Никола Григоров
Зелен дом (30)

3.2. Същност, приоритети и изисквания при строителството на пасивни сгради

В зависимост от степента на годишното потребление на енергия на построените и в експлоатация сгради и факторите, оказващи влияние върху тези резултати, се определя и принадлежността им към следните групи [М. Сенегачник (39)].

Нискоенергийни сгради. При тях потреблението на енергия за отопление се движи в рамките от 40 до 60 kWh/m{². За постигането на тези резултати са необходими добра външна изолация и нискоенергийно остъкляване. В тези сгради се използват обикновени отоплителни системи и тела. Свежият въздух се въвежда принудително по въздуховоди в сградата, а отработеният също по въздуховоди се извежда навън, но без да се използва топлината му. Въздухонепроницаемостта на нискоенергийните сгради е П50 1,5. h-1.

Пасивни сгради. Това са т.нар. енергоспестяващи сгради, в които жилищния комфорт се постига без обичайните отоплителни или климатични системи, а чрез добра изолация, използване на директната слънчева топлина през прозорците, отдаване топлината на отработения въздух на постъпващия в помещенията свеж въздух и др. Годишното потребление на енергия за отопление, заложено и в международно договорени стойности, не трябва да превишава 15 kWh/m². Сградната конструкция се изпълнява без топлинни мостове и въздухонепроницаемостта е П50 0,6 h-1.

Сгради с нулево външно потребление

При тези сгради цялото годишно потребление на енергия за отопление и електроуреди се покрива от активното и пасивното използване на слънчевата енергия. Тя също е изградена без топлинни мостове и няма отоплителни уреди. През лятото излишъкът от произведената електроенергия се подава на електропреносната мрежа, а през зимните и облачни дни реципрочно я получава обратно.

Енергийно независими сгради

Отличителната характеристика на тази група сгради е, че при тях всички енергийни нужди — за топления, топла вода, електроенергия за домакински уреди и осветление се осигуряват от слънчеви колектори. Сградата не е включена към електрическата мрежа. Летните излишъци от енергия се складират за зимния период чрез процеса на електролиза на вода и разлагането й до водород и кислород, които се съхраняват отделно и през зимата се използват за получаване на гориво в горивни клетки.

Сгради с енергиен излишък (плюсовоенергийни сгради)

Обикновено този тип сгради са познати и под наименованието „позитивни сгради“. Те отговарят на изискванията на независимите сгради, с тази разлика, че генерирането на енергия от слънчеви колектори е толкова голямо, че се реализира излишък. Този излишък се подава в електропреносната мрежа, с която позитивната сграда е свързана.

Посоченото групиране на сградите в най-голяма степен зависи от начина им на строителство и тяхната рентабилност. Най-актуална, при днешното състояние на строителните технологии е тази на „пасивните сгради“, които на този етап са и най-евтини. Стъпките към изграждането на сгради с нулево външно потребление, на енергийно независими сгради и на такива с енергиен излишък, са съпроводени със значително по-големи инвестиции, чиято рентабилност на този етап от икономическо и технологично развитие не е изгодно за потребителите.

Наименованието „пасивна сграда“ произтича от факта, че тя не се нуждае от активна отоплителна система, което е в резултат от развитие и усъвършенстване принципите на нискоенергийното строителство. При нея няма ограничения във формата и вида й, и те не оказват влияние за изпълнение на нейните функции. Комфортът на живот се осигурява основно за сметка на техническите подобрения на външните покрития на сградата и в потребителските технологии у дома — в използването на иновативни технически системи за отопление и вентилация.

Концепцията и стандартът „Пасивна къща“ са създадени в Института „Пасивна къща“ в Дармщад — Германия от проф. д-р Волфганг Файст. Те са изключително новаторски и отговарят на изискванията за икономически ефективен и екологичен подход при строителството и експлоатацията на сградите. Основен принцип, чрез който концепцията се утвърждава, е за оптимизиране компонентите на сградата, а именно сградната обвивка се изпълнява от качествена топлоизолация, която предотвратява възникването на топлинни мостове и въздушни течове. Другият строителен компонент, на който се обръща сериозно внимание е прозоречната система, чрез която се осигурява, освен светлинен комфорт на обитателите в къщата, също и обхващане на пасивните топлинни потоци от слънчевата енергия, които могат да покрият до 40% от нуждите за отопление. За да се постигнат тези топлинни параметри е необходимо сградата да е с южно изложение, а прозорците да са изпълнени от троен стъклопакет с нискоемисионно покритие и свръзизолирани рамки. В тези случаи през тях постъпва повече външна топлина, отколкото е загубата на вътрешна топлина.

Чрез вентилационната система непрекъснато се подава свеж въздух, който е оптимизиран, така че да осигурява комфорт на обитателите в къщата и който през студените дни се затопля от топлината на изходящия отработен въздух. В особено студени дни подаваният в помещенията въздух може да бъде допълнително затоплян в отделно монтиран за целта топлообменник.

Концепцията „Пасивни сгради“ поставя основите на едно качествено различно, съзнателно и организирано отношение в сектора на строителството водещо към възстановяване на нарушеното екологично равновесие на планетата. Чрез нея реално се осъществява преходът от модела на „икономизиране на екологията“ към модел на „екологизиране на икономиката“ и на изграждащите я елементи за устойчиво развитие от икономически, социален и екологичен характер на всяка една локална, регионална или глобална система.

Реализирането на този подход е залегнал в строителната концепция Пасивни сгради, която последователно следва да се контролира и спазва при проектирането, строежа и експлоатацията на сградите и която основно се свежда до изпълнение на следните основни приоритети:

На първо място в полезрението на проектанти и изпълнители се поставя въпросът за съблюдаване на топлинния баланс на П. С., който се изразява чрез намаляване на топлинните загуби и оптимизиране на топлинните печалби от слънчевата енергия.

Не е крайно да се каже, че по този въпрос при традиционното строителство почти не се е обръщало внимание, а и най-малко в посоката за оптимизиране на топлинния баланс на сградите. При пасивните сгради от съществено значение за намаляване на топлинните загуби е външната обвивка на сградите и тяхната топлоизолация. Тези загуби се изразяват чрез коефициент на топлопреминаване U във W/m²K и стремежът е неговите стойности да бъдат възможно по-малки, а също и с линейния коефициент на топлопреминаване при топлинните мостове W/mK.

Друг източник на топлинни загуби е в местата на вентилация на сградата, които се измерват с показателя за въздухонепроницаемост. Обикновено тези загуби настъпват в случаите при планирана вентилация (прозорци, климатични инсталации и др.) и непланирана и нежелана вентилация при сглобки, пукнатини, фуги. Въздухонепроницаемостта зависи и от качеството на външната изолация на сградата. С вентилационната система при П. С. с рекурперация за отнемане топлината от отработения въздух се намалява значително влиянието на тези фактори.

Топлинни печалби възникват в резултат от слънчевото лъчение през прозорците и други остъклени елементи в сградата. Те са в зависимост от разположението и ориентацията на остъклените повърхности, като по-големи топлинни печалби от слънчевото лъчение са при имащите южно изложение и по-малко от тези ориентирани на изток и на запад.

В топлинния баланс следва да се отчита и топлинната печалба от вътрешните източници в самата сграда, а именно излъчването на топлина при работата на електроуредите, осветителните тела и друго оборудване, а също и топлинното излъчване от обитателите на помещенията.

Накрая, при балансиране (т.е. изравняване) на сумата от всички енергийни печалби със сумата от всички енергийни загуби, годишното потребление на енергия за отопление в П. С. не трябва да превишава 15 kWh/m².

Друг важен и съществен приоритет е комфортът, който пасивната сграда предоставя на своите обитатели. Тук също става въпрос за топлинен баланс, но вече между човешкото тяло и въздуха в помещенията и повърхностите на предметите от вътрешната среда. За да се постигне усещане за топлинен комфорт, топлината, която се отделя от човешкото тяло, трябва да се равнява на постъпилата в него. Ако от тялото се отделя повече топлина, възниква чувството за студ, и ако отделяната топлина е по-малко от постъпилата, то чувството е за горещо. (39)

Кои са средствата, чрез които може да се влияе на топлинния комфорт на човешкото тяло. На първо място това са дрехите. Това е т.нар. първа зона на комфорт между човешката кожа и дрехите и температурата трябва да бъде около 27-29^oС.

Втората зона е между подходящите дрехи, с които човек е облечен вкъщи през съответния сезон, и условията на вътрешното пространство или т.нар. „вътрешен климат“.

Условията в традиционните домове, при които се постига температурен комфорт при съответстващ начин на обличане през зимата е 20-24^oС и през лятото от 23-26^oС, определени със стандарт ISO 7730 (Сенегачник, М.). За пасивните сгради препоръчваната оптимална температура в помещенията е от 18-20^oС. Как се обяснява тази разлика в топлинния комфорт?

На първо място температурата на вътрешните повърхности е съвсем малко по-ниска от тази на въздуха в помещението. От проведените практически изследвания е установено, че разликата в температурите между вътрешната повърхност на външните стени и прозорците с въздуха в помещенито на П. С. е по-малка от 2,5 К, докато при обикновените къщи тези стойности са 8 К. За да се намали тази голяма разлика под прозорците или в близост до тях в традиционно построените домове се монтират допълнително отоплителни тела.

В пасивните сгради средната стойност на температурата на разстояние на 30 cm от прозорците със стъклопакет е само с 0,75 К по-ниска от температурата на въздуха в помещението. Това на практика означава, че топлинният комфорт се запазва и в близост до прозорците, за разлика от традиционно построените сгради, при които обикновено се усеща хладно течение. Минималните температурни разлики между вътрешните повърхности на стените и на стъклопакета и на въздуха при пасивните сгради също така оказва влияние и за неговата забавена и плавна циркулация от пода към тавана, което допринася за усещането за топлинен комфорт в помещението.

В съвременните социално-икономически и научно-технологични условия на сградната обвивка в строителството, освен като строителен елемент, гарантиращ комфорта и защита на обитателите от влиянието на външните атмосферни въздействия, специално внимание се обръща и на нейната енергийна ефективност и на адаптивността към конструкцията и на използваните материали, гарантиращи естетичност и функционалност на сградата.

Или основните изисквания към сградната обвивка биха могли да се групират във функционални, конструктивни и естетически (21). Функционалните се изразяват в защита от промените във външните атмосферни условия, които гарантират вътрешния комфорт на обитателите и удовлетворяват техните предпочитания към фасадата от ослънчаване, засенчване, осветяване и на необходимата топлоизолация, звукоизолация и хидроизолация на сградната обвивка.

Конструктивните изисквания се определят от параметрите за устойчивост на сградната обвивка при нормативно определени натоварвания, имитиращи въздействията на околната среда, както и здравината на връзката между отделните й елементи и на тях с конструкцията в сградата в периода на жизнения й цикъл. Естетическите изисквания към сградната обвивка произтичат от архитектурно-художествената идея и оформление на сградата, от посланието, което тя ни изпраща като естетика, вид, конфигурация, оцветяване, обемно-пространствено съчетаване на фасадите и покрива.

В последните десетилетия пред човечеството стоят неотложни проблеми по опазване на околната среда, в резултат на което то е принудено да приеме екологичен подход за съхраняване и ефективно използване на природните ресурси и за намаляване на парниковите емисии в атмосферата. Така по същество към сградната обвивка, като основен строителен материал в сградата, се добавя и още една важна група изисквания, а именно за енергийна ефективност. Тя се изразява в намаляване разходите на енергия за материалите, от които е произведена, на консумацията на енергия при нейната експлоатация в процеса на жизнения цикъл на сградата, на възможността за рециклиране след разрушаване на сградата. Енергийната ефективност в архитектурата и строителството в съвременното обществено-икономическо развитие, наложиха на сградните фасади да се гледа не само като на ограждащ елемент, а като на регулатор за обмен с околната среда и на източник на енергия. Така напр. пасивното слънчево лъчение осигурява на сградата естествено осветление и отопление. Неговото въздействие се осъществява без да бъдат използвани допълнителни устройства за пренасяне и разпределение на енергията. Тази функция на абсорбиращи и акумулиращи елементи при пасивните сгради се изпълнява от конструктивните елементи на сградата и на първо място чрез тяхната външна обвивка. Разбира се, в много от случаите приемането на слънчевата енергия се извършва и с адаптиране на помощни устройства. Ролята на фасадната обвивка за подобряване на енергийната ефективност на елементите за контрол на топлообменните процеси се постига най-вече чрез приложението на съвременни технологии и на иновативни материали.

Условията, на които следва да отговаря приложението на стандарта Пасивна сграда са:

• годишното потребление на енергия за отопление и вентилация не трябва да превишава 15 kWh/m²;

• общото годишно енергийно потребление, включващо и разходите на енергия от електроуреди, осветителни тела и др., да е равно или по-малко от 120 kWh/m²;

• въздухонепроницаемостта на сградата да е равна или по-малка от 0,6 пъти — числото на смяната на въздуха в помещенията за един час, измерено при налягане в сградата от 50 Ра при провеждане на Blower door test.

За оценка на енергийната ефективност на сградите се използват коефициентите за топлопроводимост и топлопреминаване, както и за въздухонепроницаемост.

Различните строителни материали възпрепятстват в една или друга степен преминаването на топлинната енергия към външната околната среда. Количествените стойности, които характеризират материалите в това отношение се определят чрез коефициента на топлопроводимост — измерван във W/m.K. Чрез него се изразява количеството топлина, преминаващо за 1 sec през 1 m² от хомогенен материал с дебелина 1 m при температурна разлика между двете повърхности от 1 К (= 1^oС). Колкото по-малки са стойностите за С, за даден материал толкова по-добри са неговите изолационни свойства. Материалите с коефициент на топлопроводимост по-ниски от –0,25 W/m. K се приемат, че са топлоизолационни.

Коефициент на топлопреминаване U. Изразява количеството топлина, преминаващо през 1 m² от строителния елемент (стена, покрив, прозорец) при температурна разлика 1 К или 1^oС, изразено във W/m²K. Колкото по-малка е стойността на коефициента, толкова по-добра е топлоизолацията. Според действащите понастоящем норми на топлоизолация на сградите в нашата страна, коефициентът на топлопреминаване през външните ограждащи строителни елементи, трябва да бъде равен или с по-ниски стойности от U в 0,5 W/m²K. При това положение се счита, че изискванията за топлоизолация на сградата се изпълняват.

Blower Door test се провежда с цел да се установи въздухоплътността на пасивната сграда. Последователно тестът се извършва като на една врата се разпъва фолио с отвор, в който се поставя вентилатор с уред към нето за отчитане налягането на въздуха, който се нагнетява в помещението, в което се създава свръхналягане със стойности от 50 Ра. При появяване на места, от които изтича въздух, налягането в помещението спада. Тези места се маркират с цел по-късното им отстраняване.

Най-често изследванията се провеждат два пъти. Първият път се прави тест след монтиране на прозорците и поставяне на външната изолация и мазилка, но преди вътрешните облицовки. Ако на този етап се появяват места, пропускащи въздух, то те биха могли да бъдат премахнати. Вторият тест се провежда след завършване на всички строителни работи. По същество, освен за регистриране на останали, неоткрити с първия тест места, които пропускат въздух, неговата роля е и да установи в рамките на 1 час, колко пъти се сменя въздухът в помещението. Изискванията според нормативните документи са при обикновените конвенционални къщи, въздухът да се сменя не повече от три пъти, за нискоенергийните сгради 1,5 пъти и за пасивните къщи по-малко от 0,6 пъти на час и въздухонепроницаемостта се отбелязва като П50 0,6 h-1.

Вентилационна система в П. С.

При конвенционалните сгради проветряването на помещенията се осъществява посредством отваряне на прозорците и то най-малко 3 пъти в рамките на 1 час. Доколко това се изпълнява, е друг въпрос и оттук произтичат и съпровождащите проблеми за обитателите от застоял въздух, неприятни миризми, нерегулирана влажност на въздуха, условия за образуване на плесени. Не по-маловажен факт при този начин на проветряване са и топлинните загуби.

Всички тези фактори, създаващи не особено благоприятен за обитателите микроклимат в помещенията, се избягват при пасивните сгради в които според стандарта ПК, задължително се изпълнява изискването за контролирана принудителна вентилация. Чрез монтирана вентилационна система се осигурява подаване на пресен въздух в помещенията в обем от 30 m³/h дебит за всеки обитател, като същевременно се извършва отвеждане на отработения въздух от сервизните помещения в обем от 40 m³/h.

Вентилационната система непрекъснато поддържа подаването на свеж въздух в помещенията, с което създава условия за висок жизнен комфорт на обитателите и същевременно чрез монтираните рекуператори (топлообменници въздух/въздух), се съхранява и енергията в сградата. Конструкцията на топлообменника се състои от множество пластинки, образуващи канали, в които се движат топлият отработен въздух и подаваният студен въздух, без обаче да се смесват. Оребряването на пластините създава възможност за оформяне на голяма контактна повърхност, чрез която се постига и максимален топлообмен. Ефективността на топлообмена се движи в границите от 80-90% и ако напр. отработения топъл въздух е с температура от 20^oС и при външна температура от 0^oС, то свежия въздух, който се подава в помещенията ще достигне 18^oС. Регуперативната инсталация, освен от топлообменник, се състои още и от филтри за пречистване на въздуха, вентилатори, управление и байпас за пасивно охлаждане чрез вентилация през лятото.

Един от способите за осигуряване на общото енергийно потребление, включително и разходите за топлинна енергия при пасивните сгради, е чрез изграждане на малки локални топлоелектрически централи — BH kW (Blok Heiz kW) или т.нар. ко-генератори, основните елементи, на които са генератор, двигател (дизелов или газов) и топлообменници. Те могат да захранват малки формирования от еднофамилни къщи или няколко жилищни блока. С тези локални централи се избягват големите загуби, които се реализират в електропреносните мрежи и второ, освен ел. енергия, те са източник и на топлоенергия. Ефективността от получаваната енергия при ко-генераторите достига 85-90% в сравнение с едва 35% използваемост при конвенционалните електростанции. Съществува също и възможност остатъчната топлина при температура от 100 до 180^oС да се използва в абсорбционни охладители за изстудяване, т.е. за производство на „хлад“. Едновременното производство на електричество, топлина и хлад се нарича тригенерация или полигенерация.

В съответствие с провежданата екологична политика най-целесъобразно е като основно гориво при експлоатация на инсталациите за когенерация да се използва биомаса (дървесна или от растителен произход) като възобновяем природен източник.

Представата за пасивните къщи и сгради не може да бъде пълна, ако се разглежда без възможностите за използване на алтернативните източници на енергия чрез съоръжения, които я акумулират, съхраняват и предават за потребление. Такива съоръжения са хоризонталните геотермални помпи, които използват постоянната температура на земните пластове на дълбочина 3 m от около 10 до 15^oС за отопление на сградата през зимата и за охлаждане през лятото. За целта е необходима 2,5 пъти по-голяма площ от отопляемата около самата сграда, в която се разполагат серпентините. (Чобанов, Пламен)

Същият принцип за използване температурата на земните пластове, но на дълбочина се прилага при използването на вертикални геотермални помпи. Извършва се сондаж на дълбочина 50 до 150 m, в който се поставя полиетиленова тръба с диаметър около 12–15 cm, която се запълва с материал с високи топлопроводими свойства. С дълбочинния сондаж се избягва големия обем изкопни работи, необходими за инсталиране на хоризонталните геотермални помпи.

Освен земни има и водни термални помпи, чието приложение обаче е обусловено от наличието на подпочвени води с по-висока температура.