Пасивний будинок і його принцип роботи. Без рахунків за опалення.

Ми живемо в епоху змін. Ця фраза у формі застереження, що належить Конфуцію, відображає всю хиткість нинішнього світу. Ми пристосовуємося, адаптуємося, затягуємо тугіше пояси. В тому числі з-за чергового подорожчання електроенергії, газу. Будинки, в яких ми живемо все дорожче утримувати. Часто чуємо вигуки про енергоефективності та економії.

Між тим, у світі вже давно все продумано і опрацьовано, бери та користуйся готовим досвідом і технологіями. Існує кілька концепцій житла, як мінімально споживає енергію, так і віддає її зовнішнім споживачам: пасивний будинок, нульовий будинок, активний будинок, енергозберігаючий будинок. Якщо коротко, то вважається пасивним будинок, споживання енергії на опалення якого становить, в залежності від регіональних стандартів, не більше 10-15 кВт·год/м?рік. Нульовим є будинок, споживання і виробництво енергії яким від поновлюваних джерел однаково. Ну а активним буде той будинок, який виробляє більше енергії від поновлюваних джерел, ніж споживає, а віддає надлишок, наприклад, в загальну мережу. Легко помітити, що нульовим і активним може бути будь-який будинок, при встановленні в ньому відповідної потужності вітрогенератора, сонячних батарей, або біогазової установки. Ось це і є принципова різниця ― істотні додаткові витрати від вартості самого будинку наенергозберігаюче обладнання. Інша справа спочатку спроектований і побудований пасивний будинок, розрахований на багато років експлуатації, який при мінімальних додаткових витратах, може стати нульовим, а при трохи великих – активним. Концепція пасивного будинку припускає, що це відносно недороге будівництво, таке житло може коштувати стільки ж, скільки звичайний будинок, або трохи дорожче. Різниця у вартості має швидко окупитися за рахунок низьких експлуатаційних витрат.

Отже, пасивний будинок. Він являє собою будівлю з гранично мінімізованими тепловими втратами, оптимально орієнтоване по сторонах світу, органічно вписаний у навколишній ландшафт. В ідеалі пасивний будинок повинен бути незалежною енергосистемою, взагалі не вимагає витрат на підтримку комфортної температури. Вся необхідна енергія для життєдіяльності людей повинна вироблятися всередині самого будинку. Як приклад, якщо відповідно одягнутися, можна себе дуже затишно відчувати навіть у морози – одяг, фактично термоізоляція, яка зберігає тепло нашого тіла. Ось і пасивний будинок повинен бути отакою «терморубашкой», зберігати тепло, не пропускати ні жару, ні холод. Це досягається відмінною теплоізоляцією, герметичністю, поверненням тепла витяжної вентиляції в будинок з припливом свіжого повітря, енергоефективної побутовою технікою. В теорії все просто, але на практиці концепція пасивного будинку вимагає перегляду деяких традиційних технологій будівництва.

Зменшення тепловтрат вимагає рішення цілого набору необхідних завдань — термоізоляції стін, даху та фундаменту, конструкції вікон і системи гарячого теплопостачання. Так само обов'язкова практично повна герметичність будівлі та наявність примусової вентиляції з рекуперацією тепла.

Концепція пасивного будинку.

Отже, концепція енергозберігаючого будинку передбачає наступне:

- правильна орієнтація будинку по сторонах світу, відкритість і відсутність затінення південного фасаду, вітрозахист північної глухий боку будівлі зеленими насадженнями, деревами, іншими будівлями госп. призначення;

- максимальна компактність будівлі — співвідношення площі огороджувальних конструкцій — стін, вікон, даху, підлоги і всього об'єму будівлі (його корисної площі). Чим менше площа огороджувальних конструкцій по відношенню до корисної площі будівлі, тим компактніший воно;

- по можливості повна відсутність балконів і інших зовнішніх елементів. Ідеальною вважається максимальна наближеність форми будівлі до півсфері, стоїть зрізом на землі;

- розташування з півдня максимальної кількості вікон, світлопрозорих конструкцій, які пропускали б глибоко в будівлю промені низького зимового сонця, але не більше 40% від площі стін;

- наявність зовнішньої річної сонцезахисту у вигляді еркерів, карнизів, терас, темних світлопрозорі конструкції, вікна і не дають променям потрапляти високого літнього сонця в будівлю;

- оптимальне розташування і співвідношення вікон і інших світлопрозорих конструкцій має бути наступним: 70-80% з південної сторони, 20-30% з східної, 0-10% з західної

- відсутність на північній стороні вікон, світлопроникних конструкцій, через які тепло залишало б будівля;

- поділ на буферні та житлові зони; розташування допоміжних приміщень з півночі в якості буферних зон; розташування житлової зони на південно-сході;

- наявність масивних акумулюючих елементів всередині приміщень — стін з повнотілої цегли або бетону, оброблених зсередини, наприклад, глиняного штукатуркою, для забезпечення прийому, збереження і віддачі ними енергії в місцях, куди потрапляють прямі сонячні промені від низького зимового сонця;

- уловлювання аккумулирующими елементами енергії внутрішніх джерел тепла — побутових приладів, комп'ютерів, освітлення, тіла людини, тощо;

- повне утеплення всього периметра будинку: фундаменту, стін, даху; тобто, створення зовнішньої теплоізоляційної оболонки будинку ― теплопровідність щільних огороджувальних конструкцій (фундаменту, стін, даху) у пасивному будинку не повинна перевищувати 0,15 Вт/м?хС?. Теплопровідність вікон і інших світлопрозорих конструкцій не повинна перевищувати 0,85 Вт м?хС?;

- внутрішня теплоізоляція всіх зовнішніх огороджувальних конструкцій фундаменту, стін, даху;

- максимально можлива герметичність (повітронепроникність) зовнішньої оболонки будівлі; ― система припливно-витяжної вентиляції з рекуперацією;

- використання підземних каналів (теплообмінники ) для пасивного попереднього підігріву (або охолодження) повітря і води.

Якими способами вирішуються описані завдання? Наприклад, правильна орієнтація будівлі залежить від рельєфу місцевості, від сезонних вітрів, наявності або запланованої посадки зелених насаджень, дерев. Вимога до відкритості південного фасаду має ключове значення для надходження сонячної енергії, передбачає достатній вільний простір з цього напрямку. Захищеність північній частині будівлі теж не маловажно ― чим краще прикрита північна сторона будівлі, тим менше втрат буде в цьому напрямку. Виграшно виглядають в цьому відношенні будинку на південних схилах пагорбів, а так само будинку, прикриті з півночі не житловими будівлями, садом, лісом, посадкою.

Хоча оптимальною формою, при максимальному обсязі та мінімальної площі, буде півсфера, форма пасивних будівлі може істотно відрізнятися, в залежності від завдань і потреб. На це впливає площа ділянки під будинок,площа його південного фасаду, архітектурні рішення, поверховість, а так само інші вимоги, зокрема, наявність зовнішньої річної сонцезахисту.

Так що насправді наближене до півсфері рішення можна зустріти дуже рідко, в експериментальних проектах. Найчастіше використовується форма будинку, в розрізі з півночі на південь нагадує неправильний багатокутник, з великим південним фасадом і зменшеною площею північної сторони. У плані пасивний будинок може бути так само багатокутний,з південно-східним і південно-західним фасадами, але найбільшою популярністю користується план з подовженням по осі захід-схід. Над вікнами, світлопрозорими конструкціями південного фасаду обов'язково повинні розташовуватися елементи зовнішньої сонцезахисту – тераси, козирки, навіси, перешкоджають проникнення сонячного випромінювання в житлові приміщення у літній період, і навпаки, дозволяють низького зимового сонця максимально прогрівати кімнати.

Внутрішня компоновка пасивного будинку підпорядкована все тієї ж задачі мінімізації тепловтрат житлової зони і максимального надходження сонячного тепла до неї. Для вирішення в північній частині будинку зазвичай розташовують не житлові приміщення – ванні кімнати, санвузли, кухні, комори. Житлові приміщення – спальні, дитячі, вітальні – розташовують у південно-східній, південній частинах будинку. Пасивні будинки часто мають відкриті плани (перетікають простору) для полегшення термосифонного ефекту в переміщенні сонячного тепла від південного фасаду через весь будинок. Для розподілу теплого повітря в будівлях з закритими планами використовується система вентиляції.

Особливе місце в енергозберігаючому будинку відводиться використанню сонячного тепла. Щоб промені вільно проникали всередину в холодний період року, площа скління може становити до 40% південного фасаду. Для збереження сонячного тепла внутрішні стіни житлових приміщень, що розташовані навпроти вікон, роблять теплоакумулюючими і виготовляють з матеріалів високої щільності: бетону, цегли, каменю, саману. Ці матеріали, з-за ефекту теплової інерції ― здатності поглинати енергію і віддавати її через якийсь час, можуть запасати теплову енергію для подальшої повільного її віддачі, знижуючи температурні коливання в будівлі.

Таким чином, значну частину опалювальної навантаження будівлі може нести сонячна енергія.Головним засобом запобігання втрат у пасивному будинку є теплоізоляція. При цьому проводиться чіткий поділ функцій будівельних матеріалів в конструкціях. Конструкційні та кріпильні елементи повинні забезпечувати міцність, утеплювачі повинні забезпечувати теплову ізоляцію, декоративно-оздоблювальні матеріали ― зовнішній вигляд. При такому підході вдається скоротити кількість мостів холоду, по яких тепло з будинку може виходити назовні. В будинку формується кілька шарів теплоізоляції — внутрішня і зовнішня.

Для зовнішньої теплоізоляції стін застосовують системи зовнішнього утеплення будівлі. Це вентильовані навісні фасади та системи фасадного утеплення з штукатурним шаром. Крім того, використовуються теплоізолюючі панелі товщиною 25 – 40 див. Теплоізоляція має бути безперервним, без отворів. Наприклад, балкони не повинні безпосередньо контактувати з огороджувальними конструкціями – стінами, перекриттями, а відокремлюватись від них термоізоляцією і розташовуватися на зовнішніх опорах.Внутрішня теплоізоляція часто виконується в одному блоці з пароізоляцією, для збереження повної герметичності будівлі, а так само з внутрішнім декоративним покриттям, у тому числі з екологічно чистих матеріалів.

Термоізоляція даху має так само важливе значення, і рішення аналогічні термоізоляції стін. В пасивних будинках ще з перших проектів широко поширена односхилий дах, яку легше утеплювати, хоча зустрічаються складні ламані конструкції.

Термоізоляція даху ― це багатошарова система, що включає як власне теплоізоляцію із запобіганням утворення містків холоду, так і пароізоляцію, яка дозволяє вентилювати дерев'яні елементи даху, а так само перешкоджає утворенню конденсату, що знижує ефективність ізоляційних властивостей утеплювача. Крім повністю утеплених дахів, зустрічаються холодні покрівлі, утеплюється верхнє перекриття, а власне покрівля є окремим елементом конструкції будинку.

Основа будинку – фундамент – теж повністю теплоизолируется з одночасною гідроізоляцією. Вирішується це наступними заходами: теплоізоляцією фундаменту зовні по всій висоті; установкою горизонтальній зовнішньої теплоізоляції по периметру будинку у нижнього краю опори фундаменту; установкою фундаментних блоків на піщану подушку; застосуванням схеми укладання плити першого поверху на грунт через сендвіч: піщана подушка, гідроізоляція, товстий утеплювач; так само фундаментні блоки над поверхнею повинні мати теплоізоляцію зовні і зсередини. При такій схемі зона промерзання грунту буде знаходитися на значній відстані від будинку і витоку тепла через підлогу будуть несуттєвими. Аналогічним чином вирішуються проблеми скорочення тепловтрат при облаштуванні підземних приміщень. Крім утеплення фундаменту також проводяться заходи по теплоізоляції перекриття.

Велику увагу в пасивних будинках приділяється склінню і вікон. У вікнах для таких будинків використовують герметичні склопакети, щонайменше, з двома контурами ущільнень між рамою і стулками. При цьому самі вікна повинні бути оснащені склопакетом з низько емісійним покриттям, заповнених інертним газом, наприклад аргоном. Рами виготовляються з профілю із заповненням, з мінімальним коефіцієнтом теплопередачі, а так само з дерева. Часто вікна роблять не відкриваються або відкриваються тільки на провітрювання. Іноді, для додаткової теплоізоляції, на вікнах установлюють віконниці, жалюзі або шторки. Для запобігання утворення містків холоду вікно при монтажі виноситься в площину теплоізоляції. Тому необхідно приділяти особливу увагу належної встановлення віконних конструкцій, наприклад, забезпечити ретельну закладення в теплоізоляційний шар, контролюючи при цьому герметичне і щільне

Ще одним джерелом тепловтрат є вхідні двері. Тому при вході в энергосьерегающий будинок повинен бути теплової тамбур і друга двері. Вимоги до ущільнення притвору дверей і стику дверної коробки з конструктивними елементами будівлі такі ж, як для вікон.

Місця примикання даху, стін, фундаменту пасивного будинку намагаються робити з застосуванням термовкладок з конструкційних матеріалів з низькою теплопровідністю. Наприклад, блоків з пористого бетону, спеціальних видів цегли і т. д. Місця зчленувань додатково герметизують різними видами герметиків, пластичними будівельними розчинами.

До речі, показовим є приклад Скандинавії, коли в шведських пасивних будинках товщина ефективної теплоізоляції в стінах виходить не менше 400 мм, на даху — не менше 500 мм, в нижньому перекритті — не менше 300 мм.

В принципі, застосовуючи сучасні теплоізолюючі матеріали, показник витрат енергії на опалення можна знизити менше нормативу, але розрахунки Інституту пасивних будинків продемонстрували, що саме при 15 кВт чисто математично досягається екстремум за показником «ефект/витрати». Якщо намагатися знизити до нуля витрати на тепло, різко зростають витрати на будівництво і складність системи.

Однією з найважливіших інженерних систем пасивного будинку, що дозволяють істотно зменшити втрати тепла, є система вентиляції з рекуперацією повітря ― припливний і витяжний вентиляційний канали повинні проходити через рекуператор, де частину тепла відпрацьованого, але нагрітого повітря передається свіжому, але холодного повітря з вулиці. Так само припливний канал для забору повітря може бути прокладений під землею, нижче рівня промерзання, щоб додатково підігріти (або охолодити влітку) повітря. Але для досить холодного клімату застосування такого теплообмінника сумнівно, тому що існує реальна небезпека конденсації і замерзання в ньому вологи при низьких температурах.

У кінцевому підсумку система рекуперації дозволяє повертати в приміщення до 90% тепла витяжного повітря.

Підвищення енергоефективності будинку за допомогою альтернативних джерел.

Для ще більшого збільшення енергоефективності пасивного будинку застосовується цілий ряд інженерних рішень, направлених на економію споживання зовнішньої енергії – сонячні установки та теплові насоси, так і на виробництво електроенергії – комплекти сонячних батарей.

Геліоколектори, що дозволяють максимально використовувати сонячне випромінювання для нагрівання води, забезпечують пасивний будинок гарячим водопостачанням у весняно-літній період, а так само можуть підтримувати систему низькотемпературного опалення – тепла підлога, теплі стіни. Тепловий насос високоефективно використовує потенціал навколишнього середовища – повітря, землі, води, дозволяючи отримати на виході в кілька разів більше теплової енергії, ніж витрачається електричної. У пасивному будинку, завдяки його мінімальним теплових втрат, тепловий насос буде працювати тільки в найхолодніші дні року, а його максимальна продуктивність досягається при спільній роботі з низкопотенциальными системами опалення – фанкойлами, тими ж теплими підлогами, теплими стінами. Сонячні батареї і вітряні генератори, перетворюючи її в електроенергію сонячне випромінювання, енергію вітру, дозволяють зробити пасивний будинок нульовим. А якщо їх продуктивність енергії вище споживання пасивного будинку, то і активним, при чому з набагато меншими встановленими потужностями, а значить, і вартістю системи, ніж знадобилося б звичайному будинку.

Застосування таких систем, як геліоколектори, тепловий насос, рекуперація повітря, веде до відмови від традиційних способів опалення ― радіаторів, батарей, котлів, камінів, дров'яних печей з їх низькою ефективністю. Але навіть у такому сучасному житло, яким є пасивний будинок, часто використовуються додаткові печі на рослинному паливі. Найкращі ― це дров'яні печі повільного горіння з каталітичним дожигом горючих газів. Самі печі з каталітичним дожигом, чи піролізні котли, мають дуже високий ККД, порядку 80%. Низькі тепловтрати екобудинки дозволяють використовувати такі котли малої потужності, а дрова є відновлюваним джерелом енергії.

Крім прямого обігріву будинку існують системи з сезонною акумуляцією теплової енергії від сонячного випромінювання. Функцію перетворення енергії сонця в тепло здійснюють геліоколектори, а акумуляторами виступають гравій, засипаний в спеціальні контейнери, ґрунт під будинком, великі ємності з рідиною. Такі акумулятори тепла використовують для збільшення теплової інерції будинку. Так само вигідно та зручно, коли акумулятори тепла виконують функції конструктивного елемента будинку, при простій власної конструкції і недорогому пристрої. За рахунок теплопровідності ці акумулятори швидко втрачають енергію, тому їх облаштування вимагає хорошою тепло– і гідроізоляції, але дозволяє максимально використовувати енергію сонця круглий рік, запасаючи влітку і витрачаючи взимку. Існують так само гібридний теплонасос – гелиоколлекторные установки, влітку прогрівальні від сонця грунт через підземні зонди, а в опалювальний період зменшують його тепло, тим самим значно підвищуючи СОР.

Отже, на додаток до максимальної економії енергії пасивний будинок вимагає мінімальних витрат на опалення та гаряче водопостачання, а так само, що не менш важливо, дозволяє створити внутрішню комфортне середовище проживання, адже людина в середньому більше 60% свого часу проводить як раз вдома. Створення комфортного середовища проживання – це, як говорилося вище, застосування низькотемпературних систем опалення, теплих підлог, стін, дають взимку ефект нагріву сонячними променями, використання в обробці і покриттях натуральних матеріалів – глиняної штукатурки, каменю, дерева, лінолеуму з стружки дерева і лляної олії. Все разом дозволяє створити комфортні, екологічні умови, одночасно надаючи мінімальний негативний вплив на навколишнє середовище. Власна стабільність в епоху змін.