Когда пассивность - достоинство (В.А. Войтович, "Руководитель строительной организации", N 10, октябрь 2011 г.)

Когда пассивность - достоинство

В мае текущего года в г. Инсбруке (Австрия) состоялась 15-я Международная конференция "Passv Hause-2011", в которой приняли участие около 1 200 специалистов из разных стран, в том числе из России. Директор Института пассивного дома представил присутствующим "пакет проектирования пассивного дома", разработанный его институтом.

Главное требование к проектировщикам пассивного дома, сформулированное европейскими экспертами, таково: расход энергии на все нужды дома не должен превышать 15 кВт/ч на 1 кв. м жилой площади в год.

Энергозатраты на отопление среднестатистического частного кирпичного дома в России составляют 250-350 кВт/ч в год.

Как же строится пассивный дом? Рассмотрим это на примере домов, сооруженных в Инсбруке (в Австрии построено несколько десятков таких домов).

Основой дома является железобетонный монолит. Снаружи стены утеплены плитами из неопора толщиной 26 см*(1). Изготовитель неопора концерн BASF дает сертификат о долговечности этого материала на 100 лет.

Окна в таких домах представляют собою трехкамерные стеклопакеты с низкоэмиссионными стеклами*(2). Камеры заполнены аргоном, теплопроводность которого ниже, чем у воздуха. Показатель теплоэффективности таких стеклопакетов очень высок. Здание остеклено по принципу: максимум площади окон с южной стороны, минимум - с северной.

Тем не менее одно лишь теплоизолирование ограждающих конструкций не делает дом пассивным - необходимо и специфическое инженерное обеспечение. Прежде всего это тепловые насосы - устройства, которые способны низкопотенциальную теплоту, разлитую в физических телах окружающего пространства - воздухе, воде, грунте, превращать в высоко-потенциальную. Низкопотенциальной называют практически бесполезную теплоту, заключенную в телах, температура которых ниже 40°С. Высокопотенциальную теплоту, например, заключенную в телах, нагретых до 60°С, уже можно использовать для обогрева жилищ. Обычно тепловые насосы, устанавливаемые в жилых домах, подогревают воду из водопровода до этой или чуть более высокой температуры.

В рассматриваемых пассивных домах тепловые насосы установлены в подвальных помещениях. Источником низкопотенциальной теплоты для них служит грунт. Но в домах предусмотрены и резервные источники горячей воды - котельные, в которых в качестве топлива используются пеллеты - гранулы, получаемые прессованием древесной муки. Горячей водой нагревается пол, а от него - и воздух в помещении.

Система отопления снабжена устройствами, которые в зависимости от потребности в теплоте меняют мощность котла.

Одной из основ концепции пассивных домов является практически полная герметичность здания и наличие принудительной вентиляции с рекуперацией теплоты, которая за каждые два часа полностью обновляет воздух в помещении. Приточный и вытяжной вентиляционные каналы, проходящие через рекуператор, в зимнее время передают часть тепла свежему, но холодному воздуху с улицы.

Однако в воздухе, поступающем с улицы, могут содержаться и дорожная пыль, и выхлопные газы, и вредные микроорганизмы. Для улучшения качества воздуха предназначены так называемые фотокаталитические очистители и обеззараживатели воздуха. Основной их деталью является пористое твердое тело, на поверхность которого нанесен слой частиц диоксида титана. Это тело освещается лампами, излучающими мягкий ультрафиолетовый свет. Такой свет безвреден для человека, а на его генерацию электроэнергии требуется меньше, чем на получение жесткого ультрафиолетового света.

Пыль задерживает матерчатый фильтр, установленный на входе. Вентилятор прогоняет воздух сквозь пористое тело. Под воздействием ультрафиолетового света на поверхности частиц диоксида титана происходит каталитическое превращение обычного кислорода в синглетный, обладающий высочайшей окислительной активностью. Этот кислород при обычной температуре сжигает все органические примеси, имеющиеся в воздухе, в том числе и тела микроорганизмов. Воздух становится буквально стерильным. Однако в нем увеличивается концентрация углекислого газа. Если бы не это, фотокаталитические очистители и стерилизаторы воздуха могли бы заменить приточно-вытяжную вентиляцию, что резко сократило бы энергопотребление зданий. Поэтому сейчас проводится поиск средств, с помощью которых можно с малыми затратами энергии удалять из помещений углекислый газ.

Примечание. Каталитические источники теплоты совершенно безопасны. Можно обливать их бензином - загорания не будет.

Разработаны для пассивного дома и устройства, называемые каталитическими источниками теплоты (КИТ). В этих устройствах теплота образуется не при сжигании топлива, как в обычных печах, котлах, а при низкотемпературном (400-600°С) его окислении. Окислять в КИТ можно любое жидкое топливо - бензин, керосин, соляровое масло.

КИТ выгоднее традиционных печей (котлов) и потому, что газы, которые образуются в них при окислении углеводородного топлива, безвредны, а их температура в два-три раза ниже, следовательно, они в меньшей степени "обогревают улицу".

Инфракрасное отопление

Обычно комната обогревается водяными радиаторами, устанавливаемыми под окнами. Воздух, нагреваемый ими, сразу переносит теплоту вверх, достигает потолка, там охлаждается и опускается вниз. На уровне головы он будет на 2-3°С теплее, чем у пола. Чтобы стопы ног были в тепле, нужна температура 20-22°С. При этом температура воздуха на уровне головы составит порядка 22-24°С, что уже дискомфортно. А над головой воздух еще теплее. На нагрев этого воздуха теплота расходуется фактически впустую.

Известен механизм переноса теплоты, не нуждающийся в воздухе. Носителем теплоты при так называемом лучистом теплообмене являются электромагнитные инфракрасные волны.

Ярчайшим примером источника таких волн является солнце. Мы нередко удивляемся тому, как высоко в горах обнаженные лыжники не мерзнут, хотя температура воздуха минусовая. А не мерзнут они потому, что их тела воспринимают тепловую ИК-часть солнечного спектра. Воздухом же эти лучи не задерживаются, и он остается холодным.

По образу и подобию солнца был создан новый вид отопительных устройств, получивших название инфракрасных обогревателей. Их изготавливают чаще всего в виде панелей, предназначаемых для монтажа на потолке. Инфракрасные лучи (напомним, они невидимы), излучаемые ими, проходят без поглощения воздухом до пола, мебели и нагревают их, а уже от них по механизму конвекции нагревается воздух. При этом температура у пола выше, чем на уровне головы и тем более под потолком.

Поверхность теплоотдачи пола и предметов, нагретых ИК - обогревателями, в 5-10 раз превышает поверхность теплоотдачи традиционных отопительных приборов, поэтому объем воздуха в зоне пребывания людей нагревается до заданной температуры быстрее, чем это в состоянии сделать конвективные системы отопления. Заданный потребителем тепловой режим устанавливается быстрее. Наконец, для поддержания нужной температуры теплоты требуется меньше, потому что не нужно нагревать зону выше роста человека.

Примечание. Таким образом, ИК-отопление обеспечивает тепловой комфорт и экономит энергию, причем тем больше, чем выше потолок помещения.

Помимо этого, данный способ отопления бесшумен, при нем не возникает сквозняков, пылевых циркулирующих потоков. Не нужно выделять в помещении специальные площади для размещения отопительных устройств.

Высок - не менее 90% - и КПД преобразования энергии, подводимой к ИК-обогревателям, в теплоту.

А источником энергии потолочных ИК-панелей может служить электричество, горячая вода, газ. Однако для ИК-панелей, предназначаемых для обогрева жилищ, используется лишь электричество. Такой вид энергии позволяет легко регулировать интенсивность обогрева и вообще отключать его на период, когда жильцы покидают помещение, или на ночь, поскольку спать рекомендуется при пониженной температуре.

Подсчитано, что в целом при отоплении помещений с высотой потолка 3,5 м ИК-устройства позволяют сэкономить до 40% энергии.

Газогенераторные печи

Трудно в это поверить, но уже существуют печи, которые требуют в 10 раз меньше дров, чем обычные. В этих печах используются газогенераторы - устройства, в которых твердое топливо (древесина, каменный уголь, торф) превращается в горючий газ (смесь водорода с оксидом углерода, называемым генераторным газом), а не в воду и углекислый газ, как при обычном горении. А генераторный газ сгорает уже обычным образом - при высокотемпературном окислении с выделением теплоты, углекислого газа и воды.

Примечание. Двухэтапное превращение твердого углеводородного топлива в теплоту, углекислый газ и воду позволяет почти в 10 раз повысить теплоэффективность топлива.

За рубежом уже довольно давно газогенераторные печи стали изготавливать для отопления жилых домов. Некоторое время назад такие печи начали производить и в России, например "Синель" или "Бренеран". Топлива печь любой мощности потребляет очень мало, а греет долго.

Тепловые аккумуляторы

Тепловые аккумуляторы, без которых, по нашему мнению, пассивные дома просто не могут обходиться, в России пока практически неизвестны. Они бывают двух типов.

Первый представляет собой ящик, в который насыпаны камни или металлические болванки. Ночью камни нагревают дешевой электроэнергией*(3), а днем через них прогоняют вентилятором воздух. Он, проходя через горячие камни, нагревается. Таким образом, и в комнате становится тепло, и воздухообмен обеспечивается.

Тепловые аккумуляторы второго типа представляют собой емкости, в которых находится соль, способная плавиться при невысокой температуре. При плавлении все тела, в том числе и соли, поглощают большое количество теплоты. Если нагревание прекратить, соль начинает кристаллизоваться и выделять поглощенную теплоту.

Для использования в пассивных домах удобны аккумуляторы первого типа.

Теплоизоляция фундаментов

Фундамент и в прямом, и в переносном смысле является основополагающим элементом здания. Именно от него зависит долговечность строения.

Фундамент должен быть защищен от воздействия грунтовых вод и от примерзания к грунту. Грунтовые воды могут залить подвал, а замерзающий и примерзающий к фундаменту грунт может повлечь так называемое "морозное выпучивание", при котором фундамент выталкивается наверх. Это нередко приводит к растрескиванию и даже обрушению стен.

Примечание. Фундамент нужно гидроизолировать и защитить от "морозного выпучивания". Лучшим строительным материалом такого рода является экструзионный пенополистирол (ЭППС), пластинами которого оклеивают внешнюю поверхность фундамента.

Благодаря применению ЭППС фундамент утепляется, поэтому подвал может стать обитаемым. Добавим, что теплый подвал - это и теплый пол, а через пол жилое помещение может терять до 10% теплоты.

Установлено, что ЭППС толщиной всего 3 см по теплоизолирующему эффекту эквивалентен слою минеральной ваты толщиной 5,5 см, кирпичной стене толщиной 65 см, бетонной стене толщиной 125 см. Обычно фундаменты и оклеивают плитами ЭППС толщиной 3 см.

Теплоизоляция фасадов

Считается, что основные потери теплоты жилым зданием происходят через стены (однако многие специалисты на первое место ставят окна). Поэтому в России в настоящее время проводится крупномасштабная кампания по утеплению фасадов зданий. В качестве теплоизолирующего материала используются в основном плиты из минеральной ваты.

Однако в толще этого материала может образовываться конденсат, могут поселяться микроорганизмы, в том числе плесень. Теплоизолирующие свойства ваты и в результате резко падают. Наряду с этим происходит утяжеление утеплителя, что ускоряет его оседание, приводит к образованию "мостиков холода". Пароизоляционные пленки, которые рекомендуется использовать для предотвращения образования в минеральной вате конденсата, спасают не всегда. Всех этих недостатков нет у ЭППС.

Примечание. В странах Западной Европы основной теплоизоляционный материал - ЭППС. Им теплоизолированы и пассивные дома в Австрии.

Еще один инновационный теплоизоляционный материал - эковата, получаемая из макулатуры. Распушенная на тонкие волокна, смешанная с борной кислотой и бурой, которые придают эковате огне- и биостойкость, а также натриевой солью карбокси-метилцеллюлозы, которая обеспечивает прилипаемость материала к различным подложкам, эта изоляция является экологически чистым материалом, производится из отходов, для своего получения требует небольших затрат энергии, легко может быть вовлечена в рециклинг, то есть отвечает всем критериям экологичности, почему и имеет полное право называться эковатой. Кроме всего прочего, эковата является прекрасным звукоизоляционным материалом и не нуждается в пароизоляции, поскольку впитывает влагу*(4).

Дэйлайтинг - дневное освещение

Освещение требует немалых затрат электроэнергии. Этому аспекту энергозатрат в пассивном доме также уделено большое внимание.

Во-первых, используются самые экономичные источники света - светодиоды.

Во-вторых, в доме установлены детекторы движения - приборы, включающие свет при появлении в помещении жильца и выключающие, когда он выходит.

И, в-третьих, в таких домах устанавливаются системы освещения, получившие название дэйлайтинг (дневное освещение) или solartube (солнечные трубы).

Дэйлайтинг - это способ освещения с использованием солнечного света, подаваемого внутрь помещения с помощью световодов - алюминиевых труб, внутренняя поверхность которых отполирована так, что почти полностью отражает падающие на нее солнечные лучи.

Вместо алюминиевых можно использовать трубы из любого другого материала, лишь бы их внутренняя поверхность была выложена светоотражающим материалом, например алюминиевой фольгой.

Световоды привносят в жилище естественный солнечный свет, который обеспечивает человеку должный визуальный комфорт, запускает механизм биоритмов, спасает от депрессий. Такой свет жизненно необходим человеку.

В Европе уже установлено около 100 000 световодных систем. Особенно хорошо они зарекомендовали себя в коттеджном и малоэтажном строительстве, на подземных автостоянках, складах. Они очень нужны там, где электричество может послужить причиной пожара.

Следует добавить, что световоды способны освещать помещения не только тогда, когда на небе яркое солнце, но и в пасмурные дни.

И пассивный, и умный

По большому счету пассивный дом должен быть и "умным" (эквивалентные термины - "интеллектуальный дом", "интеллектуальное здание").

В Институте интеллектуального здания (г. Вашингтон, США) этому термину дали следующее определение: "Здание, обеспечивающее наиболее эффективное и экономное использование площади и энергетических ресурсов".

Такое качество зданию придает объединение различных инженерных систем в единый управляемый комплекс, который обеспечивает их наиболее экономное и безопасное функционирование.

Опыт функционирования "умных домов" (за рубежом их построено уже немало, наиболее ярким примером является дом Билла Гейтса) показывает, что в них существенно сокращается потребление электроэнергии, горячей и холодной воды, создаются более комфортные условия для проживания.

Начинают строить "умные дома" и в России.

В.А. Войтович,

к.т.н., заместитель генерального директора Нижегородского

регионального центра наноиндустрии

"Руководитель строительной организации", N 10, октябрь 2011 г.

-------------------------------------------------------------------------

*(1) О неопоре-полистироле читайте в журнале "Руководитель строительной организации", N 8, 2011.

*(2) Об энергосберегающих стеклах читайте в журнале "Руководитель строительной организации", N 9, 2011.

*(3) Ночной тариф на электроэнергию, предназначенный для стимулирования ее потребления в ночные часы, в 2-4 раза ниже дневного.

*(4) Накапливающие влагу минеральные утеплители приходится защищать пароизоляционным материалом, иначе она будет стекать вниз и повреждать фундамент.