Energiasäästliku ehituse ajaloost

Meelis Linnamägi

Passiivset päikeseenergiat arvesse võtvaid maju on maailmas projekteeritud ja ehitatud tuhandeid aastaid. Seda tehti praktilisest vajadusest enne mehhaanilise kütte ja ventilatsiooni leiutamist ning see oskus on säilinud paljude maade traditsioonilises arhitektuuris.

Iidsed kultuurid arvestasid elumajade ehitamisel päikese liikumise suunda, hoone termilist massi ja ventilatsiooni. Esimestena  kasutasid päikesearhitektuuri ja linnaplaneerimise arenenud meetodeid kreeklased ja hiinlased, kes orienteerisid oma majad valguse ja sooja saamiseks lõuna suunas.
Kreeka filosoof Sokrates ütles üle 2000 aasta tagasi: „Kui majal on nüüd lõunasuunaline asetus, siis kas päikesevalgus tungib talvel räästa alt sisse, ja suvel, kui päike käib otse meie peade kohal, siis kas katus annab varju või mitte?“ Kreeka filosoof ja näitekirjanik Aischylos ütles: „Ainult primitiivsed inimesed ja barbarid ei tea midagi majadest, mis asetsevad näoga talvepäikese suunas.“

Rooma termidel oli suured lõunapoolsed aknad. Euroopas loobuti päikesearhitektuurist suuresti siis, kui Rooma riik langes. Kuid selle kasutamist jätkati Hiinas, kus on tugevad kosmoloogilised traditsioonid.
Esimene funktsioneeriv energiasäästlik elamu oli tegelikult polaarlaev, mitte maja. See oli Norra polaaruurija Fridtjof Nanseni laev „Fram”, millega Nansen alustas oma teist polaarekspeditsiooni aastal 1883. 1897. aastal ilmunud raamatus kirjutas ta: „... Laeva küljed olid vooderdatud tõrvatud vildiga, seejärel tuli korgist polsterdusega ruum, järgmisena männipuidust paneelid, siis paks kiht vilti, õhutihe linoleum ja kõige viimaseks olid paigaldatud sisemised paneelid. Salongi ja kajutite lae paksus oli kokku umbes 38 cm. ...Katuseaken, mis oli kõige rohkem külma läbi laskev koht, koosnes kolmekihilisest klaasist ja oli soojustatud veel mitmel teisel viisil... Fram on mugav elupaik. Näidaku termomeeter 22 kraadi üle nulli või 22 kraadi alla selle, me ei küta ahju. Ventilatsioon on suurepärane, eriti pärast seda, kui paigaldasime tiiviku, mis saadab sumbunud õhu välja läbi soojatagasti ning soojendab sissetulevat külma õhku. Seetõttu on meil siin soe ja mugav istuda, ainult lamp põleb. Ma mõtlen, et peaks ahju üldse välja viskama, see võtab ainult asjatult ruumi.“


Pildil: Fridtjof Nanseni polaarlaev Fram triivjääs. Raskemaid kliimatingimusi ühe elamu jaoks annab otsida.
Foto: http://www.ub.uit.no/northernlights/eng/nansen02.htm

Varajased eksperimentaalsed päikeseenergiaga arvestavad majad ehitati kombineerides aktiivset (vett soojendavad päikesekollektorid katusel) ja passiivset (akendest sisse tulnud päikeseenergia akumuleerimine hoone termilisse massi) päikeseenergia tehnoloogiat.
Euroopa esimesed moodsad passiivse päikeseenergiaga arvestavad majad ehitati Saksamaal pärast I Maailmasõda, kui liitlasväed okupeerisid Ruhri piirkonna, kus asub enamik Saksamaa söekaevandusi. Seetõttu oldi sunnitud välja mõtlema maju, mis vajaksid vähem kütet.
Arhitekt George F. Keck oli passiivse päikesenergiaga arvestavate majade projekteerimise pioneer 1930-ndatel ja 1940-ndatel aastatel. 1933. aastal projekteeris ta Chicago näitusele „Progressi sajand“ üleni klaasist Tulevikumaja (House of Tomorrow) ning märkas, et päikeselistel talvepäevadel oli majas soe juba enne ahju paigaldamist. Pärast seda hakkas ta ka teistele klientidele maju projekteerides kasutama üha rohkem lõunapoolsete akendega pakutavaid võimalusi.



Pildil: George F. Kecki Tulevikumaja suured aknad pakkusid vaateid igasse ilmakaarde.
Foto: http://en.wikipedia.org/wiki/File:571531cv.jpg

1940. aastal projekteeris arhitekt George F. Keck passiivset päikeseenergiat arvesse võtva maja Illinoisi kinnisvaraarendajale Howard Sloanile. Sloani maja nimetati Chicago Tribune’i poolt päikesemajaks, mis oli selle mõiste esmakordne kasutamine. Sloan ehitas seejärel mitmeid passiivset päikeseenergiat arvestavaid maju ning tema aktiivne reklaam viis tähelepanuväärse päikesemaja-liikumise tekkeni 1940. aastatel.
Kuulus arhitekt Frank Lloyd Wright kasutas päikeseenergia passiivse kasutamise põhimõtteid mõnedes oma projektides, millest tähelepanuväärseim on Jacobs House. See ehitati 1944. aastal Wisconsinis ning on tuntud ka kui Solar Hemicycle (Päikese Poolring).
1973. aasta naftakriis stimuleeris oluliselt passiivset päikeseenergiat arvestavate majade arendamist. Anti välja kümneid käsiraamatuid, näiteks Edward Mazria Passive Solar Energy Book. 1977. aastal loodi USA Energiaagentuur ja 1978. aastal päikeseenergia maksutagastuse mehhanism. 1979. aastal paigaldas president Carter Valge Maja katusele päikesepaneelid.

 http://images.huffingtonpost.com/gen/60454/original.jpg
Pildil: Päikesepaneelid Valge Maja katusel.
Foto: http://www.huffingtonpost.com/2009/01/27/white-house-solar-panels_n_160575.html


1976. aastal lõi kuulus energiapoliitika analüütik Amory Lovins mõiste soft energy path (pehme energia rada), et kirjeldada alternatiivset tulevikku, kus energiatõhusus ja kohased taastuvenergiaallikad asendavad tsentraliseeritud energiasüsteemi, mis baseerub fossiilsetel ja tuumakütustel.
Aasatel 1982-1984 ehitas Amory Lovins külma kliimaga piirkonda USA-s Kaljumägede Instituudi (Rocky Mountain Institute). Selle eksperimentaalne hoone projekteeriti, kasutades parimaid energiatõhusus- ja alternatiivseid energeetikatehnoloogiaid, mis olid sellel ajal kättesaadavad.
Selle liivakiviplokkidest ehitatud hoone kurviliste seintega kuju tagab hea mürasummutuse ning sees asuv kasvuhoone annab piisavalt õhuniiskust ka talvel.


http://img.artknowledgenews.com/files2009a/Loving_passive_solar_banana_farm.jpg
Pildil: Kaljumägede Instituudi ülimalt innovaatiline peahoone 1980. aastatest.
Foto: http://www.rmi.org/Locations

Kaljumägede Instituudi esimese hoone ehitusmaksumus jäi ehituse keskmiste turuhindade piiridesse ning hoone on rohkem kui 20 aastat pärast valmimist ikka veel üks kõige energiatõhusamaid kogu piirkonnas.
Kaljumägede Instituudi 370 m2 hoone on  orienteeritud lõunasse, selle konstruktsioon on väga õhutihe ja seal on kasutatud normidest kaks korda paksemat isolatsiooni. Elektrikulu vähendamiseks on suurt tähelepanu pööratud ka päevavalguse maksimaalsele kasutamisele.

Hoone kõrge energiatõhusus on saavutatud suuresti tänu tema superakendele, mida laiatarbes kasutati esimest korda. Need on raske gaasi, argooniga täidetud Heat Mirror® aknad. Heat Mirror® on 50-µm paksune läbipaistev polüesterkile, mis laseb läbi nähtava valguse, kuid peegeldab tagasi infrapuna soojuskiirguse. Kile on paigaldatud klaaspaketis kahe klaasi vahele ning mõjub nagu kolmas klaas, ainult et laseb läbi oluliselt rohkem valgust ning hoiab oluliselt paremini sooja kui tavaline klaas.

1990. aastatel asendati aknad krüptoontäidisega klaaspakettidega, milles Heat Mirror® kile oli kahelt poolt soojuskiirgust peegeldava kattega kaetud. Osal akendest kasutati ka välimist selektiivklaasi – soojuskiirgust peegeldavat kihti klaasi sisepinnal. Aastatel 2005-2009 asendati aknad veelgi parematega, kus oli kasutatud rasket ksenoongaasi, millega saavutati akna U-väärtuseks 0,48. Kolmekordsel aknal aga kasutati kuut soojuskiirgust peegeldavat kihti, millega saavutati akna U-väärtuseks 0,3.
Hoone põrandate all on küttetorustik, mida toidavad päikesekollektorid ja akupaagid ning väga külmal ajal köetakse ka puuküttega ahju.

Elektrit toodetakse fotoelektriliste päikesepaneelidega, mille kaldenurka saab hooajaliselt käsitsi muuta, et tagada suurem efektiivsus. Ülejääv elekter antakse elektrivõrku ning pliiakude pank hoitakse pidevalt täislaetuna. See tagab akude ülipika tööea ning võimaldab elektrikatkestuste korral hoonet oma elektrivooluga varustada. Kasutatakse ka parima tehnoloogiaga ja säästlikumaid elektri- ja veeseadmeid.
Passiivse päikeseenergia tehnoloogiaid on maailmas 20. sajandil järk-järgult täiustatud kõrge motivatsiooni toel ja 3D arvutimodelleerimise tehnoloogia abil. 21. sajandi alguses on huvi veelgi kasvanud. 2005. aastal taastati USA-s päikeseenergia maksutagastuse mehhanism ning päikeseenergia uuringutele ja eriti päikeseenergia abil jahutamisele planeeriti rohkem riiklikke toetusi.

Alates aastast 1978 on üle 300 000 USA hoone projekteeritud passiivse päikeseenergia kasutamise põhimõtteil, kuigi üle 25 miljoni hoone on sellest ajast alates ehitatud ilma neid tehnoloogiaid kasutamata.

Evolutsioon:
Passiivne päikeseenergia maja => Passiivmaja => Plussenergia maja
20. sajand on näinud kolme erinevat lähenemist maja projekteerimisele energiatõhususest ja mugavusest teadlikule kliendile. Iga lähenemisviisi tingis mõni oluline poliitiline sündmus kombineerituna tehnoloogiliste läbimurretega.

Passiivse päikeseenergia arhitektuur
Kontseptsioon sellisel kujul, nagu meie seda tunneme, astus arhitektuurilavale 20. sajandi alguses vastusena industrialiseerimisajastu armetutele majadele. Päikesevalguse ja värske õhuga küllastunud maja tõotas tervislikumat elukeskkonda.
1927. aastal toimus vajalik läbimurre klaasitööstuses – leiutati Pennvernoni tõmbamismasin. Klaas tõmmati rullide vahelt läbi uudses tehnoloogilises protsessis, mille võttis kasutusele PPG Industries USA-s. Esimest korda suudeti hakata tootma suuri klaastahvleid. Sellega avanesid uued erutavad arhitektuursed võimalused, mis aga olid seotud suurte soojakadude ja ebamugavusprobleemidega. Isoleeriva klaasi turuletoomine LOF’i poolt muutis elu majas oluliselt mugavamaks ning lõunapoolsete akende kaudu lisanduv päikeseenergia suutis juba energiakadusid ületada.
Järgmise generatsiooni passiivset päikeseenergiat arvesse võtvate majade ehitamist motiveeris naftaekspordi boikott 1972. aastal. Hoonete energiatõhusus tõusis järsult tänu riiklike uurimislaborite ja innovaatiliste projekteerijate koostööle. Arvutisimultasioonide abil loodi väärtuslikke projekteerimisjuhendeid, mille abil sai optimeerida tasakaalu päikeseenergia saagise, ehitise massi ja soojakadude vahel.

Passiivmaja
1990-ndatel aastatel sai keskkonnakaitsest Euroopas kaduvate metsade ja kliimamuutuste alase varajase teadlikkuse tõttu tähtis avalik huvi. Mõisteti, et hooned on oluline vahend CO2 emissiooni vähendamiseks. Üks oluline võimalus hoonete energiakasutuse vähendamiseks kuni 90% võrra oli passiivmaja. Selle kontseptsiooni looja on Saksa ehitusfüüsik Wolfgang Feist.


 http://www.passivhaustagung.de/Kran/Kranichstein_Schnee_2005_Feb.jpg
Pildil: 1991. aastal ehitati Saksamaal Darmstadtis Dr Wolfgang Feisti eestvedamisel esimene passiivmaja.
Foto: http://www.zigersnead.com/current/blog/post/passive-house-passiv-haus-building-standard/


Passiivmaja standardile vastav ehitis peab olema varustatud efektiivse 85-95% kasuteguriga  soojatagastusega ventilatsioonisüsteemi, paksu õhutiheda isolatsiooni ja külmasildadeta välispiirete ning spetsiaalsete madala soojusjuhtivuse ja optimaalse pindalaga akende ning ustega. Siseõhu kõrge kvaliteet, soojus ja mugavus saavutatakse ruumide neto küttevajadusega vähem kui 15 kWh/(m2a), ning primaarenergiavajaduse juures (koos jaotus- ja säilituskadude, sooja vee tootmise, majapidamises tarbitava elektrienergia ja erinevate energiaallikate primaarenergia tegurite arvestamisega) alla 120 kWh/(m2a).
Tavaliselt ei piisa ka passiivmaja puhul ainult elanike, kodumasinate ja valgustuse tekitatud jääkenergia taaskasutamisest ventilatsiooni soojatagastusest, ega päikeseenergia passiivsest akumuleerimisest hoone konstruktsioonides. Seega tuleb külmadel talvekuudel passiivmajja siiski kütteenergiat lisada. Mida külmemas kliimas passiivmaja asub, seda paksemat isolatsiooni tuleb välispiiretes kasutada ning rohkem tähelepanu tuleb pöörata akende suurusele ja asetusele.

Null- ja plussenergia maja
21. sajandil on naftahinna kiire tõus ja pettumused tuumaenergeetikas tagant tõuganud huvi ehituskontseptsiooni vastu, kus hoone poolt toodetav energia oleks aasta lõikes võrdne või suurem tema energiavajadusest. Passiivmaja ja sarnased väga madala energiatarbega kontseptsioonid (n. Minergie Šveitsis) on tõestanud oma efektiivsust energiavajaduse minimeerimisel. Fotoelektriliste päikesepaneelide langevad hinnad koos elektrienergia tõusva hinnaga on muutnud elektritootmise atraktiivseks järjest kasvavale hulgale majaomanikele.

Tulevikuväljavaated
Lahendamata küsimus on pluss-energia majade kasvav hulk linnades. Need vajavad talvel elektrivõrguenergiat ruumide kütteks ja tarbevee soojendamiseks, kuigi väiksemas koguses kui tavalised majad. See koos elektriautode arvu kasvuga on elektrisüsteemide proovikivi. Kas meil peab talveks olema üha kasvav tootmisvõimsus, mis suvel jõude seisab? Lahendus oleks üle-euroopaline tark elektrivõrk, mis ühendaks taastuvad energiaallikad, näiteks põhjas toodetud tuuleenergiat ning lõunas toodetud päikeseenergiat. Pluss-energia majad on igal juhul väga vähenõudlikud energiatarbijad, sest nende soojakadu on väga madal. Nagu elektriautode, nii on ka hoonete tulevikulootus paremate ja kulutõhusamate energiasalvestuslahenduste loomine, olgu siis elektri või soojuse kujul.



Autorist


Meelis Linnamägi on lõpetanud Tartu Ülikooli ja Tallinna Ülikooli ning töötanud Valga Piirkonna Keskkonnakeskuse juhatajana, Valga Linnavalitsuse arenguameti juhatajana, Innovatiivse Hoone ja Elukeskkonna Kompetentsikeskuse juhatajana ning projektijuhi ja eksperdina paljudes projektides.

Ta on täiendanud ennast energiasäästliku ehituse alal Saksamaal, Austrias, Taanis, Belgias, Rootsis, Soomes ja Inglismaal. On lõpetanud Tartu Ülikooli täienduskoolituskursuse "Sertifitseeritud Euroopa passiivmaja
projekteerija".

Ta oli Eesti esimese passiivmajatehnoloogiaga hoone rekonstrueerimise ja liginullenergiahoone Nõlvaku lasteaia ehituse projektijuht. Ta on projekteerinud ja ise ehitanud kaks uut ühepereelamut ning renoveerinud kaks vana maja. Praegu on ta MTÜ Tervislik keskkond juhatuse liige ning ehitab oma perele uut energiasäästlikku elamut.