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

6 Optimoitu vs tavanomainen

7 Optimoitu vs tavanomainen

8 Case 1 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)

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)

12 Optimoinnin tulokset

13 Optimoinnin tulokset

14 Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet rakennukselle

15 Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet kaukolämpöjärjestelmälle

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, hiilijalanjälki asuinkerrostalojen peruskorjauksissa Kohde Etelä-Suomessa

34 Tulokset: CO 2 -optimointi Matalampi energian hintakehitysskenaario (+2 %/v)

35 Tulokset: CO 2 -optimointi Matalampi energian hintakehitysskenaario (+2 %/v)

36 Tulokset: CO 2 -optimointi Matalampi energian hintakehitysskenaario (+2 %/v)

37 Maalämpö energiakaivoilla 37

38 Asennusperiaate Järjestelmä voidaan asentaa joko olemassa olevan kaukolämpöjärjestelmän rinnalle tai suoran sähkölämmityksen kanssa Hybridilämmitysjärjestelmä, kun kaukolämpö on mukana Sisältää rajoituksia/ohjeita (K1-ohjeet) siitä, miten lämpöpumpun saa asentaa Maalämpöjärjestelmä, kun apuna on suora sähkölämmitys Tässä vaihtoehdossa nykyinen kaukolämpöjärjestelmä puretaan tyypillisesti kokonaan pois Kohteen sijaintipaikkakunta vaikuttaa merkittävästi suositeltavimpaan ja kustannustehokkaimpaan asennusvaihtoehtoon Tilanne on eri Espoossa, Helsingissä, Vantaalla, Keravalla, Tampereella jne.

39 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki KUSTANNUKSET (ALV. 0 %) Sähkö: 85,44 /MWh (energia + siirto + vero) Kaukolämpö: 44,3 /MWh (energia) /a tehomaksu ENERGIANKULUTUS - KAUKOLÄMPÖ Vuosienergia: 2015: 506 MWh 2016: 549 MWh Huipputehot: 2015: 186 kw 2016: 180 kw

40 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Selvityksessä vertailtiin viittä erikokoista järjestelmää nykyiseen: - Kaksi erikokoista lämpöpumppujärjestelmää lämmöntalteenotolla - Pelkkää maalämpöä - Maalämpö- / Ilma-vesilämpöpumppu yhdistettynä kaukolämpöön MLP120+4LTO MLP100+4LTO MLP100 MLP60+KL IVLP90+KL Yksikkö Lämpöpumpun teho: kw Tuotettu energia LP: MWh Tarvittava lisäteho: kw Lisälämpö tunnit: h Lisäenergian tarve: MWh Energianpeittoaste LP: 93 % 93 % 92 % 75 % 79 % Lämpökaivojen määrä: 9 x 300m. 8 x 300m 10 x 315m 8 x 300m 0 kpl. MLP = Maalämpöpumppu, IVLP = Ilma-vesilämpöpumppu, LTO = Lämmöntalteenotto, KL = Kaukolämpö

41 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Elinkaarikustannuslaskennassa käytetyt arvot: [alv. 0%] Laskentakorko (investoinnin tuotto-odotus): +3 % Kaukolämmön hintakehitys: Sähkön hintakehitys: +3 % /vuosi +2 % /vuosi Järjestelmien vuotuiset energiakustannukset muodostuvat seuraavasti: Järjestelmä: Kaukolämpö: Hinta: Sähkö: Hinta: Tehomaksut: Yhteensä: Kaukolämpö 549 MWh MWh MLP120+4LTO 0 MWh MWh MLP100+4LTO 0 MWh MWh MLP100 0 MWh MWh MLP60+KL 137 MWh MWh IVLP90+KL 98 MWh MWh Sähkön tehomaksu on laskettu lisääntyneen sähkönkulutuksen perusteella.

42 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Lisäksi lämpöpumppujärjestelmään oletetaan sisältyvän ylimääräisiä huolto-, uusimis- ja ylläpitokustannuksia, joita ei pelkän kaukolämmön tapauksessa välttämättä esiintyisi. Kaukolämmölle on huomioitu investointikustannus vaihdinpaketin uusimisesta. Näiden lämpöpumppujärjestelmiin liittyvien kustannusten suuruus laskelmissa on: Vuotuiset huoltokustannukset: /a, huomioitu myös LTO:n suodattimet. Lämpöpumppukoneikon kompressorin uusiminen 15 vuoden käytön jälkeen: 120 kw järjestelmä: kw järjestelmä: kw järjestelmä: kw IVLP-järjestelmä: 9 000

43 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Kun tarkastellaan elinkaarikustannuksia 20 vuoden ajalta voidaan todeta, että kaikki tutkitut maalämpöjärjestelmät ovat edullisempia kuin nykyinen kaukolämpöjärjestelmä. Korkokanta Inflaatio Lämmityksen eskalaatio Sähkön eskalaatio: 3 % 0 % 3 % 2,0 %

44 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Vaikka tarkastelu suoritetaan erilaisella energian hintakehitysoletuksella, kaikki tutkitut maalämpöjärjestelmät ovat edelleen 20 vuoden aikana edullisempia kuin nykyinen kaukolämpöjärjestelmä. Korkokanta Inflaatio Lämmityksen eskalaatio Sähkön eskalaatio: 3 % 0 % 2 % 3,0 %

45 Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Kun suoritetaan elinkaarikustannusvertailu, missä sähköenergian hinta (+3 %/a) nousisi kaukolämpöenergian hintaa (+2 %/a) nopeammin, näyttää maaenergiajärjestelmän taloudellinen kannattavuus alla esitetyltä.

46 Case-esimerkki 1, Espoossa

47 Case-esimerkki 2, Espoossa

48 Case-esimerkki 3, Espoossa

49 Esimerkkejä maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Espoo Rakennus Optimaalinen mitoitusteho, maalämpö, kw Investointikustannus Sijoitetun pääoman tuotto, 30 vuotta Vuotuinen nettosäästö alussa, /a Nettosäästö yhteensä, /30 a* Takaisinmaksuaika, vuotta* Esimerkkikohde % Esimerkkikohde % Esimerkkikohde % Esimerkkikohde % *Energiakustannusten nousu huomioitu (=energian hinta nousee tulevaisuudessa)

50 Maalämpöinvestoinnin taloudellinen kannattavuus Tyypillisesti maalämpöpumppuinvestointi on taloudellisesti kannattavin yksittäinen energiainvestointi olemassa olevassa asuinkerrostalossa (rakennettu ennen 1990) Ei kuitenkaan kaikissa tilanteissa, riippuen mm. energiakaivojen porauksen toteutettavuudesta Vaatii huolellista suunnittelua ja mitoitusta Kohteen ominaisuuksien ja kulutusprofiilin mukaisesti Energiakaivojen mitoitus tärkeää väärä paikka säästää Varaajamitoitus ja tilantarve tulee huomioida kohteen mukaisesti Myös sähköjärjestelmän (liittymä, sulakkeet jne.) riittävyys on huomioitava suunnittelussa sähköteho ja sähkönkulutus kiinteistössä kasvavat

51 Poistoilman lämmöntalteenotto, PILP 52

52 Toimintaperiaate

53 Taloudellinen kannattavuus Järjestelmä on tyypillisesti sen verran pienitehoinen, että ei jouduta kaukolämmön hybridihinnoittelun alaiseksi Voi olla kustannustehokas ratkaisuvaihtoehto maalämmölle, riippuen mm. tontin koosta ja muista mahdollisista reunaehdoista Voidaan toteuttaa myös hybridiperiaatteella, missä osa lämmöstä tuotetaan poistoilmalla ja osa porakaivoilla Taloudellinen kannattavuus on tyypillisesti parempi korkeissa tornitaloissa kuin matalissa lamellitaloissa Edullisempi asennushinta suhteessa saatavaan energiamäärään

54 Taloudellinen kannattavuus, Helsinki, 6-kerroksinen asuinkerrostalo

55 Taloudellinen kannattavuus, Kerava, 16-kerroksinen asuinkerrostalo

56 Suunnitteluperusteet 57

57 Vertailtavia lämmitysenergiajärjestelmiä Esimerkki vertailtavista järjestelmäkokonaisuuksista: Maalämpöpumppujärjestelmät ja poistoilman lämmöntalteenotto Ilma-vesilämpöpumput Järjestelmä 1 Järjestelmä 2 Järjestelmä 3 Järjestelmä 4 Järjestelmä 5 Järjestelmä 6 Järjestelmä 7 Järjestelmä 8 Lämpöpumpputeho: 120 kw 84 kw 60 kw 60 kw 60 kw 40 kw 92 kw 46 kw Lämpökaivot: 10 kpl. 8 kpl. 7 kpl. 11 kpl. 11 kpl. 0 kpl. 0 kpl. 0 kpl. Poistoilmayksiköitä: 4 kpl. 4 kpl. 4 kpl. 0 kpl. 0 kpl. 4 kpl. 0 kpl. 0 kpl. Lisälämmönlähde: Sähkökattila Sähkökattila Sähkökattila Sähkökattila Kaukolämpö Kaukolämpö Kaukolämpö Kaukolämpö Sekä mahdollisista vertailtavista erillisjärjestelmistä: - Jäteveden lämmöntalteenotto - Aurinkolämpökeräimet - Aurinkosähköpaneelit

58 Lämpöpumppujärjestelmän kustannusoptimaalinen mitoittaminen uusilla simulointiohjelmistoilla

59 Lämpökaivokentän mitoitus ja sijoitus Geoenergiajärjestelmä Etelä-Suomessa, kaivokentän simulointi tuntitasolla, 30 vuotta, kaivot: 12 x 300 metriä

60 Lämpökaivokentän mitoitus ja sijoitus

61 Lämpökaivokentän mitoitus ja sijoitus

62 Optimaalinen kytkentäperiaate kohteen mukaisesti -Case-esimerkki, kohde Espoossa

63 KIITOS!