Пассивные дома и крышные ветроустановки

На конференции «Новое в проектировании систем теплоснабжения и вентиляции. Отопление и кондиционирование. Теплоизоляция. Проектирование котельных», состоявшейся 21 июля 2010 года в Минске, выступил и автор настоящей публикации. Сообщение, которое он подготовил с таким специалистом в области ветроэнергетики, как кандидат технических наук Николай Лаврентьев, называется «Энергоснабжение пассивных зданий». Далее – изложение этого сочинения.

Пассивный дом (Passive House) характеризуется весьма небольшим энергопотреблением – по энергии на отопление минимум в десять раз ниже обычного уровня – и низкой воздухопроницаемостью. Комфортная температура внутреннего воздуха в таком доме обеспечивается без системы отопления большой мощности – за счет, главным образом, тепловыделений людей и животных, бытовых приборов и энергии от ее возобновляемых источников. В оболочку пассивного строения непременно включают эффективную теплоизоляцию большой толщины.

Согласно второй директиве Европейского Союза по энергетическим характеристикам зданий – EPBD II, к 2020 году все новое жилье в Евросоюзе должно иметь близкий к нулю расход тепловой энергии, то есть отвечать требованиям к пассивному дому.

Неподалеку от Стокгольма приобрел почти окончательный вид первый в том регионе Швеции экспериментальный пассивный дом. Эта страна, вслед за Германией и Австрией, активно взялась за строительство пассивных домов. Отметим, что на значительной части территории Швеции схожие с белорусскими климатические условия. Указанный дом – односемейный. Площадь его первой одноэтажной очереди – 105 квадратных метров, второй двухэтажной – 90 квадратных метров. Один из важнейших компонентов наружной оболочки дома – каменная вата марки Paroc.

Основные принципы, заложенные в проект шведского пассивного дома: энергетическая компактность формы; максимальная площадь окон и дверей на южном фасаде, минимальная – на северном; с южной стороны – балконы или лоджии; большая толщина эффективной теплоизоляции наружных ограждений; наличие солнечных коллекторов для горячего водоснабжения и системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией теплоты отработанного воздуха. Основные требования к пассивным домам приведены, например, в «Классификации пассивных зданий для условий Швеции» (март, 2008): максимальная мощность системы отопления, приведенная к одному квадратному метру отапливаемой площади, в южной климатической зоне Швеции – 10 ватт, в северной – 14 ватт; годовое потребление энергии на горячее водоснабжение, отопление и связанное с производством тепла электроснабжение не более 45 киловатт-часов на метр квадратный в южной климатической зоне и 55 в северной (для отдельно стоящих зданий площадью до 200 квадратных метров эти значения увеличиваются на 10).

Для шведского экспериментального пассивного дома выбран такой вариант вентиляционно-отопительного оборудования – объединенный с тепловым насосом вентиляционный агрегат Fighter 410P (для зданий с потребностью в тепловой мощности 4–6 киловатт) производства компании NIBE. Тепловой насос за счет энергии уходящего воздуха нагревает воду для горячего водоснабжения и отопления, а также поступающий в здание свежий воздух. Благодаря микропроцессору в помещениях поддерживается заданная температура. Fighter 410P имеет и дополнительный погружной нагреватель. Возведение шведского экспериментального пассивного дома, по словам его архитектора, обошлось примерно на три процента дороже тождественного ему по архитектуре и удобствам обычного шведского жилища. Так как строительство пассивных домов отработано еще не до конца, существуют резервы сокращения соответствующих единовременных затрат. А вот отопление рассматриваемого пассивного дома уже сейчас стоит в четыре раза меньше по сравнению с обычным зданием.

Для энергоснабжения пассивного дома вполне годится крышная ветроэнергетическая установка. Еще недавно предложения монтировать такую технику над домами воспринимались как утопия. Однако сегодня крышная ветроэнергетика в ряде стран мира обретает зримые черты. Этот процесс обусловлен не в последнюю очередь изменениями климата и ростом цен на невозобновляемую энергию.

Авторы сообщения обосновали принципиальную возможность размещения над зданиями вертикально-осевой трехлопастной геликоидной ветроустановки, техническое решение которой было защищено российским патентом еще в 1999 году. Проведены испытания моделей вертикально-осевых геликоидных ветророторов в аэродинамической трубе кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» Белорусского национального технического университета. На полигоне в городе Заславль Минской области проверена работа ветроэнергетической установки с геликоидными вихреобразователями мощностью 16 киловатт. Исследования подтвердили предположение, что геликоидные ветророторы являются самыми эффективными. Выполнена научно-исследовательская работа, посвященная базовым архитектурным, строительным и инженерным решениям зданий, которые способны полностью или даже с избытком обеспечивать себя энергией за счет возобновляемых источников: прежде всего, ветра. Такие объекты называются «ветрозданиями».

Спрос на ветроздания может появиться уже в обозримом будущем. Что касается присущих городским ветроэнергетическим установкам недостатков (динамические нагрузки, вибрация, шум, электромагнитные поля), то они уже сейчас в значительной степени минимизируются. А через некоторое время урбо-ветроустановки станут не опаснее домашних холодильников. К слову, мощность генератора таких установок невелика – не более 30–50 киловатт. А для дома с такой же отапливаемой площадью, как у шведского экспериментального, достаточна ветроустановка мощностью 15–20 киловатт.

На рисунке 1 – схема вертикального разреза ветроздания, на рисунке 2 – схема вида сверху ветроздания с квадратной сеткой колонн. На фото – модели геликоидных ветророторов на минской Ярмарке инноваций 26 мая 2010-го.

Вертикально-осевая урбо-ветроустановка с пространственным концентратором обладает повышенной прочностью и работоспособна в диапазоне рабочих скоростей ветра от 3,5 до 15,0 метра в секунду. Накопление выработанной ею электроэнергии осуществляется в конденсатном аккумуляторе, куда она поступает через выпрямитель. После выхода напряжения на уровень 380 вольт электроэнергия подается на потребление. Потери энергии в результате хранения ее в конденсатном аккумуляторе составляют примерно 10 процентов. Избыточная электроэнергия хранится в долговременном аккумуляторе. В этом случае ее потери составляют примерно 20 процентов.

Полное годовое потребление энергии ветрозданием пассивного типа не должно превышать 100 киловатт-часов на квадратный метр. Поэтому сопротивления теплопередаче наружных ограждений ветроздания таковы: не менее 10 м2•°С/Вт – для наружных стен, крыши или чердачного перекрытия, нижнего перекрытия; не менее 1,2 – для окон и дверей.

Предлагаемые архитектурно-технические решения ветрозданий сулят помимо прочего и такие два преимущества. Во-первых, расположение ветроэнергетической установки над зданием – это экономия ценной земли. Во-вторых, излишки выработанного ветроустановкой электричества можно продавать централизованным электросетям. В случае, разумеется, подключения ветроздания к таким сетям.

Дмитрий ЖУКОВ, рисунки и фото автора