Семейный дом с почти нулевым энергопотреблением

Статья в журнале “Būvinženieris Nr.78”

Семейный дом с почти нулевым энергопотреблением.pdf.

Марис Циммерманис (Māris Cimmermanis), инженер

Фото из альбома автора

На прошлогоднем конкурсе самых энергоэффективных зданий лучшим в группе семейных домов был признан  дом в Упесциемсе. Дом специально построен так, чтобы быть приемлемым как для человека так и для окружающей среды.

Сначала нам вполне хватало квартиры в хрущевке площадью 42 квадратных метра. В ожидании пополнения в семье мы приобрели квартиру в два раза больше в новом проекте, однако там тоже пришлось мириться с ограничениями на территории общего пользования. В конце концов было решено стать максимально независимыми во всех аспектах, включая энергоресурсы, хозяйственное обслуживание, шум окружающей среды и т. п.

Месторасположение и функциональность

Купив участок в Упесциемсе, что в Гаркалнском крае, мы начали планировать строительство дома. Проектирование завершилось в 2014 году, когда требования о здании с почти нулевым потреблением энергии еще не существовало, а нормативными документами устанавливался расход тепловой энергии ≤80 кВт⋅ч/м2 в год. Поэтому дом проектировался не как здание с почти нулевым электропотреблением, но исходя из тенденций нормативов Евросоюза и Латвии было понятно, что нужно строить энергоэффективный дом.

Особое внимание уделялось месторасположению дома и функциональности помещений. Было важно, чтобы и архитектор учитывал особенности окружающей среды. Архитектор Робертс Риекстиньш (Roberts Riekstiņš) создал эскизный проект с учетом сторон юга и севера, мест произрастания деревьев и лесонасаждений, направления лучей солнца и преобладающих ветров. Учитывались природные особенности, например, береза летом дает тень, а зимой через ветви проходит солнечная энергия.

Тщательно продуманное решение – расположить большие окна на южной стороне, где дом получает больше тепловой энергии от солнца, чем теряет через оконные конструкции, теплопроницаемость которых примерно в пять раз выше, чем у наружных стен.

Стройматериалы и инженерные системы

Следующим шагом стала разработка технического проекта с конкретными материалами, узлами и решениями для технических систем. Для строительства мы выбрали комплексную строительную систему из газобетона Bauroc. Это удобное решение, потому что элементы ограждающих конструкций – блоки, железобетонные перекрытия, панели перекрытия – делают здание однородным.

Мировой опыт доказывает, что автоклавный газобетон – это эффективный и экологически чистый материал, в состав которого входят песок, цемент, известь и гипс. Соответствующая технология обработки позволяет производить строительные материалы геомет­рически точной формы до ±1 мм, энергоэффективные с коэффициентом теплопроводности U до 0,15 Вт/(м2K), классом огнестойкости A1, сопротивлением прочности на сжатие до 7 МПа. Частный дом из автоклавного газобетона можно собрать за две-три недели.

Наружные стены зданий из газобетона представляют собой простые и эффективные однослойные конструкции; технология строительства и соединения тоже проста – используются спецификации и стандартные элементы узлов Bauroc. Строительные работы с достаточно высоким качеством может выполнить строитель средней квалификации или даже достаточно опытный заказчик.

Здания из газобетона обладают дополнительными свойствами: тепловой инерцией, хорошей тепло- и звукоизоляцией, низкой воздухопроницаемостью. Благодаря этому в помещениях создается приятный микроклимат.

Быстрая и точная сборка

Поскольку уровень грунтовых вод на конкретном участке низкий – ниже 10 м, для фундамента были выбраны керамзитобетонные блоки прочностью 5 МПа. Блоки укладываются на подошву фундамента, особое внимание уделяется последнему ряду, который точно выравнива­ется кладочным раствором для получения ровного основания стены. Фундамент обрабатывается гидроизо­ляционным материалом, утепляется и спереди устанавливается бетонный пояс из блоков шириной 90 мм, увеличивающий долговечность конструкции и опирание стеновых блоков шириной 500 мм.

Для наружных стен выбраны однослойные блоки Bauroc Ecoterm+ 500 с коэффициентом теплопроводно­сти U = 0,15 Вт/(м2K), включая отделку. Важно пони­мать: от того, насколько ровно уложен первый ряд блоков, зависит то, насколько ровными будут стены. Темп сборки блоков Bauroc довольно высок: бригада из трех рабочих может собрать в день 12–15 м3. Над окнами и дверьми монтируются сборные армированные перемычки Bauroc, самая длинная – для ворот гаража (6000 мм). Это однородные газобетонные перемычки, в которые в процессе производства закладывается несущий арматурный каркас.

После укладки завершающего ряда блоков на первом этаже на герметизирующую ленту из каменную ваты устанавливаются армированные панели перекрытия Bauroc. Их заказывают у производителя по стандартным размерам с шагом 200 мм. Монтаж армированных панелей перекрытия был выполнен быстро и качественно: меньше чем за один день была покрыта вся площадь первого этажа – 200 м2. Панели соединены монолитным поясом по периметру. Аналогично строится второй этаж.

В конструкции крыши использованы панели перекрытия Bauroc h = 250 мм, утепленные слоем каменной ваты толщиной 200 мм, U = 0,14 Вт/(м2K). На панели установлена деревянная конструкция кровли.

Важность величины паропроницаемости

Очень важно уделить особое внимание паропроницаемости материалов для отделки стен, так как от этого зависит долговечность фасада. Показатель паро­проницаемости должен быть максимально приближен к параметрам стеновых блоков, для газобетона Bauroc коеффициент паропроницаемости μ = 4–6. Для внутренних стен рекомендуется использовать цементно-известковую или гипсовую штукатурку, для наружных стен – силиконовую штукатурку с соответствующей паропроницаемостью.

Баланс стоимости

Источниками теплопотерь в частном доме (40–50 %) являются ограждающие конструкции: цоколь, полы, наружные стены, кровельные покрытия, тепловые мосты, окна, двери и гаражные ворота. Остальные 50–60 % теплопотерь зависят от ориентации здания относительно сторон горизонта, воздухопроницаемости, тепловой инерции наружных стен и системы отопления, коэффи­циента эффективности вентиляции и освещения.

Баланс расходов на обеспечение теплопроницаемости ограждающих конструкций и эффективности инженерного оборудования должен быть экономически обоснован. Нет смысла максимально уменьшать значение коэффициента теплопроводности (U), например, до 0,10 Вт/(м2K), дополнительно укладывая слишком толстый слой теплоизоляции на все ограждающие конструкции, и выбирать менее мощные или менее эффективные системы отопления и вентиляции.

В строительной физике зависимость между тепловыми потерями здания и теплопроводностью ограждающих конструкций не является линейной. Если коэффициент теплопроводности наружных стен меньше 0,18 Вт/(м2К), нет экономически целесообразного эффекта от утепления наружных стен.

Коэффициент теплопроводности ограждающих конструкций U, Вт/(м2K):

  • полы и стены, контактирующие с грунтом, – 0,16;
  • наружные стены – 0,15;
  • крыши и перекрытия, контактирующие с наружным воздухом, – 0,14;
  • входные двери и ворота – 1,2 и 1,4;
  • окна и террасные двери – 0,75.

Экологически чистое отопление

С самого начала мы сосредоточились на выборе экологически чистой системы отопления. Важно, чтобы система работала с использованием возобновляемых источников энергии, потому что только так можно достичь почти нулевого энергопотребления здания. В будущем на крыше планируется разместить солнечные батареи для выработки электроэнергии.

Это позволит домохозяйству вырабатывать электричество для полного покрытия собственных нужд, а благодаря нескольким дополнительным панелям можно будет заряжать электромобиль.

Для отопления и нагрева воды был выбран геотермальный тепловой насос F1255 шведского производителя NIBE, прошедший испытания в северном климате. У него высокий коеффициент полезного действия КПД: СОР 3,18–5,06. В расчете принято среднее значение СОР – 4,12.

Порой мы забываем об одной из самых важных для человека вещей – воздухообмене в помещениях. Согласно санитарным нормам, воздухообмен в помещениях должен происходить трижды в час, поэтому важно выбрать эффективную систему рекуперации воздуха, которая обеспечит контролируемую подачу в помещения свежего теплого воздуха.

Монтаж армированных перемычек.

Дом в Упесциемсе оборудован системой рекуперации воздуха SystemAir, которая в особенно холодную или жаркую погоду обеспечивает подачу свежего воздуха путем пассивного нагрева или охлаждения и использования постоянной температуры грунта около 5 °C через подземный канал длиной 30 м.

Энергосертификат здания

В расчетах сертифицированного энергоаудитора Сандриса Лиепиньша (Sandris Liepiņš) используется методика, указанная в правилах Кабинета министров МК № 348, используя программу ISO13790 monthly demand.

Согласно МК № 383, строение классифицируется как здание с почти нулевым потреблением энергии, если оно соответствует определенным требованиям. Показатель энергоэффективности отопления должен соответство­вать классу А, не должен превышать 40 кВт·ч/м2 в год, при этом обеспечивая соответствие микроклимата в помещениях требованиям нормативных актов в сфере строительства, гигиены и охраны труда. Суммарный расход первичной энергии на отопление и горячее водоснабжение, механическую вентиляцию, охлаждение, освещение не должен превышать 95 кВт·ч/м2 в год.

Согласно энергетическому сертификату, годовой расход тепловой энергии, необходимый для отопления, составляет 47,16 кВт·ч/м2 и соответствует показателям класса B, а общая оценка потребления первичной энергии.

Оценка энергопотребления:

•     на отопление – 47,16 кВт·ч/м2 в год;

•     на подогрев горячей воды – 16,66 кВт·ч/м2 в год;

•     для механической вентиляции – 2,83 кВт·ч/м2 в год;

•     на освещение – 6,85 кВт·ч/м2 в год;

•     дополнительно – 3,77 кВт·ч/м2 в год;

•     общее потребление: 77,27 кВт·ч/м2 в год;

•     оценка потребления первичной энергии: 91,51 кВт·ч/м2 в год.

91,51 кВт·ч/м2 в год соответствует параметрам почти нулевому  потреблению энергии, или классу А. Для того чтобы расход тепловой энергии на отопление соответствовал требованиям класса А, что составляет 40 кВт·ч/м2 в год, можно уменьшить площадь окон на 10–15 %. Однако для нас как жильцов дома такой вариант неприемлем, к тому же у здания и без того высокие показатели энергоэффективности.

Достоверность метода расчета

Согласно требованиям Европейского союза, метод расчета или компьютерная программа должны пройти валидацию.

Монтаж панелей перекрытия.

Согласно правилам МК № 348, метод расчета достоверен, если разница меньше 10 % и не больше 10 кВт·ч/м2 в год.

В течение трех лет – с 2018 по 2020 год – для дома в Упесциемсе фиксировалось количество электроэнер­гии на отопление и горячее водоснабжение, а также общее количество электроэнергии.

Среднее значение расхода электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение составило 15,62 кВт·ч/м2 в год. Суммарное значение тепловой энергии, требуемое в энергетическом сертификате на отопление и горячую воду, составляет 63,82 кВт·ч/м2 в год.

Значение коэффициента перехода от электроэнер­гии в тепловую энергию зависит от КПД системы отопления, а именно о СОР теплового насоса F1255 производства NIBE. Заявленное производителем значение СОР составляет 3,18–5,06. При среднем значе­нии СОР, равном 4,12, тепловой насос производил теп­ловую энергию в объеме 15,62 × 4,12 = 64,35 кВт·ч/м2 в год. Указанная в энергетическом сертификате расчетная величина тепловой энергии отличается от фактического значения на 0,82 %, или 0,53 кВт·ч/м2 в год, и соответствует установленному в правилах МК № 348.

Впечатляюще низкие расходы

Эксплуатационные расходы дома площадью 278 м2 на отопление и горячее водоснабжение в течение трех лет составляли в среднем 51,26 евро в месяц, или всего 0,18 евро за 1 м2 в месяц. Среднегодовые расходы – 2,21 евро/м2.

Столь низкое потребление электроэнергии достигнуто не только за счет правильного выбора ограждающих конструкций и инженерных систем. Благодаря тепловой инерции газобетона температура в доме даже в жаркие летние дни (без охлаждения) держится в пределах +22…+23 °C.

Энергоэффективное здание должно иметь как можно более низкую воздухопроницаемость. Измеренная воз­духопроницаемость дома в Упесциемсе при перепаде давления 50 Па фиксированная q50 = 0,452 м3/(м²·ч). Значение, указанное в строительных нормах, в три раза выше: q50 ≤ 1,5 м3/(м²·ч). Рекомендуемое значение для т.н. пассивных домов q50 ≤ 0,6 м3/(м²·ч). Для сравнения в квартире с отапливаемой площадью 71,5 м2 в многоэтажном доме, построенном в 2007 году, с наружными стенами из керамических блоков толщиной 440 мм и дополнительной изоляцией 50 мм расходы на отопление и горячее водоснабжение составляют в среднем 8,93 евро/м2 в год. Это в четыре раза больше показателей дома в Упесциемсе.  Таким образом, самостоятельно производить тепло в частном доме выгоднее, чем покупать его у поставщика тепловой энергии по сети централизованного теплоснабжения.