Rakennusten automaation vaikutus energiatehokkuuteen

Transkriptio

1 Rakennusten automaation vaikutus energiatehokkuuteen Perusteet ja opas YMPÄRISTÖMINISTERIÖ

2 Esipuhe Rakennuksissa kulutetaan Euroopassa enemmän energiaa kuin mitä liikenne tai teollisuus kuluttaa. Rakennuksissa kuluu yli 40 prosenttia koko Euroopan energiankulutuksesta. Tästä energiamäärästä kaksi kolmasosaa kuluu kotitalouksissa. Tehtyjen selvitysten mukaan rakennusten energiankulutusta Euroopassa voitaisiin vähentää jopa viidenneksellä energiatehokkuutta parantamalla. Energiatehokkuutta tavoiteltaessa automaatio on keskeisessä asemassa. Pyrittäessä energiatehokkaisiin ratkaisuihin on toteutettujen järjestelmä- ja laiteratkaisujen oikea käyttötapa yksi keinoista saavuttaa haluttu lopputulos. Ilman toimivaa automaatiota laitteiden käyttö, ohjaaminen ja seuranta ei kuitenkaan olisi käytännössä mahdollista. Hyöty muista energiaa tehokkaasti käyttävistä ratkaisuista saattaisi tällöin jäädä saamatta. Tämä opas on tarkoitettu rakennusautomaatiosuunnittelijoille ja kiinteistön omistajille avuksi rakennuksen automaation toiminnallisuuden määrittelyyn. Oppaalla pyritään helpottamaan kiinteistön omistajan ja suunnittelijan välistä keskustelua rakennuksen automaatiotasosta. Tämä opas käsittelee rakennuksen energiaa käyttävien laitteiden ja järjestelmien ohjausta ja valvontaa. Suurelta osin tällöin puhutaan eritasoisesta rakennuksen automaatiosta. Oppaassa käsitellään rakennuksen automaation vaikutusta rakennusten energiatehokkuuteen. Opas on laadittu rakennusten automaation suunnittelun ja vaikutuksen arvioinnin helpottamiseksi. Oppaan teksti perustuu osittain Ympäristöministeriön vuonna 2009 tekemään selvitykseen [VTT 2009], jossa määritettiin käytännössä sovellettavissa oleva automaation minimivaatimustaso ja tavoitetaso. Opas tehtiin ympäristöministeriön asettamassa Energiaa käyttävien laitteiden ja järjestelmien ohjaus ja valvonta projektissa. Oppaan tarkka sisältö määriteltiin yhteistyössä ympäristöministeriön johtaman ohjausryhmän kanssa. Ohjausryhmään kuuluivat Timo Huhtaluoma ja Pekka Kalliomäki ympäristöministeriöstä, Eino Rantala Ekosto Oy:stä, Veijo Piikkilä Tampereen ammattikorkeakoulusta, Johan Stigzelius KNX Finland ry:stä, Antti Sahala AIRIX Talotekniikka Oy:stä ja Kari Sirén Sähkötekniikka Oy Kari Sirénistä. Projektiryhmään kuuluivat Juhani Hyvärinen, Petri Kukkonen, Mikko Saari ja Risto Ruotsalainen VTT Expert Services Oy:stä. Espoossa , Tekijät 1

3 Sisältö Esipuhe Johdanto Energiansäästötavoitteet Suomessa ja Euroopassa Kokonaisuuden hallinta ja rakennusten energiatehokkuus Energiatehokkaan rakennuksen osatekijät Automaation rooli energiatehokkuudessa Rakennuksen automaation energiatehokkuusstandardi Standardin mukainen luokitus Rakennuksen automaation tehokkuusluokat Standardin tehokkuusluokkien soveltaminen Rakennusten automaation suositustaso ja tavoitetaso Suomessa Taustastandardit Automaatiotason valinta Keskeiset osajärjestelmät ja niiden säätö- ja ohjausratkaisut Energiankulutuksen vaikutuksen lähestymistavat Kerroinlähestymistapa Kerroinmenetelmän soveltaminen ja tehokkuusluokat Kuormien minimointi ja hyödyntäminen Mittarointi ja seuranta Kulutuksen ja suorituskyvyn seuranta Kulutusmittauksen mittausperiaatteet Rakennuksen toiminnan seuranta ja poikkeamien aikainen havaitseminen Standardin soveltaminen Suomessa Suomalaisen minimitason erot SFS-EN standardin vertailutasoon Soveltamisen ongelmakohtia Lähtökohtana ohjattava järjestelmä Vertailutapauksen valinta Päällekkäiset talotekniikkajärjestelmät Erillisjärjestelmät Toisarvoiset tilat ja käyttötavat Talotekniikan tavoitetason toteutuminen Viitteet LIITE 1 - Rakennuksen automaation minimitaso ja suositustaso LIITE 2 - Määritelmiä ja käsitteitä

4 1 Johdanto Tässä oppaassa tarkastellaan keinoja rakennusten automaation järjestämisestä niin, että mahdollistetaan hyvä käytön aikainen energiatehokkuus ja käytettävyys. Rakennusten automaation merkitys energiatehokkuuden työkaluna on selvä. Rakennusten automaatioon liittyvät määräykset, ohjeet ja selostukset ovat kuitenkin hajallaan muiden määräysten seassa. Oppaassa annetaan ohjeita rakennusten automaation käyttämisestä rakennusten teknisten järjestelmien ohjaamiseen. Oppaassa käsitellään myös sitä, miten rakennusten automaation vaikutus huomioidaan energiankulutuksen arvioinnissa. Edelleen oppaassa käsitellään sitä, miten rakennusten automaatiota voidaan käyttää täydentämään kulutusmittausten tuottamaa tietoa energiatodistuksen laadinnassa. Opas nojautuu eurooppalaiseen standardiin SFS-EN (2007) Rakennusten energiatehokkuus. Rakennusautomaation, säädön ja kiinteistönhoidon vaikutus energiatehokkuuteen ja erityisesti siinä esitettyyn kerroinmenetelmään. Se on ensimmäinen eurooppalainen standardi, joka käsittelee tällä tasolla rakennusten automaation vaikutusta energiatehokkuuteen. Oppaan tavoitteena on helpottaa SFS-EN standardin soveltamista Suomen olosuhteisiin asuinrakennuksissa sekä liike- ja toimistorakennuksissa. Oppaan tueksi on tehty Excel-työkalu, joka on tarkoitettu helpottamaan kiinteistön omistajan ja suunnittelijan välistä keskustelua (kuva 1). Työkalun ensimmäisellä välilehdellä kartoitetaan seitsemän kysymyksen avulla kiinteistön omistajan ja käyttäjän tavoitteita automaation toiminnallisuuden suhteen. Toisella välilehdellä suunnittelija saa ehdotuksen eri automaatiotoimintojen toteutuksesta ja energiatehokkuudesta. Opasta ja Excel-työkalua on tarkoitus käyttää rinnakkain standardin SFS-EN kanssa. Opas ei kuvaa standardia, vaan ohjeistaa sen käyttöä. Kuva 1. Opas ja Excel-työkalu on suunniteltu helpottamaan kiinteistön omistajan ja suunnittelijan välistä keskustelua sekä suunnittelijalle avuksi SFS-EN standardin käyttöön. Automaatiostandardi SFS-EN esittää luettelon toiminnoista, jonka perusteella rakennuksen automaation energiatehokkuusvaikutuksesta voidaan keskustella eri tahojen kesken (kiinteistön 3

5 omistaja, suunnittelija, käyttäjä) ja jonka perusteella automaatiota ja sen hyötyjä voidaan tarkastella. Se on siis väline rakennusten automaation määrittelyyn. Suunnittelijan tehtäväksi jää viedä kiinteistön omistajan kanssa määritetyt suunnitteluperusteet käytännön toteutukseksi. Tämän oppaan ja sitä tukevan työkalun tavoitteena on esittää rakennuksen suunnittelijalle ja kiinteistön omistajalle suunnittelutyön perustaksi ratkaisuja, joilla saavutetaan todellista vaikutusta rakennuksen energiankulutukseen ja sisäympäristön laatuun. 1.1 Energiansäästötavoitteet Suomessa ja Euroopassa Rakennusten energiatehokkuuden parantamisen taustalla on Kioton ilmastosopimus sekä Suomen energia- ja ilmastostrategia, joiden tavoitteena on kasvihuonekaasupäästöjen vähentäminen. Rakennusten energian käyttö aiheuttaa noin 30 % Suomen kasvihuonekaasupäästöistä. Energian käytöstä rakennusten osuus on lähes 40 %. Suomi toteuttaa kansallisella ilmastostrategialla kasvihuonekaasujen vähentämistavoitteet. Kioton sopimus edellyttää, että vuosien keskimääräiset kasvihuonekaasupäästöt rajoitetaan vuoden 1990 tasolle (kuva 2). EU:n energiansäästön toimenpideohjelmassa on 20 % energiansäästötavoite vuonna Energiapalveludirektiivissä on 9 % energiansäästötavoite vuonna 2016 vuosien kulutustasosta. EU:n ohjelmassa erittäin energiatehokkaiden talojen rakentamisen edistäminen on yksi keskeinen tavoite. EU:ssa on kaavailtu, että vuosien jälkeen kaikki uudisrakentaminen on erittäin energiatehokasta, lähes nollaenergiatasoa (taulukko 1). Opas tukee näitä tavoitteita. EU:n direktiivi rakennusten energiatehokkuudesta pyrkii pienentämään energiankulutusta ja on tuonut muun muassa rakennusten energiatodistukset pakollisiksi. Vuonna 2009 Suomen kasvihuonekaasupäästöt olivat 66,3 milj. tonnia hiilidioksidiekvivalentteina, 7 prosenttia alle Kioton pöytäkirjan tavoitteen. Vuonna 2010 päästöt olivat sen sijaan tavoitetta suuremmat. Päästökehitykseen vaikuttavat kulloisenkin vuoden taloudellinen tilanne energiaintensiivisillä teollisuuden aloilla, vuoden sääolot sekä uusiutuvilla energialähteillä tuotetun energian määrät. Taulukko 1. Suomea koskevien energiansäästötavoitteiden aikatauluja. Vuosi Tavoitteet ja sopimukset Kioton sopimus. Keskimääräiset kasvihuonekaasupäästöt rajoitetaan vuoden 1990 tasolle Energiapalveludirektiivin 9 %:n energiansäästötavoite EU:ssa kaikki uudisrakentaminen erittäin energiatehokasta EU:n 20 %:n energiansäästötavoite Uusiutuvien energialähteiden osuus Suomessa 38 % 4

6 Kuva 2. Kioton pöytäkirjan tavoitetaso ja Suomen kasvihuonekaasupäästöt vuosina (milj. t CO2-ekv.). [Tilastokeskus 2011] Asetettujen linjausten mukaan Suomessa uudisrakentamisessa tavoitteena on matalaenergiarakentaminen ja olemassa olevassa kannassa energiatehokkuuden selvä parantaminen. Rakentamismääräysten uudistaminen on osa rakennusten energiatehokkuusdirektiivin toimeenpanoa Suomessa. Uudistetut määräykset mahdollistavat suunnittelutyössä aiempaa suuremman joustavuuden energiatehokkuusvaatimusten täyttämiseksi. Määräyksissä ei kuitenkaan juuri huomioida rakennuksen automaation vaikutusta energiankulutukseen. Määräyksissä on sisäänrakennettuna tietty automaation oletustaso, joka edustaa tyypillistä suomalaista rakennustapaa. 5

7 2 Kokonaisuuden hallinta ja rakennusten energiatehokkuus 2.1 Energiatehokkaan rakennuksen osatekijät Rakennusten energiatehokkuuden parantaminen on tärkeä osa ilmastotalkoita. Energiatehokkuus ei ole vain yksittäisiä ratkaisuja vaan kokonaisuuden hallintaa. Energiatehokkaan rakentamisen perustana on rakennuksen ja sen järjestelmien lämpöhäviöiden pienentäminen. Se lähtee siitä, että rakennuksen energian tarve saatetaan mahdollisimman pieneksi. Tähän päästään hyvällä ulkovaipan lämmöneristyksellä ja tiiviydellä, ikkunoiden auringonsuojauksella ja tehokkaalla lämmöntalteenotolla ilmanvaihdosta. Näiden jälkeen tulee energian käytön tehostaminen ilmaisenergioiden hyödyntämisen, energiatehokkaiden laitteiden, tarpeenmukaisen käytön ja kulutuksen näytön avulla. Viimeisenä tulee alhaista energiankulutusta vastaavan energiantuotantomuodon valinta. (kuva 3) Energiamuoto Kulutuksen ohjaus ja näyttö Ilmaisenergioiden hyödyntäminen Sähkönkäytön tehostaminen Lämpöhäviöiden pienentäminen Kioto-pyramidi Energiatehokkaan rakentamisen portaat Kuva 3. Energiatehokkaan rakentamisen portaat (Kioto-pyramidi). Keskeisellä sijalla energiatehokkuudessa on rakenne- ja talotekniikan yhteensovittaminen. Tähän tarvitaan mahdollisimman yksinkertaisia, toimintavarmoja ja yhteensopivia ratkaisuja ja järjestelmiä. Matala- ja passiivienergiataloihin luontevasti soveltuva ilmanvaihtolämmitys on hyvä esimerkki yksinkertaisesta järjestelmästä, jonka lisäksi ei tarvita erillisiä lämmitys- ja ilmanvaihtoratkaisuja. Energiatehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä arkkitehtisuunnittelussa ovat rakennuksen sijainti, tilat, massoittelu ja materiaalit sekä taloteknisten järjestelmien vaatimien tilojen ja reititysten järkevä suunnittelu. Rakennesuunnittelussa energiatehokkuuden kannalta keskeisiä ovat rakenteiden lämpöja kosteustekninen toiminta sekä ilmatiiviys. Talotekniikan puolelta esiin nousevat lämmitys- ja ilmanvaihtojärjestelmien valinta ja suunnittelu, lämpimän käyttöveden valmistus sekä valaistuksen suunnittelu. Automaatiojärjestelmän tulee taata tarpeenmukaiset ohjaukset, jotta esimerkiksi valaistus ei ole tarpeettomasti päällä eikä tapahdu yhtäaikaista lämmittämistä ja jäähdyttämistä. Kaikkien edellä mainittujen osa-alueiden tulee olla yhteensopivia, jotta tavoitteet saavutetaan kustannustehokkaasti. 6

8 Osana matalaenergiarakentamisen ratkaisuja ja rakennuskannan energiatehokkuuden parantamista on tärkeää, että energiaa käyttävien laitteiden ja järjestelmien automaatio, ohjaus ja valvonta toteutetaan tavalla, joka johtaa terveelliseen ja miellyttävään sisäilmastoon optimaalisella energiankäytöllä. Käyttäjille on tarjottava hyödylliset, käytännölliset ja helppokäyttöiset järjestelmät. 2.2 Automaation rooli energiatehokkuudessa Kuvan 3 mukaisten portaiden kaikilla osa-alueilla (etenkin kuvan kolme keskimmäistä laatikkoa) on energiaa käyttävien laitteiden ohjauksella ja valvonnalla on merkittävä rooli. Vasta näiden energian tarvetta pienentävien toimenpiteiden jälkeen tulee energiankulutukseen sopivien energiamuotojen ja energiantuotantoratkaisujen arviointi. Automaatiolla vaikutetaan myös energiamuodon valintaan ja käyttötapaan, kun käytössä on rinnakkaisia järjestelmiä. Taulukossa 2 on esimerkkejä Kioto-pyramidin eri tasoille liittyvistä automaatiotoiminnoista. Rakennusten automaation avulla hallitaan taloteknisiä laitteita ja järjestelmiä. Laitteiden ja järjestelmien oikea käyttötapa on tärkeä asia haluttaessa saavuttaa hyvä lopputulos mahdollisimman pienellä energiankulutuksella. Ilman oikein toimivaa automaatiota voi osa energiatehokkaiden rakentamisen ratkaisujen hyödyistä jäädä saavuttamatta. Kioto-pyramidin porras Taulukko 2. Automaatiotoimintojen vaikutusmahdollisuuksia. Esimerkki rakennuksen automaation vaikutuskeinosta energiamuoto kulutuksen ohjaus ja näyttö ilmaisenergioiden hyödyntäminen sähkönkäytön tehostaminen lämpöhäviöiden pienentäminen raportointi energialajeittain, kullakin hetkellä tehokkaimman energiamuodon valinta, rakennuksen E-luvun laskenta huoneolosuhteiden säätö ja ohjaus, käyttölaitteet, laitteiden ja järjestelmien energiatehokas automaattinen käyttö lämmöntalteenoton ohjaus, vapaajäähdytys, dynaaminen lämmityksen ja jäähdytyksen ohjaus energiankäytön optimointi, tarpeenmukaiset olosuhteet tiloissa ja painetasot ilman ja veden siirrossa tarpeenmukaiset lämpötilatasot käyttöveden ja lämmitysveden siirrossa, aurinkosuojaus (jäähdytys) 7

9 3 Rakennuksen automaation energiatehokkuusstandardi 3.1 Standardin mukainen luokitus Standardi SFS-EN Rakennusten energiatehokkuus. Rakennusautomaation, säädön ja kiinteistönhoidon vaikutus energiatehokkuuteen jakaa rakennuksen automaation neljään tehokkuusluokkaan: parhaimmasta huonoimpaan A-, B-, C-, ja D-luokkaan (kuva 4). Automaation vaikutuksesta rakennuksen energiankulutukseen saa kuvan standardissa esitettyjen arviotaulukoiden perusteella. Lämmitys- ja jäähdytysenergiassa rakennuksen automaation vaikutus vaihtelee huonoimman D-luokan 30 %:n lisäkulutuksesta parhaimman A-luokan 30 %:n vähentyneeseen kulutukseen. Sähköenergiassa vastaavat luvut ovat D-luokan 10 %:n lisäkulutus ja A-luokan 10 %:n vähentynyt kulutus. Kuva 4. Rakennuksen automaatiotasolla on vaikutus rakennuksen energiatehokkuuteen Rakennuksen automaation tehokkuusluokat Energiatehokkaan rakennuksen automaation vaikutusta voi arvioida standardin SFS-EN perusteella vertaamalla, kuinka paljon eritasoinen automaatio lisäisi tai vähentäisi laskennallista energiankulutusta (kuva 5). 8

10 Kuva 5. Energiatehokkuusluokituksen avulla voidaan arvioida automaation vaikutusta rakennuksen energiankäyttöön. Tehokkuusluokan D rakennuksen automaatiossa ( manuaalinen käyttö ) ei ole otettu huomioon kiinteistön energiatehokkuusasioita. Tehokkuusluokan D ratkaisut ovat tyypillisesti käsikäyttöisiä ratkaisuja kuten käsikäyttöisiä patteriventtiileitä, käsikäyttöisiä sähkökytkimiä ja niin edelleen. Tehokkuusluokan D mukaiset järjestelmät pitäisi standardin mukaan perusparantaa. Uusia järjestelmiä ei pitäisi rakentaa D-luokituksen mukaan. Tehokkuusluokan C rakennuksen automaatio ( automaattinen ohjaus ja säätö ) vastaa tavanomaisen toteutustavan mukaista rakennuksen automaatiota, joka toteuttaa automatisoidut säätö- ja ohjaustoiminnot. Tehokkuusluokan C rakennuksen automaatio määritellään minimivaatimusten kautta tämän oppaan liitteessä 1. Liike- ja toimistorakennuksissa rakennuksen automaatio on useimmiten toteutettu pääosin keskitetyillä ohjaus-, säätö- ja rakennusautomaatiojärjestelmillä, mutta toiminnot voi toteuttaa myös erillisillä säätö- ja ohjauslaitteilla. Tehokkuusluokan B rakennuksen automaation ( rakennuksen automaatiojärjestelmä ) edellytyksenä on, että rakennuksen automaatio on toteutettu rakennuksen automaatiojärjestelmällä ja että tietyt säätö- ja automaatiotoiminnot on toteutettu tehokkuusluokkaa C paremmin. Ominaista luokan B järjestelmille on esimerkiksi se, että huonesäätimet on liitetty rakennuksen automaatiojärjestelmään tiedonsiirtoyhteydellä. Luokka B kuvaa tasoa, jolla voidaan optimoida automaattisesti rakennusten eri järjestelmien toimintaa esimerkiksi tarpeenmukaisen ohjauksen toteuttamiseksi (tarpeenmukaisella ohjauksella mahdollistetaan rakennuksen käyttöön perustuva lämpötilan ja ilmanvaihdon asetusarvojen laskeminen esimerkiksi 2 tunnin ajaksi; valaistuksen automaattinen ohjaus). 9

11 Tehokkuusluokan A rakennuksen automaatiossa ( talotekniikan hallintajärjestelmä ) tärkeimmät energiatehokkuuteen liittyvät asiat on huomioitu kattavasti. Tehokkuusluokan A rakennuksen automaatio on usein toteutettu monella järjestelmällä, jotka sisältävät kiinteistönhoitoon liittyvät keskeiset toiminnot, kykenevät tarpeenmukaisen ohjauksen ja kykenevät laajasti hyödyntämään toistensa tuottamaa informaatiota. Tehokkuusluokan A rakennuksen automaatiota käytetään ohjaamiseen, säätöön, energiankulutuksen seurantaan, raportointiin ja poikkeamien ennakointiin sekä analysointiin tarpeettoman tai suunnittelemattoman energiankulutuksen vähentämiseksi. Tehokkuusluokan A rakennuksen automaatio mahdollistaa tehokkaan energianhallinnan rakennuksessa. Käyttäjä voi esimerkiksi seurata tunti-, vuorokausi- ja kuukausitasolla rakennuksen sähkön-, lämmön- ja vedenkulutusta, lukea järjestelmän tulostamia kulutusraportteja ja poikkeamahälytyksiä ja ohjata järjestelmän valittuja osia Standardin tehokkuusluokkien soveltaminen Automaatiostandardi SFS-EN esittää luettelon toiminnoista, jonka perusteella rakennuksen automaation energiatehokkuusvaikutuksesta voidaan keskustella eri tahojen kesken (kiinteistön omistaja, suunnittelija, käyttäjä) ja jonka perusteella automaatiota ja sen hyötyjä voidaan tarkastella. Se on siis väline rakennusten automaation määrittelyyn. Suunnittelijan tehtäväksi jää viedä kiinteistön omistajan kanssa määritetyt suunnitteluperusteet käytännön toteutukseksi. Suunnittelijan ja kiinteistön omistajan välistä määrittelytyötä helpottamaan on oppaan ja standardin tueksi tehty tavanomaisessa taulukkolaskentaohjelmassa toimiva määrittelytyökalu. Vaikka nykyisten automaatiojärjestelmien toiminnot mahdollistaisivat tehokkuusluokan A automaation toteuttamisen, on käytännön rakentamisessa tähän vielä matkaa. Käytännössä tehokkuusluokan A automaatio tarkoittaisi seuraavia asioita: Rakennuksen kukin yksittäinen automaatiotoiminto on toteutettu mahdollisimman tehokkaalla tavalla. Kiinteistön omistaja voi asetella ja seurata keskitetysti rakennuksen eri tilojen ja järjestelmien käyttöä ohjaavia asetusarvoja parhaan mahdollisen tuloksen saamiseksi. Kiinteistön omistajalla on keinot vikojen havaitsemiseen sekä energiankulutuksen ja sisäilmaston seurantaan. Kiinteistön omistajalla on keinot muuttaa ja ohjata järjestelmien toimintaa havaintojen ja seurannan tuloksena. Automaation vaatimusten on myös oltava linjassa muiden vaatimusten kanssa. Esimerkiksi painetasot (vesi, ilma) on oltava sellaisia, että järjestelmät suoriutuvat tehtävistään määräystenmukaisesti ja tuottaen halutun palvelutason. Liitteessä 1 esitetään rakennusmääräyksiä vastaava minimivaatimusluettelo (taso C) rakennuksen automaatiolle. Minimivaatimukset ovat myös linjassa nyt voimassa olevien energiatehokkuuteen liittyvien rakentamismääräyskokoelman määräysten ja ohjeiden kanssa. Minimivaatimusluettelossa kirjataan yhdessä paikassa nyt monessa eri paikassa taustaoletuksena olevat asiat. Minivaatimustasoa energiatehokkaampana vaihtoehtona liitteessä 1 esitetään automaation suositustaso (taso B), joka tässä oppaassa nähdään tulevaisuuden normitasona. 10

12 Standardi SFS-EN ei ole ainoa keino rakennuksen automaation luokittelemiseksi. Erilaiset rakennusten ympäristösertifikaatit sisältävät kaiken muun ohella vaatimuksia myös rakennuksen automaatiolle Rakennusten automaation suositustaso ja tavoitetaso Suomessa Suositus rakennusten automaatiolle on tehokkuusluokka B. Suositustasolla B rakennuksen automaatio kokonaisuutena tukee energian tehokasta ja tarpeenmukaista käyttöä. Suositustasoon pääsemisen edellytyksenä on, että: rakennuksessa on rakennuksen automaatiojärjestelmä lämpötilansäätimet kommunikoivat keskitetyn ohjausratkaisun kanssa ohjaus- säätö- ja automaatiotoiminnot on toteutettu tehokkuusluokan B mukaisesti liitteessä 1 listatut suositustason vaatimukset täyttyvät Tavoitetasona Suomessa on energiatehokkuusluokan A ratkaisut. Tämän oppaan tekstissä pyritään ohjeistamaan sellaisia ratkaisuja, joiden tuloksena olisi vähintään energiatehokkuusluokan B mukainen rakennuksen automaatio. 3.2 Taustastandardit Yhteenveto rakennusten energiatehokkuuteen liittyvistä standardeista on koottu SFS:n julkaisuun Rakennusten energiatehokkuuteen eurooppalaisia standardeja. Julkaisuajankohtana aihepiiriin liittyi 43 standardia 6 eri luokassa. Sivuja standardeissa on yhteensä Käytännön soveltamisesta Suomessa on annettu erillisiä lakeja ja asetuksia, jotka viittaavat suoraan tai välillisesti energiatehokkuusstandardeihin. Standardit puolestaan perustuvat huomattavaan määrään teoriaan ja käytäntöön perustuvia ohjeita. Rakennusten automaatioon liittyy yksi standardi: SFS-EN Rakennusten energiatehokkuus. Rakennusautomaation, säädön ja kiinteistönhoidon vaikutus energiatehokkuuteen. 11

13 4 Automaatiotason valinta Automaatiotason valinta kytkeytyy tiiviisti moniin periaatteellisiin ratkaisuihin ja valintoihin, joita rakennuksen suunnittelussa tehdään. Monesti automaatiovalintoja tehdään niin, että ne tukevat jo tehtyjä ratkaisuja. Näin esimerkiksi talotekniikan osalta, jossa automaatiolla on usein keskeinen tehtävä rakennuksen teknisten järjestelmien käytön työkaluna eri käyttäjäryhmille. Automaatiolla on kuitenkin myös itsenäinen roolinsa rakennuksen käytössä. Kiinteistön omistaja voi myös asettaa vaatimuksia ja tavoitetasoja sille, miten automaatiota on tarkoitus käyttää. Tämän takia rakennuksen automaatiotason valintaan on syytä kiinnittää huomiota rakennuksen suunnitteluvaiheessa myös omana asiakokonaisuutenaan. Automaatio on asiana abstrakti ja monesti kiinteistön omistajan ja suunnittelijan välinen kommunikointi asiasta on rajoittunutta ja vaikeaakin. Tätä keskustelua helpottamaan on tehty oppaaseen liittyvään Excel-työkaluun ensimmäinen välilehti, jossa seitsemällä kysymyksellä kartoitetaan kiinteistön omistajan toiveita automaation palvelutasosta ja energiansäästöstä. Kiinteistön omistajan tulisi edustaa niitä ajateltuja käyttäjiä ja käyttötapoja, joita varten rakennus rakennetaan. Ensimmäinen välilehti on tehty mahdollisimman pitkälti yleiskielellä ilman, että keskustelussa jouduttaisiin selvittämään teknisten termien sisältöä ja merkitystä. Työkalun toisella välilehdellä on standardin [SFS-EN 15232] mukainen luettelo rakennuksen automaatiotoiminnoista ja niiden energiatehokkuustasosta. Työkalu esivalitsee ensimmäisen välilehden kysymysten perusteella tarkoituksenmukaiset toimintokohtaiset energiatehokkuustasot toiselta välilehdeltä automaation energiatehokkuuteen liittyvien asioiden suunnittelun lähtökohdaksi. Toisella välilehdellä valitut suunnitteluratkaisut eivät enää muuta ensimmäisen välilehden kysymysten vastauksia. Kolmannella välilehdellä on mahdollistettu suora automaatiotason määrittely. Kolmannen välilehden automaatiotason valinta muodostaa yhdessä ensimmäisen välilehden valintojen kanssa toimintokohtaiset energiatehokkuustasovaatimukset toiselle välilehdelle siten, että kaikki määritetyt vaatimukset täyttyvät. Kolmannen välilehden automaatiotason pudotusvalikosta voi siis määrittää lisävaatimuksen ensimmäisen välilehden valintojen lisäksi. Mikäli käytetään vain ensimmäisen välilehden mukaista määrittelyä, tulee kolmannen välilehden pudotusvalikosta valita Ei lisävaatimusta automaatiotasolle (oletusarvo). Kysymykset on valittu niin, että ne edustaisivat riittävän laajasti automaation eri näkökulmia ja että niiden perusteella saataisiin valittua toisen välilehden automaatiotoimintojen energiatehokkuusluokat. On korostettava, ettei yksiselitteistä valintatyökalua ole käytettävissä, mistä syystä myös tulkinnoille jää tilaa. Tämä tarkoittaa työkalua käytettäessä sitä, että esivalinnat ovat vain lähtökohta lopullisessa automaation energiatason määrittelyssä. Suunnittelijan tehtäväksi jää valita lopulliset energiatehokkuustasot sekä yksittäisille automaatiotoiminnoille että koko rakennukselle. 12

14 Taulukossa 3 käydään läpi, mitä eri näkökulmia valintatyökalun ensimmäisen välilehden seitsemän monivalintakysymystä kartoittavat. Näkökulmat ja niihin liittyvät kysymykset on ymmärrettävä yleisinä eikä niissä oteta kantaa siihen, mitä automaatiolla ohjataan. Taulukon esimerkit edustavat konkreettisia laitteita ja järjestelmiä, ja on muistettava, että asiat ovat esimerkkejään laajempia. Kysymysnumero / Näkökulma 1. Automaation rooli ja suhde käyttäjään 2. Automaattisuuden taso ja käyttömukavuus 3. Automaatio energiatehokkuuden työkaluna 4. Tarpeettoman energiankulutuksen estäminen 5. Ylimääräisten kuormittavien tekijöiden estäminen Taulukko 3. Valintatyökalun kysymysten näkökulmat. Esimerkki Näkökulma liittyy rakennuksen toiminnan perusluonteeseen. Rakennuksen perusluonne saattaa esimerkiksi olla sellainen, että vain välittömästi turvallisuuteen liittyvät käyttötoimenpiteet hoidetaan automaatiolla ja muut toiminnot jätetään käyttäjän hallintaan. Käyttäjän on tällöin oltava perillä järjestelmien ja laitteiden toiminnasta ja käytöstä. Toisessa ääripäässä automaatio ohjaa mahdollisimman suurta osaa rakennuksen järjestelmistä ja raportoi poikkeamista rakennuksen käyttäjäorganisaatiolle. Näkökulma liittyy siihen, miten loppukäyttäjän ajatellaan käyttävän tiloja ja ohjaavan niiden olosuhteita. Esimerkiksi valaistusta voidaan käyttää täysin käsikäyttöisesti, siinä voi olla automaattinen sammutustoiminto (esimerkiksi porrasvalo), valaistus voi toimia läsnäoloon perustuen tai automaattisimmillaan valaistustasoa säädetään toteutuneen valaistustason mittauksen perusteella. Energiatehokkuuden saavuttamisessa voi olla useita keinoja. Paras ratkaisu saavutetaan, kun kaikilla osa-alueilla pyritään parhaaseen tasoon. Tavoitetason ollessa vaatimattomampi voidaan eri osajärjestelmien vaatimustasoja painottaa eri tavoilla. Kysymys kartoittaa automaation merkitystä energiatehokkuudessa. Esimerkiksi määräysten mukaiseen tasoon riittää, että laitteita ja järjestelmiä ohjataan käsin. Parhaimmillaan automaatiota voidaan käyttää energiatehokkuuden parantamiseen muiden osajärjestelmien rinnalla. Esimerkkinä näkökulmasta käy yhtäaikaisen lämmityksen ja jäähdytyksen estäminen. Käyttäjän kokemiin sisäolosuhteisiin tällä ei ole välttämättä mitään vaikutusta. Yhtäaikainen tai perättäinen lämmitys ja jäähdytys voidaan jättää huomiotta tai voidaan estää eritasoisilla ohjausratkaisuilla. Myös tarpeetonta tuloilman lämmitystä voidaan ehkäistä, kun ohjauksessa otetaan lämmitystarpeeseen vaikuttavia asioita mahdollisimman kattavasti huomioon. Automaatiolla on keskeinen rooli valaistuksen ja sähkölaitteiden lämpökuormien minimoinnissa. Esimerkiksi valaistuksen ohjauksella on suora vaikutus ylimääräisiin lämpökuormiin. Valaistuksessa sähkövalo ja päivänvalo ovat yleensä toisiaan täydentäviä valonlähteitä. Sähkövalaistuksen tarpeen osittainen korvaaminen päivänvalolla vähentää valaistuksen energiankulutusta ja siten koko rakennuksen jäähdytystarvetta. Kaihdinten käytöllä voidaan vaikuttaa myös auringon liialliseen lämmittävään vaikutukseen. 13

15 Kysymysnumero / Näkökulma 6. Ilmaisenergioiden hyödyntäminen 7. Häviöiden huomiointi Esimerkki Rakennuksessa käytetään energiaa eri käyttötarkoituksiin. Muussa käytössä syntyvien tai muualta saatavien ilmaisenergioiden hyödyntämisellä on suuri merkitys energiatehokkuudessa. Esimerkiksi yöjäähdytys ja ilmanvaihdon lämmöntalteenotto hyödyntävät ilmaisia tai lähes ilmaisia energialähteitä. Rakennuksen järjestelmissä syntyy väistämättä häviöitä, jotka voidaan joko käyttää hyödyksi tai jotka lisäävät kuormitusta. Häviöiden suuruuteen voidaan vaikuttaa esimerkiksi parantamalla lämpöjohtojen eristystä, mutta myös alentamalla/nostamalla lämpötilatasoja niin, että lämmityksen ja jäähdytyksen tuotto toimivat lähellä optimaalista toimintapistettään. 14

16 5 Keskeiset osajärjestelmät ja niiden säätö- ja ohjausratkaisut Rakennuksen keskeisimmät osajärjestelmät energiankulutuksen ja ohjauksen kannalta ovat: Tilojen lämmitys Jäähdytys Ilmanvaihto Valaistus ja laitesähköenergia Lämpimän käyttöveden tuotto Kuhunkin osajärjestelmään löytyy monia eri toteutusvaihtoehtoja ja näille toteutusvaihtoehdoille erilaisia ohjausratkaisuja. 5.1 Energiankulutuksen vaikutuksen lähestymistavat Tämän oppaan ja työkalun pohjaksi valittu sovellettava laskentamenetelmä (ns. kerroinmenetelmä) on yksi keino automaation vaikutusten määrittämiseen. Rakennuksen automaation (BAC, Building automation and controls) ja teknisen kiintestönhoidon (TBM, Technical building management) vaikutuksia rakennuksen energiakulutukseen huomioivat laskentastandardit käyttävät erilaisia lähestymistapoja. SFS-EN luettelee kolme viitestandardia, joissa eri lähestymistapoja käyttäen voidaan arvioida automaation vaikutusta. Eri standardeissa on 5 yleistä lähestymistapaa: suora lähestymistapa käyttöjaksolähestymistapa aikalähestymistapa lämpötilalähestymistapa kerroinlähestymistapa (tämän oppaan ensisijainen lähestymistapa) Kerroinlähestymistapa Standardissa SFS-EN on esitetty kaksi eri tapaa automaation energiatehokkuusvaikutuksen arviointiin. Yksityiskohtainen menetelmä perustuu simulointiin, jossa rakennus järjestelmineen ja automaatio kuvataan yksityiskohtaisesti. Simuloinnin kautta voidaan esittää automaation tuoma hyöty. Toinen tapa perustuu kertoimien käyttöön. Menetelmä on yksinkertaisempi kuin yksityiskohtainen menetelmä ja tämän vuoksi nopeampi soveltaa. Myös kerroinmenetelmä perustuu välillisesti simulointiin, sillä erityyppisten rakennusten kertoimet on laskettu simuloimalla tyypillisiä rakennuksia ja niiden käyttötapoja. Kerroinmenetelmässä energiankulutuksen laskennallinen vertailutaso perustuu Suomessa Rakentamismääräyskokoelman osaan D5 Rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystehontarpeen laskenta. Siinä esitetyllä tavalla laskettua energiankulutusta korjataan kerroinmenetelmän avulla määritetyllä kertoimella, jolloin saadaan rakennuksen energiankulutus rakennuksen automaatiotaso huomioiden. Vertailutason laskentatavat vaihtelevat maittain. 15

17 Yksinkertaistuksista johtuen kerroinmenetelmää joudutaan käytännössä välttämättä soveltamaan ja tulkitsemaan. Muiden muassa seuraavat asiat vaikuttavat soveltamiseen ja ne on ratkaistava soveltamisen yhteydessä: kerroinmenetelmän kaikkia järjestelmiä ei välttämättä ole käytössä kaikissa kohteissa (esimerkiksi jäähdytysjärjestelmä) kaikkia käytössä olevia ratkaisuja ei välttämättä ole mukana standardissa (esimerkiksi lämpimän käyttöveden lämpötila on Suomessa oltava vähintään 55 astetta) samaa tilaa ja toimintaa rakennuksessa saattaa palvella useampi kuin yksi järjestelmä (esimerkiksi radiaattorilämmitys ja ilmalämpöpumppu) toisarvoisten tilojen automaation energiatehokkuus (esim. varastot ja tekniset tilat) talotekniikan tavoitetason toteutuminen on tärkeämpää kuin tehokkuusluokan A automaatiotoiminto (esimerkiksi kellarikäytävässä päivänvalon mukaan ohjautuva valaistus ei ole tarpeen) 5.2 Kerroinmenetelmän soveltaminen ja tehokkuusluokat Oppaan valittu laskentamenetelmä, edellä esitetty korjauskerroinlähestymistapa, on yksinkertaisin tapa suunnitteluvaiheessa huomioida automaation kokonaisvaikutus rakennuksen/järjestelmän energiankulutukseen. Yksittäisen järjestelmän sijasta menetelmää voidaan soveltaa myös koko rakennuksen automaation energiankulutusvaikutusten arviointiin ja laskentaan. Näin saadaan laajankin kokonaisuuden vaikutus rakennuksen energiatehokkuuteen esitettyä yhdellä kertoimella. Kertoimien määräytymiseen on kriteerit, jotka voidaan ryhmitellä rakennuksen automaation tehokkuusluokkien avulla. Kullakin tehokkuusluokalla (A, B, C ja D) on takanaan tietty lista vaatimuksia rakennuksen automaatiosta. Ilmastollisten tekijöiden vaikutus tehokkuuskertoimiin on oletettu merkityksettömäksi. Kerroinmenetelmän käyttämät tehokkuuskertoimet on muodostettu eri rakennustyypeille (rakennustyypit on valittu standardin EN mukaan). Kullekin rakennustyypille on oletettu laskennallista tarkastelua varten tyypillinen käyttöprofiili, joka koostuu rakennustyypin käyttöajoista ja ihmisten ja heidän käyttämiensä laitteiden aiheuttamista lämpökuormista. Laskennallisten tarkastelujen tuloksena on saatu kaksi kerrointa kullekin rakennustyypille. Kertoimet ovat f BAC,hc lämmitys- ja jäähdytysenergian korjatun kulutusarvion laskentaan ja f BAC,el valaistuksen ja laitesähkön korjatun kulutusarvion laskentaan. Taulukossa 4 on esitetty kertoimien arvoja eri energiatehokkuusluokille yleisimmille rakennustyypeille. Rakennustyyppikohtaisia kertoimia on standardissa yhteensä kahdeksalle eri rakennustyypille. Kaikki rakennustyypit on valittavissa oppaaseen liittyvässä työkalussa. Työkalun energialaskennassa käytössä on aina automaattisesti rakennustyyppiä ja automaatioratkaisua vastaavat kertoimet. 16

18 Taulukko 4. Kerroinmenetelmän kertoimet asuinrakennuksille, toimistoille ja kouluille rakennuksen automaation eri tehokkuusluokilla. Asuinrakennukset- kaikki tyypit D C B A tavanomainen tehoton edistynyt tehokas f BAC,hc Lämmitys- ja jäähdytysenergia f BAC,el Valaistus- ja laitesähköenergia Muut rakennukset - toimistot f BAC,hc Lämmitys- ja jäähdytysenergia f BAC,el Valaistus- ja laitesähköenergia Muut rakennukset - koulut f BAC,hc Lämmitys- ja jäähdytysenergia f BAC,el Valaistus- ja laitesähköenergia 1,10 1 0,88 0,81 1,08 1 0,93 0,92 1,51 1 0,80 0,70 1,10 1 0,93 0,87 1,20 1 0,88 0,80 1,07 1 0,93 0,86 Laskenta etenee kolmessa vaiheessa siten, että 1. Ensin lasketaan rakennuksen energiankulutus jollakin soveltuvalla menetelmällä. Suomessa rakentamismääräyskokoelman osa D5 esittää yhden yksinkertaistetun tavan laskea rakennuksen energiankulutus. 2. Seuraavaksi arvioidaan, millä tavalla tarkasteltavan rakennuksen automaation tehokkuusluokka poikkeaa siitä, miksi se oli oletettu energiankulutuksen laskennan yhteydessä. Suomessa käytettävässä rakennuksen energiankulutuksen laskentaohjeessa (RakMk osa D5) on taustaoletuksena, että rakennuksissa on tavanomainen rakennuksen automaation toteutustapa (standardin määrittelyillä C-taso). 3. Lopuksi ensimmäisessä vaiheessa laskettua energiankulutuksen arvoa korjataan kertoimia soveltaen sillä vaikutuksella, joka rakennuksen automaation vertailutasoa paremmalla tai huonommalla toteutuksella on rakennuksen energiankulutukseen. 17

19 6 Kuormien minimointi ja hyödyntäminen Rakennukseen tulee lämpökuormia siellä tapahtuvasta toiminnasta, etenkin valaistuksesta, muiden sähkölaitteiden käytöstä ja ihmisistä sekä ikkunoista sisään tulevasta auringon säteilyenergiasta. Toiminnan ajoittumisesta, määrästä ja sähkön kulutuksesta voidaan saada tietoja rakennuksen automaatiojärjestelmän lisäksi myös kulutusmittauksista, jos mittausten aikaerottelu on tarkoitukseen riittävä. Lämpökuormien hallinnassa on kaksi keskeistä asiaa: ei-toivottujen lämpökuormien minimointi ja toteutuneiden lämpökuormien mahdollisimman järkevä hyödyntäminen. Ylimääräisten kuormien minimointi on keskeistä myös lämpötilan hallinnan kannalta. Matalaenergiarakentamisessa ylimääräisten lämpökuormien torjumisen merkitys korostuu. Matalaenergiarakennukset ovat hyvin eristettyjä ja perustuvat usein myös rakenteiden lämpöä varaaviin ominaisuuksiin. Molemmat johtavat siihen, että ylimääräisten lämpökuormien vaikutus sisälämpötilaan voimistuu verrattuna perinteisiin rakennuksiin. Jos pientalon lämmittämiseen riittää vain 2 kilowatin lämmitysteho, edustaa saunan kiuas, keittiön liesi tai ikkunoista sisään tuleva lämpökuorma helposti moninkertaista tehoa. Tämän vuoksi energiatehokkaassa rakentamisessa yksityiskohtiin tulee kiinnittää huomiota, jolloin myös lämpökuormien kannalta kriittisten ratkaisujen tulee olla harkittuja. Seuraavassa on lueteltu asioita, joissa automaatiolla on rooli lämpökuormien minimoinnissa: Valaistuksen ohjauksella on suora vaikutus ylimääräisiin lämpökuormiin. Valaistuksessa sähkövalo ja päivänvalo ovat yleensä toisiaan täydentäviä valonlähteitä. Sähkövalaistuksen tarpeen osittainen korvaaminen päivänvalolla vähentää valaistuksen energiankulutusta. Läsnäoloon tai rakennuksen käyttöön perustuva valaistuksen tarpeenmukainen ohjaus on selkeä ja tehokas tapa valaistuksen (ja koko rakennuksen) energiankäytön vähentämiseksi. Tällöin valaistuksen lämpökuorma vähenee ja saadaan myös säästöjä mahdollisesta jäähdytystarpeen pienenemisestä. Valaistuksen ohjauksen huipulla on integroitu keinovalon ja sälekaihtimien säätömenetelmä, joka tunnistaa eri käyttötilanteita. Yhdistetyn dynaamisen säädön avulla voidaan hallita energiankäytön huippukuormaa ja vähentää rakennuksen kokonaisenergiantarvetta (lämmitys, jäähdytys, ilmanvaihto, terminen massa, valaistus). Lämpökuormia voidaan torjua tiettyyn rajaan asti, mutta kaikkia lämpökuormia ei voida saati haluta eliminoida. Käytöstä johtuvat välttämättömät lämpökuormat, kuten esimerkiksi keittiön lieden tuottama lämpökuorma, tulee hyödyntää mahdollisimman järkevästi ja hallitusti. Luonteeltaan monet lämpöhäviöt ovat useimmiten sellaisia, että ne riippuvat lämmöntarpeesta. Toisaalta lämmöntarve on riippuvainen lämpökuormista, jolloin lämpökuorma on luonnostaan helposti ja oikea-aikaisesti hyödynnettävissä. Esimerkiksi varaajan lämpöhäviöistä osa voidaan hyödyntää lämmityksessä. 18

20 Lämmityksessä hyödynnettävät häviöt ovat häviöitä, jotka tulevat säätämättöminä lämmitettävään tilaan. Tässä säätämättömillä häviöillä tarkoitetaan lämpökuormia, jotka eivät riipu tarkasteltavan tilan lämmityksen säätölaitteen toiminnasta. Esimerkiksi huoneen läpi kulkeva lämmityksen jakoputki on säätämätöntä lämpökuormaa. Lämmityksessä hyödynnettävät lämpöhäviöt ovat tilojen lämmityksen kannalta lämpökuormia, jotka pyrkivät nostamaan tilan lämpötilaa ja näin lisäämään energiankulutusta ideaaliseen tilanteeseen (=vakio lämpötila) verrattuna. Energiankulutus riippuu häviötehosta, säätölaitteen toiminnasta ja tarkastelujakson lämmöntarpeesta eli siitä, tarvitaanko tilassa kyseisellä hetkellä lämmitystä vai ei. Saman kulutusmittarin takana voi olla sisätilojen sähkön käytön lisäksi myös rakennuksen vaipan ulkopuolista sähkön kulutusta, kuten ulkovalaistusta ja autojen lämmitystä. Sähkölaitteiden määrä, laatu ja käyttö vaihtelevat hyvin paljon asuntokohtaisesti, erityisesti omakotitaloissa. Esimerkiksi viihde-elektroniikan ja valaistuksen sähkön kulutus saattaa joillakin kuluttajilla olla moninkertainen vastaavaan keskimääräiseen kulutukseen verrattuna. Kylmälaitteiden sähkönkulutus ja sen erot eivät sen sijaan enää näyttäisi olevan yhtä isoja kuin ennen. Tutkimustietoa kotitalouksien sähkönkäytöstä ja sen muutoksista kerrotaan kotitalouksien sähkönkäytön tutkimuksessa [Adato 2008]. 19