«Пассивные» здания: возможности современного строительства

Н. В. Шилкин, канд. техн. наук, доцент МАрХИ

Energon – крупнейшее «пассивное» здание

История

Термин «пассивный» определяет ключевые особенности «пассивного» здания: это здание, теплоснабжение которого осуществляется главным образом за счет утилизации теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного, использования теплоты солнечной радиации и внутренних тепловыделений – от людей, бытовой техники и т. д. Этим концепция «пассивного» здания отличается от концепций, предусматривающих использование возобновляемых (альтернативных, нетрадиционных) источников энергоснабжения непосредственно в здании (например, солнечных коллекторов, фотоэлектрических панелей, ветроэнергетических установок).

Концепция «пассивного» здания была предложена в 1987–1988 годах шведским ученым профессором Бо Адамсоном (Bo Adamson) из Лундского университета и доктором
Вольфгангом Файстом (Wolfgang Feist) из немецкого Института жилищного строительства и охраны окружающей среды (Institut Wohnen und Umwelt, IWU, г. Дармштадт, Германия). В 1991 году было сдано в эксплуатацию первое «пассивное» здание – им стал трехэтажный четырехквартирный жилой дом в Дармштадте. Этот дом успешно эксплуатируется и в настоящее время. В 1996 году Вольфганг Файст основал в Дармштадте Институт «пассивного» здания (Passivhaus Institut, PHI).

Вольфганг Файст ввел термин «пассивное» здание» не как стандарт, но как концепцию достижения высоких показателей теплового комфорта и качества микроклимата при низких эксплуатационных затратах. Согласно определению, данному Вольфгангом Файстом, «пассивное» здание – это здание, в котором требования теплового комфорта в соответствии со стандартом ISO 7730 Ergonomics of the thermal environment достигаются только за счет догрева или доохлаждения приточного воздуха, подаваемого в помещение в объеме, достаточном для обеспечения качества микроклимата в соответствии со стандартом DIN 1946 Ventilation and air conditioning без использования рециркуляции.

Две ключевые особенности данного определения – отсутствие каких-либо количественных показателей и независимость от каких-либо климатических характеристик, т. е. данное определение не привязано к конкретному району строительства. Тепловой комфорт в «пассивном» здании обеспечивается высоким уровнем теплозащиты, утилизацией теплоты, пассивным использованием теплопоступлений от солнечной радиации и внутренних тепловыделений. Во многих регионах, но не во всех, этого оказывается достаточно для обеспечения требуемых параметров микроклимата.

Основы концепции «пассивного» здания

Институтом «пассивного» здания сформулированы несколько принципов, которые характерны для таких зданий. Следует только иметь в виду, что количественные характеристики выбраны для климатических и технико-экономических условий стран Центральной Европы. В условиях нашей страны эти характеристики будут отличаться, оптимальные значения должны быть выявлены и обоснованы специальными расчетами.

1. Компактная форма здания и высокий уровень теплозащиты (для условий Центральной Европы заявлены значения сопротивления теплопередаче непрозрачных наружных ограждающих конструкций не менее 6,7 м²•°C/Вт). Использование энергоэффективных окон (для условий Центральной Европы заявлены значения сопротивления теплопередаче не менее 1,2 м²•°C/Вт). Это очень высокие значения. Очень важно при этом исключить «мостики холода», т. е. необходима тщательная проработка конструкций оболочки здания.

2. Пассивное использование теплоты солнечной радиации как один из основных элементов энерго-снабжения здания, определяющее, в свою очередь, оптимизацию ориентации здания и использование солнцезащитных устройств.

3. Высокая герметичность наружных ограждающих конструкций.

4. «Пассивный» подогрев приточного воздуха, например, посредством грунтовых теплообменников. Оговаривается, что этот вариант не является обязательным для каждого «пассивного» здания, тем не менее желательно «пассивными» методами обеспечить температуру приточного воздуха не менее 5 °C даже в самый холодный период года.

5. Использование высокоэффективной (75 % и выше) утилизации теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного (рекуперации).

6. Горячее водоснабжение за счет нетрадиционных возобновляемых источников – солнечных коллекторов и низкопотенциальной теплоты посредством тепловых насосов.

7. Снижение электропотребления за счет использования бытовой техники (холодильников, стиральных машин и т. д.) с низким энергопотреблением.

Механическая вентиляция

Исходя из определения «пассивного» здания, в первую очередь необходимо обеспечить высокое качество воздуха при любых погодных условиях. При этом требуется избегать избыточного воздухообмена, приводящего к неоправданному перерасходу тепловой энергии на подогрев (или охлаждение) сверхнормативного объема приточного воздуха.

Это в свою очередь выполняется в случае совместного использования герметичных ограждающих конструкций и механической приточно-вытяжной вентиляции. При использовании неконтролируемого притока через неплотности наружных ограждающих конструкций нормативный воздухообмен обеспечивается лишь в достаточно узком диапазоне температурно-ветровых условий. Большую же часть года воздухообмен будет либо недостаточным, либо, наоборот, избыточным. Кроме того, при низкой герметичности наружных ограждающих конструкций возникает проблема увлажнения конструкций из-за эксфильтрации теплого и влажного воздуха из помещений (в условиях нашей страны эта проблема очень актуальна [1]).

В Германии с 1984 года новые здания строятся в соответствии с требованиями к герметичности наружных ограждающих конструкций, не обеспечивающими требуемого объема притока, в старых зданиях также часто производится замена окон на более герметичные. Эти же проблемы характерны и для отечественных условий. Периодическое открывание окон не решает проблему: немецкие специалисты подсчитали, что для обеспечения воздухообмена кратностью 0,33 ч^–1 (в Германии считается, что приемлемое качество микроклимата в жилых помещениях обеспечивается при кратности воздухообмена от 0,3 до 0,6 ч^–1 без использования рециркуляции) необходимо открывать окна на 5–10 мин. каждые три часа, в том числе и в ночное время.

Во Франции и Швеции за последние 50 лет получили распространение системы вентиляции с механической вытяжкой посредством низконапорных вентиляторов из помещений кухонь и санузлов и естественным притоком в жилые комнаты посредством приточных клапанов. Такое решение вполне приемлемо с точки зрения обеспечения качества микроклимата и оправдано в массовом жилищном строительстве, но не идеально с точки зрения оптимизации энергопотребления: даже в условиях Центральной Европы для исключения неприятного влияния струи холодного приточного воздуха непосредственно у клапана требуется установка отопительного прибора, рассчитанного на относительно высокую пиковую нагрузку.

Исходя из этих соображений, для «пассивного» здания наиболее приемлемой признана система регулируемой механической приточно-вытяжной вентиляции, организованной по обычной схеме: приток в более чистые помещения (жилые комнаты), вытяжка из более грязных (кухонь и санузлов). При этом учитывается как необходимость правильного воздухораспределения, так и правильного распределения воздушных потоков между различными помещения, для этой цели используются перепускные межкомнатные воздушные клапаны.

Утилизация теплоты удаляемого воздуха

Применение механической приточно-вытяжной вентиляции создает предпосылки для дальнейшего уменьшения затрат энергии на подогрев (или охлаждение) приточного воздуха за счет использования теплоты удаляемого воздуха посредством теплообменников. Они позволяют утилизировать от 75 до 95 % затрат энергии на подогрев (охлаждение) приточного воздуха (рециркуляция полностью исключается).

Использование этих устройств в условиях Центральной Европы позволяет снизить годовые расходы энергии на подогрев и охлаждение приточного воздуха с 20–30 кВт·ч/(м²·год) до 2–7 кВт·ч/(м²·год). При этом температура воздуха, подаваемого в помещения, очень близка к требуемой температуре воздуха в помещениях. Это создает предпосылки для минимизации пиковой отопительной нагрузки и оптимизации воздухораспределения внутри здания, а при высоком уровне теплозащиты и низкой воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций эффективным становится совмещение функций вентиляции и воздушного отопления. При этом особо отмечается отличие от распространенной в США концепции использования систем кондиционирования воздуха, которые обеспечивают воздухообмен с очень большой кратностью, до 10 ч^–1, но в режиме полной рециркуляции, что приводит к ощутимым неприятным сквознякам, высокому уровню шума, хотя качество воздуха при этом остается достаточно низким.

Принятая концепция организации в «пассивных» зданиях механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха, совмещенной с функцией отопления позволяет оптимизировать капитальные затраты – достаточно высокая стоимость эффективных теплоутилизаторов компенсируется отказом от использования отдельной системы отопления.

Например, при наружной температуре 0 °C и температуре в помещениях 20 °C эффективная теплоутилизация обеспечит температуру приточного воздуха по крайней мере на уровне 16 °C, что при условии достаточно эффективной теплоизоляции и, соответственно, очень низких трансмиссионных теплопотерях, создает условия для поддержания температуры в помещениях за счет теплопоступлений с солнечной радиацией и внутренних бытовых теплопоступлений. В результате на дополнительный подогрев приточного воздуха после теплоутилизатора требуются очень небольшие затраты энергии.

Инженерные системы

Дополнительная экономия энергоресурсов на отопление и горячее воздоснабжение может быть получена в результате применения единой комбинированной установки, реализующей все три основные функции: отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение «пассивного» здания. Принцип работы такой комбинированной установки представлен на рис. 1.

Рисунок 1 (подробнее)   Схема единой комбинированной установки отопления, вентиляции и горячего водоснабжения «пассивного» здания

Наружный воздух посредством вентилятора забирается с улицы, прогоняется через воздуховоздушный теплообменник-теплоутилизатор, при необходимости догревается калорифером и подается в помещение. Из помещения забирается вытяжной воздух, прогоняется сначала через воздуховоздушный теплообменник-теплоутилизатор подогрева приточного воздуха, а затем через воздуховодяной теплообменник, посредством которого низкопотенциальная теплота вытяжного воздуха подается на испаритель теплового насоса небольшой мощности. Этот тепловой насос подогревает воду в водогрейном баке-аккумуляторе горячего водоснабжения. Второй источник теплоты для подогрева горячей воды – теплоноситель, поступающий от солнечных коллекторов. Окончательный догрев воды до требуемой температуры осуществляется посредством электрического нагревательного элемента. В этот же водогрейный бак-аккумулятор встроен контур теплоснабжения калорифера догрева приточного воздуха. Бак-аккумулятор отличается очень высоким уровнем теплоизоляции.

Из других возможностей энергосбережения за счет использования инновационных технологий в области теплоснабжения немецкие специалисты отмечают применение конденсационных котлов, а также использование в качестве топлива биомассы в виде топливных гранул (пеллет), изготавливаемых из отходов.

Еще одна интересная возможность снижения затрат энергии на подогрев приточного воздуха – использование для подогрева приточного воздуха грунтовых теплообменников. Эта технология в настоящее время применяется уже достаточно широко, не только в «пассивных» зданиях. Для этой цели в грунте ниже глубины промерзания вырывается коллектор, в который закладывается специальный коллектор, выполняющий роль грунтового теплообменника для непосредственного подогрева или охлаждения приточного воздуха. Внутренняя сторона этого коллектора может иметь специальное антибактериальное покрытие, содержащее серебро. В зимнее время приточный воздух, проходя через этот коллектор, подогревается, в летнее, наоборот, охлаждается. После грунтового теплообменника приточный воздух поступает в приточную установку или кондиционер, в котором окончательно догревается или доохлаждается до требуемой температуры, после чего подается в помещения.

Экономическая эффективность

В климатических условиях Центральной Европы в «пассивных» зданиях удельные затраты энергии на отопления составляют менее 15 кВт·ч/(м²·год), или, по принятой в Европе классификации, менее 1,5 л жидкого топлива в год («полуторалитровый дом»). Для сравнения, в тех же условиях затраты тепловой энергии на подогрев приточного воздуха при нормативном воздухообмене в случае использования прямоточной (без рециркуляции и рекуперации) приточной вентиляции превышают это значение и составляют 35 кВт·ч/(м²·год). Общие затраты на отопление, горячее водоснабжение и электроснабжение «пассивного» здания не должны превышать 120 кВт·ч/(м²·год) «первичной» энергии (энергии в форме природных ресурсов, таких как уголь, нефть, природный газ, ветер, солнечная энергия и т. д.). При этом потребность в энергии может быть полностью покрыта за счет использования возобновляемых источников.

Важно, что экономические затраты за период жизненного цикла «пассивного» здания, т. е. общая стоимость проектирования, возведения, эксплуатации в течение 30 лет и последующего сноса, не превышают затрат за период жизненного цикла здания традиционной конструкции. Более высокие капитальные затраты «пассивного» здания компенсируются снижением эксплуатационных затрат за счет существенного сокращения энергопотребления.

Ограждающие конструкции

Высокий уровень теплозащиты позволяет избежать перегрева помещений в летнее время. При этом немецкие специалисты отмечают, что при высокой теплозащите даже при низкой теплоемкости наружных ограждающих конструкций происходит быстрое затухание амплитуды колебаний температуры внутреннего воздуха. С другой стороны, высокая теплозащита оболочки позволяет использовать теплоемкость предметов мебели, интерьера для реализации принципа «ночного захолаживания» помещений в летнее время. Необходимым условием для этого является ограничение нагрузки от солнечной радиации. Для предупреждения избыточных теплопоступлений с солнечной радиацией в летнее время в «пассивных» зданиях широко используются шторы-жалюзи и другие солнцезащитные устройства.

В России согласно требованиям п. 8.7 СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» средняя воздухопроницаемость квартир жилых и общественных зданий при закрытых приточно-вытяжных вентиляционных отверстиях в период испытаний при разности давлений наружного и внутреннего воздуха 50 Па при вентиляции с естественным побуждением должна обеспечивать воздухообмен кратностью n₅₀ ≤ 4 ч^–1, с механическим побуждением n₅₀ ≤ 2 ч^–1. В Германии закон об энергосбережении (Energieeinsparverordnung, EnEV) устанавливает этот показатель при вентиляции с естественным побуждением n₅₀ ≤ 3 ч^–1, с механическим побуждением – n₅₀ ≤ 1,5 ч^–1 (до введения в действие закона EnEV – 10 ч^–1 и 4 ч^–1 соответственно).

В «пассивных» зданиях требования к герметичности намного выше – воздухопроницаемость должна обеспечивать воздухообмен не более 0,6 ч^–1, на практике же значение этого показателя составляет обычно 0,2–0,6 ч^–1. Испытания здания с замерами указанного показателя в «пассивных» зданиях являются обязательными. Эти измерения показали, что в настоящее время требуемую герметичность можно достичь в домах любых конструкций – деревянных, кирпичных, железобетонных сборных и монолитных.

Высокий уровень комфорта определяется, помимо прочих факторов, еще и тем обстоятельством, что из-за высокого уровня теплозащиты трансмисиионные теплопотери очень малы и внутренняя поверхность ограждающих конструкций (в том числе и наружных стен) характеризуется достаточно высокой температурой – даже в холодную погоду она практически равна температуре внутреннего воздуха. Это позволяет избежать неприятного эффекта лучистого теплообмена человека с холодными поверхностями. Кроме того, в этом случае нет ограничений на размещение отопительных приборов в помещении и больше возможностей по использованию систем отопления различных типов – становится возможным использование воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией.

Рассмотрим архитектурные и инженерные решения крупнейшего в мире «пассивного» здания Energon.

Energon – крупнейшее «пассивное» здание

Здания Energon (рис. 2) построено в 2002 году в немецком городе Ульм. Полезная площадь этого офисного здания составляет 7 тыс. м², оно рассчитано на работу 420 сотрудников. Годовое удельное энергопотребление составляет 12 кВт·ч/(м²·год). Ключевые особенности здания Energon – непосредственный подогрев или охлаждение приточного воздуха в грунтовых теплообменниках, использование грунтовых теплообменников для подогрева или охлаждения воды, использование разогрева или захолаживания ограждающих конструкций здания, использование атриума как часть системы воздухораспределителения, высокая теплозащита, использование фотоэлектрических панелей для выработки электроэнергии.

Рисунок 2. Схема офисного здания Energon

Energon имеет в плане треугольную форму с центральным атриумом, перекрытым сверху светопрозрачным покрытием. Толщина теплоизоляции для стен 350 мм, для нижнего перекрытия 200 мм, для покрытия 500 мм. Остекление трехслойное. Сопротивление теплопередаче непрозрачных ограждающих конструкций 8–9 м²·°C/Вт, окон 1,2 м²·°C/Вт, стеклянного покрытия атриума 0,6 м²·°C/Вт. Для уменьшения теплопотерь в ночные часы окна закрываются плотными рулонными шторами. Воздухопроницаемость оболочки здания по n₅₀ составляет 0,2 ч^–1.

На кровле здания вне зоны атриума установлены фотоэлектрические панели общей площадью 328 м² и мощностью 15 кВт. Годовая выработка электроэнергии составляет 12 000 кВт·ч. Кроме того, на покрытии входящего в комплекс гаража расположены фотоэлектрические панели мощностью 135 кВт, общая годовая выработка электроэнергии составляет 125 000 кВт·ч.

В здании Energon применяются два типа грунтовых теплообменников. Один представляет собой 28-метровый подземный канал диаметром 1,8 м, в котором производится непосредственный подогрев или охлаждение наружного воздуха. Второй – грунтовый теплообменник для подогрева или охлаждения воды, которая затем используется как для подогрева (охлаждения) приточного воздуха, так и для разогрева или захолаживания конструкций здания. Грунтовый теплообменник представляет собой U-образную петлю, помещенную в скважину глубиной 100 м. Всего таких скважин 44. Скважины обеспечивают температуру воды как в летний, так и в зимний период равную 10 °C, тепловые насосы при этом не используются. Таким образом, грунтовый массив по сути представляет собой огромный теплоаккумулятор, который работает попеременно на отопление и охлаждение, что позволяет избежать проблем с замораживанием грунта, которые могут возникнуть когда грунтовые теплообменники используются только как источник низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов.

В зимнее время наружный воздух, забираемый с улицы, проходит четыре ступени подогрева. Он поступает сначала в грунтовый теплообменник непосредственного охлаждения (рис. 3), затем, при необходимости, подогревается водой из скважин. Следующая ступень – подогрев приточного воздуха за счет утилизации теплоты воздуха вытяжного. Эффективность теплоутилизации составляет 65 %, а с учетом использования теплоты грунта – около 80 %. Окончательный догрев приточного воздуха производится в калорифере, после чего воздух поступает в атриум, откуда распределяется по помещениям здания (похожую схема применил Норман Фостер в здании Commerzbank [2]).

Рисунок 3 (подробнее)   Схема климатизации здания Energon в зимний (а) и летний (б) период (источник: www.hetag.ch)

Той же подогретой водой, которая используется для подогрева воздуха в калорифере, осуществляется и обогрев помещений посредством змеевиков, замоноличенных в бетонные полы. Поскольку трансмиссионные теплопотери очень малы, а приточный воздух предварительно подогревается за счет теплоты грунта и теплоутилизации, теплоноситель, циркулирующий в змеевиках, подогревается до очень небольшой температуры, максимум до 22 °C.

В летнее время используется двухступенчатая обработка приточного воздуха. Приточный воздух сначала охлаждается непосредственно в грунтовом теплообменнике, а затем окончательно охлаждается водой из грунтовых теплообменников (как уже отмечалось выше, температура воды из скважин составляет 10 °C).

Эта же охлажденная в скважинах вода используется для захолаживания конструкций здания. За счет подмеса минимальная температура в змеевиках не превышает 18 °C. Такая небольшая разница (всего 4 °C) между температурой тепло- и холодоносителя как раз и иллюстрирует особенность концепции «пассивного» здания.

При соответствующей температуре наружного воздуха может осуществляться естественное проветривание за счет открывания окон. Для уменьшения нагрузки от осветительных приборов широко используется естественное освещение: часть помещений расположено по периметру здания, а часть выходит во внутренний атриум. Кроме упомянутых, в рассматриваемом здании реализован и целый ряд других энергосберегающих мероприятий, которые позволили создателям здания Energon обеспечить комфортную среду обитания при существенно низком энергопотреблении. Кроме этого, удалось достичь существенного снижения выбросов в атмосферу парниковых газов – по расчетам ежегодное сокращение выбросов CO₂ составляет 172 т.

Литература

1. Гагарин В. Г. Взгляд на современные конструкции наружных стен с повышенными теплозащитными свойствами // АВОК. 2007. № 8.
2. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М., 2003.
3. Ehhorn H., Reiss J., Kluttig H., Hellwig R. Энергоэффективные здания. Анализ современного состояния и перспектив развития на основе реализованных проектов // АВОК. 2006. № 2.
4. СНиП 23-02–2003. Тепловая защита зданий.
5. Табунщиков Ю. А. Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты // АВОК. 2008. № 5.
6. Гагарин В. Г. Взгляд на современные конструкции наружных стен с повышенными теплозащитными свойствами // АВОК. № 8. 2007.
7. Гагарин В. Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий // АВОК. 2009. №1–3.
8. www.passiv.de.
9. www.passivhaustagung.de.
10. www.energon-ulm.de.