Ilmanvaihtojärjestelmän käyttöikäsuunnittelu ja elinkaarikustannukset 19.09.2002 Erja Reinikainen Insinööritoimisto Olof Granlund Oy
Esityksen sisältö 1 Ilmanvaihtojärjestelmä ja sisäolosuhteet 2 Rakennuksen energiankulutus 3 Miksi energiankulutus on tärkeä asia 4 Ilmanvaihtojärjestelmän energiatalous 5 Ilmanvaihtojärjestelmän käyttöikä 6 Elinkaarikustannukset 7 Tarpeenmukainen ilmanvaihto 8 Ilmanvaihtojärjestelmän parantaminen
Sisäolosuhteet ja ilmanvaihtojärjestelmä
Sisäolosuhteet ovat usean tekijän summa Lämpötila mitattu lämpötila koettu lämpötila Sisäilman puhtaus sisäilmaston laatutavoitteet ilmanvaihdon mitoitukseen vaikuttavat tekijät toiminnasta aiheutuvat epäpuhtaudet tiloissa ulkoilmasta aiheutuvat epäpuhtaudet tiloissa Veto ilmanvaihdosta ikkunoista kylmistä pinnoista Melu toiminta tiloissa liikenne ilmanvaihto
Ilmanvaihtojärjestelmän valinta Sisäilmastotavoitteiden määrittely suunnitteluvaiheessa minimi-ilmanvaihto ei takaa hyviä olosuhteita järjestelmän tulee soveltua kohteelle > kuormitus Elinkaarikustannukset hankintakustannukset elinkaaren energiakustannukset (lämpö, sähkö) huolto- ja ylläpitokustannukset Toiminnasta ja ulkoilmasta aiheutuvat epäpuhtaudet tiloissa mitoituskriteerinä epäpuhtaustekijä riittävä suodatustaso kohdepoistot, painesuhteet Muut ilmanvaihtojärjestelmän valinnassa huomioitavat tekijät huollettavuus, puhdistettavuus
Sisäolosuhteet Toimistohuone, suunta länteen SIMULOINNIN TARKOITUS: Olosuhde- ja mitoitussimulointeja Simulointi 1 Toimistohuoneiden kesän olosuhdelaskelma, suunniteltu ratkaisu, ylin lämpötila 36,4 o C. Ilmavirta: 0.6 dm³/s,m² = 20 dm³/s. Tilajäähdytys: 0.0 W/m² = 0 W. Simulointi 2 Toimistohuoneiden kesän olosuhdelaskelma, ilmanvaihdossa jäähdytys (Tsp = 17 C), ylin lämpötila 34,8 o C. Ilmavirta: 0.6 dm³/s,m² = 20 dm³/s. Tilajäähdytys: 0.0 W/m² = 0 W. Simulointi 3 Toimistohuoneiden kesän mitoituslaskelma huonelämpötilaa 26 C, ilmanvaihdossa ja tilassa jäähdytys. Ilmavirta: 0.6 dm³/s,m² = 20 dm³/s. Tilajäähdytys: 46.9 W/m² = 1589 W. SISÄILMAN TUNNITTAISET SUUNNITTELULÄMPÖTILAT, KESÄ C /KELLONAIKA 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Sim. 1 Sim. 2 Sim. 3 Sim. 4 Ulkoilma
Ilmanvaihtojärjestelmä ja sisäilmasto Ilmanvaihtojärjestelmän tulee olla tarkoituksenmukaiseksi suunniteltu mitoitettu tilojen vaatimukset täyttäväksi suodatustaso riittävän tehokas ilmanjako tehokas, ei aiheuta vetoa epäpuhtauksien ja hajujen leviäminen estetään oikein toteutettu suunnitelmien mukainen puhdistuksesta huolehdittu kanavat tiiviit hyvin huollettu, oikein käytetty käyntiajat vastaavat tilojen käyttöä lämpötila-asetukset tarkoituksenmukaiset suodattimien vaihto riittävän usein kanavistojen puhtaudesta huolehditaan
Rakennuksen energiankulutus
Talotekniikan 90-luvun haasteet Lasiarkkitehtuuri PC- ym. ATK-laitteiden määrän kasvu Tehokkaampi tilojen käyttö Sisäilmaolosuhteiden vaatimusten kasvu Kodin elektroniikan lisääntyminen Seuraukset: Lämpökuormien lisääntyminen Sähkön kulutuksen voimakas kasvu asuin-, toimistoja liikerakennuksissa Rakennukset ovat käytännössä sähkölämmitteisiä vaipan hyvien k-arvojen ja ilmanvaihdon lämmöntalteenoton ansiosta Sähkön hinta ei nykyisessä tilanteessa houkuttele säästämään
Lämpökuormien hallinta kuluttaa energiaa SÄHKÖ- ENERGIA POISTO ILMA JÄÄHDYTYSPALKKI VALAISTUS LAUHDUTIN TULO ILMA SISÄISET KUORMAT ULKOISET KUORMAT JÄÄHDYTYS KONEIKKO LAUHDUTUS ENERGIA VARASTO JÄÄHDYTYS ENERGIA RAKENTEET LÄMMÖN TUOTTO
Ominaiskulutuksia Toimistorakennuksissa keskiarvokulutus Lämpöenergia vanhat rakennukset 40 kwh/m 3,a uudet rakennukset 25 kwh/m 3,a Sähköenergia vanhat rakennukset 25 kwh/m 3,a uudet rakennukset 25-30 kwh/m 3,a
Tyypillisen toimistorakennuksen kustannusjakauma Vesi 5 % Lämpö 35 % Sähkö 60 %
Tyypillisen toimistorakennuksen sähköenergian kulutusjakauma Koneellinen jäähdytys 4 % Keittiölaitteet 5 % Muu kulutus (sähkölämm., häviöt, tele, turva jne.) 6 % Sisävalaistus 30 % LVI-pumput 4 % Ilmanvaihtopuhaltimet 30 % ATK- ja muut toimistolaitteet 19 % Ulkovalaistus 2 %
Sähkön kulutuksen trendejä Toimistorakennuksen sähkönkulutus nykyään n. 30 kwh/m³ Sähkönkulutus kasvanut 20 % sekä 80- että 90-luvulla Sähkönkulutuksen kasvu jatkuu edelleen Valaistuksen sähkönkulutus ja sen osuus kokonaiskulutuksesta on sen sijaan pienentynyt ja pienentyy edelleen
Miksi energiankulutus on tärkeä asia?
Energiankäytön päästöt Rakennuksen elinkaaren hiilidioksidipäästöt 1 Rakenteet Järjestelmät Energiankäyttö 0 2000 4000 6000 8000 Henkilöauton vuosipäästöt Henkilöauto 18500 km/a > 3000 kg CO 2 /vuodessa (VTT) Kohde 5500 m 2 50 v elinkaari 1 MWh > 250 kg CO 2 elinkaaren CO 2 n. 20 000 tn = 6 700 auton päästöt
Energiankäyttö merkittävä tekijä Esimerkkikohteessa 15 vuoden energiankäytön päästövaikutus vastaa rakennukseen ja sen järjestelmiin sitoutunutta ympäristökuormaa.
Energiakustannukset Kiinteistön käytön kustannukset ovat noin puolet kiinteistön kaikista kustannuksista (rakentaminen, rahoitus, korjaaminen). Energiakustannusten osuus kiinteistönhoitokustannuksista on yleensä noin puolet. Kunnossapito 25 % Rakentaminen 10 % Rahoitus 15 % Käyttö 50 %
Ilmanvaihtojärjestelmän energiankulutus
Ilmanvaihdon energiankulutus Ilmanvaihtojärjestelmä 4 m3/s, puhaltimen paineenkorotus 600 Pa Sisäänpuhalluslämpötila kesällä 17 C, talvella 18 C Käyntiaika 7-22, 5 päivää viikossa Suodatus, lämmitys Lämmöntalteenotto pyörivällä lämmönsiirtimellä Energian hinta Lämpö 26 /MWh Sähkö 60 /MWh Vuotuiset käyttökustannukset Tuloilman lämmitys 1222 /a (43 %) Tulo- ja poistopuhaltimen sähköenergia 1596 /a (57 %) Yhteensä 2818 /a
Ilmanvaihdon energiankulutus Scandic Hotel Simonkentän ilmastointikoneet valittiin kolmesta vaihtoehdosta 20 vuoden energiakustannusten ja ympäristövaikutusten perusteella: Energiakustannusten nykyarvo (10 6 *FIM) Ympäristövaikutukset päästöinä 9 80000 8 70000 7 60000 6 5 4 3 Fans Puhaltimet Cooling Jäähdytys Heating Lämmitys 50000 40000 30000 CO2 [10³kg] SO2 [kg] NOx [kg] 2 20000 1 10000 0 1 2 3 Konetoimittajat 0 1 2 3 Konetoimittajat
Ilmanvaihdon energiankulutus Ilmanvaihtojärjestelmän sähköenergian kulutus on merkittävä tekijä. Yleensä lämpöenergian kulutus hallitaan paremmin (lämmöntalteenotto, säätölaitteet, jne). Puhaltimen sähköenergian kulutukseen voidaan vaikuttaa suunnitteluvaiheessa - ja LVIsuunnittelijan tulisi tiedostaa asia.
Energiatalouteen vaikuttavat tekijät Tuloilmakone Kanavisto Päätelaite Huonetila ilmavirta painehäviö lämmöntalteenotto puhaltimen mitoitus, tyyppi puhaltimen sähkötehokkuus voimansiirtotapa ilmavirran säätötapa käyttöaika lämpötilan säätötapa ilmavirta painehäviö mitoitustapa varautuminen muutoksiin olosuhteet käyttöaika sisäiset kuormat aurinkosuojaus
Puhaltimen energiankulutus Mistä riippuu puhaltimen sähköenergian kulutus? Ilmavirrasta täysi teho, osatehot Puhaltimen paineenkorotuksesta kanavistohäviöt, koneen häviöt häiriöt, liitynnät Järjestelmän hyötysuhteista puhallin kiilahihnakäyttö moottori puhaltimen säätötapa Käyntiajasta vakioilmavirta / ohjaus tarpeen mukaan
Energiataloudellinen mitoitus Ilmavirran nopeus kanavassa on yleensä kriteeri kanavien mitoitukselle. Runkokanavat alle 7 m/s Haarakanavat 3-4 m/s Huoneiden haarat 2 m/s Tuloilmakoneessa otsapintanopeuden tulee olla alle 2,5 m/s, tavoitteena yleensä 2,3 m/s Paine puhaltimen jälkeen (iso rakennus) 250-350 Pa. Tuloilmapuhaltimen paineenkorotus alle 1000 Pa.
SFP Specific Fan Power kw/m3/s Tulo- ja poistoilmapuhaltimen yhteenlaskettu sähköteho toimintapisteessä jaettuna isomman puhaltimen ilmamäärällä SFP-luvuille on uusissa ilmanvaihtomääräyksissä ohjearvoja (hyvä, tyydyttävä, jne). Tavoitteena on yleensä SPF alle 2,5 kw/m3/s > hyvä energiatalous
Mitoitusesimerkki Painehäviön vaikutus /vuosi 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Normaali painehäviö Tiukka mitoitus Sähkö Lämpö Varaston ilmanvaihto Tehokas lämmöntalteenotto (hyötysuhde 75 %) A = normaali ilmanvaihtokoneen ja kanaviston painehäviö B = suurempi painehäviö koneessa ja kanavistossa ero noin 830 /a 10 v nykyarvojen ero n 5 100 (10%)
Ilmanvaihtojärjestelmän käyttöikään vaikuttavat tekijät
Ilmanvaihtojärjestelmän käyttöikä Ilmanvaihtojärjestelmän teoreettinen käyttöikä koneet kanavistot päätelaitteet automatiikka 20-25 vuotta 50 vuotta 25 vuotta 15 vuotta
Ilmanvaihtojärjestelmän käyttöikä Todelliseen käyttöikään vaikuttaa ulkoiset tekijät ja sijaintipaikka (kosteus, ilman epäpuhtaudet, ym) järjestelmän käyttö (jatkuvasti käynnissä vai lyhyitä jaksoja) mitoitukset, toimintapiste mekaaninen kuluminen ennakoiva huolto huollon säännöllisyys huoltohenkilöstön ammattitaito
Ilmanvaihtojärjestelmän elinkaarikustannukset
Ilmanvaihtojärjestelmän elinkaarikustannusten laskenta Elinkaarikustannusten laskentatyökalu LVI-suunnittelun ja laitetoimittajien käyttöön Järjestelmävertailut, muuntojoustavuuden tarkastelut EXHAUST AIR UNIT HEAT RECOVERY SUPPLY AIR UNIT Energiankäyttö ympäristövaikutuksineen, elinkaarikustannukset Linkki talotekniikan suunnittelutietokantaan CONTROL PANEL BUILDING AUTOMATION kwh kwh kwh HEATING WATER CHILLED WATER ELECTRICAL PANEL ELECTRICAL GRANLUND SOFTWARE RITU
Elinkaarikustannukset järjestelmän valinnassa FIM/a 160 000 140 000 120 000 100 000 80 000 60 000 40 000 20 000 0 Vuosikustannukset Vakioilmavirta Muuttuvailmavirta FIM/15a 1 800 000 1 600 000 1 400 000 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000 0 Nykyarvo Vakioilmavirta Muuttuvailmavirta Investointikustannukset Suodatinkustannukset Huoltotyökustannukset Energiakustannukset Vaihtoehtoiset talotekniset järjestelmät Muuntojoustavuustarkastelut
Elinkaarikustannusten vertailut 1/3 LÄHTÖTIEDOT INVESTOINTIKUSTANNUKSET - toimistokäyntiajat - vakioilmavirta 5,4 m³/s - ulkopuoliset painehäviöt 350 Pa - tuloilman suodatusluokka EU7 - tuloilman lämpötila +20 C - Lämmön talteenotto (pyörivä) mk 180 000 160 000 140 000 120 000 100 000 80 000 60 000 40 000 VE1 VE2 + 28 000 mk, 22% 20 000 0 VE1, tiukka mitoitus pienin mahdollinen konekoko kokonaispaine 1135 Pa puhallinhyötysuhde 69 % LTO-hyötysuhde 68 % VE2, optimi mitoitus optimi konekoko kokonaispaine 777 Pa puhallinhyötysuhde 78 % LTO-hyötysuhde 78 %
Elinkaarikustannusten vertailut 2/3 KÄYTTÖKUSTANNUKSET Tarkastelujakso 50 a 500 000 Laskentakorko 5 % Eskalaatio, huolto 0,5 % Eskalaatio, energia 1,5 % 400 000 mk 600 000 300 000 200 000 100 000 Huolto: - kuukausittaiset tarkastukset - keväthuolto, suodattimien vaihto - syyshuolto, suodattimien vaihto Kunnossapito: - kunnossapitojakso 25 vuotta Energia: - lämmitysenergian tarve - puhaltimien sähkönkulutus 0 VE1 + 118 000 mk, 37% VE2 huolto kunnossapito energia mk PUUTTEELLISEN HUOLLON VAIKUTUKSET 600 000 500 000 400 000 300 000 200 000 100 000 0-100 000 VE1b + 219 000 mk, 68% VE2-56 000 mk energian lisäkustannus energiakustannukset kunnossapidon lisäkustannus kunnossapitokustannukset huoltokustannukset huollon karsiminen VE2: - normaalin huoltosuunnitelman mukaiset toimenpiteet VE1b - huoltotyöstä karsittu 50% - käyttöikä lyhenee noin 20% - energiakustannukset lisääntyvät, kun koneen sisäinen painehäviö nousee likaantumisen seurauksena 50 Pa ja LTO-hyötysuhde laskee n. 10%
Elinkaarikustannusten vertailut 3/3 ELINKAARIKUSTANNUKSET Kustannusosuudet 700000 600000 500000 + 19 % + 40 % investointi- käyttö- elinkaarikustannukset kustannukset kustannukset VE2 154 000 + 320 000 = 474 000 VE1 126 000 + 438 000 = 564 000 VE1b 126 000 + 539 000 = 665 000 VE2:n investoinnin takaisinmaksuaika 2,5-4 a 700 000 600 000 500 000 400000 300000 200000 100000 0 VE2 VE1 VE1b Investointikustannukset Kunnossapitokustannukset Huolto- ja hoitokustannukset Energiakustannukset Elinkaarikustannusten muodostuminen VE2 = optimi mitoitus VE1 = tiukka mitoitus VE1b = tiukka mitoitus, huollosta karsittu 50% Nykyarvo [mk] 400 000 300 000 200 000 100 000 1 998 2 003 2 008 2 013 2 018 2 023 2 028 2 033 2 038 2 043 2 048 optimi mitoitus tiukka mitoitus tiukka mit, huolto-50% vuosi [a]
Ilmanvaihtojärjestelmän tarpeenmukainen käyttö
Tyypillisiä säästömahdollisuuksia.....ilmanvaihtojärjestelmässä: Ilmanvaihdon käyntiajat vastaamaan tilojen käyttöaikoja Aikaohjausten parantaminen Ohjaustapojen muuttaminen (CO, CO 2, läsnäolo, ym) Ilmavirtojen muuttaminen Osatehon käyttö Lämpötilojen asetusarvon muuttaminen Lämpötilansäädön parantaminen, säätötavan muutos Ilmaislämpöjen tehokkaampi hyödyntäminen Lämmöntalteenoton toiminnan ja hyötysuhteen parantaminen Uuden lämmöntalteenoton asentaminen Ilmanvaihdon palvelualuejaon osittaminen Uuden ilmanvaihtojärjestelmän asentaminen
Ilmanvaihdon ohjaustavat Aikaohjauksen vaihtoehdot - ilmanvaihdon ohjaus tarpeen mukaan käynnistyspainikkeet - epäsäännöllisesti käytetyt tilat lisäaikapainikkeet - normaaliajan ulkopuolella käyttöä satunnaisesti läsnäolo-ohjaus - liiketutka, esim liikuntasalissa valaistuksen mukaan ohjaus Todellinen tarpeenmukainen ilmanvaihto ilmanvaihdon teho riippuu kuormituksesta ohjausperusteena ilman laatu (hiilidioksidipitoisuus, tms) tai lämpötila ilmavirta muuttuu tilakohtaisesti, vyöhykkeittäin tai järjestelmittäin taajuusmuuttajakäyttö
Miksi tarpeenmukainen ilmanvaihto? Tarpeenmukaisen säädön säästöpotentiaali Energialaskelmissa käytetty käyttöaste Läsnäolo % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Läsnäolokäyrä perustuu Viatek Oy:n tekemiin mittauksiin. Klo
Olemassa olevan ilmanvaihtojärjestelmän parantaminen
Syyt ilmanvaihdon perusparannukseen Tuloilmakone Kanavisto Päätelaite Huonetila ikääntynyt toimimaton laatutaso heikko energiatalous heikko ei vastaa toiminnallisia vaatimuksia (ilmavirta, mitoitus) ongelmallinen (ääni, vuodot, puhtaus materiaalit) ei vastaa toiminnallisia vaatimuksia (ilmavirta, jne) ongelmallinen (ääni) olosuhteet eivät vastaa toiminnallisia vaatimuksia (sisäilmasto) laatutason nosto ajankohtainen
Perusparannuksen vaihtoehdot Tuloilmakone Kanavisto Päätelaite Huonetila ilmavirta ei muutu merkittävästi lisätään jäähdytys parannetaan energiataloutta parannetaan ilmanjaon ominaisuuksia lisätään huonejäähdytys ilmavirta muuttuu nostetaan laatutasoa varaudutaan laajennuksiin palvelualueet muuttuvat tilat muuttuvat
Lämmöntalteenoton lisääminen ilmanvaihtoon 1. Nykytilanteen tarkastelu onko talteenotto mahdollinen ja järkevästi toteutettavissa mikä on laitekannan kokonaistilanne mikä on nykyinen ilmavirta, käyntiaika, lämpötilataso 2. Mitä muutoksia talteenoton toteutus vaatii miten talteenotto toteutetaan, mitä töitä se vaatii 3. Säästölaskelmat realistinen arvio hyötysuhteesta nykytilanteen reunaehdot huomioon ottaen energiankäytön kokonaistilanne 4. Kustannusarvio mahdollisimman kattava tarkastelu kaikista laitteista ja töistä 5. Mitkä ovat toimenpiteen muut vaikutukset huoltotyö
Elinkaarikustannusten hallinta LVIsuunnittelun avulla sisäilmastotavoitteet suunnitteluratkaisujen vertailut ilmanvaihdon sähköenergian kulutuksen huomioiminen elinkaariedulliset laitteet energiataloudellinen käyttö suunnitelmallinen ylläpito