Пасивний будинок

У галузі проектування та зведення садибних будинків за системою «пасивний  дім» показовим є досвід Німеччини (рис. 9, 11) . У наведених прикладах  великі вікна звернені на південь, що дає можливість не тільки отримати безкоштовну сонячну енергію, але  й сприяє хорошому природному освітленню приміщень як взимку, так і влітку.

Рис. 9 Особняк, запроектований за технологією "пасивний дім", арх. Мартін Ендхардт (Німеччина). Плани першого, другого  та третього поверхів

Рис. 10 Співвідношення А/V - площі огороджувальної поверхні до сумарного об’єму приміщень - для різних типів будинків

Рис. 11 Особняк, запроектований за технологією "пасивний дім", арх. Рейнхард Ціммерман (Німеччина). Загальний вигляд, плани  мансардного та першого поверхів

Для зменшення поверхні зовнішніх  стін також можуть бути використані  циліндричні, напівсферичні та інші нетрадиційні форми (рис. 12). У будівлях з великою загальною площею можна  отримати добре зорієнтований фасад, якщо у плані дім буде мати форму  або трикутника, або сегмента кола. При цьому менш сприятливі пропорції  між поверхнею та об’ємом компенсуються  більшою кількістю добре зорієнтованих  вікон (рис.13, 14).

Рис. 12 Житловий особняк напівциліндричної  форми: а) план першого поверху; в) план другого поверху; с) розріз

Рис. 13 Енергозберігаючий будинок  середини 80-х рр.:а) план першого поверху; в) план другого поверху; с) схема  дії

Рис. 14 "Пасивний дім" середини 90-х  рр.: а) план першого поверху; в) план другого поверху

«Температурне зонування»

Розташування приміщень  слід виконувати у такий спосіб, щоб була можливість використання ранкового  сонячного світла для освітлення кухні, спальні, зимового сонячного  світла - для вітальні, крім того доцільно використовувати підсобні приміщення та гаражі в якості додаткових північних  і західних буферних просторів. Значний  ефект має розташування теплиці  з південного боку від вітальні.

Потребу внутрішніх просторів  в обігріванні й освітленні легше  всього можна забезпечити у тому випадку, коли більшість приміщень  буде розташовуватися біля південного фасаду. Приміщення, що виконують різні  функції, потребують різного об’єму обігрівання та освітлення. Кухня, наприклад, під час приготування їжі значно нагрівається від працюючої плити, духовки або інших побутових  пристроїв. Якщо дім приєднано до центрального опалення, ця обставина  повинна враховуватися при розрахунку опалювальних батарей. Кухня - джерело  великої кількості пару, тому небезпеку  конденсації пару слід знижувати  шляхом обігрівання, теплоізоляції, вентиляції.

Спальня не потребує стільки  тепла, як вітальня або кабінет, адже цим приміщенням користуються вночі, коли тепло вкриваються. Якщо у спальні  сплять декілька чоловік, там підвищується рівень вологості і при цьому  також виникає небезпека випадіння  пару. Визначивши, які приміщення потребують більше тепла, а які – менше, площу  будинку необхідно розділити  на «температурні зони». Приміщення, які вимагають приблизно однакову кількість тепла, об’єднують в одну зону.

У найтеплішу, зорієнтовану на південь, зону доцільно включати такі приміщення: вітальню, їдальню, кабінет, дитячу кімнату (якщо дитина в ній  не спить, а займається та грається). У зону з середньою температурою, або у так звану «перехідну зону», поміщають коридори, кухню-їдальню, побутову кімнату тощо. До зони з  найнижчою температурою відносяться  приміщення, що виконують всі інші функції: спальні, гардеробна, ванна, туалет, кухня, комори, гараж, майстерня.

Рис. 15 "Пасивний будинок" з прямою системою сонячного обігрівання. Арх. Берндт. Плани першого (а) та другого (б) поверхів

Правильне розташування по «температурних зонах» дозволяє на довгі  періоди часу відключати тепло у  певних приміщеннях (наприклад, у спальнях на денний час). Проте двері між  окремими зонами повинні щільно зачинятися. У спеку не слід розкривати вікна, тому що при цьому тепле повітря  буде надходити в приміщення. Провітрювати кімнати краще у прохолодні ранкові  години та вночі. Існують два способи  формування «температурних зон». Перший варіант: різні зони у будинку  повністю ізольовані одна від одної, таким чином у кожному з  приміщень забезпечується бажаний  рівень температури. Проте, це буде дорого коштувати, оскільки на стіни-перегородки  та перекриття доведеться встановити теплоізоляцію, щоб тепло не переходило у більш прохолодні простори.

При другому варіанті, особливо у будівлях, де безпосередньо використовується сонячна енергія, стіни між приміщеннями практично взагалі відсутні. Це так  звані студії – квартири з єдиним простором. У такому будинку тепло  вільно перетікає з однієї зони у  іншу, а коливання температур урівноважується  шляхом розподілу приміщень.

При проектуванні «пасивного будинку» слід дотримуватися таких  правил:

1. Будувати з урахуванням  клімату та місцевих будівельних  традицій.

2. Добра інсоляція усієї  будівлі забезпечує зменшення  її енергетичних потреб.

3. Розташовувати отвори  та сонячні колектори з південної  сторони та правильно орієнтувати  будівлю.

4. Уникати затінення південного  фасаду будівлі.

5. Враховувати взаємний  зв’язок естетичних і технічних  сторін при проектуванні сонячних  колекторів і акумуляторів тепла.

6. Враховувати, що технічно  та конструктивно багаторазове  використання енергії завжди  знаходить застосування в домі (відпрацьована вода, освітлення  тощо).

7. Передбачати захист  будинку від холодного вітру  (деревами, схилами,тепловими буферними  зонами тощо).

8. Частково використовувати  підвальні приміщення в якості  теплових резервуарів, враховуючи  здатність землі зберігати тепло.

Оптимізація балансу теплонадходжень  і тепловитрат характерна і для  народної архітектури. Вплив кліматичних  факторів, пов’язаних з кількістю  сонячної радіації, переплітаючись з  традиційними способами організації  функціональних взаємозв’язків між  житловими та господарчими приміщеннями, проявився в об’ємно-планувальному  рішенні садиби. У міру переходу з холодної у більш теплу кліматичну зону змінюється ступінь компактності застосовуваних типів садибної забудови, а також характер її відкритості  у зовнішнє середовище (за матеріалами  Г. Казакова [3]).

Упродовж довготривалого еволюційного розвитку сформувалися певні  енергоекономічні традиції народної архітектури, до яких зокрема відносяться:

– орієнтація на південь  поздовжньої стіни та розташованих у ній основних віконних і дверних  отворів;

– застосування компактної форми основного житлового простору з можливим його одно-, двох- або навіть тристороннім оточенням господарчими або допоміжними приміщеннями, які  виконують роль теплових буферних зон;

– використання горища у  вигляді об’єму, який завдяки оптимальному нахилу схилів даху і найпростішій системі теплової рекуперації пічного  диму виконує подвійну роль теплового  акумулятора та буфера.

При проектуванні «пасивного будинку» слід забезпечити освітлення південного фасаду прямим сонячним світлом  з 9 до 15 годин у зимові місяці. Перешкоди  повинні бути відсутніми в межах 60° від географічного півдня від  південних кутів будинку по можливості та мінімально в межах 45° (рис. 16, 17). Для перешкод у межах цього  діапазону враховують такі фактори:

Рис. 16 Орієнтація "пасивного будинку"

Рис. 17 Кути сонячного затінення

– не повинно бути жодних перешкод узагалі в межах 3 м з  південного боку;

– невисокі огорожі повинні  знаходитися на віддалі більше 3 м;

– одноповерхові будівлі  можуть розміщатися на віддалі більше 5,5 м;

– двоповерхові будівлі  можуть розміщатися на віддалі більше 12 м.

З точки зору орієнтації велике значення має панівний напрямок вітру. У його напрямку слід проектувати  мінімальну кількість вікон і  дверей – навіть у тому випадку, якщо це уявляється сприятливим з  точки зору інсоляції, адже взимку отвори будуть збільшувати охолодження  будівлі.

Заглиблене житло

Задовольнити вимоги стандартів з енергетики буде простіше, якщо більша частина поверхонь, що огороджують  опалюваний простір, прилягатиме до ґрунту. Тому на похилому рельєфі буферну  зону часто роблять утопленою  у ґрунт, але нерідко застосовують і засипання, наприклад, на плоских  дахах, на яких висаджують рослини.

Будівлі, котрі за проектом розташовуються на плоскому рельєфі, можна  зробити придатними для проживання у тому випадку, коли конструкція  північної стіни буде мати посилену теплоізоляцію та хорошу герметичність, а вікна та інші отвори – мінімальну поверхню. Похилий рельєф дає кращі  можливості для усунення несприятливих  погодних впливів. Якщо схил звернений  на південну, південно-східну, південно-західну  сторони, то північну сторону будинку, використовуючи умови рельєфу, можна  повністю або частково «утопити»  в ґрунт. В Європі часто застосовується рішення, коли дах будівлі (скатний  або плоский) вкривається шаром  землі. Це ідеальна теплоізоляція як від охолодження у зимовий, так  і від перегрівання у літній періоди. На плоских ділянках використовується земляне підсипання, що імітує заглиблення у ґрунт.

Рис. 18 Рекомендоване розташування приміщень

Корисний енергозберігаючий  ефект заглиблених житлових будівель визначається захисною товщиною ґрунту. Влітку заглиблені споруди практично  не потребують охолодження повітря  в приміщеннях, тому що воно охолоджується  за рахунок віддавання тепла через  огороджувальні конструкції (підлога, стіни, покриття) ґрунтовому обсипанню. Спеціальні заходи можуть знадобитися  тільки в особливо спекотні періоди. Взимку ґрунтове обсипання значно зменшує  тепловтрати споруди за рахунок  створеного додаткового термічного опору, практичного виключення неконтрольованої інфільтрації холодного повітря  через нещільності огороджувальних  конструкцій, а також суттєвої зміни  амплітуди добових і сезонних коливань температури. У результаті заглиблені будівлі функціонують, як правило, в умовах сприятливого теплового  режиму, що сприяє їх збереженню. Таким  чином, зведення заглиблених будівель може стати одним із ефективних способів економії енергоресурсів, які витрачаються на забезпечення комфортного режиму приміщень. Крім того, заглиблені будівлі  надають унікальні можливості для  створення нових архітектурних  форм у міському середовищі. Досвід показав, що вартість будівництва заглиблених  і наземних будівель практично однакова, а економія енергії може складати від 30 до 60% від витрат енергії для  наземних будівель [8].

За характером об’ємно-планувального  рішення розрізняють чотири типи житлових заглиблених будівель: ті, які підвищуються; врізані у схил; наскрізного типу; з внутрішнім двориком (або атріумні).

Найбільш поширеними є  будівлі, які підвищуються (рис. 19). Їх зводять на плоскому або з малим  ухилом у південний бік рельєфі. Будівля повинна підвищуватися  над рівнем поверхні ґрунту не більше ніж на 30%.

Рис. 19 Заглиблена будівля, яка підвищується. План: 1 - ванна; 2 - технічне приміщення; 3 - кухня; 4 - їдальня; 5 - студія; 6 - ванна; 7 - спальня хазяїв; 8 - майстерня; 9 - загальна кімната; 10 - вхід; 11 - спальня; 12 - запасний вихід через світловий ліхтар. Розріз: 1 - їдальня; 2 - загальна кімната

Приміщення, в яких природне освітлення необов’язкове, розташовують у глибині будівлі. Там можуть також знаходитися кухні та їдальні, якщо вони запроектовані як частина  житлових приміщень. Для забезпечення необхідного світлового фронту споруду  доводиться «витягувати» у довжину.

Будівлі наскрізного типу (рис. 20) можуть мати не обсипані ділянки  по зовнішньому периметру будівлі, орієнтовані на різні сторони  горизонту, що дозволяє організувати освітлення та вентиляцію без додаткових зусиль. При цьому досягаються і більш  сприятливі протипожежні умови –  можливість організації запасних виходів. Разом з тим, скорочення периметру  засипання ґрунтом має несприятливий  вплив на енергозберігаючі якості споруди.

Рис. 20 Будівля наскрізного типу. План: 1 - спальні; 2 - майстерня; 3 - веранда; 4 - солярій; 5 - вхід; 6 - їдальня; 7 - кухня; 8 - технічне приміщення; 9 - автостоянка; 10 - загальна кімната; 11 - ванна. Розріз : 1 - автостоянка; 2 - житлова кімната; 3 - веранда

Будівлі, врізані у круті  схили, зводять при крутизні схила  до 500 за умови, що ґрунт має достатню несучу здатність. Планувальні рішення  будівель такого типу та підвищених будівель приблизно однакові.

Заглиблені будівлі з  внутрішнім двориком (атріумні) (рис.21) відрізняються тим, що їх приміщення групують навколо дворика. Безпосередньо  на нього виходять усі житлові  приміщення, що вимагають природного освітлення. Будівля може мати один або декілька двориків. Дворик може бути єдиною відкритою частиною споруди, тоді вхід у будівлю здійснюється через дворик, а весь зовнішній  периметр обсипається ґрунтом. Вхід може бути організований і по зовнішньому  периметру, тоді дворик використовується як елемент пасивної геліосистеми для  обігрівання будівлі. Атріумні будівлі  зручні для районів з жарким кліматом і можуть бути рекомендовані для  будівництва в умовах південної  зони України (АР Крим, Дніпропетровська, Запорізька, Кіровоградська, Миколаївська, Одеська, Херсонська області).

Рис. 21 Будівля з атріумом. План: 1 - ванна кімната; 2 - спальня; 3 - спальня  хазяїв; 4 - ванна кімната; 5 - житлова  кімната; 6 - гараж; 7 - вхід; 8 - їдальня; 9 - кухня; 10 - атріум; 11 - спальня. Розріз: 1- спальня; 2 - атріум; 3 - житлова кімната

Згідно з санітарно-гігієнічними вимогами, приміщення житлової будівлі  повинні мати природне освітлення та інсоляцію. Тому заглиблення житлових будівель обмежується можливостями влаштування вікон і ліхтарів, які забезпечують виконання згаданих вимог. Виходячи з можливостей освітлення, заглиблені будівлі зводять не більше одного–двох поверхів.

Розміщення теплиць  та інших накопичувачів енергії

Серед архітекторів і інвесторів все більшої популярності набуває  компонування житлового будинку  із заскленими буферними зонами –  зимовим садом (рис. 22), верандами, лоджіями та теплицями. Таку тенденцію підтримують  проектні й виконавчі фірми, пропонуючи естетично виконані присадибні теплиці. Запроектована та розташована належним чином теплиця може забезпечити  до 50% потреб будинку в опаленні.

Рис. 22 Серія садибних мансардних будинків з зимовими садами різних розмірів і форм. Арх. Г. Казаков

У випадку, коли планують включити у проект теплицю, попередньо необхідно  визначити головну функцію даного приміщення. Проектні вимоги для продовольчої теплиці, житлового приміщення та допоміжного  сонячного нагрівача різні, хоча можна побудувати теплицю, у якій було б об’єднано всі три функції. Розташовувати тепли цю доцільно з південного боку. Якщо вона має  засклений дах, у ньому слід використати  тепловідбиваюче скло для запобігання  перегрівання у літній час. Площа теплоакумулюючої маси, розташованої у теплиці, повинна приблизно у три рази перевищувати площу засклення.