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.

Olosuhdesimuloinnilla hallitumpaan sisäilmastoon -esimerkkinä kasvihuone

Johdanto

Näin kesän kynnyksellä moni innokas viherpeukalo haaveilee varmasti jälleen omasta kasvihuoneesta. Olisihan se hienoa kasvattaa kurkut, tomaatit, salaatit ja miksei vähän eksoottisempiakin vihanneksia jatkamalla kesäistä kasvukautta kasvihuoneen avulla. Omasta kasvihuoneesta aamupalapöytään haettavat tuoreet vihannekset ovat todellista lähituotantoa.

Vaikka en olekaan varsinaisesti hyötyviljelyn asiantuntija innostuin aiheesta rakennustekniikan näkökulmasta ja erityisesti kasvihuoneen mielenkiintoisten sisätilan olosuhdevaatimusten johdosta. Eikä käy kieltäminen, että olen itsekin jo pitkään haaveillut omasta toimivasta kasvihuoneesta. Niinpä päätin suunnitella kasvihuoneen, tutkia tarkemmin olosuhteita ja koostaa asennuksesta työvaiheanimaation.

Päätin suunnitella kasvihuoneen, joka kokonsa puolesta voitaisiin rakentaa useimmissa kaupungeissa ilman rakennuslupaa. Kasvihuoneen enimmäiskoko määritellään kaupunkien rakennusjärjestyksissä ja rakentamistapaohjeistuksissa. Muita suunnittelun lähtökohtia olivat riittävä huonekorkeus, ergonominen kasvien viljelykorkeus ja läpikulkumahdollisuus kottikärryjen kanssa. Halusin myös, että sijoitettaessa kasvihuone harjalinjaltaan itä-länsisuuntaan voidaan etelälappeelle sijoittaa aurinkopaneelit mahdollista kasvihuoneen sähköistystä varten. Samalla aurinkopaneelit alustoineen varjostavat kasvihuonetta kuumimpana kesäaikana. Toki kasvihuoneen tulee olla myös viihtyisä ja esteettistä silmää miellyttävä.

Kuva 1. Puurunkoinen läpikuljettava kasvihuone, jossa betonimuurikivistä muodostettu sokkeli ja kasvatusallas.

Asennusanimaatio suunnitelman mukaisen kasvihuoneen työvaiheista.

Olosuhdesimulaatio

Kasvihuoneessa vallitseviin lämpöolosuhteisiin on luonnollisesti suuri merkitys paitsi kasvihuoneen koolla, niin myös lasipinta-alalla, rakenteilla sekä suuntauksella ja ympäristön varjostuksilla. Näiden seikkojen vaikutusta voidaan tutkia olosuhdesimulaatiolla. Tässä simulaatiossa malli on luotu siten, että tarkastelu on tehty ilmatiiviille ja tuulettumattomalle sisätilalle. Tällä menettelyllä saadaan tarkempi käsitys yllä esitettyjen seikkojen vaikutuksista sisätilan olosuhteisiin ja voidaan arvioida lämmittämisen ja tuuletuksen tarpeita eri ajanjaksoina kasvihuoneessa. Kasvihuoneen sijoittelu tontille on esitetty kuvassa 2 ja simulointitulokset käytetyllä säätiedolla ja tontille sijoittelulla on esitetty kuvassa 3.

Kuva 2. Olosuhdesimulaatiossa kasvihuone sijoitetaan haluttuun paikkaan tontilla. Kasvihuonetta varjostava puusto ja viereiset rakennukset mallinnetaan simulointiin mukaan.

Kuva 3. Olosuhdesimulaatiossa voidaan tarkastella haluttujen päivien lämpöprofiilia. Tulokset osoittavat että mikäli kasvihuoneen käyttö halutaan aloittaa toukokuun alusta, joudutaan kasvihuonetta tuolloin ajoittain lämmittämään. Keskikesällä kasvihuonetta joudutaan todennäköisesti tuulettamaan aurinkoisina päivinä iltapäivällä ja alkuillasta, mikäli tuuletuksen lämpötilan raja-arvona pidetään +30 astetta. Tuuletus on yleensä tarpeellinen myös suuren ilmankosteuden takia. Kasvihuoneen sisällä olevat massiiviset betonimuurikivistä ja kasvualustan maatäytöstä tehdyt kasvatusaltaat toimivat lämpötilan vaihteluita tasaavina elementteinä. Lämpöä varaavan massansa ansiosta niihin päivällä varastoitunut lämpö vapautuu yöllä sisätilaan ja toisaalta niiden massa toimii päivällä sisätilaa jäähdyttävänä elementtinä.

Lopuksi

Vaikka kyseessä on mittaluokaltaan pieni rakennus kannattaa kirjoitusta pohtia laajempana kokonaisuutena, kuten minkälaisia mahdollisuuksia olosuhdesimulaatio voi tarjota rakennushankkeiden suunnittelussa. Kasvihuone toimii oivana esimerkkinä miten olosuhdesimulaatiota voidaan käyttää alkuvaiheen suunnittelun ohjauksessa ja laadunvarmistuksessa. Olosuhdesimulaatiolla voidaan optimoida ja hyödyntää tehokkaasti esimerkiksi rakennuksen massaa, sijoittelua sekä passiivisia ja rakenteellisia auringonsuojauskeinoja, jotka vähentävät koneellisten energiaa kuluttavien ratkaisujen käyttöä.