Juha Tuominen ENERGIANSÄÄSTÖ LÄMPÖTILANSÄÄDÖN AVULLA

Transkriptio

1 Juha Tuominen ENERGIANSÄÄSTÖ LÄMPÖTILANSÄÄDÖN AVULLA Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Joulukuu 2008

2 TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Ylivieskan yksikkö Aika Tekijä/tekijät Juha Tuominen Koulutusohjelma Tietotekniikan koulutusohjelma Työn nimi Energiansäästö lämpötilansäädön avulla Työn ohjaaja FM Joni Jämsä Sivumäärä 39 Työn valvoja FM Joni Jämsä Rakennusten lämmityksestä johtuvat energiakustannukset ovat nousseet huomattavasti yleisestä energian hinnannoususta johtuen. Sähkölämmitteisen omakotitalon lämmitysenergian osuus on noin puolet koko rakennuksen energian kulutuksesta. Tutkimuksessa selvitettiin energiansäästömahdollisuuksia säätämällä rakennuksen sisäilman lämpötilaa siten, että lämpötila pudotettiin tiettyinä vuorokaudenaikoina. Tutkimuksessa käytettiin eri säätövaihtoehtoja; rakennuksen lämpötilan alennuksesta huonekohtaiseen lämpötilansäätöön. Tutkimuksesta selvisi, että jo pienillä lämpötilanpudotuksilla saavutetaan merkittäviä energiansäästöjä vuositasolla. Asiasanat energiansäästö, sähkölämmitys, lämpötilanpudotus, lämmönläpäisykerroin, lämpökonduktanssi

3 ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Ylivieska Unit Date December 19 th, 2008 Author Juha Tuominen Degree programme Information Technology Name of thesis Active Energy Saving by Temperature Control Instructor M.Sc. Joni Jämsä Pages 39 Supervisor M.Sc. Joni Jämsä Heating energy expenses have increased in households living in single family homes, due to global rise of energy price level. Half of the energy consumption in an electric heated house consists of heating energy. This study gives a couple of recommendations how to reduce energy expenses by adjusting indoor temperature, using temperature control units e.g. timers and timer thermostats to switch between comfort and economy (drop) temperatures. This study also contains a few constellations of possibilities to conduct energy saving programs and payback calculations of investments. Results showed that significant annual energy savings can be achieved by moderate use of economy temperature. Key words energy preservation, electric heating, single family home, temperature control, thermal conductivity

4 SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO LASKENTAMENETELMÄT TUTKIMUSKOHDE Lämmityksen mitoitus U-arvojen määritykset Makuuhuone1 U-arvojen ja lämpökonduktanssin laskenta ULKOLÄMPÖTILAT TUTKIMUSMENETELMÄT Lämpötilan lasku Lämpötilan pudotukset koko rakennuksessa Lämpötilan muutokset Energiankulutus Huonekohtainen lämpötilansäätö Huonekohtainen lämpötilansäätö lämpötilan pudotuksilla SOVELLUKSET Säätimen asettaminen ja tarkkuus Pudotusohjelmat Ohjaus ohjelmoitavilla digitaalisilla kellokytkimillä Ohjaus digitaalisilla ajastintermostaateilla Ohjaus langattomilla järjestelmillä TULOKSET Lämpötilan laskun säästöt Säätimien tarkkuudesta aiheutuvat kustannukset Kellokytkimillä toteutetun järjestelmän kustannukset ja säästöt Digitaalisten ajastintermostaattien kustannukset ja takaisinmaksu Langattoman järjestelmän kustannukset ja takaisinmaksu YHTEENVETO LÄHTEET... 39

5 1 1 JOHDANTO Suomessa on hieman yli miljoona vakinaisesti asuttua pientaloa, joista yli kuusisataatuhatta käyttää sähkölämmitystä. Suomessa sähkön keskihinta kotitalouksille on vieläkin yli kolmanneksen pienempi kuin Saksassa, ja tanskalaisen kotitalouden maksama hinta on yli kaksinkertainen verrattuna suomalaiseen. Täten voidaankin olettaa, että ero muiden Euroopan valtioiden sähköenergian hintaan tullee lähivuosina kaventumaan siten, että sähkön hinta noussee Suomessa muita maita voimakkaammin. Nousevat energian hinnat ajavat kuluttajia miettimään ratkaisuja sähköenergiakustannusten kurissa pitämiseksi. Valtioneuvoston päätös nostaa sähköveroa alkaen edesauttaa sähkön käyttäjiä etsimään mahdollisuuksiaan vähentää sähkön kulutusta. Sähkölämmitys on suosituin lämmitysratkaisu uusissa pientaloissa maassamme sen vaivattomuuden vuoksi, ja lämmitysjärjestelmän investointikustannukset ovat muita vaihtoehtoja edullisemmat. Sähkölämmitteisen omakotitalon lämmitysenergian osuus koko sähköenergian kulutuksesta on noin puolet. Sähkölämmitteisten talojen suurin buumi koettiin ja 1990-lukujen vaihteessa, jolloin niiden määrä kasvoi vuodessa jopa kappaleella. Lisäyksestä noin kolmannes johtui vanhojen rakennusten lämmitystavan vaihdoista. Suurin osa olemassa olevista sähkölämmitystaloista onkin rakennettu 1980-luvulla. Niiden on oletettu tulevan peruskorjattavaksi noin 30 vuoden ikäisinä. Peruskorjauksen yhteydessä lämpöeristyksen lisäämisellä ja lämmitysjärjestelmien modernisoinnilla on lämmityssähkön kulutusta oletettu voivan pienentää 15 prosentilla. Tämän päivän trendinä on asennuttaa taloihin ilmalämpöpumppuja keräämään lämpöenergiaa ulkoilmasta. Onko olemassa muita keinoja vähentää lämmitysenergiakustannuksia pientalosektorilla? Yleensä rakennusten normaali lämmitystila on sellainen, että koko rakennuksessa pidetään lämpötila vakiona, olivatpa ihmiset kotona tai eivät. Tässä tutkimuksessa selvitettiin sähkölämmitteisen omakotitalon energiansäästömahdollisuuksia automaattisella lämpötilan säädöllä ja lämpötilan pudotuksilla sekä koko kiinteistössä että huonekohtaisesti. Tutkimuksessa keskityttiin suoraan sähkölämmitykseen, koska varaavissa ja osittain varaavissa järjestelmissä tulisi ottaa huomioon varaavan materiaalin lämpökapasiteetti, joka vaihtelee

6 2 rakennuskohtaisesti. Tutkimuksessa otettiin huomioon vallitseva ulkolämpötila ja rakennuksen lämpöeristysarvot. Tutkimuksessa ei otettu huomioon ilmanvaihdon, vuotoilman ja ilmaisenergioiden vaikutusta tehdyssä sähkön hintavertailussa, jossa sähköliittymän sulakekoko oli 3X25 ampeeria, vuotuinen energiankulutus oli kwh, saatiin alla olevan taulukon mukaiset sähköenergian keskihinnat. Sopimuslaatu oli toistaiseksi voimassaoleva ja siirtoyhtiönä JE- Siirto Oy. Vertailun keskiarvoksi laskettiin 6,79 senttiä kilowattitunnilta. (Energiamarkkinavirasto 2008.) TAULUKKO 1. Sähkön keskihinta (Energiamarkkinavirasto 2008) Keskihinta Sähköyhtiö snt/kwh Suur-Savon Sähkö Oy 6,10 Korpelan Voima 6,24 Helsingin Energia 6,40 Vaasan Sähkö Oy 6,41 Vattenfall Sähkönmyynti Oy 6,46 Kokkolan Energia 6,53 Fortum Markets Oy 6,56 Lappeenrannan Energia Oy 6,57 Jyväskylän Energia Oy 6,66 Kuopion Energia Oy 6,72 Oulun sähkönmyynti Oy 6,74 Kymenlaakson Sähkö Oy 6,99 Tampereen Sähkölaitos 7,03 Ekosähkö Oy 7,07 Savon Voima Myynti Oy 7,08 St1 Oy 7,25 Pohjois-Karjalan Sähkö Oy 7,33 Lahti Energia Oy 7,63 KSS Energia Oy 7,80 ka. 6,79

7 3 snt/kwh 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 Sähkön hinnan kehitys Kuvio 1. Sähköenergian hinnankehitys suomalaiselle pientalolle, jossa huonekohtainen sähkölämmitys, pääsulake 3x25A, sähkön käyttö kwh/vuosi (energiamarkkinavirasto 2008). 12,00 Arvio sähkön hintakehityksestä 11,00 Hinta [snt/kwh] 10,00 9,00 8,00 7,00 3 % 4 % 5 % 6, Vuosi KUVIO 2. Arvio sähköhinnan kehityksestä

8 4 2 LASKENTAMENETELMÄT Euroopan parlamentin ja neuvoston antama direktiivi rakennusten energiatehokkuudesta edellyttää, että jokaisella EU:n jäsenvaltiolla tulee olla laskentamenetelmä, jolla voidaan määrittää rakennusten energiatehokkuus. Rakennusten energiatehokkuus käsittää kaksi osaa, joista toinen on tilojen lämmöntarpeen laskenta, josta on laadittu eurooppalainen standardi EN ISO 13790:2004, Thermal Performance of Buildings Calculations of Energy Use for Space Heating. Menetelmällä voidaan laskea lämpö, jonka lämmitysjärjestelmän on luovutettava lämmitettyyn tilaan halutun sisälämpötilan asetusarvon ylläpitämiseksi. Rakennuksen vuotuinen lämmöntarve (nettoenergiantarve) Q h määritetään käyttäen laskentakautena kalenterikuukautta. Vuotuinen lämmöntarve on kuukausittaisten lämmöntarpeiden summa. (Kalema, Taivalantti, Keränen, Teikari, Luhanka, Ripatti & Saarela 2003, 10.) Missä Q l on rakennuksen lämpöhäviö, Q i sisäisten lämpölähteiden energia ja Q s ikkunoista tuleva auringon säteilyenergia. Vuonna 2003 voimaantullut Suomen rakentamismääräyskokoelman osassa C3 Rakennuksen lämmöneritys määrittää normiarvot rakennusosakohtaisille lämmönläpäisykertoimille ja ikkunapinta-alalle. Tutkimuksessa lämmönläpäisykertoimet ja ikkunapinta-alat asetettiin tasoille, jotka täyttävät nämä määräykset.

9 5 3 TUTKIMUSKOHDE Tutkimuksessa käytettiin kuvitteellista 138 neliömetrin kokoista, Jyväskylässä sijaitsevaa, yksi kerroksista omakotitaloa sisältäen 4 huonetta, keittiön, kodinhoitohuoneen sekä saunan. Kuvio 3. Tutkimuksessa käytetyn kuvitteellisen omakotitalon pohjakuva ja huoneiden pinta-alat Huonekorkeuden ollessa 2,7 m ulkoseinien kokonaispinta-ala on 132,5 m 2, mistä ikkunoiden pinta-ala on 16,75 m 2 ja ulko-ovien pinta-ala on 5,4 m 2. Sisäkaton ja lattian pinta-alat ovat 138 m 2.

10 6 Kuvio 4. Tutkimuskohteen ikkunoiden ja ulko-ovien koot 3.1 Lämmityksen mitoitus Normaalieristeisessä esimerkkikohteessa tarvitaan lämmitystehoa n W/m 2 (sähkölämmitysfoorumi 2008). Lämmitystarpeen määrittämisessä tulee huomioida mitoituslämpötilat (sisä- ja ulkolämpötilat), rakennuksen johtumishäviöt rakenteiden läpi, jossa otetaan huomioon rakenteiden pinta-alat ja niiden lämmönläpäisykertoimet (U-arvot). Tutkimuskohteen tarvitsemaksi lämmitystehoksi valittiin keskiarvo eli 55 W/m 2. Tutkimuksessa ei valittu erillisiä radiaattoreita, vaan laskutoimitukset toimitettiin lämmitystarpeen mukaan.

11 7 TAULUKKO 2. Normin mukaiset lämmitystarpeet huoneittain HUONE PINTA-ALA [m²] LÄMMITYSTARVE [W] MH MH MH Olohuone Pesuhuone KHH keittiö TK WC Eteinen Sauna U-arvojen määritykset Lämmönläpäisykerroin (U-arvo) ilmoittaa lämpövirran tiheyden, joka jatkuvuustilassa läpäisee rakennusosan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla olevien ympäristöjen välillä on yksikön suuruinen (C3 Rakennuksen lämmöneritys 2003, 3). Lämmönläpäisykerroin kuvaa, miten paljon tehoa tarvitaan pinta-alaa kohti, jotta saavutettaisiin tietty lämpötilaero eristerakenteen yli. Suomen rakentamismääräyskokoelman osassa C3 Rakennuksen lämmöneritys (2003) määritellään rakennusosien maksimi lämmönläpäisyarvot. Uudemmassa vuoden 2007 rakentamismääräyskokoelmassa ovat U-arvojen maksimi arvot kiristyneet. Vuoden 2003 arvoja käytettiin tutkimuskohteen lämmönläpäisyarvoina. TAULUKKO 3. Rakennusosien U-arvot (C3 Rakennuksen lämmöneritys 2003) U-ARVOT RAKENNUSOSAT [W/m²K] U-ARVOT (2007) Ulkoseinä 0,25 0,24 Yläpohja 0,16 0,15 Alapohja 0,25 0,19 Ikkunat 1,4 1,4 Ulko-ovet 1,4 1,4

12 Makuuhuone1 U-arvojen ja lämpökonduktanssin laskenta Kuviossa 4 on määritelty ulkovaipan pinta-alat U-arvoineen sekä merkitty laskutoimituksesta saatu huoneen kokonaislämpökonduktanssi, (H mh1 ) 14,1 W/K. Kuvio 5. Makuuhuone1 U-arvot ja ominaislämpöhäviö. Makuuhuone 1 ulkoseinien pinta-ala on 17,4 m 2. Kun ulkoseinien U-arvo on 0,25 W/m 2 K, saadaan ulkoseinien ominaislämpöhäviö, H (lämpökonduktanssi) kertomalla pinta-ala U- arvolla. ä ä ä missä A on vaipan osan pinta-ala [m 2 ] ja U on vaipan osan lämmönläpäisykerroin [W/m 2 K]. (Rakennusten lämmöntarpeen laskentaohje 2003)

13 9 TAULUKKO 4. Makuuhuoneen 1 eri rakennusosien lämpökonduktanssit (Rakennusten lämmöntarpeen laskentaohje 2003; Suomen rakentamismääräyskokoelma C3 Rakennuksen lämmöneritys 2003) MH1 PINTA-ALA [m²] U-ARVOT [W/m²K] H [W/K ] Ulkoseinät 17,40 0,25 4,35 Yläpohja 14,00 0,16 2,24 Alapohja 14,00 0,25 3,50 Ikkunat 2,88 1,4 4,03 Ulko-ovet 0,00 1,4 0,00 Koko huoneen lämpökonduktanssi saadaan summaamalla ulkovaipan eri osien ominaislämpöhäviöt. Näin saadaan makuuhuone 1:n lämpökonduktanssiksi 14,1W/K. ä ä Makuuhuone 1 tarvitsee lämmitystehoa 14,1 W jokaista ulko- ja sisälämpötilan eron astetta kohden säilyttääkseen halutun sisälämpötilan. Toisin sanoen, jos sisälämpötila on 22 astetta Celsiusta ja ulkolämpötila on -10 astetta Celsiusta, on lämpötilaero 32 astetta Celsiusta, jolloin lämmitystehoa tarvitaan 32 kertaa 14,1 Wattia ylläpitääkseen sisälämpötilan vakiona.

14 Ulkolämpötilat Tutkimuksessa käytettiin Jyväskylässä vuosien aikana mitattuja kuukausittaisia keskilämpötiloja. TAULUKKO 5. Jyväskylän keskilämpötilat (Internet-sivu plaza.fi; Ilmatieteen laitos.) Jyväskylän keskilämpötilat 20,00 15,00 10,00 8,28 16,86 14,09 14,86 9,34 5,00 0,00-5,00-10,00-7,30-9,00-4,20 2,44 3,95-2,11-5,39-15,00 Joulukuu Marraskuu Lokakuu Syyskuu Elokuu Heinäkuu Kesäkuu Toukokuu Huhtikuu Maaliskuu Helmikuu Tammikuu

15 11 4 TUTKIMUSMENETELMÄT Tutkimus suoritettiin viidessä eri osassa. Ensimmäisessä osassa laskettiin kuinka paljon energiaa säästyy, kun rakennuksen lämpötilaa laskettiin. Toisessa osassa tutkittiin lämpötilan pudotuksesta syntyvää energian säästöä. Kolmannessa osassa laskettiin rakennuksen energian kulutus, kun käytetään huonekohtaista lämpötilan ohjausta. Neljännessä osassa tutkittiin energian kulutusta, kun kolmanteen osioon lisättiin huonekohtaiset lämpötilan pudotusohjelmat. Viimeisessä osassa selvitettiin, minkälaisilla laitteistoilla edellisten kohtien tulokset saavutetaan ja kuinka suuret ovat järjestelmän kustannukset ja takaisinmaksuajat. 4.1 Lämpötilan lasku Ensimmäisessä osassa tutkittiin, miten paljon tutkimuskohteen omakotitalossa voidaan säästää energiaa laskemalla koko rakennuksen lämpötilaa 2 C. Lähtölämpötilaksi asetettiin 23 C ja uudeksi lämpötilaksi valittiin 21 C. Jotta energian kulutukset eri lämpötiloissa saataisiin laskettua, tuli koko rakennuksen lämpökonduktanssi laskea. Lämpökonduktanssin selville saamiseksi tuli laskea eri ulkovaippojen pinta-alat. Lattian ja katon pinta-alat saatiin suoraan huoneen pohjapinta-alasta. Seinien pinta-alat laskettiin seinän pituus kerrottuna huonekorkeudella (2,7 m) vähennettynä ikkunoiden ja ulko-ovien pinta-alalla. Alla olevassa taulukossa (TAULUKKO 6.) on esitelty tutkimuskohteen huoneiden ulkovaipan pinta-alat.

16 12 TAULUKKO 6. Ulkovaipan pinta-alat huonekohtaisesti Pinta-ala[m²] Huone ikkunat ulkoseinät ulkoovet katto lattia Makuuhuone 1 2,88 17, Makuuhuone 2 2,88 19, Makuuhuone 3 2,88 18, Olohuone 4,5 14,5 1, Pesuhuone 0,36 7,5 7 7 Kodinhoitohuone 1,44 15,7 1, Keittiö 1,44 10, Tuulikaappi 0 3,6 1,8 3 3 WC 0,36 3,2 2 2 Eteinen Sauna Saatujen pinta-ala tietojen jälkeen laskettiin huonekohtaiset lämpökonduktanssit lämmönläpäisykertoimella (U-arvo). TAULUKKO 7. Eri huoneiden ulkovaipan osien lämpökonduktanssit Lämpökonduktanssi [W/K] ulkoovet Huone ikkunat ulkoseinät Katto Lattia Summa Makuuhuone 1 4,00 4,35 2,24 3,50 14,09 Makuuhuone 2 4,00 4,95 2,72 4,25 15,92 Makuuhuone 3 4,00 4,63 2,40 3,75 14,78 Olohuone 6,30 3,63 2,52 4,96 7,75 25,16 Pesuhuone 0,50 1,88 1,12 1,75 5,25 Kodinhoitohuone 2,00 3,93 2,52 1,76 2,75 12,96 Keittiö 2,00 2,55 2,72 4,25 11,52 Tuulikaappi 0,90 2,52 0,48 0,75 4,65 WC 0,50 0,80 0,32 0,50 2,12 Eteinen 2,40 3,75 6,15 Sauna 0,96 1,50 2,46 23,30 27,60 7,56 22,08 34,50 115,04

17 13 Koko rakennuksen lämpökonduktanssi saadaan summaamalla eri huoneiden lämpökonduktanssit. Tieto koko rakennuksen lämpökonduktanssista yhdistettynä ulkolämpötila (T o ) tietoon saadaan jatkuvat lämmitysteho tiedot. Esimerkiksi tammikuussa ulkolämpötilan ollessa -7,3 C ja sisälämpötilan (T i ) ollessa +23 C, on sisä- ja ulkolämpötilan ero (ΔT io ) 30,3 C saadaan jatkuvaksi lämmitystehoksi 3486 W. Alla olevassa taulukossa on esitetty lämpötilaerot kuukausittain tarkasteltuna, kun sisälämpötila on 23 C ja 21 C. Taulukossa on myös esitetty jatkuvat lämmitystehot kuukausittain edellämainituilla sisälämpötiloilla. TAULUKKO 8. Jatkuvat lämmitystehot eri kuukausina ja eri sisälämpötiloilla Kuukausi ΔT Ulkolämpötila io, kun = T o T i =23 C ΔT io, kun T i =21 C Jatkuva lämmitysteho [W] T i =23 C Jatkuva lämmitysteho [W] T i =21 C Tammikuu -7,30 30,30 28, Helmikuu -9,00 32,00 30, Maaliskuu -4,20 27,20 25, Huhtikuu 2,44 20,56 18, Toukokuu 8,28 14,72 12, Kesäkuu 14,09 8,91 6, Heinäkuu 16,86 6,14 4, Elokuu 14,86 8,14 6, Syyskuu 9,34 13,66 11, Lokakuu 3,95 19,05 17, Marraskuu -2,11 25,11 23, Joulukuu -5,39 28,39 26, Lämmitysenergian määrä (kwh) saadaan laskettua, kun kerrotaan jatkuva lämmitysteho(w) vuorokaudessa olevien tuntien määrällä (24) ja jaettuna tuhannella (1k).

18 14 TAULUKKO 9. Energiankulutukset päivässä ja kuukaudessa Kuukausi kwh/pv, T i =23 C kwh/pv, T i =21 C kwh/kk, T i =23 C kwh/kk, T i =21 C Tammikuu 83,66 78, , ,19 Helmikuu 88,35 82, , ,86 Maaliskuu 75,10 69, , ,86 Huhtikuu 56,77 51, , ,82 Toukokuu 40,64 35, , ,70 Kesäkuu 24,60 19,08 738,00 572,35 Heinäkuu 16,95 11,43 525,52 354,34 Elokuu 22,47 16,95 696,70 525,52 Syyskuu 37,71 32, ,44 965,78 Lokakuu 52,60 47, , ,31 Marraskuu 69,33 63, , ,17 Joulukuu 78,38 72, , ,71 = 19653, , Lämpötilan pudotukset koko rakennuksessa Tutkimuksen toisessa osassa tutkittiin energiansäästöä ottamalla lämpötilanpudotukset käyttöön. Mukavuuslämpötila on vallitseva ilmanlämpötila huoneessa, joka on tarkoitettu ylläpidettäväksi, kun huoneessa oleskellaan. Pudotuslämpötila on se huoneen lämpötila, joka on tarkoitettu pidettäväksi silloin, kun huoneessa ei oleskella. Koska oleskeluajat eri huoneissa ovat erilaiset riippuen siitä, onko arki- vai viikonloppu, käytettiin tutkimuksessa kahta erilaista pudotusohjelmaa. Mukavuuslämpötilaksi valittiin +21 C ja pudotuslämpötilaksi valittiin +17 C.

19 15 Lämpötila [ C] LÄMPÖTILAN PUDOTUSOHJELMAT 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 lämpötila-asetus arkena lämpötila-asetus viikonloppuna KUVIO 6. Pudotusohjelmat Lämpötilan muutokset Lämpötila-asetuksen muuttuessa vaikuttaa lämpötilan muutosnopeuteen lämmitysteho ja sisäilmaan varastoitunut lämpöenergia. Sisäilman lämpöenergian selville saamiseksi tuli tehtävässä selvittää sisäilman massa ilmatilavuuden ja ilmantiheyden avulla. Ilmamassa Rakennuksen pinta-alan ja huonekorkeuden tiedoilla saatiin rakennuksen kokonaistilavuudeksi (V) 372,6 m³ ja siten ilmamassa (m) on 481,77 kg, kun käytettään ilmantiheytenä (ρ) arvoa 1,293 kg/m 3. ρ

20 16 Alla olevassa taulukossa on esitelty tutkimuskohteen huoneiden pinta-alat, tilavuudet ja ilmamassat. TAULUKKO 10. Huoneiden ilmamassat Huone pinta-ala [m²] tilavuus [m³] Ilmamassa [kg] Makuuhuone ,8 48,88 Makuuhuone ,9 59,35 Makuuhuone ,5 52,37 Olohuone 31 83,7 108,22 Pesuhuone 7 18,9 24,44 Kodinhoitohuone 11 29,7 38,4 keittiö 17 45,9 59,35 Tuulikaappi 3 8,1 10,47 WC 2 5,4 6,98 Eteinen 15 40,5 52,37 Sauna 6 16,2 20,95 481,78 Lämpökapasiteetti ja -energia Ilmamassan selville saamisen jälkeen, pystyttiin laskemaan ilmamassan lämpökapasiteetti (C), kun sisäilman ominaislämpökapasiteettina (c) käytettiin arvoa 1012 J/(K*kg) *. Rakennuksen ilmamassan lämpökapasiteetiksi saatiin seuraavalla kaavalla 487,55 kj/k. Lämpötilassa +21 C samaisessa ilmamassassa on lämpöenergiaa kj.

21 17 Lämpötilan laskuajat Kun siirrytään mukavuuslämpötilasta pudotuslämpötilaan, kuluu tietty aika, jolloin rakennus saavuttaa alemman lämpötilan. Tänä aikana lämmitysjärjestelmän teho on nolla (0). Tämän ajan määrittäminen on tärkeää määritellessä energiansäästöä lämpötilan pudotuksilla. Miten nämä ajat määriteltiin tässä tutkimuksessa, selvitetään seuraavaksi. Laskettiin ilmaan sitoutuneen energian määrä, kun sisäilman lämpötila on 294,15 K. Lämpötilan ollessa edellä mainittu on ilman energia määrä kj. Esimerkiksi, kun ulkolämpötila tammikuussa on -7,3 C, on ΔT io 28,3 C. Täten joka sekunti johtuu lämpöenergiaa ulkovaipan lävitse 3256 J. Koska energiamäärän muutosnopeus muuttuu jatkuvasti lämpötilan pudotessa, käytettiin tutkimuksessa noin sataa (100) näytettä. Koska eri kuukausien ulko- ja sisälämpötilojen erot ovat erisuuruiset, jouduttiin sadan näytteen näytteenottoväliä muuttamaan. Esimerkiksi tammikuun laskennassa käytettiin 7 sekunnin näytteenottoväliä, kun taas heinäkuun laskennassa käytettiin 150 sekunnin näytteenottoväliä. Tammikuun ensimmäisen näytteen tulos saadaan, kun alkuperäisestä energia määrästä vähennetään 7 sekunnin aikana (näytteenottoväli) johtunut lämpöenergia, 22,789 kj, siten saadaan senhetkiseksi energia määräksi kj. Alla olevan kaavan avulla saadaan laskettua uudeksi lämpötilaksi 294,1 K.

22 18 Tätä jatkettiin, kunnes lämpötilan arvoksi saatiin pudotuslämpötila (290,15 K) tai sen alle. Näytteessä numero 93 lämpötilaksi saatiin 290,12 K ja näytteessä numero 92 lämpötilaksi saatiin 290,16 K. Koska näytenumeron 93 lämpötila meni alle halutun lämpötilan ja näytenumero 92 jäi hieman tavoitelämpötilasta, määriteltiin halutun lämpötilan ajankohta näytteiden 93 ja 92 väliltä. Lämpötilan pudotukseen kulunut aika saadaan kertomalla näytteen numero aikavälillä. 93 kertaa 7 sekuntia on 651 sekuntia ja 92 kertaa 7 sekuntia on 644 sekuntia. Lopullinen lämpötilan pudotusaika määriteltiin arvioimalla kahden näytteen väliltä, tässä tapauksessa 651 ja 644 sekunnin väliltä. Koska näyte numero 92 oli lähempänä tavoitelämpötilaa, valittiin ajaksi 645 sekuntia. TAULUKKO 11. Lämpötilan pudotusajat Aika [s] KUUKAUSI Pudotus, teho=0% Tammikuu 645 Helmikuu 608 Maaliskuu 730 Huhtikuu 1030 Toukokuu 1595 Kesäkuu 3648 Heinäkuu Elokuu 4450 Syyskuu 1780 Lokakuu 1130 Marraskuu 805 Joulukuu 704

23 19 Lämpötilan nostoajat Siirryttäessä pudotuslämpötilasta mukavuuslämpötilaan kuluu tietty aika, milloin mukavuuslämpötila saavutetaan. Kun aletaan kohottaa rakennuksen sisälämpötilaa, kasvaa myös ulkovaipan läpi johtuvan lämpöenergian määrä lämpötilaerojen kasvaessa. Tämän vuoksi tutkimuksessa käytettiin lämpötilan laskuaikojen tapaista näytteenottotapaa. Koska lämpötilan nostoon kuluu vähemmän aikaa kuin lämpötilan laskuun, käytettiin tutkimuksessa vähemmän näytteitä n. 60 kpl. Siirtymävaiheen alussa olevan sisäilman energiamäärä riippuu sisäilman lämpötilasta, joka tässä esimerkkitapauksessa on pudotuslämpötila 290,15 K, jossa on energiaan ,5 kj. Lämpötilan nosto tapahtuu täydellä lämmitysteholla, joka on mitoituksen mukainen 55 W/m 2. Siten koko rakennuksen huippulämmitysteho on 7590 W eli 7590 J/s. Lämpötilassa 290,15 K ulkovaipan läpi johtuu lämpöenergiaa 2795 joulea sekunnissa. Ensimmäisen näytteen aikana lämpöenergia lisääntyi lämmityksen vaikutuksesta ja väheni johtumisesta ulkovaipan läpi. Näiden energioiden summasta saadaan uusi lämpötila. ä ä Alla olevassa taulukossa on lasketut ajat, jotka kuluvat siihen, missä ajassa rakennus saavuttaa lämpötilapudotuksen raja-arvon (+17 C) (teho = 0%), sekä ne ajat, jotka kuluvat mukavuuslämpötilan saavuttamiseen (+21 C) (teho = 100 %).

24 20 TAULUKKO 12. Lämpötilan nostoajat Aika [s] KUUKAUSI Nosto, teho=100% Tammikuu 427 Helmikuu 445 Maaliskuu 396 Huhtikuu 343 Toukokuu 308 Kesäkuu 278 Heinäkuu 265 Elokuu 275 Syyskuu 300 Lokakuu 333 Marraskuu 380 Joulukuu Energiankulutus Vuorokautinen energiankulutus saatiin summaamalla jokaisen tunnin lämmitystarve. Tunnit, joihin pudotus- tai nostoajat eivät vaikuttaneet, laskettiin lämmitystarve lämpötilaeron ja lämpökonduktanssin avulla. Tunnit, joihin pudotusaika vaikutti, laskettiin lämmitystarve siltä tunnin osalta joka jäi yli pudotusajan. Jos pudotusaika oli pidempi kuin yhden tunnin, jatkettiin nollateho aikaa seuraavalle tunnille. Tunnit, joihin nostoaika vaikutti, laskettiin lämmitystarve nostoajan osalta täydellä lämmitysteholla. Muu aika tunnista laskettiin normaalisti.

25 21 Keskimääräinen lämmitysteho [W] 4000,0 3800,0 3600,0 3400,0 3200,0 3000,0 2800,0 2600,0 2400,0 2200,0 2000,0 Tammikuun lämmitystehot Aika [h] Arki [W] Viikonloppu [W] KUVIO 7. Lämmitystehot tammikuussa 1400,0 Kesäkuun lämmitystehot Keskimääräinen lämmitysteho [W] 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 Arki [W] Viikonloppu [W] 0, Aika [h] KUVIO 8. Lämmitystehot kesäkuussa

26 22 Summaamalla yhden vuorokauden tuntien keskimääräiset lämmitystehot saadaan laskettua päivittäinen energiankulutus. Alla olevassa taulukossa on esitetty koko rakennuksen keskimääräiset lämmitystehot tammikuussa arki- ja viikonloppuohjelmalla. TAULUKKO 13. Tammikuun keskimääräiset lämmitystehot vuorokaudessa tunneittain Tunnit Arki [W] Viikonloppu [W] ,5 2795, ,5 2795, ,5 2795, ,5 2795, ,5 2795, ,5 2795, ,5 2795, ,7 3769, ,6 3255, ,6 3255, ,5 3255, ,5 3255, ,5 3255, ,5 3255, ,5 3255, ,5 3255, ,7 3255, ,6 3255, ,6 3255, ,6 3255, ,6 3255, ,6 3255, ,6 2294, ,5 2795,5 Wh/pv 70799, ,0

27 23 Näin saatiin laskettua tammikuun arki- ja viikonloppupäiville energiankulutukset. Tämä laskutoimitus suoritettiin jokaisen kuukauden osalta. Alla on esitetty eri kuukausien energiankulutukset eri ohjelmilla. TAULUKKO 14. Energiamäärät eri ohjelmilla Kuukausi kwh/pv, kun T i = +21 C kwh/pv arkiohjelmalla kwh/pv viikonloppuohjelmalla Tammikuu 78,14 70,8 74,01 Helmikuu 82,83 75,78 78,69 Maaliskuu 69,58 62,26 65,46 Huhtikuu 51,24 43,96 47,14 Toukokuu 35,12 27,92 31,06 Kesäkuu 19,08 12,08 15,12 Heinäkuu 11,43 4,81 7,66 Elokuu 16,95 9,92 12,97 Syyskuu 32, ,14 Lokakuu 47,07 39,81 42,98 Marraskuu 63,81 56,5 59,69 Joulukuu 72,86 65,53 68,74 Viikossa on 2 päivää, lauantai ja sunnuntai, jotka lasketaan viikonloppuohjelmaan. Loput päivät ovat arkipäiviä. Täten tutkimuksen laskutoimituksissa käytettiin 5 arkipäivää ja 2 viikonloppupäivää viikossa.

28 24 TAULUKKO 15. Arki- ja viikonloppupäivät kuukausittain Kuukausi Päiviä Arkipäiviä Viikonloppupäiviä Tammikuu 31 22,1 8,9 Helmikuu 30 21,4 8,6 Maaliskuu 31 22,1 8,9 Huhtikuu 28 20,0 8,0 Toukokuu 31 22,1 8,9 Kesäkuu 30 21,4 8,6 Heinäkuu 31 22,1 8,9 Elokuu 31 22,1 8,9 Syyskuu 30 21,4 8,6 Lokakuu 31 22,1 8,9 Marraskuu 30 21,4 8,6 Joulukuu 31 22,1 8,9 Energiankulutukset kuukaudessa eri ohjelmilla laskettiin päivien määrät kerrottuna ohjelmien päivittäisillä energiamäärillä. TAULUKKO 16. Energiankulutukset kuukausittain arki- ja viikonloppupäivät eriteltynä Ohjelma Arkipäivä Viikonloppu Kuukausi kwh kwh Tammikuu 1567,71 655,52 Helmikuu 1623,86 674,49 Maaliskuu 1378,61 579,79 Huhtikuu 879,20 377,12 Toukokuu 618,23 275,10 Kesäkuu 258,86 129,60 Heinäkuu 106,51 67,85 Elokuu 219,66 114,88 Syyskuu 535,71 241,20 Lokakuu 881,51 380,68 Marraskuu 1210,71 511,63 Joulukuu 1451,02 608,84

29 25 TAULUKKO 17. Energiamäärät ja säästö Kuukausi Pudotus ohjelmalla Normaali Erotus Erotus% Tammikuu 2223, ,34 199,11 8,96 Helmikuu 2298, ,90 186,56 8,12 Maaliskuu 1958, ,98 198,58 10,14 Huhtikuu 1256, ,72 178,40 14,20 Toukokuu 893, ,72 195,39 21,87 Kesäkuu 388,46 572,40 183,94 47,35 Heinäkuu 174,35 354,33 179,98 103,23 Elokuu 334,53 525,45 190,92 57,07 Syyskuu 776,91 965,70 188,79 24,30 Lokakuu 1262, ,17 196,98 15,61 Marraskuu 1722, ,30 191,96 11,15 Joulukuu 2059, ,66 198,80 9, Huonekohtainen lämpötilansäätö Tutkimuksen kolmannessa osiossa tutkittiin energiansäästömahdollisuuksia huonekohtaisella lämpötilan säädöllä. Alla olevassa kuvassa on merkitty mukavuuslämpötilat sekä pudotuslämpötilat huonekohtaisesti. Kuvassa on myös piirretty lämmitysvyöhykkeet. Makuuhuoneet muodostavat ensimmäisen lämmitysvyöhykkeen. Toisen lämmitysvyöhykkeen muodostaa olohuoneen, eteisen ja keittiön muodostama alue. Muiden huoneiden lämpötiloja ei tutkimuksessa pudotettu (pesuhuone, sauna, kodinhoitohuone, tuulikaappi ja WC).

30 26 KUVIO 9. Huonekohtaiset lämpötilat ja lämmitysvyöhykkeet TAULUKKO 18. Huonekohtaiset mukavuus- ja pudotuslämpötilat Lämmitysryhmä Mukavuus- Huone lämpötila [ C] 1 Makuuhuone Makuuhuone Makuuhuone Olohuone Pesuhuone Kodinhoitohuone 20-2 keittiö Tuulikaappi WC 22-2 Eteinen Sauna 22 - Pudotuslämpötila [ C] Tässä tutkimuksen osassa huoneiden lämpötiloja ei pudotettu, vaan pidettiin mukavuuslämpötilassa ympäri vuorokauden. Vuorokautinen energiankulutus laskettiin jokaisen huoneen kohdalta erikseen seuraavasti. Kun tiedettiin jokaisen huoneen lämpökonduktanssi ja

31 27 ulkolämpötila, laskettiin lämmitystehon tarve. Alla olevissa taulukoissa on esitetty huonekohtaiset lämmitystehot kuukausittain tarkasteltuna ja päivittäiset energiankulutukset. TAULUKKO 19. Lämmitystehot [W] ja lämmitysenergiat [kwh] kuukaudet 1-6 Kuukausi Huone Tammi Helmi Maalis Huhti Touko Kesä Makuuhuone 1 370,57 394,52 326,89 233,33 151,04 69,18 Makuuhuone 2 418,70 445,76 369,34 263,64 170,66 78,17 Makuuhuone 3 388,58 413,70 342,78 244,67 158,39 72,55 Olohuone 711,89 754,65 633,91 466,88 319,97 173,82 Pesuhuone 153,68 162,60 137,42 102,59 71,96 41,49 Kodinhoitohuone 353,67 375,70 313,51 227,49 151,83 76,56 Keittiö 326,02 345,60 290,30 213,81 146,53 79,60 Tuulikaappi 117,65 125,55 103,23 72,35 45,20 18,18 WC 62,12 65,72 55,54 41,47 29,09 16,77 Eteinen 174,05 184,50 154,98 114,14 78,23 42,50 Sauna 72,08 76,26 64,45 48,12 33,75 19,46 kwh/pv 75,58 80,27 67,02 48,68 32,56 16,52 TAULUKKO 20. Lämmitystehot [W] ja lämmitysenergiat [kwh] kuukaudet 7-12 Kuukausi Huone Heinä Elo Syys Loka Marras Joulu Makuuhuone 1 30,15 58,33 136,11 212,05 297,44 343,66 Makuuhuone 2 34,07 65,91 153,79 239,60 336,07 388,29 Makuuhuone 3 31,62 61,17 142,73 222,36 311,90 360,36 Olohuone 104,14 154,45 293,31 428,89 581,33 663,84 Pesuhuone 26,96 37,45 66,40 94,67 126,46 143,66 Kodinhoitohuone 40,68 66,59 138,10 207,93 286,44 328,93 Keittiö 47,69 70,73 134,32 196,42 266,23 304,01 Tuulikaappi 5,30 14,60 40,27 65,33 93,51 108,76 WC 10,90 15,14 26,84 38,27 51,11 58,07 Eteinen 25,46 37,76 71,71 104,86 142,13 162,30 Sauna 12,64 17,56 31,14 44,40 59,31 67,38 kwh/pv 8,87 14,39 29,63 44,51 61,25 70,30