Rakennusten energiatehokkuus ostoenergialla, primäärienergialla ja CO 2 -päästöillä mitattuna

Transkriptio

1 Rakennusten energiatehokkuus ostoenergialla, primäärienergialla ja CO 2 -päästöillä mitattuna Jarek Kurnitski Dosentti, TkT TKK LVI-tekniikka TKK Swegon Air academy 1 Tampere

2 Muutoksen aika rakentamisen ohjauksessa Taustalla mm. Kioton sopimus, Rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD), Energiapalveludirektiivi (ESD) EU:n energiansäästön toimenpideohjelma % säästötavoite EU:n vuosittaisessa CO 2 päästöissä 1990 tasosta vuoteen 2020 mennessä Direktiiviehdotus jaosta Suomelle 16% säästövelvoite Uusiutuvien energialähteiden osuutta lisättävä EU-tasolla 20 %:iin v Suomessa uusiutuvien osuutta pitää kasvattaa 28,5 % prosentista 38 %:iin Vapaavuoren/ympäristöministeriön linjaukset rakentamisen ohjauksesta: Rakentamismääräykset % vaatimustason tiukentaminen luonnokset oli kommentoitavana kesällä Rakentamismääräykset 2012 Kokonais- ja primäärienergiatarkastelu ja energiamuotojen kertoimet Primäärienergiatarkastelun takia luovuttu sähkölämmitteisiä taloja koskevista lisävaatimuksista Työn alla esitys siitä, että liittyminen kaukolämpöverkkoon voitaisiin asemakaavassa tietyin rajauksin määrätä pakolliseksi

3 Lunnokset kesä ,09 0,7 2,5 (Vapaavuori, Asuntoforum 2008)

4 Rakentamismääräykset 2012 (Vapaavuori, Asuntoforum 2008)

5 Mihin energiaa käytetään? EU-25 rakennukset käyttävät 40,3 % primäärienergiasta ja siitä 63 %:a muodostuu asuinrakennusten energiankäytöstä (EC 2004) Käytön mukaan dominoi rakennusten lämmitys (70 %, sisältäen sähkölämmityksen) lämmin käyttövesi (14 %) ja kotitaloussähkö ja valaistus yhdessä 12 % (Suomessa lämmitys 65 % ja sähkö 35 %) (ENERDATA 2003) Primäärienergian kulutus Suomessa 2004: 312,5 TWh Liikenne; 16 % Rakennusten sähkö; 9 % Rakennusten lämmitys; 22 % Muut; 4 % Teollisuus; 49 %

6 Rakennusten ja rakentamisen osuus tarkemmin eriteltynä Liikenne; 16 % Muut; 5 % Rakennusten lämmitys ja sähkö; 39 % Maatalous, teollisuusprosessit, jätteet ym.; 15 % Rakennusten lämmitys ja sähkö; 30 % Liikenne; 16 % Muu teollisuus; 35 % Rakennustarvikkeiden valmistus ja rakentamisajan energia; 5 % Muu teollisuus; 35 % Rakennustarvikkeiden valmistus ja rakentamisajan energia; 5 % Primäärienergian kulutus Suomessa 2003: 308 TWh Kasvihuonekaasupäästöt 85,6 Mt CO 2 -ekvivalentteina

7 Asuin- ja palvelurakennusten hyötylämmitysenergian sekä huoneisto ja kiinteistösähkön ominaiskulutus (tilastointitavassa muutos 1995) Asuin- ja palvelurakennusten huoneisto ja kiinteistösähkön ominais-kulutuksen kehitys (tilastointitavassa muutos 1995) Lämmitys asuinrakennuksissa lähestyy tasoa 40 kwh/m 3 Sähkö asuinrakennuksissa 15 kwh/m 3 Sähkö liike- ja julkisissa rakennuksissa 25 kwh/m 3

8 Ostoenergia primäärienergia CO 2 -päästöt? Ostoenergia lämpöä ja sähköä ei voi laskea yhteen Uusiutumaton primäärienergia: 1 kwh:n myytävän energia tuottamiseksi tarvittava määrä energialähdettä Kokonaiskuva saadaan tarkastelemalla primäärienergiaa tai CO 2 päästöjä (ei ole täysin sama asia, mutta antaa hyvin samansuuntaisia tuloksia): Primäärienergiakertoimia: öljy ja kaasu 1,1 kaukolämpö 0,4 (Helen CHP) sähkö 2,2 (Helen CHP) puuperäiset 0,2 CO 2 päästökertoimet Kaukolämmön yhteistuotantoalueiden päästökerroin: 212 kgco 2 /MWh (2007, TKK LVI-tekniikka) 220 kgco 2 /MWh (2001, Suomen Kaukolämpö Sky ry) Sähkön yhteistuotanto 472 kgco 2 /MWh (2007, TKK) Suomen keskimääräinen sähkönhankinta 319 kgco 2 /MWh (2007, TKK LVI-tekniikka), (energiamenetelmällä 223 kgco 2 /MWh, marginaaliarvo 850 kgco2/mwh)

9 Koko energiaketju tarkasteluun ENERGIA Rakennus Primäärienergia ARVIOINTI Sähkö 10 kwh Öljy 10 kwh Hyötysuhde 40 % Jalostus ja kuljetus 25 kwh primäärienergiaa (Kerroin 2,5) 13 kwh primäärienergiaa (Kerroin 1,3) Helsingin Energia

10 Toiminnalliset tavoitearvot primäärienergian tai CO 2 -päästöjen pohjalta Rakentamisen ohjauksen suunta (käytössä Tanskassa, Sveitsissä, Itävallassa, Saksassa, Hollannissa ) Primäärienergian tai CO 2 -päästöjen kertoimet antavat käytännössä saman tuloksen, kysymys vain yksiköstä: xxx kwh/m 2 a jos käytetään kertoimia xxx kgco 2 /m 2 a jos esitetään päästöinä Oikeastaan ainoa tapa, jolloin markkinatalous hoitaa energiatehokkuuden kustannustehokkaasti kuntoon Vapaa kilpailu kaikkien ratkaisujen ja materiaalien välillä ilman rajoituksia Kevyt poltttoöljy Maakaasu Primäärienergiakertoimia Kivihiili Kaukolämpö, Helsinki (CHP) Sähkö (lauhdevoima, 40%) Lähteet Primäärienergia (uusiutumaton): kaukolämpö Helsingin energia, (kaikissa välillinen energiankäyttö huomioitu), myös EN 15603, EN 15316

11 Energiamuotojen kertoimet laskettuna CO 2 -päästöistä öljyn suhteessa 3.5 (kgco2/mwh)/(kgco2/mwh-öljy) (kgco2/mwh)/(kgco2/mwh-öljy) Energiamuodon kerroin, Kevyt poltttoöljy Maakaasu Kivihiili Turve Puu ja pelletti Kaukolämpö CHP Sähkö, kivihiili (40%) Sähkö, yhteistuotanto Sähkö, ydinv. ja vesiv. Sähkö, keskimäärin Lähteet CO 2 -päästöt: Tilastokeskus (ei huomioida polttoaineen tuotannon, raaka-aineen hankinnan ja kuljetuksen välillisiä CO 2 -päästöjä) TKK LVI-tekniikka ja Energiateollisuus

12 Energiatodistus: talotekniikan vaikutus virallisesti laskettuun ja todelliseen energiatehokkuuteen 2-kerroksinen kompakti pientalo 145 m 2 D5:n ja energiatodistuksen asetuksen mukaisesti laskettuna Laskentatapaus U-arvo, ulkoseinät LTO hyötysuhde ET-luku, Ostoenergia, kwh/br.m 2,a ET-luokka - kwh/br.m 2,a CO 2 -päästöt, kgco 2 /br.m 2,a Perustapaus suoralla sähkölämmityksellä C Perustapaus maalämpöpumpulla C Sähkölämm., parannettu n 50, LTO ja U-arvot A Maalämpö, parannettu n 50, LTO ja U-arvot B Nykyinen virallinen energiatehokkuustarkastelu johtaa päästöjen kasvuun kun lämmitystapaa ja primäärienergian käyttöä ei oteta huomioon (TKK, LVI-tekniikka 2008)

13 Esimerkki primäärienergiasta: RET-mallitoimistorakennus Viisi kerrosta Huoneistoala 5*880 = 4400 htm 2 Bruttoala 5*916 = 4579 brm 2 Laskennan tavoitteena määrittää energiatehokkuusluku rakennuslupavaiheessa

14 Esimerkki: RET-mallitoimistorakennus Jäähdytys Muu sähkö 3 % 19 % Ilmanvaihdon lämmitys 17 % Käyttöveden lämmitys 5 % Muu sähkö 30 % Jäähdytys 5 % Ilmanvaihdon lämmitys 5 % Käyttöveden lämmitys 2 % Tilojen lämmitys 7 % Puhaltimet 18 % Valaistus 21 % Tilojen lämmitys 23 % Puhaltimet 12 % Valaistus 33 % Ostoenergian kulutus 123 kwh/(brm 2 a) (TKK, LVI-tekniikka 2008) Primäärienergian kulutus 170 kwh/(brm 2 a) (kaukolämpö 0,44 ja sähkö 2,17) Primäärienergian kertoimet: Helsingin energia

15 Löysät pois MW Asuinrakennukset: Pientaloissa (51 % rakennusten lämmityksestä) korostuvat johtumishäviöt ja erityisesti lämmitystavan merkitys (sähkölämmitys vs. maalämpöpumppu 3:1) Suomessa on 0,7 miljoona väärin lämmitettyä pientaloa suora sähkö vesikiertoinen sähkö öljy biopolttoaine/kaukolämpö/lämpöpumput

16 Pientalojen energiankäytön rakenne Lämpenevätkö tulevaisuuden rakennukset hiustenkuivaimilla? Kaksi laskentaesimerkkiä: 2-krs kompakti pientalo 1-krs Vanhasen mallin mukainen talo Normaalista rakentamiskäytännöstä passiivitalo- ja nollaenergiatasoon asti

17 145 m 2 2-krs omakotitalo Helsingissä NORMAALITALO PASSIIVITALO Lämmönjako sähköpatterit tai vesikiertoinen lattialämmitys 1 LTO % 60/80 80 Jälkilämmityspatteri sähkö/vesi 1 sähkö 2 /vesi 1 IV-kerroin, 1/h US W/m 2 K 0.21 (200mm) 0.07 (550mm) AP W/m 2 K YP W/m 2 K IKK W/m 2 K OVI W/m 2 K Ilmanpitävyys n 50,1/h 2.0/ Käytetään maalämpöpumppua (COP = 3.5) 2 Etulämmityspatteri varustettu maalämmönsiirtimellä

18 Tehontarve (-26 C) W/m², normaalitalo 1. krs: 2. krs:

19 Tehontarve (-26 C) W/m², passiivitalo 1. krs: 2. krs:

20 Energiankäyttö (Hki-Vantaa 2001 sää) Ostoenergia Sähkölämmitys Maalämpö Maalämpö Sähkölämmitys Maalämpö Normaalitalo Normaalitalo (n 50 =0.6 + LTO=0.8) Passiivitalo

21 Ostoenergian (kaikki sähköenergiaa) erittely Normaalitalo, kwh/m²,a Passiivitalo, kwh/m²,a Sähkölämmitys Maalämpö Maalämpö Sähkölämmitys Maalämpö (n50=0.6, LTO = 0.8) Tilojen lämmitys Ilmanvaihdon lämmitys Puhaltimet Kotitaloussähkö Valaistus Lämmin käyttövesi Ostoenergia yht Parhaasta tapauksesta (46,6 kwh/m 2 a) saadaan nollaenergiatalo, jos katolle lisätään n. 40 m 2 aurinkopaneelia ja 55 kwh/m 2 a tapaukselle tarvitaan n. 50 m 2 aurinkopaneelia (yksinkertaisimman, vuositason nollaenergiatalon määritelmän mukaan)

22 164 m 2 1-kerroksinen omakotitalo NORMAALITALO PASSIIVITALO LTO % Jälkilämmityspatteri sähkö sähkö/vesi US W/m 2 K 0,21 0,10 AP W/m 2 K 0,21 0,10 YP W/m 2 K 0,09 0,08 IKK W/m 2 K 1,2 0,7 OVI W/m 2 K 1,4 0,6 0,8 Ilmanpitävyys n 50 1/h 2,0 0,6 Sähkölämmitys tai maalämpö Sähkön primäärienergiakerroin 2,5

23 Tehontarve (-26 C) W/m 2, normaalitalo lattialämmityksen lisälämpöhäviö W/m 2

24 Tehontarve (-26 C) W/m 2, passiivitalo lattialämmityksen lisälämpöhäviö 3 W/m 2

25 Energiankäyttö (Helsinki testivuosi) Ostoenergia Primäärienergia kwh/(m 2 a) Sähkölämmitys Maalämpö Sähkölämmitys Maalämpö Normaalitalo Passiivitalo

26 Ostoenergian (kaikki sähköenergiaa) erittely Normaalitalo, kwh/(m 2 a) Passiivitalo, kwh/(m 2 a) Sähkölämmitys Maalämpö Sähkölämmitys Maalämpö Tilojen lämmitys Ilmanvaihdon lämmitys Jäähdytys Puhaltimet Kotitaloussähkö Valaistus Lämmin käyttövesi Ostonergia Primäärienergia

27 Pientalojen johtopäätökset Passiivitalon tilojen lämmitysenergian tarve lasketussa tapauksessa vain 36 44% normaalitalon tarpeesta, mutta tehontarve jopa 55 61% (27 vs. 44 W/m 2 lattialämmitys 1-krs) lämmitysjärjestelmän kannalta siis suhteellisesti pienempi ero Passiivitalot ilman lämmitysjärjestelmää tuhlailevat energiaa enemmän ostoenergiaa kuin nykykäytännön mukaisissa maalämpötaloissa Tilojen ylilämpenemiseen kiinnitettävä huomiota (lasketussa tapauksessa jäähdytystarve W/m 2, kuitenkin alle 5 kwh/m 2 a ostoenergiaa)

28 Kerrostalojen talotekniikka Kerrostaloissa (21 % rakennusten lämmityksestä) korostuu sähkönkulutuksen merkitys, mutta myös lämpimän käyttöveden lämmitys, parantamismahdollisuuksia: Sähköiset märkätilalämmitykset (ns. mukavuuslattialämmitykset/27 C, jotka ovat aina päällä lämmittäen jopa 1/2 huoneistojen lämmöntarpeesta) Sähköiset ilmanvaihdon jälkilämmitykset Kodinkoneet Puhaltimet Valaistus Ratkaisuna mm. kaukolämmön tehokas käyttö (primäärienergian kerroin n. 0,5) Sähköisen mukavuuslämmityksen korvaamisen vesikiertoisella, esim. 45/35 C yhdistelmälämmitysjärjestelmällä, jossa sama vesi pattereissa ja lattiassa

29 Uuden kerrostalon energiankäytön jakauma kwh/(m 2 a) % Käyttöveden lämmitys Asuinhuoneiden lämmitys Märkätilojen lämmitys Ilmanvaihdon lämmitys Puhallinsähkö Kotitaloussähkö Ostoenergia yhteensä

30 Lämmitysjärjestelmien energiankäyttö uudessa keskivertokerrostalossa Huoneistojen lämmitysenergia (tilojen lämmitys + ilmanvaihto) ja primäärienergia Märkätilat Huoneet Ilmanvaihto Yhteensä Primäärien. Vakio Järjestelmä kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a kwh/m 2 a Patterit+sähkökaapeli Lattialämmitys (ilma) Lattialämmitys (pinta) Yhdistelmälämmitys Vesikiertoinen lämmitysjärjestelmä puolittaa primäärienergiankäytön tilojen lämmityksen osalta. Lisäämällä iv-jälkilämmitys vesipatterilla, primäärienergiankäyttö tippuu kolmasosaan.

31 Three flats in a third floor of a four storey apartment building: - External wall U-value = 0.25 W/m 2 K. - Building tightness: n 50 = 1/h. Realtive value, people lighting equipment Day- hours - Air handling unit for each flat: supply and exhaust fans. - Exhaust air heat recovery (efficiency = 0.6). - Hourly test weather file for Helsinki-1979.

32 45/35 C yhdistelmälämmitysjärjestelmä District Heating Water in o C TE Outdoor Temp TC TE Domestic Hot water at 55 o C TC TE Max supply temp = 45 o C DHW HEX Radiator Circuit COMBINED LOW TEMP WATER HEATING SYSTEM FCV-2 FCV-1 AHU heating coil DHW Prerheater Floor Heating Circuit Room exhaust air City water 5 o C Air to room Outdoor air Exhaust air heat recovery

33 70 Supply temperature to the heating systems: Dependence on outdoor air temperature Supply water temp., oc (-26, 70) (-26, 45) (-26, 40) Conventional Water Radiator Combined Low Temp All Floor Heating (21, 30) (21, 21) Outdoor air temp., oc

34 Huonelämpötilan dynamiikka kevätpäivänä 23 Solar rad. Solar rad. Radiator Floor Outdoor temperature 2000 Direct beam radiation Diffuse radiation Air temperature, C Outdoor temperature, C Solar radiation W/m Internal heat gains Time, h Internal heat gains -6-8 Time, h 200 0

35 Pystysuora lämpötilajakauma huoneessa 2.5 Floor Heating Outdoor air temp. -10 o C 2.1 m from window Radiator Heating 2.5 Floor Heating Outdoor air temp. -10 o C 0.55 m from window Radiator Heating W W Elevation, m I N D O W Average room temperature 21.4 o C radiator 21.4 o C floor Elevation, m I N D O W Average room temperature 21.6 o C radiator 21.1 o C floor 0.5 R A D I A T O R 0.5 R A D I A T O R Room temperature, o C Room temperature, o C Patterilämmityksessä ikkunan edessä 0,5 C korkeampi lämpötila Lattialämmityksessä lattian lämpötila korkeampi Lattialämmityksessä suurempi lämpötilavaihtelu, ei kuitenkaan merkitystä lämpöviihtyisyyden kannalta (Hasan ja Kurnitski 2007)

36 Ilmalämmitysvertailu (Blomqvist 2008) Suurempi lämpötilagradientti, merkittävä ilman nopeus (käytännössä vetovalituksia) Ilmeinen laatutasoero verrattuna patteri- tai lattialämmitykseen

37 Example, saving heat but using more primary energy IN THE BUILDING Before After District Heating Energy Additional Electricity - 10 Energy District Heating Energy 100 Electricity to a Heat Pump 10 District Heating Energy 70

38 Additional electricity is met the production that is needed for increased demand PEF (Primary Energy Factor) is the ratio between the energy end use in a building (heat, electricity, cooling, fuel) and primary energy supply THE ENERGY CHAIN Before After District Heating Energy PRF 0,4 0,4 Additional Electricity PRF - 2,5 Primary Energy 40 53

39 CO 2 emission consequences of energy measures in buildings Björn Rolfsman, 2001 Norrköpingin kaukolämmitetyn kerrostalon energiansäästötoimenpiteiden (lisälämmöneristäminen, ikkunoiden vaihto ja maalämpöpumppu) vaikutus

40 Kerrostalojen johtopäätökset Kaukolämmityksessä lämmitysenergian säästö nykyisestä tasosta ei ole perusteltua voi jopa lisätä CO 2 - päästöjä Sähkölämmitysten korvaaminen vesikiertoisella (märkätilat + iv) Lämmitysenergiatarpeessa LKV yhtä suuri kuin tilat+märkätilat+iv yhteensä Matalalämpötilajärjestelmät tulevaisuutta (pienemmät häviöt, parempi säädettävyys), esim. esitetty yhdistelmälämmitys Fysiologinen näyttö: viileä ilma ja lämpimät pinnat terveellisiä (Vapaavuori, Asuntoforum 2008)

41 Toimitilat ja julkiset rakennukset Energiatehokkuudessa korostuu laitteiden sähkönkulutus, mutta myös valaistus ja ilmanvaihdon puhaltimet merkittäviä kulutuseriä Lämmityksen osuus vähäinen erityisesti yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon tapauksessa Jäähdytyksen osuus pieni Lasijulkisivuilla saadaan lämmityksen ja jäähdytyksen osuus näissäkin rakennuksissa korostumaan Parantamisen keinoja: Tarpeenmukainen iv ja matalapainejärjestelmät Lasitusten järkevä käyttö Rakennuksen optimointi (mm. talotekniikan integrointi, massan hyödyntäminen, energian varastointi, tehon leikkaus, ennakoiva säätö)

42 Energiankulutus (kwh/htm2,a) C 1-0-R 1-C-R C Vaihtoehto Sähköenergia, toimistolaitteet Sähköenergia, valaistus Sähköenergia, pumput Sähköenergia, muut jäähdytysjärjestelmän laitteet Sähköenergia, vedenjäähdytyskone Sähköenergia, puhaltimet Lämmitysenergia, lämmin käyttövesi Lämmitysenergia, tuloilman lämmitys Lämmitysenergia, tilojen lämmitys Tuloilman lämmitys 25 % Lämmin käyttövesi 16 % Tilojen lämmitys 59 % Toimistolaitteet 27 % Valaistus 39 % Puhaltimet 22 % Vedenjäähdytyskone 7 % Liuosjäähdytin 1 % Pumput 1 % Jäähdytyspumput 3 %

43 Energiatehokkuustoimenpiteitä Matalalämpötila lämmitys- ja jäähdytysratkaisut Massan hyödyntäminen ja varastointi: rakenteisiin integroidut järjestelmät (TABS) kallio- ja faasimuutosvarastot yöjäähdytys tehon leikkaus Porareikäjäähdytys + lämpöpumppulämmitys Tarpeenmukainen ilmanvaihto, matalapainejärjestelmät Energian kierrätys Lämmitys jäähdytyksen paluuvedellä Jäähdytys ulkoilmalla Hukkalämmön hyödyntäminen Ennakoiva säätö

44 Akershus hospital Technical solution Heat- and cooling central: Heat pumps and oil/electrical boilers Energy storage: 400 drilled holes in the ground (rock), 150 m deep Winter mode: Heat pump taking heat from storage, cooling it down Summer mode: Heat pump utilising the cold storage for cooling, warming up the storage with the hot side of the heat pump Capacity 7 MW cooling 12 MW heating

45 Liike- ja julkiset rakennukset, johtopäätökset Tavoitelähtöisyyden korostuminen suunnittelun lähtökohtana Kokonaisuuden optimointi voidaan tehdä monella tavalla Vesikiertoiset järjestelmät, massan hyödyntäminen, rakenteisiin integrointi Pieni lämmitystarve, säästöpotentiaalit sähkön käytössä Kaukolämpö ja kaukojäähdytys Kalliolämpö ja jäähdytys kaukolämpöalueiden ulkopuolella