Rakennusten energiainvestointien monitavoiteoptimointi

Transkriptio

1 Rakennusten energiainvestointien monitavoiteoptimointi Tuomo Niemelä Johtava energia-asiantuntija

2 Optimointi: parhaan ratkaisun etsimistä suuresta määrästä erilaisia vaihtoehtoja

3 Tarve optimoinnin käytölle Kustannus- ja energiatehokkuustavoitteet Kustannustehokas lähes nollaenergiarakentaminen Kustannustehokas korjausrakentaminen Miten saavutetaan mahdollisimman hyvä energiatehokkuus mahdollisimman pienillä kustannuksilla Tavanomaisella muutamien vaihtoehtojen vertailulla ei välttämättä löydetä parhaita ratkaisuja erilaisia vaihtoehtoja helposti miljoonia Monitavoiteoptimointi kustannustehokas menetelmä parhaiden ratkaisuiden seulomiseen Tehokkaimmillaan suunnittelun alkuvaiheessa

4 Optimoitavia muuttujia rakennuksessa

5 B-luokka A-luokka C-luokka Minimivaatimustaso Monitavoiteoptimoinnin periaate Kustannusoptimaalinen ratkaisu 5

6 Optimoitu vs tavanomainen

7 Optimoitu vs tavanomainen

8 Case Tyypillinen suomalainen 60-luvun asuinkerrostalo

9 Suomalainen 60-luvun asuinkerrostalo case Optimaalisten energiakorjausratkaisujen määrittäminen MOBO*:lla (VTT:n ja Aaltoyliopiston kehittämä optimointityökalu) Työläs ja vaikea toteuttaa tavanomaisilla tarkastelu- ja laskentamenetelmillä Hyödynnetään energia- ja olosuhdesimulointiin perustuvaa optimointimenetelmää Matemaattinen optimointialgoritmi määrittää optimaaliset ratkaisut käyttäjän tekemien määritysten ja reunaehtojen pohjalta *Multi Objective Building Performance Optimization

10 Kaukolämpöjärjestelmän optimointi Kun kaukolämpöjärjestelmä on rakennuksen päälämmitysjärjestelmä, optimoitavat muuttujat ovat: Aurinkokeräinten pinta-ala (0-90 m 2 ) PV-paneelien pinta-ala (0-170 m 2 ) Ilmanvaihtoremontti ( nykyinen koneellinen poistoilmanvaihtojärjestelmä korvataan koneellisella tulo- /poisto-ilmanvaihtojärjestelmällä (72 %:n lämpötilasuhde)) Ulkoseinien lisäeristyspaksuus (0-200 mm), tai pelkkä julkisivuremontti Yläpohjan lisäeristyspaksuus (0-500 mm) Ikkunaremontti (alkuperäiset ikkunat kunnostetaan, tai vaihdetaan kokonaan uudet ikkunat, kaksi eri tyyppivaihtoehtoa: U-arvo 1,0 tai 0,8 W/m 2 K) 10

11 Maalämpöjärjestelmän optimointi Kun maalämpöjärjestelmä on rakennuksen päälämmitysjärjestelmä, optimoitavat muuttujat ovat: Lämpöpumppujärjestelmän teho ( kw) PV-paneelien pinta-ala (0-170 m 2 ) Ilmanvaihtoremontti Ulkoseinien lisäeristyspaksuus (0-200 mm), tai pelkkä julkisivuremontti Yläpohjan lisäeristyspaksuus (0-500 mm) Ikkunaremontti (alkuperäiset ikkunat kunnostetaan, tai vaihdetaan kokonaan uudet ikkunat, kaksi eri tyyppivaihtoehtoa: U-arvo 1,0 tai 0,8 W/m 2 K) 11

12 Optimoinnin tulokset

13 Optimoinnin tulokset

14 Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet rakennukselle 14

15 Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet kaukolämpöjärjestelmälle 15

16 Optimoinnin käyttökohteet Uudisrakennukset miten tehdä kustannusoptimaalinen lähes nollaenergiarakennus Korjauskohteet korjauskonseptien määritys: 70-luvun kerrostalo, 80-luvun kerrostalot, toimistorakennukset jne. Uudis- ja korjausrakentamisen konseptikehitys miten kannattaa rakentaa ja korjata Erinomainen työkalu elinkaarihankkeiden kustannus- ja energiatehokkuustavoitteiden asettamiseen Sijoitetun pääoman tuoton maksimointi Kokonaisenergiankulutuksen optimointi (ostoenergia + materiaalit) Investointikustannusten minimointi miten käytettävissä olevalla rahalla saadaan paras mahdollinen kokonaisuus Erilaiset herkkyystarkastelut (valittu korkotaso, lähtötietojen tarkkuus, energian hinnan muutokset jne.)

17 Case 2, lähiön ryhmäkorjaushanke 1970-luvun asuinkerrostalolähiön kustannusoptimaaliset korjausratkaisut

18 Tarkasteltavat rakennukset Matala (5 kerroksinen) ja korkea (8 kerroksinen) tyyppirakennus optimoitiin MOBO- ja IDA-ICE -työkaluilla Hankkeessa korjataan yhteensä 7 kpl 1970-luvun alkupuolella rakennettua asuinkerrostaloa (yli 300 huoneistoa), joista 4 rakennusta on korkeita ja 3 matalia Optimointituloksia voidaan hyödyntää hyvällä tarkkuudella kaikkiin korjattaviin (7 kpl) rakennuksiin Aluksi tyyppirakennusten energialaskentamallit kalibroitiin vastaamaan nykyistä/toteutunutta tilannetta Tämän jälkeen lähdettiin suorittamaan itse energiaoptimointitarkastelua

19 Optimoinnin tavoite Tavoite oli löytää kustannusoptimaaliset energiakorjausratkaisut valituille päälämmitysjärjestelmille 25 vuoden tarkastelujaksolla Tutkittavat päälämmitysjärjestelmät: Kaukolämpö Poistoilmalämpöpumppu (PILP) Ilma-vesilämpöpumppu (IVLP) Muut muuttujat: Aurinkolämpökeräimet Yläpohjan ja ulkoseinien (lisä)lämmöneristäminen julkisivukorjauksen yhteydessä sekä ikkunoiden vaihto Ilmanvaihtoremontti (huoneistokohtaiset IV-koneet) Jäteveden lämmöntalteenottojärjestelmä (LKV:n esilämmitys) Lämpöpumppujärjestelmien optimaaliset mitoitustehot

20 Ilma-vesilämpöpumppujärjestelmän optimointi kaikki tulokset

21 Optimaalisten energiakorjausratkaisuiden elinkaarikustannukset (korkea rakennus, alv 0 %)

22 Optimaalisten energiakorjausratkaisuiden investointikustannukset (korkea rakennus, alv 0 %)

23 Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet poistoilmalämpöpumppujärjestelmälle Energiankulutus (kwh/m 2,a) Elinkaarikustannukset (, 25 a) Investointikustannukset ( ) 118 a 50 mm lämpöeristettä nykyisen ulkokuoren päälle Vanhan katteen purku mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Alkuperäisten ikkunoiden suojaus ja tiivistys julkisivuremontin yhteydessä 52 0, mm lämpöeristettä nykyisen ulkokuoren päälle Vanhan katteen purku mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Alkuperäisten ikkunoiden suojaus ja tiivistys julkisivuremontin yhteydessä 59 0, = Ulkoseinäremontti 2 = Yläpohjaremontti 3 = Ikkunaremontti. U-arvon yksikkö (W/m 2 K) 4 = Poistoilmalämpöpumpun mitoitusteho (kw) 5 = Jäteilman rajoituslämpötila ( o C) 105 Nykyinen ulkokuori ja eriste puretaan. 250 mm uutta lämpöeristetttä Vanhan katteen purku mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Alkuperäisten ikkunoiden suojaus ja tiivistys julkisivuremontin yhteydessä 57 2, a = Elinkaarikustannuksiltaan kaikista optimointivaihtoehdoista edullisin 100 Nykyinen ulkokuori ja eriste puretaan. 200 mm uutta lämpöeristetttä Vanhan katteen purku mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Uudet ikkunat. U-arvo 0,8 60-3,

24 Case 3, asuinrakentamisen ryhmäkorjaushanke Kohde Etelä-Suomessa

25 Työn tavoite Työn tavoitteena oli määrittää ja esittää kustannustehokkaimmat energiatehokkuusratkaisut ja niiden laajuus tutkittavassa kohteessa. Optimoinnissa maksimoitiin investointien sisäistä korkotuottoa ja minimoitiin vuotuisia energiakustannuksia. Optimointitarkasteluita tehtiin yhteensä 4 kappaletta: 1. Kaukolämpöjärjestelmä 2. Ilma-vesilämpöpumppujärjestelmä + kaukolämpö 3. Maalämpöpumppujärjestelmä + kaukolämpö 4. Maalämpöpumppujärjestelmä + sähkökattila

26 Laskennan keskeisiä lähtötietoja Optimoinnin muuttujat: Ikkunoiden U-arvo Ovien U-arvo Lämpöpumpun mitoitusteho (ei kaukolämpötapauksessa) Aurinkosähköpaneelien pinta-ala Aurinkosähköpaneelien hyötysuhde Aurinkolämpökeräimien pinta-ala (ei lämpöpumppujärjestelmissä)

27 Sisäinen korkotuotto Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Optimitulokset kaikille järjestelmille, investointien sisäinen korkotuotto ja vuotuiset energiakustannukset esitettyinä. 10% 9% 8% 7% 6% Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys 5% 4% 3% 2% 1% 0% Energiakustannukset [t /a]

28 Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Elinkaarikustannusten nykyarvo (25 a) [t ] Optimitulokset kaikille järjestelmille, elinkaari- ja investointikustannukset esitettyinä Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys Investointikustannukset [t ]

29 Elinkaarikustannusten nykyarvo (25 a) [t ] Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Optimitulokset kaikille järjestelmille, elinkaarikustannukset ja vuotuiset energiakustannukset esitettyinä Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys Energiakustannukset [t /a]

30 Investointikustannukset [t ] Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Optimitulokset kaikille järjestelmille, investointikustannukset ja vuotuiset energiakustannukset esitettyinä Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys Energiakustannukset [t /a]

31 Optimiratkaisujen sisäiseltä korkotuotoltaan parhaiden toimenpideratkaisuiden vertailu t Referenssi KL IVLP ML+KL ML+S Investoinnit Käytönaikaisten kustannusten nykyarvo Ratkaisu Sisäinen korkotuotto Energiakustannukset (t /a) Elinkaarikustannukset (t ) Investointikustannukset (t ) Ikkunoiden U-arvo Ovien U-arvo AK pintaala\lp teho Aurinkopaneelien hyötysuhde Aurinkopaneelien pinta- [W/m 2 K] [W/m 2 K] [m 2 \kw] ala [m 2 ] Referenssi 61 0 % ,1 1, % KL % , m % IVLP % kw % ML+KL % , kw % ML+S % , kw %

32 Optimiratkaisujen vuotuisilta energiakustannuksiltaan parhaiden toimenpideratkaisuiden vertailu t Referenssi KL IVLP ML+KL ML+S Investoinnit Käytönaikaisten kustannusten nykyarvo Ratkaisu Sisäinen korkotuotto Energiakustannukset (t /a) Elinkaarikustannukset (t ) Investointikustannukset (t ) Ikkunoiden U-arvo Ovien U-arvo AK pintaala\lp teho Aurinkopaneelien hyötysuhde Aurinkopaneelien pinta- [W/m 2 K] [W/m 2 K] [m 2 \kw] ala [m 2 ] Referenssi ,1 1, % KL % ,6 0,7 105 m % IVLP % ,6 0,7 115 kw % ML+KL % ,6 0,7 180 kw % ML+S % ,7 0,7 240 kw %

33 Case 4, alueellinen kehityshanke Älykäs Rantakylä-Utra hanke, Joensuu

34 Älykäs Rantakylä-Utra Älykäs Rantakylä-Utra -hankkeessa keskitytään tunnistamaan toimenpiteitä, joilla tarkasteltavan alueen ekotehokkuutta saadaan parannettua. Hankkeessa kartoitetaan ja mallinnetaan keinoja, joilla Rantakylä-Utra voidaan muuttaa energia- ja resurssitehokkuudeltaan nykyaikaiseksi kaupunginosaksi. Tutkittavat teemoja hankkeessa ovat mm. kiinteistöjen energiatehokkuus ja lähienergia, liikkuminen, kaupunkirakenne sekä digitalisaatio. Energiatehokkuuspotentiaalin ja sen kustannustehokkaan hyödyntämisen mahdollisuuksia tarkastellaan Granlundin johtamalla asiantuntijatyöllä yhteistyössä hankkeen sidosryhmien kanssa. Esimerkkitarkasteluissa hyödynnetään Granlundin laajaa kokemusta korjausrakentamisen energiatehokkuusparannuksista alueen tyyppirakennuksissa, sekä myös jo tehtyjä energiaoptimointitarkasteluja toimenpiteiden kannattavuuden arvioinnissa.

35 KIITOS!