Шведский пассивный дом: ключевые моменты
Данная публикация является логическим развитием темы, начатой в статье «Пассивный дом: шведские смотрины от компании Paroc» (СиН от 20.05.2008 г.). Но если две недели назад читателям был представлен материал в большей степени репортажного жанра, то теперь настала пора более обстоятельно и подробно рассмотреть именно ключевые архитектурные и технические моменты, связанные со шведскими пассивными домами. Это тем более интересно, что многие из них строятся в климатических условиях, которые весьма схожи с белорусскими.
Нелишне отметить, что такие строения не являются прихотью определенного количества не в меру эксцентричных жителей Швеции. В настоящее время пассивный дом, впервые архитектурно-техническую схему которого предложили доктор Вольфганг Файст (Wolfgang Feist), основавший Институт пассивного дома в Дармштадте (Германия), и профессор Бо Адамсон (Bo Adamson) из Лундского университета (Швеция), служит образцом проявления здравого смысла в строительстве. И хотя в мировых лидерах по строительству пассивных домов ходят Германия и Австрия, есть чему в этой сфере поучиться и у Швеции. И, конечно, тому, как в зданиях сводить к минимуму тепловые потери и вообще расход энергии на отопление, подогрев воды и другие необходимые цели, не ухудшая, а даже улучшая комфортность проживания в течение всего года. Притом самым действенным образом оберегая от порчи окружающую среду. Какие тепловые потери имеются в виду?
Их три основные группы. Первая группа — потери со сточными водами от стирки, мытья посуды, гигиенических процедур и т.д. Вторая группа — потери через ограждающие конструкции (стены, крыша, нижнее перекрытие, окна, двери). Третья группа — потери вследствие вентиляции. Естественно, чтобы проектировать и строить правильные пассивные дома, необходимо иметь численные ориентиры, или, вернее, ограничения в отношении расхода энергии. Напомним, что, согласно классификации пассивных зданий применительно к условиям Швеции (A Classification of Passive House for Swedish Conditions. March, 2008), годовое потребление энергии на электроснабжение, подогрев воды и отопление таких объектов не должно превышать 45 кВтч/м2 в южной климатической зоне этой страны и 55 кВтч/м2 в северной (для отдельно стоящих зданий площадью до 200 м2 эти значения повышаются на 10 кВтч/м2). Эти показатели действительны в случае температуры внутреннего воздуха +20°С, а под электроснабжением здесь понимается та его эксплуатационная доля (operational electricity), которая необходима для обеспечения именно подогрева воды и отопления. При этом, безусловно, надо стремиться и к минимизации потребления домашнего электричества (domestic electricity), обеспечивающего освещение, а также работу электроплит, микроволновых печей, телевизоров, компьютеров и другой техники. В принципе, все эти питающиеся электрическим током устройства и приборы представляют собой источники тепловой энергии, которая в пассивном доме, образно говоря, собирается по крупицам. Но эти источники обладают столь низким тепловым КПД, что использовать их как отопительные приборы неразумно. В то же время при расчетах комплексной энергетической системы пассивного дома тепло, генерируемое не только домашней техникой, но и находящимися в нем людьми, учитывается в обязательном порядке.
Из приведенных выше и других энергетических ограничений вытекают архитектурные, конструктивные и технические решения пассивных домов. Что касается первой группы теплопотерь, то бороться с ними труднее всего. Тем не менее, привычка к здоровой экономии и применение соответствующих тепловых насосов позволяют заметно по сравнению с обычным уровнем снижать подобные утечки тепла. Проще минимизировать потери тепла второй и третьей группы. За счет чего это делать, схематично показано на рис. 1. Во-первых, пассивному зданию надо придать компактную в энергетическом смысле форму. Самое маленькое отношение площади поверхности к объему у шара. Но здание в виде, например, полусферы не слишком привлекательны с точки зрения технологии строительства и планировки. Значит, ставку следует делать на формы, близкие к кубу. И такое немаловажное обстоятельство: данное энергосберегающее строение не приемлет подвала или цокольного этажа. Во-вторых, максимальная площадь окон и дверей должна быть на южном фасаде пассивного дома, минимальная — на северном. При этом на южном фасаде хорошо делать балконы, лоджии или террасы. Летом эти элементы здания служат горизонтальными солнцезащитными устройствами (угол наклона солнечных лучей 20 июня обозначен как позиция 1 на рис. 7), зимой же не препятствуют поступлению в здание через окна и остекленные двери несущей тепло солнечной радиации (угол наклона солнечных лучей 21 декабря — позиция 6). В-третьих, пассивному дому надлежит иметь улучшенную теплозащитную оболочку, обладающую очень низкой воздухопроницаемостью.
В шведских пассивных домах толщина эффективной теплоизоляции в стенах получается не менее 400 мм, в крыше — не менее 500 мм, в нижнем перекрытии — не менее 300 мм. Интересно, что эти толщины лишь в два раза превосходят требуемые по действующим в Швеции строительным нормам. Коэффициент теплопередачи нижнего перекрытия, стен и крыши шведского пассивного дома должен быть менее 0,01 Вт/м2(К, окон и дверей — менее 0,9 Вт/м2(К. В- четвертых, в пассивном доме монтируется приточно-вытяжная вентиляционная система с рекуперацией теплоты уходящего из помещений воздуха. Не будь такой системы, и речи не шло бы ни о каком пассивном доме. Ведь именно рекуператор позволяет не выпускать за пределы помещений до 90% теплоты удаляемого наружу в ходе контролируемого процесса воздуха. Позиция 1 на рис. 1 — приток в здание свежего воздуха, позиция 2 — поступление подогретого свежего воздуха в жилые комнаты, позиция 3 — отвод использованного воздуха из ванной и кухни, позиция 4 — удаление наружу отдавшего тепло воздуха. В-пятых, для нагрева воды целесообразно применять тепловые солнечные коллекторы (позиция 5 на рис. 1). В условиях Швеции, а также Беларуси такие устройства способны почти полностью закрыть потребность в горячей воде с апреля по сентябрь. Интересно, что в расчетах энергобаланса пассивного дома это тепло шведские специалисты рекомендуют не учитывать.
В конструктивном плане эффективную теплоизоляцию большой толщины лучше всего сопрягать с деревянным каркасом стен и крыши. Именно такой вариант получил в Швеции наибольшее распространение. Оно и неудивительно — ибо эта скандинавская страна богата лесами. И экспериментальный пассивный дом Гранбека (Passivhus Granback), строительство которого завершается под Стокгольмом, тоже имеет деревянный каркас (фото). А в него исключительно органично вписалась каменная вата производства компании Paroc, которая, будучи негорючей, надежно защитила деревянные элементы стен и крыши в пожарно-техническом отношении. На рисунках 2-4 приведены принципиальные решения наружных стен, крыши и фундамента (нижнего перекрытия) указанной постройки. На рис. 2 следующие позиции: 1 — наружная обшивка из вертикально расположенных досок (за ней вентилируемая воздушная прослойка); 2 — ветрозащитная пленка PAROC XMV 080; 3, 4, 5 и 7 — плиты PAROC UNS 37z общей толщиной 455 мм; 6 — пароизоляционная пленка PAROC XMV 001; внутренняя обшивка из гипсокартонных листов или ориентированностружечных плит. На рис. 3: 1 — внутренняя обшивка; 2 — плита PAROC UNS 37z толщиной 70 мм; 3 и 6 — PAROC XMV 001; 4 — насыпная каменная вата PAROC BLT толщиной 500 мм; 5 — ветроизоляция. На рис. 4: 1 — покрытие пола; 2 — монолитный плитный фундамент с утолщением по контуру (бетон залит по сетке из круглой арматурной стали); 3 — три слоя плит PAROC GRS 30 толщиной как минимум 300 мм; 4 — слой дренирующего материала толщиной не менее 150 мм; 5 — Г-образный элемент PAROC XGL 100. Один из вариантов окон для пассивных домов — изделия марки N-Tech Passive производства компании NorDan (рис. 5). Профили их коробок и переплетов деревянные со вставкой из пенополиуретана. Обе камеры стеклопакетов (каждая шириной 16 мм) заполнены аргоном. Суперспейсер между стеклами изолирован силиконом. Внутреннее стекло имеет селективное покрытие. Понятно поэтому, что коэффициент теплопередачи такого окна составляет лишь 0,7 Вт/м2К.
Как уже было отмечено, важнейшая компонента пассивного дома — приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией теплоты. Соответствующее оборудование весьма высокого качества изготавливает, к примеру, шведская компания NIBE Heating. Им и воспользовались при строительстве дома Гранбека — здесь установлен ее FIGHTER 410P. Он представляет собой вентиляционный агрегат, который объединен с тепловым насосом. Последний подогревает воду для горячего водоснабжения и отопления за счет энергии уходящего воздуха, а также нагревает поступающий в здание свежий наружный воздух. Следящий за погодными условиями микропроцессор постоянно обеспечивает эффективную работу системы и гарантирует поддержание заданной температуры в помещениях. FIGHTER 410P снабжен, кроме основного, и дополнительным погружным нагревателем, который включается по мере необходимости. Что касается собственно отопления, то оно в основном осуществляется благодаря тепловому насосу. На рис. 6 показано принципиальное решение установки FIGHTER 410P. Здесь: 1 — наружный свежий воздух, 2 — подогретый свежий воздух, 3 — отработанный воздух, 4 — удаляемый наружу воздух. Схема работы системы контролируемой вентиляции и отопления пассивного здания типа дома Гранбека изображена на рис. 7. На нем: 1 — ввод теплого использованного воздуха в вентиляционную систему, 2 — перемещение этого воздуха в установку FIGHTER 410P, 3 — удаление отдавшего свое тепло воздуха наружу, 4 — обеспечение здания теплом и горячей водой за счет установки FIGHTER 410P, 5 — подача свежего наружного воздуха, 6 — распределение нагретого свежего воздуха, 7 — крышка экстрактора, 8 — перемещение избыточного воздуха над внутренними дверями или через вентиляционные отверстия. И, наконец, основные элементы установки FIGHTER 410P обозначены на рис. 8: 1 — расширительный клапан, 2 — картридж фильтра, 3 — компрессор, 4 — клапан высокого давления, 5 — дисплей, 6 — кнопка «Очень горячая вода», 7 — микропроцессор, 8 — погружные нагреватели (основной и дополнительный) мощностью 9 и 4,5 кВт, 9 — трехходовой смесительный клапан, 10 — циркуляционный насос, 11 — регулируемые опоры, 12 — переливной патрубок, 13 — предохранительные клапаны горячего водоснабжения и отопления, 14 — расширительный бак, 15 — конденсор, 16 — бак с двумя стенками, 17 — предохранительный клапан контура отопления; 18 — указатель давления, 19 — вентилятор удаляемого воздуха, 20 — испаритель.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 9<>
Нелишне отметить, что такие строения не являются прихотью определенного количества не в меру эксцентричных жителей Швеции. В настоящее время пассивный дом, впервые архитектурно-техническую схему которого предложили доктор Вольфганг Файст (Wolfgang Feist), основавший Институт пассивного дома в Дармштадте (Германия), и профессор Бо Адамсон (Bo Adamson) из Лундского университета (Швеция), служит образцом проявления здравого смысла в строительстве. И хотя в мировых лидерах по строительству пассивных домов ходят Германия и Австрия, есть чему в этой сфере поучиться и у Швеции. И, конечно, тому, как в зданиях сводить к минимуму тепловые потери и вообще расход энергии на отопление, подогрев воды и другие необходимые цели, не ухудшая, а даже улучшая комфортность проживания в течение всего года. Притом самым действенным образом оберегая от порчи окружающую среду. Какие тепловые потери имеются в виду?
Их три основные группы. Первая группа — потери со сточными водами от стирки, мытья посуды, гигиенических процедур и т.д. Вторая группа — потери через ограждающие конструкции (стены, крыша, нижнее перекрытие, окна, двери). Третья группа — потери вследствие вентиляции. Естественно, чтобы проектировать и строить правильные пассивные дома, необходимо иметь численные ориентиры, или, вернее, ограничения в отношении расхода энергии. Напомним, что, согласно классификации пассивных зданий применительно к условиям Швеции (A Classification of Passive House for Swedish Conditions. March, 2008), годовое потребление энергии на электроснабжение, подогрев воды и отопление таких объектов не должно превышать 45 кВтч/м2 в южной климатической зоне этой страны и 55 кВтч/м2 в северной (для отдельно стоящих зданий площадью до 200 м2 эти значения повышаются на 10 кВтч/м2). Эти показатели действительны в случае температуры внутреннего воздуха +20°С, а под электроснабжением здесь понимается та его эксплуатационная доля (operational electricity), которая необходима для обеспечения именно подогрева воды и отопления. При этом, безусловно, надо стремиться и к минимизации потребления домашнего электричества (domestic electricity), обеспечивающего освещение, а также работу электроплит, микроволновых печей, телевизоров, компьютеров и другой техники. В принципе, все эти питающиеся электрическим током устройства и приборы представляют собой источники тепловой энергии, которая в пассивном доме, образно говоря, собирается по крупицам. Но эти источники обладают столь низким тепловым КПД, что использовать их как отопительные приборы неразумно. В то же время при расчетах комплексной энергетической системы пассивного дома тепло, генерируемое не только домашней техникой, но и находящимися в нем людьми, учитывается в обязательном порядке.
Из приведенных выше и других энергетических ограничений вытекают архитектурные, конструктивные и технические решения пассивных домов. Что касается первой группы теплопотерь, то бороться с ними труднее всего. Тем не менее, привычка к здоровой экономии и применение соответствующих тепловых насосов позволяют заметно по сравнению с обычным уровнем снижать подобные утечки тепла. Проще минимизировать потери тепла второй и третьей группы. За счет чего это делать, схематично показано на рис. 1. Во-первых, пассивному зданию надо придать компактную в энергетическом смысле форму. Самое маленькое отношение площади поверхности к объему у шара. Но здание в виде, например, полусферы не слишком привлекательны с точки зрения технологии строительства и планировки. Значит, ставку следует делать на формы, близкие к кубу. И такое немаловажное обстоятельство: данное энергосберегающее строение не приемлет подвала или цокольного этажа. Во-вторых, максимальная площадь окон и дверей должна быть на южном фасаде пассивного дома, минимальная — на северном. При этом на южном фасаде хорошо делать балконы, лоджии или террасы. Летом эти элементы здания служат горизонтальными солнцезащитными устройствами (угол наклона солнечных лучей 20 июня обозначен как позиция 1 на рис. 7), зимой же не препятствуют поступлению в здание через окна и остекленные двери несущей тепло солнечной радиации (угол наклона солнечных лучей 21 декабря — позиция 6). В-третьих, пассивному дому надлежит иметь улучшенную теплозащитную оболочку, обладающую очень низкой воздухопроницаемостью.
В шведских пассивных домах толщина эффективной теплоизоляции в стенах получается не менее 400 мм, в крыше — не менее 500 мм, в нижнем перекрытии — не менее 300 мм. Интересно, что эти толщины лишь в два раза превосходят требуемые по действующим в Швеции строительным нормам. Коэффициент теплопередачи нижнего перекрытия, стен и крыши шведского пассивного дома должен быть менее 0,01 Вт/м2(К, окон и дверей — менее 0,9 Вт/м2(К. В- четвертых, в пассивном доме монтируется приточно-вытяжная вентиляционная система с рекуперацией теплоты уходящего из помещений воздуха. Не будь такой системы, и речи не шло бы ни о каком пассивном доме. Ведь именно рекуператор позволяет не выпускать за пределы помещений до 90% теплоты удаляемого наружу в ходе контролируемого процесса воздуха. Позиция 1 на рис. 1 — приток в здание свежего воздуха, позиция 2 — поступление подогретого свежего воздуха в жилые комнаты, позиция 3 — отвод использованного воздуха из ванной и кухни, позиция 4 — удаление наружу отдавшего тепло воздуха. В-пятых, для нагрева воды целесообразно применять тепловые солнечные коллекторы (позиция 5 на рис. 1). В условиях Швеции, а также Беларуси такие устройства способны почти полностью закрыть потребность в горячей воде с апреля по сентябрь. Интересно, что в расчетах энергобаланса пассивного дома это тепло шведские специалисты рекомендуют не учитывать.
В конструктивном плане эффективную теплоизоляцию большой толщины лучше всего сопрягать с деревянным каркасом стен и крыши. Именно такой вариант получил в Швеции наибольшее распространение. Оно и неудивительно — ибо эта скандинавская страна богата лесами. И экспериментальный пассивный дом Гранбека (Passivhus Granback), строительство которого завершается под Стокгольмом, тоже имеет деревянный каркас (фото). А в него исключительно органично вписалась каменная вата производства компании Paroc, которая, будучи негорючей, надежно защитила деревянные элементы стен и крыши в пожарно-техническом отношении. На рисунках 2-4 приведены принципиальные решения наружных стен, крыши и фундамента (нижнего перекрытия) указанной постройки. На рис. 2 следующие позиции: 1 — наружная обшивка из вертикально расположенных досок (за ней вентилируемая воздушная прослойка); 2 — ветрозащитная пленка PAROC XMV 080; 3, 4, 5 и 7 — плиты PAROC UNS 37z общей толщиной 455 мм; 6 — пароизоляционная пленка PAROC XMV 001; внутренняя обшивка из гипсокартонных листов или ориентированностружечных плит. На рис. 3: 1 — внутренняя обшивка; 2 — плита PAROC UNS 37z толщиной 70 мм; 3 и 6 — PAROC XMV 001; 4 — насыпная каменная вата PAROC BLT толщиной 500 мм; 5 — ветроизоляция. На рис. 4: 1 — покрытие пола; 2 — монолитный плитный фундамент с утолщением по контуру (бетон залит по сетке из круглой арматурной стали); 3 — три слоя плит PAROC GRS 30 толщиной как минимум 300 мм; 4 — слой дренирующего материала толщиной не менее 150 мм; 5 — Г-образный элемент PAROC XGL 100. Один из вариантов окон для пассивных домов — изделия марки N-Tech Passive производства компании NorDan (рис. 5). Профили их коробок и переплетов деревянные со вставкой из пенополиуретана. Обе камеры стеклопакетов (каждая шириной 16 мм) заполнены аргоном. Суперспейсер между стеклами изолирован силиконом. Внутреннее стекло имеет селективное покрытие. Понятно поэтому, что коэффициент теплопередачи такого окна составляет лишь 0,7 Вт/м2К.
Как уже было отмечено, важнейшая компонента пассивного дома — приточно-вытяжная вентиляция с рекуперацией теплоты. Соответствующее оборудование весьма высокого качества изготавливает, к примеру, шведская компания NIBE Heating. Им и воспользовались при строительстве дома Гранбека — здесь установлен ее FIGHTER 410P. Он представляет собой вентиляционный агрегат, который объединен с тепловым насосом. Последний подогревает воду для горячего водоснабжения и отопления за счет энергии уходящего воздуха, а также нагревает поступающий в здание свежий наружный воздух. Следящий за погодными условиями микропроцессор постоянно обеспечивает эффективную работу системы и гарантирует поддержание заданной температуры в помещениях. FIGHTER 410P снабжен, кроме основного, и дополнительным погружным нагревателем, который включается по мере необходимости. Что касается собственно отопления, то оно в основном осуществляется благодаря тепловому насосу. На рис. 6 показано принципиальное решение установки FIGHTER 410P. Здесь: 1 — наружный свежий воздух, 2 — подогретый свежий воздух, 3 — отработанный воздух, 4 — удаляемый наружу воздух. Схема работы системы контролируемой вентиляции и отопления пассивного здания типа дома Гранбека изображена на рис. 7. На нем: 1 — ввод теплого использованного воздуха в вентиляционную систему, 2 — перемещение этого воздуха в установку FIGHTER 410P, 3 — удаление отдавшего свое тепло воздуха наружу, 4 — обеспечение здания теплом и горячей водой за счет установки FIGHTER 410P, 5 — подача свежего наружного воздуха, 6 — распределение нагретого свежего воздуха, 7 — крышка экстрактора, 8 — перемещение избыточного воздуха над внутренними дверями или через вентиляционные отверстия. И, наконец, основные элементы установки FIGHTER 410P обозначены на рис. 8: 1 — расширительный клапан, 2 — картридж фильтра, 3 — компрессор, 4 — клапан высокого давления, 5 — дисплей, 6 — кнопка «Очень горячая вода», 7 — микропроцессор, 8 — погружные нагреватели (основной и дополнительный) мощностью 9 и 4,5 кВт, 9 — трехходовой смесительный клапан, 10 — циркуляционный насос, 11 — регулируемые опоры, 12 — переливной патрубок, 13 — предохранительные клапаны горячего водоснабжения и отопления, 14 — расширительный бак, 15 — конденсор, 16 — бак с двумя стенками, 17 — предохранительный клапан контура отопления; 18 — указатель давления, 19 — вентилятор удаляемого воздуха, 20 — испаритель.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Рис. 7
Рис. 8
Рис. 9<>
Дмитрий ЖУКОВ, канд. техн. наук
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 21 за 2008 год в рубрике материалы и технологии
