Особенности кондиционирования в пассивных домах

C. Шовкопляс

Современный опыт организации управляемых систем вентиляции и кондиционирования воздуха в пассивных домах заслуживает пристального изучения и широкого применения

Пассивный дом (Passive house) – это, прежде всего, отличная теплоизоляция, сокращение теплопотерь до минимума. Вторая особенность – пассивный дом не имеет привычной системы отопления. По определению, дом потребляет на обогрев только энергию из окружающей среды (солнечное тепло, редко – грунтовое тепло) и от внутренних источников, выделяющих тепло внутри самого дома – от самих обитателей и домашнего оборудования (бытовых приборов, компьютеров, систем освещения и т. п.).

В мире уже построено десятки тысяч пассивных домов – разные проекты, в разное время, с разными особенностями, из разных материалов. Тем не менее, все они имеют общую черту – потребление энергии на отопление в пассивном доме составляет не более 10-15 кВт•ч/м² в год в зависимости от местных стандартов. Это значит, теоретически, что в пассивном доме тепла от одной лампы накаливания мощностью 100 Вт, которая будет светить 8 часов в день, достаточно для отопления помещения площадью 10-15 м² в течение всего отопительного сезона.

По определению, пассивный дом должен быть полностью независимой энергосистемой, вообще не расходующей дополнительных энергоносителей на поддержание комфортного микроклимата. То есть, помимо отопления, решать проблему энергозатрат на вентилирование и удаление тепла для охлаждения/кондиционирования здания также предполагается за счет соответствующего архитектурно-строительного решения и тоже пассивными методами. Это довольно сложная задача.

Традиционный подход к организации вентиляции/кондиционирования воздуха в случае пассивных зданий не работает. Если соблюсти все требования по теплоизоляции и герметичности оболочки здания, то обычные системы вентиляции, примененные в пассивном доме, будут создавать до 80% общих энергопотерь на отопление зимой и затрат энергии на охлаждение летом.

Форма и расположение здания

Главный принцип при построении пассивного дома – нужно, прежде всего, учесть локальные особенности климата и местности, правильно сориентировать здание по сторонам света и учесть фактор «solar gain» – сезонное поступление и накопление энергии в здании из-за солнечного света (см. рис. 1). Для уменьшения летнего перегрева нужно предусмотреть «геометрическую» солнцезащиту здания, которая бы не мешала притоку солнечного тепла от низкого зимнего солнца. Рекомендуется располагать светопрозрачные конструкции так, чтобы на солнечную сторону были сориентировано не менее 70-80% всей площади оконных просветов.

Рис. 1. Сезонная инсоляция в пассивном здании

Массивный тепловой аккумулятор, расположенный внутри теплоизолированной оболочки пассивного здания, стабилизирует температуру и летом, и зимой, и позволяет решить противоречие, возникающее при применении современных теплоизолирующих материалов – отличный теплоизолятор, как правило, обладает очень низкой теплоемкостью. Пассивный накопитель тепла/холода также решает проблему с суточной неравномерностью тепловых потоков извне и наружу здания.

Пассивный дом – это, по сути, термос. Поэтому охлаждение и кондиционирование воздуха в пассивном доме в летний период вызывает больше трудностей, чем сохранность тепла зимой.

Пассивное погодозависимое кондиционирование

Из-за герметичности оболочки пассивного здания в таких зданиях применяются системы принудительной вентиляции. В большинстве случаев система искусственной вентиляции в домах с низким энергопотреблением используется для охлаждения ночью. В некоторых случаях этого недостаточно, чтобы за ночное время избавиться от перегрева, полученного в течение дня. Решением проблемы могут стать грунтовые теплообменники. Воздуховоды, размещенные в грунте под зданием или рядом с ним, помогают охлаждать приточный воздух летом и предварительно нагревать его зимой перед подачей в помещение. Их заглубляют на уровень, где температура практически стабильна и круглый год составляет 8–10°С.

Регулирование притока воздуха через систему рекуперации энергии (то есть, интенсивность вентиляции) позволяет также управлять и связанными с ними тепловыми потоками. Для домов с высокой термоизоляцией стратегия вентиляции с учетом прогноза будущих погодных условий помогает экономить энергию и создать стабильный и комфортный микроклимат.

Сочетание автоматики погодозависимого управления, заложенной в системы «умного дома», с регулирующими органами адаптивной вентиляции позволяет выровнять суточную температурную неравномерность (рис. 2). Получая через Интернет данные от информационных систем прогнозирования погодных условий на 7-10 дней, автоматика может минимум на неделю вперед рассчитать режим оптимальной вентиляции с учетом текущего теплового баланса и тепловой инерционности данного дома. Адаптированное сокращение или увеличение подачи свежего воздуха в течение следующих нескольких дней предотвратит летний перегрев или избыточную потерю тепла зимой. За счет специальных алгоритмов данную стратегию оптимизации теплового комфорта можно продлить на период более двух или трех недель. Затраты же энергии на функционирование автоматики и приводов регулирующих органов намного меньше энергозатрат на дополнительное искусственное охлаждение или обогрев.

Рис. 2. Система вентиляции пассивного дома через подземный теплообменник с регулируемой рекуперацией от прогностического погодозависимого регулятора

Использование более высокого теплового сопротивления оболочки пассивных домов, теплового аккумулятора и синергетических преимуществ адаптивной управляемой системы пассивной вентиляции с системой прогностического управления дает экономические преимущества, снижая общие капитальные затраты.

Эффективность грунтовых теплообменников

Подземные теплообменники для систем вентиляции пассивного дома обычно организуются под домом в пределах контура фундамента и закладываются еще на стадии строительства. Их относительно недорого можно реализовать с помощью пластиковых труб диаметром 100-200 мм, см. рис. 3. Использование труб меньшего или большего диаметра нежелательно. Меньшие трубы обеспечивают хороший теплообмен, но недостаточную пассивную подачу воздуха, а большие каналы – наоборот. Лучше параллельно проложить несколько труб по 100 мм, суммарная пропускная способность которых обеспечит достаточный уровень воздухообмена в каждом отдельном помещении. Затем трубы воздуховодов засыпаются грунтом, который играет роль теплового аккумулятора без тепловых мостиков с наружным контуром фундамента – через теплоизолирующие прокладки или с расстоянием от грунтовой подушки до наружных фундаментных блоков.

Рис. 3. Закладка грунтового теплообменника под зданием

Вентиляционные каналы в пассивном доме тоже рекомендуется проводить отдельно для каждого помещения. Так можно обеспечить гарантированный геодезический перепад между впускным и выпускным отверстиями воздуховодов, избавиться от нежелательных перетоков и индивидуально регулировать уровень воздухообмена в каждом вентилируемом помещении, см. рис. 4.

Рис. 4. Прокладка каналов воздуховодов в пассивном доме

Для реконструируемых домов поле для грунтового теплообменника организуется не под домом, а в непосредственной близости от него, или, если это возможно, – в подвальном помещении, которое потом придется засыпать грунтом или залить бетоном.

Более эффективный грунтовый теплообменник по сравнению с теплообменниками из труб – это плоский многоканальный грунтовый теплообменник, см. рис. 5. Такая конструкция существенно упрощает, удешевляет и ускоряет монтаж теплообменника при строительстве, обладает большой эффективной площадью и, таким образом, занимает меньше места. По краям панелей с множеством каналов внутри организованы коллекторы, из которых воздух распределяется по помещениям по отдельным воздуховодам, как показано на рис. 4.

Рис. 5. Плоский пластинчатый грунтовый теплообменник «воздух-земля» внутри фундамента для вентиляции пассивного дома

Рекуператоры для вентиляции в пассивном доме

Особенность рекуператоров, которые устанавливаются для обмена энергии приточного и отточного воздуха в пассивном доме – малое сопротивление воздуху, который поступает естественным путем, из-за разности геодезической высоты и гравитационного градиента снижения плотности воздуха, из-за некоторой разности температур между воздухозаборником и выпускным отверстием. То есть, вентиляционная система в пассивном доме имеет ограниченный приток, поскольку «принудительное» давление составляет всего несколько паскалей. Поэтому, очень важно выбрать такой рекуператор, который обеспечивал бы максимальный теплообмен при относительно небольшом расходе пропускаемого воздуха. Исследования показали, что максимальной эффективностью обладают теплообменники с ячеистой панелью, см. рис. 6.

Рис. 6. Типы рекуперативных теплообменников «воздух-воздух» для пассивного кондиционирования и их эффективность

Сезонные особенности

С точки зрения теплосбережения в определенное время года более эффективно обходить рекуператор тепла «воздух-воздух» или грунтовый теплообменник «земля-воздух».

Например, зимой грунт на глубине теплообменника «земля-воздух» обычно намного теплее, чем температура приточного наружного воздуха. Перед тем, как попасть в воздушный теплообменник, воздух нагревается теплом от грунта, летом наоборот – воздух охлаждается.

Но после прохождения через грунтовый теплообменник «земля-воздух» приточный воздух нагревается в рекуператоре тепла, используя теплоту выходящего воздуха, что как раз не нужно, поскольку летом нужно подавать именно охлажденный воздух. Для этого нужно предусмотреть регулируемый байпас, который пропускал бы воздух мимо рекуператора, максимально увеличивая потенциал охлаждения от грунта. Привод такого байпаса может управляться от дифференциального датчика температуры или регулироваться вручную.

Осенью и весной также может не быть ощутимой тепловой выгоды и от теплообменника «земля-воздух». Он может слишком сильно нагревать/охлаждать воздух, поэтому подачу через грунт нужно ограничить или лучше подавать наружный воздух вообще напрямую. В этом случае тоже полезно иметь байпас, который отключал бы теплообменник «земля-воздух» так, чтобы наружный воздух поступал непосредственно в вентканал.

Качество воздуха

Качество поступаемого в систему воздуха очень зависит от локализации. Трубы (каналы) для теплообменника должны быть влагонепроницаемыми, чтобы не подтягивать в каналы влагу из окружающего грунта. В особых ситуациях потребуется отказаться от обменника «воздух-воздух» и перейти на воздушно-водяной теплообменник рекуператора, где контур, погруженный в грунт ниже глубины промерзания – водяной.

Можно иногда слышать опасения, что из-за возможной конденсации влаги в каналах грунтового теплообменника в них могут развиваться вредные бактерии и грибки, которые якобы впоследствии могут разноситься по вентканалам и попадать в помещения. Официальные исследования показывают, что теплообменники типа «земля-воздух», наоборот, уменьшают загрязнение воздуха в здании. Как установлено, в каналах теплообменника типа «земля-воздух» не поддерживается рост бактерий и патогенных грибков; скорее обнаруживается уменьшение количества бактерий и грибков, что делает вдыхаемый людьми воздух более безопасным. Таким образом, использование теплообменников «земля-воздух» не только помогает экономить энергию, но также помогает снизить загрязнение воздуха за счет уменьшения концентрации бактерий и спор грибков по сравнению с непосредственным притоком наружного воздуха. Безусловно, фильтр на входе в приточную систему (см. рис. 2) нужно регулярно очищать и менять.

Аналогично, по результатам исследований двенадцати типов теплообменников «земля-воздух», имеющих различную конструкцию, материал, размер и срок эксплуатации подземных воздушных каналов, было установлено, что потенциального микробного и грибкового роста в трубах вентиляционных систем, заглубленных в грунт, по сравнению с результатами для обычных «наружных» вентканалов – не обнаружено. Более того, концентрация переносимых по воздуху жизнеспособных спор и бактерий, за некоторыми исключениями, после прохождения через заглубленную в грунт трубную систему, даже уменьшаются. Тем не менее, рекомендуется обеспечивать конструктивную возможность для ревизии, регулярного контроля, продувки, очистки и дезинфекции заглубленных в грунт воздуховодов.

Принципы, которые применяются для организации вентиляции в пассивном доме, позволяют существенно снизить стоимость инженерных систем для активных домов с нулевым потреблением энергии, зданий «Energy +» и «Energy ++». Кроме того, если приток воздуха в активном здании организован по схеме для пассивного дома, то это надежно обеспечит комфорт на случай непредвиденного выхода из строя активных инженерных систем или ограничения их функционирования из-за погодных условий.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 8 168