Matalaenergiatalot ja sähkölämmitys

Transkriptio

1 Matalaenergiatalot ja sähkölämmitys Copyright VTT Mikko Saari, VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka PL 183 (Kivimiehentie 4, Espoo) 244 VTT Puh. (9) , , Faksi (9) mikko.saari@vtt.fi

2 Suomalaisia matalaenergiataloja Copyright VTT

3 Matalaenergiatalon suunnittelun ja toteutuksen periaatteet Viihtyisä, terveellinen ja turvallinen sisäilmasto ja halutut toiminnot vaaditut ominaisuudet täyttävillä ja toimivilla ratkaisuilla mahdollisimman yksinkertaisilla ratkaisuilla energiankulutus- ja kustannusvaatimukset täyttävillä ratkaisuilla Energiatavoitteet tilojen lämmitysenergiankulutus on vähintään 5 % pienempi kuin vastaavan normien mukaan rakennetun rakennuksen kulutus myös talotekniikan ja muiden sähkölaitteiden energiatehokkuutta parannetaan Rakennus suunnitellaan kokonaisuutena rakenne- ja talotekniikka suunnitellaan yhdessä ei osaoptimointia tai härveliteknologiaa Copyright VTT

4 Puhutaan mieluummin energiatehokkuudesta kuin energiansäästöstä Tehokkuus on saadun tuotoksen suhde laitettuun panokseen MITÄ SAADAAN (tarpeita vastaava, kestävä, toimiva, terveellinen, turvallinen, muunneltava, ympäristömyönteinen,...) ENERGIATEHOKKUUS = PALJONKO KULUTTAA (energiaa, raaka-aineita, ympäristöä,...) Copyright VTT

5 Suomessa rakennuksissa kuluu 34 % energiasta Rakennusten sähkö 12 % Muu 3 % Rakennusten lämmitys 22 % Teollisuus 5 % Liikenne 13 % Copyright VTT

6 Rakennusten energiamääräysten kehitys Saksassa Saksalaiset ovat kiristäneet lämmitysenergiankulutusmääräyksiä teknologisten ratkaisujen tahdissa. Uudet matalaenergiatasoa olevat EnEV 2 energiamääräykset tulivat voimaan Copyright VTT

7 Kasvihuonekaasujen päästötavoitteet saavutetaan yksinkertaisimmin rakentamistapaa muuttamalla 5 Nykyinen rakentamistapa jatkuu ilman erityisiä toimenpiteitä Koko asuinrakennuskannan lämmitysenergiankulutus, TWh vuodessa Rakennetaan vain matalaenergiataloja Matalaenergiarakentamisen lämmönsäästöpotentiaali koko asuinrakennuskannassa on 15 % Vuonna 225 lämmitysenergiaa säästyy 7 TWh vuodessa eli saman verran kuin Loviisan ydinvoimala tuottaa sähköä Copyright VTT Vuosi

8 Rakennusten lämmöntarpeen pienentämisen vaikutukset lämmitykseen Lämmitysjärjestelmää voidaan yksinkertaistaa mahdollisuudet osien vähentämiseen paranevat laatu paranee ja huoltotarve ja käyttökustannukset alenevat Uusiutuvien ja epäjatkuvien energialähteiden hyödyntämismahdollisuudet paranevat Kovilla pakkasilla energian ja tehon tarve pienenee Sähkölämmityksen sijasta voitaisiin siirtyä puhumaan hyvän sisäilmaston toteuttamisesta ja hallinnasta sähköä energiatehokkaasti käyttämällä Copyright VTT

9 Tulevaisuuden rakennus toimii uusiutuvalla energialla Vuonna 2: vain 1 prosenttia kulutetusta energiasta tuotettiin uusiutuvilla energialähteillä -> marginaaliteknologiaa, josta ei uutta liiketoimintaa synny Vuonna 224: 8 prosenttia kulutetusta energiasta tuotetaan uusiutuvilla energialähteillä -> energiatehokkuuden parantaminen on tehnyt marginaaliteknologiasta vallitsevan käytännön (vaikka uusiutuvan energian määrä on vain kaksinkertaistettu vuodesta 2) Copyright VTT

10 Matalaenergiatalojen lämmitysenergiankulutukset Lämmitysenergiankulutus, kwh/m² Normitalo 2 Normitalo 23 Matalaenergiapientalo B Taloratkaisu Copyright VTT ilmavuodot - ilmanvaihto - ulko-ovet - ikkunat - yläpohja - alapohja - ulkoseinät Matalaenergiapientalo A Normipientalo 2:n tilojen lämmitysenergiakulutus on noin 16 kwh/krs-m² Uusien määräysten (voimassa alkaen) mukaisesti rakennetun normipientalon lämmitysenergiakulutus on noin 1-12 kwh/krs-m² Matalaenergiatalon ostettavan tilojen lämmitysenergian tarve on 6 kwh/krs-m² (energialuokka B) tai 4 kwh/krs-m² (energialuokka A) ratkaisumallista riippuen

11 Asuinkerrostalon kaukolämmönkulutus voidaan puolittaa matalaenergiarakentamisella - mahdollisuus sähkölämmitykselle? Lämpöhäviö, kwh/m² vuodessa Yläpohja Ulkoseinät Ikkunat Alapohja Ilmavuodot Ilmanvaihto Energiankulutus, kwh/m² vuodessa Talotekniikan sähkö Tilojen sähkö Lämmityksen häviöt Tilojen lämmitys Lämmin vesi 49 kwh/m³ 24 kwh/m³ Normirakennus Matalaenergiarakennus Normirakennus Matalaenergiarakennus Copyright VTT

12 Matalaenergiarakentamisen faktat Rakennuskustannukset eivät juurikaan nouse suunnitellaan rakennus kokonaisuutena ja otetaan ratkaisuissa huomioon pienentynyt lämmöntarve Toimintavarmuus paranee laitteet vähenevät, yksinkertaistuvat ja pienenevät Sisäilman laatu paranee hyvin lämpöeristetty, tuulenpitävä ja kylmäsillaton ulkovaippa on vedoton hallittu energiataloudellinen ilmanvaihtojärjestelmä takaa viihtyisän ja terveellisen sisäilman kaikissa olosuhteissa Säästää ympäristöä elinkaaren aikaiset päästöt pienenevät, raaka-aineiden kulutus vähenee Energiankulutus pienenee puoleen ja käyttökustannukset alenevat merkittävästi, vaikka ihmiset asuvat ja toimivat kuten ennenkin Copyright VTT

13 Matalaenergiarakentamisen yksinkertaiset ja kustannustehokkaat keinot rakennuksen ulkovaipan lämpöhäviöiden pienentäminen ainakin puoleen nykyisestä ulkoseinät, katto, lattia, ikkunat ja ovet ilmanvaihdon hallinta ja poistoilman lämmön talteenottaminen ilmanvaihdon hallinnalla varmistetaan myös terveellinen sisäilma lämmityksen ja ilmanvaihdon tarpeenmukainen käyttö ja ohjaus sisäisten ja ulkoisten lämpökuormien (ilmaisenergioiden) tehokas hyödyntäminen lämmityksessä vedenkulutuksen hallinta valitaan ominaiskulutukseltaan vähän sähköä kuluttavia laitteita huolellinen rakentaminen (rakennuksen ulkovaipasta tulee tuulenpitävä ja kylmäsillaton) kaiken tekniikan yksinkertaistaminen, talon osien vähentäminen ja toistuvien ratkaisujen käyttäminen tehdään rakennuksesta tarkoituksenmukainen nyt ja tulevaisuudessa (varaudutaan tulevaisuuteen) Copyright VTT

14 Matalaenergiarakenteiden kehittäminen - esimerkkinä kevytsoraharkkoseinä.3 Harkkoseinän kokonaispaksuus, mm Normitalo 1 % Eristeen lämmönjohtavuus.45 W/mK Harkkoseinän U-arvo, W/m²K Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 5 % Matalaenergiatalo 25 % Eristeen lämmönjohtavuus.37 W/mK Eristeen lämmönjohtavuus.27 W/mK Eristeen lämmönjohtavuus.2 W/mK Eristyspaksuus, mm Copyright VTT

15 Matalaenergiarakenteiden lämpötekninen kehittäminen Lasi Karmi H1 H2 H3 Copyright VTT

16 Matalaenergiarakenteiden kosteusteknisen toimivuuden varmistaminen Copyright VTT

17 Ilmaiset lämpökuormat hyödynnetään tehokkaasti -> lämmityskausi lyhenee, jopa vain 3 kuukauteen Lämpöenergia, kwh/krs-m² Ostettava lämpöenergia Hyödynnetyt lämpökuormat Normitalo 1 % Matalaenergiatalo 25 % Kuukausi Copyright VTT

18 Matalaenergiatalo lämpenee ilmaisilla lämpökuormilla Matalaenergiatalon lämmityksessä hyödynnettävien lämpökuormien osuus voi olla jopa 8 % lämmöntarpeesta 25 Hyödyntämättömät lämpökuormat Lämpöenergia, kwh vuodessa Hyödynnetyt lämpökuormat Ostettu lämmitysenergia Sisääntuleva energia Lämmön tarve Sisääntuleva energia Lämmön tarve Normitalo Matalaenergiatalo Copyright VTT

19 Matalaenergiatalotekniikan keinot ilmanvaihdon hallinta ja poistoilman lämmöntalteenoton tehostaminen lämmityksen ja ilmanvaihdon tarpeenmukainen käyttö ja ohjaus rakenteiden lämmönvarauskyvyn hyödyntäminen ilmaislämpöjen varastointiin ja helteillä sisälämpötilan alentamiseen automaatiojärjestelmien sopeuttaminen matalaenergiarakentamisen tarpeisiin kaiken tekniikan yksinkertaistaminen, talon osien vähentäminen ja toistuvien ratkaisujen käyttäminen valitaan ominaiskulutukseltaan vähän sähköä kuluttavia laitteita ja järjestelmiä parannetaan käyttövesijärjestelmän energiatehokkuutta käyttövesivirtojen hallinnan parantaminen vesikalusteilla ja vakiopainesäädöllä lämpimän käyttöveden kiertoputkistojen ja varaajien lämmöneristyksen parantaminen rakennetaan huolellisesti, jotta vältytään hallitsemattomilta ilma- ja lämpövuodoilta sekä saadaan aikaan hyvä sisäilmasto Copyright VTT

20 Energiakriisien jälkeen uskottiin monimutkaiseen tekniikkaan rakennusten energiansäästössä Vuosi kwh/m³ Vuosi kwh/m³ Copyright VTT

21 Nyt kehitetään yksinkertaisia ja toimintavarmoja ratkaisuja ja energiatehokkuus myös paranee Vuosi kwh/m³ Copyright VTT Vuosi 23 Mitattu vuotuinen kokonaisenergiankulutus oli 3 kwh/m³ Vuosi kwh/m³

22 Matalaenergiatalon lämmitystehontarve on pieni Lämmitysteho, W Keskimääräinen lämpökuorma talvella Normitalo 2 Normitalo 23 Matalaenergiatalo 25 % Ulkoilman lämpötila, C Lämmitysteho, W/m² Copyright VTT

23 Matalaenergiataloon kehitetty ilmanvaihtolämmitysjärjestelmä Lämmöntalteenotolla varustettu tulo- ja poistoilmanvaihto on nykyisin yleisin ilmanvaihtoratkaisu pientaloissa. Se yleistyy myös muissa asuinrakennuksissa. Yhdistämällä tilojen lämmitys ilmanvaihtoon, saadaan yksinkertainen ja tehokkaasti säädettävissä oleva lämmitysratkaisu. Ilmanvaihtolämmityksessä tilat lämmitetään huoneisiin puhallettavalla tuloilmalla. Copyright VTT

24 Lämmitysteho, W VTT RAKENNUS- JA YHDYSKUNTATEKNIIKKA Ilmanvaihdossa tarvittava tuloilma riittää lämmön jakamiseen matalaenergiatalossa Ulkoilman lämpötila, C Copyright VTT Keskimääräinen lämpökuorma talvella Normitalo 2 Normitalo 23 Matalaenergiatalo 25 % Vastaa ilmanvaihdon tarvetta Tuloilmavirta, dm³/s

25 Lattialämmityksen toimintalämpötilat muuttuvat Ulkoilman lämpötila, C Lämpötila, C 25 2 Matalaenergiatalon lattian lämpötila Sisälämpötila Normitalon lattian lämpötila Matalaenergiatalon lattialämmityksessä lattian pintalämpötila on talvella vain noin 1 C huoneilmaa lämpimämpi, kovillakin pakkasilla vain 2-3 C Aika vuodesta, % Copyright VTT

26 Tulisijalämmitys matalaenergiatalossa Lämmitysteho [kw] 3 2,5 2 1,5 1,5 38 kg 1125 kg 25 kg Aika [h] Massiivinen varaava tulisija luovuttaa matalaenergiataloon lämpöä tasaisesti usean päivän ajan yhdellä poltolla Kevyt tulisija voi antaa matalaenergiataloon liian suuren hetkellisen lämpötehon, joka nostaa sisälämpötilan tarpeettoman korkeaksi ja lämpö on tuuletettava ulos Copyright VTT

27 Esimerkki ilmanvaihtokoneen energiatarkastelusta lämpötilojen pysyvyyskäyrätarkastelun avulla 3 Kesä 3 Kesä Sisäilman eli poistoilman lämpötila Sisäilman eli poistoilman lämpötila 2 A: Ilmanvaihdon lämmitystarve ilman LTO:a 2 A - B: LTO:lla talteenotettu lämmitysenergia 1 1 Lämpötila, C Ulkoilman lämpötilan pysyvyys Aika vuodessa, % Lämpötila, C B B: Ilmanvaihdon lämmitystarve, kun on LTO Ulkoilman lämpötilan pysyvyys Jäteilman lämpötila LTO:n jälkeen Poistoilman LTO:n vuosihyötysuhde (A - B)/A eli talteensaatu energia jaettuna energiantarpeella Aika vuodessa, % Copyright VTT

28 13 Matalaenergiatalossa pitää hallita ilmanvaihdon lämmöntalteenotto ja ulkovaipan ilmanpitävyys Lämmitysenergiankulutus, kwh/m² vuodessa ¹ h Vuotoilmanvaihto =.5 ¹ h Vuotoilmanvaihto =.2 ¹ h Vuotoilmanvaihto =.1 ¹ h Vuotoilmanvaihto = Lämmöntalteenoton hyötysuhde, % Copyright VTT

29 Energiankulutus, kwh/m² vuodessa VTT RAKENNUS- JA YHDYSKUNTATEKNIIKKA Kustannustehokkaalla matalaenergiateknologialla energiankulutus voidaan puolittaa PIKO 198-luvun seurantakohteita Normien 1) mukaisesti rakennetut pientalot FORSSA Kokonaisenergia Tilojen lämmitys MIKKELÄ SÄHKÖ 1 ÖLJY SÄHKÖ 2 MEP MEPI 1 MEPI 2 Tutkimus 199-luvun seurantakohteita Kokonaisenergia sisältää tilojen ja käyttöveden lämmityksen ja taloussähkön Tilojen lämmitys sisältää myös polttopuun energian Parantunut lämmöneristys ja ilmanpitävyys, kehittyneet ikkunat ja ilmanvaihdon lämmöntalteenotto JEO ESPI 1 Kokonaisenergia Tilojen lämmitys ESPI 2 POHI 1 POHI 2 POHI 3 Lisäksi lämpöpumppuja aurinkoteknologia LP-MEPI IEA5 HUOM. LP-MEPI on maalämpöpumpulla varustettu matalaenergiapientalo. Sen mitattu energiankulutus ei ollut pienempi kuin yksinkertaisilla ratkaisuilla toteutettujen muiden matalaenergiapientalojen kulutus Copyright VTT

30 Lämmöntalteenotolla varustettu ilmanvaihtokone säästää enemmän kuin lämpöpumppu Nykyaikainen lämpöpumppu lämpökerroin on 2,5 1 kwh sähköenergiaa tuottaa 2,5 kwh lämpöenergiaa Lämmöntalteenotolla varustettu ilmanvaihtokone Etelä-Suomessa lämpökerroin on 5 tuottaa vuodessa talteenotettua lämpöenergiaa viisinkertaisen määrän sen kuluttamaan sähköenergiaan verrattuna Lapissa lämpökerroin on 8-11 vaikka ilmanvaihdon päätehtävä on taata viihtyisä ja puhdas sisäilma Copyright VTT

31 Matalaenergiatoimisto pysyy viileänä kesähelteilläkin Copyright VTT

32 Kuormien hallita, vesi ja yöaikainen ulkoilma viilennys METOP-matalaenergiatoimistotalon epäsuoran kostustusjäähdytyksen toiminta Lämpötila, C Tuloilman viilennys LTO-laitteella Toimistohuoneen sisälämpötila Ulkoilman lämpötila varjossa Tuloilman lämpötila Aika, tuntia (hellepäivä 8. heinäkuuta) Copyright VTT

33 Matalaenergiatalon tekniikan kehitystarpeita lämmittävien ja jäähdyttävien matalalämpötilaisten/pienitehoisten rakenteiden kehittäminen rakennuksen lämpökapasiteetin vaikutus huonelämpötilan itsesäätyvyyteen matalaenergiatalossa pienitehoisten lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmien ja lämmönluovuttimien kehittäminen yksinkertaisten lämmönsäätöjärjestelmien kehittäminen yksinkertaisten yhdistettyjen lämmitys- ja ilmanvaihtojärjestelmien kehittäminen talotekniikan reititysjärjestelmien kehittäminen rakenteiden yhteyteen lämmönjakojärjestelmien ja laitteiden lämpöhäviöiden vähentäminen ja näiden lämmöneristystuotteiden kehittäminen hitaan lämmönluovutuksen ja pienen lämmönluovutustehon omaavien varaavien tulisijojen kehittäminen Copyright VTT

34 Matalaenergiarakentamisen lisä kustannukset Rakennuskustannus, /m² /m² +53 /m² Lisä kustannus on vähemmän kuin kiinteistövälittäjän välityspalkkio Vuotuinen lämmitysenergiankulutus, kwh/m Ilmanvaihtojärjestelmä Lämmitysjärjestelmä Rakennuksen vaippa Muuttumattomat kustannukset Rakennuksen lämmitysenergia Normitalo 2 Matalaenergiatalo Minimienergiatalo Copyright VTT

35 Energian hinta nousee tulevaisuudessa 7 Matalaenergiapientalossa (14 m²) ei tarvitse pelätä tulevaisuuden energian hintoja 45 4 Lämpölasku, vuodessa Matalaenergiapientalon lämpölasku Normipientalon lämpölasku Lämpölasku, mk vuodessa snt/kwh (25 p/kwh) 8.4 snt/kwh (5 p/kwh) 13 snt/kwh (75 p/kwh) 17 snt/kwh (1 mk/kwh) 21 snt/kwh (1,25 mk/kwh) 25 snt/kwh (1,5 mk/kwh) Lämmitysenergian hinta Copyright VTT

36 Tärkeintä on matala energiankulutus, ei eri energiamuotojen hintaerot nyt tai tulevaisuudessa 1 ESPI-matalaenergiatalojen (öljylämmitys ja sähkölämmitys) vuotuisten energiakustannusten vertailu, kun energian hinta nousee 9 8 Öljylämmitys on +29 % Sähkölämmitys on +17 % Energiakustannus, /a ESPI 1 Öljylämmitys ESPI 2 Sähkölämmitys Kevät 24 Energia 2 x Energia 3 x Energia 5 x Energia 1 x Kevät 24 Vain sähkö 2 x Vain sähkö 3 x Vain sähkö 5 x Vain sähkö 1 x Copyright VTT Energian hinnan muutos verrattuna nykyiseen

37 Matalaenergiatalossa ei tarvitse palella Matalaenergiatalossa (14 m²) sisälämpötilasta ei tarvitse tinkiä 13 Lämmitysenergiakustannus, vuodessa Normitalo Matalaenergiatalo Lämmitysenergiakustannus, mk vuodessa Sisälämpötila, C Copyright VTT

38 Matalaenergiatalossa on raikas sisäilma Matalaenergiatalossa (14 m²) ilmanvaihdosta ei tarvitse tinkiä 13 Lämmitysenergiakustannus, vuodessa ,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 1,1 Ilmanvaihtokerroin, vaihtoa tunnissa Normitalo Matalaenergiatalo Lämmitysenergiakustannus, mk vuodessa Copyright VTT

39 Esimerkkejä matalaenergiatutkimuksista Suomessa Matalaenergiakerros- ja toimistotalojen tutkimuksia INDUCON-rakennuskonsepti (Sarja et al. 23) Korkeatasoinen matalaenergiapienkerrostalo (Senewa Oy 2) Life-cycle-cost optimised wooden multi-storey apartment building (Leppänen et al. 1999) Asuinkerrostalojen LVI-vertailututkimus (Laine et al. 1998) Asu paremmin - perusparannus matalaenergiaasuinkerrostaloksi (LVI-Parmair Oy 1998) Asu paremmin - matalaenergia-asuinkerrostalo (LVI- Parmair Oy 1997) METOP - CFC-aineeton matalaenergiatoimistotalo (Laine et al. 1994) FINNHOUSE - taloudelliset asuinrakennuskonseptit (Sarja et al. 1994) EUROPA-HUIS - matalaenergia-asuinkerrostalo (Marttila 1993, Laine 1994) EBES - asuinkerrostalo (Kaitamaa et al. 1993) Matalaenergiapientalojen tutkimuksia Matalaenergiaharkkotalo (Laine et al. 23) la2=192 ESPI - matalaenergiapientalot (Laine et al. 1998) Massiivinen matalaenergiapientalo (Kouhia et al. 1997) IEA5 - aurinkotalo (Kouhia et al. 1997) Espoon matalaenergiatalot (Haakana et al. 1995) MEP - matalaenergiapientalo (Nieminen et al. 1994) MEPI - matalaenergiapientalot (Laine et al. 1993) Copyright VTT

40 Lopuksi: Koska matalaenergiatalo tarvitsee vain vähän lämmitysenergiaa, niin sähkö on parhaiten toimiva ja energiatehokkain vaihtoehto lämmitykseen. Kaikki sähkö muuttuu lopulta kuitenkin lämmöksi. Kiitos. Copyright VTT