Даже при наличии правильных устремлений не просто применить эти новые идеи об экономии ресурсов. Достижение значительной экономии более дешевыми средствами, чем малой, требует не постепенности, а решительных «скачков». Что хорошего в лягушке, которая поумнела и научилась скакать, но продолжает сидеть в том же старом пруду? Для обеспечения производительности ресурсов нужна интеграция, а не редукционизм -- необходимо думать о конструкции как о едином целом, а не как о массе расчлененных мелких деталей. Иначе говоря, производительность противоречит тенденции текущего столетия к узкой специализации и дезинтеграции, требует оптимизации, а не приближенных рассуждений на пальцах. Она требует нового подхода к подготовке конструкторов и практике проектирования. Рутинные системы, нерационально использующие ресурсы, трудно проектировать, потому что они сложны; однако и эффективные системы создавать не легче, хотя они чрезвычайно просты, как показано на примерах в главах 1--3.

Эти барьеры, в основном связанные с непониманием, являются лишь верхушкой очень большого айсберга скрытых проблем. В попытках сберечь ресурсы мы сталкиваемся с обескураживающим множеством практических препятствий, которые активно не дают людям и предприятиям выбрать самые лучшие покупки в первую очередь. К этим препятствиям относятся следующие:

q традиционное образование почти всех, кто имеет дело с природными ресурсами, и часто непреодолимые издержки на замену обычного персонала теми, кто знает больше. Этот «человеческий фактор» может действительно оказаться самым серьезным препятствием и составить большую часть того, что экономисты называют «операционными расходами», т.е. затратами на преодоление инерции и изменение привычного положения вещей;

q другие затраты, связанные с огромной заинтересованностью некоторых владельцев капитала в сохранении существующих структур, а также инерция потребителей, которые могут просто не знать о той ресурсоэффективности, которую следовало бы потребовать;

q дискриминационные финансовые критерии, которые часто ставят перед эффективностью гораздо более высокий барьер, чем перед производством ресурсов (например, весьма распространено требование, согласно которому энергосберегающее мероприятие должно окупить инвестиции за год или два, тогда как электростанциям дается на это 10--20 лет);

q различие стимулов у человека, который мог бы купить эффективность, и у того, кто затем воспользовался бы ее плодами (например, владельцы домов и арендаторы квартир или строители домов и оборудования и их покупатели);

q цены, которые недостаточно или неверно отражают фактические затраты для общества, не говоря уже о затратах на охрану окружающей среды и затратах для будущих поколений;

q большая легкость и удобство в организации и финансировании одного большого проекта вместо множества мелких;

q устаревшие правила, которые мешают внедрению эффективности или ставят ее вне закона -- от запрещения водителям заказных такси подвозить кого-либо на обратном пути до разрешения грузовикам производителей перевозить только свою собственную продукцию, ограничения площади окон в зданиях даже тогда, когда их увеличенная площадь экономит энергию, льготных тарифов на перевозку, дающих сырьевым материалам преимущества перед материалами, возвращенными в оборот.

q почти всеобщая практика регулирования деятельности коммунальных служб снабжения электроэнергией, газом, водой и т. д., когда они поощряются за увеличение потребления, а иногда даже штрафуются за повышение эффективности использования ресурсов (достойный сожаления побочный эффект реструктуризации британской энергетической системы).

Все эти препятствия можно преодолеть при условии постоянного и пристального внимания к проблемам, описанным в главах 4--7. Необходимо стимулировать сбережение ресурсов, а не их растрачивание; внедрять процедуры выбора наилучшего продукта, прежде чем купить его. Нужна конкуренция в сбережении ресурсов, а не в их растранжиривании. Ни одно из этих преобразований не будет быстрым или легким; но неосуществление их обрекает нас на решение гораздо более трудных проблем.

Упомянутую выше проблему человеческих ресурсов можно в действительности преодолеть легче, чем мы сначала предполагали. В таких странах, как Китай, Россия, Индия и Бразилия, существует замечательный интеллектуальный потенциал двух с лишним миллиардов людей, которые ранее были исключены из процесса принятия решений -- то же самое в течение длительного времени имело место по отношению к большинству женщин на Севере и на Западе. Использование упомянутого потенциала могло бы привести к впечатляющему успеху. Хотя еще не ясно, как это сделать, некоторые из приведенных ниже примеров (таких как «Вентиляторы, насосы и двигатели», глава 1, и «Наземное метро Куритибы», глава 3) свидетельствуют, что выгоды для всего мира могли бы быть огромными.

Хотя повышение эффективности использования ресурсов -- не простое дело, оно все шире применяется на практике. В середине 70-х годов, например, полемика в области американской инженерной экономики сводилась к тому, могут ли незатратные сбережения энергии составить в сумме примерно 10 или 30% от общего потребления. В середине 80-х годов дискуссии велись вокруг диапазона от 50 до 80%, а в середине 90-х годов профессионалы обсуждают вопрос, находится ли потенциал возможностей ближе к 90 или к 99%, что даст экономию в 10--100 раз. Как показывает наш анализ 50 конкретных ситуаций, такие сбережения уже достигаются рядом компетентных специалистов. А как заметил экономист Кеннет Боулдинг, «все, что существует, возможно».

Несмотря на захватывающие возможности революционного подъема эффективности, мы не должны забывать и о вероятности нежелательных последствий. На более эффективных автомобилях можно ездить дольше, что позволяет значительно расширить их парк. Экономия воды может привести к дальнейшему расползанию пустынь. В целом эффективность использования ресурсов может способствовать значительному росту населения в течение продолжительного периода времени. Таким образом, бурный экономический рост за счет сбережения ресурсов может свести на нет достигнутый выигрыш, если не направить развитие в другое русло. В главах 12--14 мы возвращаемся к теме о том, как обуздать экономию ресурсов, превратив ее из инструмента для изготовления вещей, которые вообще не следовало бы делать, в орудие для достижения человечных и достойных целей, удовлетворяющих глобальным потребностям.

Более того, мы должны трезво относиться к широко распространенной структуре стимулирования, управляющей движением инвестиционного капитала, которая всегда отдает предпочтение максимальной прибыли на инвестированный капитал при соответствующем риске. И мы можем обнаружить, что даже весьма выгодные капиталовложения в эффективность не обязательно будут конкурентоспособными на рынках капитала по сравнению с традиционными инвестициями, скажем, в разработку месторождений полезных ископаемых в Индонезии или Заире или в китайскую индустриализацию.

Несмотря на все эти препятствия и проблемы, мы, разумеется, не видим все в мрачном свете. На рыночную конъюнктуру и общественность можно оказывать влияние. Хорошо осведомленные потребители могут высказаться в пользу эффективности и потребовать, чтобы этикетки на продуктах сообщали об использовании ресурсов в производстве и при продаже. Для революции в области эффективности владельцы капитала и демократическое большинство должны иметь право запрашивать полную информацию и пользоваться равными условиями игры. В главах 4--7 освещаются некоторые из наших стратегических идей в этом направлении.

Наконец, в части IV рассматривается более разумная цивилизация на языке, далеко выходящем за рамки технологии и количественных целей. Наша экономическая политика неизбежно должна преодолеть вводящие в заблуждение показатели, такие как ВВП (валовой внутренний продукт), который отражает оборот товаров и услуг, а не благосостояние. Неформальный сектор, все еще остающийся жизненно важным и существенным во многих развивающихся странах, заслуживает того, чтобы быть заново открытым нашими экономистами. Упрощенческие взгляды на выгоды свободной торговли также потребуют глубокого пересмотра.

ЧАСТЬ I. Пятьдесят примеров учетверения производительности ресурсов

Глава 1. Двадцать примеров революционных преобразований в использовании энергии

Люди привыкли говорить об «энергосбережении». Выражение «экономия энергии» имеет моралистический подтекст. Отец обычно убеждает своих детей выключать свет, выходя из комнаты, и никогда без нужды не оставлять работающими электрические приборы. В конце концов, расточительность не только стоит денег, но и всегда считалась грехом. Когда была осознана необходимость охраны окружающей среды, реакция со стороны правительств и поставщиков электроэнергии не отличалась изобретательностью: вы (выставляющие слишком большие требования люди) можете получить столько охраны окружающей среды, сколько захотите, если вы готовы радикально уменьшить ваши требования. Упрощенческое понятие о сбережении энергии путем добровольного самоограничения позволило руководителям избежать творческого решения вопроса об энергии.

В последние годы появилось новое выражение: «рациональное использование энергии». Употребление этого термина усиливает репутацию оратора: предполагается, что он компетентен в вопросах энергетики. Поэтому, хотя мы и не решаемся отвергнуть этот термин, он нас не устраивает. Он звучит так бюрократически, сложно и оборонительно. Он не доставляет никакой радости и непонятен, когда речь идет о связи между использованием энергии и технологическим прогрессом. Именно о технологическом прогрессе эта книга. Или скорее о переориентации технологического прогресса. Мы предпочитаем говорить об «энергетической производительности».

Сам по себе и в зависимости от условий, в которых вы находитесь, термин «производительность» может иметь положительный или отрицательный смысл. Это смешение значений -- медвежья услуга экономистов, которые сузили термин до такой степени, что он означает только производительность труда. В прошлом производительность труда означала процветание, сегодня же она неизбежно связана с угрозой безработицы.

С другой стороны, энергетическая производительность -- нечто, что все могут с радостью приветствовать. Практически никто от нее не проиграет.

Эта глава -- о повышении энергетической производительности в четыре раза. Выражения «энергосбережение» или «рациональное использование энергии» просто недостаточны для того, чтобы передать соответствующий смысл жизнерадостной атаки на широко распространенных технологических динозавров. Понятие об «энергетической производительности» более соответствует поставленной задаче.

На первый взгляд может показаться, что, используя в качестве эталона «фактор четыре», мы исключаем значительную часть производства: выплавку алюминия, учитывая законы термодинамики, невозможно сделать в четыре раза более энергетически эффективной. То же справедливо и для производства хлора, цемента, стекла и некоторых других исходных материалов. Но нам не придется отказываться от потенциала «фактора четыре», которым обладают эти материалы. Алюминий и стекло в высшей степени пригодны для переработки, и такая переработка сэкономила бы большую часть энергии, необходимой для их производства из сырьевых материалов. Для некоторых конечных использований ряд материалов можно заменить другими, без какого-либо ущерба для производящего сектора, либо материалы могут быть использованы более целесообразно. Поэтому большинство применений металлов или стекла, с учетом всего срока службы, должно обеспечивать четырехкратное увеличение энергетической производительности.

В этой книге, однако, мы сосредоточим внимание на примерах с прямым потенциалом увеличения энергоэффективности в четыре с лишним раза. Начнем с примера, имеющего колоссальное значение для мирового энергетического баланса.

1.1 Гиперавтомобили: по США на одном топливном баке*^* Работа, кратко изложенная в этом параграфе, описана в многочисленных статьях, от популярных до специальных технических, которые можно получить из Центра гиперавтомобилей при Институте Рокки Маунтин. Текущий список этих и других публикаций РМИ, а также полный текст некоторых из них можно найти на WWW-сервере этого института, http://www.rmi.org; конкретные запросы можно направлять по электронной почте: hypercar@rmi.org.

С 1973 по 1986 год средняя новая выпускаемая в США легковая автомашина стала в два раза экономичнее -- с 17,8 до 8,7 литра бензина на 100 км. Около 4% экономии было получено благодаря изготовлению легковых автомобилей с уменьшенным размером салона, 96%-- благодаря облегчению и улучшению конструкции; путем простого вырезания явно излишнего веса было сбережено 36%. С тех пор, однако, топливная экономичность возросла всего лишь примерно на 10%. В середине 1991 г. производители автомобилей заявляли, что к концу этого века без чрезмерных затрат или ухудшения технических характеристик реальными будут еще какие-нибудь 5-- 10%.

Можем ли мы добиться лучших результатов?

Скромность этого заявления кажется странной по двум причинам. Во-первых, многие усовершенствования в производимых в массовых количествах и хорошо продающихся легковых автомобилях применяются далеко не всегда. Установлено, что полное внедрение всего лишь 17 таких усовершенствований помогло бы сэкономить еще 35% топлива, потребляемого, скажем, средним новым автомобилем выпуска 1987 г., без какого-либо изменения его размера, ходовых качеств или приемистости. Среди них назывались такие известные решения, как привод передних колес, четыре клапана на цилиндр, верхнее расположение распредвала и пятискоростная коробка передач. В данный список не вошли даже некоторые очевидные улучшения, например, отведение назад тормозных суппортов (как в тормозах мотоциклов) для того, чтобы колодки не прижимались к диску и не останавливали машину, когда водитель пытается заставить ее двигаться. Это улучшение до 5,36 л на 100 км обошлось бы только в 14 центов на сэкономленный литр -- менее половины самой низкой сегодня цены на бензин в Америке, где он дешевле, чем вода в бутылках.

Пока производители автомашин сомневались в этих данных, «Хонда» подтвердила их выпуском в 1992 г. модели «Субкомпакт VX», давшей еще большую экономию -- 56%, т. е. 4,62 л на 1-00 км, и с еще меньшими затратами (наибольшая экономия уже составляла 18 центов на литр). Этот автомобиль был на 16% экономичнее, чем прогнозируемый (уже после его создания!) Национальным исследовательским советом США малогабаритный автомобиль 2006 г.

Если такое отставание прогноза от реальных событий воспринималось как временное предубеждение, то второй довод в пользу того, чтобы считать, что мы можем сделать лучше, был просто очевиден. Все, что существует, возможно. В середине 80-х годов производители автомобилей создали десятку новых моделей, которые сочетали в себе довольно традиционные слагаемые и давали двойную или тройную экономию топлива. Эти легковые автомобили, рассчитанные на четыре-пять пассажирских мест, расходовали 1,7--3,5 л на 100 км при улучшенных параметрах безопасности, выбросов и ходовых качеств. Массовое производство по крайней мере двух моделей -- «Вольво» и «Пежо» -- стоило бы столько же, сколько производство сегодняшних автомобилей. Однако в США игнорировали это обстоятельство, считая, что упомянутые модели не отвечают американским стандартам, поскольку разрабатывались в Европе или Японии.

К середине 1991 г. в Институте Рокки Маунтин (ИРМ) сформировалась гораздо более радикальная концепция. Почему бы не перепроектировать автомобиль? Почему бы не пересмотреть его заново, начиная с колес, чтобы коренным образом упростить его? Эйнштейн говорил, что «все нужно делать максимально просто, но не упрощать». Автомобили же постепенно стали невероятно вычурными, с нагромождением одного «наворота» на другой, в попытках решения проблем, устранить которые можно в первую очередь благодаря улучшению конструкции.

Назад к основам

Новое изучение автомобиля как физической системы привело к поразительному выводу: инженеры в Детройте, Вольфсбурге, Каули и Осаке стали настолько узкими специалистами, что знали почти всео почти ни о чем; вряд ли кто-нибудь из них смог бы самостоятельно сконструировать автомобиль целиком. Терялась имеющая принципиальное значение взаимосвязь между элементами конструкции. Проектировщики слишком много думали о мелких деталях и слишком мало об автомобиле как о системе. Промышленность за скрупулезным вниманием к детали потеряла из виду технику создания цельной системы -- технику, которая чрезвычайно проста и именно поэтому очень трудна.

На деле автомобильная промышленность в течение десятилетий целенаправленных усилий конструировала автомобиль, если так можно выразиться, задом наперед. Примерно 80--85% энергии топлива теряется до того, как она доходит до колес, и в конечном итоге только около 1% энергии используется для движения. Почему? Да потому, что машина делалась из тяжелой стали, и чтобы разогнать такую махину, требовался настолько большой двигатель, что основную часть времени он работал почти вхолостую. Использовалась такая крохотная часть его мощности, что коэффициент полезного действия двигателя уменьшался вдвое. Производители стали привносить дополнительные усложнения, чтобы выжать чуть больший к.п.д. из двигателя и трансмиссии (карданная передача). Были достигнуты и продолжают достигаться впечатляющие успехи, но экономия мала, а затрачиваемые усилия огромны.

Но посмотрим на машину с другой стороны. Что происходит с 15-- 20% энергии топлива, которой действительно удается «добраться» до колес? При езде по ровной дороге в городских условиях примерно треть идет на нагревание воздуха, сопротивление которого преодолевает машина (эта величина возрастает до 60--70% на скоростных автомагистралях), треть нагревает шины и дорогу и треть -- тормоза. Каждая единица энергии, сэкономленная за счет преодоления этих фатальных недостатков, в свою очередь, сэкономила бы примерно от пяти до семи единиц энергии топлива, которое не нужно было бы подавать в двигатель для того, чтобы она добралась до колес! Таким образом, вместо того, чтобы сосредоточивать усилия на устранении одной десятой процента потерь в карданной передаче, конструкторы должны поставить во главу угла сбережение энергии путем создания принципиально более экономичного автомобиля.

Стратегия сверхлегкости

Использование сверхпрочных и вместе с тем сминаемых при аварии, ударогасящих материалов (главным образом, современных композитов) помогло сделать автомобиль, рассчитанный на четыре-пять пассажиров, в 3 раза легче. Он весит всего 473 кг. Улучшенный дизайн в 2--6 раз повысил аэродинамические свойства его обтекаемого профиля. Покрышки лучшего качества при меньшем весе машины уменьшили износ резины в 3--5 раз. Автомобиль проектировался не как танк, а скорее как самолет.

Гибридный электрический привод

Между тем в ходе других экспериментов (в основном в Европе) было установлено, что «гибридная» система электрической тяги увеличивает экономичность на 30--50% частично за счет регенерации 70% энергии на торможение, ее временного накопления и затем повторного использования для подъема в гору и для ускорения. Автомобиль получает энергию за счет сжигания любого подходящего жидкого или газообразного топлива в миниатюрной бортовой силовой установке любого вида (двигатель, газовая турбина, топливный элемент и т. д.). Горючее является более удобным способом накопления энергии, нежели аккумуляторные батареи, которые дают менее 1% полезной энергии на единицу веса. Именно поэтому батарейные автомобили, как заметил голландский специалист П. Д. ван дер Коох, «перевозят в основном батареи, но не очень далеко и не очень быстро -- иначе им потребовалось бы еще больше батарей».

q выигрыш в весе нарастает как снежный ком, поскольку, чем легче автомобиль, тем больше комплектующих деталей уменьшаются в размерах или становятся ненужными;

q «накопление» экономии в весе происходит еще быстрее в случае гибридного привода;

q когда стратегия сверхлегкости почти полностью устранит безвозвратные потери энергии (на нагревание воздуха, шин и дороги), единственным местом, куда может пойти энергия колес, станет система торможения, а «регенеративное» электронное торможение возвратит большую часть этой энергии;

q экономия колесной энергии умножается затем вдвое или втрое благодаря предотвращению потерь в карданной передаче при доставке этой энергии к колесам.

Таким образом, если бы автомобиль «Алтралайт» компании «Дженерал моторс» был оснащен гибридным электрическим приводом вместо традиционного двигателя и ведущего моста в блоке с коробкой передач, его экономичность возросла бы не в 2, а примерно в 4--б раз, т. е. до 1,2--2,1 л на 100 км. Разработчики ИРМ вскоре нашли пути повышения экономичности привлекательной семейной автомашины (литр бензина на сто с лишним километров). Этого в конечном счете достаточно, чтобы пересечь Соединенные Штаты на одном баке горючего (0,8--1,6 л/100 км). И, к их большому удивлению, оказалось, что такой автомобиль настолько проще, а его изготовление настолько легче, чем штамповка, сварка и покраска стали, что в итоге он мог бы стоить примерно столько же, сколько и сегодняшние автомобили -- а может быть, и еще меньше.

Идея распространяется

Осенью 1993 г. ISATA, крупнейшая в Европе конференция по автомобильной технологии, присудила этой разработке свою Ниссанов-скую премию как одной из трех лучших из 800 представленных работ. Производители автомобилей стали уделять ей значительное внимание, она все шире освещалась в печати. Разработка была выдвинута на соискание трех премий США за дизайн. В апреле 1994 г. Министерство энергетики США провело испытание созданного студенческой командой из Университета Западного Вашингтона двухместного легкого гибридного автомобиля на автострадах Лос-Анджелеса. Показанный результат составлял 1,16 л на 100 км. Осенью 1994 г. научный руководитель ИРМ председательствовал на международной конференции в Аахене, посвященной сверхлегкому гибридному варианту, который теперь называют «гиперавтомобилем». Небольшая швейцарская фирма «ЭСОРО» продемонстрировала легкий четырехместный гибридный автомобиль, потребляющий 2,4 л на 100 км. Среди заслуживающих особого внимания достижений следует назвать четырехкратное уменьшение цены на углеродное волокно за последние два года. Данное обстоятельство может подорвать позиции стали как материала для изготовления автомобильного кузова при любом объеме производства.

К концу 1996г. более 25 известных производителей во многих странах решили выпускать на рынок гиперавтомобили. Некоторые компании связали себя обязательствами, вложив значительные средства (составляющие в сумме примерно два миллиарда долларов), для того чтобы достичь цели прежде, чем это сделают их конкуренты. Десятикратный потенциал гиперавтомобилей в плане сокращения продолжительности производственного цикла, расходов на оборудование и оснастку, количества деталей кузова, персонала, занятого сборкой, и рабочих площадей мог бы дать в конкурентной борьбе решающее преимущество компаниям, которые выйдут на рынок первыми.

Не занимают позицию сторонних наблюдателей и правительства. Организованное президентом Клинтоном «Партнерство по созданию нового поколения транспортных средств», заключившее в 1993 г. с тремя крупнейшими производителями автомобилей в США соглашение о разработке в течение 10 лет автомобиля с утроенной экономичностью, оказывает весьма действенную поддержку. Ожидается, что в 1997 г. калифорнийские органы технического надзора отнесут гиперавтомобили к категории «транспортных средств с нулевым выбросом выхлопных газов», поскольку они выбрасывают меньше токсичных веществ, чем энергоустановки для подзарядки электромобилей. Это дополнительный стимул для выпуска гиперавтомобилей на рынок к 2003 г., когда 10% продаваемых в Калифорнии автомобилей должно иметь «нулевой выхлоп».

Готов или не готов -- вот он

Сегодняшние автомобили отличаются поразительной сложностью и изощренностью, представляя собой высочайшее достижение Железного века. Но многие эксперты полагают, что они будут сметены грядущим крупнейшим со времени создания микросхемы изменением в промышленности. Подобно производству компьютеров, такие изменения могут произойти в любой части света при относительно небольших капитальных затратах и с поразительной скоростью. Ожидается, что это приведет к исчезновению смога в городах, увеличению числа автомобилей, покрывающих еще большие расстояния (что свидетельствует о необходимости срочного проведения транспортных реформ, описанных в разделе 6.3), и позволит сберечь больше нефти, чем сейчас добывают страны-экспортеры нефти.

В Скалистых горах Западного Колорадо, в 25 км к западу от Аспе-на, на высоте 2200 м над уровнем моря расположена банановая ферма с пассивным солнечным освещением. Это не совсем подходящее место для выращивания бананов. Бывает, что столбик термометра опускается здесь до -44°С. Сезон роста растений между сильными морозами составляет 52 дня, а заморозки случаются в любой день. Однажды они наступили 4 июля, нарушив тем самым привычное правило, что есть два времени года -- зима и июль. Часто бывает солнечно, но солнечная погода неустойчива -- в середине зимы насчитывается до 39 облачных дней, а иногда за декабрь и январь бывает не более семи солнечных дней.

Тем не менее в январе, когда пишутся эти строки, в метель и буран, прекрасно созревают бананы на трех кустах, один из которых пустил побеги во время зимнего солнцестояния. Две большие зеленые игуаны дают студентам возможность изучить передовой опыт в разведении ящериц. Поспевают апельсины, шумит водопад, резвится полосатая зубатка, и начинаешь думать, что очень похожие на настоящих обезьян куклы-орангутанги на книжных полках ночью оживают -- как иначе объяснить нехватку бананов? По мере того, как дни в марте и апреле становятся длиннее, джунгли покрываются буйной растительностью -- появляются авокадо, манго, виноград, папайя, японская мушмула, съедобный страстоцвет. Заходишь с улицы, где воет вьюга, и сразу ощущаешь аромат жасмина и бугонвиля (см. илл. 1 на вкладке).

И все же здесь нет традиционной системы отопления, поскольку таковой и не требуется и потому, что она неэкономична. Две небольшие дровяные печки, используемые время от времени для обогрева или просто чтобы доставить удовольствие обитателям, дают 1% от того тепла, которое требуется обычному дому в этом районе, тогда как остальные 99% являются «пассивным солнечным теплом». Даже в пасмурные дни солнечное тепло улавливается через «суперокна» (см. раздел 1.5), которые обеспечивают теплоизоляцию, равноценную 6 или, в последних моделях, 12 листам стекла: прозрачные бесцветные окна пропускают три четверти видимого света и половину всей солнечной энергии, но практически не позволяют теплу улетучиваться. Изоляция из пенопласта внутри каменных стен толщиной в 40 см, а также в крыше по крайней мере вдвое уменьшает тепловые потери. Свежего воздуха сколько угодно -- он предварительно подогревается теплообменниками, возвращающими три четверти тепла, которое обычно уносится спертым воздухом, выходящим из дома.

Сколько же дополнительно стоила вся эта теплоизоляция? Дополнительные затраты на нее были меньше, чем экономия при строительстве, связанная с отсутствием печи и воздуховода. Оставшиеся деньги, плюс еще немного (16 долларов за квадратный метр), истрачены для сбережения 50% расходуемой воды, 99% энергии на нагревание воды и 90% бытовой электроэнергии. При тарифе в 0,07 доллара за киловатт-час счет за бытовую электроэнергию составляет примерно 5 долларов в месяц.

Дневной свет, поступая со всех сторон, обеспечивает 95% необходимого освещения; сверхэкономичные лампы сберегают три четверти энергии, требуемой для дополнительного освещения. Яркость накала ламп регулируется в зависимости от присутствия дневного света, а когда в комнате никого нет, они просто выключаются. Холодильник потребляет только 8%, а морозильная камера-- 15% обычного количества электроэнергии, так как они снабжены сверхизоляцией и охлаждаются в течение полугода пассивной «тепловой трубой», подсоединенной к находящемуся на открытом воздухе металлическому ребру. Сушилка получает свое тепло от солнечного «фонаря» или световой шахты. Стиральная машина представляет собой новую горизонтально-осевую конструкцию с загрузкой сверху, которая экономит около двух третей воды и энергии и три четверти мыла, лучше стирает одежду и продлевает срок ее носки. Даже традиционная кухонная газовая плита сберегает энергию благодаря использованию швейцарских горшков с двойной стенкой и британского чайника, теплоизоляция которых позволяет сэкономить треть пропана и уменьшить время, необходимое для кипячения воды. Вне помещения суперизолированный пассивно-солнечный фотоэлектрический «загон» помогает поросятам набирать вес, а курам нести яйца, поскольку им не приходится затрачивать слишком много энергии на поддержание температуры собственного тела.

Таким образом, для сбережения 99% энергии, идущей на обогрев помещения и на нагревание воды, 90% бытовой электроэнергии и 50% воды общие дополнительные затраты составили 16 дол./кв. м х 372 кв. м, или около 6000 долларов, т. е. примерно 1 % от общей стоимости проекта в районе, где государственные средние затраты на строительство в два раз выше. По сравнению с обычными в этой местности домами такого же размера энергосбережение составляет по меньшей мере 7100 долларов в год. Следовательно, дополнительные затраты окупились за 10 месяцев, после чего сбережения накапливаются со скоростью, в среднем составляющей 19 долларов в день, что эквивалентно нефтяной скважине, дающей 1,3 барреля в день, или достаточно для содержания студента медицинского колледжа. Разумеется, 10 месяцев -- это долгий период ожидания, но все это было сделано с использованием новейших для того времени технологий. Сегодня все можно сделать гораздо лучше. Например, окна сейчас дешевле, но тепло они сохраняют в 2 раза лучше.

Окупив себя за первые 10 месяцев, энергосбережения будут идти на оплату всего здания примерно в течение 40 лет. (Здание должно прослужить по крайней мере в 10 раз дольше; оно построено для будущих археологов, которые по его ориентации на юг и по необычной форме изогнутых каменных стен, несомненно, придут к выводу, что это храм первобытного поклонения Солнцу. Но чтобы работать, оно может иметь любую форму, быть адаптированным практически к любому климату и любой культуре и в то же время должно сберегать определенное количество энергии и денег.) В течение 40 лет одна лишь экономия электроэнергии позволит избежать сжигания на электростанции такого количества угля, которым можно было бы дважды засыпать здание. Только один холодильник каждый год экономит угля столько, сколько вмещается в него. А пиво остается таким же холодным.

Здание уже посетило более сорока тысяч гостей; оно получило большую рекламу в журналах и телевизионных передачах, показанных во всем мире. Некоторые приезжают для того, чтобы увидеть используемые технологии, другие -- чтобы посмотреть, что представляет собой объединение под одной крышей фермы и научно-исследовательского центра с 20 рабочими местами. Приятно ежедневно ходить на работу через джунгли, протяженность которых не превышает 10 метров; кто-то предлагал нам посадить лианы и допрыгивать до работы, раскачавшись на ветке. Но большинство отмечают: самая важная особенность здания в том, что оно помогает его обитателям лучше себя чувствовать и лучше работать.

Почему люди, сидящие вокруг стола, весь день остаются бодрыми и пребывают в хорошем настроении, но если их поместить в обычный рабочий кабинет, то за полчаса они могут стать вялыми и раздражительными? На наш взгляд, это связано с царящей здесь атмосферой покоя, естественным освещением, здоровым воздухом внутри помещения, который не должен быть слишком горячим и сухим; звуком водопада (настроенным на альфа-ритм мозга и оказывающим успокаивающее воздействие); отсутствием механических шумов и электромагнитных полей, запахом, кислородом и ионами (а иногда и привкусом) зеленой растительности джунглей, которая видна отовсюду. Быть может, есть и другие вещи, которые мы еще не понимаем, но, кажется, для начала и этого достаточно.

В конечном счете, в здании должно быть удобно и красиво. Штаб-квартира ИРМ является одним из первых и пока одним из лучших по своей конструкции «зеленых» сооружений. Многие детали этого здания можно было бы значительно усовершенствовать, но основные принципы и совершенство его планировки продолжают волновать воображение.

1.3 Дармштадтский «Пассивный дом»

В 1983 г. Швеция ввела стандарт на тепловую изоляцию, сделав 50-- 60 кВт-час/м2 в год максимально допустимыми тепловыми потерями для домов. В Германии же дома обычно в среднем теряют 200 кВт-час/м2 в год. Следовательно, «фактора четыре» в Германии можно было бы достичь простым принятием шведского строительного стандарта для всех зданий, в том числе и старых. Тем не менее вышедший с поправками германский стандарт 1995 г. требует сокращения тепловых потерь к 2000 г. для новых зданий лишь на 20%.

И все же шведский стандарт может быть значительно улучшен. Один из наиболее известных примеров -- «пассивный дом», построенный в Дармштадте, в 50 километрах южнее Франкфурта. На фото 2 на вкладке это обыкновенное, ничем не бросающееся в глаза здание. Оно получило свое название благодаря использованию пассивной солнечной энергии и почти полному отсутствию активного обогрева. У «пассивного дома» потребность в дополнительном тепле составляет менее 15 кВт-час/м2 год и достигается преимущественно за счет высокоэффективной изоляции стен и окон (Файст и Клин, 1994).

Дом выглядит солидным и надежным, как, впрочем, все немецкие дома. Но здесь равномерное распределение температуры создает ощущение комфорта, а отсутствие механических шумов (поскольку нет печи и почти никакого механического оборудования) и уличного шума (благодаря звукопоглощающим суперокнам и мощной изоляции) обеспечивает умиротворяющую тишину. Дом не мрачный и не затхлый, он полон света и свежего воздуха. Всякого, кто сюда входит, сразу же охватывает чувство покоя, надежной защиты от сурового внешнего мира и в то же время единения с природой, поскольку через большие окна открывается зеленый мир.

Этот дом потребляет только 10% от обычного количества энергии на отопление жилой площади и 25% от обычного количества электроэнергии. Действительно, общая потребляемая домом энергия едва ли превышает энергию, которая расходуется электрическими бытовыми приборами в обычном немецком доме. Потребность в энергии на отопление настолько мала, что она легко удовлетворяется сверхэффективным газовым водонагревателем, который необходим для получения горячей воды. Специальная печь для обогрева помещения не нужна.

В здании используются несколько устаревшие окна, теплоизоляция которых эквивалентна восьми листам обычного стекла. Лучшие современные окна обеспечивают примерно на 50% лучшую изоляцию, и в случае, если они были бы здесь использованы, это устранило бы последние 5% затрат на обогрев помещения. Кроме того, потребовалось бы еще одно важное техническое новшество, недавно впервые внедренное в дармштадтском «пассивном доме»: слой пенной изоляции, образующий шапку над всей оконной рамой и покрывающий на ширину 3 см кромки самого стекла как изнутри, так и снаружи. Этот вариант оконной коробки типа стеганого чехла для чайника устраняет обычные потери тепла, уходящего через оконную раму, причем кромки стекла изолированы столь же хорошо, как и центральная часть. Производство такой системы вполне может стать массовым, она пригодна для установки и в строящихся, и в существующих зданиях.

Другим важным новшеством является доведение до нужной кондиции входящего свежего воздуха путем пропускания его сначала через пластмассовую трубу, закопанную в земле на глубине 3-- 4 метра. Даже в середине зимы земля на такой глубине достаточно теплая для того, чтобы холодный наружный воздух прогрелся по меньшей мере до 8°С. Предварительно согретый воздух поступает в теплообменник, где проходит остальные 70% пути и подогревается до температуры теплого, спертого воздуха, выходящего из дома. Таким образом, практически воздухонепроницаемый дом все время получает большое количество свежего воздуха, почти не теряя энергии. Воздушный поток можно разделять, направляя его в различные части дома, и чем больше людей находятся в том или ином месте, тем больше свежего воздуха будет туда поступать, поскольку при дыхании срабатывает датчик углекислого газа, увеличивая скорость бесшумного вентилятора.

Циркулирующий в доме и выходящий из него поток тепла точно измерен и тщательно изучен. Необходимо было учесть слагаемые, которые обычно слишком малы, чтобы о них беспокоиться: размещение датчиков в стенах с точностью до доли миллиметра; отвод тепла холодной водой, которая поступает в дом, находится в туалетных бачках и затем спускается при сливе; и даже то, что штукатурка имеет тенденцию «дышать», поглощая и повторно испаряя водяной пар, -- эффект, отвечающий примерно за одну десятую нагрузки по обогреву помещения.

Из-за высокой стоимости новейших материалов и нестандартных технологий затраты здесь были выше, чем на обычные здания. Следующий шаг состоял в адаптации этой концепции к стандартизованным и экономичным методам строительства. Уже в 1996 г. проект ратуши дармштадтского архитектора Фолькмера Раша получил награду Шулера за эффективное использование ресурсов. Ко времени проведения в Ганновере Международной выставки «Экспо-2000» должен быть построен целый город -- Кронсберг Зидлунг, где энергетическая эффективность будет повышена в четыре раза без каких-либо дополнительных затрат.

1.4 Дома для жаркого климата в Калифорнии

В двух предыдущих примерах речь шла о зданиях, требующих лишь от 1 до 10% от обычного отопления жилых площадей в условиях холодного климата и пасмурной погоды. А как сделать более прохладными помещения в жарком климате?

Крупнейшее частное американское предприятие коммунального хозяйства «Пасифик гэс энд электрик» проводит эксперимент под названием «Испытание передовых потребительских технологий на максимальную энергоэффективность» (сокращенно ACT2). Цель эксперимента заключается в том, чтобы с помощью тщательных измерений определить наибольшее количество энергии, которое можно сберечь с выгодой для предприятия и его клиентов путем внедрения самых современных комплексов и технологий. Экспериментом руководит комитет, в него входят представители «Пасифик гэс энд электрик», ИРМ, Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (ведущий научно-исследовательский центр по энергоэкономичным зданиям) и Совета по охране природных ресурсов (ведущая национальная группа по сохранению естественных богатств).

По проекту стоимостью 18 миллионов долларов, учрежденному в 1989 г. руководителем исследований из «Пасифик гэс энд электрик» Карлом Вайнбергом и научным руководителем ИРМ Эймори Ловинсом, сейчас уже построены или модернизированы все 12 экспериментальных зданий. Данные подтверждают первоначальную гипотезу о том, что примерно три четверти потребляемой в большинстве случаев электроэнергии можно сэкономить без каких-либо дополнительных затрат и при обеспечении тех же или даже лучших условий.

Новый дом в Дэвисе (Калифорния, рядом с Сакраменто) стал первой проверкой того, как далеко могут зайти проектировщики, бросив вызов климату*^* Подробную информацию можно получить от ACT², PG&E Research, 2303 Camino Ramon, Suite 200, San Ramon CA 94583, тел. 510-866-5573. См. также Lovins (1995). . «Расчетная температура» здесь составляет 40°С, но в самые жаркие дни она может достигать 45°С. Широко проводимое летом орошение находящихся на этой территории сельскохозяйственных ферм и угодий существенно повышает влажность. Хотя летние ночи часто прохладны, здесь бывают и многодневные «горячие бури» с незначительным спадом температуры в ночное время.

Задача состояла в проектировании стандартного дома со всеми удобствами общей площадью в 255 квадратных метров, который потреблял бы как можно меньше энергии. Еще до внесения усовершенствований «базовый» дом удовлетворял самым строгим в США энергетическим стандартам -- нормам Документа 24, принятого в Калифорнии в 1993 г. Согласно этим нормам, конструкция должна была быть примерно на треть экономичнее, чем средний американский дом. Цена дома составляла 249 500 долларов и также была типичной для Калифорнии.

Сначала команда архитекторов из Энергетической группы Дэви-са за счет улучшения планировки уменьшила на 11% (семь метров) периметр пола, на который впустую тратится энергия, а затем занялась аналогичной работой над контуром крыши. Проектировщики расположили окна в нужных местах, усовершенствовали оконные рамы, разработали стену, которая экономила дерево (см. «Использование дерева при постройке дома», раздел 2.20), сокращала строительные затраты и удваивала изоляцию. В результате энергосбережение составляет 17%, затраты меньше обычных почти на 3 500 долларов; 57% этой суммы сэкономлено за счет уменьшения периметра пола.

Проектировщики внесли также целый ряд мелких новшеств в корпус, освещение, бытовые приборы, систему горячего водоснабжения и окна. В результате общее энергосбережение увеличилось до 60%, что соответствует сумме примерно в 1900 долларов. Единственным необычным мероприятием стало использование отработанного тепла холодильника для подогрева воды, что повышает эффективность его работы и экономит энергию в системе горячего водоснабжения. Кроме того, надо упомянуть вытяжные вентиляторы, тщательный выбор которых при покупке дал экономию в 80% без каких-либо дополнительных затрат. Обычный коэффициент полезного действия вентиляторов в североамериканских домах составляет лишь 1--3%; они, в сущности, являются небольшими электрическими нагревателями, которые, используют крошечную долю своей энергии для движения воздуха. Двойная стенная и кровельная изоляция и более совершенные окна устранили необходимость в печи, вытяжках и другом оборудовании, что сэкономило 2050 долларов. Вместо этого в самые холодные ночи можно через радиатор в виде плоской спирали стоимостью в 2400 долларов пропускать немного горячей воды из газового водонагревателя с коэффициентом полезного действия 94%.

И все же оставалась необходимость в кондиционере, хотя и менее мощном, чем исходный трехтонный*^* «Тоннами» измеряется производительность кондиционера. «Тонна» соответствует плавлению одной американской тонны (2000 фунтов, или 907 килограммов) льда за 24 часа, или 3,5 тепловых кВт.. Самые дорогостоящие усовершенствования уже достигли предела экономичности: ни одно мероприятие не должно было стоить больше, чем ожидаемая, рассчитанная на длительное время цена сэкономленной электроэнергии (6 центов на киловатт-час). Что же можно было сделать еще?

К счастью, проектировщики имели наготове так называемый потенциальный комплексный план по устранению охлаждения. В него входили все энергосберегающие мероприятия, ранее отвергнутые из-за того, что каждое из них в отдельности не сберегало достаточно энергии, чтобы окупить себя. Эти меры снижали потребности в охлаждении, но нуждались в экономическом обосновании. Когда в проект было добавлено семь таких усовершенствований, стоящих 2600 долларов, они сделали ненужными кондиционер стоимостью 1500 долларов и систему вентиляционных труб (плюс 800 долларов будущих расходов на их содержание), т.е. оказались экономичными. Таким образом, большая экономия оказалась дешевле, чем малая.

Проектировщики ожидали, и первое же лето подтвердило это, что никакого дополнительного охлаждения не потребуется. Изоляция и обычные суперокна не пропускали снаружи нежелательное тепло;

экономичные лампы и бытовые приборы внутри помещения испускали мало тепла; тепловая масса (двойная стена сухой кладки и пол из керамической плитки в центральной части) сохраняла прохладу в самые жаркие дни. При необходимости дополнительное радиационное охлаждение можно обеспечить прохладной водопроводной водой, пропускаемой через плоский змеевик. Этот способ применить не удалось, поскольку водопроводная магистраль была закопана на слишком малой глубине и водопроводная вода оказалась неожиданно теплой; к счастью, расчеты были правильными, так что водяное охлаждение не потребовалось.

Компьютерное моделирование показало, что дом будет потреблять на 53% меньше электроэнергии, на 71% меньше электроэнергии в часы пиковой нагрузки и на 69% меньше природного газа, чем достаточно экономичный «базовый» дом. Но это не предполагает каких-либо усовершенствований в небольших бытовых приборах, которые потребляли одну треть первоначальной электроэнергии. Если учесть их, энергосбережение возрастает в среднем до 80% для всей энергии или до 79% для электроэнергии: 78% экономятся на обогреве помещений, 79% на нагревании воды, 80% на холодильниках, 66% на освещении, 100% на охлаждении и 92% на охлаждении и вентиляции вместе взятых. На рынке готовых сооружений дом в Дэвисе при условии применения всех 20 видов энергосберегающих мероприятий стоил бы примерно на 1800 долларов меньше, чем обычный, а его эксплуатация обходилась бы на 1600 долларов дешевле.

Судя по первым результатам проверки, дом ведет себя лучше, чем предусмотрено проектом. (Фактические сбережения несколько уменьшились благодаря внесенным в последний момент изменениям: например, жильцы пожелали иметь другой тип холодильника. Но и с учетом этих изменений реальная экономия хорошо согласуется с прогнозом.) Жильцы, въехавшие в дом в декабре 1993 г., комфортно чувствуют себя здесь даже в сильную жару. Поскольку предполагается, что раздел 24 Калифорнийского энергетического стандарта должен включать в себя все, что является практичным и экономичным, дом в Дэвисе может потребовать принципиального пересмотра этого стандарта.

В соответствии с другим проектом ACT2, завершенным несколько месяцев спустя, похожий дом построен на земельном участке, расположенном в еще более жарком месте -- Стэнфорд Ранч (Калифорния). Этот дом сберегает еще больше энергии. Теплоизоляция, окна, светлые стены и крыша, а также двойная стена сухой кладки понижают затраты на охлаждение на 44%. В нем также используется включаемый только ночью испаритель-охладитель, который служит в качестве вентилятора для всего дома и охлаждает воду, циркулирующую по размещенной под полом системе труб; здесь экономия энергии на охлаждение возрастает до 86%. Дом в Стэнфорд Ранч стоит примерно на 1000 долларов, или на 0,4%, дороже, чем постройка обычного дома, но экономия на оборудовании и эксплуатации перекрывает незначительное превышение затрат на строительство, поэтому чистая стоимость приблизительно четырехкратного увеличения эффективности всех основных потребителей энергии равна нулю.

Третий проект ACT2 -- модификация обыкновенного одноэтажного дома, находившегося в эксплуатации 15 лет, -- реализован весной 1994 г. Дом расположен в жарком районе Стоктон (Калифорния), где люди обычно пользуются кондиционерами с июня по сентябрь. Планировка здания и особые требования жильцов ограничили масштаб выполненных работ. Тем не менее модернизация дома даст возможность сэкономить 64% от общего потребления электроэнергии и 60% природного газа (не считая экономии на небольших электроприборах), что позволяет сэкономить 5500 долларов на амортизационных расходах, включая будущие затраты на замену оборудования и эксплуатацию.

Простые усовершенствования кондиционера -- более эффективные вентиляторы и двигатели, а также первичный охладитель испарительного типа -- вносят вклад в ожидаемое 76-процентное сокращение затрат энергии на охлаждение.

Кроме того, по прогнозам, затраты энергии на обогрев уменьшатся на 59%, расход на основные бытовые приборы -- на 63%, освещение и небольшие приборы -- на 76%, подачу насосом воды для бассейна и из родника--на 76%. Если бы жильцы этого дома придерживались модели потребления, более характерной для американских семей, то некоторые из приведенных цифр могли бы быть еще выше.