Дом, где всегда тепло. Пассивный дом может обходиться без отопления круглый год

Последние тенденции домостроения в Европе сочетают применение широкого спектра энергосберегающих технологий с возможностями выработки энергии придомовыми устройствами. Власти ЕС и отдельных стран не скупятся на подобные новации, справедливо полагая, что они помогают им экономить на традиционных источниках энергии.

Идея создания энергоэффективного дома обязана своим рождением энергетическому кризису, разразившемуся в мире в середине 70-х годов прошлого столетия, когда цены на нефть выросли сразу в несколько раз. Именно тогда в большинстве европейских стран начались интенсивные работы по тотальному повышению энергоэффективности во всех сферах экономической деятельности. Тогда же специалисты Международной энергетической конференции ООН сформулировали главную идею экономии энергии: энергоресурсы могут быть использованы более эффективно путем применения мер, которые осуществимы технически, обоснованны экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения, т. е. использованы с минимумом изменений привычного образа жизни. Одним из главных направлений инженерных экспериментов стало повышение энергетической эффективности зданий. За несколько последних десятилетий европейцы прошли довольно длинный путь от банального ужесточения стандартов минимальных теплопотерь до стимулирования строительства домов, которым для отопления и горячего водоснабжения достаточно энергии индивидуальных возобновляемых источников (солнечных батарей, тепловых насосов, ветроустановок), в которых тратится минимум энергии и при этом не страдает качество жизни. Такие здания стали называть пассивными. А поскольку львиную долю (до 80–90%) в энергопотреблении домов, расположенных в умеренном или холодном климате, составляет тепловая энергия, то на ее экономию и минимизацию теплопотерь в первую очередь и были направлены усилия разработчиков. Результаты, достигнутые ими на практике, оказались столь впечатляющи, что сегодня впору говорить о революционных изменениях в строительстве: энергоэффективные здания сооружаются уже по всему миру. К тому же минимизация потребления энергии делает их экологичными, поскольку выработка и передача энергии всегда сопряжены с отрицательными воздействиями на окружающую среду.

Энергетический фэншуй
Оптимизации энергетических процессов в пассивном доме удается достичь за счет учета всех факторов, влияющих на потери тепла и возможностей их восполнения. Прежде всего это правильное геопланирование. Продуманное расположение и оптимальная форма здания позволяют в дальнейшем существенно сэкономить на его обогреве. Главное здесь — минимальное отношение площади внешней поверхности дома к его внутреннему объему. В идеале это шар, но такая форма сложна для строительства и неудобна для внутренней планировки. Поэтому чаще всего используется форма куба. Внутренняя планировка коттеджа, как и направление скатов крыши, должны быть сориентированы по сторонам света так, чтобы размещенные на кровле солнечные коллекторы были направлены строго на юг. Максимальное количество «отверстий» в доме — окна, двери, балконы — также должно выходить на солнечную (южную) сторону для уменьшения теплопотерь. С южной стороны должны находиться гостиная и столовая. Зато гардероб, гараж и хозяйственное помещение размещают с северной стороны — чтобы они создавали буферную зону. Исследования показали, что в холодное время года здание теряет тепло по трем основным каналам: через главные ограждающие конструкции (стены, крыша, фундамент), оконные и дверные проемы, с вентилируемым воздухом. В сооружениях традиционной конструкции по каждому из этих каналов теряется приблизительно 30% тепла. Технология энергоэффективного дома предусматривает качественную теплоизоляцию всех ограждающих поверхностей — не только стен, но и пола, потолка, чердака, подвала и фундамента. Формируются несколько слоев теплоизоляции — внутренняя и внешняя. Слой утеплителя отделяется от внутренней отделки паронепроницаемой мембраной, от внешней — гидроизоляционной. Это позволяет одновременно не выпускать тепло из дома и не впускать холод внутрь. Также производится устранение «мостиков холода» в ограждающих конструкциях. В результате в пассивных домах теплопотери через ограждающие поверхности в 20 раз ниже, чем в обычных зданиях. В пассивном доме используются двух- или трехкамерные стеклопакеты, заполненные низкотеплопроводным аргоном или криптоном. Применяется более герметичная конструкция примыкания окон к стенам, утепляются оконные проемы. Стекла имеют специальный состав, обрабатываются особым образом, покрываются пленками, отражающими тепловое излучение. Большие застекленные площади с южной стороны позволяют получать тепло от солнечного излучения, однако летом они могут приводить к перегреву коттеджа. Для дополнительной теплоизоляции на окнах устанавливают ставни, жалюзи или шторки. Самые большие окна направлены на юг (в северном полушарии) и за счет этого приносят в среднем больше тепла, чем теряют. Хороший эффект дает также разумное использование территории возле дома — естественное ее оформление и расположение зеленых насаждений. Лиственные деревья, посаженные с южной стороны, летом затенят застекленные проемы, а зимой, когда опадут листья, позволят получать тепло от солнечного излучения. С северной стороны принято сажать растения, которые в течение всего года будут заслонять здание от ветра. С этой задачей хорошо справляются хвойные и плющи.

Как устроен пассивный дом

Тепло тела
Особое внимание в таких зданиях уделяется системе вентиляции: вместо окон с открытыми пазами применяются звукоизолирующие герметичные стеклопакеты, а приточно-вытяжная вентиляция помещений осуществляется централизованно, через установку рекуперации тепла. Секрет того, как пассивные дома остаются теплыми без отопления, в том, что в любом обитаемом здании есть так называемые внутренние тепловыделения. Тепло, выделяемое работающими бытовыми приборами, кухонной плитой, лампами, проживающими людьми и домашними животными, суммарно сопоставимо с мощностью системы отопления. Например, спокойно сидящий человек имеет тепловую мощность 120 Вт. Эту энергию можно сохранить внутри здания, построив его таким образом, чтобы поддерживать теплым круглогодично. Как сделать так, чтобы теплый воздух не покидал помещения и при этом сохранить его свежим? В пассивных домах для этого используют рекуператоры. Зимой холодный воздух входит в подземный воздухопровод, снабженный теплообменником, нагреваясь там за счет тепла земли, и затем поступает в рекуператор. В нем он обогревается теплом воздуха, выходящего из дома. Таким образом, тепло удаляемого воздуха «возвращается» со свежим уличным потоком. Нагретый свежий воздух, поступающий в здание, имеет в результате температуру около +17 градусов. Летом горячий воздух, попадая в подземный воздухопровод, охлаждается там от контакта с землей примерно до этой же температуры. За счет такой системы в доме постоянно поддерживаются комфортные условия. На случай экстремальных холодов и каких-либо аварий пассивные дома обычно снабжаются резервными источниками тепла. Как правило, это камин, работающий на возобновляемом топливе (дрова, топливные брикеты), либо маломощный, но энергоэффективный котел. Но чаще всего камин используется исключительно для удовольствия, а не в целях обогрева.
 

Альтернативные источники
Дополнительное энергоснабжение пассивного дома осуществляется в основном за счет установок возобновляемой энергии: солнечных гелиосистем (коллекторов и батарей), тепловых насосов, ветроустановок и других достижений альтернативной энергетики. Выбору тех или иных инструментов дополнительного энергоснабжения всегда предшествует энергетический аудит здания, позволяющий определить схему энергоснабжения, выбрать приемлемый источник дополнительной энергии и просчитать его необходимую мощность. Так, уместность размещения на придомовых участках ветрогенераторов помогают определить ветровые атласы отдельных регионов. Эффективность солнечных концентраторов — замеры солнечной активности и количества солнечных дней в году. А тепловые насосы требуют наличия свободной земли на придомовом участке или водоема поблизости. Для горячего водоснабжения здания, как правило, применяют установленный на крыше солнечный коллектор, преобразующий солнечную энергию в тепло, которое выводится из него с помощью тонких медных трубок, заполненных специальной легко закипающей жидкостью. Далее тепло передается накопительному бойлеру с теплообменником. Таким образом нагревается вода для горячего водоснабжения, если же бойлер оборудован двумя теплообменниками, то есть возможность отопления помещения. С помощью этой гелиосистемы также поддерживается нужная температура «теплых» полов, подогревается вода в бассейне. Недостатком является ее неустойчивость к обледенению из-за высоких теплоизоляционных свойств вакуумных трубок, что может снизить эффективность коллектора. Дополнительный источник электричества в доме — солнечные батареи. Принцип их работы состоит в прямом преобразовании солнечного света в электрический ток. Их КПД невысок, поэтому используются они тогда, когда интенсивность солнечного излучения в районе размещения здания высока или нельзя провести электрические кабели от имеющихся электростанций. Самый продуктивный вид солнечных батарей производят из монокристаллического кремния. КПД такого прибора достигает 24%, тогда как обычные солнечные батареи имеют КПД около 18%. Генерируемое электричество используется для освещения, питания бытовой техники (холодильник, телевизор, фен), электроприборов (кондиционер, насос), электроинструментов (дрель), а также в качестве источника питания для автоматической системы управления домом. Генерировать электричество самостоятельно дому помогут и ветрогенераторы — устройства для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Их целесообразно устанавливать при наличии достаточного ветрового потенциала (среднегодовая скорость ветра не менее 3,5 м/с). Такая установка способна долгие годы обеспечивать энергонезависимость здания. Обычно для снабжения электроэнергией средних размеров коттеджа достаточно ветряка номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 9 м/с. Если местность тихая, ветрогенератор можно дополнить гелиосистемой. Однако серьезным недостатком ветрогенератора является высокий уровень шума. Наряду с освоением солнечного тепла в энергосберегающих домах используется энергия, накапливаемая в водоемах, грунте, геотермальных источниках, технологических выбросах (воздух, вода, стоки и др.). Но поскольку температура этих источников довольно низкая (от 0 до +25 градусов), для эффективного их использования необходимо осуществить перенос этой энергии на более высокий температурный уровень (+50–100 градусов). Осуществить это можно с помощью тепловых насосов, использующих тепло земли, воды или воздуха для обеспечения автономного отопления и, при необходимости, горячего водоснабжения. Тепловой насос поглощает тепло из окружающей среды с температурой 4–6 градусов Цельсия и выше и передает его в систему теплоснабжения в виде нагретой воды или воздуха. Передача тепла про_ изводится хладагентом (фреоном). Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение фреона по системе с помощью компрессора точно так же, как в холодильнике. Причем для передачи в систему отопления 1 кВт•ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2–0,35 кВт•ч электроэнергии. Система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении: зимой она передает в дом тепло неостывшей земли или водоема, а летом излишки тепла передаются через теплообменник в обратном направлении. Немаловажно, что система работает без сжигания топлива и не производит вредных выбросов в атмосферу.

Умный дом
Важнейшей составляющей энергоэффективности здания является наличие в нем автоматизированной системы управления всем инженерным оборудованием (отоплением, электроосвещением, системой вентиляции и кондиционирования воздуха, охранно-пожарной сигнализацией) и бытовыми приборами, получившей название «умный дом». Владельцу стоит лишь задать параметры освещенности, микроклимата, безопасности, а электронная начинка выполнит все его пожелания. Помимо экономии энергии, она способна снизить износ и отказы оборудования, увеличить комфорт и безопасность находящихся в здании людей. Непосредственно экономия энергии может осуществляться управляющей системой по множеству различных направлений. Например, она может снижать температуру в помещениях и регулировать интенсивность вентиляции в различное время суток или в зависимости от нахождения в помещении людей, минимизируя холостой воздухообмен. Системы автоматического управления освещением позволяют экономить до 30% электроэнергии, используемой осветительными приборами и т. д. Да и привычные средства экономии не будут излишними. Только заменив обычные электролампы на энергосберегающие, можно в пять раз сократить потребление электроэнергии. А использование энергоэффективных бытовых электроприборов, прошедших международную сертификацию (стиральных машин, холодильников, телевизоров), позволяет дополнительно снизить потребление электроэнергии в два раза. Минимизация потребления энергии — это далеко не все, что можно сделать в доме для того, чтобы он стал более экологичным. Потребление воды можно сократить, используя в качестве технической (для полива приусадебного участка, слива в туалетах) собранную в специальные резервуары, расположенные в фундаменте здания, и пропущенную через фильтры дождевую воду. Стоки можно очищать на месте, получая компост и воду для полива, а бытовые отходы сортировать для использования в качестве вторичного сырья.

И недорого
Стоимость сооружения энергоэффективных (пассивных) домов за последние годы значительно снизилась за счет того, что многие материалы и комплектующие для их возведения уже массово производятся и используются в строительстве. Так что построить пассивный дом (без учета установки альтернативных источников энергии) обойдется сегодня всего лишь на 8–10% дороже, чем обычный. Причем все дополнительные затраты окупятся в течение нескольких лет. При этом не нужно будет прокладывать внутри здания трубы водяного отопления, устанавливать дорогостоящие отопительные котлы и емкости для хранения топлива. И хотя технология пока не стала массовой, по всему миру построены уже десятки тысяч пассивных домов, офисных зданий, магазинов, школ, детских садов. А в целом ряде европейских стран разработаны специальные целевые государственные программы по приведению всех объектов регулярной застройки к условно-пассивному уровню.