С нами можно связаться:

+38 (044) 257-89-45

+38 (044) 502-33-20

г. Киев, проспект 40-лет Октября, 50, оф. 55
projects@osobnyak.com.ua

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).

У галузі проектування та зведення садибних будинків за системою «пасивний дім» показовим є досвід Німеччини (рис. 9, 11) . У наведених прикладах великі вікна звернені на південь, що дає можливість не тільки отримати безкоштовну сонячну енергію, але й сприяє хорошому природному освітленню приміщень як взимку, так і влітку.

Рис. 9 Особняк, запроектований за технологією "пасивний дім", арх. Мартін Ендхардт (Німеччина). Плани першого, другого та третього поверхів

Рис. 10 Співвідношення А/V - площі огороджувальної поверхні до сумарного об’єму приміщень - для різних типів будинків

Рис. 11 Особняк, запроектований за технологією "пасивний дім", арх. Рейнхард Ціммерман (Німеччина). Загальний вигляд, плани мансардного та першого поверхів

Для зменшення поверхні зовнішніх стін також можуть бути використані циліндричні, напівсферичні та інші нетрадиційні форми (рис. 12). У будівлях з великою загальною площею можна отримати добре зорієнтований фасад, якщо у плані дім буде мати форму або трикутника, або сегмента кола. При цьому менш сприятливі пропорції між поверхнею та об’ємом компенсуються більшою кількістю добре зорієнтованих вікон (рис.13, 14).

Рис. 12 Житловий особняк напівциліндричної форми: а) план першого поверху; в) план другого поверху; с) розріз

Рис. 13 Енергозберігаючий будинок середини 80-х рр.:а) план першого поверху; в) план другого поверху; с) схема дії

Рис. 14 "Пасивний дім" середини 90-х рр.: а) план першого поверху; в) план другого поверху

«Температурне зонування»

Розташування приміщень слід виконувати у такий спосіб, щоб була можливість використання ранкового сонячного світла для освітлення кухні, спальні, зимового сонячного світла - для вітальні, крім того доцільно використовувати підсобні приміщення та гаражі в якості додаткових північних і західних буферних просторів. Значний ефект має розташування теплиці з південного боку від вітальні.

Потребу внутрішніх просторів в обігріванні й освітленні легше всього можна забезпечити у тому випадку, коли більшість приміщень буде розташовуватися біля південного фасаду. Приміщення, що виконують різні функції, потребують різного об’єму обігрівання та освітлення. Кухня, наприклад, під час приготування їжі значно нагрівається від працюючої плити, духовки або інших побутових пристроїв. Якщо дім приєднано до центрального опалення, ця обставина повинна враховуватися при розрахунку опалювальних батарей. Кухня - джерело великої кількості пару, тому небезпеку конденсації пару слід знижувати шляхом обігрівання, теплоізоляції, вентиляції.

Спальня не потребує стільки тепла, як вітальня або кабінет, адже цим приміщенням користуються вночі, коли тепло вкриваються. Якщо у спальні сплять декілька чоловік, там підвищується рівень вологості і при цьому також виникає небезпека випадіння пару. Визначивши, які приміщення потребують більше тепла, а які – менше, площу будинку необхідно розділити на «температурні зони». Приміщення, які вимагають приблизно однакову кількість тепла, об’єднують в одну зону.

У найтеплішу, зорієнтовану на південь, зону доцільно включати такі приміщення: вітальню, їдальню, кабінет, дитячу кімнату (якщо дитина в ній не спить, а займається та грається). У зону з середньою температурою, або у так звану «перехідну зону», поміщають коридори, кухню-їдальню, побутову кімнату тощо. До зони з найнижчою температурою відносяться приміщення, що виконують всі інші функції: спальні, гардеробна, ванна, туалет, кухня, комори, гараж, майстерня.

Рис. 15 "Пасивний будинок" з прямою системою сонячного обігрівання. Арх. Берндт. Плани першого (а) та другого (б) поверхів

Правильне розташування по «температурних зонах» дозволяє на довгі періоди часу відключати тепло у певних приміщеннях (наприклад, у спальнях на денний час). Проте двері між окремими зонами повинні щільно зачинятися. У спеку не слід розкривати вікна, тому що при цьому тепле повітря буде надходити в приміщення. Провітрювати кімнати краще у прохолодні ранкові години та вночі. Існують два способи формування «температурних зон». Перший варіант: різні зони у будинку повністю ізольовані одна від одної, таким чином у кожному з приміщень забезпечується бажаний рівень температури. Проте, це буде дорого коштувати, оскільки на стіни-перегородки та перекриття доведеться встановити теплоізоляцію, щоб тепло не переходило у більш прохолодні простори.

При другому варіанті, особливо у будівлях, де безпосередньо використовується сонячна енергія, стіни між приміщеннями практично взагалі відсутні. Це так звані студії – квартири з єдиним простором. У такому будинку тепло вільно перетікає з однієї зони у іншу, а коливання температур урівноважується шляхом розподілу приміщень.

При проектуванні «пасивного будинку» слід дотримуватися таких правил:

1. Будувати з урахуванням клімату та місцевих будівельних традицій.

2. Добра інсоляція усієї будівлі забезпечує зменшення її енергетичних потреб.

3. Розташовувати отвори та сонячні колектори з південної сторони та правильно орієнтувати будівлю.

4. Уникати затінення південного фасаду будівлі.

5. Враховувати взаємний зв’язок естетичних і технічних сторін при проектуванні сонячних колекторів і акумуляторів тепла.

6. Враховувати, що технічно та конструктивно багаторазове використання енергії завжди знаходить застосування в домі (відпрацьована вода, освітлення тощо).

7. Передбачати захист будинку від холодного вітру (деревами, схилами,тепловими буферними зонами тощо).

8. Частково використовувати підвальні приміщення в якості теплових резервуарів, враховуючи здатність землі зберігати тепло.

Оптимізація балансу теплонадходжень і тепловитрат характерна і для народної архітектури. Вплив кліматичних факторів, пов’язаних з кількістю сонячної радіації, переплітаючись з традиційними способами організації функціональних взаємозв’язків між житловими та господарчими приміщеннями, проявився в об’ємно-планувальному рішенні садиби. У міру переходу з холодної у більш теплу кліматичну зону змінюється ступінь компактності застосовуваних типів садибної забудови, а також характер її відкритості у зовнішнє середовище (за матеріалами Г. Казакова [3]).

Упродовж довготривалого еволюційного розвитку сформувалися певні енергоекономічні традиції народної архітектури, до яких зокрема відносяться:

– орієнтація на південь поздовжньої стіни та розташованих у ній основних віконних і дверних отворів;

– застосування компактної форми основного житлового простору з можливим його одно-, двох- або навіть тристороннім оточенням господарчими або допоміжними приміщеннями, які виконують роль теплових буферних зон;

– використання горища у вигляді об’єму, який завдяки оптимальному нахилу схилів даху і найпростішій системі теплової рекуперації пічного диму виконує подвійну роль теплового акумулятора та буфера.

При проектуванні «пасивного будинку» слід забезпечити освітлення південного фасаду прямим сонячним світлом з 9 до 15 годин у зимові місяці. Перешкоди повинні бути відсутніми в межах 60° від географічного півдня від південних кутів будинку по можливості та мінімально в межах 45° (рис. 16, 17). Для перешкод у межах цього діапазону враховують такі фактори:

Рис. 16 Орієнтація "пасивного будинку"

Рис. 17 Кути сонячного затінення

– не повинно бути жодних перешкод узагалі в межах 3 м з південного боку;

– невисокі огорожі повинні знаходитися на віддалі більше 3 м;

– одноповерхові будівлі можуть розміщатися на віддалі більше 5,5 м;

– двоповерхові будівлі можуть розміщатися на віддалі більше 12 м.

З точки зору орієнтації велике значення має панівний напрямок вітру. У його напрямку слід проектувати мінімальну кількість вікон і дверей – навіть у тому випадку, якщо це уявляється сприятливим з точки зору інсоляції, адже взимку отвори будуть збільшувати охолодження будівлі.

Заглиблене житло

Задовольнити вимоги стандартів з енергетики буде простіше, якщо більша частина поверхонь, що огороджують опалюваний простір, прилягатиме до ґрунту. Тому на похилому рельєфі буферну зону часто роблять утопленою у ґрунт, але нерідко застосовують і засипання, наприклад, на плоских дахах, на яких висаджують рослини.

Будівлі, котрі за проектом розташовуються на плоскому рельєфі, можна зробити придатними для проживання у тому випадку, коли конструкція північної стіни буде мати посилену теплоізоляцію та хорошу герметичність, а вікна та інші отвори – мінімальну поверхню. Похилий рельєф дає кращі можливості для усунення несприятливих погодних впливів. Якщо схил звернений на південну, південно-східну, південно-західну сторони, то північну сторону будинку, використовуючи умови рельєфу, можна повністю або частково «утопити» в ґрунт. В Європі часто застосовується рішення, коли дах будівлі (скатний або плоский) вкривається шаром землі. Це ідеальна теплоізоляція як від охолодження у зимовий, так і від перегрівання у літній періоди. На плоских ділянках використовується земляне підсипання, що імітує заглиблення у ґрунт.

Рис. 18 Рекомендоване розташування приміщень

Корисний енергозберігаючий ефект заглиблених житлових будівель визначається захисною товщиною ґрунту. Влітку заглиблені споруди практично не потребують охолодження повітря в приміщеннях, тому що воно охолоджується за рахунок віддавання тепла через огороджувальні конструкції (підлога, стіни, покриття) ґрунтовому обсипанню. Спеціальні заходи можуть знадобитися тільки в особливо спекотні періоди. Взимку ґрунтове обсипання значно зменшує тепловтрати споруди за рахунок створеного додаткового термічного опору, практичного виключення неконтрольованої інфільтрації холодного повітря через нещільності огороджувальних конструкцій, а також суттєвої зміни амплітуди добових і сезонних коливань температури. У результаті заглиблені будівлі функціонують, як правило, в умовах сприятливого теплового режиму, що сприяє їх збереженню. Таким чином, зведення заглиблених будівель може стати одним із ефективних способів економії енергоресурсів, які витрачаються на забезпечення комфортного режиму приміщень. Крім того, заглиблені будівлі надають унікальні можливості для створення нових архітектурних форм у міському середовищі. Досвід показав, що вартість будівництва заглиблених і наземних будівель практично однакова, а економія енергії може складати від 30 до 60% від витрат енергії для наземних будівель [8].

За характером об’ємно-планувального рішення розрізняють чотири типи житлових заглиблених будівель: ті, які підвищуються; врізані у схил; наскрізного типу; з внутрішнім двориком (або атріумні).

Найбільш поширеними є будівлі, які підвищуються (рис. 19). Їх зводять на плоскому або з малим ухилом у південний бік рельєфі. Будівля повинна підвищуватися над рівнем поверхні ґрунту не більше ніж на 30%.

Рис. 19 Заглиблена будівля, яка підвищується. План: 1 - ванна; 2 - технічне приміщення; 3 - кухня; 4 - їдальня; 5 - студія; 6 - ванна; 7 - спальня хазяїв; 8 - майстерня; 9 - загальна кімната; 10 - вхід; 11 - спальня; 12 - запасний вихід через світловий ліхтар. Розріз: 1 - їдальня; 2 - загальна кімната

Приміщення, в яких природне освітлення необов’язкове, розташовують у глибині будівлі. Там можуть також знаходитися кухні та їдальні, якщо вони запроектовані як частина житлових приміщень. Для забезпечення необхідного світлового фронту споруду доводиться «витягувати» у довжину.

Будівлі наскрізного типу (рис. 20) можуть мати не обсипані ділянки по зовнішньому периметру будівлі, орієнтовані на різні сторони горизонту, що дозволяє організувати освітлення та вентиляцію без додаткових зусиль. При цьому досягаються і більш сприятливі протипожежні умови – можливість організації запасних виходів. Разом з тим, скорочення периметру засипання ґрунтом має несприятливий вплив на енергозберігаючі якості споруди.

Рис. 20 Будівля наскрізного типу. План: 1 - спальні; 2 - майстерня; 3 - веранда; 4 - солярій; 5 - вхід; 6 - їдальня; 7 - кухня; 8 - технічне приміщення; 9 - автостоянка; 10 - загальна кімната; 11 - ванна. Розріз : 1 - автостоянка; 2 - житлова кімната; 3 - веранда

Будівлі, врізані у круті схили, зводять при крутизні схила до 500 за умови, що ґрунт має достатню несучу здатність. Планувальні рішення будівель такого типу та підвищених будівель приблизно однакові.

Заглиблені будівлі з внутрішнім двориком (атріумні) (рис.21) відрізняються тим, що їх приміщення групують навколо дворика. Безпосередньо на нього виходять усі житлові приміщення, що вимагають природного освітлення. Будівля може мати один або декілька двориків. Дворик може бути єдиною відкритою частиною споруди, тоді вхід у будівлю здійснюється через дворик, а весь зовнішній периметр обсипається ґрунтом. Вхід може бути організований і по зовнішньому периметру, тоді дворик використовується як елемент пасивної геліосистеми для обігрівання будівлі. Атріумні будівлі зручні для районів з жарким кліматом і можуть бути рекомендовані для будівництва в умовах південної зони України (АР Крим, Дніпропетровська, Запорізька, Кіровоградська, Миколаївська, Одеська, Херсонська області).

Рис. 21 Будівля з атріумом. План: 1 - ванна кімната; 2 - спальня; 3 - спальня хазяїв; 4 - ванна кімната; 5 - житлова кімната; 6 - гараж; 7 - вхід; 8 - їдальня; 9 - кухня; 10 - атріум; 11 - спальня. Розріз: 1- спальня; 2 - атріум; 3 - житлова кімната

Згідно з санітарно-гігієнічними вимогами, приміщення житлової будівлі повинні мати природне освітлення та інсоляцію. Тому заглиблення житлових будівель обмежується можливостями влаштування вікон і ліхтарів, які забезпечують виконання згаданих вимог. Виходячи з можливостей освітлення, заглиблені будівлі зводять не більше одного–двох поверхів.

Розміщення теплиць та інших накопичувачів енергії

Серед архітекторів і інвесторів все більшої популярності набуває компонування житлового будинку із заскленими буферними зонами – зимовим садом (рис. 22), верандами, лоджіями та теплицями. Таку тенденцію підтримують проектні й виконавчі фірми, пропонуючи естетично виконані присадибні теплиці. Запроектована та розташована належним чином теплиця може забезпечити до 50% потреб будинку в опаленні.

Рис. 22 Серія садибних мансардних будинків з зимовими садами різних розмірів і форм. Арх. Г. Казаков

У випадку, коли планують включити у проект теплицю, попередньо необхідно визначити головну функцію даного приміщення. Проектні вимоги для продовольчої теплиці, житлового приміщення та допоміжного сонячного нагрівача різні, хоча можна побудувати теплицю, у якій було б об’єднано всі три функції. Розташовувати тепли цю доцільно з південного боку. Якщо вона має засклений дах, у ньому слід використати тепловідбиваюче скло для запобігання перегрівання у літній час. Площа теплоакумулюючої маси, розташованої у теплиці, повинна приблизно у три рази перевищувати площу засклення.

Якщо теплиця використовується як колектор сонячного опалення (рис. 23), максимальна ефективність буде досягнута при похилому заскленні, малій кількості рослин (стійких до перегрівання) і теплоізольованих незасклених торцевих стінах. Більшу кількість надходження теплової енергії у житлові приміщення буде отримано, якщо у теплиці будуть відсутні рослини, які поглинають велику кількість теплоти. Нагріте сонцем повітря може бути переміщене у будинок через двері або відкриті вікна у суміжній з теплицею стіні, а також передане по повітроводу у більш віддалені приміщення будівлі.

Рис. 23 "Пасивний будинок" з зимовим садом у якості накопичувача сонячної енергії

Якщо теплиця є житловим приміщенням, необхідно проаналізувати комфорт, зручність і свободу простору у доповнення до енергетичної ефективності. Кімната, у якій планують проживати, повинна бути теплою взимку, прохолодною влітку, мати невисоку контрастність освітлення та помірну вологість. Тому використання житлових приміщень в якості теплиці потребує особливо ретельного моделювання кліматичного режиму або використання сонцезахисних пристроїв, які регулюють інсоляційний режим.

Вертикальне засклення є найкращим і найпоширенішим з різних причин. Перш за все, хоча похиле засклення уловлює більшу кількість теплоти, проте взимку воно також втрачає велику кількість теплоти у нічний час, що зводить нанівець отримання денного тепла. Застосування похилого засклення також може призвести до перегрівання у більш теплу погоду, звичайно весною та восени, коли житлові приміщення не потребують опалення. Вертикальне засклення південної стіни набагато більше відповідає вимогам опалювального навантаження. Воно ефективне взимку, коли сонце знаходиться низько над горизонтом і дозволяє зменшити надходження сонячного тепла, коли сонце знаходиться поблизу зеніта у літній час.

Добре запроектований карниз над південним заскленням – все, що необхідно, щоб затінити його від сонячних променів, коли приміщення не потребує додаткового теплонадходження. Вертикальне засклення також є дешевшим і простішим у монтажі та ізоляції. Воно не має схильності до протікання, конденсату і поломок. Для мінімізації нічних втрат теплоти та підвищення комфорту (тіло людини також випромінює тепло у напрямку холодних поверхонь) можна застосувати рухому теплоізоляцію вікна (наприклад, віконниці), або вирішити питання з установленням енергоефективних склопакетів.

Показовим прикладом житла з об’ємно-планувальною структурою, модернізованою з метою підвищення комфортності проживання як у літніх, так і в зимових умовах з використанням сонячної енергії, є дім архітектора Дугласа Балкомба в м. Санта-Фе, США (рис.24). В об’ємно-планувальному рішенні цього будинку застосовано принцип обігрівання житлових приміщень за допомогою енергії сонця з використанням двоповерхової оранжереї. Двосвітловий простір оранжереї об’єднує всі житлові приміщення будинку та є акумулятором денного тепла. Для скорочення тепловитрат уночі та у холодні дні, а також для захисту від літнього перегрівання оранжерею опоряджено жалюзі, які трансформуються, та козирком з невеликим виносом. Зорієнтовані на інші сторони горизонту зовнішні стіни приміщень виконано з мінімальною кількістю отворів для зменшення тепловитрат.

Рис. 24 Сонячний будинок у Санта-Фе (США), арх. Дуглас Балкомб. Плани першого, другого поверхів и розріз

Акумулювання тепла у теплицях

Поверхні теплоакумулюючих матеріалів (термічна маса) повинні бути темних тонів для поглинання щонайменше 70% енергії сонячного світла, яке на них падає. Матеріали, котрі не використовують для акумулювання тепла, повинні бути світлих тонів для того, щоб відбивати світло на термічну масу, не розташовану на шляху променів прямого сонячного випромінювання. Підлога, північна стіна, східна та західна бічні стіни – придатне місце для теплоакумулюючої маси. У них повинні бути застосовані матеріали з високою теплопровідністю: бетон, вода, цегла. Пінобетон не придатний у якості теплоакумулюючого матеріалу, а бетон – найбільш ефективний при товщині від 100 до 150 мм. При використанні пустотних бетонних (цокольних) блоків усі порожнини мають бути залиті цементним розчином.

Якщо кам’яна підлога та масивні стіни – єдині матеріали, що акумулюють тепло у приміщенні, то рекомендоване співвідношення – 3 м2 поверхні кам’яної кладки на 1 м2 південного засклення. Якщо вода у контейнерах – єдине теплоакумулююче середовище, яке застосовується, рекомендоване співвідношення – 14 л води на 1 м2 засклення. Збільшення маси стабілізує внутрішні температури, роблячи приміщення зручнішим для людей і рослин.

Загальна стратегія полягає у тому, щоб використати від 100 до 150 мм неізольованої мурованої стіни в якості північної стіни теплиці. Стіна залишається неізольованою для того, щоб теплота з теплиці могла проходити через неї у внутрішні приміщення будинку.

У випадку, коли теплиця повинна використовуватися для вирощування рослин або в якості житлового приміщення, рекомендується як мінімум подвійне засклення. Пересувна теплоізоляція або система засклення з більш високим термічним опором значно покращать характеристику засклення.

Системи непрямого обігрівання

Окрім розглянутих вище теплиць, які відносяться до систем прямого обігрівання (сонячні промені безпосередньо проникають у приміщення через вікна, горищні уловлювачі, ліхтарі верхнього освітлення), існують і інші накопичувачі (колектори) енергії. Вони відносяться до систем непрямого обігрівання, в яких перенесення теплоти у приміщення відбувається через проміжне теплове середовище, а стіна або дах використовуються як колектор і теплоакумулятор.

Рис. 25 Проект "пасивного будинку" з прибудованою 2-поверховою теплицею та рекуператором тепла (Проект розроблено архітекторами УкрНДІпроцивільсьбуду)

Система типу «водонаповнена стіна» (або система Байера) (рис. 26). Сутність системи – у розташуванні у південній стіні будинку 90 баків води, місткістю 200 л кожний. Коли світить сонце, пофарбовані у чорний колір зовнішні поверхні відкриті, і сонячна радіація, потрапляючи на них через скляну пластину, нагріває воду. Вночі або у погану погоду ці поверхні закриваються з зовнішнього боку рухомими покриттями (щити з важкого утеплювача) та віддають житловому приміщенню тепло, отримане впродовж дня. Типовий приклад – дім Байєра у Нью-Мексіко (США, 1972 р.). Влітку «водяні стіни» охолоджуються нічним повітрям і впродовж дня використовуються для повітряного кондиціонування. Рухома зовнішня плита має товщину 35 см, важить всього 6,75 кг/м2 і відіграє важливу роль у якості утеплювача. Запасне опалення (два каміни) використовуються не більше 10 разів на рік.

Рис.26 Система типу "водяна стіна" (система Байера): 1 - радіація; 2 - скляні панелі; 3 - 20 контейнерів з 200 л води у кожному (зовнішня сторона затемнена); 4 - тепловіддача; 5 - житловий простір; 6 - рухомі покриття

Система типу «водоналивний дах» (Sky-therm-система, Хей-Джеллот) (рис. 27).

Рис. 27 Система типу "водоналивний дах" (Sky-therm-система, арх. Хей-Джелот): 1 - радіація; 2 - шар води у чорних пластикових жолобах; 3 - тепловіддавання; 4 - житловий простір; 5 - рухомі покриття

В одноповерхових будинках, особливо якщо вони розташовані в низинах, поверхнею, найбільш відкритою для випромінювання сонячної радіації та теплового випромінювання в атмосферу, є дах. Тому логічно використовувати цю поверхню як для надходження сонячного тепла, так і для віддавання надлишкової теплоти у нічне небо. Було розроблено декілька варіантів цієї системи, але найбільш відома система встановлена у будинку «Скайтерм», зведеному в Атаскадеро (Каліфорнія) у 1973 р. У цій системі сталевий настил покриття утворює стелю над приміщеннями будівлі. Наповнені водою балони з чорного пластика розташовані над металевим настилом. Вони забезпечують шар води товщиною в середньому 220 мм. Для захисту балонів з водою передбачено теплоізольовані екрани ковзаючого типу, що трансформуються. Взимку в денний час щити зсунуті до торця будівлі і, таким чином, сонце нагріває воду. Із заходом сонця екрани повертають у початкове положення, щоб зберегти теплоту. Металева стеля виконує функцію теплового випромінювача. Таким чином, теплота, накопичена у воді, обігріває приміщення.

Рис. 28 Різновид системи теплового акумулятора із застосуванням води: 1 - радіація; 2 - сонячний колектор водяного типу; 3 - підземний ізольований резервуар води; 4 - тепловіддача через змійовик, розташований під підлогою або через радіатори; 5 - житловий простір

Рис. 29 Різновид системи теплового акумулятора із застосуванням води: 1 - радіація; 2 - сонячний колектор водяного типу; 3 - вода в ізольованому бетонному резервуарі; 4 - тепловіддача; 5 - житловий простір

Влітку екрани у нічний час зсунуті до торця, і вода охолоджується за рахунок віддавання тепла в нічне небо. У денний час екрани закриті. Металева стеля забезпечує радіаційне та конвективне охолодження приміщень.

Акумулятори з кам’яним заповнювачем (рис. 30,31)

Такі дешеві матеріали, як камінь, великозернистий гравій або галька (бетонна чи цегляна), є хорошими акумуляторами тепла. Проте ці матеріали потребують великих місткостей внаслідок незначного температурного діапазону, який придатний для звичайних плоских сонячних колекторів або бажаний для високої ефективності.

Рис. 30 Система теплового акумулятора (резервуар з кам’яним заповненням) знаходиться під підлогою: 1 - радіація; 2 - сонячний колектор; 3 - житловий простір; 4 - тепловіддавання; 5 - кам’яний заповнювач в ізольованому просторі

Рис. 31 Тепловий акумулятор з кам’яним заповнювачем, що працює як "центральне вогнище" (система "гірського сонця"): 1 - радіація; 2 - сонячний колектор; 3 - ізольований простір з кам’яним заповнювачем; 4 - тепловіддача; 5 - житловий простір

Хоча вартість матеріалу незначна, сам контейнер, простір, необхідний для зберігання, а також завантажувальні та розвантажувальні пристрої досить дорогі. Передавання тепла при цьому звичайно дуже просте. В акумулятори з «твердим матеріалом» повітря потрапляє прямо через шари каменю або через трубопровід у бетонному сховищі і нагрівається або охолоджується. Ці акумулятори вже досліджені теоретично та експериментально в усьому світі. Маючи 30%-у пористість при тришаровому завантаженні, камінь на відміну від води заповнює лише третину об’єму акумулятора. Часто акумулятори з кам’яним заповненням вимагають у чотири рази більшого об’єму, ніж водяні резервуари такої самої потужності. Камені звичайно мають діаметр 5 см та менше. 1 м3 каменів може зберегти близько 400 ккал оС.

Система «масивна стіна» (Тромба-Мішеля) (рис. 32)

Рис. 32 - Тепловий акумулятор з бетонними енергозберігаючими стінами (система Тромба-Мішеля): 1 - радіація; 2 - скляні панелі; 3 - товсті бетонні стіни, що працюють як акумулятори (чорні ззовні); 4 -рух теплого повітря у житлове приміщення; 5 - рух холодного повітря у колектор; 6 - житловий простір; 7 - випуск повітря; 8 - повітряний прошарок

Рис. 33 Змішаний акумулятор з кам’яним заповнювачем і водою (система Томасона): 1 - радіація; 2 - сонячний колектор; 3 - житловий простір; 4 - рух теплого повітря у житлове приміщення; 5 - повернення холодного повітря; 6 - резервуар з гарячою водою; 7 - кам’яний заповнювач; 8 - погріб

Рис. 34 Організація посиленої природної вентиляції будівлі. Вентиляційні огтвори знаходяться у ерхній частині теплиці, де температура є найвищою, та в нижній її частині, де температурний показник нижчій, для створення ефекту "димової труби"

Рис. 35 Проект "пасивного будинку" із застосуванням масивної стіни Тромба-Мішеля та акамулятора тепла із кам’яним заповнювачем (Проект розроблено архітекторами УкрНДІпроцивільсьбуду)

Цю французьку систему часто називають за іменами її творців – стіною Тромба-Мішеля. Звичайно, це товста стіна (кам’яна, бетонна або цегляна) з темною поглинаючою поверхнею, захищена ззовні одним або двома шарами скла. На рівні підлоги та стелі розташовані отвори (продухи) для входу і виходу повітря. Радіація поглинається поверхнею стіни, вона нагрівається і, в свою чергу, нагріває повітря у прошарку між стіною та склом. Повітря розширюється, стає легшим, і починається термосифонна циркуляція, у результаті якої тепле повітря потрапляє в кімнату через верхні продухи і, нагріваючи кімнату, саме охолоджується і через продух біля рівня підлоги знову поступає до геліоприймача, після чого цикл повторюється. Перший експериментальний дім, у якому використано цей метод, було зведено на Піренеях в 1962 р. Ще один типовий приклад – «Сонячне шале» в Одейло (арх. Ф.Тромб і Дж. Мішель, 1968 р.).

Огляд об’ємно-планувальних рішень «пасивних будинків» дає можливість зробити висновок про те, що крім значного енергетичного ефекту, впровадження більшості розглянутих заходів дозволить значно покращити мікрокліматичні параметри у приміщеннях будинку, додасть їм функціональної варіабельності та сприятиме створенню нових архітектурних форм.

Використані джерела:

1. Беляев В.С., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий. Москва, 1991.

2. Казаков Г.В. Архітектура енергоощадних сонячних будинків. Львів, 2009.

3. Казаков Г.В. Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Львов, 1990.

4. Косо Й. Ваш новый дом: Энергосберегащие технологии. Москва, 1999.

5. Сабади П.Р. Солнечный дом (The Solar House). Москва, 1981.

6. Селиванов Н.П., Мелуа А.И., Заколей С.В. и др. Энергоактивные здания. Москва, 1988.

7. Солнечный дом: Простой метод проектирования (Методика проектирования систем отопления пассивных солнечных домов на основе принципов прямого и косвенного обогрева). Dennis Holloway.

8. Стерлинг Р., Кармоди Дж., Фарнан В.Т., Эльницки Г. Проектирование и строительство заглубленных гражданских зданий. Москва, 1986.

актуальная статья

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.

продолжение