Теплоизоляция для пассивных домов

Пассивные дома сами по себе являются образцами по хорошей теплоизоляции. Пример стыка кровли и наружной стены, выполненного с высокими теплоизоляционными характеристиками и без тепловых мостов (Проект CEPHEUS в г. Хорне, Австрия, архитектор Treberspurg из Вены). Варианты хорошо теплоизолированных ограждающих конструкций, пригодные для пассивных домов. Тепловизионный снимок с внутренней стороны нижнего угла наружной стены. Нет никаких холодных точек (снимок PHI). Применение хорошо выполненной и массивной теплоизоляции автоматически ведет к теплым внутренним поверхностям, что улучшает защиту строительных конструкций от различных негативных факторов, т.к. снижается влажность материала и повышается комфорт.   Сравнение тепловизионных снимков наружных фасадов старого здания (вверху) и пассивного дома (снимок PHI). Наружная поверхность у пассивного дома холодная (синий цвет, около 5 °C), ее температура примерно соответствует температуре свободно стоящих объектов (например, балконное ограждение). У старого здания на снимке температуры на наружных стенах достигают 9°C. На столько же велики и теплопотери.

Устройство теплоизоляции здания - это важнейшее мероприятие, с помощью которого возможна экономия энергии в здании. Одновременно возрастает комфорт и защита (долговечность) строительных конструкций. Применение усиленной теплоизоляции уже опробовано тысячу раз и замечательно показало себя на практике. Поэтому хорошая теплоизоляция имеет решающее значение для функционирования пассивного дома. Каждый пассивный дом является конкретным доказательством эффективности мероприятий по теплозащите зданий. Пассивный дом просто не смог бы функционировать, если теплопотери через наружные конструкции не были бы сокращены до минимума. Только при этих условиях даже в самые холодные дни значение отопительной нагрузки может быть настолько мало, что возможно отопление только с помощью нагрева приточного воздуха (либо с помощью небольших отопительных приборов). И этот принцип работает в пассивных домах. Чтобы понять этот принцип, необходимо составление энергобаланса здания. Такие балансы были подтверждены прямыми измерениями в сотнях зданий. Результаты этих измерений каждый раз подтверждали действительность физических законов теплопроводности. Теплопотери через расчетные строительные конструкции, а именно наружные стены, пол, верхнее междуэтажное перекрытие или крышу, характеризуются коэффициентами теплопередачи U , Вт/(м2К) (или в РФ чаще обратной величиной R0, (м2ºС)/Вт). Эта величина показывает, сколько тепла отдается строительной конструкцией наружу в единицу времени при изменении температуры на 1 ºС (или 1 К, "Кельвин"). Единица измерения коэффициента теплопередачи U выражается в Вт/(м2К). Для расчета теплопотерь через стену необходимо перемножить коэффициент U, площадь и разность температур. Например, типичный коттедж имеет снаружи площадь стен 100 м2. При суровых условиях в зимнее время в Средней Европе наружная температура составляет -12 °C и требуемая внутренняя температура 21 °C. При различных значениях коэффициентов теплопередачи получается следующая мощность теплопотерь (тепловой поток) через наружные стены при "расчетных условиях". U, Вт/(м2К) или R0, (м2°C)/Вт Мощность теплопотерь, Вт Годовой расход тепла на отопление, КВт∙ч/(м2год) 1,00 (1,00) 3300 78 0,80 (1,25) 2640 62 0,60 (1,67) 1980 47 0,40 (2,5) 1320 31 0,20 (5,00) 660 16 0,15 (6,67) 495 12 0,10 (10,00) 330 8 Теплопотери являются решающей составляющей энергобаланса здания. Любые теплопотери необходимо компенсировать соответствующими теплопоступлениями. В противном случае произойдет падение температуры в доме. С помощью компактной типовой системы отопления для пассивного дома можно выработать около 1000 Вт мощности (это мощность обычного фена для сушки волос). Так как большая часть этой мощности пойдет на компенсацию теплопотерь от наружных стен, то, конечно же, коэффициент теплопередачи стены U должен быть действительно очень низким (или должно быть очень высокое значение сопротивления теплопередаче R0). Что же это означает для теплоизоляционной оболочки здания? В первую очередь становится ясно, что достижения таких низких величин U (или высоких R0) возможно только благодаря материалам с высокими теплоизоляционными характеристиками. В следующей таблице приведена информация, какой толщиной должны быть однослойные наружные конструкции, чтобы достичь стандартных характеристик ограждающих конструкций пассивного дома с величиной U ≤ 0,13 Вт/(м2К) (или R0 ≥ 7,7 (м2ºС)/Вт): Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/мºС Требуемая толщина в м для достижения U=0,13 Вт/(м2К) или R0=7,7 (м2ºС)/Вт Стандартный бетон 2,1 15,80 Полнотелый кирпич 0,800 6,02 Пустотелый кирпич с вертикальными пустотами 0,400 3,01 Древесина хвойных пород 0,13 0,98 Пористый кирпич, ячеистый бетон 0,11   0,83   Тюки из соломы 0,055 0,41 Эффективный утеплитель 0,04   0,30   Высокоэффективный утеплитель 0,025   0,19   Нанопористый суперутеплитель с нормальным давлением 0,015   0,11   Вакуумная теплоизоляция (кремнезём) 0,008   0,06   Вакуумная теплоизоляция (глубокий вакуум) 0,002   0,015

В таблице наглядно показано, что разумные границы по толщине наружной оболочки здания возможны только в том случае, если достигается существенный теплоизоляционный эффект с использованием утеплителей с низкими значениями коэффициентов теплопроводности. Для этого подходят все материалы, расположенные "ниже жирной черты" в таблице. Конечно же, комбинация с другими материалами возможна и во многих случаях необходима. Например: утепленная снаружи бетонная стена или монолитная стена из пенобетона с теплоизоляционными плитами из силиката кальция. Конструкция наружной оболочки будет тем тоньше, чем ниже коэффициент теплопроводности используемой теплоизоляции. Так для пассивного дома (в условиях Германии) при применении в качестве наружных стен блоков из прессованной соломы необходимая толщина составит около 50 см или более. При применении эффективных утеплителей (минеральная вата, пенополистирол, целлюлозная теплоизоляция) толщина теплоизоляции составит около 30 см. При использовании высокоэффективных утеплителей, таких как пенополиуретан, толщина теплоизоляции снизится до 20 см. Есть еще более эффективные виды теплоизоляции. Так, например, в Германии в настоящее время допущена к применению вакуумная теплоизоляция. С использованием вакуумных изоляционных панелей (ВИП) можно действительно получить очень эффективную и одновременно тонкую наружную оболочку. Также успешно себя зарекомендовал другой вариант - "полупрозрачная теплоизоляционная оболочка". При этом суммарная солнечная радиация абсорбируется не на поверхности оболочки, а проходит в глубину теплоизолированной конструкции, чтобы снизить разность температур и достичь низкого значения коэффициента теплопередачи U, эквивалентного требуемым значениям.

Опыт

Опыт строительства первых пассивных домов показал, что увеличение толщины эффективной теплоизоляции можно реализовать в большинстве случаев:

Во многих случаях при строительстве предусмотрена площадь под теплоизоляцию. Если площади не хватает или это требует больших финансовых затрат, то можно применить высокоэффективные теплоизоляционные материалы.

Применение увеличенной толщины теплоизоляции со строительной точки зрения не представляет никаких проблем. При правильном применении затраты на монтаж теплоизоляции едва ли выше, чем при меньших толщинах. Остаются только повышенные затраты на покупку большего количества теплоизоляции, но утеплитель является все же сравнительно не дорогим материалом. Как, на самом деле, выглядят конструкции оболочки пассивного дома с использованием различных материалов, будет показано на выставках, а также на экскурсиях по пассивным домам.

Все применяемые сегодня стандартные конструкции оболочки зданий в Германии адаптированы также и для пассивного дома. Это многообразие вариантов продемонстрировано в уже построенных пассивных домах. Существуют следующие варианты: кирпичная стена (двухслойная или со скрепленной теплоизоляцией (система теплоизоляции с тонким штукатурным слоем) или с навесным фасадом (фасадная система с вентилируемым зазором)), сборные строительные элементы из легких бетонов, сборные ж/б элементы, деревянные конструкции (классические или с использованием легких балок), несъемная опалубка, металлические конструкции и полупрозрачные элементы.

Результаты измерений в построенных пассивных домах показали, что эффективность использования увеличенной толщины теплоизоляции соответствовала ожиданиям. Низкие фактические значения теплопотерь совпадают с расчетными и, дома остаются теплыми даже при таких крайне низких величинах отопительной нагрузки. При тепловизионной съемке наружных стен изнутри здания на самом деле легко заметить высокие температуры на внутренней поверхности (смотри слева: тепловизионный снимок с внутренней стороны стены). Строительные элементы с увеличенным слоем теплоизоляции, применяемые в пассивных домах, имеют значительное преимущество в сравнении с обычными плохо утепленными или средне утепленными оболочками зданий.

Благодаря низким теплопотерям автоматически повышаются значения температур на внутренних поверхностях наружных стен зимой, даже без отопительных приборов. Благодаря этому разница между температурами излучения из различных направлений в помещении незначительна, что является хорошей предпосылкой для великолепного комфорта внутри здания. Высокие значения температур на внутренних поверхностях наружных стен приводят, кроме того, к уменьшению влажности на поверхностях строительных конструкций. При обычной эксплуатации жилых помещений в пассивном доме практически исключены повреждения строительных конструкций (вследствие их увлажнения) из-за высокой влажности внутреннего воздуха. Это было подтверждено также не практике.

В летнее время температуры на внутренних поверхностях наружных стен примерно совпадают с температурой воздуха в помещениях, т.е. она ниже, чем при плохо утепленных строительных конструкциях. При плохом утеплении тепло переносится снаружи во внутрь в большом количестве. При нестационарном режиме наружных ограждений хорошо утепленные конструкции имеют значительное уменьшение амплитуды колебания температуры уже при незначительном весе (например, двойной гипсокартон, как несущая часть). Такое уменьшение настолько значительно, что только благодаря этому достигается оптимальный температурный режим конструкции в летний период. Очень важной является продолжительная постоянная времени здания (инерционность здания). Она получается благодаря усиленной теплоизоляции и позволяет эффективно использовать открытые (без отделки материалами с низкими значениями теплоусвоения) внутренние поверхности массивных конструкций здания (стены,полы, потолки). Вследствие этого пассивный дом в Средней Европе можно достаточно охладить благодаря ночному проветриванию и эффективно держать прохладу в течение дня. Предпочтительно ограничивать нагрузку от солнечной радиации в благоразумных границах. "Летние условия" должны быть точно так же запроектированы, как и зимние. Для этого используется специальная расчетная программа Пакет проектирования пассивного дома (PHPP).

Строительные конструкции с усиленной теплоизоляцией больше сглаживают влияние тепловых мостов (по наружным размерам), чем стандартно утепленные, что особенно важно при санации старых зданий. Это противоречит общепринятому мнению, но доказано во многих случаях и доступно для понимания.Так как несущие конструкции и внутренний несущий слой (ограждающих) конструкций расположены за толстой теплоизоляцией, то они (за исключением стыковых и прочих соединений) находятся полностью в теплой области (т.е. их температуры практически равны внутренним температурам в помещениях). Тепловые мосты доопределенных размеров (толщин) наружной теплоизоляции не могут на это отрицательно повлиять. Но если даже большая часть конструкций холодная, то впроблемных зонах с дополнительными тепловыми мостами точка росы быстро недостигается. Само собой разумеется, что тепловые мосты приводят к дополнительным теплопотерям и в пассивных домах. Поэтому мы рекомендуем, вопреки высоким допустимым погрешностям, осознанно конструировать без тепловых мостов.

Данная страница подготовлена благодаря информационной поддержке Института пассивного дома г. Дармштадта (Passivhaus Institut Darmstadt) и по материалам автора статьи Вольфганга Файста (Wolfgang Feist).