сложен.

Для оптимизации выбора вполне пригоден критерий из инновационного бизнеса – 5 летний срок окупаемости. Современные дома в коттеджных поселках с инфраструктурой, например, в Подмосковье, стоят миллион $ и доступны лишь малой части населения. Большинство желающих жить в своем доме из среднего класса даже не представляют, каким должен быть их собственный дом. Следствием этого часто является долгострой или пустующие дома, т.е. по сути выброшенные на ветер средства, когда застройщик переоценил свои возможности или недооценил проблемы строительства. Главным критерием для принятия решения является соотношение между рыночной стоимостью недвижимости и имеющимися средствами.

 Строительство многоэтажек – хорошо организованный процесс с оптовыми ценами на материалы. Поэтому цена кв.м в загородных домах малой этажности объективно выше раза в 2. Услуги ЖКХ завышаются по многим причинам, поэтому разница в ценах частично компенсируется. С учетом своего теплого гаража и приусадебного участка разница уменьшается еще больше. Однако дома, предлагающиеся на рынке за 6 миллионов рублей, вряд ли могут быть отнесены к современным и удовлетворяющим нашим представлениям о своем доме. При наличии 3 миллионов рублей в ценах 2014 г. переходить к строительству большой риск. Мы располагали такими средними возможностями и, тем не менее, решили приступить к строительству. Мы понимали, что для успеха необходимо не только избежать ошибок, но и применить новые подходы, использовать современные технологии.

Проблемами экономного экологического домостроения мы занимались на научно-технологическом уровне с 1980-х гг. в коллективе движения Экодом. Были разработаны основы целого ряда новых технологий с использованием грунта, местного сырья и отходов [1], которые были очень выгодны в случае организованного сезонного строительства эко-поселков. К владению новыми технологиями необходимо добавить 10-летний опыт сезонного строительства в ССО и шефских бригадах во времена СССР. К реальным подходам можно отнести строительство: 1) на базе «домика в деревне», где есть электричество и подъезд, 2) в обществе или кооперативе для застройки коттеджного поселка, где затраты на инфраструктуру распределяются между застройщиками. Мы выбрали первый вариант, потому что новые, не апробированные ранее подходы и технологии невозможны в организованной массовой застройке, Бесплатно представляемые участки земли в ЖСК СО РАН не компенсируют, по нашему мнению, избыточных затрат на создание инфраструктуры и отсутствие выбора.

Выбор участка и проект дома

В результате многолетнего поиска мы выбрали земельный участок в 16 соток с домиком и подведенной электрической сетью в Каменушке, в 7 км от Академгородка. На его приобретение ушла половина имеющихся средств. Плюсы участка: юго- восточный склон, асфальтированная дорога в 30-40 м, достаточно большая площадь и вдобавок рядом свободная земля, толстый слой жирного чернозема, пруд в 20 м, 7 мин езды до проспекта Лаврентьева. Минус: ужасное состояние участка и домика, ценность которого была сильно отрицательной. Со временем выявились другие недостатки: малопригодный для строительства грунт, стрельбище через дорогу, холодный климат – здесь бывает до 5 градусов прохладнее, чем в близлежащем Академгородке.

Проект своего дома мы разрабатывали более 20 лет, но после покупки участка он перерабатывался еще много раз. Проект дома, помимо чисто потребительских желаний, должен создаваться с учетом участка – грунта, наклона, ориентации, подъездной дороги, возможных коммуникаций, и пакета совместимых строительных технологий, пригодных для сезонного строительства с минимальным привлечением дорогой техники и строителей. Наш выбор – до м на 1 0 0 лет и более: максимально энергоэффективный, при использовании простых и дешевых решений с использованием дровяного камина как основного источника отопления, полуавтономный (техническая вода из скважины в доме, сухой биотуалет для максимального снижения стоков, очистка и накопление серых стоков для последующего полива участка, раздельный сбор мусора), гараж на две машины, крыльцо, теплица как тепловой буфер (рис. 1).

Подвальное помещение на полдома запланировано для размещения инженер- ных систем, а весь грунт из подвала объемом 80 кубометров используется как запол- нитель в цоколе и центральной массивной стене. Эта идея баланса по грунту была зало- жена в проекте «Экодома», который победил на открытом конкурсе «Свой дом» в 1996 г. Мы планировали максимально адаптировать разработанные ранее локальные минитехнологии для строительства экопоселков [1] к единичному экодому. Строительство дома в экопоселке заведомо дешевле и качественнее, чем при возведении одного дома, но пока нет реализованного образца аргументы в пользу экодомов мало убедительны для среднего застройщика. Дом представляет собой классическую пятистенку: внешние стены из деревянного каркаса, заполненного соломой и закрытого оргалитом. Внешняя стена выполнена из пустотного облицовочного кирпича, пустоты заполнены вермикулитом. Внутренняя стена из полнотелого кирпича. Зазоры между каркасом и стенками заполнены керамзитом. Центральная стена в основании имеет ширину в 3 кирпича, 2.5 кирпича на первом и 2 кирпича на втором этаже. Кладка колодцами с перевязкой и послойным заполнением трамбованным влажным грунтом обеспечивает достаточную несущую прочность при минимальном потреблении материалов и максимальной утилизации грунта. Перекрытия выполнены из стальных прямоугольных труб, которые может установить даже один строитель. Большая масса стен крайне необходима для обеспечения тепловой инерции дома в условиях холодного климата. В то же время внешние многослойные стены относительно легкие – нагрузка на грунт по внешнему фундаменту не превышает 1 кг /см2 . Масса дома составляет 350 тонн, что во много раз больше деревянных домов. Для увеличения тепловой инерции в подвале дома располагаются резервуары для технической воды и серых стоков объемом до 30 кубометров, а также 1 кубометр соли, теплоемкость которой с фазовым превращением на порядок выше воды. Сначала планировали дом полумансардного типа, но в итоге выбрали необычное для Сибири решение с плоской крышей.

Плюсы этого выбора: 1) дополнительно 100 кв м полезной площади летом с прекрасным видом на озеро и сопки во круг, к то му же гнус и ко мар ы на 6 м высо те не сто ль мно го численны; 2) о чень значительное дополнительное утепление крыши за счет снега толщиной до 1-1.5 м; 3) решение намного дешевле, быстрее и безопаснее в реализации, что особенно важно, т.к. очередь крыши подходит к осени – в это время крайне сложно строить обычную крышу под ветром и осадками. В проекте закладывается совместимая комбинация решений: грунт используется в качестве материала для забутовки цоколя и центральной стены, в создаваемом при выемке грунта подвале размещается система резервуаров для хранения и подогрева воды из скважины с температурой 8 °С солнечными коллекторами в теплице, серые стоки при хранении до 6 месяцев полностью очищаются бактериями, а перед сбросом избытка воды в резервуар за пределами дома она используется для подогрева входящего воздуха. Чтобы сэкономить на топливе и системе отопления с разводкой по дому используется весь арсенал средств: теплые стены с энергоэффективной отделкой, утепленный фундамент и цоколь, тепловое зонирование дома, грунт в подвале подогревается теплом с воздушных солнечных коллекторов, окна из максимально энергосберегающих стеклопакетов, заполненных инертным газом, оборудуются рольставнями снаружи и римскими шторами изнутри. Оконные проемы размещены в основном на южной стороне. Половина дома окружена буферными зонами для сокращения тепловых потерь. Принудительная вентиляция с пассивным подогревом воздуха зимой и охлаждением летом позволяет значительно снизить стоимость и повысить теплозащиту стеклопакетов за счет отсутствия створок и форточек. Встроенный пылесос с выбросом очищенного воздуха в подвальное помещение обеспечивает круглогодично идеально чистый воздух в доме. От системы солнечных коллекторов на крыше мы отказались ввиду нерентабельности и сложности монтажа и обслуживания.

Строительство

Строительство дома планировали разбить на два сезона. На первый год - подготовка и планировка участка, посадки деревьев и кустарников, дорога, скважина, фундамент и цоколь, резервуары для очищенных стоков для полива, заготовка основных материалов – кирпич, пиломатериал, солома, стальной прокат, стекломагнезиевый лист, керамогранит. За один сезон построить запланированный дом невозможно: 1) несущая способность фундамента увеличивается за счет диффузии реагента; 2) солома доступна лишь осенью. На второй год – основное строительство, с выходом осенью на отделочные работы и запуск инженерных систем к зиме. Мы планировали привлечь помощников, но этого не удалось сделать из-за их дефицита ввиду строительного бума. Из-за ряда накладок, включая непогоду, срыв поставок, отладки технологических идей и поломок оборудования общестроительные работы были выполнены лишь на 80%, т.е. дом ушел в зиму недоделанным. К осени 2015 г. планируется завершение строительства дома, включая инженерные системы и большую часть отделочных работ.

Первые работы на участке – очистка от мусора, планировка. При планировке участка и снятии почвы под дом обнаружилось, что грунт имеет очень малую несущую способность. Практически из-за высокой влажности суглинок представлял собой под нагрузкой вязкую жидкость. Трактор с 2 м колесами чуть не утонул на площадке. Это заставило искать новые решения для фундамента. Мы стали рассчитывать фундамент на винтовых сваях, но смета для нашего грунта превысила полмиллиона руб только на установку свай. Тогда мы решили воспользоваться своими собственными рекомендациями 1990 гг. по стабилизации грунта при строительстве дешевых местных дорог на базе отходов – буроугольной золы уноса и отсева. Для дороги была очищена от почвы площадка 40х4 м, на которую нанесли слой 2-3 см золы с малой добавкой реагента, перемешали с грунтом лопатой и граблями до глубины 5-10 см, и утрамбовали с помощью легкового автомобиля. Сверху нанесли отсев 3 см и разравняли граблями. Такая дорога обошлась нам в 70 руб за кв. м, и сразу показала свою эффективность. Даже залитая водой она выдержала проезд десятков нагруженных грузовиков с массой более 15 тонн. Этот успешный эксперимент по эффективной и дешевой стабилизации грунта позволил с минимальными рисками перейти к созданию фундамента по совершенно новой технологии (рис. 2.).

В короткое окно между ливнями были выкопаны ямобуром ямы глубиной 2 м диаметром 20 см с шагом 1 м по всей длине фундамента. Ямы начали заливать раствором на основе золы и песка с малыми добавками цемента и реагента (технология готовится к патентованию). Во время работ пошли сильные ливни, ямы полностью залило водой с частичным обрушением. Но даже такие события не испортили результат эксперимента. Воду из ям откачали, а остаток в виде густой суспензии глины перемешали с зольным раствором с помощью шеста. Поверх оснований из слабого дилатирующего при твердении бетона залили практически без опалубки дешевый бетон своего приготовления на основе вяжущего: 60% цемента и 40% золы, песка и щебня с добавкой реагента. В качестве арматуры использовали 6 мм стеклопластик в количестве 200 м. На этом фундаменте высотой около 20 см выложили кирпичный цоколь высотой 70 см в виде колодцев, заполненных грунтов. Сверху залили бетонную стяжку с вертикально установленной доской по периметру для крепежа деревянного каркаса. Такое простое решение одновременно устраняло тепловой мостик на цоколе. Фундамент с высоким цоколем обошелся в 10 раз дешевле лучшего аналога, предлагавшегося на рынке. Фундамент прошел полноценную проверку двумя зимами, в т.ч. и под максимальной нагрузкой и показал отсутствие каких либо проблем со стабилизированным по новой технологии грунтом. Расчеты показали, что за счет диффузии реагента в течение двух лет произошла стабилизация грунта до сплошного ростверка шириной 0.8 м и глубиной до 2.5 м. По результатам лабораторных экспериментов, при влажности этого грунта 18% несущая способность составляет 0.7 и 1.3 кг/см2 до и после стабилизации реагентом, т.е. даже при этой очень высокой влажности грунта его несущей способности уже достаточно для построенного дома. Если влажность грунта под домом поддерживать даже на высоком уровне 15%, то имеем несущую способность исходного и стабилизированного грунта 2.8 и 4.0 соответственно, т.е. 3-х кратный запас прочности.

При сезонном строительстве ключевым фактором является время. Очень важно найти баланс между производством на месте и закупкой материалов на рынке. Для экономии времени и средств мы сами готовили бетон и раствор. Однако в 2014 г. поставка золы сорвалась, а работы некоторое время продолжались в том же ключе. Для пластичности в раствор добавляли суглинок с подвала. Это обеспечивало хорошее качество раствора, но лишь при оптимальной дозировке, а также требовало значительно больше времени на перемешивание. Мы перешли на покупной известковый раствор, но в итоге потери времени составили неделю. Экономия не оправдалась, и это было самой значительной ошибкой. Завершение работ пришлось на очень плохие погодные условия при укороченном рабочем дне. Перечислим заодно и другие ошибки. Постановка деревянного каркаса на цоколь прошла за несколько дней до сильного ветра. В итоге каркас раскачался и наклонился наружу. Впоследствии это привело к необходимости его выправлять, что потребовало времени и усилий. Особенно этот вызванный погодой дефект усугубился дождями: оргалит распух, произошло выпячивание, которое вместе наклоном каркаса превысило в 2-3 раза заложенный зазор 2.5 см. Это сильно мешало кладке и привело к потере времени. В конечном итоге полученный реальный опыт заставил пересмотреть каркасную технологию. Найдено новое простое решение без деревянного каркаса, намного более простое и дешевое, независящее от погодных условий. Теплозащита в бескаркасной версии многослойных стен будет чуть ниже – на ~10%, но общий выигрыш во времени и затратах столь велик, что позволяет легко компенсировать тепловые потери более энергоэффективной отделкой и при этом сильно сэкономить в целом.

Революционное для Сибири решение с плоской крышей стало возможным благодаря появлению новых материалов на рынке – стекломагнезиевого листа СМЛ, и керамогранита. СМЛ дешевле гипсокартона и более устойчив к влаге. Листы СМЛ толщиной 8 и 10 мм использовались для обкладки соломенного утеплителя. Керамогранит обеспечивает выполнение всех жестких требований к плоской кровле – долговечность, морозоустойчивость, прочность, водонепроницаемость при высоких эстетических показателях.

Инженерные системы, заменяющие коммуникации, широко предлагаются на рынке. Однако в совокупности стандартные решения очень дороги и не всегда решают поставленные задачи. Например, септики имеют объемы несколько кубометров, т.е. он заполняется при использовании обычного ватерклозета за одну-две недели. При отсутствии дренажа в зимний период возникает необходимость его частого опорожнения, что не только дорого, но часто и невозможно из-за отсутствия подъезда. Дренаж недостаточно очищенных стоков вблизи дома порождает проблемы не только со специфическим запахом, но и подтоплением своего дома и соседей. Мы нашли такую комбинацию технических решений, которая совместима и стоит недорого, почти не требует обслуживания, т.е. пассивного типа. Оказалось, что поставить в подвале готовые пластиковые емкости проще и дешевле, чем делать резервуары из обычных материалов. Это обеспечивает абсолютную надежность, а также позволяет очищать воду из скважины без затрат – простая последовательность емкостей с сифонным соединением способствует осаждению хлопьев из гидроксида железа в первых двух баках. Если использовать сухой биореактор, то объемы потребляемой в доме воды резко уменьшаются, а серые стоки можно очистить с помощью бактерий за 6 холодных месяцев перед использованием для полива. Большой объем воды в подвале обеспечивает сезонное сглаживание температур, а суточные колебания призваны уменьшить емкости с глауберовой солью. Теплота фазового превращения – кристаллизации при комфортной температуре 37 °С на порядок эффективнее простого запасания тепла в воде. После реального тестирования дома несложно нарастить объем тепловых аккумуляторов в случае необходимости. Камин с водяным контуром имеет повышенную мощность и идеально совместим с солевым аккумулятором тепла. Мощности около 20 кВт почти хватает по расчетам для обогрева дома с тепловым зонированием. Небольшой подогрев в нужном помещении легче и дешевле осуществлять за счет электричества, чем создавать мощную систему отопления, которая будет простаивать почти круглый год. Перегрев в теплице не допускается при установке в них солнечных коллекторов, тепло с которых эффективно передается в резервуары с относительно холодной водой из скважины.

Предварительная оценка затрат на строительство экодома с отделкой дает 5 тыс. руб/м2 на всю полезную площадь, 15 тыс. руб/м2 для отапливаемой площади. Даже с учетом стоимости участка цена не превысит 23 тыс. руб. Средняя цена квадратного метра в мегаполисе составляет 55-100 тыс. руб/м2 . Затраты на эксплуатацию (электроэнергия и дрова) ожидаются на уровне 600+700=1300 руб/месяц. Сейчас мы платим за услуги ЖКХ 5000 руб/месяц за квартиру площадью 67 кв. м. Даже без учета теплого гаража и приусадебного участка с теплицей капитальные затраты ниже в 3-4 раза, а расходы на содержание ниже в 7 раз по отапливаемой площади и в 20 раз по общей. Это убедительно доказывает преимущество своего экодома, построенного по новым технологиям и проектам. При нормальном организованном строительстве экопоселков разница еще вырастет при улучшении качества жилья и окружающей среды. Для реализации концепции строительства экопоселков необходима дорога и электроэнергия. Новая технология строительства улучшенных местных дорог разработана и апробирована – стоимость составит не более 200 руб/м2 , средняя цена на рынке 2000 руб/м2 . Электроэнергия пока является продуктом монополий. Основной работой автора в Академии Наук является создание новой энергетики на основе наноматериалов – распределенной мультигенерации при сжигании в обогащенной кислородом атмосфере невостребованных твердых топлив [2-3]. При комплексном использовании природных ресурсов, а также вовлечении отходов углеобогащения, шламов водоочистки и т.п., главным продуктом является микросферный материал (зола по терминологии энергетиков) – до 80% в доходах при существующих ценах. Другими словами, электрическая и тепловая энергия как «отходы» производства микросфер имеют значительную гибкость в ценообразовании. Микросферные материалы имеют множество приложений, но самое масштабное в качестве добавки в бетон. Замена 20% цемента на микросферы приводит к росту прочности бетона в 2 раза [4]. Микросферы из бурых углей являются лучшим материалом для стабилизации грунтов, что необходимо при строительстве дорог и фундаментов на подавляющей части нашей страны. МикроТЭС на высокозольных углях с эко-поселениями позволяют перейти на устойчивый тип развития с минимальным потреблением невозобновляемых ресурсов без давления на окружающую среду. Ключевой позицией в концепции распределенной мультигенерации является кислородная мембрана с рабочей температурой около 600 °С. Для полного сгорания твердого топлива при температуре чуть выше точки плавления неорганической компоненты и получения качественных материалов вместо отходов требуется обогащение кислородом до 30-50% и тонкий помол топлива с добавками.

Заключение

Успешно апробирован ряд новых технических и технологических решений по созданию улучшенных грунтовых дорог, фундаментов на слабых грунтах. Построен по оригинальному проекту полуавтономный энергоэффективный экодом каркасной конструкции с использованием грунта для заполнения стен и соломы в качестве утеплителя. Комбинация совместимых технических решений позволяет обойтись без центральных коммуникаций. По предварительным оценкам, затраты на создание и обслуживание экодома с комфортными условиями проживания в 3-10 раз ниже сложившихся цен на рынке. При реализации концепции распределенной мультигенерации станет возможным массовое строительство автономных эко- поселений, удовлетворяющим всем требованиям ООН по устойчивому развитию. Работы по мембранам поддержаны РФФИ, проект 14-03-0801.

Зырянов В.В.
Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск
Материалы II Всероссийской научной конференции
«ЭНЕРГО- И РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ»

Литература

1. Зырянов В.В. Химия в интересах устойчивого развития / 3 №3 (1995) 215-230.

2. Зырянов В.В. Конструкции из композиционных материалов / В.3 (2012) 23-35.

3. Зырянов В.В. Теплоэнергетика / 2015. №4. С. 1-9.

4. Зырянов В.В., Зырянов Д.В. Зола уноса – техногенное сырье. – М.: Маска. 2009.