Как да използваме пасивните техники за летен комфорт

Когато говорим за енергийна ефективност в сградите и в частност в еднофамилни къщи основният акцент е намалението на консумираната енергия за отопление. Това е логично, тъй като тя има най-голям дял в общите годишни енергийни разходи. За осигуряване на по-голям комфорт на обитаване и през лятото все повече домакинства монтират климатици. В сградите с нежилищно предназначение, където топлинните печалби могат да достигнат много по-големи нива, оборудването с охлаждаща техника е неизбежно.

Наистина ли охлаждащите системи са единствено възможния вариант за осигуряване на прохлада през лятото и дали използването им навсякъде и винаги е наложително при нашия климат? Не и когато се използва правилна комбинация от пасивни охлаждащи мерки още на фаза проектиране на нови сгради или реновация на съществуващи. Дори и когато пълният набор от пасивни мерки не може да се осъществи поради функционални или архитектурни причини и така да се елиминира необходимостта от охлаждащи инсталации, пасивното охлаждане значително намалява необходимата енергия за захранване на охладителната техника.

В широк смисъл пасивни са такави сгради, за отоплението и охлаждането на които се използват външни природни източници (например слънчевата светлина) и т.нар. кладенци (хладният нощен въздух). При тях не се включват каквито и да било механични системи.

В тесен смисъл пасивната сграда е такава, чийто комфортен вътрешен климат може да бъде поддържан без активни отоплителни или охладителни системи (Адамсън 1987 и Файст 1988) при лимитирана консумация от 15kWh/m2* годишно специфична енергия за отопление и вентилация и съответно 120kWh/m2 годишно за общото първично енергийно потребление за всички нужди - отопление, вентилация, битова гореща вода, домакински и допълнителни електроуреди. В този случай говорим за стандарта пасивна сграда, разработен в Германия, при който се използват пасивни техники за отопление и охлаждане, но и механични системи – вентилация за гарантиране на комфортна среда, механични и електрически устройства за контрол на пасивните мерки.



Критерии за постигането на стандарта Пасивна сграда са:

•    Пасивни архитектурни мерки – подходяща ориентация спрямо посоките на света, компактна форма, засенчване;

•    Външна плътна обвивка на сградата с коефициент на топлопреминаване  (U-стойност) < 0.15 W/(m²K);

•    Елиминиране на топлинните мостове;

•    Остъкления (комбинирано стъклопакет и прозоречните профили) U-стойност < 0.8 W/(m²K) с коефициент за слънчеви печалби G около 50%;

•    Въздухопроницаемост на сградата 0,6 пъти нейния обем при разлика в наляганията на въздуха вътре и вън от 50 Ра;

•    Вентилационна механична система с усвояване на топлината от отработения въздух (рекуперация) с КПД над 80%;

•    Енергоефективни електроуреди и опция за използване на ВЕИ.

Този пакет от изисквания е насочен към това да се сведат до минимум загубите на топлина през сградната обвивка и да се използват по възможно най-ефективен начин топлинните печалби от външни (слънцето) и вътрешни (домакински електроуреди) източници. За да не попречи обаче оптимизацията на топлинните печалби през зимата на осигуряване на прохлада през лятото, трябва да се вземат някой мерки, които се използват и при широкото разбиране на пасивни сгради, а именно пасивния дизайн.

Топлотехническите калкулации и реализираните пасивни сгради в горещ климат (Севиля, Лисабон, Палермо) показват, че това не е пречка. Гаранция за минималния разход на енергия за осигуряване на комфортна среда за обитаване както през зимата, така и през лятото е топлоизолацията. Нейната функция е да намали топлопреминаването, което е в посока от места с по-висока към такива с по-ниска температура.

За постигане на коефициент на топлопреминаване, отговарящо на стандарта пасивна сграда за стените се използват изолационни материали с дебелина от 20 - 25 cm, при масивно строителство и 25-30 cm при леки скелетни конструкции. Дебелините варират според топлоизолационните свойства на използваните материали, които могат да са в широки граници (коеф. на топлопроводност 0,024 < λ< 0,045 W/mK). Най-голям топлинен товар през лятото обаче се получава при покривите, заради високо стоящото лятно слънце. Затова и при покривните конструкции дебелините на използваните изолации са над 30 cm.

След като сме си гарантирали минимално топлопреминаване чрез топлоизолацията идва ред на техниките за „борба” с топлинните печалби.
Архитектурните мерки на пасивния дизайн предполагат такова разположение на сградата спрямо посоките на света, че възможно най-голяма част от фасадата и покрива да имат изложение, позволяващо максимално слънчево огряване. Сградите обикновено се ситуират, така че най-голямата им площ да гледа на юг с отклонение от 20оC. На южната фасада се пада и най-голям дял от остъкленията, които могат да достигнат и 40 % от общата й площ.

Има няколко прости мерки, с които да се редуцират топлинните печалби през лятото. Всъщност преди появата на охладителната техника, хората са използвали в продължение на хилядолетия естествени мерки, които са били интегрирани в сградостроителните практики и днес поради високите енергийни разходи се налага да бъдат включени отново в проектирането и изпълнението на комфортни сгради.
Използването на светли цветове за фасадата, покрива и слънцезащитните елементи може да намали повърхностната температура, която при тъмни цветове лесно може да надхвърли 70 оС. Особено полезно за намаляване на температурните разлики е изпълнението на зелени покриви, които освен от топлотехническа са полезни и от екологична гледна точка. Препоръчва се също, когато е възможно, пространствата около сградите да не са с плътни настилки, акумулиращи слънчевата енергия.

Според изследване на Комуналната компания на щата Аризона в една сграда, изолирана според текущите стандарти, навлизащата през прозорците топлина през лятото е половината от всички топлинни печалби. В пасивните сгради тъй като топлинните печалби през плътната част на сградната обвивка и поради инфилтрация имат значително по-малък дял (виж изискванията за ПС), естествено се увеличава влиянието на навлизащата през остъкленията топлинна енергия. Първата стъпка за редуциране на влиянието й е правилен подбор на стъклопакета, така че да се получи приемлив баланс между запазване на топлината (U-стойност) < 0.8 W/(m²K)  и пропускане на енергията в спектралния диапазон, който носи топлинни печалби соларен фактор SF от около 0,5-0,6.

Ефективен и икономичен начин за намаляване на топлинните печалби през прозорците в летния период е добре познатото засенчване. То се основава на разликата в ъгъла, под който слънчевите лъчи огряват земната повърхност в различните сезони. За София например този ъгъл е 21о в началото на януари и 63о през юни и юли. Това означава, че ниското зимно слънце ще прониква дълбоко в помещенията и ще генерира топлинни печалби, а през лятото големия ъгъл, под който падат лъчите, ще нагряват предимно покрива и много малка част ще навлиза през остъкленията. Неизползването на този прост подход при пасивния дизайн е равносилно на това готварска печка да работи няколко часа на ден.

Препоръчва се засенчването да се извършва с комбинация от подходящо залесяване и външни слънчезащитни елементи. За южните изложения са подходящи широколистните видове. Тъй като клоните продължават да правят известно малко засенчване и през зимата, а тогава стремежът е към максимизиране на топлинните печалби от слънчевата светлина, то оптималното засаждане на дърветата е с 30 - 35 градуса от идеалния юг.

Изборът на  слънчезащитните елементи трябва да се съобрази с пътя на слънцето, за да е най-ефективен. За южно остъкление, най-адекватни са фиксирани хоризонтални елементи – сенници, навеси, тенти, архитектурни профилни елементи. Правилното изчисление на дълбочината и ширината им е достатъчна предпоставка да се гарантират и зимните топлинни печалби. При едноетажни сгради достатъчно дълбоката стреха може да осигури необходимата сянка през лятото. Засенчването при западно и източно изложение е по-трудно заради ниското сутрешно и следобедно слънце. Оптимални за тези изложения са подвижните елементи – сгъваеми или плъзгащи екрани; вертикални, хоризонтални или ролетни щори, капаци. Дълбоки веранди или перголи могат да бъдат добро решение. Не трябва да се пропуска да се закрият и всички остъкления на покрива, например мансардни прозорци, оберлихти.

В сградите, изградени по стандарта пасивна къща има механична вентилационна система и високо ниво на въздухонепроницаемост. Не само в пасивните, но и във всички добре изолирани сгради механичната вентилация е предпоставка за доброто качество и влажност на въздуха. В летните горещини обаче естествената вентилация е ефективна и икономична стратегия за намаляване на разходите за охлаждане. Тя представлява отваряне на вратите и прозорците в подходящи моменти съобразени с външната температура и ветровете и може да бъде осъществена лесно и в пасивните сгради, тъй като те не са затворена система и могат да си взаимодействат с околната среда при съответни подходящи климатични условия. Възможността за използване на естествената вентилация, като част от пасивните охлаждащи мерки разбива мита, че прозорците в пасивните сгради не се отварят.

Естествената вентилация действа като използва разликата в температурите нощем и денем и е особено ефективна, когато тя е около и над 10о С при нормална влажност на въздуха. В България дори в най-горещите летни дни такива условия са налице.

Когато се отворят прозорците от две противоположни страни на сградата се получава т.нар. „кръстосана вентилация”, която използва зоните на високо и ниско налягане образувани от вятъра и вкарва студен нощен въздух в помещенията, който спомага за извеждане на акумулираната през деня топлина и ги охлажда.

Естествена вентилация има и при т. нар. „ефект на комина”, който използва правилото, че топлият въздух се издига нагоре, като в комин. В този случай трябва да се осигури навлизане на хладен въздух от долните помещения и подходящи изходящи отвори – прозорци или отвори на покрива в горната част на сградата.

В помощ на естествената вентилация могат да бъдат различни вертикални панели или съществуващите слънцезащитни елементи, които разположени около позорците, пенпендикулярно на стената от подветрената страна на сградата насочват хладния бриз в желаната посока. В случаите когато силата и посоката на вятъра не е достатъчна за максимално използване на топлоотдаването чрез естествена вентилация могат да се използват обикновени вентилатори, монтирани на стратегически места.

За правилната работа на естествената вентилация има още един фактор – термомасата. Това е способността на материалите да абсорбират топлинна енергия. Много енергия е необходима за промяна на температурата на материали с голяма плътност като бетона и тухлите (затова те имат голяма термомаса, а леките материали като дървото имат малка термомаса). Правилното използване на конструкции с голяма термомаса отлага топлопреминаването през сградната обвивка с 10-12 часа, така, че къщата да е по-топла през студените зимни нощи и по-хладна през горещите летни следобеди. Тя действа като батерия, която абсорбира топлината през деня. От това къде ще бъдат разположени акумулиращите материали зависи ефективността на въздействието им. По-добре изолираната сградна обвивка означава по-добро влияние на термомасата. В климат с големи температурни разлики през зимата и лятото, какъвто е българският, ефекта на термомасата трябва да се използва както през лятото, така и през зимата, като препоръчителните места за разполагането й са фундамента и междуетажните плочи, в помещенията с южно изложение, където са най-големите топлинни печалби.

За да се изчерпят всички основни техники на пасивното охлаждане трябва да се споменат още две техники, които са по-подходящи за климат с горещо лято, но и мека зима.
За изпарението на водата е необходима значителна енергия, част от нея се осигурява от топлинната енергия на околната среда и по този начин се получава охлаждане. Това е принципът на охлаждането чрез изпаряване. Пасивното прилагане на тази техника предполага разполагане на водни площи в близост до прозорците, за да охлаждат предварително навлизащия в помещенията въздух. Активни система за охлаждане чрез изпарение по същество представлява вентилатор с разположени пред него овлажняващи се вложки. Вентилаторът засмуква горещ въздух от вън през вложките и нагнетява вече охладения въздух в помещенията.

Земно охлаждане представлява свързване на термомасата на сградата със земната повърхност, която запазва относително постоянна температура, по-ниска от околната температура през лятото и по-висока през зимата. За Пловдив например, през лятото температурата на почвата е около 23оС на дълбочина 0,5 m; 19оС – на 2 m и 16оС – на 4 m. Така през горещия период термомасата (бетоновият фундамент) отдава абсорбираната температура. Земното охлаждане в модифициран вид се използва и в пасивните сгради. Тъй като през зимата климатът в България е суров и от неизолираните основи на сградата могат да се получат големи топлинни загуби, под основата на сградата може да се постави прост топлообменник земя-въздух, свързан с вентилационната система. Чрез него преди да постъпи в сградата въздухът се охлажда в почвата и така получаваме свеж приток с температури по-ниски от стайните.

В някой случаи осигуряването на лятната прохлада само с пасивен дизайн и стандарта пасивна сграда може да се окаже предизвикателство. Една от причините е субективният фактор на усещането за комфорт, за едни то може да е 23оС, за други 25оС при различна относителна влажност на въздуха. Освен това осъществяването на пасивните мерки в голяма степен зависи от начина на живот и дисциплината на обитателите. Те трябва да спускат щорите и да затварят прозорците сутрин и да ги отварят вечер, като прекъснат действието на механичната вентилационна система. Друг момент са капризите на времето, които не могат да се предвидят и в случаи на гореща вълна, когато в продължение на няколко дни има извънредно високи температури, слънцезащитата и нощната естествена вентилация не са достатъчни. Има и случаи, в които прилагането на пасивните техники за охлаждане е ограничено. Например в градовете ефективна нощна вентилация може да е трудно постижима заради шума, поради който обитателите предпочитат да държат прозорците си затворени или когато температурната амплитуда нощем-денем е намалена заради т. нар. „горещи острови” –  места с голяма термомаса (улици, площади, плътно застрояване без зелени площи). Възможно е и сградите да са с такава функция, че да генерират големи топлинни печалби (офиси, търговски комплекси), които не могат да се компенсират с пасивен дизайн.

Ето защо след редица измервания и анализ на стратегиите за пасивно охлаждане при горещ климат физиците от Пасив Хаус Институт – Дармщат ревизират енергийните изисквания. В случаите, когато охлаждането се осигурява само с пасивни техники изискването за нетна консумирана енергия за отопление и охлаждане остава 15 kWh/m2a. Когато се използват активни охлаждащи системи, пасивните къщи се верифицират при 15 kWh/m2a нетна енергия за отопление и още 15 kWh/m2a енергия за охлаждане. И в двата случай общата нетна енергия остава 120 kWh/m2 годишно.

Климатичните особености в България позволяват пасивните охладителни техники да бъдат достатъчно ефективни за осъществяване на стандарта пасивна сграда. Използването на пасивен дизайн за охлаждане – слънцезащита и естествена вентилация, в комбинация с добре изолирана сградна обвивка е предпоставка за комфорт и в конвенционалните сгради. Тогава се редуцира големината на инвестицията механични охладителни уреди и се намалява количеството консумирана енергия.

Светла Бонова