Energiatehokkuusvertailussa ulkoseinät

Tämä kirjoitus perustuu Lakan Betoni Oy:n toimeksiannosta tehtyyn talomallin energiasimulointiin, jonka tavoitteena oli vertailla eri ulkoseinävaihtoehtojen vaikutuksia rakennuksen lämmitys- ja jäähdytysenergian tarpeeseen. 

Tausta

Energiasimuloinnin kohteeksi valikoitui Lakka kivitalojen mallistosta Haukansilmä 204 -talomalli, joka edustaa melko tyypillistä kivirakenteista pientalokohdetta. Talomalli on kaksikerroksinen, jonka tunnusomaisena piirteenä on ensimmäisessä kerroksessa sijaitseva, ylös toiseen kerrokseen asti auki oleva olohuone. Korkean tilan ulkoseinä on pääosin ikkunapintaa. Energiasimuloinnissa tämä ikkunaseinä valittiin rakennuksen eteläsivuksi ja rakennuksen sijaintipaikkakunnaksi Jyväskylä. Säätietona käytettiin laskentaohjelmiston tietokantaa, jossa säätieto on tietyn vuoden mittauksesta interpoloitu säätieto valitulle sijainnille. Tätä säätietoa päädyttiin käyttämään toimeksiannon sisällön sekä säätietokannan saatavuuden ja laajuuden vuoksi. Käytetty säätieto ja laskennan lähtötiedot soveltuvat rakennushankkeen alkuvaiheen tarkasteluihin ja tulokset ovat valitulle sijainnille suuntaa antavia. 

Tutkimusasetelma muodostettiin niin, että se vastaisi mahdollisimman hyvin rakennushankkeen rakennussuunnitteluvaihetta, jossa rakentamisen ratkaisuja ei ole vielä lopullisesti päätetty ja niihin voidaan vaikuttaa. Talopakettirakentajalla tämä tarkoittaa yleensä tilannetta, jossa rakennuspaikka on olemassa ja talomalli rakennussuunnittelun pohjaksi on valittu.

Kuva 1. Rakennuksen energiamalli, johon mallinnettiin pelkästään lämmitettyä sisätilaa rajaavat ulkovaipan rakenneosat sekä sisätiloja rajaavat väliseinät ja välipohja. Rakennuksen tilat mallinnettiin kuuluvaksi yhteen termodynaamiseen tilaan ja käyttöprofiiliin. Mallinnuksessa tehtiin simuloinnin toimivuuden kannalta tarpeellisia yksinkertaistuksia, joilla ei ole ulkoseinien vertailtavuuden kannalta oleellista merkitystä. Rakennuksen ulokkeista mallinnettiin pelkästään eteläsivun varjostavat vaakatasot eli parveke ja katokset.

Laskentatapaukset

Talomallista muodostettiin mallintamalla kuusi erilaista laskentatapausta, joista laskentatapaukset 1.-4. poikkesivat toisistaan pelkästään ulkoseinärakenteen (1.-3. kivirakenteita, 4. massiivipuu) osalta. Laskentatapauksissa 5. ja 6. myös sisätilojen seinärakenteet ja välipohja mallinnettiin puurakenteisina laskentatapauksen ulkoseinätyypin (5. massiivipuu, 6. puuranka ulkoseinä) rakennustavan mukaisesti.

Rakennuksen ulko- ja poistoilmavirtoina, lämmitysrajana sekä vakioidun käytön lähtötietoina käytettiin ympäristöministeriön asetuksessa 1010/2017 käyttötarkoitusluokalle annettuja arvoja. Jäähdytysrajaksi asetettiin sisäilmaviihtyvyyden perusteella +24 astetta. Rakennuksen ikkunoiden kokonaisläpäisyksi asetettiin 50 %:a ilman sälekaihtimia tai muita erillisiä auringonsuojauskeinoja. Ilmanvaihtolaitteistona laskennassa käytettiin koneellista tulo- ja poistoilmanvaihtoa lämmöntalteenotolla (55 %), tuloilman esilämmityksellä (+18) ja ominaissähköteholla (n. 1,8 kWh/(m3s). Lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmää ei laskennassa määritetty ja laskenta niiden osalta perustuu Ashrae 90.1 -standardin arvoihin. 

Tulokset

Energiasimuloinnin tulokset talomallin lämmitys- ja jäähdytysenergiasta eri laskentatapauksille on esitetty kuvassa 2 ja erot sekä laskentatapausten selitteet pylväskaaviokuvassa 3. 

Kuva 2. Energiasimuloinnin tulokset (ilman käyttöveden lämmitystä) laskentatapauksittain, kWh/v.

Kuva 3. Lämmitys- ja jäähdytysenergian erot laskentatapauksittain vertailtuna laskentatapaukseen 1.

Pohdinta

Tuloksista voidaan tämän talomallin osalta todeta, että lämmöneristävyyden lisäys ulkoseinässä paitsi vähentää lämmitysenergian tarvetta myös lisää rakennuksen jäähdytystarvetta kesäaikana. Laskentatapausten perusteella lämmöneristävyyden lisäys ulkoseinässä näyttäisi kuitenkin lisäävän jäähdytyksen tarvetta enemmän kevytrakenteisissa ratkaisuissa. Rakenteiden lämpöä varaavan ja tasaavan massan lisäyksellä näyttäisi olevan myönteinen vaikutus käytön aikaiseen energiankulutukseen pienentäen sekä lämmitys- että jäähdytysenergian tarvetta.

Rakenneratkaisuilla ja rakennuksen sijainnilla on merkitystä myös siihen, kuinka suuren osan rakennuksen elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista käytön aikainen energiankulutus muodostaa. Olennaista on, että suunnitteluvaiheessa tunnistetaan kohteeseen valittujen rakenneratkaisujen perusteella keskeiset ja kustannustehokkaat ympäristövaikutusten vähentämiseen johtavat keinot. Edistysaskeleita suunnitteluvaiheen ohjauksessa ovat esimerkiksi ympäristöministeriön vähähiiliseen rakentamiseen tähtäävät toimenpiteet. Lisäresurssien ja panostusten ohjaaminen hankkeen alkuvaiheessa suunnitteluun ja ratkaisujen optimointiin luovat mahdollisuuksia kestävän kehityksen mukaiselle, laadukkaalle ja kustannustehokkaalle rakentamiselle. 

Tutkitun talomallin osalta mielenkiintoisia lisätutkimuksen aiheita olisivat esimerkiksi rakennuksen suuntauksen ja erilaisten aurinkosuojauskeinojen vaikutukset talomallin energiatehokkuuteen. Ehkä niistä lisää myöhemmissä kirjoituksissa.

Pieniä ekotekoja

Johdanto

Viime aikoina on jälleen uutisoitu tuhoisista sään ääri-ilmiöistä. Näiden ääri-ilmiöiden ennustetaan myös lisääntyvän tulevaisuudessa ilmastonmuutoksen seurauksena. Aika-ajoin onkin hyvä pysähtyä miettimään miten oma toiminta vaikuttaa ilmastonmuutokseen ja voisiko asioita tehdä vähemmän ilmastoa ja luontoa kuormittavalla tavalla. Omien valintojen ja tekojen vaikutus ilmastonmuutoksessa voi tuntua kokonaisuudessa merkityksettömältä, mutta vanha viisaus "pienistä puroista kasvaa suuri joki" pätee myös tässä. Kukaan yksin ei pysty maapalloa pelastamaan, mutta omat ilmastoteot linkittyvät osaksi vaikuttavaa globaalia yksilöiden ja yhteisöjen ilmastoteoista muodostuvaa ilmastonmuutoksen torjuntaketjua.

Toimintojen ympäristövaikutusten arviointi ei poikkea muusta, minkä tahansa asian tehostamiseen tai parantamiseen tähtäävästä prosessista. Kartoitetaan nykytila, tunnistetaan asiat joilla on vaikutusta ja jotka voidaan tehdä paremmin, asetetaan tavoitteet, sovitut asiat toteutetaan ja seurataan tavoitteiden toteutumista.

Oma yritystoimintani nojaa kestävän kehityksen mukaiseen toimintaan hyödyntämällä kehittyneintä ohjelmisto- ja laiteteknologiaa sekä digitaalisuuden mahdollisuuksia rakennusalalla. Ilmastotekojen osalta olen mukana Joensuun ilmastokumppanuusverkostossa, johon liittyneet toimijat ovat kukin tehneet omaan toimintaansa liittyvät ilmastositoumuksensa. Ilmastositoumukseni käsittää muutaman konkreettisen asian, jotka ovat myös mitattavissa. Ympäristövaikutusten osalta kuitenkin merkittävimpiä ovat päivittäisissä työtehtävissä tekemäni ratkaisut. Näistä työtehtävistä päätin jäsentää yleiskatsauksen kuvaamaan yhteen kapeaan alaan liittyvistä vaikutusmahdollisuuksista. 

Suunnitteluprosessi

Nykyinen ohjelmistoteknologia ja tietomallinnus mahdollistavat suunnitelmien tiedonsiirron ilman paperitulosteita. Digitaalisuus vähentää suunnitteluprosessin ympäristökuormituksia ja lähtökohtana omassa toiminnassani on siirtää suunnitelmat valmistuspaikalle älylaitteissa luettavassa ja hyödynnettävässä muodossa. Tietomallintamalla tehty suunnitelma tai digitaalinen tuotemalli sisältävät valmistustietojen lisäksi arvokasta informaatiota suunnittelukohteesta havainnollisessa muodossa. Mahdolliset suunnitelmamuutokset päivittyvät älylaitteilla luettaviin suunnitelmiin reaaliaikaisesti ja virheiden mahdollisuus pienenee. Yhteistyö eri toimijoiden välillä paranee, tehokkuus lisääntyy ja ylimääräiset työvaiheet vähenevät.

Kuva 1. Valjastamalla suunnitteluprosessiin digitaalisuuden mahdollisuudet pystytään prosessi hoitamaan aikaisempaa ympäristöystävällisemmin ja kustannustehokkaammin.

Tuotesuunnittelu

Tuotesuunnittelussa pyrkimykseni on suunnitella kestävyys ja toiminnallisuus huomioiden mahdollisimman ympäristöystävällisiä ja kustannustehokkaita tuotteita reaaliaikaisen vaikutusarvioinnin avulla. Tuotesuunnittelussa voidaan ympäristökuormituksiin vaikuttaa erityisesti materiaalivalinnoilla, materiaalitehokkuudella, kestävyydellä ja valmistettavuudella. Tuotteen ympäristövaikutukset muodostuvat pitkälti näiden osatekijöiden vaikutuksesta tuotteen elinkaaressa. Ympäristöarvojen vaaliminen tuotesuunnittelussa voi lisätä myös tuotteen hintakilpailukykyä erityisesti parantuneen materiaalitehokkuuden ansiosta.

Kuva 2. Tuotesuunnittelussa tehtävien valintojen ja tuotemuutosten reaaliaikaisella ympäristö- ja kustannusvaikutusten arvioinnilla voidaan optimoida tuotteen ekotehokkuutta.

Energiatehokkuuden analyysit ja simulaatiot

Energiatehokkuuden selvityksissä ja energiatodistusten laadinnassa käytän rakennussimulaatiota, joka perustuu rakennuksesta tehtyyn tietomalliin. Rakennussimuloinnin avulla voidaan kohteesta tehdä esimerkiksi rakenneliitosten kylmäsilta-analyyseja, sisätilan olosuhdesimulaatioita, rakennuksen hiilijalanjäljen arviointia ja muodostaa koko rakennuksen kattava energiamalli (BEM). Menetelmä soveltuu niin uudistuotantoon kuin myös olemassa oleviin rakennuksiin. Rakennusten energiantarvetta pienentämällä vähennetään tehokkaasti rakennuskannan energiankulutuksesta aiheutuvaa ympäristökuormitusta. 

Kuva 3. Energiatehokkaassa rakennuksessa yksityiskohdilla on merkitystä. Liitosten kylmäsilta-analyysin avulla voidaan arvioida liitoksen kautta siirtyvää lämpövirtaa ja rakenteiden pintalämpötiloja.

Kuva 4. Rakennussimulaatiolla luotu rakennuksen energiamalli antaa realistisen arvion rakennuksen energiatehokkuudesta.

Lopuksi

Edellä esitetyt toiminnot ovat läpileikkaus päivittäisistä työtehtävistä, joissa tekemilläni päätöksillä on vaikutusta ympäristöön. Vaikka kirjoitus on tehty työtehtävieni näkökulmasta liittyy useimpiin työtehtäviin alasta riippumatta valintoja joilla on ympäristövaikutuksia. Yhden ihmisenkin pienillä ekoteoilla, niin työssä kuin vapaa-aikana, on merkitystä.