Пассивные здания. Методики расчёта
Александр Елохов
Специально для энергоэффективных зданий в Германии разработана и успешно применяется методика, учитывающая все возможные факторы, влияющие на теплопотери и теплопоступления зданий, которыми пренебрегают наши некоторые нормативные документы. Сравнение этих методик на примере проекта энергоэффективного жилого дома наглядно показывает существенную разницу в результатах расчета энергопотребления подобных зданий.
Индивидуальный жилой дом с ультранизким энергопотреблением: а – южный фасад; б – западный фасад
В настоящее время расчет удельного расхода тепловой энергии на отопление жилых и общественных зданий за отопительный период в России осуществляется согласно прил. Г СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий»*.
* На момент строительства рассматриваемого дома и написания статьи СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» еще не был введен в действие. Автор не рассматривает методику, приведенную в этомдокументе.
В Германии для пассивных зданий и зданий с низким и ультранизким энергопотреблением Институтом пассивного дома (Passive House Institute, Darmstadt) разработан многофункциональный программный комплекс – пакет проектирования пассивного дома (passive house planning package, PHPP). PHPP представляет собой подробный комплекс для расчета энергобаланса здания с более чем 25 расчетными листами, связанными между собой (более подробную информацию в том числе по русской версии PHPP см. на сайте www.passiv-rus.ru).
Обе методики были использованы в расчетах пилотного проекта энергоэффективного индивидуального жилого дома в Нижегородской области.
Изначально заказчик планировал построить обычное деревянное здание, выполненное по каркасной технологии и строго соответствующее требованиям СНиП 23-02–2003, а именно классу энергоэффективности С (нормальный). Изучив книгу Вольфганга Файста «Основные положения по проектированию пассивных домов» [8], заказчик решил полностью изменить проект. Было решено использовать при строительстве технологии и критерии пассивного дома, а также максимально приблизить значение удельного расхода тепловой энергии на отопление здания к требованию, предъявляемому пассивным домам. Одной из причин такой кардинальной смены решения послужило наличие на участке застройки только электрической энергии.
Изменение планировки значительно улучшило энергоэффективные характеристики здания:
Ограждающие конструкцииВ основе конструкции энергоэффективного дома лежит деревянный пространственный каркас с теплоизоляцией из минеральной ваты (Isover Каркас-П32). В доме установлены пластиковые оконные профили Rehau Geneo c теплоизолирующими вставками, энергосберегающие двухкамерные стеклопакеты Planibel Top N+ производства AGC Flat Glass Europe с двумя низкоэмиссионными стеклами с заполнением инертным газом Argon на 90 % и металлопластиковыми дистанционные рамками TGI, обеспечивающими лучшие теплотехнические показатели краевых зон стеклопакета.
Тепловые мосты образуются в наружных углах, стыках конструкций, местах сквозного прохождения элементов строительных конструкций (например, канал для дымохода).
Повышенные теплопотери таких узлов необходимо учитывать в тепловом балансе здания. Эти элементы были оптимизированы, проработаны и рассчитаны с помощью специальных программ для расчета температурных полей (2D и 3D).
Дом использует возобновляемые источники энергии: энергию солнца и грунта. На крыше первого этажа расположен вакуумный солнечный коллектор, который по предварительной оценке должен покрывать около 70 % годового потребления энергии на горячее водоснабжение. Источником энергии для дома служит электричество. Система отопления состоит из нескольких маломощных настенных электрических конвекторов мощностью 750, 500 и 250 Вт. Расчетная мощность системы отопления по методике PHPP при tн= –31 °C и tв= 21 °C (без учета теплопоступлений от солнечной радиации) составляет всего 2,9 кВт.
Приток свежего воздуха и комфортный микроклимат в доме обеспечиваются за счет сбалансированной (расход приточного и вытяжного воздуха равны) механической приточно-вытяжной системы вентиляции. Вентиляционная установка Zehnder Comfosystems с КПД 84 % использует теплоту вытяжного воздуха.
В системе применен грунтовый теплообменник с трубой из сшитого полиэтилена диаметром 32 мм и длиной контура 196 пог. м. Мониторинг отопительного сезона 2012–2013 годов показал, что использование тепловой энергии грунта повысило КПД рекуперации до 88 %.
Автоматизация инженерных системВ здании используется программно-технический комплекс «Контар» (МЗТА) для автоматизации, мониторинга и диспетчеризации инженерного оборудования.
Для контроля качества наружной оболочки дважды проводились автоматизированные испытания воздухопроницаемости дома с целью определения и устранения негерметичных мест по методике BlowerDoor.
По результатам последнего теста непосредственно перед вводом здания в эксплуатацию средняя кратность воздухообмена в доме при разности давлений наружного и внутреннего воздуха 50 Па составила n50 = 0,33 ч‑1.
Проведение первого промежуточного теста на воздухопроницаемость по методике BlowerDoor после монтажа окон и наружных дверей. Значение n50 составило 0,2 ч-1
Техническое помещение, в котором размещено инженерное оборудование здания
Результаты расчета энергопотребления, осуществленного по методике PHPP, показывают, что при температуре внутреннего воздуха 21 °C удельный расход тепловой энергии на отопление за отопительный период составляет
36 кВт•ч/м2 в год, а общий удельный расход первичной энергии на все бытовые нужды – около 185 кВт•ч/м2 в год.
На основе сравнения расчетных характеристик по двум методикам можно с делать следующие выводы:
1. Климатические данные.
Для расчетов по климатическим данным метеостанций взяты температура наружного воздуха и грунта для каждого месяца, значения солнечной радиации по всем сторонам света. Используются градусо-часы отопительного периода (интеграл по времени от разности температур) и понижающий коэффициент для снижения разности температуры, к примеру, при определении теплопотерь через конструкции с грунтом. В расчет принимают Dd = 5 267 °C·сут в год. Для пассивных зданий и приближенных к ним методика РНРР предписывает брать в расчет температуру внутреннего воздуха 20 °C, обеспечивающую комфортный микроклимат. Удельный расход тепловой энергии на отопление в этом случае составит 33 кВт•ч/м2 в год по методике PHPP и всего 9,5 кВт•ч/м2 в год по СНиП 23-02–2003. Данные по солнечной радиации в СНиП 23-02–2003 по сравнению с РНРР довольно усредненные.
2. Расчетная площадь.
РНРР оперирует понятием «энергозависимая площадь», т. е. основная площадь внутри термической оболочки без учета внутренних стен, лестничных маршей, вентиляционных шахт, дверных и оконных ниш, колонн.
В 50‑процентном отношении берутся помещения, в которых высота составляет менее 2 м, помещения менее 1 м не берутся в расчет. На 60 % берутся некоторые типы помещений в подвальных этажах. СНиП 23-02–2003 использует в расчете площадь пола квартир. При этом площадь под лестницей учитывается при высоте от 1,6 м под маршем. Зависит от высоты также площадь мансардных помещений.
3. Трансмиссионные теплопотери.
Трансмиссионные теплопотери по СНиП 23-02–2003 в сравнении с PHPP несколько выше. Методика РНРР привязывается к наружным размерам здания, а методика СНиП использует внутренние размеры ограждающих конструкций.
В РНРР в отличие от СНиП 23-02–2003 содержится удобный инструмент учета нескольких материалов в пределах одного слоя (например, теплоизоляция с пространственным деревянным каркасом) при расчете приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.
Есть также и вспомогательный инструмент для расчета невентилируемых воздушных прослоек и клиновидных слоев теплоизоляции. Расчет теплопотерь через рамы и остекление осуществляется с учетом монтажа и тепловых мостов.
Расчетная температура холодного подполья для определения теплопотерь через пол первого этажа по СП 23-101–2004 составляет 1,6 °C, а по ISO 13370 получается значение –2,6 °C.
В соответствии с РНРР теплопотери подземных частей здания рассчитываются через прилегающие к грунту ограждающие конструкции с учетом геометрии здания, опции отапливаемый (неотапливаемый подвал)/фундаментная плита на грунте/плита перекрытия над грунтом, типа почвы, грунтовых вод. Предусмотрена возможность учета вертикальной или горизонтальной теплоизоляции по краям для фундаментной плиты по грунту.
Существенные различия наблюдаются и в расчетных методиках при наличии наружных ограждающих конструкций, контактирующих с грунтом (фундаментная плита, стены подвала). Согласно СНиП 23-02–2003 сопротивление теплопередаче таких конструкций рассчитывается по зонам 2 м, для каждой последующей зоны сопротивление теплопередаче увеличивается на несколько единиц при одинаковой конструкции пола или стен в грунте. РНРР же рассчитывает теплопотери через грунт с учетом специального понижающего коэффициента, зависящего от конкретных температуры грунта и глубины конструкций в грунте (согласно ISO 13370).
4. Вентиляционные теплопотери.
В методике РНРР вентиляционные теплопотери учитывают значения фактического коэффициента эффективности теплообмена при применении рекуперации c учетом длины и теплоизоляции вентиляционных каналов. Методика также содержит специальный инструмент для расчета грунтового теплообменника. Ни того ни другого в СНиП 23-02–2003 нет, кроме того, что при необходимости можно учесть рекуперацию.
РНРР позволяет произвести расчет среднего воздухообмена, учесть инфильтрацию (ISO 13790) и рассчитать кратность воздухообмена n50 с учетом требуемой герметичности здания. Кратность воздухообмена n50 находится с помощью теста давлением воздуха при разности наружного и внутреннего воздуха 50 Па. Это очень важный 
показатель для здания, который оказывает значительное влияние на значение расхода тепловой энергии на отопление для энергоэффективных зданий. Его необходимо проверять при строительстве. По РНРР показатель n50 для пассивных домов составляет 0,6 ч–1 и менее, в то время как согласно п. 8.7 СНиП 23-02–2003 этот показатель при естественной вентиляции равен 4 ч–1 и менее, а при механической – 2 ч–1 и менее. Помимо этого, в РНРР включен отдельный лист «Летняя вентиляция», в котором осуществляется расчет естественной вентиляции при дневном проветривании через окна (различные варианты проветривания каждого этажа) и есть учет ночного проветривания.
5. Теплопоступления от солнечной радиации.
Значение теплопоступлений от солнечной радиации в СНиП 23-02–2003 значительно превышают указанные в РНРР. Методика РНРР подробно учитывает все факторы теплопоступлений, например точную долю остекления в каждом окне. При расчете теплопоступлений от солнечной радиации в РНРР учитываются ориентация, угол наклона, затенение окон. Возможны следующие варианты затенения:
РНРР позволяет рассчитать частоту перегрева летом, а также имеет возможность учета специального затенения (жалюзи, рольставни, ламели, маркизы).
6. Теплопоступления от внутренних источников.
Значения теплопоступлений от внутренних источников в СНиП 23-02–2003 в 4,5 раза превышают приведенные в РНРР.
Согласно п. Г.6 СНиП 23-02–2003 эта величина определяется в зависимости от заселенности квартиры (20–45 м2 общей площади на человека) по интерполяции между 10–17 Вт/м2 площади жилых помещений. Для рассматриваемого здания теплопоступления от внутренних источников составили 12,2 Вт/м2.
Методика РНРР использует стандартное значение для жилых зданий – 2,1 Вт/м2 энергозависимой площади.
В расчетной методике это значение можно найти самостоятельно. Часто оно ниже 2,1 Вт/м2 и в среднем составляет 1,3–1,5 Вт/м2. Значение более 2,1 Вт/м2 брать в расчет не рекомендуется, в том числе и потому, что эта величина влияет на частоту перегрева помещений в летний период. Д ля расчета частота перегрева (процент от времени с внутренней температурой более 25 °C) в РНРР имеется отдельный лист.
На наш взгляд, нормируемое значение бытовых и технологических теплопоступлений в помещениях завышено. Это обусловлено прежде всего тем, что за последние десятилетия существенно вырос размер площади помещений в жилых зданиях, приходящейся на одного человека. Сейчас площадь составляет в среднем 21 м2 на человека. Уменьшилась мощность основных бытовых приборов (телевизоров, холодильников). Современные приборы освещения выделяют в несколько раз меньше теплоты, чем ранее. Изменилась структура питания людей, в которой доля готовых продуктов и полуфабрикатов увеличилась. Это завышенная составляющая теплового баланса сильно влияет на снижение потребности в тепловой энергии по расчету СНиП 23-02–2003, что некорректно отображается на удельном расходе тепловой энергии на отопление для энергоэффективных зданий.
