Данная статья является частью Сборника материалов 17-й конференции “Технологии проектирования и строительства энергоэффективных зданий, Passive House”

Уже много лет земля Гессен ведёт активную деятельность в области энергоэффективного строительства. Эта земля принимает активное участие во всех фазах, начиная со строительства домов с низким энергопотреблением до введения стандарта пассивного дома в строительстве жилых домов.

Концепция «Здания без отопления» была разработана уже в конце 1980-х годов профессором доктором Вольфгангом Файстом, который работал тогда в Институте жилья и окружающей среды (IWU) в г. Дармштадт, совместно с профессором Бо Адамсоном из Университета г. Лунд в Швеции. Ключевая идея, этого так называемого «пассивного дома», заключается в следующем: все потери тепла через оболочку здания и вентиляцию сокращаются на столько, что активная система отопления больше не требуется. «Отопление» обеспечивается теперь посредством «пассивных» источников тепла, таких как человек, солнце, бытовые приборы и рекуперация тепла из воздуха в помещении.

На основании этой концепции в 1991 году при финансовой поддержке Земли Гессен были построены четыре секционных дома в городе Дармштадт-Кранихштайн в качестве первых европейских пассивных домов.

На данный момент существуют не только жилые дома, но и школы, детские сады, а также производственные и офисные здания без активной системы отопления – уже сегодня в Европе успешно эксплуатируются для работы и проживания более 4.000 пассивных домов.

Лето 2016 года. В наружной стене первого пассивного дома были выполнены пропилы с помощью «болгарки». Дом был построен 25 лет назад в городе Дармштадт. Тогда как другие к юбилею получают именинный торт, пассивный дом подвергается тщательному дополнительному обследованию, т.к. специалисты Института пассивного дома хотят знать, как обстоят дела с теплоизоляцией первого пассивного дома через 25 лет. В центре обследования – наружная теплоизоляция. Её толщина составляет 27,5 см. Эта теплоизоляция состоит из так называемой комплексной системы теплоизоляции – комбинации из теплоизоляционного материала, в данном случае из плит стиропора (вспененный пенополистирол), клеевого слоя и слоя штукатурки. Долговечность комплексной системы теплоизоляции часто является предметом дискуссий. Тем интереснее проверить теплоизоляцию спустя четверть века.

Рис. 1 и 2. Монтаж теплоизоляции в два слоя 25 лет назад.

Рис. 3 и 4. Использование болгарки и горячей струны для взятия образцов с фасада здания.

Для этого была взят образец для исследования. Он состоит из наружной теплоизоляционной плиты и слоя штукатурки.

Профессор др. Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «У меня в руках кусок комплексной системы теплоизоляции из первого пассивного дома, построенного в г. Дармштадте, р-не Кранихштайн. На первый взгляд, после того, как мы его достали, на материале не видно никаких следов его многолетнего использования. Всё выглядит поразительно новым. Вполне очевидно, что он сухой».

Рис. 5 и 6. Взятие образца теплоизоляции и временное заполнение ниши минеральной ватой.

Пока вместо взятого образца пассивного дома устанавливается утеплитель из минерального волокна, а образец отправляется на исследование в Университет г. Инсбрука. Результаты лабораторных исследований подтверждают долговечность теплоизоляции. Теплоизоляционный материал всё ещё чрезвычайно сухой и обладает, как и прежде, очень низкой теплопроводностью.

Слой штукатурки тоже всё ещё компактный и прочный. Но на этом исследование не окончено. Вольфганг Хаспер, сотрудник Института пассивного дома: «Сегодня в разных местах западного фасада, подверженного больше всего воздействию природных факторов, мы провели ещё опыты на прочность сцепления при растяжении штукатурки и системы теплоизоляции. Это покажет нам, на сколько прочно ещё держится наружная штукатурка на теплоизоляционном материале или, соответственно, на сколько прочен теплоизоляционный материал сам по себе». Так Институт пассивного дома выяснит, на сколько хорошо комплексная система теплоизоляции через 25 лет после её установки сможет выдержать ураган. Для этого в нескольких местах фасада были сделаны надрезы в слое штукатурки. Затем приклеили металлические пластины. Теперь нужно было измерить, какую силу необходимо приложить, чтобы теплоизоляция отделилась от стены. Требуемая сила составила в среднем 7 тонн на квадратный метр. Это означает, что теплоизоляция выдержит на стене дома даже очень сильный ураган.

Рис. 7, 8, 9 и 10. Проверка прочности сцепления штукатурки и теплоизоляции.

Профессор др. Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «В случае самого сильного из возникавших на Земле ураганов возникшие подсасывающие силы в таком месте фасада были в три раза меньше, чем зафиксированный здесь, через 25 лет после установки, предела прочности на растяжение».

Таким образом, теплоизоляция всё ещё обладает хорошими характеристиками и стабильна. Благодаря своему хорошему качеству она помимо этого обеспечивает очень низкую потребность в тепле на отопление пассивного дома. Эта потребность находится на уровне менее 25 кВт·ч на квадратный метр в год. Это на 75% меньше, чем в случае дома с низким энергопотреблением. Значит, пассивные дома оправдывают себя в целях обеспечения личного комфорта, экономии своих расходов и не в последнюю очередь в целях охраны окружающей среды.

Окна пассивного дома – это нечто особенное. Они имеют тройное остекление (двухкамерный стеклопакет) и теплоизолированную раму. Таким образом, они пропускают меньше тепла, чем традиционные окна с двойным остеклением (однокамерным стеклопакетом). Первый пассивный дом был построен в начале девяностых годов. Тогда ещё не было в продаже окон с тройным остеклением. Их изготовили по специальному заказу, и они считались чрезвычайно инновационными.

Вольфганг Хаспер, Институт пассивного дома: «Нужны были окна, которые с одной стороны пропускают солнце, но с другой сторону удерживают в здании достаточное количество тепла. Ни один из имеющихся в то время видов остекления не обладал этими качествами. Поэтому впервые был создан стеклопакет с тройным остеклением со стёклами, имеющими специальное покрытие, и с камерами между стёклами, наполненными инертным газом. И теперь мы хотели проверить, какими характеристиками обладает этот прототип остекления через 25 лет».

Рис. 11. Монтаж инновационных окон в первом пассивном доме.

Рис. 12 и 13. Специальные теплоизоляционные накладки для рам. Пример окна с накладками.

Например, часто задаётся вопрос, произошла ли за 25 лет утечка части газа криптона, наполнявшего межстекольные пространства между стёклами тройного остекления. Это бы оказало негативное влияние на теплоизоляционные характеристики окон.

Вольфганг Хаспер: «Для этого мы сделали устройство, которое с одной стороны измеряет тепловой поток через остекление, а с другой стороны показывает разницу температур, и по результатам этих измерений определяется коэффициент теплопередачи остекления».

Рис. 14 и 15. Вольфганг Хаспер осуществляет монтаж оборудования для проведения измерений.

Результат оказался чрезвычайно положительным: 5 из 6 стеклопакетов обладают такими же характеристиками, как и 25 лет назад. Вольфганг Хаспер, Институт пассивного дома: «Мы исследовали 6 стеклопакетов, 5 из них имеют состояние как новые, а один стеклопакет утратил небольшое количество наполняющего его газа. В этом случае коэффициент теплопередачи (значение U) немного выше, но всё ещё не критично и стеклопакет можно и дальше использовать. Мы этим результатом очень довольны. Срок службы такого остекления очевидно достаточно большой, и ничего не мешает использовать его и на протяжении следующих 25 лет».

Рис. 16. Измеренный коэффициент теплопередачи остекления Ug в первом пассивном доме через 25 лет. Коэффициент теплопередачи стеклопакета Ug [Вт/(м2К)]. Среднее значение коэффициента теплопередачи остекления Ug.

Этот тест показывает, что окна пассивного дома являются высококачественными, они обладают очень хорошим теплоизолирующим действием и очень продолжительным сроком службы. На данный момент окна пассивного дома получили настолько широкое признание, что их можно приобрести и по доступным ценам.

То, что выглядит как космический корабль, на самом деле является вентиляционной установкой первого пассивного дома. Вентиляция постоянно обеспечивает дом свежим воздухом. Весной 2016 года Институт пассивного дома тщательно обследовал эту вентиляционную установку, так как она была первой в своём роде и работала с начала 90-х годов.

Вольфганг Хаспер, Институт пассивного дома: «Конечно же, мы хотели знать, как работает вентустановка спустя 25 лет. Вентиляционная установка был изготовлена тогда по специальному заказу, так как ничего подобного тогда приобрести было нельзя с рекуперацией тепла значительно больше 75 %, был приобретён самый лучший теплообменник в виде отдельного блока с корпусом, эскиз которого мы спроектировали сами. Также впервые были установлены ЕС-вентиляторы, так что мы смогли обеспечить рекуперацию тепла на уровне более 80% с низким расходом электроэнергии».

Рис. 17 и 18. Вентустановка в период измерений. Корпус теплообменника.

Рис. 19 и 20. ЕС-вентиляторы. Корпус современного теплообменника (более компактных размеров).

Во время строительства первого пассивного дома теплообменники были действительно новшеством. Но рекуперация тепла является важной составляющей вентиляции пассивного дома. При этом тепло воздуха, находящегося в помещении, передаётся более прохладному свежему воздуху. Это происходит с помощью теплообменника. На рисунке 20 представлена современная модель, которая выглядит иначе, чем теплообменник первого пассивного дома.

Рис. 21 и 22. Установка датчиков для измерения параметров вентиляции.

Более 75% тепловой энергии в доме можно повторно использовать посредством рекуперации тепла. Таким образом, рекуперация тепла экономит чрезвычайно много энергии. А так называемые ЕС-вентиляторы почти не были известны до начала 90-х годов. Установленные также в вентиляционный блок ЕС-вентиляторы обеспечивают циркуляцию воздуха в доме и являются при этом особенно энергоэффективными. Тем интереснее узнать, как же работает вентиляционная установка через 25 лет. Для этого эксперты Института пассивного дома с одной стороны измерили потребление электричества, с другой стороны на протяжении длительного времени они измеряли температуру и влажность во всех важных для потока воздуха частях вентиляционной установки.

Вольфганг Хаспер, Институт пассивного дома: «Здесь на экране можно видеть измеряемые в данный момент значения параметров, например, считываем, что при температуре наружного воздуха менее 13°C температура воздуха в помещении находится на уровне 22,5°C. И из соотношений температуры наружного воздуха и вытяжного или, соответственно, отработанного (удаляемого) воздуха рассчитывается термическая эффективность работы вентиляционной установки».

Рис. 23. Снятие данных с вентиляционной установки.

По результатам можно увидеть: вентиляционная установка достигает и сегодня КПД свыше 80%. И тем самым может посоперничать с имеющимися на рынке установками. Вентиляторы тоже потребляют по сегодняшним меркам очень мало энергии.

Вольфганг Хаспер, Институт пассивного дома: «Мы очень довольны, что эта вентиляционная установка работает, как было тогда запланировано, и до сих пор находится, как и раньше, в рабочем состоянии, и может работать на полную мощность».

Вентиляционная установка в первом пассивном доме обеспечивает и через 25 лет дом свежим воздухом, кроме того, благодаря высокой степени рекуперации тепла, она обеспечивает очень низкий уровень потребности в тепле на отопления пассивного дома, который и спустя 25 лет составляет менее 15 кВт·ч на квадратный метр в год. Это на 75% меньше, чем в случае дома с низким энергопотреблением.

Сегодня вентиляционные установки с рекуперацией тепла широко представлены на рынке, даже менее заметные и небольшого размера.

Пассивный дом должен быть воздухонепроницаемым. Это означает, что через стыки или трещины (неплотности) оболочки дома должно просачиваться как можно меньше воздуха. Преимущества этого разнообразны: тёплый или прохладный воздух лучше удерживается в доме, владельцы экономят на затратах на электричество и отопление, жильцов не беспокоят проблемы сквозняков или образования плесени и звукоизоляция лучше. Вскоре после постройки первого пассивного дома в мире в 90-е годы было проведено испытание дома на воздухонепроницаемость.

Сёрен Пепер, Институт пассивного дома: «В 90-е годы были результаты таких измерений просто невероятными, никто не думал, что возможно достичь таких хороших значений, даже эксперты сначала не могли поверить».

Рис. 24. Испытания на воздухопроницаемость первого пассивного дома 25 лет назад.

Воздухонепроницаемость первого пассивного дома была в 10 раз лучше (т.е. ниже), чем воздухонепроницаемость новых домов, которые были построены в тоже время.

Институт пассивного дома хотел знать, как обстоят дела с воздухонепроницаемостью первого пассивного дома через 25 лет.

Профессор, доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Основной вопрос заключается в том, на какое время хватает соответствующих мероприятий по обеспечению воздухонепроницаемости отдельных элементов здания, например, примыканий крыши со стеной, стены с окном».

Рис. 25 и 26. Вольфганг Файст – директор Института пассивного дома (г. Дармштадт). Сёрен Перер – сотрудник Института пассивного дома.

Воздухонепроницаемость здания обычно проверяется с помощью теста BlowDoor. В ходе теста вентилятор создаёт избыточное или пониженное давление и измеряется, сколько воздуха проникает в дом или уходит из дома.

Измерение воздухонепроницаемости. Часть 1. Поиск неплотностей

Часть первая. Измерение воздухонепроницаемости с поиском неплотностей. Сёрен Пепер, Институт пассивного дома: «После того, как мы установили здесь оборудование BlowDoor в дверь на террасу на первом этаже, мы проведём измерение воздухонепроницаемости с тщательным поиском неплотностей во всём доме. Мы пройдём все окна, все двери, посмотри, где мы предполагаем наличие неплотностей. Посмотри, есть ли там они. Мы используем также термографию, чтобы посмотреть, чтобы понять же это на самом деле. Также это слабое место можно продемонстрировать с помощью театрального дыма».

Рис. 27 и 28. Современные испытания на возухопроницаемость проводит Сёрен Пепер. Измерение скорости ветра с помощью термоанемометра. Использование театрального дыма и компактного тепловизора для фиксации неплотностей в примыканиях окон.

Уже первый результат измерений очень хороший: 0,28 так называемое значение n50, которое описывает воздухонепрницаемость здания. Здесь действует правило: чем меньше значение, тем лучше.

Рис. 29. Результат первых испытаний на воздухопроницаемость n50=0,28 ч-1. Сравнение результата с требованиями пассивного дома и стандартных зданий.

Таким образом, воздухонепроницаемость первого пассивного дома даже через 25 лет имеет значение лучше среднего, так как граничное значение 0,6 ч-1 для пассивного дома является более высоким. Законодательно предписанные значения находятся на уровне максимум 1,5 до 3 ч-1.

Воздухонепроницаемость пассивного дома, таким образом, в 5 раз ниже, чем у традиционного здания. Несмотря на очень хороший результат, на некоторых дверях и окнах были найдены участки с повышенной воздухопроницаемостью, так называемые неплотности. Поэтому рабочие заменили уплотнители окон и дверей. Через 25 лет это вполне нормально и длилось всего один час.

Рис. 30 и 31. Замена уплотнителей на окнах.

Измерение воздухонепроницаемости. Часть 2

Сейчас мы увидим, изменила ли что-то замена уплотнителей. Результат второго измерения действительно лучше: 0,21 ч-1. Это по сравнению с первым измерением явное улучшение, так как до этого значение было на уровне 0,28 ч-1.

Рис. 32. Финальное значение воздухонепроницаемости после замены оконных уплотнителей.

Сёрен Пепер, Институт пассивного дома: «Данным измерением воздухонепроницаемости в первом пассивном доме в г. Дармштадт-Кранихштайн мы смогли показать, что даже через 25 лет воздухонепроницаемость всё ещё чрезвычайно хорошая, как здесь, так и в соседнем здании в этой секции дома значения были очень хорошие и воздухонепроницаемость изменилась несущественно».

Таким образом, строительство пассивных домом оправдывает себя, так как воздухонепроницаемость пассивного дома предлагает явные преимущества: владельцы существенно экономят на затратах на энергию, дом защищён от плесени и жильцы наслаждаются постоянным комфортом, находясь в помещении.

Хороший воздух важен для нашего самочувствия, поэтому высокое качество воздуха в помещении является определяющим для комфорта пребывания в здании.

В пассивном доме вентиляционная установка постоянно обеспечивает наличие свежего воздуха в доме. При этом наружный воздух транспортируется внутрь здания и равномерно распределяется там. В этом случае говорят о приточном воздухе. Использованный воздух снова транспортируется наружу. Это вытяжной воздух. Но и открывать окна в пассивном доме тоже можно. Первому пассивному дому в мире, где впервые была установлена такая система вентиляции, уже исполнилось 25 лет.

Профессор, доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Мы провели несколько тестов воздуха в помещении и подводимого вентиляционной установкой приточного воздуха, чтобы установить, действительно ли качество воздуха такое превосходное, какое мы бы хотели иметь. Измерялись, например, такие параметры, как содержание СО2 в воздухе, летучие органические соединения, концентрация микроорганизмов или наличие споров плесени. Частью проверки качества воздуха было взятие проб из воздуховодов с приточным воздухом, то есть воздуховодов, из которых свежий воздух поступает в помещения. Мы выкручиваем вентиль в диффузоре приточного воздуха, чтобы затем взять пробы воздуха».

Рис. 33 и 34. Выкручивание вентиля в диффузоре приточного воздуха в гостиной на первом этаже в первом пассивном доме.

После выкручивания вентиля специалисты установили насадку-фильтр, она напоминает немного пылесос. Он всасывает примерно 200 литров воздуха в час и подводит их к фильтру. Этот фильтр потом прошёл оценку в лаборатории микробиологии.

Затем последовал так называемый «посев на пластины оттиском», чтобы проверить внутреннюю сторону труб приточного воздуха.

Райнер Пфлюгер – сотрудник Института пассивного дома: «Вот одна из палочек для взятия анализа на посев на пластины оттиском: Две измерительных поверхности с лицевой и с обратной стороны. Они прижимаются к внутренней поверхности трубы».

Рис. 35 и 36. Установка насадки-фильтра.

Рис. 37 и 38. Палочка для взятия анализов.

Все анализы были отправлены в лабораторию и тщательно исследованы. Ни в одном анализе не было указаний на повышенную концентрацию микроорганизмов или наличие плесени.

Профессор доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Воздуховоды приточного воздуха, которые обеспечивают здание свежим воздухом, абсолютно безупречны с точки зрения гигиены». А у Вас была когда-нибудь возможность заглянуть в вентиляционную трубу? Институт пассивного дома просмотрел воздуховоды с приточным воздухом с помощью видеокамеры.

Рис. 39 и 40. Использование видеокамеры для контроля воздуховодов.

Профессор доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Практически невозможно поверить в то, что эти воздуховоды за 25 лет никогда не прочищались, но до сих пор очень чистые. Это следствие того, что мы установили в этом здании высококачественный фильтр FA мелкой отчистки класса 8, который отфильтровывает все формы пыли размера больше 1мкм на 99,9 % и больше, так что воздуховод действительно остаётся очень чистым, пока работает вентиляция».

Помимо этого, Институт пассивного дома хотел, конечно же, знать, каково качество воздуха за пределами воздуховодов, то есть непосредственно в помещении. Для этого использовали накопитель микроорганизмов в воздухе.

Рис. 41 и 42. Фильтры класса F8. Прибор для определения концентрации микроорганизмов в воздухе.

Доктор Райнер Пфлюгер, университет г. Инсбрук: «Сейчас мы используем прибор для взятия проб воздуха в помещении, который устанавливается в отдельных помещениях. Здесь сверху воздух всасывается, а здесь снизу он накапливается».

Накопитель микроорганизмов в воздухе транспортирует воздух, взятый из помещения, к питательному раствору, который также затем был исследован в лаборатории.

Рис. 43 и 44. Райнер Пфлюгер с прибором для взятия проб воздуха в помещении.

Профессор доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Все эти значения находятся в абсолютно безопасном диапазоне, они значительно ниже, чем мы обычно ожидаем увидеть в жилых помещениях».

Забор воздуха для анализа происходил как внутри помещения, так и снаружи. Профессор доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Оказывается, что эти значения существенно ниже, чем в наружном воздухе».

Поэтому даже аллергики высоко ценят воздух в пассивном доме. Таким образом, высокое качество воздуха в пассивном доме гарантировано даже через 25 лет его эксплуатации.

Это первый в мире пассивный дом, снятый с помощью тепловизионной камеры. Термография визуализирует тепловое излучение. Поэтому Институт пассивного дома использовал эту технологию, чтобы проверить первый в мире пассивный дом спустя 25 лет на наличие так называемых тепловых мостов. Тепловые мосты – это места в здании, в которых происходит нежелательная и особенно большая утечка тепла наружу, как например, в случае балкона, представленного на рисунке. С помощью соответствующей теплоизоляции, как в случае пассивного дома, удаётся избежать образования тепловых мостов.

Рис. 45. Примеры примыкания балкона.

При строительстве первого пассивного дома в 90-е годы в здании не было тепловых мостов. Но как же обстоят дела 25 лет спустя?

Институт пассивного дома сделал термографические снимки со всех сторон здания. Сёрен Пепер, Институт пассивного дома: «То, что можно видеть на этих снимках, так называемых термографиях, это то, что температура поверхности очень равномерная, и снаружи здания. Это означает, что потери тепла через оболочку очень малы, как в случае непрозрачных элементов конструкции, здесь синего цвета, видно очень равномерное распределение температур синего спектра, так и в случае поверхности окон, здесь зелёного цвета, это означает очень хорошее качество остекления».

Рис. 46. Тепловизионный снимок южного фасада первого пассивного дома.

Бросающаяся в глаза красная точка на этом снимке тоже не является тепловым мостом, а местом выброса отработанного воздуха вентиляционной установки. То есть абсолютно безопасно.

Рис. 47. На западном фасаде, ближе к углу здания западной и наружной стен, расположен выброс отработанного воздуха.
Рис. 48. Проведение тепловизионной съемки.

Ещё раз для сравнения: слева - термография пассивного дома, а справа – дома с низким энергопотреблением.

Рис. 49. Слева пассивный дом, справа здание с низким энергопотреблением.

В отличие от пассивного дома в доме с низким энергопотреблением больше разных цветов и чётко выделяются окна, что указывает на множество тепловых мостов. Таким образом, по сравнению с домом с низким энергопотреблением у пассивного дома теплопотери намного ниже.

И снимки внутри помещений пассивного дома показывают равномерно тёплую температуру, даже на окнах, дверях и в углах помещений.

Рис. 50 и 51. Фото и тепловизионный снимки окна изнутри.

Рис. 52 и 53. Тепловизионные снимки внутренних стен и крыши.

Сёрен Пепер, Институт пассивного дома: «Это говорит об очень высокой степени комфорта, так как перепады температур на поверхности очень незначительны. Помимо этого, это необходимое условие, чтобы не происходило образования конденсата, и чтобы образование плесени вообще было невозможным и немыслимым, так как эти температуры очень близки к температуре внутри помещения».

Высокий комфорт и отсутствие плесени – результат термографического исследования через 25 лет является однозначно положительным.

Профессор доктор Вольфганг Файст, руководитель Института пассивного дома: «Это означает, что мы действительно смогли реализовать оболочку здания без тепловых мостов, и теплоизоляция здания спустя 25 лет точно также функциональна, как и при сдаче здания в эксплуатацию».

Высококачественно выполненная теплоизоляция вносит огромный вклад в низкую потребность в тепле на отопление пассивного дома. Она находится вот уже 25 лет на уровне ниже 15 кВт·ч на квадратный метр в год. Это на 75% меньше, чем в случае дома с низким энергопотреблением. Наряду со значительной экономией энергии жильцы дома наслаждаются чрезвычайно высоким комфортом пребывания в здании.

Рис. 54. Северный фасад первого пассивного дома.

Ссылки на видео по данному докладу: https://www.energieland.hessen.de/passivhaus

По данной теме сотрудниками Passive House Institute выпущен подробный отчет «25 лет пассивному дому, г. Дармштадт, р-н Кранихштайн» на 189 страницах на немецком языке. Он находится в свободном доступе в интернете: http://www.passiv.de/downloads/05_passivhaus_kranichstein_25_jahre_endbericht.pdf