Passivhuset som er aggressivt grønt

Stephanie Arnett





I mai skal beboere valgt fra et lotteri på 2600 søkere begynne å flytte inn i 98 rimelige boenheter i den nye Finch Cambridge-bygningen på Concord Avenue nær Fresh Pond i Cambridge, Massachusetts. Bygningen er designet av Bostons Icon Architecture, og har lekne karnapp- og hjørnevinduer for å slippe inn sollys og tillate kryssventilasjon, en lobby med et hvelvet tak og en åpen trapp ment å lokke folk til å gi avkall på heisene, og andre gjennomtenkte detaljer som salvie- grønne aksentvegger og store gulvfliser på badene for å minimere bruken av smuss-tiltrekkende fugemasse. Det familievennlige vaskerommet ligger ved siden av et stort fellesrom med stue, kjøkken og leksekroker – og begge er plassert i toppetasjen, med vinduer som gir fantastisk utsikt over Fresh Pond og tilgang til en takterrasse som vil har høybed for hagearbeid.

Men det som er mest bemerkelsesverdig med bygningen er ikke synlig i det hele tatt.

Finch Cambridge ble designet for å møte verdens mest energieffektive bygningsstandard, kjent som passivhus-standarden (PH), som vil gjøre det dramatisk billigere å varme og kjøle ned enn en typisk bygning. Faktisk er det anslått å være 70 % mer energieffektivt enn landsgjennomsnittet for 2016 for flerfamiliehus. Lufttett og ekstremt godt isolert, en slik struktur anses som passiv fordi den effektivt kan opprettholde temperaturen uansett vær ute, og kun stole minimalt på tradisjonelle varme- og kjølesystemer. Det er faktisk en termos, sier Finch Cambridges prosjektleder, Michelle Apigian, MA '00, MCP '00, en assisterende rektor og bærekraftsleder ved Icon Architecture som også jobbet med bygningens design. Passive House-tilnærmingen, som fungerer for alle typer bygninger fra eneboliger til skyskrapere, krever et ventilasjonssystem som nøye kontrollerer inntaket av frisk luft og gjenvinner varmen (eller luftkondisjonert kjølighet) fra utgående bedervet luft. Det reduserer ikke bare behovet for oppvarming og kjøling, men gir bedre inneluftkvalitet for sunnere og mer komfortable oppholdsrom. Du kan fortsatt åpne et vindu for en frisk luft hvis du virkelig vil.



Gitt alle fordelene – og det faktum at bygninger står for 54 % av energibruken i Massachusetts – er det overraskende at Finch Cambridge bare vil være den andre flerfamiliebygningen i PH i staten. Apigian prosjektledte også og hjalp til med å designe den første, en leilighetsbygning med markedspris i Sør-Boston kalt Distillery North, som åpnet i 2017. Den bygningen fikk LEED Platinum-status – det høyeste nivået i Leadership in Energy and Environmental Design Green Building sertifiseringsprogram – uten ekstra innsats. Bygget er 72 % mer energieffektivt enn landsgjennomsnittet for 2016 for flerfamiliehus. Leietakere der betaler i gjennomsnitt 22,50 dollar i måneden for å varme og kjøle ned leilighetene sine, som for det meste er ett- og to-roms enheter, sier bygningseier Fred Gordon. Han legger til at to beboere med alvorlig luftveisallergi rapporterer at symptomene deres forsvant helt kort tid etter innflytting – og dukker opp igjen når de reiser.

Konseptene bak PH-design begynte å ta form under oljekrisen på 1970-tallet, da den amerikanske regjeringen finansierte forskning for å redusere landets avhengighet av olje. Men interessen for å bygge energieffektive boliger avtok da oljeprisen falt og amerikanerne satte seg tilbake i sine bensinslukende biler. En gruppe europeere begynte deretter der amerikanerne (og noen kanadiske kolleger) hadde slapp, og raffinerte beste praksis og standarder for å bygge lufttette hjem som er lettere å varme opp om vinteren – en tilnærming de fremmet som Passivhaus-bevegelsen. En tysk arkitekt bygget det første amerikanske Passivhaus i Illinois i 2003; i 2007 grunnla hun Passive House Institute of the US, som har finjustert PH-tilnærminger for forskjellige klimaer.

Selv om ideen om å designe ekstremt energieffektive bygninger virker som en uklarhet, sier Apigian at bevisstheten om PH-standarden først nylig har begynt å spre seg i det amerikanske designmiljøet. Hun lærte først om det i 2008 da hun jobbet med en konkurranse for å designe boliger uten null – boliger som skaper like mye energi som de bruker – for den tidligere Fort Devens Army-basen i Massachusetts. Nå sertifisert i PH-bygg og en aktiv talsmann for insentiver for å fremme slike prosjekter, tror hun å designe etter disse standardene til slutt vil bli den nye normalen. Da LEED traff bakken, føltes det nytt og sprøtt for alle, sier hun. Nå er det i utgangspunktet gitt - hvert arkitektfirma tenker helhetlig. LEED satte det tydelig på kartet.



Frykt for høye kostnader har hindret mange utviklere fra å omfavne passivhus-prinsippene. Få byggherrer er erfarne med byggeteknikkene, noe som driver opp prisen. Hvis det er et ukyndig team, er det mer sannsynlig at du får et ganske høyt kostnadsestimat fordi de er nervøse og ikke vet hva som skal til, sier Apigian. Men etter hvert som flere byggere får erfaring, bør prisene ned. Vi tror vi virkelig kan gjøre det for 1 % til 2 % ekstra kostnad hvis passivhusprinsippene er integrert fra starten av designprosessen og hele teamet er med, sier hun.

Med den siste fasen av Finch Cambridge-konstruksjonen godt i gang i februar, ga Apigian MIT News en omvisning i bygningen og forklarte nøkkelkonseptene.

Lag en lufttett konvolutt.

Lufttett konvoluttALICE DRAGE

Med mindre noen går gjennom en dør eller åpner et vindu, skal ingen luft komme inn eller ut av en PH-bygning bortsett fra gjennom ventilasjonssystemet. Så bygningens kappe er fullstendig innkapslet i en tre-lags luftbarriere som består av to ytre lag av polypropylen termisk bundet til et vanntett mellomlag av polymer. Ved hvert hjørne og alle kanter av hver utstanset åpning – tenk på vinduer, dører, kanalåpninger – er denne barrieren teipet med spesiell vann- og vindtett tape. (Apigian sier at en enkeltlags luftbarriere ikke er like effektiv, og riktig påføring er kritisk. Hvis den festes med stifter – eller enda verre, hvis den er revet og blåser – vil den ikke holde luft ute. Kontinuerlig festede barrierer er sikrere. )



Dette er det første trinnet i å lage det som er kjent som en passivhuskonvolutt - en kontinuerlig barriere mot uteluft, fuktighet og uønsket varme eller kulde. Alle de 98 leilighetene på Finch Cambridge er innenfor rammen og må oppfylle de strenge standardene for lufttetthet og effektiv oppvarming og kjøling. Men for å hjelpe til med å begrense kostnadene, er noen få områder med mer utfordrende problemer med ventilasjon, oppvarming og kjøling – lobbyen og dens åpne trapp, samt vaskerom og fellesrom – ekskludert fra konvolutten. Alle dører som fører inn til PH-konvolutten og alle vinduene er tettet og tredoblet for å forhindre utilsiktet luftstrøm når de er lukket.

Pakk bygningen inn i et teppe.

pakke inn bygningen

Røde glassfiberklips forhindrer varmebro;
brunfarget mineralull dekker bygningens eksteriør.

HJÆLPSFOTO

Kontinuerlig isolasjon er kritisk. Men i en tradisjonell bygning plasseres isolasjon bare i vegghulene mellom stendere, og etterlater hull – en tilnærming som Apigian kan sammenlignes med en genser med en haug med hull i. For PH-bygg legger arkitekter vanligvis også til et lag med kontinuerlig utvendig isolasjon med høy termisk motstand, og skaper effektivt et teppe rundt hele bygningen. Teppets tykkelse avhenger av bygningens størrelse, bruk og belegg, samt klimasonen. Hos Finch Cambridge brukte Icon spraypåført glassfiberisolasjon i ytterveggenes hulrom og pakket deretter inn bygningen med et to-tommers lag mineralull, et brannsikkert isolasjonsmateriale laget av nedsmeltet basaltstein og resirkulert slagg fra stålverk. . (Distillery North-bygningen fikk celluloseisolasjon i utvendige vegghulrom pluss tre tommer mineralull.) Arkitektene dekket også taket med konisk stiv skumplateisolasjon, plasserte seks tommer stivt skum med høy tetthet mellom garasjetaket og garasjetaket. etasje over den, og sprayet polyuretanskumisolasjon i overgangsflekker som ellers ville vært vanskelig å dekke.



Bygningens 'konvolutt' gjør hoveddelen av arbeidet, og opprettholder innvendig temperatur uavhengig av hva som skjer utenfor.

Det er også viktig å unngå eller forstyrre termiske broer, elementer som skaper en vei for varme å komme inn eller ut fordi de er mer termisk ledende enn de omkringliggende materialene. Pigger-spesielt metall pigger-er beryktede termiske broer; på Finch Cambridge blir de forstyrret av de to tommerne med utvendig isolasjon. Likeledes er de Z-formede metalllistene som brukes til å feste den utvendige kledningen festet til bygningen med klips laget av glassfiber, som har begrenset varmeledningsevne.

Håndter ventilasjonen nøye.

administrere ventilasjonALICE DRAGE

Energigjenvinningsventilatorer (kjent som ERV-er) brukes til å gi en kontinuerlig, balansert luftstrøm inn og ut av PH-bygninger. For hver av Finch Cambridges to ERV-er trekker en kanal inn frisk luft og en andre kanal driver ut gammel luft. Begge kanalene passerer luften gjennom ERV, en varmeveksler som utnytter det grunnleggende termodynamiske prinsippet om at termisk energi alltid vil strømme fra varmt til kaldt. Så selv om luften i de to separate kanalene ikke blandes, i kaldt vær bidrar varmen fra den utgående bedervede luften til å varme den kalde friske luften som kommer inn, og redusere behovet for oppvarming i bygningen. I varmt vær trekker systemet ut varmen fra den innkommende friske luften, overfører den til den utgående, kjøligere bedervede luften og minimerer behovet for klimaanlegg. ERV-ene hjelper også med å håndtere fuktighet.

Frisk luft, som filtreres for å fjerne partikler, leveres inn i alle Finch Cambridges stuer og soverom fra en av bygningens to friskluftkanaler. Foreldet luft trekkes fra ventiler på alle bad og kjøkken og strømmer ut til en av ERV-ene gjennom en av de to utgående ventilasjonskanalene (vist til høyre, før isolasjon ble påført).

Det er veldig enkel teknologi som er ganske fantastisk, men ikke komplisert, sier Apigian. Det har eksistert lenge.

Installer oppvarming i riktig størrelse.

kondensatorerALICE DRAGE

En bygning med en skikkelig PH-konvolutt og et ERV-system krever minimalt med ekstra oppvarming og kjøling. Varmen som genereres av kropper, apparater, lys og tilkoblede enheter som datamaskiner, TV-er og brødristere holder langt på vei å holde den toasty. Faktisk sies det ofte at du kan varme et PH-hjem med en hårføner. I New England, sier Apigian, kan det være sant. Men hun påpeker at effektiviteten til PH-konvolutten til å holde på varmen betyr at kjøling om sommeren har en tendens til å være et større problem.

Datamodeller tar hensyn til varmen som genereres av apparater, elektriske enheter, lysarmaturer og mennesker og beregner hvor mye ekstra varme eller kjøling som trengs. Varmepumper, som opererer på samme prinsipper som et klimaanlegg eller fryser og krever minimalt med energi for å kjøre, er vanligvis tilstrekkelig for begge formål. En varmepumpes fordamper, eller varmeveksler, trekker ut varme fra luften ved å bruke en kjølevæske som blir til damp; at dampen blir deretter komprimert i en kondensator for å øke temperaturen, og gir varme. Prosessen reverseres når kjøling er nødvendig. Hver enhet på Finch Cambridge har en elektrisk varmepumpe, men alle 98 varmepumper (og de i fellesområdene) deler bare 16 kondensatorer på taket (vist til høyre). Fordi systemet tillater samtidig variabel kjølemiddelstrøm, kan en vestvendt enhet som baker i solen be om kjøling samtidig som en østvendt enhet kan kreve varme.

Nettstedets energiforbruksintensitet (EUI) anslått ved Finch Cambridge – antallet kBTUer som kreves for å varme og kjøle ned hver kvadratfot per år – er bare 23. Det er imponerende 70 % mindre enn USAs gjennomsnittlige nettsted EUI for flerfamiliehus, som i 2016 var 78,8.

Velg vinduer med omhu – og skygg etter behov.

vindusskjermerSTEPHANIE ARNETT

De riktige vinduene og skyggeanordningene gjør det mulig å utnytte solens varme om vinteren og avlede den om sommeren. For å bidra til å opprettholde den indre temperaturen, enten det er varmt eller kaldt ute, er alle vinduer i PH-konvolutten på Finch Cambridge tredobbelt glass og pakning, med isolerte rammer som forhindrer kuldebroer. Og Icon unngår dobbelthengte vinduer når det er mulig, siden det er vanskelig å opprettholde en pakningsforsegling på et vindu som er laget for å gli opp og ned. Det tradisjonelle dobbelthengte vinduet i New England er en katastrofe - det lekkeste mennesket kjenner til, sier Apigian.

Utvendige nyanser over vinduene på sørfasaden til Finch Cambridge strekker seg halve lengden av vinduet. (Arkitektene hadde opprinnelig planlagt å installere skjermer på øst-, vest- og sørfasade, men energimodellering viste at de kun var nødvendig for sørvendte vinduer. Eliminering av resten bidro til å begrense kostnadene.) De valgte skjermer med skrå lameller som blokkerer sommersolen, men hindre regn og snøakkumulering og la vinden blåse gjennom. Fordi solen står lavere på himmelen om vinteren, kan sollyset og noe av strålevarmen komme inn i vinduene under skyggene, og bidra til å varme opp bygningen.

I et nikk til fuglene ved den nærliggende Fresh Pond, tegnet arkitektene taklinjen til bygningen for å ligne vinger. Vingene gir også skygge for fellesskapet og vaskerommet i toppetasjen og er vert for en del av 150-kilowatt-serien med solcellepaneler som installerte taket. Solcellepanelene er anslått å kompensere for 98 144 kilowattimer per år, eller omtrent 20 % av den totale elektrisiteten som kreves for å drive bygningen.

Gjør energimodellering og testing.

eksempel på bygningstermogramPASSIVHUSINSTITUTT | wikimedia

Energimodellering er nyttig for å veilede design og konstruksjon av et PH-bygg. Bygningens ingeniører kan beregne energibelastningen (den høyeste mengden energi som trengs til enhver tid) for å sikre at de spesifiserer utstyr av passende størrelse for bygningen i stedet for å overdrive det. De kan også bestemme bygningens energibehov (den totale energien som brukes i et enkelt år) for å være sikker på at den oppfyller PH-standardene. Men å måle lufttettheten når den er bygget er den ultimate testen – og kreves for sertifisering som en passivhusbygning.

Apigian forventer fullt ut at bygningen får PH-sertifisering. I mars forberedte hun seg på Finch Cambridges første komplette viftedørtest for å bestemme lufttettheten. Testen innebærer å lukke alle ytterdører og vinduer og plassere en spesiell dør med vifte i den ene hoveddøren til PH-konvolutten for å trekke luft ut av bygningen, og senke dens indre lufttrykk. Hvis bygningen ikke er lufttett, må dørviften jobbe hardere for å opprettholde lufttrykknivået, og røykpenner kan brukes til å avdekke lekkasjer.

Da den endelige konstruksjonen av Finch Cambridge avsluttet, sjonglerte Apigian også andre lokale passivhusprosjekter på gang i Gloucester, Salem og Lowell. I hvert tilfelle er målet å gi varme- og kjølesystemer svært lite å gjøre. Med lufttetthet og termisk kontinuitet og kontroll, gjør bygningskonvolutten hoveddelen av arbeidet som vi vanligvis er avhengige av at systemene våre gjør, og opprettholder innvendig temperatur uavhengig av hva som skjer utenfor bygningen, sier hun. Og i New England kan det bety nesten hva som helst.

gjemme seg