Passivhuset, der er aggressivt grønt

Stephanie Arnett

Til maj skal beboere valgt fra et lotteri på 2.600 ansøgere begynde at flytte ind i 98 billige boligenheder i den nye Finch Cambridge-bygning på Concord Avenue nær Fresh Pond i Cambridge, Massachusetts. Bygningen er designet af Bostons Icon Architecture og har legende karnapper og hjørnevinduer for at lukke sollys ind og tillade krydsventilation, en lobby med et hvælvet loft og en åben trappe beregnet til at lokke folk til at give afkald på elevatorerne, og andre tankevækkende detaljer som salvie- grønne accentvægge og store gulvfliser på badeværelserne for at minimere brugen af ​​smudstiltrækkende fugemasse. Dets familievenlige vaskerum ligger ved siden af ​​et stort fællesrum med en lounge, et køkkenområde og lektiekroge - og begge er placeret på øverste etage med vinduer med en fantastisk udsigt over Fresh Pond og adgang til en tagterrasse, der vil har højbede til havearbejde.

Men det mest bemærkelsesværdige ved bygningen er slet ikke synligt.

Finch Cambridge er designet til at opfylde verdens mest energieffektive bygningsstandard, kendt som passivhus-standarden (PH), hvilket vil gøre det dramatisk billigere at opvarme og køle end en typisk bygning. Faktisk forventes det at være 70 % mere energieffektivt end landsgennemsnittet for 2016 for flerfamiliehuse. Lufttæt og ekstremt godt isoleret, en sådan struktur betragtes som passiv, fordi den effektivt kan opretholde sin temperatur uanset vejret udenfor, idet den kun er minimalt afhængig af traditionelle varme- og kølesystemer. Det er faktisk en termokande, siger Finch Cambridges projektleder, Michelle Apigian, MA '00, MCP '00, en associeret rektor og bæredygtighedsleder hos Icon Architecture, som også arbejdede på bygningens design. Passivhustilgangen, som fungerer for alle typer bygninger fra enfamiliehuse til skyskrabere, kræver et ventilationssystem, der omhyggeligt kontrollerer indtaget af frisk luft og genvinder varmen (eller airconditioneret kølighed) fra udgående gammel luft. Det reducerer ikke kun behovet for opvarmning og køling, men giver også bedre indendørs luftkvalitet til sundere og mere komfortable opholdsrum. Du kan stadig åbne et vindue for en frisk luft, hvis du virkelig vil.

I betragtning af alle fordelene - og det faktum, at bygninger tegner sig for 54% af energiforbruget i Massachusetts - er det overraskende, at Finch Cambridge kun vil være den anden flerfamiliehus PH-bygning i staten. Apigian projektledte og hjalp også med at designe den første, en lejlighedsbygning med markedspris i det sydlige Boston kaldet Distillery North, som åbnede i 2017. Den bygning fik LEED Platinum-status – det højeste niveau i Leadership in Energy and Environmental Design Green Building certificeringsprogram - uden yderligere indsats. Bygningen er 72 % mere energieffektiv end landsgennemsnittet for 2016 for flerfamiliehuse. Lejere der betaler i gennemsnit $22,50 om måneden for at opvarme og afkøle deres lejligheder, som for det meste er et- og toværelses enheder, siger bygningsejer Fred Gordon. Han tilføjer, at to beboere med svær luftvejsallergi rapporterer, at deres symptomer helt forsvandt kort efter indflytning - og dukker op igen, når de rejser.

Koncepterne bag PH design begyndte at tage form under oliekrisen i 1970'erne, hvor den amerikanske regering finansierede forskning for at reducere landets afhængighed af olie. Men interessen for at bygge energieffektive boliger aftog, da oliepriserne faldt, og amerikanerne satte sig tilbage i deres benzinslugende biler. En gruppe europæere fortsatte derefter, hvor amerikanerne (og nogle canadiske kolleger) slap, og forfinede bedste praksis og standarder for at bygge lufttætte boliger, der er nemmere at opvarme om vinteren – en tilgang, som de promoverede som Passivhaus-bevægelsen. En tysk arkitekt byggede det første amerikanske Passivhaus i Illinois i 2003; i 2007 grundlagde hun Passive House Institute of the US, som har finjusteret PH-tilgange til forskellige klimaer.

Selvom ideen om at designe ekstremt energieffektive bygninger virker som en no-brainer, siger Apigian, at bevidstheden om PH-standarden først for nylig er begyndt at brede sig i det amerikanske designmiljø. Hun lærte det første gang i 2008, da hun arbejdede på en konkurrence om at designe net-nul boliger - boliger, der skaber lige så meget energi, som de bruger - til den tidligere Fort Devens Army-base i Massachusetts. Nu certificeret i PH-bygning og en aktiv fortaler for incitamenter til at fremme sådanne projekter, tror hun, at design efter disse standarder med tiden vil blive det nye normale. Da LEED ramte jorden, føltes det nyt og skørt for alle, siger hun. Nu er det dybest set givet - ethvert arkitektfirma tænker holistisk. LEED satte det tydeligt på kortet.

Frygt for høje omkostninger har forhindret mange udviklere i at omfavne passivhus-principperne. De færreste bygherrer er erfarne med byggeteknikkerne, hvilket driver prisen op. Hvis der er et ueksperthold, er det mere sandsynligt, at du får et ret højt omkostningsestimat, fordi de er nervøse og ikke ved, hvad der skal til, siger Apigian. Men efterhånden som flere bygherrer får erfaring, burde priserne falde. Vi tror på, at vi virkelig kan gøre det for 1 % til 2 % ekstra omkostninger, hvis passivhusprincipperne er integrerede fra starten af ​​designprocessen, og hele teamet er med, siger hun.

Med den sidste fase af Finch Cambridge-konstruktionen godt i gang i februar, gav Apigian MIT News en rundvisning i bygningen, hvor han forklarede nøglekoncepterne.

Lav en lufttæt konvolut.

ALICE DRAGE

Medmindre nogen går gennem en dør eller åbner et vindue, må der ikke komme luft ind eller ud af en PH-bygning undtagen gennem ventilationssystemet. Så bygningens beklædning er fuldstændig indkapslet i en tre-lags luftbarriere bestående af to ydre lag af polypropylen termisk bundet til et vandtæt polymert mellemlag. Ved hvert hjørne og alle kanter af hver udstanset åbning – tænk på vinduer, døre, kanalåbninger – er denne barriere tapet med speciel vand- og vindtæt tape. (Apigian siger, at en enkeltlags luftbarriere ikke er så effektiv, og korrekt påføring er afgørende. Hvis den er fastgjort med hæfteklammer – eller værre, hvis den er revet i stykker og blæser – holder den ikke luft ude. Kontinuerligt klæbte barrierer er mere sikre. )

Dette er det første skridt i at skabe det, der er kendt som en passivhus-konvolut - en kontinuerlig barriere mod udendørs luft, fugt og uønsket varme eller kulde. Alle 98 lejligheder på Finch Cambridge er inden for rammen og skal opfylde de strenge standarder for lufttæthed og effektiv opvarmning og køling. Men for at hjælpe med at begrænse omkostningerne er nogle få områder med mere udfordrende ventilations-, opvarmnings- og afkølingsproblemer – lobbyen og dens åbne trappe, såvel som vaskeri og fællesrum – udelukket fra konvolutten. Alle døre, der fører ind i PH-konvolutten og alle dens vinduer er pakninger og tredobbelte glas for at forhindre utilsigtet luftstrøm, når de er lukkede.

Pak bygningen ind i et tæppe.

Røde glasfiberclips forhindrer termisk brodannelse;
solbrun mineraluld dækker bygningens ydre.

UDFØRT FOTO

Kontinuerlig isolering er kritisk. Men i en traditionel bygning placeres isolering kun i væghulerne mellem stifterne, hvilket efterlader huller - en tilgang Apigian ligner en sweater med en masse huller i. Til PH bygninger tilføjer arkitekter typisk også et lag udvendig isolering med høj varmemodstand, hvilket effektivt skaber et tæppe rundt om hele bygningen. Tæppets tykkelse afhænger af bygningens størrelse, anvendelse og belægning samt klimazonen. Hos Finch Cambridge brugte Icon spraypåført glasfiberisolering i ydervæggehulrummene og indpakkede derefter bygningen med et to-tommer lag mineraluld, et brandsikkert isoleringsmateriale lavet af nedsmeltet basaltsten og genbrugsslagge fra stålværker . (Bygningen Distillery North fik celluloseisolering i dets udvendige væghulrum plus tre tommer mineraluld.) Arkitekterne dækkede også taget med tilspidset stiv skumpladeisolering, placerede seks tommer stift skum med høj tæthed mellem garageloftet og garagen. etage over det, og sprøjtet polyurethanskumisolering i overgangssteder, der ellers ville være svære at dække.

Bygningens 'kuvert' udfører hovedparten af ​​arbejdet og holder den indvendige temperatur uanset, hvad der sker udenfor.

Det er også afgørende at undgå eller afbryde termiske broer, elementer, der skaber en vej for varme til at komme ind eller ud, fordi de er mere termisk ledende end de omgivende materialer. Knopper - især metal knopper - er berygtede termiske broer; hos Finch Cambridge bliver de forstyrret af de to tommer udvendig isolering. Ligeledes er de Z-formede metallister, der bruges til at fastgøre den udvendige beklædning, fastgjort til bygningen med clips lavet af glasfiber, som har begrænset varmeledningsevne.

Håndter ventilationen omhyggeligt.

ALICE DRAGE

Energigenvindingsventilatorer (kendt som ERV'er) bruges til at give en kontinuerlig, afbalanceret luftstrøm ind og ud af PH-bygninger. For hver af Finch Cambridges to ERV'er trækker en kanal frisk luft ind, og en anden kanal udleder gammel luft. Begge kanaler passerer luften gennem ERV, en varmeveksler, der udnytter det grundlæggende termodynamiske princip, at termisk energi altid vil strømme fra varmt til koldt. Så selvom luften i de to separate kanaler ikke blandes, i koldt vejr hjælper varmen fra den udgående forældede luft med at opvarme den kolde friske luft, der kommer ind, hvilket reducerer behovet for opvarmning i bygningen. I varmt vejr udvinder systemet varmen fra den indkommende friske luft, overfører den til den udgående kølige, forældede luft og minimerer behovet for aircondition. ERV'erne hjælper også med at styre fugtigheden.

Frisk luft, som filtreres for at fjerne partikler, leveres ind i alle Finch Cambridges stuer og soveværelser fra en af ​​bygningens to friskluftkanaler. Gammel luft suges fra ventilationsåbninger i alle badeværelser og køkkener og strømmer ud til en af ​​ERV'erne gennem en af ​​de to udgående ventilationskanaler (vist til højre, før isolering blev påført).

Det er meget simpel teknologi, der er lidt fantastisk, men ikke kompliceret, siger Apigian. Det har eksisteret længe.

Installer varme i den rigtige størrelse.

ALICE DRAGE

En bygning med en ordentlig PH-konvolut og et ERV-system kræver minimalt med yderligere opvarmning og køling. Varmen, der genereres af kroppe, apparater, lys og tilsluttede enheder som computere, fjernsyn og brødristere, holder i høj grad den toasty. Faktisk siges det ofte, at du kan varme et PH-hjem op med en hårtørrer. I New England, siger Apigian, kan det være sandt. Men hun påpeger, at effektiviteten af ​​PH-kuverten til at holde på varmen betyder, at køling om sommeren har en tendens til at være et større problem.

Computermodeller tager højde for varmen, der genereres af apparater, elektriske enheder, belysningsarmaturer og mennesker og beregner, hvor meget ekstra varme eller køling, der er nødvendig. Varmepumper, der fungerer efter de samme principper som et klimaanlæg eller fryser og kræver minimal energi for at køre, er typisk tilstrækkelige til begge formål. En varmepumpes fordamper eller varmeveksler trækker varme ud af luften ved hjælp af en kølevæske, der bliver til damp; at dampen derefter komprimeres i en kondensator for at øge dens temperatur, hvilket giver varme. Processen vendes, når der er behov for afkøling. Hver enhed på Finch Cambridge har en elektrisk varmepumpe, men alle 98 varmepumper (og dem i de fælles rum) deler kun 16 kondensatorer på taget (vist til højre). Fordi systemet tillader samtidig variabel kølemiddelstrøm, kan en vestvendt enhed, der bager i solen, anmode om køling, samtidig med at en østvendt enhed kan kalde på varme.

Webstedets energiforbrugsintensitet (EUI) fremskrevet ved Finch Cambridge - antallet af kBTU'er, der kræves for at opvarme og afkøle hver kvadratfod om året - er kun 23. Det er imponerende 70 % mindre end USA's gennemsnitlige EUI for flerfamiliehuse, som i 2016 var 78,8.

Vælg vinduer med omhu – og skygge efter behov.

STEPHANIE ARNETT

De rigtige vinduer og skyggeanordninger gør det muligt at udnytte solens varme om vinteren og aflede den om sommeren. For at hjælpe med at opretholde den indvendige temperatur, uanset om det er varmt eller koldt udenfor, er alle vinduer i PH-kuverten hos Finch Cambridge tredobbelt glaserede og forsynet med pakninger med isolerede rammer, der forhindrer kuldebrodannelse. Og Icon undgår dobbelthængte vinduer, når det er muligt, da det er vanskeligt at opretholde en pakningsforsegling på et vindue, der er lavet til at glide op og ned. Det traditionelle New England dobbelthængte vindue er en katastrofe - den mest utætte ting, man kender til, siger Apigian.

Udvendige skærme over vinduerne på Finch Cambridges sydfacade strækker sig over halvdelen af ​​vinduets længde. (Arkitekterne havde oprindeligt planlagt at installere skærme på øst-, vest- og sydfacaderne, men energimodellering afslørede, at de kun var nødvendige for sydvendte vinduer. At fjerne resten hjalp med at begrænse omkostningerne.) De valgte skærme med skrå lameller, der blokerer sommersolen, men forhindrer regn og sneophobning og lader vinden blæse igennem. Fordi solen står lavere på himlen om vinteren, kan sollyset og noget af dets strålevarme trænge ind i vinduerne under solskærmene og være med til at opvarme bygningen.

I et nik til fuglene ved den nærliggende Fresh Pond designede arkitekterne bygningens taglinje til at ligne vinger. Vingerne giver også skygge til fællesrummet og vaskerummet på øverste etage og er vært for en del af 150-kilowatt-arrayet af solpaneler, der installerede taget. Solpanelerne forventes at udligne 98.144 kilowatt-timer om året, eller omkring 20% ​​af den samlede elektricitet, der kræves for at drive bygningen.

Lav energimodellering og -testning.

PASSIVHUSINSTITUTTET | wikimedia

Energimodellering er nyttig til at guide design og konstruktion af en PH-bygning. Bygningens ingeniører kan beregne energibelastningen (den maksimale mængde energi, der er nødvendig på et givet tidspunkt) for at sikre, at de specificerer passende størrelse udstyr til bygningen i stedet for at overdrive det. De kan også bestemme bygningens energibehov (den samlede energi, der bruges på et enkelt år) for at være sikker på, at den opfylder PH-standarderne. Men at måle dens lufttæthed, når den først er bygget, er den ultimative test - og er påkrævet for certificering som en passivhusbygning.

Apigian forventer fuldt ud, at bygningen modtager PH-certificering. I marts forberedte hun sig til Finch Cambridges første fuldbyggede blæserdørstest for at bestemme dens lufttæthed. Testen går ud på at lukke alle udvendige døre og vinduer og placere en speciel dør med ventilator i den ene hoveddør i PH-kuverten for at trække luft ud af bygningen og sænke dens indre lufttryk. Hvis bygningen ikke er lufttæt, skal dørventilatoren arbejde hårdere for at opretholde lufttrykniveauet, og røgpenne kan bruges til at afsløre utætheder.

Da den endelige konstruktion af Finch Cambridge var færdig, var Apigian også i gang med at jonglere med andre lokale passivhusprojekter i Gloucester, Salem og Lowell. I hvert tilfælde er målet at give varme- og kølesystemer meget lidt at lave. Med lufttæthed og termisk kontinuitet og kontrol udfører klimaskærmen hovedparten af ​​det arbejde, som vi typisk er afhængige af, at vores systemer udfører, og opretholder den indvendige temperatur, uanset hvad der sker uden for bygningen, siger hun. Og i New England kan det betyde næsten alt.

skjule