ENE-C3001 Energiasysteemit. Oppimistehtävä 1. Täydentävä materiaali. Kari Alanne

Transkriptio

1 ENE-C3001 Energiasysteemit Oppimistehtävä 1 Täydentävä materiaali

2 Lukuja rakennusten energiataloudesta Rakennusten ja rakentamisen osuus on noin 40 % Suomen energian kulutuksesta. Suomalaisen omakotitalon (120 m 2 ) sähkönkulutus on n kwh/a. Suomalaisen omakotitalon (120 m 2 ) lämmönkulutus on n kwh/a (sis. käyttöveden). Säästöpotentiaalia on paljon!

3 Rakennuksen lämpöenergiatase Lämmitysjärjestelmän rakennukseen tuoma lämpö - jäähdytysjärjestelmän rakennuksesta poistama lämpö + sähkön käytöstä aiheutuva lämpö lämpö- + auringosta ja ihmisistä kuormat - ikkunoiden kautta poistuva - alapohjan Ikkunat 15 % - yläpohjan lämpö- - ulkoseinien häviöt Lämmitys 60 % - ilmanvaihdon ja vuotoilman - viemärin 20 % = rakennukseen varastoituva lämpö Sähkönkäyttö Aurinko ja ihmiset 20 % Ilmanvaihto 36 % Alapohja 4 % Yläpohja 6 % Ulkoseinät 17 % Viemäriin 22 %

4 Lämmitysenergian kulutus Rakennuksen lämmitysenergian kulutus lasketaan yhtälöllä: missä Q lämmitysenergian kulutus [kwh] Q rak Q maa Q iv Q viv Q lkv Q s Q Qrak Qmaa Qiv Qviv Qlkv Qs lämpöhäviöenergia rakenteiden läpi ilmaan [kwh] lämpöhäviöenergia rakenteiden läpi maaperään [kwh] ilmanvaihdon lämmitystarve [kwh] vuotoilmanvaihdon lämmitystarve [kwh] käyttöveden lämmitystarve [kwh] sisäisistä lämpökuormista hyödynnettävä lämpöenergia [kwh]

5 Lämmitysteho Rakennuksen hetkellinen lämmitystehon tarve lasketaan vastaavasti yhtälöllä: missä Φ lämmitystehon tarve [kw] Φ rak häviölämpövirta rakenteiden läpi ilmaan [kw] Φ maa häviölämpövirta rakenteiden läpi maaperään [kw] Φ iv ilmanvaihdon lämmitystehon tarve [kw] Φ viv vuotoilmanvaihdon lämmitystehon tarve [kw] Φ lkv käyttöveden lämmitystehon tarve [kw] sisäisistä lämpökuormista hyödynnettävä lämpövirta [kw] Φ s rak maa iv viv lkv s

6 Lämmitysjärjestelmän mitoitusteho Rakennuksen lämmitystehon tarve on sama kuin rakennuksen häviölämpövirtojen, ilmanvaihdon ja käyttöveden lämmitystehon tarpeiden summa vähennettynä lämpökuormista hyödynnettävällä lämpövirralla (vrt. laskentayhtälö). Lämmitysjärjestelmän mitoitusteho on sama kuin rakennuksen lämmitystehon tarve (pl.käyttöveden lämmitystehon tarve) mahdollisimman epäedullisissa olosuhteissa. Mitoitustehoa määritettäessä rakennusvaipan häviöt lasketaan mitoitusulkolämpötilan ( 26 C Uudellamaalla) perusteella Mitoittava sisälämpötila on yleensä +21 C. Käyttöveden lämmityksen mitoitusteho on suurinta kulutusta vastaava käyttöveden lämmityksen vaatima teho. Muihin olosuhteisiin sopiva lämmitysteho saadaan säädön avulla.

7 Huippulämpötilat ja mitoituslämpötila Huippulämpötila mitoituslämpötila Huippulämpötila on huono mitoitusperuste Huippulämpötiloja esiintyy hyvin harvoin Maksimi- ja minimilämpötilat ovat joka vuosi eri suuruiset Huiput ovat usein lyhytaikaisia (kesto vain tunteja) Suomen rakentamismääräyskokoelman osassa D5 on esitetty alueelliset mitoitusulkolämpötilat, esim. Uudellamaalla 26 C

8 Lämpövirta rakennuksen vaipan läpi Yhdessä aikayksikössä (s) rakennuksen vaipan lävitse siirtynyt lämpöenergia eli lämpövirta [J/s = W] on UA T T G T T s u s u missä U = rakenteen lämmönläpäisykerroin [ ] A = seinän pinta-ala [m 2 ] T s T u = huonelämpötila [ C] = ulkolämpötila [ C] W 2 mk

9 Lämpöhäviöenergia Lämpöhäviöenergia vaipan läpi ympäristöön ymp, Q ymp [J] määritellään T t G S Qymp UA Ts u 24 missä S = lämmitystarveluku, i.e. aikaintegraali, joka on suoraan verrannollinen lämmitysenergiankulutukseen sillä oletuksella, että lämmitys tapahtuu ulkolämpötilasta ennalta määriteltyyn referenssisisälämpötilaan (yleensä T s = C).

10 Lämmön talteenotto osana ilmanvaihtolaitosta Poistoilma Huone Tuloilma Ulkosäleikkö Raitisilmakammio Suodatin Lämmityspatteri Sulkupelti Lämmön Jäähdytyspatteri talteenotto Tuloilmapuhallin

11 Lämmön talteenoton (LTO) vaikutus lämpöhäviöön Ilmanvaihdon lämpöhäviö: iv (1 LTO ) qv, iv c missä η LTO = lämmön talteenoton energiahyötysuhde [-] q V,iv = tuloilmavirta [m 3 /s] T u = ulkolämpötila [ C] T s = sisälämpötila [ C] p T s T u Jäteilma LTO T u Raitisilma Tuloilma T LTO Φ iv T s T sp Poistoilma

12 Öljy- ja kaasukattilan energiankäyttö savukaasuhäviöt vaipan häviöt Kattilan häviöt, Q häviöt tyhjäkäyntihäviöt Polttoaineen sisältämä energia Käyttöveden lämmitys Hyödyksi saatu energia Q polttoaine Tilojen lämmitys Q hyöty

13 Tyhjäkäyntihäviöt Polttoainetta kuluu kattilan lämpötilan ylläpitämiseen, vaikkei tilojen tai käyttöveden lämmitystarvetta olisikaan. Ilmiötä kutsutaan ns. tyhjäkäynti- eli seisontahäviöksi. Tyhjäkäyntihäviöt ovat ongelma erityisesti kesällä, jos lämmin käyttövesi tuotetaan kattilalla.

14 Öljy- ja kaasukattilan hyötysuhde Kattilan hyötysuhde lasketaan yhtälöstä kattila Q Q Q Q 1 Q Q Q Hyötysuhde on nykyaikaisilla kattiloilla 95 % vanhoilla % hyöty polttoaine häviöt häviöt polttoaine polttoaine polttoaine Hyötysuhde ilmoitetaan ilman tyhjäkäyntihäviöitä, jotka ovat tapauskohtaisia. Keskimääräinen vuosihyötysuhde on alhaisempi. myös tyhjäkäyntihäviöt otetaan huomioon

15 Käyttöveden lämmitysjärjestelmä Lämmin käyttövesi (LKV) valmistetaan yleensä keskitetysti. Suurissa rakennuksissa tarvitaan lämpimän veden kiertojohto verkoston jäähtymisen estämiseksi. Jos kiertojohtoa ei ole ja verkosto pääsee jäähtymään (esim. yöaikaan), kestää kauan, ennen kuin lämmintä vettä on taas saatavilla. Lämpimän veden odotusaika ei saa olla pidempi kuin 10 sekuntia. Veden lämpötila säädetään sekoitusventtiilillä. Säätöventiili Kattila Kuivauspatteri Kiertohaara, jos kuivauspatteri puuttuu Kiertopumppu Kylmä vesi

16 Käyttöveden lämpötilavaatimukset Veden lämpötilan tulee olla yli 50 C legionellabakteerin lisääntymisen estämiseksi, mutta alle 65 C palovammavaaran takia. Lämpimän veden lämpötilan yleisesti käytetty mitoitusarvo on +55 C.

17 Suomen Rakentamismääräyskokoelma D1 ohjeet ja määräykset: Kiinteistöjen vesi- ja viemärilaitteistot D2 ohjeet ja määräykset: Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto D3 ohjeet ja määräykset: Rakennusten energiatalous D4 ohjeet: LVI-piirrosmerkit D5 ohjeet: Rakennusten energiankulutuksen ja lämmitystehontarpeen laskenta

18 OT1 Tasekuva (esimerkki) Ikkunat (A ikk ): U ikk = 3.0 W/m 2 K Yläpohja (A yp ): U yp = 0.3 W/m 2 K q mi c pi T u = -26 C 30% q mi c pi Ulkoseinät (A us ): U us = 0.4 W/m 2 K 12 m 30% 30% 40 asukasta 80 L/hlö,d q mv V IV-kerroin 0.5 1/h q mi 30% T s = 21 C q mv c pv T kv = 5 C Alapohja (A ap ): q = 5 W/m 2 30 m 10 m q mv c pv T lv = 55 C

19 OT1 Oletuksia (esimerkki) Lämmin vesi viemäriin (lämpöä ei saada talteen) Huoneilma sellaisenaan ulos (ei lämmön talteenottoa) Säteily-, tuuli- yms. olosuhteet kaikkiin suuntiin samanlaiset Vedenkäyttö tasaista läpi vuorokauden Ilmanvaihtokerroin sisältää vuotoilmanvaihdon

20 Nykyarvo Rahan ostovoima (= arvo eli hyödykemäärä, jonka tietyllä määrällä rahaa saa) vaihtelee ajasta riippuen. Taustalla vaikuttavat kysynnän ja tarjonnan vaihtelut. Yllä mainitusta syystä investointihetkeä seuraavien vuosien nettokassavirrat (= tuotot kustannukset) on investointilaskelmissa muunnettava nykyhetken (investointihetken) rahan arvoa vastaaviksi (diskontattava) kertomalla ne diskonttaus- eli nykyarvotekijällä.

21 Nykyarvotekijät Yleinen nykyarvotekijän määritelmä pätee yksittäiselle nettokassavirralle, joka diskontataan nykyhetkeen vuodesta i (nykyhetkestä alkaen): missä r = laskentakorko Erikoistapauksessa, jossa nettokassavirran rahallinen nimellisarvo on sama jokaisena vuonna koko investoinnin pitoajan yli, voidaan sarjaopin perusteella johtaa nykyarvotekijä: missä n = investoinnin pitoaika [a] c 1 (1 r) c i i ni n (1 r) 1 n r (1 r)

22 Kustannus Tuotto Kampamalli kassavirtojen Ensimmäinen vuotuinen kassavirta syntyy vuoden 1 lopussa. kuvaajana Vuotuinen nettokassavirta = vuosituotot vuosikustannukset 1 2 n Nettokassavirta < 0, kun vuosikustannukset > vuosituotot Investointi aiheuttaa negatiivisen kassavirran hetkellä 0 Aika [a]