Rak-C3004 Rakentamisen tekniikat Rakennuksen energiatehokkuus

Transkriptio

1 Rak-C3004 Rakentamisen tekniikat Rakennuksen energiatehokkuus Hannu Hirsi. Määritelmiä : Ilmanvuotoluvulla q 50 (m 3 /(h m 2 )) rakennusvaipankeskimääräistä vuotoilmavirtaa tunnissa 50 Pa paine-erolla kokonaissisämittojen mukaan laskettua rakennusvaipan pinta-alaa kohden. Rakennusvaipan pinta-alaan lasketaan ulkoseinät aukotuksineen sekä ylä- ja alapohja. Lämmitetyllä nettoalalla A netto (m 2 ) lämmitettyjen kerrostasoalojen summaa kerrostasoja ympäröivien ulkoseinien sisäpintojen mukaan laskettuna. Lämmitetty nettoala voidaan laskea myös lämmitetystä bruttoalasta, josta on vähennetty ulkoseinien rakennusosa-ala. Jäähdytysenergian nettotarpeella tilojen ja tuloilman jäähdytysenergian nettotarvetta, joka on tilojen ja tuloilman jäähdyttämiseksi tarvittava energia. Lämmitysenergian tarpeella sisäilmasto-olosuhteiden ylläpitämiseksi ja lämpimän käyttöveden lämmittämiseksi tarvittavaa energiamäärää. Rakennuksen energiankulutuksella, (kwh/m 2 ) rakennuksen vuotuista lämmitykseen, sähkölaitteisiin ja jäähdytykseen yhteensä kulutettua energiamäärää, johon ei sisälly eri energiamuotojen kiinteistökohtaisen eikä kiinteistön ulkopuolisen energiantuotannon häviöitä. Rakennuksen kokonaisenergiankulutuksella, E-luvulla (kwh/m 2 ) energiamuotojen kertoimilla painotettua rakennuksen vuotuista ostoenergian laskennallista kulutusta näissä määräyksissä annetuilla säännöillä ja lähtöarvoilla laskettuna lämmitettyä nettoalaa kohden. Rakennuksen lämpöhäviöllä vaipan, vuotoilman ja ilmanvaihdon yhteenlaskettua lämpöhäviötä uusiutuvilla polttoaineilla puu ja puupohjaisia sekä muita biopolttoaineita pois lukien turve, joka käsitellään näissä määräyksissä fossiilisena polttoaineena. 1

2 Rakennuksen vaipan vuotoilmanluku : Mitattu vuotoilmaluku n 50 tarkoittaa, että vuotojen kautta 50 Pa:n paine-erolla rakennuksen ilmasta vaihtuu ( n 50 ) x (rakennuksen tilavuus) m 3 verran tunnissa. Normaalilla sisä- / ulkoilman paine-erolla, noin 2 Pa:lla vuotoilman vaihtuvuudeksi tulee n 50 /25. ( 4 / 25 = 0.16) Energiatehokkuusvaatimukset, tavoitteita : Painopiste rakennuksen kokonaisuuden ja hyvän suorituskyvyn suunnitteluun. Kokonaisenergiatarkastelu tuo lisää vapauksia toteuttaa rakennus kustannustehokkaasti. Mahdollistaa uusia innovatiivisia ratkaisuja ja lisää kilpailua eri energiatehokkaiden ratkaisujen välillä. Uusiutuvien energialähteiden käytön huomioonottaminen. Määräysten rakenne mahdollistaa tulevaisuudessa lähes nollaenergiatason. Muuntojoustavuuden lisääminen rakennuksen lämmitystavan vaihtamisessa. Tulee vaatimaan suunnittelulta ja rakentamiselta lisää osaamista, mutta myös edistää osaamisen kehittymistä. Hyvällä suunnittelulla energiatehokkuus paremmaksi samalla kustannuksia säästäen. Energiatekninen suunnittelu mukaan hankkeen alusta alkaen. Uudistuksella tuetaan määräystasoa energiatehokkaampien rakennusten kehittämistä. Ei sulje kokonaan pois mitään energiamuotoa mutta toivon mukaan vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä. 2

3 Energian käyttö ja kasvihuonepäästöt : Energian käyttö 308 TWh. Kasvihuonepäästöt 85.6 Mt CO 2 ekvivalentteina. Vuodesta > Energiatehokkuusmääräykset : Maankäyttö- ja rakennuslain 13 :n mukaisesti ympäristöministeriö antaa rakentamista koskevia määräyksiä SRMK:ssaK : Kaikki energiatehokkuusvaatimukset kootaan tulevaisuudessa SRMK:n osaan D3 : Myös energiatehokkuusvaatimukset osista C3 ja D2. C3 kumotaan kokonaan. Iso muutostyöt on koko ajan käynnissä. 3

4 Sisäilmasto : Rakennus on suunniteltava ja rakennettava kokonaisuutena siten, että oleskeluvyöhykkeellä saavutetaan kaikissa tavanomaisissa sääoloissa ja käyttötilanteissa terveellinen, turvallinen ja viihtyisä sisäilmasto : Ei yksistään toimita energiataloudellisuuden nimissä. Pääsuunnittelija huolehtii siitä, että rakennussuunnitelma ja erityissuunnitelmat muodostavat kokonaisuuden, joka täyttää sisäilmastolle asetetut vaatimukset. Vaikuttavat tekijät: 1. sisäiset kuormitustekijät kuten lämpö- ja kosteuskuormitus, henkilökuormat, prosessit sekä rakennus- ja sisustusmateriaalien päästöt, 2. ulkoiset kuormitustekijät kuten sää- ja ääniolot, ulkoilman laatu ja muut ympäristötekijät ja 3. sijainti ja rakennuspaikka. Sisäilmaston epäpuhtauksien enimmäisarvoja : Määräysten kehittyminen SRMK:ssa kokonaisenergiatarkasteluksi : Uudistus tarkoitti 2012 noin 20 %:n tasonkiristystä. C C C C C C D Ulkoseinä, W/(m 2 K) 0,40 0,29 0,28 0,25 0,24 0,17 0,17 Yläpohja, W/(m 2 K) 0,35 0,23 0,22 0,16 0,15 0,09 0,09 Maanvarainen alapohja, W/(m 2 K) 0,40 0,40 0,36 0,25 0,24 0,16 0,16 Ikkuna, W/(m 2 K) 2,1 2,1 2,1 1,4 1,4 1,0 1,0 Lämpöhäviön kompensaatioraja, % vapaa Ilmanpitävyys 50 Pa paine-erolla n 50 = 4,0 n 50 = 4,0 n 50 = 4,0 q 50 = 4,0 LTO:n vuosihyötysuhde, % Iv:n ominaissähköteho, kw/(m 3 /s) 2,5 2,5 2,5 2,0 E-luku 150 m 2 talolle, kwh/(m 2 a) 162 Jarek Kurnitski 4

5 Rakennuksen standardikäyttö : Käyttöaika Käyttöastlaitteetiheys Käyttötarkoitusluokka Valaistus Kuluttaja- Ihmiset a Henkilö- Kellonaika d h/24h d/7d - W/m 2 W/m 2 W/m 2 hlö/m 2 Erillinen pientalo, rivi- ja ketjutalo 00:00-24: ,6 8 b,c 3 2 1/43 Asuinkerrostalo 00:00-24: ,6 11 b,c 4 3 1/28 Toimistorakennus 07:30-18: ,65 12 c /17 a ei sisällä kosteuteen sitoutunutta lämpöä, kokonaislämmönluovutus saadaan jakamalla kertoimella 0,6 b asuinrakennusten valaistuksen käyttöaste on 0,1 c ohjearvo uudisrakennuksille ellei tarkempaa tietoa ole käytettävissä, pienempää valaistuksen tehoa voi käyttää, mikäli valaistustaso säilyy ja siitä esitetään erillisselvitys kohtien ja mukaisesti d ilmanvaihdon käyntiaika kohdan mukaisesti t d t w Q = kp k käyttöaste; P lämpökuorma W/m 2 ; t d rakennuksen käyttötuntien lukumäärä vuorokaudessa h; t w rakennuksen käyttöpäivien lukumäärä viikossa d. Käyttötarkoitusluokka Valaistus Kuluttajalaitteet kwh/(m 2 a) kwh/(m 2 a) Erillinen pientalo, rivi- ja ketjutalo 7,0 15,8 Asuinkerrostalo 9,6 21,0 Toimistorakennus 22,4 22,4 Säätiedot : Lämmitysteho ja energiankulutus lasketaan tässä esitetyillä säätiedoilla : Suomi on jaettu neljään säävyöhykkeeseen. SRMK D3 5

6 Helsinki Vantaan kuukausittaiset säätiedot : Normituslämmitystarvelukua (S17) käytetään apuna, jos halutaan verrata testivuoden lämmitystarvetta muiden vuosien tai paikkakuntien lämmitystarpeeseen. Henkilötiheys eri rakennustyypeille : Henkilön kokonaislämmönluovutuksena käytetään 125 W. 6

7 Lämmityskauden ohjearvoja tilojen lämpötiloille : SRMK D2, ilmanvaihto ja siäilmasto : Oleskeluvyöhykkeellä 21 0 C, kesäkaudella 23 0 C. Muiden tilojen lämpötiloja : Lämmin käyttövesi : 7

8 Rakennuksen kokonaisenergiankulutus, E luku kwh/m 2 : E-luku on energiamuotojen kertoimilla painotettu rakennuksen vuotuinen ostoenergiankulutus rakennustyypin standardikäytöllä lämmitettyä nettoalaa kohden. Lämmityksen lisäksi myös ilmanvaihto, lämmin käyttövesi, taloussähkö ja valaistus. E-luku saadaan laskemalla yhteen ostoenergian ja energiamuotojen kertoimien tulot energiamuodoittain. E luku = rakennukseen ostettu energia * energiamuodon kerroin Energiamuotojen kertoimet ovat seuraavat: sähkö 1,7 kaukolämpö 0,7 kaukojäähdytys 0,4 fossiiliset polttoaineet 1,0 uusiutuvat polttoaineet 0,5 Huomioidaan eri energiamuotojen hiilidioksipäästöjä E-lukua laskettaessa uusiutuva omavaraisenergia ei ole ostoenergiaa, vaan se vähentää ostoenergian kulutusta. Ostoenergian laskenta : 8

9 Esimerkki; Rakennusta lämmitetään kaukolämmöllä ja sähköllä : Kertoimesta johtuen suurissa, suoralla sähköllä lämmitetyissä pientaloissa lämmöneristettä tarvitaan noin 45 cm. Vaikutus rakennusten investointikustannuksiin : Vaikutukset investointikustannuksiin ovat pienet : Mahdollisuuksia jopa säästöihin. Pienentää käytön aikaisia kustannuksia. 9

10 Esimerkki : Ostoenergian kulutus ja E-luvut eri talotyypeillä : Lämmön talteenoton lämpötilasuhde 80 % ja 8 m 2 aurinkokeräimet. Pelletti Maalämpö Ulkoilmavesi Kaukolämpö Poistoilmalämpöp. Sähkölämmitys Vertailuarvoilla Ostettu sähkö Ostettu k.l. tai polttoaine E-luku Parannettu Ostettu sähkö Ostettu k.l. tai polttoaine E-luku Passiivi Ostettu sähkö Ostettu k.l. tai polttoaine E-luku k.l. = kaukolämpö Esimerkki : Lämmitystapojen vaikutus E-lukuun : 10

11 Määräykset ; Uudisrakennusten E-luku ei saa ylittää : E-lukuvaatimuksista esimerkkejä : Asunnon koon ja energiamuodon vaikutus : E luku kwh/m 2 Lämmitetty Nettopinta-ala m 2 11

12 Esimerkki E-luvun koostumuksesta : Ulkoilma-vesi lämpöpumpulla lämmitetyn esimerkkipientalon ostoenergia ja E-luku : Nettotarve Ostoenergia Energia- E-luku kwh/(m 2 a) kwh/(m 2 a) muoto, - kwh/(m 2 a) Tilojen lämmitys 55,2 31,7 1,7 54,0 Ilmanvaihdon lämmitys 6,0 2,8 1,7 4,7 Lämpimän käyttöveden lämmitys 35,0 24,2 1,7 41,1 Puhaltimet ja pumput 5,3 5,3 1,7 9,0 Valaistus 7,0 7,0 1,7 11,9 Kuluttajalaitteet 15,8 15,8 1,7 26,9 Yhteensä 124,3 86,8 147,5 Suunnitteluratkaisuilla voidaan vaikuttaa kaikkiin menoeriin. Huom. : Uusiutuvilla polttoaineilla tuotetun energian määrän tulee olla vähintään 25 % nettotarpeesta. Kesäajan huonelämpötilan hallinta : Rakennus on suunniteltava ja rakennettava siten, että tilat eivät lämpene haitallisesti. Tilojen ylilämpenemisen estämiseksi käytetään ensisijaisesti rakenteellisia ja muita passiivisia keinoja sekä yöllä tehostettua ilmanvaihtoa. Rakenteellisia ja passiivisia keinoja ovat esimerkiksi auringonsuojausratkaisut, lasipintojen koko ja suuntaus sekä rakennuksen massoittelu. Kesäajan huonelämpötilan vaatimuksenmukaisuus osoitetaan eri tilatyyppien lämpötilalaskennalla. Pientaloissa huonelämpötilan jäähdytysraja 27 0 C. 12

13 Esimerkki kesäajan huonelämpötiloista pientaloissa : Huonelämpötila voidaan pitää jäähdytys-rajan 27 C mukaisena jos : 1. länsi- ja eteläjulkisivujen yli 1 m 2 kokoisissa ikkunoissa auringon kokonaisläpäisykerroin (g-arvo) on pienempi kuin 0,4 tai ikkunan suojana käytetään muita vastaavia auringonsuojausratkaisuja; 2. olo- ja makuuhuoneiden länsi- ja eteläseinien ikkunoiden lasiosan pintaala on enintään 30 % koko rakennuksen ulkoseinien pinta-alasta; sekä 3. olo- ja makuuhuoneissa tuuletusikkunoiden ja muiden aukkojen, kuten esimerkiksi luukkujen ja parvekeovien, pinta-ala on vähintään 5 % niiden tilojen huonealasta. Lämpötila [ C] Astetuntisumma yli 27 C [ Ch] TULOILMAN JÄÄHDYTYS 600 ETELÄ LÄNSI 500 ITÄ POHJOINEN ,1 0,15 0,2 0,25 Ikkuna pinta-ala / Lattia pinta-ala [-] TULOILMAN JÄÄHDYTYS, P95% MAX. LÄMPÖTILA 31 ETELÄ 30 LÄNSI ITÄ POHJOINEN ,1 0,15 0,2 0,25 Ikkuna pinta-ala / Lattia pinta-ala [%] Rakennusvaipan ilmanpitävyys : Sekä rakennusvaipan että tilojen välisten rakenteiden tulee olla niin ilmanpitäviä: että vuotokohtien läpi tapahtuvat ilmavirtaukset eivät aiheuta merkittäviä haittoja rakennuksen käyttäjille, rakenteille tai rakennuksen energiatehokkuudelle. erityistä huomiota tulee kiinnittää rakenteiden liitosten ja läpivientien suunnitteluun sekä rakennustyön huolellisuuteen. Rakenteisiin on tarvittaessa tehtävä erillinen ilmansulku. Rakennusvaipan alhainen ilmanvuotoluku ei kuitenkaan takaa vaipparakenteiden moitteetonta toimintaa ilmatiiviyden osalta, koska vaipassa voi silti esiintyä paikallisesti merkittäviä ilmanvuotokohtia. Siksi ilmansulun kaikkien liitosten ja reikien huolellinen tiivistäminen on tärkeätä. Rakennusvaipan ilmanvuotoluku q 50 saa olla enintään 4 (m 3 /(h m 2 )). Pientaloissa, rivitaloissa q 50 enintään 3 (m 3 /(h m 2 )). Pienempi ilmanpitävyys laskelmia varten voidaan osoittaa mittaamalla. Rakennusten tiiveydentestauslaitteisto 13

14 Rakennusosien lämmönläpäisystä ( D3 ) : Rakennuksen lämmöneristyksen suunnittelussa on kiinnitettävä huomiota rakennusosien oikeaan lämpöja kosteustekniseen toimintaan Alapohjan lämmöneristys pitää suunnitella yhdessä routaeristyksen ja mahdollisen rakennuksen vaippaan kuulumattoman perusmuurin lämmöneristyksen kanssa sekä toteuttaa siten, että vältytään routavaurioilta. Rakennuksen lämpöhäviö : Energiatehokkuuden saavuttamiseksi on rajoitettava: vaipan lämpöhäviöitä, vuotoilman lämpöhäviöitä ja ilmanvaihdon lämpöhäviöitä. Rakennuksen lämpöhäviö on vaipan, vuotoilman ja ilmanvaihdon yhteenlaskettu lämpöhäviö. Rakennuksen laskennallinen lämpöhäviö saa olla enintään yhtä suuri kuin rakennukselle määritetty vertailulämpöhäviö. matalaenergiarakennuksella enintään 85 %. 14

15 Rakennuksen vaipan lämpöhäviö : Voidaan laskea yhtälöstä : Vaipan ominaislämpöhäviö on lämpöhäviö rakennusvaipan nettopinta-alaa kohti. Lämmönläpäisykertoimet voidaan laskea esimerkiksi rakentamismääräyskokoelman osan C4 mukaisesti. Rakennuksen vuotoilman lämpöhäviö : Voidaan laskea yhtälöstä : 15

16 Rakennuksen ilmanvaihdon lämpöhäviö : Voidaan laskea yhtälöstä : Ilmanvaihdon energiatehokkuus varmistetaan tinkimättä terveellisestä, turvallisesta ja viihtyisästä sisäilmastosta. Lämmönsiirtimien tyypit : Pyörivä lämmönsiirrin : Vastavirtalevylämminsiirrin : 16

17 Esimerkki; Lämmön talteenoton vaikutus ilmanvaihdon lämmitystarpeeseen : Ilmanvaihdon lämmityksen nettotarve lämpötilaan 18 C on 0,4 l/(s m 2 ) ilmavirralla eri lämmöntalteenotoilla : 1. 6,0 kwh/(m 2 a) 80 % lämpötilasuhteen tapauksessa (jäätymisen eston jäteilman minimilämpötila 1 C) ja 2. 16,3 kwh/(m 2 a) 60 % lämpötilasuhteen (jäätymisen eston jäteilman minimilämpötila 5 C) tapauksessa ,3 kwh/(m 2 a) lämmön talteenottoa ei ole (tätä lukua käytetään poistoilmalämpöpumpun laskennassa) Energian nettotarve kokonaisuudessaan (tapaus 1.) : Nettotarve kwh/(m 2 a) Tilojen lämmitys 55,2 Ilmanvaihdon lämmitys 6,0 Lämpimän käyttöveden lämmitys 35,0 Puhaltimet ja pumput 5,3 Valaistus 7,0 Kuluttajalaitteet 15,8 Rakennusten energiaselvitys : Rakennusta suunniteltaessa on laadittava energiaselvitys. Energiaselvitys on päivitettävä ja pääsuunnittelijan on varmennettava se ennen rakennuksen käyttöönottoa. Energiaselvitys sisältää seuraavat tarkastelut : rakennuksen kokonaisenergian kulutus, E-luku, energialaskennan lähtötiedot ja tulokset, kesäaikainen huonelämpötila ja tarvittaessa jäähdytysteho, rakennuksen lämpöhäviöt, rakennuksen lämmitysteho mitoitustilanteessa sekä rakennuksen energiatodistus. 17

18 Esimerkki; Lämmitystehontarpeista erilaisissa tiloissa : Lämmitystehontarve (-26 C) W/m 2 heikolla eristystasolla. Lattialämmityksen tapauksessa lisätään lisälämpöhäviö maaperään W/m 2. Lämmitystehontarve (-26 C) W/m2 passiivitalossa. Lattialämmityksen tapauksessa lisätään lisälämpöhäviö 3 W/m2. Tehtävä : Vertaile seuraavia tiloja talon sisällä ja talojen kesken : Autotalli, olohuone, keittiö, käytävä keskellä taloa. Yhteenvetoa : Rakennuksen vaipan, vuotoilman ja ilmanvaihdon lämpöhäviöitä rajoitetaan energiatehokkuuden saavuttamiseksi. Rakennuksen suunnittelussa pyritään rakennuksen muotoilussa välttämään tarpeettoman suurta vaippapinta-alaa. Tilojen suunnittelussa ja suuntaamisessa otetaan huomioon tilojen käyttötapa ja sisäiset lämpökuormat Ikkunat suunnataan, niiden koko ja rakenne, auringonsuojaratkaisut suunnitellaan siten, että auringon säteilylämpöä ja luonnonvaloa voidaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti ylilämpenemisen ongelmat välttäen. Teknisiä järjestelmiä ohjataan tarpeen mukaan. Energiamuodot valitaan harkiten. Kylmäsillat minimoidaan. 18

19 Rakennusten energiatodistus : Laki ja asetus energiatodistuksesta astui voimaan ja koskee uusia rakennuksia ja vähintään 6:n asunnon taloyhtiöitä. Energiatodistusten avulla kuluttajat voivat vertailla rakennusten energiatehokkuutta. Energiatodistus on hankittava, kun rakennus otetaan käyttöön, myydään tai vuokrataan. Energiatodistus esitetään rakennuslupaa haettaessa. Lähteitä : Suosittelen, selkokielellä kirjoitettua SRMK:n D3 ohjeistusta. 19