Загородное строительство

Научные исследования: пассивный дом – энергосберегающий дом

По данным компании Velux 90% (Дания) 40% энергии, вырабатываемой в мире, тратится на жизнеобеспечение зданий, в которых мы проводим 90% нашего времени. В настоящее время даже в Европе до 30% всех зданий не обеспечивают здоровый микроклимат в помещениях. В нашей стране на нужды отопления существующего коммунального жилищного фонда ежегодно используется оценочно до 200 кВт часов на 1 кв. м. отапливаемой площади, что обусловлено большими диссипативными потерями теплоты через ограждающие строительные конструкции зданий (окна, стены, крыши, подвалы и т.п.). Фактически в домах старой застройки почти половина энергии первичного топлива теряется при генерации, транспортировке и конечном потребления тепловой энергии, где потери теплоты иногда достигают 50%. Это приводит к чрезмерному перерасходу природного газа для нужд теплоснабжения.

Согласно нормативно-техническим требованиям дома высокой энергетической эффективности должны ежегодно потреблять до 65-75 кВт часов на 1 кв. м. площади. Для Германии аналогичный показатель составляет 40 кВт часов на 1 кв. м., а для зданий так называемого «пассивного типа» – не более 15 кВт часов на 1 кв. м. Для климатических условий России уровень теплопотребления дома пассивного типа законодательно не определен. Поэтому проблема существенного повышения энергоэффективности зданий путем теплосбережения за счет использования инновационных строительных конструкций и применения современных инженерных систем теплоснабжения (включая использование возобновляемых и альтернативных источников энергии) является крайне актуальной. 

Созданный экспериментальный энергосберегающий дом представляет собой лабораторно-промышленный стенд (цокольный этаж, 3 этажа и чердак с отапливаемой площадью 266,6 кв. м.) для проверки в реальных климатических условиях как отдельных строительных конструкций, так и всего здания в целом, а также современных систем энерго- и ресурсообеспечения. По сути это научно-техническая и технологическая лаборатория теплофизического и энергетического профиля для исследования динамики эксплуатации, отдельных строительных материалов, отдельных строительных конструкций и всего здания, а также длительного мониторинга эксплуатации инженерных систем энергообеспечения, главным образом на основе возобновляемых и альтернативных энергоресурсов. Перспективная идея, которая положена в основу такого строительного стенда, заключается в реализации, безусловно при наличии финансирования и при активном дальнейшем поиске инвестиций, последовательной цепочки преобразований указанного здания в направлении: дом высокой энергетической эффективности (70 кВт часов на 1 кв. м. площади) – дом пассивного типа – дом типа «ноль энергии» – «умный» дом – дом как Micro Smart Grid 0-Energy система.

В данном доме, как в теплофизических лабораториях, предусмотрены автоматизированные круглогодичные непрерывные (с интервалом от 1 минуты и до 1 суток) измерения полей температур, тепловых потоков, влажности, давления, расхода воздуха, расхода теплоносителя, расходов тепловой и электрической энергии, освещенности, внешних климатических параметров с электронным архивированием полученных экспериментальных данных. Имеется возможность также проводить тепловизионные и пирометрические измерения. Предусмотрено также измерения теплофизических свойств строительных материалов и конструкций в реальных условиях эксплуатации и их изменения в долгосрочном времени. В настоящее время в конструкции дома безвозвратно упаковано более 400 единиц датчиков температуры, теплового потока, влажности и т.д. Почти аналогичное количество датчиков предусмотрена также при открытом доступе для стационарной и переносной установки с использованием комплекса типа «Ресурс» собственной разработки. Долговременные измерения проводятся в строительных конструкциях, в окружающей почве, в грунтовых теплообменниках, в помещениях и в воздухе атмосферы, а также климатические измерения, включая измерения солнечной инсоляции.

В доме используются двойные энергоэффективные окна, изготовленные на основе двухкамерных стеклопакетов формулы 4i-8-4i-8-4 и пятикамерного оконного профиля.

Крыша дома односкатная, направленная на юг под углом 35° к горизонту, который является оптимальным относительно летнего восприятия солнечной энергии тепловыми и электрическими панелями. Конструкция крыши металлическая, усиленного типа, способная нести снеговую загрузку и всю массу солнечных панелей при полном заполнении ими всей площади, что составляет почти 125 кв. м. Утепление крыши выполнена несколькими слоями базальтовой ваты общей толщиной 50-55 см., гидроизолированный сверху панелями OSB с толщиной 10 мм.

Утепление наружных стен основного корпуса энергосберегающего здания выполнено следующим образом. По четырем углам дома по горизонтали на расстояние до 50-60 см от угла и по вертикали стены дома, где расположены окна, утепление сплошное, трехслойное (толщина каждого слоя утеплителя – 10 см) типа «мокрого» фасада. По всей другой плоскости всех стен дома пассивного типа сначала утепление двухслойное типа «мокрого» фасада толщиной 21-22 см, затем пятисантиментровий вертикальный вентиляционный воздушный канал, а затем снова утеплитель толщиной 5 см, далее 3 слоя клеевой стяжки, армированной фасадной полимерной сеткой и слой фасадной краски по гладкой (для уменьшения теплоотдачи) стене. Воздух, поступающий в вентканалы, или внешнее атмосферное, или предварительно пройденное за грунтовые теплообменники, расположенные в насыпном грунте перед южной и перед северной стеной дома. Фактически реализовано комби система сочетание «мокрого» и вентилируемого фасада. Вентиляция фасада реализуется как свободная гравитационно-конвективная, или как принудительно-конвективная за счет использования дутьевого вентилятора. В качестве утеплителей наружных стен пассивного дома использовались: для первого слоя – пеностекло; базальтовая вата высокой плотности; металлические сэндвич-панели (наполненные минватой или пенополистиролом) для второго слоя – базальтовая вата, пенополистирол, экструзионный пенополистирол; для внешнего слоя – экструзионный пенополистирол.

Исходя из вышесказанного к особенностям энергосберегающего дома можно отнести:

• компактность здания;
• усиленную теплоизоляцию наружного утепления стен толщиной до 33 см;
• использование комбинированного клеевого вентилируемого фасадного утепления стен;
• ориентацию на юг и отсутствие тени;
• исключение или уменьшение наличия «мостиков холода»;
• герметичность строительной конструкции;
• энергоэффективные двойные окна и профили отличного качества;
• контролируемая вентиляция с рекуперацией теплоты;
• углубление в почву на две трети высоты цокольного этажа;
• тепловая защита (нагрев – зимой, охлаждения – летом) наружных стен при пропускании наружного воздуха через грунтовые теплообменники и вентканалы наружного утепления – т. н. «тепловая завеса»;
• использование для внутренней части наружных стен основного корпуса строительных материалов значительной теплоемкости, а для внешней части – малой теплопроводности.

Схема строения приведена на рис. 1, а его внешний вид на различных этапах строительства - на рис. 2.

Научные исследования: пассивный дом – энергосберегающий дом

Рисунок 1

Пассивный дом – энергосберегающий дом

Рисунок 2

Для расчета удельного теплопотребления здания пассивного типа температурой внутреннего воздуха принимается tвн = 20 °С. Расчетной температурой наружного воздуха выбрана в варианте 1: средняя температура наружного воздуха за отопительный период tотоп. = tвнеш = -1,1°С и в варианте расчета 2: максимальная средняя температура самого холодного периода (январь) за пять последних лет tвнеш = 10,0°С. Продолжительность отопительного периода для составляет Zотоп = 187 суток.

Теплопотери на один метр отапливаемой площади указанного здания составляют: вариант 1: 3,4 Вт/м2; вариант 2: 4,86 Вт/м2., а оценка удельного теплопотребления экспериментального энергоэффективного дома пассивного типа равна: вариант 1: E = 15 (кВт ч)/(м2 год); вариант 2: Е = 21,8 (кВт ч)/(м2 год), что соответствует требованиям европейских стандартов.

Исходя из проведенных исследований оценены возможные объемы экономии природного газа. Отметим, что одним из перспективных направлений уменьшения потребления газа в старом жилом фонде, особенно в зданиях социально-бюджетной сферы, является проведение термореновации и/или термомодернизации зданий с последующей модернизацией инженерных систем теплоснабжения. За счет предложенных мероприятий можно достичь экономии потребления природного газа почти на половину. Более высокие капитальные затраты «пассивного» здания компенсируются снижением эксплуатационных затрат за счет существенного уменьшения энергопотребления.

06.10.2019