Пассивные дома и их принципы проектирования

Мир неустанно ищет способы снизить выбросы углекислого газа в окружающую среду, поэтому строительство пассивных «экодомов» становится приоритетным для многих стран. И, если еще недавно понятие «осознанное потребление» ассоциировалось у большинства с чем-то далеким и очень «нишевым», то сейчас это молодой тренд, который вот-вот превратится в настоящий «хайп». Пассивные дома отличаются очень низкой потерей энергии (тепла), благодаря использованию пассивных методов энергосбережения (изоляционные материалы, инновационные инженерные и архитектурные решения). Энергосбережение как и возобновляемая энергетика — это наше настоящее и будущее.

В Европе «пассивными» называют строения, которые потребляют меньше 15 кВт*ч/м2 в год (рис.1).

Рис. 1: Распределение строений по уровню потребления энергии
Рис. 1: Распределение строений по уровню потребления энергии

Энергоэффективность зданий

В европейских странах надо обязательно указывать в паспорте каждой постройки класс её энергоэффективности, чтобы легко можно было вычислить затраты на обслуживание здания.

Таблиця 1: Таблица 1: Количество энергии, потребляемой зданиями для их отопления и охлаждения
Тип здания Энергопотребление (кВт*ч/м2 в год) Законодательно разрешены в Европе (года)
Старое здание 300 ≤ 1970
Новое здание 150 1970 — 2002
Дом низкого потребления энергии 60 2002 — 2019
Пассивный дом 15 2019 — 2020
Дом нулевого энергопотребления 0 нет ограничений
Активный дом производит энергию нет ограничений

 

В Украине культура строительства энергоэффективных домов начинает активно развиваться. Однако большинство новостроек соответствуют классу «новые здания», а значит годовые потери тепла приблизительно равны 150 кВт*ч/м2. Кроме нанесения вреда окружающей среде, эксплуатация такого жилья не выгодна тем, кто оплачивает платёжки за отопление.
Директива европейского союза 2002/91/EC об энергетических показателях в строительстве (EPBD) обязывает все входящие в ЕС страны возводить новостройки с нулевым уровнем энергопотребления. Что для этого надо? Все просто, специалисты разработали достаточное количество энергосберегающих материалов, архитектурных и технологических решений. О чем ниже распишем подробнее.

Основные принципы проектирования пассивных домов

Это не очевидно, но оказывается затраты на строительство экодома ненамного выше, чем на строительство обычного здания (от 3 до 7%). Потому что проект пассивного дома включает реализацию архитектурных приёмов, которые позволяют улавливать и аккумулировать (накапливать) большое количество тепла из окружающей среды.

Рис. 2: Ключевые ландшафтно-планировочные принципы при строительстве энергоэффективных зданий
Рис. 2: Ключевые ландшафтно-планировочные принципы при строительстве энергоэффективных зданий

Главной задачей для инженеров является разработка таких конструкций, чтобы как можно большее количества солнечного света зимой попадало в здание и сохранялось в виде тепла благодаря теплоизоляции. Прежде всего надо продумать как сохранить тепло и не выпустить его через вентиляцию, которая должна присутствовать в каждом помещении.

Решения, помогающие спроектировать пассивный дом, можно разбить на несколько подразделов. Их же применяют для проектирования энергонезависимых домов с нулевым потреблением энергии:

  • Ландшафтно-планировочные решения;
  • Объемно-планировочные решения;
  • Энергосберегающее остекление здания;
  • Аккумулирующие энергию решения;
  • Теплоизоляционные решения;
  • Инженерные решения и возобновляемая энергетика;

Ниже рассмотрим каждый пункт отдельно.

Ландшафтно-планировочные решения

Ландшафтное планирование — это пространственно-временное расположение здания в условиях ландшафта с учетом поставленных целей. Для нашего региона основополагающие принципы такие:

  • ветрозащита здания (предполагает отсутствие окон и заграждение другими строениями или деревьями северной стороны);
  • отсутствие затеняющих объектов южного фасада и наличие больших окон.

На рисунке 3 можно увидеть пример применения этих принципов. Северный фасад строения не имеет окон и защищен деревьями, а внутри расположены буферные зоны (не жилые комнаты). С южной стороны строение открыто солнцу и имеет достаточно окон.

Объемно-планировочные решения

Под объёмным планированием подразумевают расположение и компоновку зданий в соответствии с экономическими, функциональными, техническими и архитектурно-художественными требованиями.

Прежде всего здание должно иметь компактную форму, например, форму полушара (считается самой энергосберегающей). Конечно же следует избегать проектирования углов, балконов или продумывать как избежать потери тепла, если обойтись без них не получается.

Внутри помещение обычно делится на жилые и буферные (вспомогательные) зоны. Причём вспомогательные зоны располагаются на северной стороне, поскольку в них возможна температура ниже, чем в жилых. А вот жилые зоны конечно должны располагаться на юго-востоке.

Немалую роль играют дополнительные архитектурные элементы, защищающие строения от летнего солнца и от зимнего ветра (козырьки, навесы, заграждения и т.д.).

Энергосберегающее остекление

Энергосберегающие окна — это один из главных способов повышения энергоэффективности домов. Выбор стеклопакета с дополнительной камерой увеличивает сбережение тепла на 50%. Но этого недостаточно, важно предусмотреть следующие моменты:

  • отсутствие на северной стороне любых светопропускающих областей (окна или застекленные двери, остекленные фасады, стеклянные элементы крыш);
  • расположить светопропускающие конструкции так, чтобы солнце зимой попадало внутрь помещения как можно дольше;
  • окна должны находиться на южной стороне и немного на восточной и западной (такое требование актуально именно для нашей климатической зоны);
  • коэффициент теплопроводности (способность передавать тепло) окон и профилей ≤ 0,8 Вт/(м²*K);

Остекление, которое соответствует стандарту пассивного дома допускает незначительные потери тепла и обеспечивает дополнительный комфорт жильцам.

Аккумулирующие энергию решения

При проектировании энергосберегающих строений продумывают наличие аккумулирующих (накапливающих энергию) элементов в здании. Хорошо сохраняет тепло кирпичная или бетонная стена, отделанная изнутри глиняной штукатуркой.

Хорошие показатели энергосбережения отмечены у тромб-стен и у «задних» массивных стен, в неглубоких комнатах. А если интерьер комнаты дополнить массивным декором темного цвета (мраморные или каменные колонны, вазы, чаши, гипсовая лепнина), он будет накапливать не только солнечное тепло, но и энергию бытовых приборов, компьютеров, людей и т.д.

Ночной холод в летнюю жару хорошо сохраняется в простенках (стены между комнатами) или в утепленных наружных стенах.

Рис. 5: Пример аккумулирования солнечного излучения в пассивной теплице: а — бочкой, канистрой или банкой из-под краски с водой; б — уложенными вплотную к стене камнями; в — камнями, уложенными свободно; г — мешками с солью
Рис. 5: Пример аккумулирования солнечного излучения в пассивной теплице: а — бочкой, канистрой или банкой из-под краски с водой; б — уложенными вплотную к стене камнями; в — камнями, уложенными свободно; г — мешками с солью

Теплоизоляционные решения

В пассивном доме используют качественные изоляционные материалы. Наружная теплоизоляция фундамента, стен и крыши не должна отдавать тепла больше чем 0,15 Вт/(м²*К). Кроме того, необходима полная герметичность внешней оболочки здания, а значит отсутствие в теплоизоляции щелей и мостиков тепла (зон повышенной утечки энергии).

Инженерные решения и возобновляемая энергетика

Инженерные решения позволяют сделать дом полностью энергонезависимым и даже достичь класса «энергия плюс» благодаря использованию специальных устройств, таких как:

  • система вентиляции с рекуперацией энергии;
  • использование подземных теплообменников (устройство, улавливающее тепло из грунта)
  • PV панели, встроенные в выступающие элементы, крышу (дополнительная изоляция);
  • гелиоколлекторы для подогрева воды и отопления.
Рис. 6: Лос-Анджелесский музей Холокоста, Калифорния, США. Источник: 2030 PALETTE
Рис. 6: Лос-Анджелесский музей Холокоста, Калифорния, США. Источник: 2030 PALETTE

Есть и другие полезные решения для повышения энергоэффективности дома. Например, растительность и почва на крыше здания для увеличения теплоизоляции: сохранение прохлады в жаркое время и тепла в зимнее время. Кроме того, зелёные крыши удерживают осадки, снижают нагрузку на канализационные системы, защищают кровельные мембраны, снижают шум и фильтруют загрязняющие вещества.

Степень экономии энергии пассивного дома напрямую зависит от региона расположения. В нашей климатической зоне самым затратным является зимний период. Потери тепла приходится постоянно восполнять посредством сжигания газа, угля или других энергоносителей. Аккумулированная солнечная энергия, тепло от электроприборов и людей являются значимыми источниками, и именно этот принцип есть основа технологий пассивного дома.

Компания АВЕНСТОН планирует внедрение самых лучших достижений энергосберегающих разработок в своем проекте Re Hub, в котором будет применены также технологии возобновляемой энергетики и систем energy storage.