Без счетов за отопление. Пассивный дом и его строение.

Мы живем в эпоху перемен. Эта фраза в форме предостережения, принадлежащая Конфуцию, отражает всю шаткость нынешнего мира. Мы приспосабливаемся, адаптируемся, затягиваем потуже пояса. В том числе из-за очередного подорожания электроэнергии, газа. Дома, в которых мы живем все дороже содержать. Часто слышим выкрикивания о энергоэффективности и экономии. 

Между тем, в мире уже давно все продумано и проработано, бери да пользуйся готовым опытом и технологиями. Существует несколько концепций жилья, как минимально потребляющего энергию, так и отдающего её внешним потребителям: пассивный дом, нулевой дом, активный дом, энергосберегающий дом. Если кратко, то пассивным считается дом, потребление энергии на отопление которого составляет, в зависимости от региональных стандартов, не более 10-15 кВт*ч/м² в год. Нулевым является дом, потребление и производство энергии которым от возобновляемых источников одинаково. Ну а активным будет тот дом, который вырабатывает больше энергии от возобновляемых источников, чем потребляет, а излишек отдает, например, в общую сеть. Легко заметить, что нулевым и активным может быть любой дом, при установке в нем соответствующей мощности ветрогенератора, солнечных батарей, либо биогазовой установки. Вот это и есть принципиальная разница - существенные дополнительные расходы от стоимости самого дома на энергосберегающее оборудование. Другое дело изначально спроектированный и построенный пассивный дом, рассчитанный на многие годы эксплуатации, который, при дополнительных минимальных затратах, может стать нулевым, а при чуть больших – активным. Концепция пассивного дома предполагает, что это относительно недорогое строительство, такое жилье может стоить столько же, сколько обычный дом, или незначительно дороже. Разница в стоимости должна быстро окупиться за счет низких эксплуатационных расходов.

Итак, пассивный дом. Он представляет собой здание с предельно минимизированными тепловыми потерями, оптимально ориентированное по сторонам света, органично вписанное в окружающий ландшафт. В идеале пассивный дом должен быть независимой энергосистемой, вообще не требующей расходов на поддержание комфортной температуры. Вся необходимая энергия для жизнедеятельности людей должна вырабатываться внутри самого дома. Как пример, если соответственно одеться, можно себя очень уютно чувствовать даже в морозы – одежда, фактически термоизоляция, сохраняет тепло нашего тела. Вот и пассивный дом должен быть этакой «терморубашкой», сохранять тепло, не пропускать ни жару, ни холод. Это достигается отличной теплоизоляцией, герметичностью, возвратом тепла вытяжной вентиляции в дом с притоком свежего воздуха, энергоэффективной бытовой техникой. В теории все просто, но на практике концепция пассивного дома требует пересмотра некоторых традиционных технологий строительства. На рисунке ниже приведены основные теплопотери обычного дома.

Как видим, собственно уменьшение теплопотерь требует решения еще целого набора необходимых задач — термоизоляции стен, крыши и фундамента, конструкции окон и системы горячего теплоснабжения. Так же обязательна практически полная герметичность здания и наличие принудительной вентиляции с рекуперацией тепла.

Концепция пассивного дома.

Итак, концепция энергосберегающего дома предполагает следующее:

- правильная ориентация здания по сторонам света, открытость и отсутствие затенения южного фасада, ветрозащита северной глухой стороны здания зелеными насаждениями, деревьями, другими зданиями хоз. назначения;

- максимальная компактность здания — соотношение площади ограждающих конструкций — стен, окон, крыши, пола и всего объема здания (его полезной площади). Чем меньше площадь ограждающих конструкций по отношению к полезной площади здания, тем компактнее оно;

- по возможности полное отсутствие балконов и других внешних элементов. Идеальной считается максимальная приближенность формы здания к полусфере, стоящей срезом на земле;

- расположение с юга максимального количества окон, светопрозрачных конструкций, которые пропускали бы глубоко в здание лучи низкого зимнего солнца, но не более 40% от площади стен;

- наличие наружной летней солнцезащиты в виде эркеров, карнизов, террас, затеняющих светопрозрачные конструкции, окна и не дающих попадать лучам высокого летнего солнца в здание;

- оптимальное расположение и соотношение окон и других светопрозрачных конструкций должно быть следующим: 70-80% с южной стороны, 20-30% с восточной, 0-10% с западной

- отсутствие на северной стороне окон, светопропускающих конструкций, через которые тепло покидало бы здание;

- разделение на буферные и жилые зоны; расположение вспомогательных помещений с севера в качестве буферных зон; расположение жилой зоны на юго-востоке;

- наличие массивных аккумулирующих элементов внутри помещений — стен из полнотелого кирпича или бетона, отделанных изнутри, например, глиняной штукатуркой, для обеспечения приема, сохранения и отдачи ими энергии в местах, куда попадают прямые солнечные лучи от низкого зимнего солнца;

- улавливание аккумулирующими элементами энергии внутренних источников тепла — бытовых приборов, компьютеров, освещения, тела человека, и т.п.;

- полное утепление всего периметра здания: фундамента, стен, крыши; то есть, создание внешней теплоизоляционной оболочки здания - теплопроводность  плотных ограждающих конструкций (фундамента, стен, крыши) в пассивном доме не должна превышать 0,15 Вт/м²х°С. Теплопроводность окон и других светопрозрачных конструкций не должна превышать 0,85 Вт м²х°С;

- внутренняя теплоизоляция всех внешних ограждающих конструкций - фундамента, стен, крыши;

- максимально возможная герметичность (воздухонепроницаемость) внешней оболочки здания;  - система приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией;

- использование подземных каналов (грунтовых теплообменников ) для пассивного предварительного подогрева (или охлаждения) воздуха и воды.

Использование выше перечисленных приемов позволяет энергосберегающему дому очень хорошо сохранять тепло: зимой при аварийном отключении системы отопления температура внутри такого дома понижается лишь на 1-2 °С в сутки.

Какими способами решаются описанные задачи? Например, правильная ориентация здания зависит от рельефа местности, от сезонных ветров, наличия или запланированной посадки зеленых насаждений, деревьев. Требование к открытости южного фасада имеет ключевое значение для поступления солнечной энергии, предполагает достаточное свободное пространство с этого направления. Защищенность северной части здания тоже не маловажна - чем лучше прикрыта северная сторона здания, тем меньше потерь будет в этом направлении. Выигрышно смотрятся в этом отношении дома на южных склонах холмов, а так же дома, прикрытые с севера не жилыми строениями, садом, лесом, посадкой.

Хотя оптимальной формой, при максимальном объеме и минимальной площади, будет полусфера, форма пассивных здания может существенно отличаться, в зависимости от задач и потребностей. На это влияет площадь участка под дом,площадь его южного фасада,  архитектурные решения, этажность, а так же другие требования, в частности, наличие наружной летней солнцезащиты. 

Так что на самом деле приближенное к полусфере решение можно встретить очень редко, в  экспериментальных проектах. Чаще всего используется форма дома, в разрезе с севера на юг напоминающая неправильный многоугольник, с большим южным фасадом и уменьшенной площадью северной стороны. В плане пассивный дом может быть так же многоугольным,с юго-восточным и юго-западным фасадами, но наибольшей популярностью пользуется план с удлинением по оси запад-восток. Над окнами, светопрозрачными конструкциями южного фасада обязательно должны располагаться элементы наружной солнцезащиты – террасы, козырьки, навесы, препятствующие прониканию солнечного излучения в жилые помещения в летний период и наоборот, позволяющие низкому зимнему солнцу максимально прогревать комнаты.

Внутренняя компоновка пассивного дома подчинена все той же задаче минимизации теплопотерь жилой зоны и максимальному поступлению солнечного тепла в нее. Для решения в северной части дома обычно располагают не жилые помещения – ванные комнаты и санузлы, кухню, кладовые. Жилые помещения – спальни, детские, гостиные – располагают в юго-восточной, южной частях дома. Пассивные дома часто имеют открытые планы (перетекающие пространства) для облегчения термосифонного эффекта в перемещении солнечного тепла от южного фасада через весь дом. Для распределения теплого воздуха в зданиях с закрытыми планами используется система вентиляции.

Особое место в энергосберегающем доме отводится использованию солнечного тепла. Чтобы лучи свободно проникали внутрь в холодный период года, площадь остекления может составлять до 40% южного фасада. Для сохранения солнечного тепла внутренние стены жилых помещений, расположенные напротив окон, делают теплоаккумулирующими и изготавливают из материалов высокой плотности: бетона, кирпича, камня, самана. Эти материалы, из-за эффекта тепловой инерции - способности поглощать энергию и отдавать ее через какое-то время, могут запасать тепловую энергию для дальнейшей медленного ее отдачи, снижая температурные колебания в здании. 

Таким образом, значительную часть отопительной нагрузки здания может нести солнечная энергия.Главным способом предотвращения потерь в пассивном доме является теплоизоляция. При этом проводится четкое разделение функций строительных материалов в конструкциях. Конструкционные и крепежные элементы должны обеспечивать прочность, утеплители должны обеспечивать тепловую изоляцию, декоративно-отделочные материалы - внешний вид. При таком подходе удается сократить количество мостов холода, по которым тепло из дома может выходить наружу. В доме формируется несколько слоев теплоизоляции — внутренняя и внешняя.

Для внешней теплоизоляции стен применяют системы наружного утепления здания. Это вентилируемые навесные фасады и системы фасадного утепления со штукатурным слоем. Кроме того, используются теплоизолирующие панели толщиной 25 – 40 см. Теплоизоляция должна быть непрерывной, без отверстий. Например, балконы не должны напрямую стыковаться с ограждающими конструкциями – стенами, перекрытиями, а отделятся от них термоизоляцией и располагаться на внешних опорах.Внутренняя теплоизоляция часто выполняется в одном блоке с пароизоляцией, для сохранения полной герметичности здания, а так же с внутренним декоративным покрытием, в том числе с экологически чистых материалов.

Термоизоляция крыши имеет так же важное значение, и решения аналогичны термоизоляции стен. В пассивных домах еще с первых проектов широко распространена односкатная крыша, которую легче утеплять, хотя встречаются сложные ломаные конструкции.

Термоизоляция крыши - это многослойная система, включающая как собственно теплоизоляцию с предотвращением образования мостов холода, так и пароизоляцию, позволяющую вентилировать деревянные элементы крыши, а так же препятствующую образованию конденсата, снижающего эффективность изоляционных свойств утеплителя. Кроме полностью утепленных крыш, встречаются холодные кровли, когда утепляется верхнее перекрытие, а собственно кровля является отдельным элементом конструкции дома.

Основание дома – фундамент – тоже полностью теплоизолируется с одновременной гидроизоляцией. Решается это следующими мерами: теплоизоляцией фундамента снаружи по всей высоте; установкой горизонтальной наружной теплоизоляции по периметру дома у нижней кромки опоры фундамента; установкой фундаментных блоков на песчаную подушку; применением схемы укладки плиты первого этажа на грунт через сэндвич: песчаная подушка, гидроизоляция, толстый утеплитель; так же фундаментные блоки над поверхностью должны иметь теплоизоляцию снаружи и изнутри. При такой схеме зона промерзания грунта будет находиться на значительном расстоянии от дома и утечки тепла через подпол будут несущественны. Аналогичным образом решаются проблемы сокращения теплопотерь при обустройстве подземных помещений. Кроме утепления фундамента также проводятся меры по теплоизоляции перекрытия.

Большое внимание в пассивных домах уделяется остеклению и окнам. В окнах для таких домов используют герметичные стеклопакеты, по меньшей мере, с двумя контурами уплотнений между рамой и створками. При этом сами окна должны быть оснащены стеклопакетом с низко эмиссионным покрытием, заполненным инертным газом, например аргоном. Рамы изготавливаются из профиля с заполнением, с минимальным коэффициентом теплопередачи, а так же из дерева. Часто окна делают не открывающимися, или открывающимися только на проветривание. Иногда, для дополнительной теплоизоляции, на окнах устанавливают ставни, жалюзи или шторки. Для предотвращения образования мостов холода окно при монтаже выносится в плоскость теплоизоляции. Поэтому необходимо уделять особое внимание надлежащей установке оконных конструкций, например, обеспечить тщательную заделку в теплоизоляционный слой, контролируя при этом герметичное и плотное 

Еще одним источником теплопотерь является входная дверь. Поэтому при входе в энергосьерегающий дом должен быть тепловой тамбур и вторая дверь. Требования к уплотнению притвора дверей и стыка дверной коробки с конструктивными элементами здания такие же, как для окон.

Места примыкания крыши, стен, фундамента пассивного дома стараются делать с применением термовкладок из конструкционных материалов с низкой теплопроводностью. Например, блоков из ячеистого бетона, специальных видов кирпича и т.д. Места сочленений дополнительно герметизируют различными видами герметиков, пластичными строительными растворами.

Кстати, показательным является пример Скандинавии, когда в шведских пассивных домах толщина эффективной теплоизоляции в стенах получается не менее 400 мм, в крыше — не менее 500 мм, в нижнем перекрытии — не менее 300 мм. 

В принципе, применяя современные теплоизолирующие материалы, показатель расходов энергии на отопление можно снизить меньше норматива, но расчеты Института пассивных домов продемонстрировали, что именно при 15 кВт чисто математически достигается экстремум по показателю «эффект/затраты». Если пытаться снизить до нуля затраты на тепло, резко возрастают затраты на строительство и сложность системы.

Одной из важнейших инженерных систем пассивного дома, позволяющих существенно уменьшить потери тепла, является система вентиляции с рекуперацией воздуха - приточный и вытяжной вентиляционный каналы должны проходить через рекуператор, где часть тепла отработанного, но нагретого воздуха передается свежему, но холодному воздуха с улицы. Так же приточный канал для забора воздуха может быть проложен под землей, ниже уровня промерзания, чтобы дополнительно подогреть (или охладить летом) воздух. Но для довольно холодного климата применение такого теплообменника сомнительно, потому что существует реальная опасность конденсации и замерзания в нем влаги при низких температурах.

В конечном итоге система рекуперации позволяет возвращать в помещения до 90% тепла уходящего воздуха.

Повышение энергоэфективности дома с помощью альтернативных источников.

Для еще большего увеличения энергоэффективности пассивного дома применяется целый ряд инженерных решений, направленных как на экономию потребления внешней энергии – солнечные установки и тепловые насосы, так и на производство электроэнергии – комплекты солнечных батарей.

Солнечные коллекторы, позволяющие максимально использовать солнечное излучение для нагрева воды, обеспечивают пассивный дом горячим водоснабжением в весеннее-летний период, а так же могут поддерживать систему низкотемпературного отопления – теплый пол, теплые стены. Тепловой насос высокоэффективно использует потенциал окружающей среды – воздуха, земли, воды, позволяя получить на выходе в несколько раз больше тепловой энергии, чем затрачивается электрической. В пассивном доме, благодаря его минимальным тепловым потерям, тепловой насос будет работать только в самые холодные дни года, а его максимальная производительность достигается при совместной работе с низкопотенциальными системами отопления – фанкойлами, теми же теплыми полами, теплыми стенами. Солнечные батареи и ветряные генераторы, преобразуя в электроэнергию солнечное излучение и энергию ветра, позволяют сделать пассивный дом нулевым. А если их производительность энергии выше потребления пассивного дома, то и активным, при чем с намного меньшими установленными мощностями, а значит, и стоимостью системы, чем понадобилось бы обычному дому. 

Применение таких систем, как гелиоколлекторы, тепловой насос, рекуперация воздуха, ведет к отказу от традиционных способов отопления - радиаторов, батарей, котлов, каминов, дровяных печей с их низкой эффективностью. Но даже в таком современном жилье, каким является пассивный дом, часто используются дополнительные печи на растительном топливе. Самые лучшие - это дровяные печи медленного горения с каталитическим дожигом горючих газов. Сами печи с каталитическим дожигом, или пиролизные котлы, имеют очень высокий КПД, порядка 80%. Низкие теплопотери экодома позволяют использовать такие котлы малой мощности, а дрова являются возобновляемым источником энергии.

Кроме прямого обогрева дома существуют системы с сезонной аккумуляцией тепловой энергии от солнечного излучения. Функцию преобразования энергии солнца в тепло осуществляют гелиоколлекторы, а аккумуляторами выступают гравий, засыпанный в специальные контейнеры, грунт под домом, большие емкости с жидкостью. Такие аккумуляторы тепла используют для увеличения тепловой инерции дома. Так же выгодно и удобно, когда аккумуляторы тепла  выполняют функции конструктивного элемента дома, при простой собственной конструкции и недорогом устройстве.  За счет теплопроводности эти аккумуляторы быстро теряют энергию, поэтому их обустройство требует хорошей тепло– и гидроизоляции, но позволяет максимально использовать энергию солнца круглый год, запасая летом и расходуя зимой. Существуют так же гибридный теплонасос – гелиоколлекторные установки, летом прогревающие от солнца грунт через подземные зонды, а в отопительный период отбирающие его тепло, тем самым значительно повышая СОР теплового насоса. 

Итак, в дополнение к максимальной экономии энергии пассивный дом требует минимальных расходов на отопление и горячее водоснабжение, а так же, что не маловажно, позволяет создать внутреннюю комфортную среду обитания, ведь человек в среднем более 60% своего времени проводит как раз дома. Создание комфортной среды обитания – это, как говорилось выше, применение низкотемпературных систем отопления – теплых стен, полов, дающих зимой эффект нагрева солнечными лучами, использование в отделке и покрытиях натуральных материалов – глиняной штукатурки, камня, дерева, линолеума из стружки дерева и льняного масла. Все вместе позволяет создать комфортные, экологичные условия, одновременно оказывая минимальное негативное влияние на окружающую среду. Собственная стабильность в эпоху перемен.