nzeb-talotekniikan mahdollisuudet kustannusoptimoinnissa ja energiatuotannon päästöjen vähentämisessä Prof. Risto Kosonen Aalto University, Espoo, Finland
Esityksen sisältö nzeb- ratkaisumalleja Älykäs energiahallinta Olemassa olevien asuinkerrostalojen CO 2 - päästöjen vähentäminen -60-80 % Mechanical Engineering Department 7.2.2019 2
Lähtökohdat Rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD) nzeb-vaatimukset EU-tavoitteet: tarvitaan merkittäviä päästövähennyksiä -40% vuoteen 2030 mennessä -80% vuoteen 2050 mennessä 18.9.2018
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
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 7.2.2019 5
Tuotanto ja kulutus: ajallinen vaihtelu ja tasapaino 100 % heating dominated climate 100 % residential building 75 solar potential 75 50 50 25 25 0 energy load annual cycle 0 daily cycle Mechanical Engineering Department Source: Karsten Voss, Wuppertal University, Germany 6
Aurinkoenergian käyttö yhdessä matala lämpötilatasoinen kaukolämmön kanssa Aluetason aurinkoenergian tuotto Energy demand (kwh/m 2 ) Tuotto vs. lämmitystarve 16 Space heating Domestic hot water 14 12 10 8 6 4 2 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 Solar Radiation (W/m 2 ) 0 0 7 January Feburary March April May June July August Months September October November December Hassam ur Rehman
Lämpöenergian kausivarasto Boreholes thermal energy storage (BTES) Charging Discharging 8 Hassam ur Rehman
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.
Keskitetyn ja hajautetun aurinkoenergian hyödyntäminen Referenssirakennus lämpöpumppu Ei uusiutuvan energian hyödyntämistä eikä lämmönvarastointia Life cycle cost ( /m 2 ) 800 700 600 500 400 300 200 100 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 20 40 60 80 100 Purchased electricity (kwh/m 2 /a) 92 % lämmitysenergiasta auringosta 10 Hassam ur Rehman
Älykäs olosuhteiden säätö ja energian hallinta 11
Koehuoneet Aallon kampuksella Älykäs huonetilan olosuhteiden ohjaus opiskelijoiden työskentelytiloissa Otakaari 1 12
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
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
Aalto space Aalto Space- ohjauksen periaate Vesiradiaattori Pilvi Ilmanvaihto Vaipan yli paine-ero: Erillinen monitorointi
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
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% 1 2 3 4 5 Rating
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
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
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
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
Mitattuja oleskelutilojen lämpötiloja kohteessa Lämpimin oleskelutila Keskim. lämpötila Tutkimuksen tavoitelämpötilataso Kylmin oleskelutila Strategia: Kysyntäjoustoa voidaan käyttää silloin, kun vähintään 90% oleskelutiloista on lämpötilavälillä 20-24.5 o C 22
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
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 (20-24.5 C) à Lämpötilan säätö esim. elektronisilla patteritermostaateilla 24
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
Miten parantaa olemassa olevan kiinteistökannan energiatehokkuutta? 26
Olemassa oleva kiinteistökanta Asunnot ovat merkittävimmät: energiakulutuksesta 2/3 Suurin osa rakennuksista on 70- ja 80-luvuilta à Energiakorjaukset Kerrostalojen rakennusvuodet janne.p.hirvonen@aalto.fi 18.9.2018
Rakennusten tiedot AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB2: 1976-2002 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB3: 2003-2009 Koneellinen tulo-poistoilmanvaihto, lämmöntalteenotto AB4: 2010< Koneellinen tulo-poistoilmanvaihto, lämmöntalteenotto Lämmitysjärjestelmät Kaukolämpö MLP + sähkö PILP + kaukolämpö janne.p.hirvonen@aalto.fi 18.9.2018
AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) 600 500 400 300 200 100 Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Jäteveden LTO 35 30 25 20 15 10 5 Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 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 18.9.2018
AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) 600 500 400 300 200 100 Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Jäteveden LTO 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt 35 30 25 20 15 10 5 0 Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) janne.p.hirvonen@aalto.fi 18.9.2018
AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) 600 500 400 300 200 100 Seinien eristäminen Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Jäteveden LTO 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt 35 30 25 20 15 10 5 0 Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) janne.p.hirvonen@aalto.fi 18.9.2018
AB1: <1976 Koneellinen poistoilmanvaihto, ei lämmöntalteenottoa AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) 600 500 400 300 200 100 Seinien eristäminen Ovien eristäminen Aurinkosähkö Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö Jäteveden LTO 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 Optimaalinen tapaus # Ostosähkö Ostokaukolämpö Seinät Katto Ikkunat Ovet Ilmanvaihdon LTO Aurinkolämpö Aurinkosähkö Lämpöpumppu Kaukolämpöjärjestelmä Jäteveden LTO Tarve-IV Lämpöpatterit CO2-päästöt 35 30 25 20 15 10 5 0 Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) janne.p.hirvonen@aalto.fi 18.9.2018
AB1 Kaukolämpö, optimiratkaisut Elinkaarikustannus ( /m 2 /25a) 600 500 400 300 200 100 Koneellinen ilmanvaihto ja LTO Tarpeenmukainen ilmanvaihto Seinien eristäminen Ovien eristäminen Aurinkosähkö Jäteveden LTO Ikkunat Katon eristäminen Aurinkolämpö 35 30 25 20 15 10 5 Emissions (kg-co 2 /m 2 /a) 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 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 18.9.2018
(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 8.8 25.6 75 4.05 504 399 b 9.3 25.1 73 2.06 451 338 c 10.9 23.5 68 0.07 401 265 d 17.7 16.8 49-2.68 355 143 Asuinkerrostalo (AB1) maalämpöpumpulla (MLP) ja sähkövaralämmityksellä a 4.9 29.5 86 5.46 561 545 b 5.5 28.9 84 2.70 478 443 c 7.0 27.4 80-0.10 397 296 d 9.6 24.8 72-3.37 316 155
(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 9.5 24.9 72 6.41 559 498 0.1 0.06 1 0.6 125 25 0 LTO+tarve 70/40 Lämpöpumppu b 16.0 18.4 54 3.21 459 339 0.36 0.08 2.2 0.8 55 30 0 LTO+tarve 70/40 Lämmönvaihdin c 24.7 9.7 28 0.07 400 156 0.81 0.08 2.2 0.7 55 30 0 Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu d 28.6 5.8 17-3.04 382 122 0.81 0.1 2.2 0.8 5 35 0 Ei LTO 70/40 Lämmönvaihdin Vertailu 34.4 399 0.81 0.47 2.2 1.7 0 0 0 Ei LTO 70/40 Ei LTO Asuinkerrostalo (AB1) poistoilmalämpöpumpulla (PILP) ja kaukolämmöllä a 8.8 25.6 75 4.05 504 399 0.1 0.06 0.7 0.6 90 30 39 Ei LTO 45/35 Lämpöpumppu b 9.3 25.1 73 2.06 451 338 0.13 0.06 0.7 0.6 75 30 39 Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu c 10.9 23.5 68 0.07 401 265 0.23 0.1 1 0.8 0 40 35 Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu d 17.7 16.8 49-2.68 355 143 0.81 0.19 2.2 0.8 0 35 35 Ei LTO 70/40 Lämpöpumppu Asuinkerrostalo (AB1) maalämpöpumpulla (MLP) ja sähköisellä varalämmityksellä a 4.9 29.5 86 5.46 561 545 0.1 0.06 0.7 0.6 145 20 115 LTO+tarve 45/35 Lämmönvaihdin b 5.5 28.9 84 2.70 478 443 0.23 0.1 0.7 0.8 0 35 115 LTO+tarve 45/35 Lämmönvaihdin c 7.0 27.4 80-0.10 397 296 0.36 0.08 0.7 0.7 60 35 110 Ei LTO 45/35 Lämpöpumppu d 9.6 24.8 72-3.37 316 155 0.81 0.13 2.2 0.8 0 30 135 Ei LTO 70/40 Lämmönvaihdin
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 270 500 /m 2 Tyypillisen putkiremontin hinta 250 1200 /m 2 18.9.2018
Kiitos!