Passivhuset som är aggressivt grönt

Stephanie Arnett

I maj kommer invånare som valts ut från ett lotteri med 2 600 sökande att börja flytta in i 98 bostäder till överkomliga priser i den nya Finch Cambridge-byggnaden på Concord Avenue nära Fresh Pond i Cambridge, Massachusetts. Byggnaden är designad av Bostons Icon Architecture och har lekfulla burspråk och hörnfönster för att släppa in solljus och tillåta korsventilation, en lobby med ett välvt tak och en öppen trappa som är avsedd att locka människor att avstå från hissar, och andra omtänksamma detaljer som salvia- gröna accentväggar och stora golvplattor i badrummen för att minimera användningen av smutsatraherande injekteringsbruk. Dess familjevänliga tvättstuga ligger bredvid ett stort gemensamt utrymme med en lounge, en köksdel och läxhörnor - och båda är placerade på översta våningen, med fönster som erbjuder fantastisk utsikt över Fresh Pond och tillgång till en takterrass som kommer har upphöjda bäddar för trädgårdsarbete.

Men det som är mest anmärkningsvärt med byggnaden syns inte alls.

Finch Cambridge designades för att möta världens mest energieffektiva byggnadsstandard, känd som passivhusstandarden (PH), vilket kommer att göra det dramatiskt billigare att värma och kyla än en vanlig byggnad. Faktum är att det beräknas vara 70 % mer energieffektivt än 2016 års nationella genomsnitt för flerfamiljshus. Lufttät och extremt välisolerad, en sådan struktur anses vara passiv eftersom den effektivt kan upprätthålla sin temperatur oavsett väder utanför, endast förlitar sig minimalt på traditionella värme- och kylsystem. Det är faktiskt en termos, säger Finch Cambridges projektledare, Michelle Apigian, MA '00, MCP '00, en biträdande rektor och hållbarhetsledare på Icon Architecture som också arbetade med byggnadens design. Passivhusmetoden, som fungerar för alla typer av byggnader från småhus till skyskrapor, kräver ett ventilationssystem som noggrant kontrollerar intaget av frisk luft och återvinner värmen (eller luftkonditionerad kyla) från utgående gammal luft. Det minskar inte bara behovet av uppvärmning och kylning utan ger bättre inomhusluftkvalitet för hälsosammare och bekvämare livsrum. Du kan fortfarande öppna ett fönster för en frisk luft om du verkligen vill.

Med tanke på alla fördelar – och det faktum att byggnader står för 54 % av energianvändningen i Massachusetts – är det förvånande att Finch Cambridge bara blir den andra flerfamiljsbyggnaden i PH i delstaten. Apigian projektledde också och hjälpte till att designa det första, ett hyreshus med marknadspris i södra Boston som heter Distillery North, som öppnade 2017. Den byggnaden fick LEED Platinum-status – den högsta nivån i Leadership in Energy and Environmental Design Green Building certifieringsprogram – utan ytterligare ansträngning. Byggnaden är 72 % mer energieffektiv än 2016 års nationella genomsnitt för flerfamiljshus. Hyresgästerna där betalar i genomsnitt 22,50 USD i månaden för att värma och kyla sina lägenheter, som mestadels är en- och tvårumslägenheter, säger byggnadsägaren Fred Gordon. Han tillägger att två invånare med svår luftvägsallergi rapporterar att deras symtom helt försvann kort efter inflyttning — och dyker upp igen när de reser.

Koncepten bakom PH design började ta form under oljekrisen på 1970-talet, då den amerikanska regeringen finansierade forskning för att minska landets beroende av olja. Men intresset för att bygga energieffektiva bostäder avtog när oljepriserna sjönk och amerikanerna satte sig i sina bensinslukande bilar igen. En grupp européer tog sedan vid där amerikanerna (och några kanadensiska kollegor) slutade och förfinade bästa praxis och standarder för att bygga lufttäta hem som är lättare att värma upp på vintern – ett tillvägagångssätt som de främjade som Passivhaus-rörelsen. En tysk arkitekt byggde det första amerikanska passivhuset i Illinois 2003; 2007 grundade hon passivhusinstitutet i USA, som har finjusterat PH-metoder för olika klimat.

Även om idén att designa extremt energieffektiva byggnader verkar vara en självklarhet, säger Apigian att medvetenheten om PH-standarden först nyligen har börjat spridas i den amerikanska designgemenskapen. Hon lärde sig först om det 2008 när hon arbetade med en tävling för att designa bostäder utan noll – hem som skapar lika mycket energi som de använder – för den tidigare Fort Devens Army-basen i Massachusetts. Nu certifierad inom PH-byggnad och en aktiv förespråkare för incitament för att främja sådana projekt, tror hon att design enligt dessa standarder så småningom kommer att bli det nya normala. När LEED slog i marken kändes det nytt och galet för alla, säger hon. Nu är det i princip givet – varje arkitektbyrå tänker holistiskt. LEED satte det tydligt på kartan.

Rädsla för höga kostnader har hindrat många utvecklare från att ta till sig passivhusprinciperna. Få byggare har erfarenhet av byggtekniken, vilket driver upp priset. Om det finns ett inexpert team är det mer troligt att du får en ganska hög kostnadsuppskattning eftersom de är nervösa och inte vet vad som krävs, säger Apigian. Men i takt med att fler byggare får erfarenhet bör priserna sjunka. Vi tror att vi verkligen kan göra det för 1 % till 2 % merkostnad om passivhusprinciperna är integrerade från början av designprocessen och hela teamet är med, säger hon.

Med den sista fasen av Finch Cambridge-konstruktionen väl igång i februari, gav Apigian MIT News en rundtur i byggnaden och förklarade nyckelkoncepten.

Skapa ett lufttätt kuvert.

ALICE DRAGON

Såvida inte någon går genom en dörr eller öppnar ett fönster, får ingen luft komma in eller ut ur en PH-byggnad förutom genom ventilationssystemet. Så byggnadens hölje är helt inneslutet i en trelagers luftbarriär bestående av två yttre lager av polypropen termiskt bundna till ett vattentätt mellanskikt av polymer. Vid varje hörn och alla kanter av varje stansad öppning – tänk på fönster, dörrar, kanalöppningar – är denna barriär tejpad med speciell vatten- och vindtät tejp. (Apigian säger att en luftbarriär i ett lager inte är lika effektiv, och korrekt applicering är avgörande. Om den fästs med häftklamrar – eller ännu värre, om den slits sönder och blåser – kommer den inte att hålla luften ute. Kontinuerligt vidhäftade barriärer är säkrare. )

Detta är det första steget i att skapa vad som kallas ett passivhus-kuvert – en kontinuerlig barriär mot utomhusluft, fukt och oönskad värme eller kyla. Alla 98 lägenheter på Finch Cambridge ligger inom kuvertet och måste uppfylla de strikta standarderna för lufttäthet och effektiv uppvärmning och kylning. Men för att hjälpa till att hålla nere kostnaderna utesluts några områden med mer utmanande ventilations-, värme- och kylningsproblem – lobbyn och dess öppna trappa, samt tvätt- och gemenskapsrummen – från kuvertet. Alla dörrar som leder in i PH-kuvertet och alla dess fönster är packade och treglasade för att förhindra oavsiktligt luftflöde när de är stängda.

Slå in byggnaden i en filt.

Röda glasfiberklämmor förhindrar köldbryggning;
brun mineralull täcker byggnadens exteriör.

MED HENSYN FOTO

Kontinuerlig isolering är avgörande. Men i en traditionell byggnad placeras isolering endast i vägghålen mellan reglarna och lämnar luckor - ett tillvägagångssätt som Apigian liknar en tröja med en massa hål i. För PH-byggnader lägger arkitekter vanligtvis också till ett lager av kontinuerlig yttre isolering med hög värmebeständighet, vilket effektivt skapar en filt runt hela byggnaden. Filtens tjocklek beror på byggnadens storlek, användning och beläggning, samt klimatzonen. På Finch Cambridge använde Icon sprayapplicerad glasfiberisolering i ytterväggshålrummen och svepte sedan in byggnaden med ett tvåtumsskikt av mineralull, ett brandbeständigt isoleringsmaterial tillverkat av nedsmält basaltsten och återvunnen slagg från stålverk . (The Distillery North-byggnaden fick cellulosaisolering i sina ytterväggar plus tre tum mineralull.) Arkitekterna täckte också taket med avsmalnande isolering av styv skumskiva, placerade 6 tum styvt skum med hög densitet mellan garagetaket och garaget. golvet ovanför det, och sprayade polyuretanskumisolering i övergångsställen som annars skulle vara svåra att täcka.

Byggnadens 'kuvert' gör huvuddelen av arbetet och håller innetemperaturen oavsett vad som händer utanför.

Det är också viktigt att undvika eller störa köldbryggor, element som skapar en väg för värme att komma in eller ut eftersom de är mer värmeledande än de omgivande materialen. Dubbar—särskilt metalldubbar—är ökända köldbryggor; på Finch Cambridge störs de av två tum av yttre isolering. Likaså är de Z-formade metallremsorna som används för att fästa den yttre beklädnaden fästa vid byggnaden med klämmor av glasfiber, som har begränsad värmeledningsförmåga.

Hantera ventilationen noggrant.

ALICE DRAGON

Energiåtervinningsfläktar (kända som ERV) används för att ge ett kontinuerligt, balanserat luftflöde in i och ut ur PH-byggnader. För var och en av Finch Cambridges två ERV:er drar en kanal in frisk luft och en andra kanal driver ut gammal luft. Båda kanalerna passerar luften genom ERV, en värmeväxlare som drar fördel av den grundläggande termodynamiska principen att termisk energi alltid kommer att flöda från varmt till kallt. Så även om luften i de två separata kanalerna inte blandas, i kallt väder hjälper värmen från den utgående inaktuella luften till att värma den kalla friska luften som kommer in, vilket minskar behovet av uppvärmning i byggnaden. Vid varmt väder extraherar systemet värmen från den inkommande friska luften, överför den till den utgående, kallare gamla luften och minimerar behovet av luftkonditionering. ERV:erna hjälper också till att hantera fukt.

Frisk luft, som filtreras för att ta bort partiklar, levereras till alla Finch Cambridges vardagsrum och sovrum från en av byggnadens två friskluftskanaler. Inaktuell luft sugs från ventiler i alla badrum och kök och strömmar ut till en av ERV:erna genom en av de två utgående ventilationskanalerna (visas till höger, innan isolering applicerades).

Det är väldigt enkel teknik som är ganska fantastisk, men inte komplicerad, säger Apigian. Det har funnits länge.

Installera värme i rätt storlek.

ALICE DRAGON

En byggnad med ett ordentligt PH-skal och ett ERV-system kräver minimalt med ytterligare värme och kyla. Värmen som alstras av kroppar, apparater, lampor och inkopplade enheter som datorer, tv-apparater och brödrostar gör att den kan hållas toasty. Faktum är att det ofta sägs att du kan värma ett PH-hem med en hårtork. I New England, säger Apigian, kan det vara sant. Men hon påpekar att effektiviteten hos PH-höljet för att hålla värmen gör att kylning på sommaren tenderar att vara en större fråga.

Datormodeller tar hänsyn till värmen som genereras av apparater, elektriska apparater, belysningsarmaturer och människor och beräknar hur mycket extra värme eller kyla som behövs. Värmepumpar, som fungerar enligt samma principer som en luftkonditionering eller frys och kräver minimal energi för att fungera, är vanligtvis tillräckliga för båda ändamålen. En värmepumps förångare, eller värmeväxlare, extraherar värme från luften med hjälp av en köldmedievätska som förvandlas till ånga; den ångan komprimeras sedan i en kondensor för att öka dess temperatur, vilket ger värme. Processen är omvänd när kylning behövs. Varje enhet på Finch Cambridge har en elektrisk värmepump, men alla 98 värmepumpar (och de i de gemensamma utrymmena) delar bara 16 kondensorer på taket (visas till höger). Eftersom systemet tillåter simultant variabelt köldmedieflöde, kan en västvänd enhet som bakar i solen begära kylning samtidigt som en östvänd enhet kan kräva värme.

Webbplatsens energianvändningsintensitet (EUI) som beräknas vid Finch Cambridge – antalet kBTU som krävs för att värma och kyla varje kvadratfot per år – är bara 23. Det är imponerande 70 % mindre än USA:s genomsnittliga EUI för flerfamiljshus, som 2016 var 78,8.

Välj fönster med omtanke – och skugga efter behov.

STEPHANIE ARNETT

Rätt fönster och skugganordningar gör det möjligt att utnyttja solens värme på vintern och avleda den på sommaren. För att bibehålla den inre temperaturen oavsett om det är varmt eller kallt ute, är alla fönster i PH-kuvertet på Finch Cambridge treglasade och packade, med isolerade ramar som förhindrar köldbryggor. Och Icon undviker dubbelhängda fönster när det är möjligt, eftersom det är svårt att upprätthålla en packad tätning på ett fönster som är gjorda för att glida upp och ner. Det traditionella New England dubbelhängda fönstret är en katastrof - det läckaste man känner till, säger Apigian.

Exteriör nyanser ovanför fönstren på Finch Cambridges södra fasad sträcker sig halva fönstrets längd. (Arkitekterna hade ursprungligen planerat att installera skärmar på den östra, västra och södra fasaden, men energimodellering visade att de bara behövdes för fönster i söderläge. Att eliminera resten bidrog till att hålla nere kostnaderna.) De valde skärmar med lutande lameller som blockerar sommarsolen men förhindrar regn och snöansamling och låter vinden blåsa igenom. Eftersom solen står lägre på himlen på vintern kan solljuset och en del av dess strålningsvärme komma in i fönstren under skärmarna och hjälpa till att värma upp byggnaden.

I en nick till fåglarna vid den närliggande Fresh Pond designade arkitekterna byggnadens taklinje för att likna vingar. Vingarna ger också skugga för gemenskapsrummet och tvättstugan på översta våningen och värd en del av den 150 kilowatt stora mängden solpaneler som installerade taket. Solpanelerna beräknas kompensera för 98 144 kilowattimmar per år, eller cirka 20 % av den totala el som krävs för att driva byggnaden.

Gör energimodellering och testning.

PASSIVHUSINSTITUT | wikimedia

Energimodellering är till hjälp för att vägleda design och konstruktion av en PH-byggnad. Byggnadens ingenjörer kan beräkna energibelastningen (den maximala mängden energi som behövs vid varje given tidpunkt) för att se till att de specificerar utrustning av lämplig storlek för byggnaden istället för att överdriva det. De kan också bestämma byggnadens energibehov (den totala energianvändningen under ett enda år) för att vara säker på att den uppfyller PH-standarderna. Men att mäta dess lufttäthet när den väl är byggd är det ultimata testet – och krävs för certifiering som en passivhusbyggnad.

Apigian förväntar sig fullt ut att byggnaden kommer att få PH-certifiering. I mars förberedde hon sig för Finch Cambridges första kompletta blåsdörrstest för att fastställa dess lufttäthet. Testet går ut på att stänga alla ytterdörrar och fönster och placera en speciell dörr med en fläkt i ena huvuddörren på PH-kuvertet för att dra ut luft ur byggnaden och sänka dess inre lufttryck. Om byggnaden inte är lufttät måste dörrfläkten arbeta hårdare för att upprätthålla lufttrycksnivån, och rökpennor kan användas för att avslöja läckor.

När den slutliga konstruktionen av Finch Cambridge avslutades, jonglerade Apigian också med andra lokala passivhusprojekt på gång i Gloucester, Salem och Lowell. I varje fall är målet att ge värme- och kylsystem väldigt lite att göra. Med lufttäthet och termisk kontinuitet och kontroll gör byggnadsskalet huvuddelen av det arbete som vi vanligtvis förlitar oss på att våra system gör, och upprätthåller den inre temperaturen oavsett vad som händer utanför byggnaden, säger hon. Och i New England kan det betyda nästan vad som helst.

Dölj