Пассивный дом — основное направление энергоэффективного строительства

01.11.2006 13:00

Строительная отрасль переживает в настоящее время системный кризис, связанный с неодинаковой степенью развития строительных технологий, относящихся к оболочке здания и его инженерным системам. Увеличение стоимости энергии потребовало принятия определенных мер по утеплению стен, остальные же системы зданий, влияющие на их энергетические характеристики, — вентиляции, горячего водоснабжения, электроснабжения — остались на прежнем уровне. Сопротивление ограждающих конструкций теплопередаче, установленное нормативными документами разных стран [1–3], колеблется в пределах 2–4 м2•град/Вт в зависимости от национальных или региональных требований. Дебатируется вопрос дальнейшего наращивания систем утепления. Однако говорить об энергоэффективности, имея в виду только теп-ловую защиту стен зданий, на настоящий момент довольно бессмысленно.

Основные принципы строительства пассивных зданий

На рис. 1 приведен тепловой баланс здания с учетом распределения теплопотерь по различным путям и затрат энергии на приготовление горячей воды, соответствующий условиям Республики Беларусь. Данные по внутренним и технологическим тепловыделениям, включая солнечную энергию, взяты для зданий старой застройки из [4], а для новой — из [5]. Приведенные результаты свидетельствуют, что экономия энергии в современных зданиях достигается за счет снижения уровня теплопотерь через оконные и ограждающие конструкции. Энергозатраты, связанные с воздухообменом и подготовкой горячей воды, не изменились. Существенно уменьшился уровень внутренних и технологических тепловыделений по сравнению с периодом строительства зданий старого жилого фонда. Снижение мощности внутренних тепловыделений обусловлено прежде всего увеличением общей площади помещений, приходящейся на одного жителя и составляющей в настоящее время в Республике Беларусь около 21 м2.. Данная тенденция будет сохраняться по мере повышения уровня жизни населения.

Диаграмма позволяет сделать вывод, что наибольшие резервы экономии энергии кроются в минимизации ее затрат на вентиляцию зданий и приготовление горячей воды. Достичь значительного снижения энергопотерь при отоплении можно только путем перехода к системам вентиляции с утилизацией теп-ла уходящего из помещений воздуха. В то же время следует обратить внимание на наличие внутренних источников тепла в помещениях. Если поставить задачу проектирования здания так, чтобы средняя мощность теплопотерь за отопительный сезон равнялась мощности внутренних и бытовых тепловыделений, приходим к идее пассивного дома, которая была сформулирована в [6].

В Западной Европе она оказалась исключительно плодотворной и позволила устранить основные противоречия, присущие массовому строительству жилья как с точки зрения экономии энергии, так и с точки зрения обеспечения комфортных условий проживания.

При постановке задачи массового возведения пассивных зданий сформулированы следующие требования:

— стоимость их строительства должна несущественно отличаться от обычного;

— использоваться уже известные и освоенные технологии и технологические приемы.

В пассивном доме отопление играет вспомогательную роль для наружной температуры ниже средней за отопительный сезон. Поэтому было предложено решение, объединяющее в единую систему вентиляцию и отопление здания. Предпочтение отдано системе воздушного отопления, при использовании которого снижается общая стоимость строительства. Выполнение этого условия определило верхнюю границу теплопотерь для пассивного дома с системой воздушного отопления применительно к условиям Западной Европы — 15 кВт•ч/м2•год [6]. Так как основная цель создания пассивного дома — экономия энергии при эксплуатации, необходимым его элементом является система горячего водоснабжения с применением солнечных коллекторов. Как правило, в таком здании бытовая техника и осветительные приборы должны потреблять минимум электрической энергии.

Таким образом, в [6] определено, что пассивный дом — это:

— здание, обеспечивающее комфортные санитарно-гигиенические условия в помещениях не только летом, но и зимой без использования активной системы отопления или климатической установки;

— здание, в котором системы энергообеспечения (отопления, электро- и горячего водоснабжения) потребляют не более 30 кВт•ч/м2 энергии в год.

Первый пассивный 4-квартирный жилой дом, удовлетворяющий сформулированным требованиям, за исключением системы отопления, оставшейся традиционной водяной, появился в Дармштадте (Германия) в 1991 г. (рис. 2). Он возведен из силикатного кирпича с наружным утеплением слоем пенополистирола толщиной 40 см. Существенную роль в системе энергоснабжения играет принудительная приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией теп-ла уходящего из помещений воздуха. Предварительный нагрев воздуха и повышение эффективности работы системы теплообмена до 90% обеспечивает грунтовый теплообменник.

Характеристики первого пассивного дома следующие:

— сопротивление теплопередаче оболочки, включающей стены перекрытия верхнего этажа и перекрытия под подвалом, — ;

— сопротивление теплопередаче окон — ;

— системы вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещения воздуха, КПД рекуператора — 60%;

— наличие грунтового теплообменника для предварительного нагрева воздуха;

— автоматизированная система управления режимами воздухообмена.

Таблица 1

Потребление энергии, кВт•ч/м2 в год

Энергоноситель

Измерение

1991/92 г.

Измерение

1992/93 г.

Измерение1993/94 г.

Электроснабжение

Электричество

6,27

6,17

7,11

Вентиляция

2,66

2,93

Общее пользование

2,85

2,1

1,87

Приготовление пищи

Природный газ

2,43

2.60

2,89

Горячее водоснабжение

8,28

6,12

7,52

Отопление

20,81

11,91

11,45

Всего

43,29

31,83

33,77

Постоянное научное наблюдение за характеристиками этого дома подтвердило расчетный уровень теплопотерь здания. В таблице 1 из [6] приведены результаты потребления тепловой и электрической энергии в период эксплуатации здания в 1991–1994 гг.

Из представленных данных видно, что уже во втором–третьем сезонах эксплуатации достигнут желаемый результат в потреблении всех видов энергии, как тепловой, так и электрической. В помещениях здания были выполнены измерения качества воздушной среды [8], концентраций в ней радона, формальдегида, грибков и микроорганизмов, стирола, пыли. Полученные значения оказались значительно ниже предельно допустимых, а качество воздуха лучше, чем в обычном доме.

Итогом реализации первого проекта пассивного дома, последующего научного сопровождения и исследований, проведенных позднее, стали разработка основ проектирования пассивных зданий и освоение выпуска спектра изделий, предназначенных для их строительства. Это, в частности, новые поколения окон с термосопротивлением выше 1,2 м2•град/Вт; рекуперативных теплообменников типа воздух–воздух с коэффициентом полезного действия свыше 90%; систем управления жизнеобеспечением. Созданы новые конструктивные системы на основе каркаса, легких конструкций и специально профилированного полистирола, выпуск которого освоен фирмой “Изорасст”, сборных щитовых конструкций, мелкоштучных элементов; архитектурные и планировочные решения.

Все эти новшества, что следует особо подчеркнуть, вышли из стен института пассивного дома, так как реализовать данный проект существующие технические решения не позволяли.

Пассивный дом разрушает многие стереотипы, установившиеся по отношению к жилищу на протяжении столетий. Среди них:

— “мой дом — моя крепость”, олицетворяющий подход к строительству прочных, массивных зданий, способных пережить столетия. Поиск решений для возведения дешевого, конкурентоспособного по стоимости с обычными зданиями пассивного дома привел к созданию легких функциональных ограждающих конструкций, обеспечивающих в первую очередь необходимую теплозащиту зданий;

— высокое качество воздуха возможно только в деревянном доме, конструкции которого дышат. В пассивном доме функционирует принудительная вентиляционная система при практически полностью исключенном свободном воздухообмене. Хорошая предварительная фильтрация воздуха преграждает попадание в помещение уличной пыли, аллергенов. Контролируемая и управляемая влажность в помещениях создает оптимальные для жизни санитарно-гигиенические условия, препятствует размножению микроорганизмов, что подтвердили тщательные санитарные исследования, выполненные в первом пассивном доме [8];

— увеличение площади остекления повышает теплопотери. Исследования, однако, показали, что для окон с термосопротивлением выше 1,2 м2•град/Вт выполняется условие положительного баланса между поступлением солнечной энергии и теплопотерями, то есть увеличение площади остекления только улучшает энергетический баланс здания. Поэтому окна южного фасада в пассивных домах занимают до 40% площади стен.

Таким образом, пассивный дом дал серьезный импульс для развития в Германии новой идеологии энергоэффективного строительства и новых подходов к энергосбережению при эксплуатации зданий.

Пассивный дом как массовая система строительства

Начиная с 1996 г. возведение пассивных зданий в различных конструктивных системах получает все более широкое распространение. ЕС финансировал программу “Гефеос”, в рамках которой осуществлено строительство пилотных объектов — пассивных мало- и многоэтажных зданий и поселков (например, поселок из 20 зданий в Ганновере в 1999 г.) в большинстве стран северного пояса Западной Европы [10] в 1998–2001 гг.

Представим некоторые из них. Так, административное здание фирмы Wagner в г. Кассель (фото 4) — каркасного типа с легкими навесными панелями с термическим сопротивлением, равным 6 м2•град/Вт [11]. Оснащено приточно-вытяжной принудительной вентиляцией с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха и грунтовым теплообменником. Основная система теплоснабжения включает систему солнечных коллекторов и бак-аккумулятор.

Многоэтажное жилое здание в окрестностях Касселя (фото 5) возведено из силикатного кирпича с наружным утеплением. Система приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла вентиляционных выбросов построена по следующему принципу: рекуператор и фильтры приточного и вытяжного воздуха установлены для каждого вентиляционного стояка, объединяющего квартиры 1–4-го этажей. Приточный, вытяжной вентиляторы и канальный нагреватель воздуха имеются в каждой квартире.

Поселок пассивных зданий построен вблизи г. Киль (фото 6). С южной стороны каждого дома расположена система солнечных коллекторов и фотоэлектрическая батарея. Солнечные коллекторы интегрированы в систему энергоснабжения здания, а ток фотоэлектрической батареи после преобразования отдается в энергосистему.

В течение всего периода существования построенных зданий ведется мониторинг расхода энергии, санитарно-гигиенических условий. На рис. 7 приводятся обобщающие данные по потреблению энергии для ряда объектов.

Показательны результаты социологических опросов людей, проживающих в стандартных зданиях, зданиях с низким расходом энергии и пассивных зданиях, представленные на рис. 8. Как видно, жители пассивных домов полностью удовлетворены качеством вентиляции.

Итак, действительные эксплуатационные характеристики и предпочтения жильцов не только подтверждают расчетные цифры, но и убеждают в практической возможности и целесообразности массового строительства пассивных зданий. Переход к нему обеспечил проект “Гефеос”, завершив стадию реализации пилотных объектов. С 1999 г. в Германии широко ведется как проектирование нового энергоэффективного строительства, так и тепловая модернизация существующих зданий в стандарте “пассивный дом”.

Конференция “Пассивный дом — 10”, недавно прошедшая в Ганновере, подытожила десятилетнюю практику развития нового направления в строительстве [12]. Сегодня в Германии в данном стандарте возводятся как жилые, так и общественные здания различной этажности. Тепловая модернизация жилых домов старой застройки, обеспечивающая более 80% экономии тепловой энергии, также стала обычным явлением.

К примеру, тепловая реабилитация жилого здания в Ганновере (фото 9), на котором в настоящее время ведутся работы, включает монтаж системы утепления, установку окон с термическим сопротивлением выше 1,2 м2•град/Вт, оснащение каждой квартиры системой приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха. Таким образом, после модернизации здесь окажутся в наличии все элементы пассивного дома. Помимо прочего, для целей энергоснабжения предполагается установка теплового насоса, использующего энергию грунтовых вод в водоносном слое.

В результате десяти лет развития пассивный дом стимулировал настоящий прорыв в области строительных технологий и продуктов. В частности, появились суперокна, блоки рекуперации тепла с эффективностью более 90%, вакуумная теплоизоляция [13–14], занимающая, кстати, все более прочные позиции на строительном рынке. Создание комфортных условий в помещениях потребовало разработки так называемых энтальпийных рекуператоров, рекуператоров из материалов, позволяющих направить диффузию пара в приточный канал, что обеспечивает повышение влажности приточного воздуха в зимнее время [15–16].

Возведение пассивных зданий приобретает все более массовый характер. Эту мысль наглядно подтверждает развитие данного типа строительства в Ганновере [17]. На рис. 10 представлен график динамики строительства и реконструкции зданий в этом немецком городе, построенный по данным из [17].

Таким образом, Западная Европа пришла к осознанию необходимости и, главное, явной возможности обходиться в сфере эксплуатации зданий минимальным расходом энергии, снизив его по сравнению с обычным в 5–10 раз и получив при этом повышенный комфорт и улучшение качества проживания, и активно реализует эту возможность строительством пассивных зданий.

Вряд ли стоит задаваться вопросом: дешевая энергия — это хорошо или плохо? Ведь, с одной стороны, дешевизна позволяет поддерживать энергоемкий жилой фонд без большого напряжения кошелька потребителей, но с другой — по этой же причине делает экономически нецелесообразным выполнение мероприятий по энергосбережению. Особые отношения с Россией пока дают возможность использования дешевых энергетических ресурсов. Однако завтра ситуация вполне может измениться. Поэтому уже сегодня мы должны готовиться к мировым ценам на энергоносители. Один из необходимых, на наш взгляд, путей — подготовка технической базы строительства зданий, приближающихся по потреблению энергии к пассивным.

В этом направлении УП “Институт НИПТИС” при содействии Министерства архитектуры и строительства Республики Беларусь сделано достаточно много. Созданы суперокна с сопротивлением теплопередаче 1,2 м2•град/Вт, системы вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха, системы утепления, высокоэффективные солнечные коллекторы. Главное, разработана идеология строительства зданий с минимальным потреблением тепловой энергии в климатических условиях Республики Беларусь.

Институтом разработан проект и начато возведение в Минске энергоэффективного панельного здания серии 111–90 МАПИД. В нем предполагается применение названных выше технических решений. При строительстве будут использованы стеновые панели с повышенным сопротивлением теплопередаче, причем изменяющимся в зависимости от расположения с целью выравнивания теплопотерь в различных помещениях здания. В итоге предполагается достигнуть уровня теплопотребления 30 кВт•ч/м2 в год, что в 3 раза ниже существующего. И хочется надеяться, что это здание станет первым в массовой серии.

Литература

1. Строительная теплотехника. СНБ 2.04.01-97. Мн., 1998.

2. Тепловая защита зданий. Строительные нормы и правила Российской Федерации. СНиП 23-02-2003. 2003.

3. Нормативы по теплозащите зданий ТСН 23-313-2000 Тюменской области. Тюмень, 2000.

4. Отопление, вентиляция, кондиционирование. СНБ 4.02.01-03. Мн., 2004.

5. Данилевский Л.Н. Измерение фактических энергетических характеристик жилых зданий // Архитектура и строительство. 2006. № 1. С. 118–123.

6. Feist W. Das kostengünstige Passivhaus — Proektbeschreibung / Arbeitkreis kostengünstige Passivhäuser. Protokolband № 1. Darmstadt, 1996. S. 9–21.

7. Feist W. Gestaltungsgrundladen Passivhäuser / Verlag das Beispiel. 2001. Passivhäuser.

8. Feist W. Ergebnisse der Lüftqualitätsmessungen in Passivhaus Darmstadt Kranichstein / Arbeitkreis kostengünstige Passivhäuser. Protokolband № 7. Darmstadt, 1997. S. 1–24.

9. Feist W. Passivhaus — Faktor 10 zum Anfassen 4. Passivhaustagung 10–11. März 2000. Kassel, 2000. S. 11–19.

10. Feist W., Peper S. Görg M.GEPHEUS — Proektinformation № 35 / Technische Endbereich. Hannover, 2001.

11. Spieler A. und a. Passiv-Verwaltungsgebäude: Erste Betriebserfahrungen mit dem Wagner-Passiv-Solarhaus. 4. Passivhaustagung 10–11. März 2000. Kassel, 2000. S. 435–441.

12. Internationale Passivhaustagung 19–21. Mai 2006. Hannover, 2006. 634 s.

13. Oehler S. Münsterländer Hof renoviert. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover, 2006. S. 57–62.

14. Diefernbach N. Modernisierung von Zweifamilienhäusern auf unterschiedliche energetische Standards unter einzatz von Großelementen mit Vakuumdämmung. 9 Internationale Passivhaustagung 2006. Hannover, 2006 S. 63–68.

15. Kriesi R., Frei B. Entalpie Plattentausher, ein weiterer Schritt zur Komfortsteigerung — 10. Internationale Passivhaustagung 19–21 Mai 2006. Hannover, 2006. S. 99–104.

16. Thomas S. Neue Tendenzen in der Gebäudelüftung — 10. Internationale Passivhaustagung 19–21 Mai 2006. Hannover, 2006. S. 111–116.

17. Görg M. Global denken, konkret handeln — Umsetzung einer nachhaltigen Energiestrategie am Beispiel Hannover — 10. Internationale Passivhaustagung 19-21 Mai 2006. Hannover, 2006. S. 33–47.

Вы здесь

Пассивный дом — основное направление энергоэффективного строительства