Пасивний будинок

Міністерство освіти і науки України

Київський національний університет будівництва та архітектури

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему: «Пасивний будинок»

 

 

 

 

 

 

Виконав студент групи 52-А

Девлиш А.В.

 

 

 

 

 

Київ 2011

 

Пасивний будинок

Після світової енергетичної кризи 1974 року у світовій будівельній і архітектурній практиці величезна увага приділяється економії паливно-енергетичних ресурсів, які витрачаються на теплопостачання будівель. При сучасних темпах використання природних джерел енергії (нафти, газу та вугілля), вони можуть закінчитися вже у найближчі 50 років. Безупинне зростання цін на викопні види палива змушує шукати альтернативні, більш дешеві та відновлювані джерела енергії.

"Пасивний будинок":архітектурний аспект

Економія енергії також тісно пов’язана з охороною оточуючого природного середовища, адже під час спалювання викопних видів палива виділяється велика кількість вуглекислого газу СО2, який посилює парниковий ефект. Було встановлено, що великі викиди парникових газів впливають на оточуюче природне середовище, викликаючи у результаті глобальне підвищення температури на декілька градусів Цельсія.

Підписання в 1997 році Кіотського протоколу, котрий обмежував викиди цих газів, прискорило роботи з розроблення  енергоефективних технологій.

Нині у цілому світі  набирає сили прогресивне розуміння  можливостей екологічно чистого  енергозабезпечення та все активніше  впроваджується нова техніка для  цього. У багатьох країнах вже  розроблені та масово вводяться в  експлуатацію різноманітні пристрої альтернативної енергетики. Це сонячні колектори, малі гідроелектростанції, електровітряки, фотовольтаїка, водневокисневі комірки, теплові помпи, «термодіоди», рекуператори, теплові акумулятори, біо- та газогенератори, «зелене» паливо тощо. Вся ця техніка  успішно забезпечує децентралізоване енергопостачання, скеровуючи надлишок енергії до централізованої мережі. У передових країнах діють  державні програми інтенсифікації розвитку екологічної енергетики (Німеччина, Іспанія, США, Японія, Індія, Китай,Греція, Швеція, Австрія тощо). Підвищення рівня  енергоефективності в усіх галузях промисловості є пріоритетним напрямком енергетичної безпеки України, про що зокрема свідчить затвердження Міністерством регіонального розвитку та будівництва України Галузевої програми енергоефективності у будівництві на 2010–2014 роки (наказ № 257 від 30.06.2009).

Тема енергонезалежних будівель і відновлюваних джерел енергії  неодноразово висвітлювалася на сторінках  журналу «Особняк» (№1 (32) 2004; №2 (53) 2009), проте архітектурному аспекту ще не було приділено достатньої уваги. Мета даної статті – розкрити характерні особливості об’ємно-планувальних рішень «пасивних будинків».

«Пасивний будинок» (Passivhaus нім., passive house англ.) – енергоефективний будівельний стандарт, який створює комфортні умови проживання та одночасно є економним і чинить мінімальний негативний вплив на оточуюче природне середовище. «Пасивний будинок» являє собою будівельну концепцію, яка доступна всім і яка довела свою перевагу на практиці. «Пасивний будинок» – будівля, в якій можна досягти комфортного мікро-клімату як узимку без окремої системи опалення (або використовуючи малопотужну компактну систему опалення), так і влітку без системи кондиціонування. Існує дуже багато можливостей використання енергії довкілля. Джерелами енергії можуть бути: вода (зокрема ґрунтові води, поверхневі води, стічні води), ґрунт, повітря та сонячна енергія. Найбільш потужним і доступним з усіх видів нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії є енергія Сонця. Існує загальне емпіричне правило, за яким грамотно запроектований «пасивний сонячний дім», у порівнянні з традиційно запроектованим будинком такої ж площі, допоможе зменшити витрати на опалення на 75% при подорожчанні будівницва всього лише на 5–10%.

В архітектурі сонячну  енергію можна використовувати, створюючи пасивні, активні та інтегральні  системи, які базуються на явищі  фототермічної конверсії (перетворення сонячного випромінювання на теплову  енергію).

Будь-яка система сонячного  опалення пасивних будинків має три  основні функції:

 поглинання та перетворення сонячної радіації у теплоту;

– акумулювання теплоти, оскільки сонячна радіація непостійна;

– розподіл теплоти, тобто  подавання теплової енергії у  зони опалення у періоди, коли це необхідно  і у потрібній кількості.

У пасивних сонячних системах усі три функції здійснюються спонтанно, шляхом протікання природних  процесів, без примусової зміни енергетичних потоків.

В активних сонячних системах усі три функції виконуються  абсолютно різними засобами, а  теплова енергія передається  із зони поглинання в акумулятор або  до споживача через теплоносій, наприклад  у вигляді нагрітої води у трубах або повітря у каналах з  механічним спонуканням (насосами, вентиляторами), для чого використовується зовнішнє джерело енергії.

Інтегральна система поєднує  ефективність і гнучкість активної системи та надійність і простоту пасивної. Застосування певного типу геліосистеми впливає на вибір об’ємно-планувальної структури будівлі.

Пасивні сонячні  концепції

Пасивні сонячно-енергетичні  системи відомі з давніх часів. Ще давньогрецькі філософи Ксенофонт  і Сократ висунули ідею пасивного  «сонячного будинку» (рис. 1). Форма «будинку Сократа» розширюється на південну сторону  горизонту, а дашок над галерейкою або портиком закриває внутрішній простір  від гарячих променів високого літнього сонця й одночасно пропускає  у приміщення теплі промені низького зимового сонця.

Рис. 1 Концепція "Сонячного будинку" Сократа (469-299 рр. до н.е.): 1 - сонячне  випромінювання з південного боку влітку; 2 - сонячне випромінювання з південного боку; 3 - крита тераса; 4 - загальна кімната; 5 - комора у якості термічної захисної зони; 6 - стіна з теплоізоляцією з  північного боку

Використання теплофізичних  властивостей будівлі для накопичення  та зберігання тепла відоме від найдавніших  часів і у народній традиційній  архітектурі. Наприклад, у південному житлі свідомо розвиваються якості об’ємно-планувального та конструктивного  рішення будинку для покращення його мікроклімату: влаштування масивних стін, плоского даху, групування приміщень  навколо замкненого внутрішнього двору  тощо.

Пасивна система сонячного  опалення – це енергетична система, в якій процеси приймання, накопичення  та використання сонячної енергії для  опалення здійснюються природним шляхом в архітектурно-будівельних елементах  будівлі. Ці елементи є органічними  компонентами будівлі на відміну  від активних систем, в яких використовуються суто функціональні пристрої. Пасивні  системи вимагають незначного додаткового  устаткування і тому є більш економічними, хоча і недостатньо продуктивними. Для їх експлуатації не вимагається  спеціального обслуговуючого персоналу. Уявлення про пасивну сонячну  систему та її привабливість пов’язані  з її простотою, низьким рівнем технології та наближеністю до природи. Застосування пасивних систем опалення дає економію приблизно 30-40% від загальних витрат тепла на традиційне опалення дому. Проте вони залежать від погодних умов.

У пасивних системах використовується безпосереднє нагрівання будівельних  елементів за рахунок теплоти, що поступає від прямої сонячної радіації, а акумулювання сонячного тепла  відбувається у масивних конструкціях будівель природним способом – через  вікна, звернені на південь (рис. 2).

Рис. 2 "Пасивний будинок" з прямою системою сонячного обігрівання

Для оптимального використання сонячного опалення в будинках необхідно, щоб будівля задовольняла трьом  основним вимогам: 1. Будівля повинна  виконувати функцію сонячного колектора, впускати сонячні промені, коли потрібне тепло і перешкоджати їх проникненню, коли такої потреби немає. При необхідності, будівля повинна також пропускати всередину прохолоду. Це здійснюється головним чином шляхом орієнтації та проектування будівлі так, щоб дати можливість променям сонця проникати через огороджувальні конструкції та вікна взимку та не допускати цього влітку, використовуючи при цьому засоби, що створюють тінь (навіси, жалюзі, озеленення тощо).

2. Будівля повинна бути  сонячним акумулятором, зберігати  тепло, щоб його можна було  використовувати в холодний час,  коли сонце не світить, а  також зберігати прохолоду під  час гарячих періодів. Найбільш  ефективні у цьому відношенні  будівлі, побудовані з важких  матеріалів – каменю, бетону.

3. Будівля повинна бути  хорошою тепловою пасткою, ефективно  використовувати тепло (або прохолоду)  і втрачати його дуже повільно. Це здійснюється головним чином  шляхом зменшення теплових втрат  будівлі завдяки ефективному  застосуванню ізоляції, зменшенню  інфільтрації повітря та влаштуванню  віконниць.

Основними методами пасивного  сонячного опалення, широко розповсюдженими  на практиці, є: пряме сонячне обігрівання; метод заскленої масивної стіни; метод приєднаного сонячного  простору (рис. 3) . Яскравим прикладом  застосування пасивної системи сонячного  опалення є проект, розроблений архітекторами  ДП «УкрНДІпроцивільсільбуд» (рис. 4). У  даному проекті застосовано систему  прямого сонячного обігрівання (солярій) та розташований у підлозі акумулятор тепла з кам’яним заповнювачем.

Рис. 3 Технічні рішення пасивних систем

Активні системи

Активні системи передбачають створення у межах будівлі  спеціальних технологічних пристроїв, які перетворюють сонячну енергію  у теплову або електричну. Навіть найпростіші активні системи  мають у своєму складі значний  арсенал технічних засобів (плоскі водяні та повітряні колектори, спеціальні акумулятори тепла, системи розподілу  тепла та контролю за теплонадходженнями), що значно здорожує будівництво та потребує кваліфікованого монтажу (рис. 5). В активних сонячних опалювальних системах теплоносій перекачується  насосом. Сонячний колектор, який включає  до свого складу теплоелемент і теплоносій, призначений для безпосереднього  сприйняття сонячних променів, а також  передавання теплової енергії в  акумулятор або споживачу. Колектори  можуть бути плоскими, трубчастими  та фокусуючими. Кут нахилу колектора геліосистеми до горизонту доцільно приймати рівним широті місцевості (Україна розташована між 44о23’ та 52о22’ північної широти); допустиме відхилення складає +5, –10о.

Основним недоліком будинку, який працює на сонячній енергії, є  висока вартість сонячних елементів  та їх низький ККД. Коефіцієнт корисної дії високопродуктивних плоских  сонячних колекторів досягає 65%.

Підігрівання води у сонячному  колекторі можна суміщати з отриманням електричного струму для домашніх приладів за допомогою сонячного електричного фотоперетворювача (фотоелектричної  станції). Активна система відрізняється  поліфункціональністю, її можна використовувати  для опалення, охолодження та гарячого водопостачання. Цей фактор пояснює  переважання геліобудинків з  активною системою. У цих будинках немає визначених вимог до взаємного  розміщення приміщень. Проте екстер’єр  «пасивних будинків» даного типу визначається характером розташування сонячних колекторів відносно об’ємної структури будівлі (рис. 6, 7). Пасивні  будівлі з окремо розташованими  пристроями проектують із незмінною  структурою.

Рис. 6 Енергоактивні конструкції  будівель, суміщені з колектором сонячної енергії6 а) скатне покриття; б) плоске покриття; в) зовнішня стіна будівлі; г) огородження балкона, лоджії; д0 цоколь будівлі; е) автономний колектор; 1 - колектор сонячної енергії; 2 - акумулятор; 3 - тепловий насос; 4 - канали для теплоносія; 5 - насос; 6 - радіатор; 7 - пристрій для охолодження  теплоносія

Рис. 7 Приклад використання активної системи сонячного опалення з  розташування сонячного колектора  на покрівлі

Цікавий приклад інтегральної сонячної системи являє собою  проект «пасивного будинку», розроблений  архітекторами УкрНДІпроцивільсільбуду.

У ньому використано як елементи пасивної системи – метод  прямого сонячного опромінювання (великі площі вертикального засклення  південного фасаду), розташування у  підлозі акумулятора тепла, так  і елементи активної системи сонячного  опалення, до яких слід віднести застосування теплового насосу та рекуператора тепла (рис. 8).

Рис. 8 Проект "пасивного будинку" із застосуванням прямого сонячного  опромінювання з розташованим і  підлозі акумулятором тепла, тепловим насосом і рекуператором тепла. (Проект розроблено архітекторами УкрНДІпроцивільсьбуду)

Реалізація принципу компактності

Одним із головних критеріїв  пасивного будинку є компактність будівлі. Стандарти будівництва  пасивного будинку вимагають  певного співвідношення A/V (площа огороджувальної поверхні або «оболонки» будівлі ділиться на сумарний об’єм приміщень, у результаті отримують коефіцієнт площі огороджувальної поверхні споруди). Цей показник повинен бути якомога меншим. Сутність даного розрахунку у тому, що кожна будівля впродовж опалювального сезону втрачає через свою зовнішню огороджувальну поверхню цінне тепло. Будівлі з компактною об’ємно-планувальною структурою мають найнижчі показники теплових втрат тому, що великий внутрішній об’єм приміщень обмежено мінімальною площею зовнішньої поверхні. Застосування будь-яких виступаючих архітектурних конструкцій, (балконів, терас, навісів тощо) по можливості слід уникати тому, що вони збільшують огороджувальну поверхню будівлі, при цьому майже не збільшуючи внутрішнього об’єму будинку.

Найоптимальнішою формою пасивної споруди визнано чотирикутний паралелепіпед із класичним двоскатним дахом. Рекомендується також наближена  до квадрата форма плану з мінімальним  периметром зовнішніх стін.

Завдяки більш низькому коефіцієнту  площі поверхні будинки рядової  забудови, а також багатоквартирні  будинки, мають переваги перед односімейними  приватними будинками, розташованими  відокремлено.

Натомість, одноквартирні  житлові будинки відрізняються  більшим різноманіттям об’ємно-планувальних рішень. Завдяки вільному розташуванню на ділянці та відсутності затінення  сусідніми будівлями, вони можуть мати будь-яку форму плану та орієнтацію (рис. 10).