Дом - жилье + поставщик электроэнергии. Задача ближайшего будущего

Качество санации зданий в Германии определяется в соответствии с постановлением по энергосбережению (EnEV) параметрами - «первичным потреблением энергии Q.p» и «трансмиссионными потерями тепла H.T». «Первичное потребление энергии Q.p» учитывает, помимо потребности здания в энергии, также необходимые ресурсы: для выработки энергии, её транспортировки до здания и распределения, сохранения в здании. Коэффициент «трансмиссионные потери тепла H.T» показывает в среднем потерю тепла через всю оболочку здания.

Требования EnEV 2009 для новостройки (в зависимости от типа здания):

• H.T = 0,4 – 0,65 Вт/м2 К
• Q.p = 40 – 120 кВт/м2 в год

Постановление по энергосбережению Германии (EnEV) – часть немецкого строительного права. Постановление содержит, помимо минимальных требований к новому строительству зданий, к модернизации, к перестройкам, надстройкам, расширениям зданий, положения по энергетическим паспортам для зданий, предписания по отопительной, охлаждающей, вентиляционной системам здания, а также к водоснабжающей системе.

Немецкое государство, формируя политику энергосбережения в зданиях, уделяет большое внимание наглядным примерам, как в новом строительстве, так и при санации зданий. Эти показательные примеры или пилотные проекты, как правило, должны не только отвечать требованиям энергосбережения сегодняшнего дня (EnEV), а быть намного лучше этих требований, т.е. параметры «первичное потребление энергии Q.p» и «трансмиссионные потери тепла H.T» должны быть более низкими, чем указанные в актуальной версии постановления по энергосбережению». Пилотные проекты инновационного строительства и энергосберегающей модернизации реализуются часто на объектах государственной собственности.

В ходе строительства и санации правительственных зданий в конце 90-х, начале 2000-х годов было разработано «Руководство устойчивого строительства» (Leitfaden Nachhaltiges Bauen), которое постоянно перерабатывалось, учитывая передовой опыт пилотных проектов, например, применение отопительных систем с использованием альтернативных энергий является составной частью этого руководства. При определённых строительных объёмах предписано предусматривать финансовые средства для отопительных систем от альтернативных источников энергии. «Руководство…» было впервые опубликовано в 2001г. и сейчас является обязательным при строительстве и санации государственных учреждений.

Также в области жилищного строительства и санации существующего жилого фонда министерствами и государственными ведомствами создаются пилотные проекты, которые являются шагом вперёд к поставленной долгосрочной политической цели - до 2050 достичь сокращения потребности в первичной энергии порядка 80% и перейти к строительству полностью климатически нейтральных зданий. Одним из модельных примеров является дом с плюсовой энергией, построенный в 2012 г. по инициативе Федерального министерства транспорта и строительства Германии.

Обычный дом в стандартном варианте получает свою энергию из теплоцентрали, подключенной к ТЭЦ. Энергоэффективный дом плюс производит энергию, поставляет её жильцам, а избыток энергии подаёт в сеть.

Дом на Фазанненштрассе – это дом с плюсовой энергией, который производит энергию для потребностей жителей и зарядки автомобиля (обеспечивает электромобилитет), избыточная энергия может подаваться в сеть или аккумулироваться в «домашней батарее».

• Тепловой насос Сеть / ТЭЦ
• дом с плюсовой энергией и электромобилитетом
• Фотовольтайк
• Электромобиль
• Батарея
• Жители

Особые свойства дома с плюсовой энергией с электромобилем:

• автономное обеспечение энергией дома и электромобиля посредством регенеративной энергии
• используемые строительные материалы могут быть подвергнуты вторичной переработке (recycling)
• сопровождение проекта исследовательскими работами – обширная программа по мониторингу здания
• оценка устойчивости (sustainability) по немецкой системе сертификации (основные критерии оценки – экологическое качество, экономическая целесообразность, социально – культурный аспект)

Федеральное министерство транспорта, строительства и городского развития Германии объявило во втором полугодии 2010 года конкурс, целью которого являлось «…на основе реального, аттрактивного в архитектурном плане, исследовательского проекта показать в соответствии с существующими технологиями органическое соединение энергоэффективного, устойчивого строительства и жилья в Германии….». Конкурс выиграла рабочая группа, состоящая из представителей Штуттгардского университета (Института проектирования облегчённых конструкций), Института энергетики здания и Института труда и технологического менеджмента. Проект был реализован этой группой и WSGreen Technologies GmbH под руководством архитектора профессора Вернера Зобек.

Дом с плюсовой энергией характеризуется следующими факторами:

• оптимальная градостроительная ориентация (stadtebauliche Ausrichtung)
• максимальная компактность
• максимальный выигрыш в выработке энергии и минимальные тепловые потери через конструктивные элементы здания
• оптимизированная техника здания – таким образом, что она не нарушает комфорт пользователя домом
• покрытия потребности в энергии осуществляется за счёт альтернативных источников, локальное производство энергии

Цель проекта постройки этого здания заключается в достижении максимального комфорта при проживании и использовании техники в доме, сохраняя при этом оптимальный энергетический баланс.

Тщательно были проанализированы особенности земельного участка и ориентация дома по частям света. Дом использует максимально участок для застройки и максимирует тем самым площадь крыши для выработки энергии посредством фотовольтайки. Закрытый фасад с северной стороны минимизирует термические потери, а фотовольтайка на южной стороне фасада максимирует выработку энергии.

Вход в дом с западной стороны. В стене с этой стороны находится стеклянная витрина, за которой можно увидеть техническое помещение, также с этой стороны размещена стоянка электромобиля. С восточной стороны находится зелёный газон и деревья, поэтому терраса размещена в этом направлении.

Жилые помещения распределены на двух этажах: внизу - столовая и гостиная, на втором этаже - спальня и две детские комнаты. Помещение с техникой – энергетическая сердцевина дома – является связующим звеном между «недвижимостью» и движимостью» (Immobilien und Mobilitat). В витрине, около которой для электрозарядки обычно припаркован электромобиль, посетители или просто прохожие могут получить информацию о доме и его технических составляющих.

Технические данные дома:

Площадь (брутто): 181 м²

Площадь (нетто): 147 м²

Объём (брутто): 645 м³

Потребность в отоплении: 21,1 кВтч / м2 в год (срав. с требованиями EnEV 2009)

Отопление: Воздушно-водяной тепловой насос, Компактное вентиляционное устройство

Отопительная мощность: 5,8 кВт

Ёмкостный водонагреватель: 288 л

Проветривание: 400 м³ / ч

Механическая вентиляция с рекуперацией тепла > 80%

Фотовольтайк на крыше: 98,2 м² (мощность 14,1 кВт)

Фотовольтайк на фасаде: 73,0 м² (мощность 8,0 кВт)

Прогнозируемая выработка энергии: 16.625 кВт ч

Прогнозируемое потребление энергии:

(включая электромобиль 30.000 км в год) 16.210 кВт ч

Прогнозируемый баланс здания: +415 кВт ч

Энергия в доме производится из двух источников: фотовольтайка на крыше и стенах и воздушно - водяного теплового насоса. Воздушно - водяной тепловой насос извлекает зимой необходимое количество энергии из внешнего воздуха.

Фотовольтайк на крыше и южной стене производит ток. Ток может сразу или позже, при промежуточном аккумулировании в батарее, использоваться для нужд дома или зарядки электромобиля. Избыточная энергия может поступать в сеть. Посредством инновационной технологии и интеллектуального управления батарея играет две роли - пользователя энергии и поставщика для общей сети.

Механическая вентиляционная установка обеспечивает приток свежего воздуха. Хотя комнаты могут проветриваться и через открытые окна. Из отработанного воздуха извлекается тепло, прежде чем он отводится в шахту, находящуюся между землёй и фундаментной плитой.

Через стеклянную поверхность восточной и западной части дома в здание проникает много света, за счёт чего внутри создаётся впечатление раздвинутого объёмного, наполненного светом и воздухом пространства. Восточная стена покрыта защитными подвижными ламелями, предотвращающими перегрев здания и защищающими его от яркого солнца. С западной стороны расположена витрина с техническим помещением, которое выполняет солнцезащитную функцию.

Искусственное освещение происходит с помощью энергоэффективных светодиодных ламп LED (light-emitting diode), оснащённых регулировкой яркости и датчиками присутствия.

Преимущества этих ламп:

• низкое энергопотребление – экономия от 80% до 90% электроэнергии по сравнению с лампами накаливания
• долгий срок службы до 80 000 часов
• высокая прочность – ударная и вибрационная устойчивость
• направленность излучения
• регулируемая интенсивность
• низкое рабочее напряжение
• экологическая безопасность – отсутствие состава ртути и других вредных элементов
• противопожарная безопасность – светодиодная лампа почти не нагревается

Дом должен помимо положительного энергетического баланса выполнять следующие требования комфорта и удобства:

• утилизуемость всех материалов, простая разборка

• учет на демографических требований: безбарьерный доступ, системы помощи

• помощь в управлении техникой через максимальную автоматизацию функций при постоянно возможном вмешательстве пользователя (наличие стационарных и автономных пультов управления)

• легкий уход, обслуживание и ремонт

• современный дизайн, возможность перепланировки

Конструкции крыши, потолка между этажами, стены

Материалы, используемые при строительстве дома должны быть экологически чистые и подвергаться ресайклингу, вторичной переработке.

Рассмотрим некоторые конструкции подробнее, например конструкцию крыши над жилым этажом и конструкцию утеплённой непрозрачной внешней стены.

1. защитные маты из ресайклинкого каучука (сверху вниз)

2. искусственный уплотнитель

3. ОСБ плита деревянно-стружечная плита

4. целлюлозный утеплитель

5. деревянная опора

6. ОСБ плита деревянно-стружечная плита

7. пароизоляционная прокладка

8. техническая область с:

9. слоем утеплителя из конопли

10. настил из гипсо-картона, обработан краской, расположен на металлической конструкции

1. обшивка из гипсо-картона (слева на право)

2. техническая плоскость со слоем утеплителя из конопли

3. пароизоляционная прокладка

4. ОСБ плита деревянно-стружечная плита

5. слой утеплителя из целлюлозы

6. ОСБ плита деревянно-стружечная плита

7. влагозащитный слой

8. вертикальная обрешётка

9. агрофеновый профиль (аллюминий)

10. тонкий слой фотовольтайкого модуля как навесной фасадный элемент

Как уже было сказано выше, техническое оборудование составляет «сердцевину» дома. Помещение имеет витрину, так что прохожие могут видеть технику внутри. Дом оснащён фотофольтайковой установкой, генерирующей ток из излучаемого солнечного света и тепловым насосом, использующий внешний воздух, как источник тепла, для нагрева воды. Фотовольтайковые модули на крыше и на южном фасаде производят в среднем за год достаточно энергии, чтобы покрывать потребность дома и электромобиля.

Геотермическое тепло в этом пилотном объекте не применяли, так как дом будет, как образец, стоять в Берлине 2-3 года, потом его перевезут для демонстрации в другой город. Затраты на демонтаж зондов геотермических установок были бы очень высоки. Вместо этого в данном примере использовали воздухо- водяной тепловой насос, который извлекает тепловую энергию из внешнего воздуха. 312 дней в году средняя температура в Берлине +18⁰С. Нужно относительно много топить или точнее подтапливать. Но за счёт конструкции здания и его местоположения, обеспечивающего максимальный выигрыш энергии в дни, когда нужна подтопка здания, удалось значительно сократить.

Система охлаждения не предусмотрена, существуют защитные жалюзи от перегрева в летнюю жару. Так как вся техника здания находится в «сердцевине», то трубы и электропроводка имеют минимальную длину; трубы изолированы - потери тепла сведены к минимуму.

Батарея, где аккумулируется излишняя энергия – 40 кВт ч – это литиум-ионный аккумулятор, составленный из вторично используемых автомобильных батарей. Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит свое применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты и видеокамеры.

Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году. Вторичные батареи не могут быть использованы в автомобильной индустрии из-за 20% -ой потери мощности. Эксперименты показали, что они без проблем могут ещё годами быть использованы как стационарные аккумуляторы.

Аккумулятор дома с плюсовой энергией составлен из автомобильных батарей фирмы BMW (Mini E). Вся домашняяя и заряжающая техника (батарея) может управляться пользователями с двух сенсорных панелей в доме, а также с помощью smartphone.

Потребность в энергии дома плюс составляет 10.000 кВт ч / год, ожидаемая выработка энергии 16.000 кВт ч / год. Предусмотренное количество киллометров в год для двух машин, работающих на токе - 25.000 км в год и одного электро - велосипеда - 4.000 км в год. Потребность в энергии для этих трёх электромобилей с учётом предусмотренных километров составляет 6.000 кВт ч / год.

Электромобили могут заряжаться кодуктивно (из розетки на зарядочной панели) и индуктивно, при этом заряжающий ток электромагнетическими волами передаётся от одной катушки к другой катушке. Электромобиль стоит над панелью, где вмонтирована такая электромагнитная катушка. Этот способ имеет преимущества – по городу не нужно строить заряжающих панелей, где нужно вставлять и вынимать штепсельную вилку. При обледенении и холоде индуктивная зарядка возможна без помех.

Федеральное министерство транспорта, строительства и городского развития Германии оказывает своей инициативой под названием «Будущее строительство» непосредственное содействие промышленности, науке и обществу в целом в области строительства и санации зданий, даёт свежие импульсы в таких направлениях, как:

• устойчивое строительство и качество
• энергоэффективность, применение альтернативной энергии в зданиях
• модернизация фонда зданий
• новые концепции для энергоэффективного строительства (пассивные дома, дома с нулевым потреблением энергии, дома с плюсовой энергией)
• новые материалы и технологии

Министерство поддерживает таким примером строительство зданий, которые производят больше энергии, чем потребляют и определяет тем самым тренд на ближайшее будущее.

(Подготовлено по материалам Федерального министерства транспорта, строительства и городского развития Германии с использованием информации страниц интернета министерства www.bmvbs.de)