Energiatehokkaan arkkitehtisuunnittelun ohjausmalli. COMBI WP2 Arkkitehti, projektitutkija Malin Moisio

Transkriptio

1 Energiatehokkaan arkkitehtisuunnittelun ohjausmalli Arkkitehti, projektitutkija Malin Moisio

2 Esityksen sisältö Johdanto TTY:n työryhmän Ohjausmalli Aineisto ja tarkastelumenetelmä Menetelmä, simulaatiotarkastelut Tarkasteltavat tekijät ja niiden ominaisuudet Tulosten tarkastelu Tulokset Esimerkkejä laskentatuloksista Yhteenveto Yhteenvetoja laskentatuloksista

3 Energiatehokkaan arkkitehtisuunnittelun ohjausmalli Ohjekortisto, jonka tarkoituksena on toimia rakennuksen energiatehokkuutta havainnollistavana ja suunnittelua ohjaavana työkaluna Esittää yksittäisten suunnitteluratkaisujen vaikutuksen koko rakennuksen energiankulutukseen ja muuhun arkkitehtoniseen laatuun Kaikkia ominaisuuksia tarkasteltu suhteessa vakioituun perustapaukseen

4 Laskentamenetelmä: energiasimulointi Case-kohteet: Peruskoulut: Jätkäsaaren arkkitehtuurikilpailun voittanut ehdotus Nemo Ryhmäkodit: todellisia kohteita edustava tyyppimalli I Vakiot: rakenteet, ilmatiiveys, LVIS-järjestelmät ja säädöt sekä käyttö (RakMk D3 vertailuarvojen suuruisia ja standardikäytön mukaan) Muuttujat: yksi ominaisuus kerrallaan Laskentamenetelmä: simulointi IDA ICE dynaamisella energiasimulointiohjelmalla Tarkoitus: selvittää yksittäisen muuttujan vaikutus energiatehokkuuteen

5 Laskentamenetelmä: energiasimulointi Laskentatapaukset: Suunnittelukohde kokonaisuutena on jaettu tekijöihin, yhteensä 31 kpl Tekijöille haettu energiatehokkuuteen vaikuttavia ominaisuuksia, yhteensä 63 kpl Ominaisuuksia säätämällä muodostettu vertailtavat laskentavariantit Variantteja simuloitu 2 5 kpl/ominaisuus, jolloin laskentatapauksia yhteensä n. 230 kpl Kaikki variantit simuloitu standardikäytöllä Osa ominaisuuksista simuloitu lisäksi tarpeenmukaisella ilmanvaihdolla sekä tarpeenmukaisella valaistusteholla yhteistyössä TAMK:n Talotekniikka-ryhmän kanssa

6 Energiatehokkuuteen vaikuttavat tekijät Suunnittelukohde (rakennus + tontti) jakautuu tekijöihin Tekijät muodostavat kokonaisuuksia eri mittakaavatasoilla Tekijöillä on tiettyjä ominaisuuksia, joita voi laskea tai muutoin arvioida Ohjausmallissa tekijöitä tarkastellaan ominaisuuksiensa kautta Suunnittelukohde Mittakaavataso 1: Rakennettu ympäristö 1. Rakennus 2. Tontti Mittakaavataso 2: Rakennus 1.1 Fyysiset tekijät: vaippa 1.2 Toiminnalliset tekijät: tilajärjestelyt ja käyttö 1.3 Olosuhteet: tekniset järjestelmät 2.2 Toiminnalliset 2.1 Fyysiset tekijät 2.3 Olosuhteet tekijät Mittakaavataso 3: Rakennusosa Tekijät 1 5: US, YP, AP, ikkunat, ovet Tekijät 1 5: pääkäyttö- ja aputilat, märkätilat, kulkutilat, lämmittämättömät tilat Tekijät 1 6: LVIS, luonnonvalo Tekijät 1 3: lähiympäristö, topografia, kasvillisuus Tekijät 1-2: kulkutilat, ulkooleskelutilat Tekijät 1-2: pienilmasto, ilmansuunnat

7 Tekijät ja ominaisuudet 1 Suunnittelukohde 1. Rakennus Käyttötarkoitus Massa (muoto, aukotus, koko) Koko (nettoala, tilavuus) Kerrosluku 1.1 Fyysiset ominaisuudet eli vaippa Muoto (vaipan määrä) Massiivisuus Väri, ulkopinnat U-arvot Tiiveys Kylmäsillat (nurkkien määrä) Materiaalit

8 Tekijät ja ominaisuudet Ulkoseinät U-arvo Materiaalit Yläpohja U-arvo Materiaalit Alapohja U-arvo Materiaalit

9 Tekijät ja ominaisuudet Ikkunat Koko U-arvo g-arvo Varjostus (verho, lippa) Näkyvyyskerroin (ikkunapenkin korkeus) Ovet Koko U-arvo

10 Tekijät ja ominaisuudet Toiminnalliset ominaisuudet eli tilajärjestelyt ja käyttö Tilaohjelman tehokkuus Käyttöaste, pääkäyttöaste Käyttöaste, lisäkäyttöaste Henkilötiheys Käyttövyöhyke, pääkäyttö Käyttövyöhyke, lisäkäyttö

11 Tulosten tarkastelu Ostoenergiankulutus: Kaikkia ominaisuuksia tarkastellaan vuosittaisen ostoenergiankulutuksen (kwh/a) kautta E-luku: E-lukua (kwh/m 2 a) tarkastellaan ostoenergiankulutuksen rinnalla sellaisissa ominaisuuksissa, joissa nämä ovat ristiriidassa Käyttötehokkuus: Käytön vaikutusta energiatehokkuuteen tarkastellaan suhteuttamalla ostoenergiankulutus rakennuksesta saatavaan käyttöön Käyttötehokkuusluku = energiankulutus/henkilökäyttötunti Laatu: Vaikutusta arkkitehtoniseen laatuun arvioidaan käytettävyyden, kestävyyden ja viihtyisyyden kautta asteikolla

12 Arkkitehtoniseen laatuun vaikuttavat ominaisuudet Arkkitehtuurin perusarvot (Vitruvius): kauneus, kestävyys ja käyttökelpoisuus Suunnitteluratkaisujen vaikutusta laatuun on arvioitu valittujen laatuominaisuuksien avulla Energiatehokkuus on vain yksi rakennuksen laatuominaisuuksista Arkkitehtoninen laatu Kauneus /viihtyisyys Käyttökelpoisuus /toimivuus Kestävyys Esteettisyys Tilalliset ominaisuudet Sisäolosuhteet Käytettävyys Monikäyttöisyys Tekninen toimivuus Ympäristöystävällisyys Esim. materiaalit, luonnonvalon määrä, mittasuhteet näkymät, rytmi, sommitelma Esim. väljyys hahmotettavuus, orientoitavuus, havainnoitavuus mittakaava, tilantuntu Esim. valaistusolosuhteet, häikäisy, ilmanlaatu lämpöolosuhteet, vedontuntu Esim. tilankäytön tehokkuus, tarkoituksenmukainen tilamitoitus Esim. muunneltavuus muuntojoustavuus mukautuvuus Esim. terveellisyys, turvallisuus, riskittömyys, korjattavuus, huollettavuus Esim. elinkaari, kierrätettävyys, hiilijalanjälki, energiatehokkuus

13 Laskentatuloksia Laskennan lähtöarvot Rakenteiden U-arvot Ulkoseinä 0,17 W/(m²K) Yläpohja 0,09 W/(m²K) Maanvarainen alapohja 0,16* W/(m²K) Ovet 1,00 W/(m²K) Ikkunat 1,00 W/(m²K) Rakenteiden muita ominaisuuksia Ilmanvuotoluku (q50) 4 m 3 /(h m 2 ) Massiivisuus Raskasrakenteinen Kylmäsiltojen lisäkonduktanssit US-US (ulkonurkka) 0,05 W/mK US-US (sisänurkka) -0,05 W/mK US-YP 0,05 W/mK US-VP 0,05 W/mK US-AP 0,15 W/mK US-IKKUNAT 0,04 W/mK US-OVET 0,04 W/mK Ikkunoiden ominaisuuksia Lasin U-arvo 0,8 W/(m²K) Karmiosan U-arvo 1,6 W/(m²K) Umpiosan osuus ikkunasta 0,25 Ikkunoiden g-arvo 0,54 Laitteet, IV IV-koneen lämmön talteenoton vuosihyötytilasuhde 45 % Tuloilman lämpötilan asetusarvo 18 C Ominaissähköteho/ SFP-luku 2 kw/m³/s Jäteilman minimilämpötila 3 C Ilman lämpötilan nousu puhaltimessa 0,5 C Vakioilmavirta, majoitusliikerakennus 2 dm 3 /(s m 2 ) Minimi-ilmavirta, CO2-säätö tapauksissa 0,15 dm 3 /(s m 2 ) Lämmitysmuoto Kaukolämpö Rakennuksen geometria, tyyppimalli I

14 Laskentatuloksia Yksittäisten ominaisuuksien vaikutus energiatehokkuuteen Ikkunoiden suuntaus (pääosin etelä) Tuuliolosuhteet (meri) Sisääntulo pohjoiseen Sulatus sisäänkäynnissä Puita eteläpuolella + jäähdytys Naapureiden varjostus (h=12m) Sijaintipaikkakunta Sodankylä Tarpeenmukaiset valaistustehot Laitesähkö (2W/m2, -5) Jäähdytyslämpötila (25 C) IV jäähdytys 0,45 hyötysuhteella SFP luku (1) IV LTO vuosihyötysuhde (76 %) Painov. IV + tuuletus + jäähdytys Ilmavirta (CO2-ohjaus + jäähdytys) Kiertojohdon lämpöhäviöt (10W/m) Veden kulutus (-1) Sisälämpötila (25 C) Päivänvalo-ohjaus (0 300 lux) Lämmitysmuoto (maalämpö) Aputilat puolilämpimiä Ovi auki 12h/pvä + tuulikaappi Ovien aukiolo (yksi auki 12h/pvä) Avoimuusaste (kaikki tilat yhtä) Ovien U-arvo (0,5 W/m²K) Ovipinta-ala (ovia 32 kpl) Ikkunapenkkien korkeus (h=900 mm) Lippa (90 varsimarkiisi) Varjostus (sälekaihtimet kiinni) Ikkunoiden g-arvo (0,75) Ikkunoiden U-arvo (0,6 W/m²K) Ikkunapinta-ala (47,9 % ) Alapohjan U-arvo (0,10 W/m²K) Yläpohjan U-arvo (0,07 W/m²K) Ulkoseinän U-arvo (0,14 W/m²K) Erittäin hyvät lisäkonduktanssit Kylmäsillat (4 nurkkaa) Tiiveys (q50=0,5) U-arvot (Rak. e.t. mukaan) Ulkoväritys (tumma) Massiivisuus (kevytrakenteinen) Pohjamuoto (neliö) Kerrosluku (x 2) Pinta-ala (x 2) Käyttötarkoitus (asuinkerrostalo) Massa (tyyppimalli L) Perustapaus Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen

15 Laskentatuloksia Rakennusmassan vaikutus energiatehokkuuteen % % % 75% 5 25% % % % 99.5 % 99.3 % % % % 75% 5 25% % 99.0 % 98.4 % 98.4 % 99.7 % I-muoto, 677m 2, ikkunat 16,5 % U-muoto, 1189 m 2, ikkunat 22,0 % T-muoto, 1777 m 2, ikkunat 29,3 % O-muoto, 690m 2, ikkunat 20,4 % L-muoto, 677m 2, ikkunat 20,1 % I-muoto, 677m 2, ikkunat 16,5 % U-muoto, 1189 m 2, ikkunat 22,0 % T-muoto, 1777 m 2, ikkunat 29,3 % O-muoto, 690m 2, ikkunat 20,4 % L-muoto, 677m 2, ikkunat 20,1 % Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen E-luku suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, 677 m 2 Muuttujat: rakennuksen muoto, aukotus ja pinta-ala (massa)

16 Laskentatuloksia Käyttötarkoituksen vaikutus energiatehokkuuteen 125% % % % % 84.7 % e-luku raja-arvo 75% % 61.9 % 70.6 % 61.8 % 75.0 % 50.0 % 48.5 % 61.6 % 64.8 % 25% 25.0 % 0.0 % Majoitusliikerakennus Asuinkerrostalo Opetusrakennus Liikerakennus Toimistorakennus Majoitusliikerakennus Asuinkerrostalo Opetusrakennus Liikerakennus Toimistorakennus Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, ryhmäkoti (majoitusliikerakennus) Muuttuja: rakennuksen käyttötarkoitusluokka E-luku suht. perustapaukseen E-luvun raja-arvot

17 Laskentatuloksia Pinta-alan vaikutus energiatehokkuuteen % 125% % % 97.7 % 94.5 % 90.9 % 75 75% % % 25% 677 m m m m m m m m 2 Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen E-luku suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, 677 m 2 Muuttuja: rakennuksen lämmitetty nettoala

18 Laskentatuloksia Pohjamuodon vaikutus energiatehokkuuteen 125% % 98.9 % 97.3 % 98.4 % % 75% 5 25% Tyyppimalli I Variantti 1 Variantti 2 Variantti 3 Variantti 4 Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Pohjakaaviot: tyyppimalli I ja variantit 1 4 Perustapaus: tyyppimalli I, 14 nurkkaa Muuttuja: rakennuksen pohjamuoto

19 Laskentatuloksia Ikkunapinta-alan vaikutus energiatehokkuuteen 125% % 99.9 % % % % 125% % 99.3 % 99.0 % % % 75% 75% % 25% Ikkunat 16,5 % Ikkunat 0,0 % Ikkunat 47,9 % Ikkunat 96,3 % Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Ikkunat 96,3 %, jäähdytys huomioitu Perustapaus: tyyppimalli I, ikkunat 16,5 % Muuttuja: ikkunoiden kokonaispinta-ala Ikkunat 16,5 % Ikkunat 16,5 % Ikkunat 47,9 %, Ikkunat 96,3 % Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen, luonnonvalo huomioitu (päivänvalo-ohjaus) Ikkunat 96,3 %, +päivänvaloohjaus +päivänvaloohjaus +päivänvaloohjaus +päivänvaloohjaus + jäähdytys

20 Laskentatuloksia Energiamuodon vaikutus energiatehokkuuteen 125% % 98.4 % % 125% % 93.2 % % 89.3 % 75% 75% % 5 25% 25% Kaukolämpö Maalämpö Sähkölämmitys Puulämmitys Kaukolämpö Maalämpö Sähkölämmitys Puulämmitys Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen E-luku suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, kaukolämpö Muuttuja: energiamuoto

21 Laskentatuloksia Sisälämpötilan vaikutus energiatehokkuuteen 125% 75% % 92.0 % % % 5 25% Sisälämpötila 21 ºC Sisälämpötila 19 ºC Sisälämpötila 23 ºC Sisälämpötila 25 ºC Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, sisälämpötila 21 ºC Muuttuja: sisälämpötila

22 Laskentatuloksia Ilmanvaihdon ilmavirran vaikutus energiatehokkuuteen 125% % % 75% % 42.1 % 40.8 % 44.8 % 25% Vakioilmavirta 2 l/(sm 2 ) CO 2 - säätö, min 0,15 l/(sm 2 ), max D2 mukaan CO 2 -säätö, min 0,15 l/(sm 2 ), max D2 mukaan +jäähdytys D2 ilmavirrat huonetyypeittäin Vakioilmavirta 0,15 l/(sm 2 ) Vakioilmavirta 0,28 l/(sm 2 ) Asetus 1009/2017 mukaan Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, vakioilmavirta 2 l/(sm 2 ) Muuttuja: ilmavirta

23 Laskentatuloksia Painovoimaisen ilmanvaihdon vaikutus energiatehokkuuteen 125% % 75% % 48.2 % 53.5 % 25% Vakioilmavirta 2 l/(sm 2 ) Painovoimainen ilmanvaihto Painovoimainen ilmanvaihto + jäähdytys Painovoimainen ilmanvaihto + jäähdytys + ikkuna auki 15 min/pvä Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, vakioilmavirta 2l/(sm 2 )) Muuttuja: ilmavirta (painovoimaisella ilmanvaihdolla ilmanvaihtohormi joka huoneessa, painekertoimet osittain suojattu )

24 Laskentatuloksia Ikkunoiden suuntauksen vaikutus energiatehokkuuteen 125% % 98.0 % % 99.3 % 99.3 % 75% 5 25% E: 18,9 m 2, I: 13,5 m 2, P: 28,8 m 2, L: 8,7 m 2 E: 53,3 m 2, I: 8,6 m 2, P: 0,0 m 2, L: 8,1 m 2 E: 0,0 m 2, I: 8,6 m 2, P: 53,3 m 2, L: 8,1 m 2 E: 12,5m 2, I: 0,0 m 2, P: 12,5 m 2, L: 45,0 m 2 E: 12,5 m 2, I : 45,0 m 2, P: 12,5 m 2, L: 0,0 m 2 Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, ikkunapinta-ala ilmansuunnittain E: 18,9m 2, I: 13,5m 2, P: 28,8m 2, L: 8,7m 2 Muuttuja: ikkunapinta-alan jakautuminen ilmansuunnittain

25 Laskentatuloksia Ostoenergiankulutuksen jakautuminen 12% 3% Ilmanvaihdon lämmitys 12% 41% Tilojen lämmitys Lämmin käyttövesi LVI-sähkö 13% Valaistus Laitteet 19% Jäähdytys (0 %) Perustapaus, ryhmäkoti tyyppimalli I

26 Yhteenvetoja laskentatuloksista Suunnittelukohde Mittakaavataso 1: Rakennettu ympäristö 1. Rakennus 2. Tontti Mittakaavataso 2: Rakennus 1.1 Fyysiset tekijät: vaippa 1.2 Toiminnalliset tekijät: tilajärjestelyt ja käyttö 1.3 Olosuhteet: tekniset järjestelmät 2.2 Toiminnalliset 2.1 Fyysiset tekijät 2.3 Olosuhteet tekijät Mittakaavataso 3: Rakennusosa Tekijät 1 5: US, YP, AP, ikkunat, ovet Tekijät 1 5: pääkäyttö- ja aputilat, märkätilat, kulkutilat, lämmittämättömät tilat Tekijät 1 6: LVIS, luonnonvalo Tekijät 1 3: lähiympäristö, topografia, kasvillisuus Tekijät 1-2: kulkutilat, ulkooleskelutilat Tekijät 1-2: pienilmasto, ilmansuunnat

27 Laskentatuloksia Ominaisuuksien yhdistelmien vaikutus energiatehokkuuteen 89% 87% 75% 5 47% 25% 18% 15% Perustapaus, ryhmäkoti Rakennustyyppi Vaippa Rakennusosat Olosuhteet Olosuhteet, vaippa ja rakennusosat Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Eri ominaisuuskategorioista muodostettu energiatehokkaimpien realististen vaihtoehtojen yhdistelmät

28 Laskentatuloksia Ominaisuuksien yhdistelmien ostoenergiankulutuksen jakautuminen Ilmanvaihdon lämmitys Tilojen lämmitys Lämmin käyttövesi lvi-sähkö Valaistus Laitteet Jäähdytys 0 Perustapaus, ryhmäkoti Rakennustyyppi Vaippa Rakennusosat Olosuhteet Olosuhteet, vaippa ja rakennusosat Ostoenergiankulutuksen jakautuminen Eri ominaisuuskategorioista muodostettu energiatehokkaimpien realististen vaihtoehtojen yhdistelmät

29 Yhteenveto Rakennus on systeemi, jolloin sitä ei voida optimoida optimoimalla sen yksittäistä osasta Rakennuksen energiatehokkuuteen vaikuttavat useat eri tekijät Yksittäisillä arkkitehtonisilla tekijöillä kuten ikkunoiden koolla ja rakennuksen muodolla ei ole suurta vaikutusta energiatehokkuuteen Suurin suhteellinen vaikutus syntyy teknisten järjestelmien, etenkin ilmanvaihdon ilmavirran sekä rakennuksen käytön osa-alueilla Nykyinen tarkastelutapa (E-lukulaskenta) ei riitä ohjaamaan tilasuunnittelua ja käyttöä energiatehokkaampaan suuntaan Rakennus on kokonaisuus ja energiatehokkuutta voidaan parantaa usean ominaisuuden yhteisvaikutuksella. Rakennuksen muut laatutekijät tulee kuitenkin huomioida energiatehokkuuden ohella

30 Kiitos! Tampereen teknillinen yliopisto Arkkitehtuurin laboratorio Asuntosuunnittelun tutkimusryhmä ASUTUT -tutkimusryhmä Markku Hedman professori, vastuuhenkilö Tapio Kaasalainen projektipäällikkö Malin Moisio projektitutkija Taru Lindberg projektitutkija