Экологичные дома с низким энергопотреблением

В 20-х годах прошлого века было выбрано основным теплоснабжение городских и пригородных построек централизованное конвективное отопление. При этом значительными потерями тепловой энергии при ее транспортировке к объектам потребления было решено пренебречь. Каменный уголь и природный газ в России добывались в XX веке с небольшими затратами, что позволяло компенсировать теплопотери отопительных магистралей просто – сжиганием повышенного объема топлива.

За десятилетия работы теплосети изветшали – на улицах городов России каждую зиму случаются трудно устранимые фонтаны кипятка. Но даже если не брать в расчет изношенность подающей теплоцентрали, то остается ежегодно растущая цена конвективного отопления. Поскольку рассчитывать на дешевизну энергоносителей бессмысленно, остается единственный разумный способ экономии на отоплении – максимальное снижение теплопотерь дома, всех его ограждающих конструкций . Иными словами, необходимо проектировать и строить экологичный (пассивный) дом или экодом.

Первая технология экологичного дома

Тысячелетия развития цивилизации позволили человечеству широко развить строительное дело – создавать обширные города и высотные здания, проектировать малоэтажные дома  и быстро строить их. Однако проблемы теплопотерь этих сооружений оставались без внимания, разве что их компенсировали мощным отопительным оборудованием. Выбросы тепла в современных мегаполисах стали серьезно влиять на биосферу в данной местности, вредя экологии. К тому же в XXI веке значительно выросла цена энергоносителей – относиться безразлично к тепловым потерям строительных объектов стало попросту дорого.

Строительные инженеры принялись искать технологии, позволяющие создавать пассивные дома – здания, минимально отдающие тепловую энергию внешней среде, в идеале вообще не требующие отопления. Ими был обнаружен народ, уже многие сотни лет успешно строивший экологичные дома – эскимосы.

При внешней простоте эскимосского снежного дома – иглу – это идеальный пассивный дом, причем тщательно спроектированный. В европейских заполярных широтах, где традиционно проживают эскимосы, практически нет древесины. Единственный доступный материал для строительства – снег. И эскимосы разработали технологию создания куполообразных домов из снега, вернее, из снежных кирпичей. Для отопления комнаты в эскимосском иглу достаточно примитивного светильника, заправленного топленым жиром (тюленьим, китовым), а также тепла, генерируемого телами обитателей дома. Эскимосский снежный иглу идеально сохраняет тепло, поэтому двух простейших тепловых источников достаточно для поддержания температуры на уровне +18^оС в самую морозную погоду. При этом избыточная влага в помещении полностью поглощается снежными стенами и еще более упрочняет их.

Особенно интересна система воздухообмена, разработанная эскимосскими строителями и примененная в доме иглу. Из снежной постройки тепло не улетучивается при поступлении воздуха – устроенный в полу вход всегда открыт, поэтому более плотный углекислый газ выходит наружу, а имеющий меньшую плотность кислород поступает снаружи внутрь и выравнивает воздушное давление.

Разработка современных пассивных зданий

Первые попытки проектирование и построения экодомов предпринимались в 70-х. Экспериментальное здание кубической формы было возведено в нью-гемпширском Манчестере (США) и целый комплекс – в финском городке Отаниеми. Архитекторы и строители постарались учесть местные особенности климата и географическое положение.

Оконные и дверные проемы на северном фасаде экодомов не выполнялись, форма кровли и углы ее скатов были тщательно рассчитаны под отражение солнечного излучения летом и поглощения зимой, «летняя» часть кровельного покрытия была выкрашена светлыми красками. На кровле «американского» экодома размещались солнечные коллекторы, «финские» дома оборудовались многоуровневой вентиляций, способной поглощать солнечное тепло через полости в стеклопакетах и роллетах особой конструкции. Геотермальные насосы служили источником тепла для пассивных домов в Финляндии.

Несмотря на успешное снижение энергопотребления «американского» и «финских» экодомов, не вышло достичь заметного сокращения теплопотерь в экспериментальных зданиях через ограждающие конструкции. Таким образом, первые проекты пассивного дома – американский и финский – были признаны недостаточно удачными для массового применения.

Проект экодома современного типа весной 1988 года разработали совместно швейцарский профессор Бо Адамсон и немецкий доктор наук Вольфганг Файст. Им удалось заинтересовать правительство немецкой земли Гессен, взявшего на себя финансирование экспериментального строительства. Спустя несколько лет первые экодома, построенные в Дармштадте, показали высокие результаты как по снижению энергопотребления, так и по минимизации теплопотерь через стены, фундамент, кровлю и проемы. Впечатленные чиновники решили в 1996 г. открыть в Дармштадте «Институт пассивного дома», чтобы продолжить развитие технологий проектирования и строительства экодомов. С тех пор прошло более 20 лет – в североамериканских штатах и в государствах Европы возведены за этот срок многие тысячи экодомов.

Принципы проектирования и построения экологичных домов

Основная цель построения экодома – сведение тепловых выбросов в атмосферу к минимуму. Только таким способом удастся достичь наибольшей самостоятельности домашней энергосистемы, расходующей десятикратно меньшие объемы энергии, поступающие извне. В пассивном доме нет конвективного отопления, отсутствует внешнее снабжение горячей водой, нет систем кондиционирования и вентиляции. За год с квадрата жилплощади экологичного дома теряется менее 15 кВт•ч тепловой энергии. Это 15 раз меньше, чем у классических зданий Европы. Это в 30-35 раз меньше теплопотерь, имеющихся ежегодно у 90% домов в России.

Проектирование пассивного дома. Ограждающие конструкции здания тщательно рассчитываются, выполняется точное ориентирование сооружения на месте строительства, проводится расчет близлежащих буферных зон (зеленых насаждений). Для снижения энергетических потребностей осуществляется рациональное ориентирование дома в данной климатической зоне, с учетом розы ветров и рельефа. В умеренной климатической зоне, например, выходящие на юг окна выполняются максимальной площади и полностью отсутствуют на северной стороне здания. В условиях субтропиков планировка проемов обратная – панорамные окна на северном фасаде и совсем небольшие оконные проемы на южных стенах.

Конструкционно-строительные материалы. Подходят традиционные стройматериалы, безопасные с позиции экологии – камень, дерево, кирпич, газобетон или пенобетон. В Европе экодома часто возводят из материалов, полученных переработкой мусора (неорганического) – металла, стекла и бетона.

Теплоизоляций экодома. Для обеспечения полной изоляции от атмосферы вне дома, теплоизоляция размещается с обеих сторон (внутренней и внешней) всех ограждающих конструкций, а именно фундамента и подвала, чердака и стен, пола и потолка.Теплоизоляцию межкомнатных и межуровневых перегородок выполнять не следует – снижается теплообмен, что приведет к значительным температурным перепадам за сутки (к примеру, при интенсивном освещении солнцем отдельных комнат через окна). Особенно важна внешняя теплоизоляция и полное устранение всех мостков холода, способных выполнять теплопередачу через ограждающие конструкции.

Оконное остекление. Подходят только герметичные стеклопакеты – однокамерные (два стекла) и двухкамерные (три стекла). Каждая камера в стеклопакете должна быть заполнена слабо проводящими тепло газами – криптоном или аргоном. Дистанционная рамка между стеклами камеры – только из пластика или полимера, т.к. металл хорошо проводит тепло. Рамы окон необходимо тщательно пригнать к оконным проемам, чтобы после выполнить качественную герметизацию стыкового периметра. Из-за теплового шока обычные стекла могут треснуть в процессе эксплуатации – необходимы закаленные стекла. На одно стекло в составе каждого стеклопакета со стороны, обращенной внутрь комнаты, должно быть нанесено селективное покрытие (напыление «K» или «i»).

Роллеты, шторки, жалюзи и ставни улучшают теплоизоляцию окон. Особенно эффективны роллеты (рольставни) – они способны повысить тепловое сопротивление окна на 20% и выше.

Отопление. В экодоме, как упоминалось выше, классическое отопление отсутствует. Тепловую энергию в экологичные дома поставляют тепловой насос и впитывающие солнечную радиацию воздушные коллекторы. Дополнительными (косвенными) источниками тепла становятся тепловые излучения тел домочадцев и работающие электроприборы – осветительные лампы, кухонные плиты, телевизоры и иная бытовая техника.

Отметим, что потребность в тепловом насосе для отопления экодома существует лишь в умеренном климате – в континентальной климатической зоне (например, в Европе) достаточно тепловой энергии, поставляемой в ходе рекуперации воздуха, теплового излучения человеческих тел и бытовой техники.

К сожалению, в особенно холодных регионах России экодом не сможет обойтись без источника тепла, работающего на топливе. Однако необходимая мощность отопительного котла, равно, как и расход топлива, будут значительно ниже – за счет эффективной теплоизоляции дома и рациональной организации вентиляционной системы.

Вентиляция в пассивном доме. Воздухообмен в домах классической конструкции достигается через щели между элементами оконных рам и оконных проемов («советский» принцип), либо через особые клапаны, дополнительно установленные в рамах современной конструкции. В экологичном доме никаких вентиляционных клапанов нет вообще – окна полностью герметичны, шахты вентиляции не создаются. Единственный источник свежего воздуха, а также инструмент удаления отработанной атмосферы в доме – вытеснительно-принудительная вентиляция, действие которой основано на теплоте грунта и рекуперации.

Вводный воздуховод монтируется на фасаде дома. Забранный им воздух следует по каналу, уходящему в грунт под строением, где его температура понижается (летом) или повышается (зимой) благодаря теплообмену с землей. Затем воздуховод направляет свежий воздух в систему фильтров и теплообменников рекуператора, отнимающего тепло от удаляемого из дома воздуха и передающего теплоту поступившим снаружи воздушным массам. Т.е. в экодом вводится свежий воздух, имеющий температуру около +17^оС.

Воздух, содержащий выдыхаемый человеком углекислый газ, выводится наружу здания через систему принудительного воздухозабора, размещенную в помещениях дома – с предварительным отъемом теплоты «отработанного» воздуха в рекуператоре. Идеальная система вентиляция – энергонезависимая – для пассивного дома невозможна, т.к. для ее работы требуется монтаж крупных воздухозаборников внутри помещений, а это портит дизайн и существенно увеличивает теплопотери.

Освещение в экодоме. Единственные рациональные приборы освещения для экологичных домов – светодиодные лампы. Причина использования только таких ламп связана с их низким энергопотреблением при высокой светосиле.

Особенности эксплуатации экодома

Полная изоляция внутренней атмосферы экологичного дома от внешней среды – приоритетная задача домочадцев. Входные двери допустимо открывать лишь для входа и выхода, окна не открываются вовсе. Поскольку полная смена воздуха в помещениях экодома выполняется единожды за три часа, домовладелец должен внимательно выбирать меблировку – дешевая мебель из панелей ДСП и МДФ способна наполнять атмосферу дома формальдегидом.

Воздух внутри пассивного дома всегда имеет одну температуру, т.е. расслоения на более холодный слой внизу (у пола) и теплый вверху (у потолка) не наблюдается. Нагрев свежего воздуха в рекуператоре обеспечивает полное отсутствие влаги на стенах, которые всегда прогреты до температуры, одинаковой с домашней атмосферой.

Расходы на постройку экологичного дома превысят траты на возведение классического здания более чем на 10%. Однако общий объем строительных работ будет ниже – трубы водяного отопления, хранилище топлива и полноценная котельная не требуются. В числе преимуществ экодома – допустимость строительства и полноценной эксплуатации в любой выбранной местности, независимо от доступности на ней коммунальных магистралей.