Экологический дом

Человек постоянно повышает уровень комфортности своего жилища, используя для этого достижения науки и техники. Можно сказать, строительство "домашнего очага" - одна из наиболее восприимчивых к новациям отраслей. К тому же, требования к современному жилью столь высоки, что без использования самых совершенных технологий и материалов их не удовлетворить.

Помимо этого, внедрение современных строительных материалов и наукоемких технологий способствует снижению себестоимости работ, повышению производительности труда, а значит - повышению рентабельности отрасли в целом. Вот почему развитие стройиндустрии - это процесс постепенного вытеснения природных материалов синтетическими (искусственные полимеры и композиты). Вступает ли эта тенденция в противоречие с совершенствующимися требованиями экологической безопасности?

Полимерная революция в стройиндустрии

В ХХ веке благодаря достижениям науки в стройиндустрию пришли продукты высоких технологий - полимерные материалы. Из полимеров изготавливают детали машин и оборудования. Они используются в качестве вспомогательных компонентов (катализаторов, стабилизаторов, наполнителей, вспенивающих агентов и др.), которые значительно усиливают функциональные свойства привычных строительных и отделочных материалов. Они входят в состав многих отделочных материалов, а такие сектора современного строительства, как гидро- и теплоизоляция, просто немыслимы без продукции химии полимеров. Не последнюю роль играет то обстоятельство, что синтетические материалы, вытесняя природные, отчасти способствуют их сохранению.

Показателен пример поливинилхлорида - одного из старейших искусственных материалов. Впервые он был получен в лабораторных условиях еще в 1835 году французским горным инженером и химиком Анри Виктором Реньо. Однако промышленное применение ПВХ началось лишь спустя сто лет. Такие качества поливинилхлорида, как низкая теплопроводность, высокая химическая стойкость, долговечность, были по достоинству оценены, и после Второй мировой войны началось массовое применение ПВХ в изготовлении труб, профилей, покрытий для пола, пленок, кабельной изоляции и множества других изделий.

С тех пор популярность этого материала, правда, различными темпами в разных странах, непрерывно растет. Примерно половина изготавливаемого в мире ПВХ используется для производства строительных изделий, другая половина - упаковочные материалы, электротехника, бытовые изделия, транспорт и пр. ПВХ широко используется в медицине, из него изготавливают емкости для жидкостей, капельницы и многое другое.

Сырьем для производства ПВХ служат каменная соль и нефть, причем на это идет менее одного процента добываемой в мире нефти. Кстати, специалисты отмечают, что в последнее время взамен нефтяных фракций все большее использование находит газовый конденсат. Так что это действительно яркий пример того, как появление искусственных материалов способствует сохранению природных ресурсов, в частности, хвойных и широколиственных лесов. Ведь дерево - материал, из которого традиционно изготавливались окна и двери до появления оконных систем из ПВХ-профиля.

Экологически чистые строительные материалы

Развитие технологии каждого современного материала немыслимо без совершенствования экологической составляющей. Так, древесно-стружечная плита (ДСП), которая позиционируется как продукт более дешевый, влагостойкий и долговечный по сравнению с материалами из цельной древесины, на старте технологии ее производства служила негативным экологическим примером. Для производства ДСП в качестве связующего звена еще несколько десятилетий назад использовались токсичные фенолформальдегидные смолы, в больших количествах выделявшие свободный формальдегид. Однако им на смену пришли безопасные карбамидо-фармальдегидные связующие, уровень мономерного формальдегида в которых пренебрежимо мал. Кроме того, современные виды ДСП с ламинированным покрытием из ПВХ позволяют полностью исключить выделение формальдегида.

Экологический аспект производства полимеров и, в частности, ПВХ всегда был в центре внимания общественности. Это обстоятельство оказало серьезное влияние на его развитие и совершенствование. В результате исследований и инженерных разработок, активно осуществлявшихся в 70-е годы, были резко снижены выбросы мономера винилхлорида (из которого образуется поливинилхлорид) в окружающую среду. Сегодня производство ПВХ в Европе - одно из самых экологически чистых. Австралийский независимый институт научных и промышленных исследований "GSIRO" по результатам проведенных в 1997 году исследований опубликовал официальный доклад, в котором содержится вывод, что ПВХ является "экологически чистым строительным материалом... и отрицательное воздействие строительных ПВХ-материалов не больше, чем у других строительных материалов".

В то же время постановка проблемы стимулировала бурное развитие технологии утилизации отходов в Европе. Сегодня в Европе большая часть отходов ПВХ перерабатывается, а не сжигается. Современная наука рассматривает проблему переработки отходов ПВХ многосторонне, учитывая многокомпонентный состав полимерных композиций, источники образования отходов, опасность, которую представляют данные отходы для окружающей среды и те продукты, которые можно получить при переработке ПВХ различными методами. Так, отходы производства окон из ПВХ и конструкции, отслужившие свой срок, поступают в центры переработки, где их отделяют от прочих материалов, перемалывают и снова пускают в технологический процесс.

Другое направление переработки отходов ПВХ - так называемый химический и химико-термический рециклинг. Разработано несколько методов, позволяющих использовать хлор, находящийся в полимерной цепи ПВХ, и использовать его для образования других соединений. Так, применяется метод рециклинга, позволяющий поэтапно извлекать из полимерной композиции ее компоненты. При нагревании до температур порядка 130-160?С сначала происходит испарение пластификатора, затем извлекается хлористый водород, а на третьем этапе - смесь углеводородов, которые можно использовать в дальнейшем.

Скачок вперед

Логическим продолжением тенденции максимальной экологизации производства стал отказ от использования в составе ПВХ стабилизаторов свинца. Напомним, что ПВХ без специальных пластифицирующих и стабилизирующих добавок не может использоваться как конструкционный материал. Именно благодаря стабилизаторам он противостоит таким неблагоприятным факторам, как температурные колебания, ультрафиолетовое излучение и т.п. Модификаторы делают его прочным и эластичным. Здесь следует несколько слов сказать о том, что профили из ПВХ, в составе которых есть свинцовые стабилизаторы, абсолютно безопасны для потребителя, поскольку свинец здесь находится в связанном состоянии и не вступает во взаимодействие с окружающей средой. В данном случае речь идет о большей безопасности производства ПВХ и его рециклинга.

Дискуссия о стабилизации изделий из ПВХ с помощью солей свинца ведется с 80-х годов ХХ века. Уже в то время промышленность развитых стран начала разработки альтернативных стабилизирующих систем, безопасных для человека и окружающей среды. При этом использовались научные данные и опыт применения кальциево-цинковых соединений, которые хорошо себя зарекомендовали в производстве бутылок для минеральной воды, упаковки для продуктов питания и фармацевтики. Не так давно ведущие представители европейской ПВХ-индустрии (производители профиля, стабилизаторов и т.д.) выступили с предложением полностью исключить использование свинца в промышленности. Эта инициатива была поддержана Комиссией по охране окружающей среды Евросоюза.

В частности, принято постановление о том, что до 2006 года производители ПВХ-профиля должны значительно сократить применение свинцовых соединений. А к 2015 году должен быть принят закон о полном запрете использования свинца. В некоторых европейских странах, таких как Дания, Австрия и Швейцария, полный запрет на свинец уже введен. Первыми, весной 2004 года, на новую бессвинцовую технологию производства ПВХ перешли все заводы международного концерна profine GmbH и входящей в него марки КБЕ - лидера рынка пластикового профиля для окон и дверей в России. Специалистами концерна была разработана рецептура стабилизации "КБЕ green line" на основе экологически безопасного соединения кальций-цинка (CaZn).

Надо отметить, подобные подходы минимизации вреда окружающей среде и здоровья человека разработаны и для других типов полимеров - полиуретанов, пенополистирола, полипропилена, искусственных каучуков и многих других материалов, используемых в строительстве. Стройиндустрия, как и промышленное производство, все в большей степени подвергается жесткому экологическому контролю со стороны специализированных институтов и со стороны общества. Поэтому перспектива дальнейшего развития предприятий связана с их способностью гибко реагировать на современные экологические требования.

Экологически чистый дом будущего - уже сегодня

Термин "пассивный дом" появился в русском строительном лексиконе всего несколько лет назад. В пассивном доме расход энергии на отопление сводится к минимуму благодаря использованию внутренних источников тепла, современных энергосберегающих технологий и высокоэффективных теплоизоляционных материалов.

Надо отметить, концепция здания, не нуждающегося в мощной системе отопления, уже нашла в нашей стране благодатную почву. В самом деле, низкая энергоэффективность существующих зданий и огромные расходы энергоресурсов на отопление являются для России источником множества экономических и социальных проблем. Самая очевидная тому причина - тарифы на все виды энергоресурсов растут гораздо быстрее доходов населения.

В связи с этим задача сокращения расходов на отопление становится все более актуальной как для российских домовладельцев, так и для муниципальных властей. С другой стороны, концепция пассивного дома привлекает еще и тем, что в ней заложена сильная природосберегающая компонента. Благодаря разумному использованию внутренних источников энергии и применению экологически чистых материалов пассивный дом не несет опасности окружающей среде и здоровью человека. То есть идея "пассивного дома" развивается на пересечении роста экологического сознания и вполне конкретного стремления сократить расходы. Но насколько она реализуема в отечественных условиях?

Принципы и подходы

Пассивный дом - это, в первую очередь, комплексный подход к энергосбережению жилища. Более 20 лет назад американский исследователь Дэвид Opp разработал концепцию здания, отвечающего самым высоким требованиям экологичности и энергоэффективности. Основные составляющие пассивного дома таковы:

* применение материалов и конструкций с максимальным сопротивлением теплопередаче для сокращения непродуктивных потерь тепла;

* организация приточно-вытяжной вентиляции с применением рекуператоров, использующих тепло выбрасываемого воздуха для обогрева, поступающего извне;

* использование природных источников энергии для отопления и горячего водоснабжения (энергии солнца, ветра, термальных подземных источников).

Красивой иллюстрацией пассивного дома служит солнечный дом, который отличает большая площадь остекления окон с южной стороны и солнечные батареи на крыше, аккумулирующие энергию для хозяйственно-бытовых нужд. Почему пассивный дом обходится без отопления? Это становится возможным благодаря рациональному использованию источников тепла и энергии самого дома и окружающей его территории. Источников тепла в жилом доме немало - это кухонная плита, работающие бытовые электроприборы, лампы освещения. Выделяют тепло люди и животные.

Например, спокойно сидящий человек имеет тепловую мощность 120 ватт. Суммарно эти тепловыделения достигают немалых величин, сравнимых с мощностью систем отопления. По отечественным строительным нормативам рекомендуется принимать внутренние тепловыделения в жилых домах на уровне 10 вт/кв.м (против 50-80 вт/кв.м систем отопления), на практике они могут быть и больше. Их достаточно для "отопления" наших жилищ в период до достижения среднесуточными температурами значения в 8 С, ниже которого включается система отопления.

Практический опыт

Наибольшим практическим опытом реализации проектов пассивных домов обладают страны Западной Европы, и в первую очередь, Германия. Именно здесь был построен первый в Европе пассивный дом, отличительными признаками которого были:

* непрерывная изолирующая оболочка здания из высокоэффективных теплоизоляционных материалов;

* современные оконные системы;

* механическая приточно-вытяжная система вентиляции с рекуперацией тепла уходящего из помещений воздуха;

* грунтовый теплообменник для предварительного подогрева воздуха с использованием тепла грунта.

Годовой расход тепла такого дома составляет менее 15 квтч/куб.м. Для сравнения, на отопление российских домов требуется до 300 квтч/куб.м год. На настоящий момент более 4000 зданий по всей Германии признаны соответствующими критериям пассивного дома. Одним из примеров общественного сооружения, построенного как пассивный дом, является здание компании Wagner und Co. Теплоизоляция фасадов и крыши выполнена с использованием высокоэффективных теплоизоляционных материалов, применено тройное остекление. Воздухообмен осуществляется вентиляционной установкой с рекуперацией тепла. В качестве источников электрической и тепловой энергии используются солнечные коллекторы, фотобатареи и мини-блочная ТЭЦ на газе.

От домов с низким энергопотреблением (где за счет повышенной теплоизоляции достигается экономия затрат энергии) пассивный дом эволюционировал в дом добавочной энергии и даже в дом как источник доходов - поистине чудеса энергосбережения! В данном случае установленные на доме модули солнечных батарей или коллекторов производят больше энергии, чем расходуют. "Излишки" электричества поступают в местную электросеть. Энергоэффективные дома, по сути, становятся европейским стандартом. В ряд ключевых показателей, оцениваемых при выборе жилья, наравне с ценой квадратного метра, вошло удельное теплопотребление. Часто, для лучшего понимания, киловатты на квадратный метр в год переводят в цифры расхода топлива.

Так, например, появился термин "трехлитровый" дом. На отопление 1 м2 площади такого дома расходуется всего 3 л жидкого топлива в год. Это в 2,5 раза меньше по сравнению с действующими в Германии нормами энергопотребления. Воплощение в жизнь концепции пассивного дома на российской земле сталкивается с рядом трудностей. Простое заимствование проектов и технических решений, реализованных в Германии или странах Скандинавии невозможно из-за большого различия климатических условий. Тем не менее, отдельные принципы энергосбережения реализуются сегодня во множестве проектов по всей России.

В качестве примера из отечественной практики можно привести экспериментальный 16-этажный дом, построенный в московском районе Никулино. Система горячего водоснабжения в этом здании не зависит от центрального теплоснабжения: ее работа основана на использовании низкопотенциального тепла грунта. В системе механической вентиляции применяется тепло вытяжного воздуха. В результате расход тепловой энергии на нужды отопления, горячего водоснабжения и вентиляции такого дома на треть меньше, чем в домах типовых серий.

Энергоэффективные материалы и конструкции в действии

Как было отмечено выше, одним из фундаментальных принципов "пассивного дома" является использование материалов и технологий, радикально сокращающих непродуктивные потери тепла через ограждающие конструкции (стены и кровлю). И приоритет здесь отдается специально разработанным и подобранным многокомпонентным фасадным и кровельным системам, одними из важнейших компонентов которых являются высокоэффективные теплоизоляционные материалы. Для теплоизоляции стен наиболее эффективными и долговечными признаны системы наружного утепления здания. Это вентилируемые навесные фасады и системы фасадного утепления со штукатурным слоем. На данный момент разработано немало фасадных систем на основе таких современных теплоизоляционных материалов как каменная вата. В России адоптация подобных систем происходит довольно успешно - достаточно лишь рассчитать необходимую толщину теплоизоляционного материала для конкретных климатических условий.

Но применение современных систем фасадного утепления не решает полностью проблему теплопотерь. Как считают эксперты, наиболее слабым в этом смысле участком стены являются окна - на них приходится около 30-40% суммарных теплопотерь дома. Поэтому в концепции пассивного дома важное место занимает использование оконных систем с высоким уровнем теплозащиты. Современные светопрозрачные конструкции не только изготавливаются из материалов с низкой теплопроводностью (в первую очередь, ПВХ - поливинилхлорида), но и конструктивно устроены так, чтобы обеспечивать максимальную теплозащиту. Для этого предусмотрены герметичные стеклопакеты, не менее двух контуров уплотнений между рамой и створками, а также наличие воздушных камер в профилях, из которых собираются окна.

Надо отметить, для использования в пассивных домах в климатических условиях Германии вполне подходят пятикамерные системы с монтажной шириной профиля 70 мм, обладающие высокими показателями по тепло- и шумоизоляции. В таких оконных системах можно не только применять энергосберегающие стекла, чтобы достичь еще более высокой теплоизоляции, но и просто установить стеклопакет большей толщины (до 42 мм). Однако для суровых российских условий этого может быть недостаточно. Для максимальной теплозащиты специалистами рекомендуются оконные системы с так называемой "широкой" рамой.

В частности, в ряду последних разработок КБЕ (крупнейшего поставщика оконного и дверного профиля из ПВХ в России) есть оконная система с монтажной шириной рамы 127 мм и створки 70 мм. Данная система создана на основе хорошо себя зарекомендовавшей в российских регионах оконной системы "КБЕ Эксперт". Не стоит забывать и о сокращении потерь тепла через конструкции фундамента. Для этого еще на этапе котлована предусматривается создание непрерывного теплоизолирующего контура, предотвращающего контакт фундамента непосредственно с грунтом.

В потоке воздуха

Мы подошли к такому важному аспекту, как обеспечение воздухообмена с минимальными теплопотерями. По разным оценкам, от 30 до 70% потерь тепла приходится на традиционную для российских домов вытяжную вентиляцию. Непременным атрибутом пассивного дома является контролируемый воздухообмен, обеспечиваемый приточно-вытяжными устройствами с рекуператорами. Принудительная вентиляция позволяет возвратить до 90% тепла уходящего воздуха. Достигается это посредством установки теплообменника, где и происходит нагревание поступающего свежего воздуха теплом уходящего.

Современное оборудование, помимо рекуперации тепла, может улучшать гигиенические характеристики воздуха - не только выполнять обеззараживание и дезинфекцию, но и озонировать его. Кроме того, современные системы вентиляции, оснащенные автоматикой, регулируют температуру и расход воздуха, переходят в экономный режим работы в случае отсутствия людей в помещении и пр. Такое повышение интеллектуального коэффициента пассивного дома сближает его с "умным домом", где автоматика регулирует работу всех инженерных систем в соответствии с заданными параметрами, причем с использованием дистанционного управления.

Контроль и регуляция

Пересечение концепций "пассивного" и "умного" дома происходит и в направлении регулирования подачи тепла и горячей воды от нескольких источников. В частности, использование энергии солнца и термальной энергии подземных источников. В "умном доме" осуществляется автоматическая координация работы различных источников тепла и нагрузок. Наиболее часто на практике встречается комбинация отопительного котла с солнечной тепловой установкой, которая служит обычно для приготовления горячей воды для бытовых нужд. Задача регулирования такой системы состоит в настройке регулирующих приборов с тем, чтобы в наибольшей мере использовать солнечное тепло.

И только в том случае, когда его недостаточно, включаются использующие дорогие источники тепла (газ или мазут) отопительные котлы. При этом у владельца сохраняется возможность некоторого дистанционного управления, например, перед возвращением из отпуска по телефону перевести систему в режим комфортного отопления. Дальнейшие перспективы развития "пассивного дома", очевидно, будут связаны с более широким использованием возобновляемых источников энергии. Уже сегодня одним из направлений реализации энергосберегающей политики многих европейских стран (в частности, Германии) является развитие технологий использования нетрадиционных источников энергии. Планируется к 2010 году увеличить в два раза использование альтернативных источников энергии. Таких, например, как биореакторы, которые из органической массы (зерновые культуры, силос и пр.) вырабатывают метан, идущий на отопление дома.

Будущее начинается сегодня

Итак, многие составляющие концепции пассивного дома вполне реализуемы в России. Так, при реконструкции жилого фонда уже успешно применяют технологии, способствующие повышению энергоэффективности зданий. Это утепление фасадов с использованием современных теплоизоляционных материалов, применение схем принудительной вентиляции и современных оконных систем. Правда, практическое внедрение энергосберегающих технологий на первых порах стоит недешево. Однако, как показывают расчеты, большие капитальные затраты быстро окупаются за счет низких эксплуатационных расходов. То есть вложение в энергосберегающие решения можно считать долгосрочной и весьма надежной инвестицией.