nzeb-talotekniikan mahdollisuudet kustannusoptimoinnissa ja energiatuotannon päästöjen vähentämisessä

Transkriptio

1 nzeb-talotekniikan mahdollisuudet kustannusoptimoinnissa ja energiatuotannon päästöjen vähentämisessä Prof. Risto Kosonen Aalto University, Espoo, Finland

2 Esityksen sisältö nzeb- ratkaisumalleja Älykäs energiahallinta Olemassa olevien asuinkerrostalojen CO 2 - päästöjen vähentäminen % Mechanical Engineering Department

3 Lähtökohdat Rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD) nzeb-vaatimukset EU-tavoitteet: tarvitaan merkittäviä päästövähennyksiä -40% vuoteen 2030 mennessä -80% vuoteen 2050 mennessä

4 Uusien rakennusten energiakonseptit Aurinko-lämpö Valaistus Ikkunat ja aurinkosuojaus Tarpeenmukainen IV ja suodatus Vaippa & ilman pitävyys Vapaajäähdytys Aurinkosähkö Atriumpoisto Lämpöpumppu Terminen massa Lämmön varastointi Kaukolämpö

5 Netto ZEB Holistinen lähestymistapa Uusiutuva energiatuotanto & feed-in energy [export: kwh, myynti CO 2, etc.] ylituotanto ZEB Building Regulation Cost optimum level net zero balance line energy supply starting point energy efficiency Energiatarve delivered energy [import: kwh, CO 2, etc.] Source: Karsten Voss, Wuppertal University, Germany Mechanical Engineering Department

6 Tuotanto ja kulutus: ajallinen vaihtelu ja tasapaino 100 % heating dominated climate 100 % residential building 75 solar potential energy load annual cycle 0 daily cycle Mechanical Engineering Department Source: Karsten Voss, Wuppertal University, Germany 6

7 Aurinkoenergian käyttö yhdessä matala lämpötilatasoinen kaukolämmön kanssa Aluetason aurinkoenergian tuotto Energy demand (kwh/m 2 ) Tuotto vs. lämmitystarve 16 Space heating Domestic hot water Solar Radiation (W/m 2 ) January Feburary March April May June July August Months September October November December Hassam ur Rehman

8 Lämpöenergian kausivarasto Boreholes thermal energy storage (BTES) Charging Discharging 8 Hassam ur Rehman

9 Aluetason aurinkoenergian hyödyntäminen Keskitetty energian tuotto Aluelämpö 60 o C Hajautettu energian tuotto Aluelämpö 30 o C Aurinkoenergian keskitetty tuotto ja varastointi Matalalämpötilatasoinen aluelämpö Rakennuskohtainen lämpöpumppu ja varaaja.

10 Keskitetyn ja hajautetun aurinkoenergian hyödyntäminen Referenssirakennus lämpöpumppu Ei uusiutuvan energian hyödyntämistä eikä lämmönvarastointia Life cycle cost ( /m 2 ) Large collector and low heat demand Centralized energy system (Pareto front) Decentralized energy system (Pareto front) Reference single building Less collector and high heat demand Purchased electricity (kwh/m 2 /a) 92 % lämmitysenergiasta auringosta 10 Hassam ur Rehman

11 Älykäs olosuhteiden säätö ja energian hallinta 11

12 Koehuoneet Aallon kampuksella Älykäs huonetilan olosuhteiden ohjaus opiskelijoiden työskentelytiloissa Otakaari 1 12

13 Tiimitilojen talotekniikka IMS- järjestelmä (T + CO 2 ohjaus) Huoneessa kaksi tulo- ja poistopeltiä Säätöpellit on/offperiaaatteella - Pellit kiinni käyttäajan ulkopuolella - Käyntiajan alussa 1. peltipari aukea - T + CO 2 mukaan aukeaa 2. peltipari Lämmistys radiaattorikohtaisilla älytermostaateilla

14 Käyttäjillä mahdollisuus säätää huoneilman lämpötilaa ja tehostaa ilmanvaihtoa Aalto Space mobile app for room reservations (ios + Android) Tilojen lämmityksen ohjaus: à Fourdeg elektroniset termostaatit Ilmanvaihdon ohjaus: à Käyttäjä antaa asetuksen Fidelix:n järjestelmälle

15 Aalto space Aalto Space- ohjauksen periaate Vesiradiaattori Pilvi Ilmanvaihto Vaipan yli paine-ero: Erillinen monitorointi

16 Aalto Space:n, Aallon IT palvelun ja automaation& erillisten laitteiden yhdistäminen toisiinsa AALTO SPACE APP & KISKO LABS MIDDLEWARE AALTO IT LOCAL & CLOUD SERVICES BUILDING MANAGEMENT AND RELATED CLOUD SERVICES Aalto Space Front ios and Android OS:s User interface for using the service - Delivers space reservation and service requests to Aalto Space Middleware HANDHEL D DEVICES AALTO IT CLOUD SERVICE S LEGEND EXTERNA L CLOUD SERVICE S BUILDING AUTOMATI ON HARDWAR E Aalto Space Middleware Provides data connection for Aalto Space Front - Delivers space reservation & service requests forward - Communicates with Smart Campus through Integration Service and confirms that the indoor climate service is available in the space - Delivers service confirmations to Aalto Space Front AZURE AD Database of external Aalto users Aalto Integration Service Integrates services to Aalto IT infrastructure AALTO AD Database of internal Aalto users - Connects Aalto Space Middleware to ASIO, which keeps track of spaces, assets and reservations - Authenticates external/internal users using Aalto AD and Azure AD ASIO Cache Caches selected ASIO data Reduces data traffic to ASIO SmartCampus ASIO Central space and asset database - Space & asset management - Reservation management Service for building automation integration -Checks if the Indoor Climate Service is available in the space. -Piloting phase spaces: U101, U103, U105, U106, U108, U109. Indoor Climate Service functionalities: - Air Conditioning: current à 100% - Temperature: current à +2/-2 C Delivers service requests to building automation Delivers service confirmation to Integration Service Fourdeg Cloud Service Fourdeg service for remote thermostats Receives service requests and delivers them to Fourdeg thermostats Fidelix Building Automation Adjusts AC settings (room specific ventilation sheets) Fourdeg Thermostats Adjust radiator temperatures

17 Olosuhteiden hallinnalla voitiin parantaa käyttäjätyytyväisyyttä Kuinka tyytyväinen olet tämän huoneen sisäilmastoon? Käyttäjäpalaute 45% 42% 42% 40% 35% 30% Share of answers 25% 20% 15% 10% 5% 6% 9% 0% 0% Rating

18 Kristian Martinin DI-työ: Demand response of heating and ventilation within educational office buildings - Työn tavoitteena tutkia: - hajautetun - keskitetyn kysyntäjouston toimintaa sekä huipputehon leikkauksen vaikutuksia vanhassa kaukolämmitetyssä Aaltoyliopiston kampusrakennuksessa kiinteistönomistajan ja käyttäjien näkökulmasta. - Euroopan paras ja maailman toiseksi paras LVI-tekniikan opinnäytetyö 2018

19 Kysyntäjousto Kysyntäjouston tarve tulee korostumaan tulevaisuuden energiajärjestelmässä, kun tuuli- ja ydinvoiman käyttö kasvaa ja joustavaa kapasiteettia poistuu Kysyntäjoustotapoja esim. (Kuva: Wang & Yan, 2014) Kaukolämmön kysyntäjousto on tällä hetkellä kehitys- ja tutkimusvaiheessa 19

20 Esimerkki dynaamisella kaukolämmön hinnalla toteutetusta lämmityksen kysyntäjoustosta ENERGIAN HINTA Normaalit asetusarvot Hintatrendi tasainen Nostetaan asetusarvoja Aika, h Lasketaan asetusarvoja Lataus Normaali Purku LÄMMITYKSEN OHJAUS 20

21 Lämmityksellä ei ylläpidetä vain lämpöoloja, vaan torjutaan myös vetoa Kylmät ikkunapinnat aiheuttavat vetoa ja heikentävät paikallista lämpöviihtyvyytä Vetoriski on suurempi, mitä heikompi ikkunoiden U-arvo on ja mitä korkeampia ikkunat ovat Radiaattorilämmityksen rooli vedon torjumisessa on syytä tiedostaa kysyntäjoustoa suunniteltaessa Esimerkkihuoneessa vetoa syntyy, jos ikkunoiden pintalämpötila on alle 15 o C 21

22 Mitattuja oleskelutilojen lämpötiloja kohteessa Lämpimin oleskelutila Keskim. lämpötila Tutkimuksen tavoitelämpötilataso Kylmin oleskelutila Strategia: Kysyntäjoustoa voidaan käyttää silloin, kun vähintään 90% oleskelutiloista on lämpötilavälillä o C 22

23 Simulointitutkimuksen esimerkkikohde - Aalto-yliopiston kampusrakennuksen (Otakaari 4) 4. kerros, jossa toimistotiloja: OFFICES OFFICES - Seuraavien tekijöiden kysyntäjouston kustannussäästöpotentiaali kiinteistön omistajan näkökulmasta: - Tilojen lämmitys: B. IV:n tuloilman lämmitys: C. Ilmanvaihdon ilmavirrat: Tutkittiin sekä yhdessä että erikseen 23

24 Tilojen lämmityksen kysyntäjoustotapoja A.Keskitetty ohjaus à Patteriverkoston menoveden lämpötilasäätö à Huonelämpötilan säätö voidaan toteuttaa esim. termostaattisilla patteriventtiileillä B. Hajautettu ohjaus à Huoneen lämmityksen asetusarvon säätö ( C) à Lämpötilan säätö esim. elektronisilla patteritermostaateilla 24

25 Kysyntäjouston säästöpotentiaali esimerkkikohteessa - Tilojen lämmityksen keskitetty säätö: - Tilojen ja IV:n lämmityksen keskitetty säätö: à1.6% vuotuinen lämmityskustannusten säästö + à1.6% vuotuinen lämmityskustannusten säästö - Tilojen lämmityksen hajautettu säätö: - IV:n lämmityksen säätö: à5.2% vuotuinen lämmityskustannusten säästö à0.4% vuotuinen lämmityskustannusten säästö + 5.7% vuotuinen lämmityskustannussäästö 25

26 Miten parantaa olemassa olevan kiinteistökannan energiatehokkuutta? 26

27 Olemassa oleva kiinteistökanta Asunnot ovat merkittävimmät: energiakulutuksesta 2/3 Suurin osa rakennuksista on 70- ja 80-luvuilta à Energiakorjaukset Kerrostalojen rakennusvuodet

28 Rakennusten tiedot AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB2: Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB3: Koneellinen tulo-poistoilmanvaihto, lämmöntalteenotto AB4: 2010< Koneellinen tulo-poistoilmanvaihto, lämmöntalteenotto Lämmitysjärjestelmät Kaukolämpö MLP + sähkö PILP + kaukolämpö janne.p.hirvonen@aalto.fi

29 AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Jäteveden LTO Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt 0 janne.p.hirvonen@aalto.fi

30 AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Jäteveden LTO Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) janne.p.hirvonen@aalto.fi

31 AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) Seinien eristäminen Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Jäteveden LTO Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) janne.p.hirvonen@aalto.fi

32 AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) Seinien eristäminen Ovien eristäminen Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Jäteveden LTO Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) janne.p.hirvonen@aalto.fi

33 AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) Koneellinen ilmanvaihto ja LTO Tarpeenmukainen ilmanvaihto Seinien eristäminen Ovien eristäminen Aurinkosähkö Jäteveden LTO Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt 0 janne.p.hirvonen@aalto.fi

34 (kg-co 2 / m 2 /a) (kg-co 2 / m 2 /a) (%) ( -LCC/ kg-co 2 / m 2 /a) ( /m 2 / 25a) ( /m 2 ) Taso Päästöt Suhteellinen vähennys Vähennyksen kustannus Päästövähennys Elinkaarikustannus Investointi Asuinkerrostalo (AB1) poistoilmalämpöpumpulla (PILP) ja kaukolämmöllä a b c d Asuinkerrostalo (AB1) maalämpöpumpulla (MLP) ja sähkövaralämmityksellä a b c d

35 (kg-co 2 / m 2 /a) (kg-co 2 / m 2 /a) (%) ( -LCC/ kg-co 2 / m 2 /a) ( /m 2 / 25a) ( /m 2 ) U-arvot (W/m 2 K) (m 2 ) (kw p ) (kw th ) ( C) Ratkaisu Päästöt Suht. vähennys Vähennyksen hinta Elinkaar ikustan nus Päästövähennys Investointikulu Seinät Katto Ovet Ikkunat Aur. lämpö Aur. sähkö LP Ilmanvaihto Patterit Jäteveden LTO Kerrostalo (AB1) kaukolämmöllä (KL) a LTO+tarve 70/40 Lämpöpumppu b LTO+tarve 70/40 Lämmönvaihdin c Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu d Ei LTO 70/40 Lämmönvaihdin Vertailu Ei LTO 70/40 Ei LTO Asuinkerrostalo (AB1) poistoilmalämpöpumpulla (PILP) ja kaukolämmöllä a Ei LTO 45/35 Lämpöpumppu b Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu c Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu d Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu Asuinkerrostalo (AB1) maalämpöpumpulla (MLP) ja sähköisellä varalämmityksellä a LTO+tarve 45/35 Lämmönvaihdin b LTO+tarve 45/35 Lämmönvaihdin c Ei LTO 45/35 Lämpöpumppu d Ei LTO 70/40 Lämmönvaihdin

36 Yhteenveto Energiaoptimoinnissa ja tuotannon päästöjen vähentämisessä ei riitä enää pelkkä yksittäisen rakennuksen tarkastelu vaan tarvitaan aluetason tarkasteluja Aluetason aurinkoenergiatuotolla voidaan kattaa jopa 90 % lämmitysenergian tarpeesta IoT ratkaisuilla voidaan parantaa käyttäjätyytyväisyyttä ja energiatehokkuutta Kysyntäjouston kustannussäästö on 5 % luokkaa Vanhojen kerrostalojen CO2 päästöjä voidaan vähentää tunnetuilla ratkaisuilla jopa 70-80% Investointikulutus /m 2 Tyypillisen putkiremontin hinta /m

37 Kiitos!