LVI-tekniikka 2015 ENE Rakennusten energiaoptimointi

Transkriptio

1 PIENTALON ENERGIARATKAISUJEN OPTIMOINTI Vuonna 2020 rakennettavan asuinpientalon rakenteiden sekä aurinkojärjestelmän ominaisuuksien optimointia varten on käytettävissä seuraavat lähtötiedot: Rakennus Rivitalo 2+N asuntoa (N harjoitusryhmän numero), 1 kerros, kerroskorkeus 3,0 m. Kunkin asunnon pohja on suorakaiteen muotoinen, ulkomitat 13 x 10 m 2, pidemmät seinät asuntojen välisinä seininä. Ulkoseinien rakenne on tiili 130 mm ilmarako tuulensuojalevy 20 mm - mineraalivillaeriste tiili 130 mm. Alapohjana on 200 mm betonilaatta ja 300 mm EPS eristys. Alapohjan alla on hyvin tuuletettu ryömintätila. Yläpohjan rakenne on 20 mm lastulevy ja puhallusvillakerros. Loiva harjakatto, 30 o kallistuksella, räystäspituus 1 m. Rakennus luokitellaan lämpödynaamisilta ominaisuuksiltaan keskiraskaaksi. Ikkunoiden pinta-ala on 15 % bruttoalasta ja ikkunoista 70 % on eteläjulkisivulla ja loput 30% pohjoisjulkisivulla. Ikkunoiden kehäkerroin 0,80, varjostuskerroin 1,0, kohtisuoran säteilyn läpäisysuhde 0,65 sekä aurinkosuojan läpäisysuhde 1,0. Ilmanvaihto Koneellisen ilmanvaihtolaitoksen perusilmavirta vastaa ilmanvaihtokerrointa n=0,60. Laitos käy 24 h/vrk. Ilmanvaihdon lämmön talteenoton vuosihyötysuhde on 0,72. Tuloilma jälkilämmitetään kaukolämpöä käyttäen vakiolämpötilaan 18 o C. Vuotoilmavirta lasketaan SRMK osa D5(2012) mukaan. Lämmitys ja sähkönkäyttö Rakennuksen tilojen ja ilmanvaihdon lämmitykseen käytetään kaukolämpöä yhdistettynä vesiradiaattoriverkostoon. Sisälämpötilan asetusarvo on 21,0 o C. Jäähdytysjärjestelmää ei ole. Lämpimän käyttöveden kulutus on 700 dm3/bm2 vuodessa, jakautuen tasaisesti ympäri vuoden. Sähkönkäyttö noudattaa valaistukselle ja koneille erillisessä tiedostossa annettujen kuormien mukaista vuorokausirytmiä. Aurinkojärjestelmä Rakennuksen harjakaton etelälappeelle on tarkoitus asentaa PV-T tyypin aurinkosähkö paneeleita, joilla voidaan tuottaa osa rakennuksen sähköntarpeesta sekä käyttöveden lämpöenergiasta. Paneelien sähkön tuoton hyötysuhde on 20 %. Paikallisesti tuotetun sähkön ylijäämä voidaan sähköverkon kautta myydä energiayhtiölle. Paneeleita jäähdytetään vedellä, josta saatavaa lämpöä voidaan käyttää lämpimän käyttöveden valmistukseen. Näin kerättävästä lämpöenergiasta voidaan varastointikapasiteetin rajallisuuden ja lämpötilatasojen vuoksi hyödyntää pienempi kunkin tunnin tarpeesta tai kunkin tunnin tuotosta. Ulkoiset olosuhteet Rakennus sijaitsee Etelä-Suomessa. Laskennassa tarvittavat säätiedot ovat saatavana tiedostomuodossa kurssin kotisivulta. Kustannustiedot Rakenteiden eristyksen hinta tilavuuden funktiona (materiaali + työ) on yläpohjalle 60 /m 3 sekä seinille 170 /m 3. Ikkunoiden hinnan U-arvon funktiona voidaan arvioida muuttuvan lineaarisesti arvojen (1,8 W/m 2 K, 250 /m 2 ) ja (1,0 W/m 2 K, 300 /m 2 ) välillä. Rakennusvaipan ilmanvuotoluvun pienentäminen perusarvostaan n 50 =4 1/h maksaa työn huolellisempana suunnitteluna, toteutuksena ja valvontana lisähinnan joka on h ( /brm2) = 1,6 n ,7 n ,9. Aurinkojärjestelmän hinta asennuksineen on 300 /paneeli m2. Sähkön ostohinta on 180 /MWh, syöttötariffi 100 /MWh ja inflaatio 3 %/a. Kaukolämmön hinta on 120 /MWh ja inflaatio 2 %/a. Nimelliskoroksi valitaan 3 %/a ja yleiseksi inflaatioksi arvioidaan 1 %/a. Rakenteiden käyttöikä on 40 vuotta ja aurinkojärjestelmän vastaavasti 20 vuotta. Ikkunat peruskorjataan 20 vuoden välein puolella alkuperäisen investoinnin arvosta. Investoinneilla ei ole jäännösarvoa.

2 TEHTÄVÄ 1. Energiainvestointien optimointi Min {F(x)} H(x) = A PVT katon etelälappeen ala x = (x 1, x 2, x n ) T n = 5 Kohdefunktio F(x) on päätösmuuttujiin liittyvien investointien sekä rakennuksen lämmitys- ja sähkökustannusten nykyarvon summa vähennettynä myydyn sähkön arvolla 40 vuoden tarkasteluaikana. Rajoitefunktiossa A PVT on PVT paneelien pinta-ala. Päätösmuuttujavektorin alkiot ovat: x1) seinien eristyspaksuus x2) yläpohjan eristyspaksuus x3) ikkunoiden U-arvo x4) vaipan ilmanvuotoluku x5) aurinkojärjestelmän kerääjäpinta-ala. 2. Energialaskelmat Energialaskelmat tehdään yhden vuoden ajanjaksolle yksinkertaisella tuntitason laskennalla perustuen opetusmonisteen laskentaohjeeseen sekä annettujen säätietojen käyttöön: * sisäilman ja rakenteiden lämpötilat * tilojen lämmitysenergiantarve * ilmanvaihdon lämmitysenergiantarve * aurinkojärjestelmän tuottama energia * E-luku * lämpöenergian vesivaraston mallintaminen ja käyttö hyödynnettävän aurinkoenergian tarkempaan laskentaan (bonustehtävä, ei pakollinen) Yksinkertaisuuden vuoksi vain etelänpuolen ikkunoihin tuleva auringon säteilykuorma huomioidaan lämpötilojen ja energiantarpeen laskennassa. 3. Taloudelliset laskelmat * Kustannusfunktio * Investoinnit * Ostetun energian nykyarvo * Myydyn energian nykyarvo * Ostoenergian hintakehityksen vaikutus optimointitulokseen (bonustehtävä, ei pakollinen) * Valitun laskentakorkokannan vaikutus optimointitulokseen (bonustehtävä, ei pakollinen) 4. Optimointi * Käytetään sopivaa optimointimenetelmää ja itse tehtyä algoritmia energiapaketin optimointiin. Laskentaympäristö on vapaasti valittavissa. Valmiita optimointipaketteja ei kuitenkaan saa käyttää. * Kohdefunktion ja E-luvun välinen pareto-kuvaaja (bonustehtävä, ei pakollinen) 4 Työselostuksen tekeminen * Tehdään oheista ohjetta noudattaen.

3 OHJE HARJOITUSTYÖSELOSTUKSEN TEKEMISEKSI RAKENNE RAKENNE 1. Kansilehti * oheinen liite työselostuksen kansilehdeksi * tekijät * luovutuspäivämäärä * päätulokset 2. Sisällysluettelo sivunumeroineen 3. Luettelo suureiden symboleista ja mittayksiköistä 4. Harjoitustehtävän ratkaisu * laskelmien perusteet (lämmöntarvelaskelmat, järjestelmälaskenta, kohdefunktion muodostaminen, muut laskentaperusteet jne.) sekä viimeisen optimointikierroksen numerolaskut selvästi ja johdonmukaisesti esitettynä * käytetyn optimointimenetelmän kuvaus * optimoinnin eteneminen lähtöarvojen ja päätulosten valossa 5. Tulokset * yhteenveto keskeisistä tuloksista * muut taulukot, kuvaajat * johtopäätökset 6. Liitteet * ohjelmakoodausten / makrojen listaukset ESITYSTAPA Työselostuksen esitystavan tulee olla selkeä ja eteneminen systemaattista. Pääotsikoita ja väliotsikoita käyttäen jaetaan teksti tunnistettaviin kokonaisuuksiin. Uusi otsikko aina kun siirrytään käsittelemään seuraavaa asiaa. Käytetyt laskentamenettelyt, tehdyt oletukset ja muut asioiden käsittelytapaan vaikuttavat seikat tuodaan tekstissä selvästi esille siten, että lukija pystyy helposti seuraamaan työn kulkua ja ymmärtämään kaiken mitä tekijät ovat pyrkineet työselostuksessaan tuomaan esille.

4 AURINKOKERÄIMIEN LÄMMÖNTUOTON LASKENTA Nykyisten kaupallisesti saatavien aurinkosähköpaneeleiden (PV) sähköntuoton hyötysuhde on vain noin13-15 %. Hyötysuhde riippuu mm. paneelien lämpötilasta. Mitä korkeammaksi lämpötila nousee, sitä pienemmäksi hyötysuhde laskee. Valtaosa aurinkosähköpaneeleista ei tuota lämpöä. On kuitenkin olemassa sähkö-lämpö paneeleita (PV-T), joita jäähdytetään ilmalla tai vedellä, siten että jäähdytyksestä saatava lämpöenergia voidaan myös käyttää hyödyksi. Tässä harjoitustyössä aurinkopaneelit ovat vesijäähdytettyä PV-T tyyppiä ja niistä saatava hetkellinen lämpöteho lasketaan tunnetulla Hottel-Whillier-Bliss (HWB) yhtälöllä seuraavasti r c [( ) I U ( T T )] Q = F A τα (1) c L fi a missä F r on lämmönsiirron tehokkuuskerroin, A c on kerääjän pinta-ala, (τα) c on lasikatteen ja absorptiopinnan transmissio-absorptio tulo, I on kerääjälle tuleva säteilytehon tiheys, U L on kerääjän häviökonduktanssi, T fi on kerääjälle tulevan nesteen lämpötila ja T a on ympäröivän ilman lämpötila. Laskennassa käytettäviä arvoja: F r = 0,70 (τα) c = 0,85 U L = 1,0 W/m 2 K T fi = 30 o C (tämä vaihtelee vesivaraston lämpötilan mukaan, mutta tässä käytämme vakioarvoa) T a = ulkoilman lämpötila säätiedostosta Jos laskenta antaa lämpöteholle negatiivisen arvon, kuten käy silloin kun hakasuluissa oleva häviötermi on suurempi kuin tuottotermi, oletetaan että laitteiston kiertopumppu ei käy ja asetetaan Q = 0.

5 PIENTALON ENERGIARATKAISUJEN OPTIMOINTI - KANSILEHTI TYÖRYHMÄ No: LUOVUTUS Pvm: TEKIJÄT Nimi Opiskelija No PÄÄTULOKSET Optimoituun energiapakettiin liittyvät päätulokset Seinien eristyspaksuus Yläpohjan eristyspaksuus Ikkunoiden U-arvo mm mm W/m2K Rakennuksen ilmanvuotoluku 1/h Aurinkopaneleiden pinta-ala Aurinkopaneleiden tuottama sähköenergia (vuositasolla) Ostettu sähköenergia (vuositasolla) Myyty sähköenergia (vuositasolla) Aurinkopaneleiden tuottama lämpöenergia (vuositasolla) Aurinkolämmöstä hyödynnettävä energia (vuositasolla) Lämpimään käyttöveteen tarvittava ostoenergia (vuositasolla) Tilojen ja ilmanvaihdon lämmitykseen tarvittava ostoenergia Ostettu kaukolämpöenergia (vuositasolla) m2 Ostetun sähkön nykyarvo tarkasteluaikana Myydyn sähkön nykyarvo tarkasteluaikana Ostetun lämpöenergian nykyarvo tarkasteluaikana Alkuinvestoinnit (hetkellä t=0) Aurinkojärjestelmän ja ikkunoiden lisäinvestoinnit tarkasteluaikana E-luku Energiapaketin nykyarvo bruttoalaa kohti kwh/m2 a /bm2