Концепція пасивного будинку і її реалізація в Україні

Яцишин М.С., Штеюк Р.В., Національний університет ”Львівська політехніка”, Львів

Вступ. З найдавніших часів розвиток архітектури визначається, з одного боку, архітектурними рішеннями, а, з іншого боку, опирається на поступ у технології виробництва будівельних матеріалів.

Мета роботи. На основі аналізу тенденцій розвитку архітектури  визначити можливі шляхи проектування, будівництва й експлуатації нового типу споруд - пасивних будинків, для того щоб впровадити подібних технологій в Україні.

Розвиток архітектури і будівництва. У 1993 р. у Берліні архітектори підписали Європейську хартію про сонячну енергію в архітектурі та містобудівництві. У преамбулі зафіксовано: в розвинених країнах половина енергії витрачається на виробництво будівельних матеріалів та експлуатацію будівель. Архітектурні проекти визначають і вирішують проблему енергозбереження у ході експлуатації споруд, виготовлених з цих матеріалів. Тому слід постійно розвивати технології, не завдаючи шкоди довкіллю, що і є  головною дилемою сучасності.

Міста і споруди майбутнього. Зараз проектується місто Maсдар в Об'єднаних Арабських Еміратах, побудовою якого намагаються довести можливість створення міста, що не виділяє СО2 і не продукує відходів сміття. Інший приклад - башта майбутнього (рис.1а) (проект William McDonough & Partners) - хмарочос, що  працює як дерево: у споруді виробляється кисень, дистилюється вода, генерується енергія. При цьому, її форма змінюється залежно від пори року. Будівля може примати вигнуту аеродинамічну форму, що знижує тиск вітру; цим зменшується кількість необхідних будівельних матеріалів, посилюється міцність конструкції при збільшеному об'ємі внутрішнього простору. Рослинність розташовується на покрівлі будівлі й у трьохповерхових атріумах з садами на південному боці. Архітектурне планування опирається на наслідування екологічних засад, що проглядаються у зовнішньому вигляді споруди (рис.1б). Проект SIEEB (рис.2), виконаний Mario Cucinella Architects, розкриває можливості по переробці СО2 та передбачає пасивну і активну стратегію по контролю внутрішнього середовища і оптимізації умов внутрішнього середовища. Ця споруда корисною площею 20 тис.м2 університету

Tsinghua, Китай, включає навчальний центр Sino-Italian, центр захисту

навколишнього середовища і збереження енергії.


а)                                                                   б)

Рис.1.  Башта майбутнього

Рис.2. Проект SIEEB, реалізований у Китаї

Загальна концепція проектування, побудови й експлуатації екологічної будівлі. Екологічно доцільне проектування передбачає створення концепції проектування, побудови й експлуатації будівлі, для чого слід визначитись з особливостями сучасного стану енергозбеження у виробництві й експлуатації як самих будівельних матеріалів, так і споруди у цілому. Це означає:

·              використання меншої кількості енергії для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій; для опалення, охолодження і провітрювання будівель;

·              використання енергій, що мають здатність до самовідновлення;

·              утилізацію і вторинне використання відходів з урахуванням екологічних аспектів;

·              використання природних і екологічно-чистих матеріалів;

·              забезпечення природного перебігу процесів у навколишньому середовищі.

Ефективність енергозбереження й екологічність будівлі визначається сукупністю багатьох факторів: вибором місця для будівництва та підбором екологічних матеріалів і конструкцій; пасивним і активним використанням енергоносіїв, що мають здатність до відновлення; енергетично вигідним інженерним оснащенням тощо. При виборі місця для будівлі мають бути враховані: кліматичні умови; топографія; орієнтація будівлі за сторонами світу; освітленість або затінення місця; сила та напрямок вітрів; захищеність будівлі зеленими насадженнями.

Архітектурний проект самої будівлі, як невід’ємний компонент, включає заходи з економії енергії і визначається: компактністю форми будівлі (найкомпактнішою формою будівлі є напівкуля, її частина об’єму відносно об'єму напівкубу становить 81 %, далі циліндр — 92 %, піраміда — 98 %); орієнтацією будівлі; розташуванням вікон; зонуванням будівлі (поділ на тепліші житлові й холодніші допоміжні зони); створенням масивних об'ємів, що нагромаджують, а згодом віддають тепло.

Поряд з активним використанням сонячної енергії можливе і пасивне її використання засобами планування будівлі. Так, за допомогою "буферних зон" стає можливим підігрів свіжого повітря і забезпечення ним інших функціональних зон. Окрім теплоізоляції будівель, істотного значення здатність конструктивних елементів із різних матеріалів сприймати, зберігати і віддавати тепло. Матеріали, спроможні сприймати тепло і віддавати його з часовим відставанням, врівноважують температуру внутрішнього середовища. Як простий і недорогий сонцезахист може застосовуватись широкий дах. Виступ даху захищає внутрішні приміщення від перегріву у час високого літнього сонця, але дозволяє низькому зимовому сонцю заглядати углиб приміщень.

Переходячи до енергетично-екологічних аспектів, відзначимо наступне. Найбільша частка енергії у традиційному будівництві використовується на опалення. Теоретично кожен будинок можна отеплити так, щоб він став пасивним, тобто відзначався незначною потребою в енергію. Тут завдяки застосованим рішенням і матеріалам забезпечується тепловий комфорт, однаковий у зимовий та літній періоди. У пасивних будівлях річні витрати на опалення становлять всього 15 кВт*год/м2*рік. Джерелом тепла у пасивних будівлях можуть бути зведені системи, що одночасно використовують конденсаційні котли, теплову помпу, сонячні колектори, а також рекуператор повітря. Для порівняння: будівлі, зведені в Україні до 1988 р., використовують на обігрів 240-350 кВт*год/м2*рік, тобто у 16-23 рази порівняено з пасивними будинками. Сучасніші будівлі (2003-2007 рр.), використовують 120-160 кВт*год/м2*рік, тобто 8-10-разів більше порівняно з пасивними будинками. Навіть будинки, що зараз визнаються енергозберігаючими, все ж використовують у 5 разів більше енергії ніж пасивні будинки.

Основними критеріями пасивного будівництва є:

1).                         Термоізоляція зовнішніх стін: а) У будинку має бути замкнута термічна оболонка, що охоплює простір теплового комфорту, тобто всі приміщення, де температура в зимовий період повинна перевищувати 15оС. б) Термічна оболонка повинна створювати високу теплову ізоляцію у кожному місці будинку; мінімальна товщина утеплення у кожному місці оболонки становить принаймні 0,25 м при коефіцієнті теплопровідності λ=0.04 Вт/(м*К). Поза ізоляцією стін і даху значну увагу слід приділити деталям, щоб запобігти виникненню містків холоду, адже скраплення водяної пари у елементах конструкції відбувається за температури, нижчої 9,3 оС.

2).                         Щільність будівельної оболонки є однією із характерних ознак пасивного будинку. Тепле повітря, пробираючись крізь нещільності назовні, охолоджується, до температури, нижчої від точки роси, що зумовлює внутрішнє зволоження стін,  погіршення термо- і звукоізоляції та посилюючи ризик виникнення цвілі.

У пасивних енергозберігаючих будівлях із ідеальною щільністю повітрообмін забезпечує система механічної вентиляції з теплообміном. Основним елементом вентиляційної системи є теплообмінник (рекуператор), де тепле повітря, що виходить, обігріває приточне повітря. У процесі рекуперації теплообмін відбувається через поверхні розділу холодного і теплого потоків, якими служать перегородки.

У пасивному будинку вентиляційний теплообмін надає (повертає) 75 % необхідної енергії, а при використанні теплообмінників нової генерації - 95 %. Додатковим елементом системи вентиляції пасивного будинку є теплообмінник, що складається із системи каналів, встановлених в ґрунті. Взимку температура ґрунту є вищою від температури повітря, отже теплообмінник служить для обігріву повітря. Літом, навпаки, охолоджене повітря обходить спеціальним каналом рекуператора і охолоджує приміщення, діючи подібно до кондиціонера.

3)   Вікна у пасивному будинках діють як сонячні колектори: пасивно отримана сонячна енергія істотною мірою компенсує втрати тепла. Разом з тим, збільшення поверхні вікон для пасивного використання сонячної енергії, веде до збільшення втрат тепла у холодний період. Тому ефективне використання сонячної енергії досягається за умови використання теплозахисних склопакетів (двокамерні вікна, заповнені аргоном, повернуті на південь і незатінені). При цьому, широкі дахові звіси необхідно замінити рухомими заслонами — до прикладу маркізами або касетами, які на зиму можна демонтувати.

4)   Важливу позицію в енергетичному балансі займає енергія, зв'язана з нагрівом води для користування. Вода впливає до будівлі холодною, за температури не вище 10oC, й прогрівається у трубах уже на місці. Це зумовлює втрати енергії, тому в пасивному будівництві звертається особливу увагу на обмеження протяжності труб холодної води та їхню якісну теплоізоляцію.

5)   Теплова помпа - це інноваційна обігрівальна система, рішення XXI століття. Помпа вважається найбільш обгрунтованою економічно опалювальною системою у випадку, коли відсутнє постачання природного газу у будівлю. Цей пристрій отримує тепло просто від оточення: землі, води або повітря - і перетворюється на енергію для опалення будинку й підігріву води. Це забезпечує оптимальний комфорт при найнижчих коштах експлуатації. Помпа має стабільний ККД протягом періоду експлуатації, що вигідно вирізняє її на тлі залишкових обігрівальних пристроїв, таких як газовий чи масляний котли.

Теплова система, що використовує помпу, не є складною. Вона формується із трьох конструктивних частин: нижнього джерела - грунтовий теплообмінник, що отримує тепло від оточення; верхнього джерела - прилад, що віддає тепло (переважно низькотемпературна система центрального опалення або система теплої води для користування), причому третьою частиною є сама помпа, що знаходиться між нижнім і верхнім джерелами та являє собою серце  системи.

Для досягнення 100% обігрівальної потужності, вона використовує приблизно на 70% енергію тепла ґрунту або повітря, а також на 30% електроенергію. Використовуючи на помпу 1 кВт*год електроенергії можна отримати чотирикратно більше, тобто аж 3 кВт*год задарма. Тобто, помпа є найбільш енергозберігаючим пристроєм для обігріву будівель і забезпечення їх теплою водою.

6).                         Сонце посилає на Землю дуже багато енергії – впродовж майже 9 хвилин потрапляє на нашу планету така її кількість, якої ціла людська популяція не змогла б використати протягом одного року. Україна має в цьому також свою частину - навіть у похмурі дні, коли сонячне випромінювання обмежене на 50%, кількість сонячної енергії, доставленої до ґрунту, відповідає паливній вартості 100 літрів рідкого палива на 1 м2 впродовж року. Тому система сонячних колекторів дає змогу покрити 50 … 65 % необхідної енергії річного тепловодопостачання житлового будинку.

Кожна особа в родині використовує в середньому 50 літрів теплої води на добу. У технології системи сонячних колекторів для підігріву такої кількості води потрібно менше 1 м2 поверхні колектора, поміщеного на даху будівлі.

Доповненням пасивного дому є енергозберігаюче обладнання домашнього господарства, освітлення, устаткування класу А та А+. Для отримання електроенергії у пасивному будівництві можуть також використовуватись сонячні фотоелектричні батареї, які повертаються за сонцем, та вітрогенератори.

Завершенням є питання про окуплюваність пасивного будівництва. Всупереч видимості, зведення пасивного будинку не є істотно дорожчим від традиційного. У Західній Європі пасивне будівництво дорожче приблизно на 8 ...15 %. У Польщі додаткові кошти становлять на 15 ... 20 % залежно від виду будівлі, її призначення, додаткового обладнання [1]. Пасивний будинок вимагає більших витрат на утеплення, спеціальні вікна, двері та систему вентиляції.

Натомість, заощаджується на окремій системі опалення, якою пасивний будинок переважно не оснащений. Такі будинки стають чимраз популярнішими в Європі; це тільки питання часу, інформації та впровадження технологій і вони з'являться в Україні. Уже тепер у Львові будуються споруди з грунтовими теплоообмінниками (встановлені у фундаменті контейнери, заповнені кісткою із базальту дуже високої питомої теплоємності); Інститутом термоелектрики у Чернівцях розроблені високоефективні термоелектричні матеріали для сонячних елементів; у Криму виготовлено і встановлено вітрові електростанції тощо. Ці роботи повинні бути зведені у цілісні концептуальні проекти з утіленням в конкретних спорудах, оснащених програмно-технічним забезпеченням і управлінням за типом “Розумний енергонезалежний будинок”, причому архітектурний проект самого будинку має відповідати Європейській хартії про сонячну енергію в архітектурі та містобудівництві тощо.

Література

1.     www.polskidom2000.pl