Rakennussimuloinnin mahdollisuudet energiatehokkuuden optimoinnissa, osa 1.

Osa 1. Vuonna 2002 rakennetun omakotitalon energiatehokkuuden parantaminen

Nykytilanne

Rakennus on vuonna 2002 valmistunut omakotitalo, joka sijaitsee Joensuussa. Lämmitysmuotona on sähköinen lattialämmitys, jota tukee varaava takka ja ilmalämpöpumppu. Talossa on koneellinen ilmanvaihto lämmöntalteenotolla, jonka vuosihyötysuhde on 43 %. Kohteen lämmitettävät tilat voidaan jakaa toiminnoiltaan kolmeen osaan: Oleskelutilat, kosteat tilat ja makuuhuoneet. Näiden tilojen käyttöprofiilit poikkeavat toisistaan ja mallinnetaan sen vuoksi erillisiksi termodynaamisiksi tiloiksi. Näin tilojen lähtötiedot vastaavat käyttöä ja rakennussimulointi kuvaa mahdollisimman tarkasti rakennuksen energiatehokkuuden nykytilannetta. Rakennussimuloinnin lähtötietojen määrittäminen on esitetty kuvissa 1.-4.

Kuva 1. Simuloinnissa tarkasteltavan kohteen sijaintikoordinaatit voidaan hakea Google Mapsin avulla. Säätietoina laskennassa käytetään sijaintipaikkakunnan mukaisia tai sijaintipaikkakuntaa mahdollisimman hyvin kuvaavia säätietoja.

Kuva 2. Rakennus mallinnetaan suunnitelmien tai kohteessa tehtyjen mittausten perusteella. Lämmitettävät tilat jaetaan käyttötarkoituksiensa mukaisesti termodynaamisiksi tiloiksi ja niille luodaan todellista käyttöä tarkasti kuvaavat käyttöprofiilit.

Kuva 3. Rakenteille määritellään rakennusfysikaaliset ominaisuudet, tiiveys ja rakenteiden sekä liitosten kylmäsillat.

Kuva 4. Jokaiselle termodynaamiselle tilalle määritellään siihen vaikuttava talotekniikka ja käytettävä energialähde.

Rakennussimuloinnin tuloksena saadaan kohteen energiankulutukseksi yhteensä 25 679 kWh/vuosi. Tästä rakennuksen energiankäytöstä tuotetaan uusiutuvilla energialähteillä noin 7900 kWh/v, joka on 30,8 prosenttia rakennuksen käyttämästä energian määrästä.

Rakennuksen varaavassa takassa poltetaan vuosittain noin 6,5 irto-m3:ta koivupilkettä. Polttopuista saatavan lämmitystuoton laskennassa on varaavan takan kokonaishyötysuhteena käytetty 60 prosenttia. Tulosraportissa ilmoitettu puun energiankulutus on tässä laskelmassa takan energiantuotto tilaan (6,5 i-m3 x 1010 kWh/i-m3 x 0,6). Puun primäärienergiakertoimessa on huomioitu takan hyötysuhde jakamalla primäärienergiakerroin takan hyötysuhteella. Näin puun primäärienergian määrä vastaa kohteessa vuodessa käytettävää polttopuun määrää. Ilmalämpöpumpun lämpötuoton ja sähkönkäytön simuloinnissa on käytetty kohteessa olevan laitteen valmistajan ilmoittamia teknisiä arvoja.

Laskennassa käytetyt primäärienergian kertoimet energialähteille ovat ulkoilma 1,0, puu 1,67 (1/0,6) ja sähkö 2,2. Primäärienergiakertoimia ei tule sekoittaa rakentamismääräysten energiamuotojen kertoimiin, joita käytetään energiatodistuslaskennassa. Hiilidioksidipäästöjen osalta on laskelmassa uusiutuvat energiat oletettu päästöttömiksi yhdenmukaisesti EU:n energiapolitiikan kanssa ja sähkön hiilidioksidipäästöinä on käytetty sähkölaitoksen ilmoittamaa hiilidioksidipäästöä 264 g CO2/kWh.

Simuloinnin tarkoituksena on ollut tuottaa nykytilannetta mahdollisimman tarkasti kuvaava rakennuksen energiamalli, jota voidaan hyödyntää tulevien energiatehokkuustoimenpiteiden suunnittelussa. Tämän vuoksi simuloinnissa on käytetty energiatodistuslaskentaa yksilöidympää käyttöprofiilia ja säätietoja eikä se vastaa energiatodistuslaskennan standardikäytön arvoja. Tämän energiasimuloinnin tulosta ei voida käyttää sellaisenaan rakennuksen energiatodistuksessa.

Kohteen mallinnukseen perustuvan energiasimuloinnin tulokset vastaavat hyvin rakennuksen keskimääräistä ostoenergiankulutusta, kun simuloinnin tuloksia verrataan toteutuneisiin kulutustietoihin. Energiasimuloinnin tuloksia on esitetty kuvissa 5.-7 ja raportti on kokonaisuudessaan luettavissa linkissä Nykytilanne esimerkkiraportti.

Kuva 5. Kohteen kuukausittainen energiatase.                                                                                                          

Kuva 6. Simuloidun energiakulutuksen, kustannusten ja hiilidioksidipäästöjen jakautuminen käyttökohteittain.       

Kuva 7. Energiankulutuksen, kustannusten ja hiilidioksidipäästöjen jakautuminen energialähteittäin.                      

Toimenpiteet

Rakennuksen energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävissä toimenpiteissä voidaan asettaa tavoitteiksi esimerkiksi energiantarpeen pienentäminen, uusiutuvien energialähteiden osuuden kasvattaminen energian käytössä, luonnonvarojen säästäminen pienentämällä primäärienergian käyttöä sekä hiilidioksidipäästöjen ja energiankäytön kustannusten alentaminen.

Rakenteellisen energiatehokkuuden parantaminen

Tässä kohteessa helpoin tapa parantaa rakenteellista energiatehokkuutta on lisätä yläpohjaan eristettä ja varmistaa rakenneosien liitosten tiiveys.

Rakennuksen yläpohja on harjaristikkorakenteinen yläpohja. Yläpohjan eristeenä on puhallusvilla (selluvilla), jonka keskipaksuus on noin 350 millimetriä. Eristetilan ja kattorakenteen välinen tuuletustila mahdollistaa yläpohjan lisäeristämisen. Tavoitetasoksi asetetaan uudisrakennuksen lämmöneristävyydelle asetettu rakentamismääräyksen taso, johon päästään puhaltamalla yläpohjaan lisää 150 millimetriä selluvillaa. Rakennuksen energiankulutus yksittäisenä toimenpiteenä tehdyn yläpohjan lisäeristämisen jälkeen on esitetty kuvassa 8.

Kuva 8. Yläpohjan lisäeristäminen vähentää tilojen lämmityksen tarvetta ja toimenpiteen vuotuinen vaikutus on energiankulutukseen -687 kWh, primäärienergiaan -1251 kWh ja hiilidioksidipäästöihin -124 kg. Toimenpide pienentää energiakustannuksia 61 €/vuosi (Vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Ilmanvaihtokoneen uusiminen

Rakennuksessa on koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto lämmöntalteenotolla. Ilmanvaihtolaitteisto on alkuperäinen ja sen uusiminen tehokkaammaksi kannattaa tehdä silloin, kun laitteisto vaatii kustannuksiltaan merkittävää korjausta tai huoltoa. Rakennuksen energiankulutus yksittäisenä toimenpiteenä tehdyn ilmanvaihtokoneen uusimisen jälkeen on esitetty kuvassa 9.

Kuva 9. Vähemmän sähköä kuluttavan ja tehokkaamman ilmanvaihtokoneen (LTO:n vuosihyötysuhde 67 %)vuotuinen vaikutus on energiankulutukseen -2271 kWh, primäärienergiaan -5016 kWh ja hiilidioksidipäästöihin -609 kg. Toimenpide pienentää energiakustannuksia 297 €/vuosi (Vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Aurinkoenergian hyödyntäminen käyttöveden lämmityksessä

Kohteessa käyttöveden lämmityksen osuus kokonaisenergian kulutuksesta on noin 20 prosenttia. Asentamalla katon etelälappeelle 6 neliömetriä tyhjiöputkikeräimiä voidaan aurinkoenergialla tuottaa noin 43 prosenttia käyttöveden lämmitykseen kuluvasta energiasta. Aurinkoenergian hyödyntäminen käyttöveden lämmityksessä nostaa uusiutuvien energialähteiden osuutta rakennuksen kokonaisenergiankulutuksessa. Energiankulutus lähteittäin yksittäisenä toimenpiteenä tehdyn aurinkokeräimien asennuksen jälkeen on esitetty kuvassa 10.

Kuva 10. Käyttöveden lämmitys aurinkoenergialla vähentää vuotuista primäärienergian määrää -2608 kWh ja hiilidioksidipäästöjä -580 kg. Toimenpide pienentää energiakustannuksia 286 €/vuosi (vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Suunniteltujen toimenpiteiden yhteisvaikutus

Kuvissa 11-13 on esitetty keskeiset tulokset, kun kohteessa suoritetaan kaikki yllä esitetyt toimenpiteet ja valaisimina käytetään pelkästään LED-valaisimia. Energiasimuloinnin raportti energiatehokkuustoimenpiteiden jälkeen on luettavissa linkissä Suunnitelma esimerkkiraportti. 

Kuva 11. Kohteen kuukausittainen energiatase energiatehokkuustoimenpiteiden jälkeen.                                       

Kuva 12. Kohteen energiankulutuksen, kustannusten ja hiilidioksidipäästöjen jakautuminen kohteittain energiatehokkuustoimenpiteiden jälkeen.

Kuva 13. Suunniteltujen toimenpiteiden vuotuinen yhteisvaikutus on energiankulutukseen -3068 kWh, primäärienergiaan -9294 kWh ja hiilidioksidipäästöihin -1421 kg. Toimenpiteet pienentävät energiakustannuksia 674 €/vuosi (Vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Yhteenveto

Mikäli suunniteltujen toimenpiteiden takaisinmaksuajaksi valitaan 15 vuotta voi kokonaisinvestoinnin hinta olla vuotuisen säästön perusteella enintään 10 000 euroa, kun takaisinmaksuajassa ei huomioida jäännösarvoa, korkoa eikä sähkön hinnan nousuja (10 000 € : 674 €/v = 15 vuotta). Kustannussäästön avulla muodostettua investointibudjettia voidaan hyödyntää energiatehokkuustoimenpiteiden jatkosuunnittelussa ja hankintojen kilpailutuksessa.  

Rakennuksen energiatehokkuuden parantamiseksi on valittu keinoja, jotka ovat mahdollista toteuttaa ilman massiivisia muutos- ja korjaustöitä. Toimenpiteet vähentävät kohteen energiankulutuksen vuotuisia päästöjä yli 30 prosenttia. Toimenpiteiden jälkeisen sähkönkulutuksen aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää siirtymällä uusiutuvilla energialähteillä tuotetun vihreän sähkön käyttöön.

Tässä kirjoituksessa kuvattu esimerkki kuvastaa hyvin mahdollisuuksia, joita yksityiskohtainen rakennussimulointi voi tarjota energiatehokkuuden suunnitteluun korjausrakentamisessa. Uudisrakennuksissa kustannustehokkaiden toimenpiteiden valikoima on laajempi. Energiatehokkuuden tarkastelut tulisikin tehdä mahdollisimman aikaisessa vaiheessa kohteen suunnittelua, jolloin ratkaisuihin voidaan vaikuttaa pienin kustannuksin. Uudisrakentamisen suunnitteluvaiheen mahdollisuuksista kerron lisää tulevissa blogikirjoituksissa.