Консультации строителя онлайн.


Пассивный дом: здание без традиционных систем отопления

Пассивный дом: здание без традиционных систем отопления

Пассивный дом.

Пассивный  дом - это добровольный строительный стандарт современных домов, приводящий к минимальному энергопотреблению зданий для отопления или охлаждения помещений.  Хотя в настоящее время стандарт пассивного дома является добровольным, благодаря решениям Европарламента с 2020 года он станет обязательной нормой для вновь возводимых зданий в Европейском союзе.

Что такое пассивный дом?

Один из создателей  концепции пассивного дома и Института Пассивного дома  доктор Вольфганг Файнст так его отличительные черты: "Пассивный дом - это здание, в котором тепловой комфорт может быть достигнут путём дополнительного нагрева или охлаждения небольшого количества приточного воздуха, который требуется для достижения нормируемых характеристик качества воздуха - без необходимости дополнительной рециркуляции воздуха”.

Стандарт пассивного дома является естественным развитием стандартов энергоэффективных домов с «активными» системами отопления и предшествующим шагом перед домами с нулевым энергопотреблением. Пассивный теплотехнический дизайн дома интегрируется в создаваемый архитектурный проект, и применяется как для новых построек, так и для реконструкции уже существующих. 

Концепция пассивного дома родилась во время разговора в мае 1988 года между профессором Бо Адамсоном из Лундского университета (Швеция) и доктором Вольфгангом Файстом из немецкого Института жилищного строительства и охраны окружающей среды.  На основе их идей с помощью финансирования со стороны немецкого государства была проведена серия научно-исследовательских проектов, которая позволила разработать концепцию пассивного дома. Первый пассивный дом (арх. Ботт-Риддер и Вестермауер) был построен при финансовой поддержке земли Гессен в Дармштадте в районе   р-н Кранихштайн в 1990 году и был заселен в 1991 году.  Для отопления этого дома требуется всего 1 литр жидкого топлива на 1 квадратный метр площади в год. В сентябре 1996 г. в  Дармштадте в целях поощрения и контроля стандартов строительства пассивных домов был основан Институт Пассивного дома.  Во время зимы 2000-2001 в рамках проекта Цефей были произведены испытания коммерческих систем для создания пассивного дома в пяти странах Европы, которые доказали свою высокую эффективность.  По состоянию на 2013 год в 45 странах мира уже построено более 50 000 пассивных домов, в самых разных климатических условиях. Больше всего пассивных домов строится в Германии, Австрии и Скандинавии, проекты реализуются в США, Канаде, Ирландии, странах Восточной Европы.  В России в настоящее время нет зданий,  полностью соответствующих стандартам пассивного дома. Только отдельные современные  постройки в Московской, Ленинградской, Нижегородской областях и в Екатеринбурге можно отнести к категории домом с низким (затраты на отопление 36-50 кВт*ч/м2) в год и ультранизким (16-35 кВт*ч/м2) потреблением энергии.

Чем отличается пассивный дом от «активных» энергоэффективных домов?

Согласно разрабатываемой классификации энергоэффективных домов Института пассивного дома, по затратам на энергопотребление можно выделить следующие группы зданий:

  1. Традиционные не-энергоэффективные здания с затратами тепловой энергии на отопление более 100 кВт. ч на 1 квадратный метр площади в год. Иными словами обычным домам требуется 10 и более (до 20-30 литров жидкого топлива или кубометров газа для отопления в год из расчета на 1 квадратный метр площади).  Общий расход первичной энергии, включая расходы на бытовые нужды (нагрев воды, приготовление пищи, работу оборудования), составляет более  300 кВт. ч на 1 квадратный метр площади в год.
  2. Здания с пониженным энергопотреблением. Удельный расход тепловой энергии на отопление составляет 61–100 кВт. ч/(м2 в год). Общий расход первичной энергии не более 300 кВт. ч/(м2 год).
  3. Здания с низким энергопотреблением. Удельный расход тепловой энергии на отопление составляет 36–60 кВт. ч/(м2 год). Общий расход первичной энергии не 220 кВт. ч/(м2 год).
  4. Здания с ультранизким потреблением. Удельный расход тепловой энергии на отопление: 16–35 кВт. ч/(м2 год). Общий расход первичной энергии: до 180 кВт. ч/(м2 год).
  5. Пассивные дома.  Удельный расход тепловой энергии на отопление не превышает 15 кВт. ч/(м2 год), а общий расход первичной энергии укладывается в 120 кВт. ч/(м2 год).
  6. Здания с нулевым энергопотреблением. Удельный расход тепловой энергии на отопление не превышает 5 кВт. ч/(м2 год) – за счет использования возобновляемых источников энергии (солнечная энергия, энергия ветра, геотепло).
  7. Здания с позитивным энергетическим балансом.  Здания  такого типа производят энергии (за счет природных источников энергии, переработки биоотходов) больше, чем потребляют. 

Критерии пассивного дома по стандартам Института пассивного дома.

Стандарт пассивного дома предусматривает:

  1. Удельный расход тепловой энергии на отопление должен составлять не более 15 кВт*ч/м2 площади (около 1,5 л жидкого топлива или 1,5 м3 газа для обогрева одного квадратного метра жилой площади за год).
  2. Общее потребление первичной энергии для всех бытовых нужд (отопление, горячая вода и электрическая энергия) не должно превышать 120 кВт* ч/м2 год. Чаще всего затраты на нагрев воды превышают затраты на отопление.
  3. Удельная тепловая нагрузка для источника нагрева не должна превышать 10 Вт/м2.
  4. Должна обеспечиваться высокая герметичность наружной оболочки здания: кратность воздухообмена при разности давлений между внутренней и внешней средами в 50 Па должна составлять не более 60% (n50 ≤ 0,6 ч-1) .

Дополнительные требования: Коэффициент теплопередачи окон U должен быть менее  0,8 Вт/м².K,  КПД вентиляционной системы рекуперации тепла более 75-80% и конструкция без температурных мостиков. 

Пассивный дом – это не только сверхвысокие показатели энергоэффективности, но и обязательный комфорт, удобство пользования, технологическая и финансовая доступность постройки для реальной жизни.  Кроме того,  пассивные дома приводят к снижению нагрузок на энергетические системы и очень значительно сокращают выбросы парниковых газов в атмосферу. Огромные сбережения энергии в пассивных домах достигается за счет использования высоко энергоэффективных строительных компонентов и качественной системы вентиляции с высокоэффективной рекуперацией  тепла. Кроме того,  стабильный температурный и влажностный режим обеспечивает длительный срок службы конструкций без дорогостоящих текущих ремонтов.

Основные элементы пассивного дома

Супертеплоизоляция

Для снижения потерь тепла через фундамент, перекрытия, стены и кровлю используют значительную толщину непрерывного теплоизолирующего контура высокоэффективных утеплителей с низкими значениями коэффициента теплопередачи  U = 0,10- 0,15 Вт / м².K. В зависимости от климатических условий и архитектурных решений сопротивление теплопередаче наружных стен в пассивных домах в Центральной Европе варьируется в среднем от 6,5 до 10 м2 °C/Вт. Сплошной контур теплоизоляции предупреждает образование тепловых мостиков, которые способствуют увеличениям теплопотерь и  образованию конденсата. Таким образом, увеличивается долговечность конструкций и безопасность жилища из-за отсутствия плесени.

В Швеции, чтобы достигнуть пассивных стандартов, толщина теплоизоляции стен дома должна составлять 33,5 см  (U=0,10 Вт / (м².K), а кровли - 50 см (U= 0,066 Вт / (м ².К). В климатических условиях Московской области потребуются более значительные затраты на утепление создаваемого пассивного дома:  55 см утеплителя для кровли (U=0,07 Вт/м2K), 45-55 см утеплителя для наружных стен (U=0,09 Вт/м2K),  45 см утеплителя (U=0,07 Вт/м2K) для плиты фундамента.

Утепленный контур пассивного дома

Герметизация.

Для поддержания комфортных условий в помещениях пассивного дома вся оболочка здания должна быть полностью герметизирована для предотвращения утечек воздуха, что сводит к минимуму потери тепла. Поскольку большинство строительных материалов негерметичны, в дополнение к теплоизолирующей оболочке пассивного дома требуется сплошной воздухонепроницаемый слой. Благодаря системе вентиляции не возникает необходимости открывать окна и двери для проветривания. Однако кратковременные открытия допустимы, так как не нарушат устойчивый баланс пассивного дома.

Окна и остекление

В пассивном доме должно использоваться остекление высокого качества, т. е. тройной стеклопакет с заполнением инертным газом и с двумя низкоэмиссионными покрытиями. Края стекол дополнительно утепляются теплоизоляционными прокладками. Оконные рамы выполняются из многокамерных профилей с полостями, заполненными теплоизоляционными вкладышами. Для Московской области коэффициент теплопередачи окон установленных в стены должен не превышать U=0,65 Вт/м2K. В Германии (Uокон= 0,85- 0,70 Вт/м2K) добиваются минимального перепада между температурой на внутренней поверхности стекла и температурой внутреннего воздуха: при наружной температуре –10 ° C и внутренней температуре +20 ° C температура на внутреннем стекле составляет более 17,5 ° C. При такой температуре на внутренней поверхности стекла установка приборов отопления под окнами не требуется. В случае холодного климата, дом проектируется с максимальной площадью остекления в сторону экватора и термальной массой (например, плита пола) которая нагревается солнечными лучами.  Даже в короткие зимние дни приток солнечной энергии, нагревающей термальную массу внутри дома превышает теплопотери через окна и могут повысить температуру внутри дома на 1-2 ° C.  Окна, ориентированные на восток и запад, приводят к перегреву дома в теплое время и к недостаточному нагреву солнечными лучами зимой. В жарком климате пассивные дома проектируются с затенением окон и улучшенной естественной вентиляцией через окна для охлаждения дома в холодное время суток .

Конструкция пассивного дома

Термальная масса

Пассивные дома могут быть построены как из массивных, так и из легких материалов, но в любой вариант строительного дизайна предусматривает наличие внутренней термальной массы, которая помогает сгладить суточные колебания температур и поддерживать стабильную температуру в холодное или  жаркое время года.

Системы отопления пассивного дома.

Фактически пассивный дом не нуждается в активной системе отопления.  Концепция пассивного дома базируется на сокращении потерь тепла до абсолютного минимума. Системы пассивного отопления, как правило, представляют собой высокоэффективные системы рекуперации тепла встречных потоков воздуха вентиляционных систем (эффективность от 75% до 90%),   которые требуются для поддержания качества воздуха в пассивном доме. Расчет объема замещаемого воздуха в среднем основывается на количестве проживающих  людей в пассивном доме, исходя из 30 м³ / ч на одного человека. Воздух подается воздуховодами в жилые комнаты и спальни, а отводится из санузлов, кухонь и технических помещений, чтобы эффективнее удалять запахи и избыток влаги. Для обеспечения воздухообмена все двери между помещениями должны иметь внизу зазор величиной минимум 1 см. 

Энергия в пассивном доме тратится для создания движения воздуха в вентиляционной системе и для подогрева поступающего воздуха в холодное время .  Вентиляторы в вентиляционных системах должны использовать высокоэффективные электронно-коммутируемые двигатели для снижения затрат энергии. Уровень шума вентиляционной системы не должен превышать 25 dB. Для предварительного нагрева входящего потока воздуха может использоваться грунтовый теплообменник, использующий бесплатное геотепло. Грунтовый теплообменник представляет собой систему труб диаметром 20 см и длиной около 40 м, заглубленных ниже глубины промерзания грунтов и защищенных от промерзания утепленным контуром фундамента дома. Система грунтового теплообмена позволяет предварительно нагревать или охлаждать воздух, подаваемый для вентиляции дома.  Как вариант используется двойной контур теплообмена с промежуточным жидкостным теплоносителем. Для нагрева поступающего воздуха в холодный период дополнительно может использоваться  небольшой тепловой насос, солнечный коллектор, водяной теплоаккумулятор или горелки на природным газе или дизельном топливе.   Для нагрева водяных теплоаккумуляторов могут использовать и  небольшие маломощные печи (существует опасность перегрева помещений).  Дополнительные источники нагрева поступающего воздуха чаще всего используются в пассивных домах  при уличных температурах ниже + 8° C. Максимальная температура нагрева поступающего в дом воздуха составляет + 50° C.

Система вентиляции и отопления пассивного дома

В пассивном доме не требуется ни одна другая система распределения тепла (за исключением локального нагрева полов санузлов). Система вентиляции обеспечивает приток свежего воздуха без создания неприятных сквозняков. Хорошая вентиляция обеспечивает низкий уровень радиоактивного почвенного газа радона в помещениях. Так как пассивно спроектированные здания, по существу являются герметичными, для обеспечения комфортной и здоровой атмосферы  устанавливается на уровне замещения 0,3 - 0,4 объема воздуха в час. Для очистки поступающего воздуха используются HEPA фильтры. Вентиляционные системы являются ключевой технологией для всех будущих жилых домов пассивных жилых домов и модернизаций ранее построенных домов.

Дополнительными, но не существенными источниками тепла в пассивном доме является рекуперация тепла сточных вод и использование термальных масс, нагреваемых энергией солнца поступающей через окна, ориентированные на экватор.  Для теплоизоляции в условиях жаркого климата используются затеняющие зеленые насаждения, вертикальное озеленение стен и зеленые кровли.

Иногда в пассивных домах устанавливается и традиционные системы центрального отопления, но происходит это чаще всего из-за скептицизма домовладельца по отношению к технологиям пассивного дома.

Освещение

Для того, чтобы минимизировать общее потребление первичной энергии, пассивные дома проектируют с максимальной возможностью использования дневного света, поступающего как через остекленные поверхности, так и через световые колодцы. Источниками электроэнергии могут служить солнечные батареи и ветроэлектрогенераторы. Для электрического освещения используют компактные люминесцентные лампы и твердотельные светодиодные источники, органические светодиоды и полимерные светоизлучающие диоды. Также могут использоваться низковольтные лампы накаливания: металлогалогенные, галогенные и ксеноновые.    Освещение фасадов, прилежащей территории ландшафта производится при помощи светильников с фотоэлектрическими элементами или при подключении всех светильников к центральной системе солнечных батарей.

Домашнее оборудование для пассивного дома должно быть сертифицировано по стандартам Energy Star или Ekoenergy. Вместо традиционных компьютеров рекомендуется использовать ноутбуки, которые тратят на 75% меньше энергии.

В пассивном доме рекомендуется использовать экономичные смесители и насадки для душа, которые значительно снижают расход горячей воды за счет создания плотного потока очень мелких капель воды.

Стоимость и окупаемость пассивного дома.

В климатических условиях, аналогичных центрально-европейской климатической зоне (среднегодовые температуры  +9 °C – климатические условия Астрахани, Владикавказа)  пассивные дома обходятся на 5-8% дороже, чем обычные постройки. Экономия на традиционных системах отопления в значительной мере позволяет компенсировать увеличенные расходы на утепление и герметизацию наружной оболочки здания.   В менее благоприятных климатических условиях  в Великобритании или США пассивные дома обходятся на 10% дороже обычных зданий. Предел экономической рентабельности постройки пассивных домов пролегает в климатических зонах со среднегодовыми температурами  +3 °C (Лиллихамер, Норвегия или Череповец, Россия). Хотя технически пассивный дом можно построить и в северных условиях, теплотехнические расчет показывают, что стоимость строительства в условиях выше 60-й широты значительно возрастает. Пассивным зданием успешно работающим в самых сложных климатических условиях является бельгийская антарктическая станция «Принцесса Елизавета» с толщиной пенополистирольного утеплителя в деревянных каркасных 40 см и несколькими тонкими дополнительным слоями утеплителей, таких как ЭППС и войлок .

Институт пассивного дома приводит данные для переоборудования энергоэффективного дома площадью 149 м2 в Германии до стандартов пассивного дома: 

  • Затраты на наружное утепление 4800 Евро,
  • Замена окон – 5400 Евро
  • Замена системы вентиляции 5200 Евро
  • Замена бойлера, демонтаж ненужных элементов системы отопления – 1400 Евро

При инвестициях около 15000 Евро (1,1 млн. руб.) ежегодная экономия на затратах на отопление, при учете повышенного потребления электроэнергии на работу вентиляционной системы составит 585 Евро. Таким образом, вложения в переделку энергоэффективного дома в пассивный окупятся за 25 лет. За эти 25 лет истечет срок службы окон, вентиляционной системы и утеплителей, что сделает  финансовый выигрыш от устройства пассивного дома ничтожным. Однако за 25 лет эксплуатации  пассивный дом предоставит своим обитателям гораздо более комфортные и здоровые условия среды обитания с минимальными перепадами температур и постоянным притоком свежего воздуха, без необходимости обслуживать систему отопления. Перестройка обычного не энергоэффективного дома до стандартов пассивного обойдется еще дороже.  Целесообразнее изначально проектировать дом под пассивные стандарты.

В условиях Великобритании постройка обычного дома площадью 90 м2, соответствующего минимальным стандартам по энергоэффективности обходится примерно в 90 000 фунтов стерлингов (7 млн. 200 тыс. рублей). Новый пассивный дом той же площади обойдется в 135 000 фунтов (10 млн. 800 тыс. рублей). При этом дополнительные вложения в постройку пассивного дома окупятся за 35 лет  его эксплуатации, за счет разницы в затратах на отопление домов.  

В условиях Восточной Европы (Чехия) строительство обычного современного дома обходится дешевле, чем в Великобритании – 645 Евро (48 тыс. руб.) за м2 площади. Строительство пассивного обходится на 10% дороже, что окупается в течение 15 лет. При 25 – летнем сроке службы термальных компонентов (теплообменники, утеплители, окна) дополнительные 10 лет эксплуатации пассивного дом дадут экономический выигрыш по сравнению с домом традиционной конструкции, чьи энергетические системы также потребуют замены через 25 лет эксплуатации.

К сожалению, в странах, где не производятся и не продаются компоненты для строительства по стандартам пассивного дома, разница в стоимости строительства по сравнению с традиционным домом значительно превысит уровень 6-10%.

Тем не менее постоянное развитие энергосберегающих технологий, систем для использования возобновляемых источников энергии делает их экономически более доступными с каждым годом. Кроме того дополнительная финансовая поддержка и налоговые льготы во многих государствах, думающих о будущем, делает пассивные дома еще доступнее и привлекательнее для строительства.  Таким образом, перспективный в настоящее время стандарт пассивного дома в обозримом будущем станет стандартом строительства новых зданий не только в Евросоюзе.

Андрей Дачник