Солнечный дом "IKAROS": подробности реализации проекта дома + energy для Solar Decathlon-2010

Конкурс Solar Decathlon Europe 2010 («Солнечное десятиборье»), собравший университетские команды со всего мира, был организован испанскими правительственными органами в области строительства в кооперации с департаментом энергетики США.

Цель этого конкурса — увеличить осведомленность широких общественных кругов об энергоэффективных зданиях и возможности энергообеспечения частных домов будущего. Соревнование, самое первое из которых было инициировано в США еще в сентябре 2002 г., проводилось в Европе в первый раз. После четырех «Декатлонов» (2002, 2005, 2007 и 2009 гг.), все из которых проводились в Вашингтоне, округ Колумбия, США, десятиборье впервые принимала Европа.
Тема конкурса Solar Decathlon этого года — реализованное решение энергетически самообеспечивающегося «жилого частного дома будущего», полностью запитанного от солнечной энергии и отвечающего стандартам домостроения для будущего общества с учетом широкого набора параметров, которые должны были быть выдержаны: размеры здания, температуру и влажность в помещениях, набор бытовой техники и прочее.
В рамках конкурса соревновались 19 университетских команд со всего мира, они демонстрировали реальное воплощение концепции самообеспечения и энергонезависимости для малого частного жилого дома (площадью около 70 м²). Как известно, это трудная задача, которая легче решается для более крупных объектов, в том числе с учетом технических и экономических аспектов.

Участники Solar Decathlon 2010 США: – Virginia Polytechnic Institute & State University, Blacksburg – University of Florida, Gainsville Мексика: – Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Бразилия: – Consórcio Brasil, Sao Paulo Финляндия: – Helsinki University of Technology Англия: – University of Nottingham Германия: – Bergische Universität Wuppertal – FHTW and other universities in Berlin – HFT Stuttgart – Rosenheim University Франция: – Arts et Métiers Paris Tech – Ecole National Supérieure d`architecture de Grenoble Испания: – Instituto de Arquitectura Avanzada de Cataluña – Universidad CEU Cardenal Herrera, Valencia – Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), Barcelona – Universidad de Sevilla – Universidad de Valladolid Китай: – Tianjin University – Tongji University

Команда Ikaros из университета прикладных наук г. Розенхайма (fh-Rosenheim, Бавария, Германия) при технической поддержке институтов, входящих в ассоциацию Fraunhofer-Allianz (см. «Окна. Двери. Витражи», №2-2010, стр. 49–51), и института оконных технологий ift Rosenheim, стала участником проекта Solar Decathlon Europe 2010, завоевала 1 место в Европе и стала серебряным призером в мире.
Всего 18 групп студентов различных факультетов, включая такие специальности, как дизайн интерьеров, деревянное домостроение, инженерно-экономические специальности, технологию деревообработки, включились во внутриуниверситетское соревнование. Отобранные концептуальные идеи 5 команд-победителей были объединены в один проект, а их участники составили одну команду.
Постройка здания завершилась весной 2010 г. благодаря широкой спонсорской поддержке (около 30 разных организаций, фирм и корпораций). Потом здание разобрали и подготовили к транспортировке морем в виде отдельных готовых модулей к месту назначения — в Мадрид.
На сборку дома устроители конкурса отвели всего 10 дней, затем конкурсный дом детально тестировался по десяти разным дисциплинам, начиная с концепции, архитектурной оценки, и главное оценивание состояло в испытаниях солнечной энергетической установки дома и определении ее суммарной эффективности. Жюри конкурса оценивало не только энергобаланс и степень новизны, но и комфорт, дизайн, средства связи и внешние коммуникации, вопросы в области экономики и маркетинга недвижимости.
После Мадрида, здание Ikaros было отправлено на ряд региональных выставок, например, на Баварскую сельско­хозяйственную выставку 2010 г. в Розенхайме, где с домом ознакомились 800 000 посетителей. Заявлено, что дом по проекту Ikaros будет представлен на мюнхенской строительной выставке BAU-2011.

Десять дисциплин, по которым проводилось «солнечное десятиборье»: Архитектура Строительство Энергетический баланс Солнечные энергосистемы Комфортность Технологичность Коммуникации Экономичность Постоянное развитие Инновации

КОНЦЕПЦИЯ АРХИТЕКТУРЫ/ ЭСТЕТИКИ/ ДИЗАЙНА

Компактное индивидуальное жилище для небольшой семьи создавалось, исходя из современных возможностей строительства, с целью наиболее полной интеграции в культурную и окружающую природную среду с возможностью легко менять свою форму и планировку в процессе жизненного цикла здания.
Чтобы сохранить чистоту форм и возможность любой удобной ориентации здания, дизайнеры применили плоскую крышу и скрыли с виду солнечные панели, которые спрятаны за возвышающимся над плоскостью крыши бордюром.
Особое свойство дома помимо солнечной установки — полностью инновационное и специально разработанное остекление с солнцезащитным сдвижным зигзагообразным фасадом. Такой фасад в течение дня изменяет освещение и создает внутри меняющуюся игру света и тени, придает зданию уникальный внешний вид и обеспечивает как визуальную защиту интерьера, так и солнцезащиту.

Share

1. Вход на террасу 2. Блок инженерных систем 3. Солнцезащитный фасад 4. Спальня и санузел 5. Кухня и гостиная 6. Лоджия

Принципиально то, что жилая площадь спроектирована как открытое пространство, что придает неограниченные возможности изменений, доступа, легкости осмотра, ремонта и использования для любого потребителя, имеется огромная свобода для оформления и эффективного использования пространства в интерьере.

Share

Методы строительной физики и нормы для достижения самообепечиваемости энергией и экологической дружественности по проекту Ikaros: Германские нормы в соответствии с сертификатами экологического строительства DGNB и BMVBS; анализ термомостов; методы теплового и влажностного компьютерного анализа; испытания на наличие сквозняков и продувания через двери; термовизуализация; моделирование световой освещенности; программно-ориентированное планирование проекта первичного потребления энергии в год.

СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА

Здесь применялись солнечные ячейки последнего поколения, которые на 30% эффективнее и намного долговечнее обычных солнечных преобразователей. При проектировании солнечной установки инженеры отказались от использования солнечных коллекторов для подогрева воды.

Смысл этого в том, что сбрасываемое тепло при охлаждении (тепловым насосом) обеспечивает достаточное количество тепла для производства теплой воды для дома. Поэтому солнечная энергия использовалась исключительно для производства электроэнергии фотоэлектропреобразователями, размещенными в «углублении» крыши.
Насколько эффективна фотовольтаика, если используется плоская крыша и солнечные модули расположены в основном горизонтально? Будут ли они функционировать достаточно эффективно?
В принципе, это верно, что фотовольтаические ячейки более эффективно работают, если расположены перпендикулярно падающим солнечным лучам или под некоторым углом от направления с оптимальным освещением.
Здесь фотоэлектрическая система смонтирована с очень малым углом наклона к горизонту. В этом случае мы можем использовать солнечную установку для двух целей — для генерации электричества и для охлаждения воздуха в помещении.
Система использует более низкую ночную температуру для охлаждения воды ночью на крыше. Это «двойное» применение можно успешно реализовать только при малом наклоне фотоэлектропреобразователей.
Постоянный ток, который снимается с первичных фотопреобразователей (солнечных модулей), преобразуется в стандартное сетевое напряжение переменного тока с помощью специального инвертера, который, как и другое инженерное оборудование, размещен под террасой.

КОНСТРУКЦИЯ Фотоэлектрические элементы, необходимые для электрогенерации, разумно интегрированы в наружную оболочку здания. Дом по проекту Ikaros генерирует из солнечной энергии вчетверо больше электричества, чем необходимо для его собственных нужд, и он сконструирован для постоянного проживания двух человек и временного проживания вместе четырех человек. Share Супертеплоизоляция обеспечивается панелями VIP (вакуумно-изолирующими панелями), особой энергоэффективной конструкцией и специальными инженерными системами, которые гарантируют особо малое потребление энергии при эксплуатации дома. Некоторые стеновые панели (они же и световые проемы) дополнительно оборудованы электрохромными стеклами, позволяющими мгновенно «зашторивать» или «открывать» вид изнутри и вовнутрь помещения. Приятный микроклимат в помещении достигается с помощью комбинации материалов с изменяемым фазовым состоянием (phase-change material, PCM) в компонентах и малогабаритных солнечных приборов для охлаждения (из цеолита). Фактически, повышение обычного потребления энергии для обогрева в холодные месяцы обеспечивается запасом, полученным в более теплые сезоны. Однако, как показал опыт соревнований в Мадриде, более сложно обеспечить именно прохладу в жаркое время, чем тепло зимой. Для этого в доме предусмотрена активная система вентиляции, рекуперации тепла и холода (тепловой насос) и хранилище холода. Избыток тепла используется для подогрева холодной воды, а температура воздуха в доме поддерживается постоянно в комфортном диапазоне. Share Дом оснащен беспроводной системой связи, включая скоростной Интернет и спутниковое ТВ. Имеется «домовой» компьютер, он легко превращается в мощный мультимедийный центр или домашний кинотеатр с широким экраном. Средства визуализации процесса накопления энергии зданием позволяют следить за ним непосредственно или через Интернет. Share Здание представляет собой модульную деревянно-каркасную конструкцию с примечательным зигзагообразным сдвижным фасадом, который используется в качестве подвижной солнцезащиты и для зашторивания широких световых проемов для создания приватности. Жилище по проекту Ikaros стоит около €275000, но благодаря потенциальной возможности продажи избытка энергии в общую электросеть, он может приносить прибыль из расчета €4600 в год, что делает его не просто самоокупаемым, но и приносящим прибыль.    Share Модульная конструкция — Lego для взрослых? Использование модульного принципа позволяет с помощью небольшого набора готовых блоков пошагово решать ряд возникающих перед домохозяевами задач: приобрести потом больше, чем есть вначале; начать со стартового набора (4 базовых модуля); быстро и просто смонтировать благодаря высокой степени заводской готовности модулей; позволяет проявить креативность, когда понадобится расширить дом, чтобы соответствовать новым потребностям обитателей. Каждый модуль полностью независим. Во время сборки дома ранее собранные модули могут работать самостоятельно и обеспечивать внутри себя комфортную температуру. Фактически для сборки дома нужно опустить модули на подготовленное место и присоединить разъемы модулей друг к другу через специальные групповые разъемы. Все строительство дома вместе с подготовкой участка занимает 8 дней!    Share Если дом — то только деревянный! Share Подъемный фасад прячется в нишу ниже уровня террасы Деревянные конструкции жилищ испытаны сотнями лет. Дерево достаточно легко обрабатывается и позволяет осуществлять переделки. Предварительное заводское изготовление деревянных деталей не зависит от погодных условий и обеспечивает стабильно высокое качество конструкции и быстроту изготовления. Дерево может быть обработано с помощью ресурсосберегающих технологий, а затем древесину можно без проблем утилизировать и вторично использовать. При ликвидации деревянных домов древесина снова служит сырьем для деревообрабатывающей промышленности. Вторичная переработка материалов — базовый принцип, который использовался в данном проекте. Тонкостенная конструкция стала возможной благодаря особым адгезивным соединениям дерева и стали, в результате чего внутреннее пространство дома расширено. Share Деревянные элементы конструкции соединены между собой металлическими деталями и клеем. Панели для мебели — пустотелые щиты (справа). Накопители тепла и холода (PCM-материалы) помещаются в герметичные фольгированные пакеты (справа)    Share Оболочка здания, фасад и освещение Компоненты с высокой степенью теплоизоляции снижают теплопотери и затраты на обогрев и охлаждение. Благодаря вакуумно-изолирующим стеклопанелям толщина стен в 10 раз тоньше, чем глухая стеновая конструкция с такой же степенью теплоизоляции. Подъемно-опускная солнцезащита одновременно служит визуальным щитом (с севера, запада и востока), закрывая интерьер от вида извне, но пропуская рассеянный дневной свет внутрь комнат, и выполняет роль собственно СЗУ (с южной стороны). Кто сказал, что занавеси должны непременно опускаться сверху вниз? Здесь был применен новый подход, когда СЗУ поднимается снизу вверх. Благодаря регулируемой высоте поднятия фасадной системы можно обеспечить визуальную связь с наружным ландшафтом со всех сторон здания. СЗУ создает постоянно изменяющуюся игру светотени в течение дня и от сезона к сезону. Ночью же, из-за освещения внутри дома, фасадная система обеспечивает футуристический внешний вид дома и освещенность террасы вокруг него. Зигзагообразный фасад поднимается из карманов, расположенных снаружи ниже уровня пола, с полностью сформированными гребнями гибов, т.е. нижняя часть остекленной оболочки (от пола до потолка) дома может оставаться прикрытой. Выступающая часть крыши по всему периметру также служит своеобразным солнцезащитным навесом. Фасадная система, будучи поднятой, выполняет еще и роль наружного теплового экрана, подобно двойным вентилируемым фасадам. Ввиду высокой теплоизоляции стен (U < 0,56 Вт/м2К) из вакуумных теплоизолированных стекло­пакетов с тройным остеклением и применения в них селективного стекла (светопроницаемость видимого спектра 90%, фильтрация УФ и ИК-лучей — 100%) поднятый фасад формирует воздушные потоки, уносящие избыток тепла с поверхности стекол при любом направлении ветра. Концепция внутреннего освещения — максимальное использование дневного рассеянного света и светодиодного искусственного освещения. Суммарная мощность всех регулируемых LED-светильников в доме составляет лишь 175 Вт. Каждая из функциональных зон помещения оборудована местными источниками света. Share    Share Меблировка Легкая и гибкая мебель создавалась с учетом новейших разработок в области эргономики. Многофункциональная мебель обладает гибкостью и множественностью применения. Полы в комнатах и в санитарном узле с душевой кабиной, а также рабочие поверхности столов в комнатах изготовлены из специально-обработанного дуба. Встроенные системы мебели, бытовой техники и электроники могут быть легко смонтированы и демонтированы. Share Угол лоджии полностью открывается Share Солнцезащитные фасады можно регулировать по высоте Share Share Электрохромное остекление спальни позволяет мгновенно «зашторивать» широкий проем

КОМФОРТ

Принципиальная схема HVAC-установки.
Радиатор охлаждения размещен на крыше с нижней стороны PV-модулей

Постоянная комфортная температура устанавливается автоматически, и в дом поступает свежий очищенный воздух круглые сутки и круглый год.
Оболочка дома хорошо теплоизолирована и уплотнена (органическим возобновляемым материалом — пенькой). Минимальные теплопотери (U < 0,56 Вт/м²К) гарантируются использованием изолирующих вакуумных стеклопакетов, тройным остеклением и специальной уплотняющей лентой на кромках модулей, пустотелыми панелями на полу и потолке. Таким образом, энергопотребление здания сведено к минимуму.

  

Управляемая вентиляция без энергопотерь

Высокая температура в Мадриде сделала ничем незаменимой использование системы охлаждения. Воздух в помещении охлаждался в основном за счет пассивных мер:

• канал вдоль пакетов с PCM (материалов с высокой скрытой теплотой плавления), выступающих скрытыми накопителями тепла, этот материал хранит тепло, находясь в состоянии фазового перехода;
• охлаждение излучением, излучение тепла в атмосферу между водой и более холодным воздухом ночью;
• автоматический зональный климат-контроль круглосуточно следит за комфортом в помещениях;
• охлаждающее потолочное покрытие используется в качестве системы переноса для того, чтобы поддерживать комнатную температуру в диапазоне между 20°C и 25°C;
• сдвоенная система охлаждения поддерживается компрессионным тепловым насосом, который приводится в действие, когда это нужно, и дополнительно кондиционирует воздух в помещении;
• благодаря теплообмену и рекуперации энергии постоянная подача в помещение свежего воздуха управляемой системой вентиляции не приводит к потерям тепловой энергии.

ТЕХНОЛОГИЯ И ЭКОНОМИКА

  

Больше, чем самоокупаемость

Благодаря комбинации разных подсистем, обитатели могут настроить комплексную энергосистему дома под свои нужды. То есть всегда есть возможность знать о состоянии окружающей среды и следить за энергобалансом — панели, сенсоры и датчики также установлены по всему дому. Важные функции (сдвижка солнцезащитных фасадов, включение охлаждения или обогрева) можно обеспечить как вручную, так и через «домовой» компьютер, а главное — это можно запрограммировать и даже управлять домом дистанционно.

За счет чего было оптимизировано энергопотребление? Компактный строительный объем. Идеальная ориентация здания. Снижение теплопотерь благодаря оптимизированным стеклянным поверхностям самих стен и оконно-дверных конструкций. Использование пассивных тепло­изолирующих элементов, измерителей и высокоэффективных элементов активной системы дома. Интеграция в структуру дома высокоэффективной энергогенерирующей фотоэлектрической установки.

  

Доверяй, но проверяй!

Датчики определяют важнейшие показатели внутри и снаружи дома, которые могут графически отображаться на сенсорных панелях управления:

• температура и влажность;
• производство и потребление энергии и результирующий избыток;
• погода снаружи и освещенность;
• панель мультимедиа-проигрывателя.

Вся бытовая техника в доме — класса энергопотребления A++ и обладает на 50% сниженным уровнем потребления воды, чем обычные системы, представленные на рынке. «Бортовой» компьютер может обеспечить обитателям информацию о доступной энергии и о подходящем времени эффективного использования крупных внутренних потребителей энергии. Интегрированная система оптимизации может вычислить, когда, например, и сколько обойдется в данный момент работа стиральной машины или пылесоса.

  

Переезд с семьей и домом!

Поскольку модули дома рассчитаны на транспортировку, дом можно взять с собой при переезде в другую местность. Для сборки дома на новом подготовленном месте необходимо менее двух дней.

  

Насколько дом действительно выгоден?

Данный дом относится к категории «плюс энерджи» (+ energy house). Для экономического анализа были проведены различные исследования. Они включали бизнес-планирование, вычисление амортизационных отчислений, затрат и поступлений, возвратность инвестиций наряду с общепринятыми экономическими оценками и расчетами.
Полная оценка стоимости дома учитывала цену его продажи (около €275000), низкую стоимость эксплуатации здания, включая ремонты и техобслуживание, прибыль от продажи избытка энергии, генерируемой домовой PV-установкой. Из-за высокой энергоэффективности дома удается поддерживать низкое энергопотребление, несмотря на наличие развитой системы автоматизации и управления инженерными системами дома, которые потребляют энергию для себя.
При нормальной эксплуатации жилого дома общее среднее энергопотребление дома не превышает 2600 кВт.ч в год (4300 кВт.ч в год в условиях жары в момент проведения соревнований), поскольку всего дом генерирует в среднем 16500 кВт.ч в год. В результате имеется эффективный выход 12200 кВт в электросеть.
Таким образом, фактически потребляется только четверть от вырабатываемой фотоэлектрической энергии. По сравнению с обычным домом это означает возврат средств от первоначальной суммы приобретения в размере примерно 1000 €/м² по прошествии 20 лет.
Результирующий избыток энергии, вырабатываемой PV-установкой, означает поставку в обычную электросеть 12200 кВт.ч в год энергии, что по сегодняшним расценкам соответствует компенсации за нее €4600 в год.
Жизненный цикл здания имеет положительный экологический баланс благодаря использованию солнечной энергии. Дом рассчитан на эксплуатацию в течение более чем 50 лет. За это время дом принесет владельцу прибыль в размере 14% от первоначальной стоимости. Это рассчитано с учетом роста цен на 4% в год на энергоносители и с учетом стоимости обслуживания оборудования и других эксплуатационных затрат.

Share Окна в качестве обогревателей? Благодаря энергетически оптимизированной оболочке и использованию поступления энергии через большую поверхность остекления в этом доме, можно существенно снизить расход энергии и на обогрев, и на охлаждение. По сравнению с обычным домом такого же размера эмиссия CO2 при его эксплуатации меньше на 14 т в год, что соответствует выбросу парниковых газов от среднего легкового автомобиля за 100000 км! За счет избытка электроэнергии можно ежесуточно заряжать два электромобиля из расчета на 40000–75000 км годового пробега каждый. Share Пол в душевой и санузле отделан дубовыми досками с влагостойким покрытием. Стена покрыта антибактериальным стеклом, закрывающим панно из натуральной осоки Share Варочная поверхность и кухонная раковина закрываются сдвижной дубовой столешницей, образуя широкий обеденный стол. Стулья задвигаются под него (фото слева) Раковина, унитаз, стиральная и сушильная машины при необходимости прячутся в стену (фото справа)

  

Экологически дружественная модернизация энергоснабжения

Материалы для строительства дома отвечали ряду критериев:

• пониженное выделение парниковых газов при производстве;
• возможность утилизации и экологически безопасная вторичная переработка.
• применение возобновляемого сырья.

Принципы «sustainability» (экологическая дружественность, самообеспечение и самоокупаемость) отражены в концепции использования дома, снижении количества отходов, затрат материалов при производстве, энергосбережения во время эксплуатации плюс следующие факторы:

• только местные виды древесины из возобновляемых насаждений были использованы для деталей конструкции и отделки дома и террасы;
• в качестве изолирующего и уплотняющего материала между модулями и на стыках стеновых панелей была использована конопляная пеньковая набивка;
• интерьер отделан биологически благоприятной моющейся известковой краской;
• мебель изготовлена из ресурсосберегающих облегченных и пустотелых строительных панелей;
• установлена энерго- и водосберегающая бытовая техника класса А++;
• дождевая вода используется в системе охлаждения;
• комбинированная многофункциональная мебель и встраиваемые решения позволяют эффективно использовать внутренний объем дома, чем обеспечена компактность всего дома при организации комфортного жизненного пространства для обитателей.

Проект Ikaros, конечно, не единственный проект, заслуживающий внимания на Мадридском Декатлоне. Но главное — этот дом есть, он существует, у него есть цена, у него есть будущее.

Сергей Шовкопляс
По материалам, предоставленным Университетом прикладных наук fh-Rosenheim на 38-й конференции Rosenheimer Fenstertage, организованной ift-Rosenheim, Бавария, Германия, октябрь 2010 г.