Пассивный дом — основное направление энергоэффективного строительства
Пассивный дом — основное направление энергоэффективного строительства
Автор Леонид Данилевский
01.11.2006
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
1
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.
2
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].
3
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.
4
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.
5
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 тепла 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
|
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
|
6
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.
7
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];
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.
9
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.
10
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.
http://www.ais.by/content/view/981/120/
Интересно почитать