История энергоэффективных зданий. Пассивный дом. Часть 1• M-A SPACE
ПУБЛИКАЦИИ,  Энергоэффективность

История энергоэффективных зданий. Путь к Пассивному дому. Часть 1

ОПИСАНИЕ: ИССЛЕДОВАНИЕ

АВТОР: МАКСИМ СЕМЕНОВ

ГОД НАПИСАНИЯ: 2019

ПРИСУТСТВУЮТ ОТРЫВКИ ИЗ ПЕЧАТНЫХ ИЗДАНИЙ И ПЕРЕВОДЫ ИЗ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ

9 – 20 век, Исландия. Традиционные торфяные дома

Торфяные дома (землянки и полуземлянки) издавна строились в Исландии из-за холодного климата и дефицита деревянных строительных материалов. Такие дома использовались для жилья в Исландии с 16 века по середину 20 века.

Переселившиеся на остров с материка викинги в 9 веке, строившие деревянные дома, быстро уничтожили значительную часть лесов острова. Сейчас Исландия небогата лесами. Импортировать лес Исландия тоже не могла, так как не имела собственных судов достаточной грузоподъёмности.

Дома строились по следующей технологии: на площадке выкладывался пол большими плоскими камнями. На них ставился деревянный каркас, который должен был нести нагрузку от дёрна или торфа. Этот каркас имел проёмы под окна и двери. Каркас обкладывался дерном или торфом в несколько слоёв. Внутри дом имел несколько помещений. В самом большом помещении размещался очаг, в одном из помещений размещался домашний скот (причём пол в том помещении делался несколько ниже, таким образом использовалось и тепло животных). В 14 веке дома из дёрна претерпели эволюционное изменение — вместо одного большого дома стали строить несколько мелких, связанных между собой. Исландские дерновые или торфяные дома были заглублены в землю [15] .

Традиционные дерновые или торфяные дома Исландии использовали принципы пассивного дома, хотя в тот период не было соответствующих технологичных строительных материалов. Исландские землянки использовали тепло от людей и животных, были теплоизолированные и защищены от ветра, также окна находились с южной или юго-восточной стороны для использования солнечных теплопоступлений. Конечно, исландские торфяные дома не отличались комфортом, в определенные периоды года в них было влажно, а также отсутствовала достаточная вентиляция.

Традиционный торфяной дом Исландии
Традиционный торфяной дом Исландии

1893 год, Норвегия. Исследовательский корабль «Фрам»

Полноценно действующими пассивными домами могут быть северные суда. Таким было норвежское полярное судно «Фрам». В период с 1893 по 1912 год на нем было совершено 3 полярных экспедиции.

В конструкцию «Фрама» были заложены повышенные требования по комфорту и компоновке внутреннего пространства, чтобы экипаж из 12 человек мог находиться на шхуне в путешествиях сроком до пяти лет. Жилые помещения располагались под кормовой полупалубой и были отделены от бортовой обшивки тремя слоями еловых досок с теплоизоляцией из войлока, оленьих шкур и пробки. Каждый тамбур закрывался четырьмя дверями. У задней переборки кают-компании между дверями в каюты матросов располагалась керосиновая печь — единственный источник тепла, через её дымоход осуществлялась вентиляция. Каюты обогревались через вентиляционные отдушины в дверях. Зимой в помещениях поддерживалась температура +22 °C.

В своем дневнике Фритьоф Нансен пишет «…Стены покрыты просмолённым войлоком, поверх которого идет пробка, потом обшивка досками из ели, потом снова толстый слой войлока, потом воздухонепроницаемый линолеум и потом толстая дощатая обшивка. Перекрытия… они имеют толщину в общем и целом около 40 см. Окна, через которые холод особенно легко мог проникнуть, были теплоизолированы с помощью тройного остекления и другими методами. Здесь всегда тепло и уютно. Все равно, сколько градусов на термометре, 50 или 300 ниже нуля, у нас не горит огонь в печи. Вентиляция превосходна, … так как она напрямую через вентилятор нагнетает свежий зимний воздух. Я прихожу к мысли, печку совсем убрать; надо только это хорошо обдумать.» (Нансен «В ночи и во льдах» 1887) [24]

Трехмерный разрез исследовательского корабля «Фрам»
Трехмерный разрез исследовательского корабля «Фрам»

1933 - 1973 год. «Солнечные дома»

Архитектор Джордж Ф. Кекк является пионером использования теплопоступлений от солнечного излучения через окна. Кекк стал использовать преобладающее остекление южного фасада зданий, которые проектировал для своих клиентов. Так, в 1940 году, Кекк спроектировал пассивный солнечный дом для застройщика Говарда Слоана. Относительно дома Г. Слоана газетой Чикаго Трибьюн (Chicago Tribune) было введено в оборот, ставшее нарицательным, название «солнечный дом». Название используется до сих пор для обозначения домов с частичным или полным отоплением энергией солнца. По сделанному проекту Слоан построил ряд пассивных солнечных домов. [15]

Концепция пассивного «солнечного дома» включала в себя следующие обязательные принципы проектирования:

  • Преобладание остекления на южной стороне здания.
  • Свободная планировка для эффективного движения теплого воздуха, нагреваемого солнцем.
  • Конструкция дома с большой теплоемкостью для снижения тепловой инерции.

Впоследствии концепция «солнечного дома» активно развивалась и совершенствовалась. По своей сути практически любой современный энергоэффективный дом является «солнечным домом», так как при составлении энергобаланса обязательно учитываются теплопоступления от солнечной радиации. Однако первая волна «солнечных домов» с 1933 года до 1973 (Нефтяной энергетический кризис) распространилась только в зонах больших солнечных теплопоступлений. Уже после 1973 года концепция была доработана для использования в странах с умеренным и холодным климатом.

Множество экспериментальных проектов «солнечных домов» было реализовано с 1933 по 1973 год в основном на территории США, Франции, Японии:

  • 1933 год. Дом Будущего (House of the Future), спроектированный Джоржем Кеком специально для Выставки Достижений , проходившей в Чикаго.
  • 1939 год. Солнечный дом №1 Массачусетского технологического института, Массачусетс, США (дизайнер Hoyt C. Hottel и другие, 1939)  
  • 1940 год. Солнечный дом Слоана, Гленвью, Иллинойс, США (George Fred Keck).  
  • 1944 год. Дом Якобса (Jacobs) ІІ «Solar Hemicycle», под Мэдисоном, Висконсин, США (Frank Lloyd Wright,)  
  • 1946 год. Дом Розенберга (Rosenberg), Тусон, Аризона, США (Arthur T. Brown). 
  • 1947 год. Солнечный дом №2 Массачусетского технологического института, США (Hoyt C. Hottel и др.).  
  • 1948 год. Дом Пибоди (Dover Sun House, Солнечный дом №6 Масс. тех. ин-та), Довер, Массачусетс, США (Eleanor Raymond и Maria Telkes,)  
  • 1948 год. Дом Генри Гласса (Henry P. Glass), Нортфилд, Иллинойс, США (Henry P. Glass). 
  • 1954 год. Солнечный дом Лефевра (Lefever), Пенсильвания, США (HR Lefever,).
  • 1954 год. Дом Мечты (Bliss House), Амадо, Аризона, США (Raymond W. Bliss и M. K. Donavan,).
  • 1956 год. Солнечное здание (Solar Building), Альбукерке, Нью Мексико, США (Frank Bridgers и Don Paxton).  
  • 1957 год. Дом Льофа, Денвер, Колорадо, США (James M. Hunter и George Löf,)
  • 1958 год. Солнечный дом Массачусетского технологического института №4, США (Hoyt C. Hottel и др.)  
  • 1958 год. Солнечный дом, Касабланка, Морокко (CM Shaw & Associates).  
  • 1958 год. Солнечный дом, Нагоя, Япония (Masanosuke Yanagimachi).  
  • 1959 год. Солнечный дом Томасона “Солярис” №1, округ Вашингтон, США (Harry Thomason). 
  • 1967 год. Пассивный солнечный дом, Одеилло (Odeillo), Франция (Félix Trombe & Jacques Michel).  
  • 1971 год. Дом Стива Баера (Steve Baer), Корралес, Нью Мексико, США (Steve Baer).

Солнечные дома 1933 — 1973 создали базу для развития идеи «пассивного» здания в холодной и умеренно-холодной климатической зоне.

Рисунок Фрэнка Ллойда Райта, Дом Якобса II.
Рисунок Фрэнка Ллойда Райта, Дом Якобса II.

1972 год, США. Энергоэффективное здание в Манчестере.

Первый демонстрационный проект энергоэффективного здания стартовал в 1972 г. в Манчестере, штат Нью-Хэмпшир, США. Архитекторами были Николас Исаак и Эндрю Исаак. Целью строительства этого здания являлось выявление эффекта экономии энергоресурсов во время эксплуатации здания при применении особых архитектурных и инженерных решений [15].

Архитекторы создали проект здания суммарной площадью 16350 кв.м. Оно имеет семь этажей, на которых располагаются офисные помещения и технический этаж. Дополняет проект двухъярусный гараж. Проект здания представлял собой куб, такая форма минимизировала потери тепла за счет компактности внешней оболочки. Остекление составляло всего 10% поверхности стен, а на крыше были установлены солнечные коллекторы. Архитектура здания позволяла максимально использовать естественное освещение за счет открытой планировки, при этом избегая перегрева за счет солнечных теплопоступлений.

В здании были применены ряд энергоэффективных инженерных решений, — рекуперация тепла в системе вентиляции, автоматическая система искусственного освещения, многослойная конструкция наружных стен, солнцезащитные козырьки на окнах для уменьшения перегрева здания, солнечные коллекторы на плоской крыше здания, в системе ГВС и ХВС были продуманы утепленные резервуары для хранения охлажденной и нагреваемой солнечными коллекторами воды.

Первый энергоэффективный дом в Манчестере
Первый энергоэффективный дом в США

1975 год, Германия. «Солнечный дом» Филипс.

Проектировщик экспериментального дома — научно-исследовательская лаборатория «Филипс GmBH».

5 июня 1975 г. на суд общественности научно-исследовательской лабораторией «Филипс GmBH» в Аахене был представлен первый «солнечный дом» в Германии. Он был построен совместными усилиями государственных и частных научно-исследовательских учреждений.

Дом имел полезную площадь 116 м2 (объем жилого пространства 290 м3). Здание имело массивную внешнюю теплоизоляцию. U окон = 1,9 Вт/(м2°С). При такой хорошей изоляции тепловые потребности дома ,были незначительны для того времени. Трансмиссионные теплопотери составляли около 6300 кВт ч в год; вентиляционные потери около 2000 кВт ч в год (приблизительно на 1/3—1/6 меньше, чем в обычных домах).

Солнечные коллекторы Филипс имели площадь 20 м2. Они повышали температуру теплоносителя максимально до 95° С. Эта энергия нагревала водяной резервуар объемом 42 м3, который мог сохранять около 10—12 тыс. кВт на длительный срок, обеспечив общие тепловые потребности дома. Тепловой резервуар изолирован слоем минеральной ваты толщиной 25 см. Две другие составные части аккумулятора (резервуар с горячей водой и бак с отработанной водой) имели объем 4 м3 и 1 м3.

«Солнечный дом» Филипс имел большое научное значение для создания концепции «Пассивного дома».

Фотография «Солнечного дома» Филлипс
«Солнечный дом» Филлипс

1979 год, Финляндия. EKONO-house.

Здание «EKONO-house» было построено в Отаниеми (Otaniemi) близ Хельсинки. Авторы проекта — инженеры фирмы, работавшие под руководством архитектора Хеймо Каутонена (Heimo Kautonen). Энергосберегающие решения были предложены финским ученым Юхой Габриэльсоном (Juha Gabrielsson). Для выбора лучших энергосберегающих решений и расчета их параметров создатели здания «EKONO-house» использовали компьютерное моделирование, выполненное в программном пакете «DOE», разработанного американским министерством энергетики (US Department of Energy, DOE). Расчеты велись при помощи спутниковой связи и обошлись фирме «EKONO» в значительную сумму. [15]

В здании «EKONO-house» были применены следующие энергосберегающие инженерные решения:

  • Компактная внешняя оболочка для уменьшения теплопотерь через них; 
  • Эффективная теплоизоляция внешней оболочки здания; 
  • Высокая теплоемкость ограждающих конструкций для накопления тепла конструкцией здания и уменьшения тепловой энерции; 
  • Аккумулирование тепла солнечной радиации в основании сооружения для снижения нагрузки на систему отопления;
  • Окна имеют одинарное стекло во внутреннем переплете и трехслойный стеклопакет в наружном переплете. В нижней части внутреннего переплета имеется узкое входное отверстие. Через него воздух из помещения попадает в межстекольное пространство, где забирает на себя значительную часть тепловой энергии солнечной радиации. То есть вентилируемые окна работают как солнечные коллекторы.
  • Минимальные утечки воздуха (герметичность здания) и низкий расход наружного воздуха в системе вентиляции для снижения затрат энергии на отопление здания; 
  • Система автоматического управления вентиляцией и освещением для оптимизации и учета потребления энергии. 

Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания «EKONO-house» составило 124 кВт·ч/м2. В то время это было на 50 % ниже чем в административных зданиях Финляндии. Ежегодное удельное электропотребление первой секции 79 кВт·ч/м2 что также ниже, чем в Финляндии и США. Удельное теплопотребление второй секции здания «ЕKONO-house» составляет 70 кВт·ч/м2, удельное электропотребление — 57 кВт·ч/м2, что составляет примерно одну треть от энергопотребления традиционных сооружений подобного типа в Финляндии на 1979 год.

Анализ годового теплопотребления и структура расхода тепловой энергии здания EKONO-house представлена на диаграммах далее.

Диаграммы "EKONO-house"
Диаграммы "EKONO-house"
Фотография корпусов "EKONO-house"
Фотография корпусов "EKONO-house"

2 комментария

  • Юрий Ажичаков

    В статье приводятся сведения только из иностранных источников. Но нужно знать, что и в нашей стране есть подобные примеры. Первые разработки, например, в области солнечного теплоснабжения относятся к началу 30-х годов. Так же, исследования проводились и на государственном уровне после мирового энергетического кризиса 70-х годов. Были предприняты меры по организайии программного подхода к решению этой важной народно-хозяйственной проблемы. Возведён целый ряд интересных экспериментальных и демонстрационных объектов, критически проаналищирован отечественный и зарубежный опыт, налажены международные научно-технические связи. Выпущен ряд нормативных и рекомендательных документов, пособий, переводных и отечественных книг по проблеме. К сожалению, различного рода экономические, проитзводственно-технические и организационные причины (и политические, в том числе — прим. автора) не позволили добиться желаемых масштабов. Ещё в 1995 году в государственной программе «Жилище», отдельной строкой было прописано «Экологическое домостроение». Но деньги по этой строке были потрачены на переселение военных из бывших республик СССР и стран Варшавского договора и на восстановление Грозного после 1-й чеченской войны.

  • M-A SPACE

    Здравствуйте! Спасибо за комментарий. Мы планируем еще несколько статей опубликовать на сайте по этой теме и вообще по теме проектирования энергоэффективных зданий. В России тоже есть своя история энергоэффективного проектирования, постараемся опубликовать.
    Решили выпустить такие статьи на сайте по причине того, что заказчики и большинство людей считают энергоэффективность какой-то дорогой новой тенденцией, хотя за этим направлением стоит целая история. Следующая часть статьи посвящена непосредственно первым пассивным зданиям в Германии — 1988 год.

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *