Lähes nollaenergiarakennusten käsitteet, tavoitteet ja suuntaviivat kansallisella tasolla TAUSTARAPORTTI 7 TULEVAISUUDEN SÄÄ JA SISÄLÄMPÖTILATARKASTELUT 20.03.2015 Granlund Oy / Lassi Loisa, Anni Tyni, Erja Reinikainen
Sisältö 1 Johdanto... 3 2 Laskentasää... 3 2.1 Sääskenaariot... 3 2.2 Sään vaikutus energiaan ja tehoon... 4 3 Sisälämpötilatarkastelut... 4 3.1 Sisälämpötilaan vaikuttavat tekijät... 4 3.2 Nykyiset vaatimukset kesäajan lämpötilojen hallinnasta... 4 3.3 Lämpötilasimuloinnin toteutus... 5 3.4 Sisälämpötilatarkastelut... 5 4 Johtopäätökset... 6 LIITE 1 Tulevaisuuden sää ja sisälämpötilatarkastelut
1 Johdanto FInZEB-hankkeen Loppuraportin (Sisältö ja tulokset) lisäksi hankkeessa on laadittu useita teknisiä raportteja, jotka julkaistaan hankkeen www-sivuilla osana Taustaraporttia. Tämä on Taustaraportin osa 7, Tulevaisuuden sää ja sisälämpötilatarkastelut. Taustaraportti koostuu seuraavista osaraporteista: 1 Kustannuslaskenta asuinkerrostalo ja toimisto Optiplan Oy 2 Pientalojen kustannuslaskenta ja E-luku Insinööritoimisto Vesitaito Oy 3 Kustannuslaskenta koulut ja päiväkodit Granlund Oy 4 Energiaa säästävät tekniset ratkaisut Granlund Oy 5 Laskentasäännöt Granlund Oy 6 Aurinkosähkötarkastelut Granlund Oy 7 Tulevaisuuden sää ja sisälämpötilatarkastelut Granlund Oy 8 Pilottikohteiden kokemuksia Granlund Oy 9 Energiantuotantoketjut aineistoselvitys Granlund Oy 10 Valaistuksen laadullisten tekijöiden ja energialaskennan määrittely FInZEB-hankkeelle Tampereen ammattikorkeakoulu Lähes nollaenergiarakentamiseen liittyvän säädösvalmistelun kanssa samanaikaisesti tapahtuu sisäilmastoasioiden kannalta merkittäviä uudistuksia: asumisterveysasetus uusitaan, sisäilmastoon liittyvät rakentamismääräysten osat D2, C3 ja C4 uusitaan ja rakenne muutetaan sekä sisäilmastoluokitus päivitetään. Päivitystyön tulokset tulee huomioida energiatehokkuusmääräyksiä kehitettäessä ja mahdollisesti sisälämpötilatarkastelun ohjeistusta muutettaessa. 2 Laskentasää Energiasimuloinnit toteutettiin käyttäen D3/2012 laskentasäätä (säävyöhyke I, Helsinki-Vantaan vuosisää). Lähtökohtana nzeb-tasojen laskennassa oli, että laskentasää ei muutu nykyisestä lähes nollaenergiatarkastelujen tullessa vaatimukseksi. 2.1 Sääskenaariot On ilmeistä, että ilmasto on muuttumassa ja sään ääri-ilmiöt lisääntyvät. Tällä on tulevaisuudessa vaikutuksia rakennusten energiankäyttöön ja järjestelmien mitoitukseen. Tämän vuoksi huipputeho-, energia- ja ylilämpenemistarkasteluja tehtiin normaalin laskentasään lisäksi Ilmatieteen laitoksen julkaisemilla tulevaisuuden vuosisääskenaarioilla (Helsinki 2050 ja Helsinki 2100). Muutoksia testivuoteen TRY2012 verrattuna ovat esimerkiksi (2012 > 2050 > 2100): korkeampi vuoden keskilämpötila 5,6 > 7,7 > 10,4 C talven kylmän jakson alhaisempi lämpötilataso -20,6 > -15,5 > -10 C kesän hellehuipun korkeampi lämpötilataso 28,9 > 30 > 31,6 C kesän huipputilanteen korkeampi entalpiataso 67,3 > 71,6 > 78,5 kj/kg
vähäisempi lämpötilan vaihtelevuus talvipuolella pienempi auringonsäteilyn määrä talvella ja keväällä kokonaissäteily vaakapinnalle vähenee pilvisyyden lisääntyessä 964 > 957 > 941 kwh/m2,a (myös kohtisuorassa säteilyssä vastaava trendi) hieman voimistunut tuuli marras-helmikuussa hieman korkeampi suhteellinen kosteus lokakuusta huhtikuuhun Tulevaisuuden säätä on tarkasteltu Liitteen 1 aineistossa. 2.2 Sään vaikutus energiaan ja tehoon Ilmaston muuttuminen vaikuttaa tulevaisuudessa myös rakennusten lämmitys- ja jäähdytystehoon sekä energiankulutukseen. Tyypillisessä toimistorakennuksessa toteutettu simulointi osoitti lämmitysenergian kulutuksen vähenevän 17% vaihdettaessa laskentasää vuodesta 2012 vuoteen 2050. Jäähdytysenergian kulutus lisääntyi vastaavasti 56%. Vaikutus lämmityksen huipputehoon on -15% ja jäähdytyksen huipputehoon +18%. Lämmitys- ja jäähdytystehojen pysyvyyskäyrissä on nähtävissä selvä muutos: lämmityskausi lyhenee ja jäähdytyskausi pitenee. Teho- ja energiakuvaajat on esitetty Liitteen 1 aineistossa. 3 Sisälämpötilatarkastelut 3.1 Sisälämpötilaan vaikuttavat tekijät Asuntojen huonelämpötila riippuu voimakkaasti Pienistäkin ilmanvaihdon ilmavirran muutoksista ja ilmavirran kesäajan tehostamismahdollisuudesta (asuntokohtaisessa ilmanvaihdossa) Ikkunoiden lämpösäteilyn läpäisystä ja lämmöneristyksestä Ikkunoiden auringonsuojauksista (ulkopuoliset, sisäpuoliset) Valaistuksen tehosta (asunnoissa käytännössä laskentasääntöasia) Säästä ja ilmaston muuttumisesta Huonelämpötilaan vaikuttaa vähemmän tai ei juuri ollenkaan Kylmäsillat rakenteissa ja rakenteiden eristys Ovien eristys ellei kyseessä ole ikkuna-ovi (pääasiassa lasia) Rakennuksen tiiveys tietyissä varsin laajoissa rajoissa (kun tehdään hyviä rakennuksia) Asuinkerrostalojen ylilämpenemistarkastelut simuloitiin nykyisellä laskentasäällä (2012) sekä lisäksi Ilmatieteen laitoksen julkaisemilla skenaarioilla tulevaisuuden keskimääräisestä vuosisäästä (2050 ja 2100). 3.2 Nykyiset vaatimukset kesäajan lämpötilojen hallinnasta D3 edellyttää, että rakennukset suunnitellaan ja rakennetaan siten, että tilat eivät lämpene haitallisesti. Ylilämpeneminen on estettävä ensisijaisesti rakenteellisia ja muita passiivisia keinoja käyttäen sekä yöaikaisella tehostetulla ilmanvaihdolla. Kesäajan huonelämpötila ei saa ylittää asuinkerrostaloissa arvoa 27 C enemmän kuin 150 astetuntia kesäaikana (1.6-31.8 välisenä aikana) kun tarkastelu tehdään laskentasäällä ja standardikäytön kuormilla ja ilmamäärillä.
3.3 Lämpötilasimuloinnin toteutus FinZEB-hankkeessa näkökulma on kerrostalojen ylilämpenemisessä. Muissa kuin asuinrakennuksissa ylilämpeneminen ei yleensä ole ongelma ja käytössä on usein koneellinen jäähdytys. Pientaloissa on asukkaalla yleensä tuuletusmahdollisuus ja läpiveto voidaan järjestää, joten sisälämpötilojen hallintaan on paremmat mahdollisuudet kuin asuinkerrostaloissa. Nykyisissä rakentamismääräyksissä (D3/2012) edellytetään, että rakennuslupaa haettaessa on esitettävä laskelma, jolla osoitetaan, etteivät sisätilat lämpene kesällä haitallisesti. Laskelma tulee tehdä dynaamisella laskentaohjelmalla eli simulointiohjelmalla, joka käyttää tunnittaista laskentaa. Simulointi tehdään tilatyypeille, joissa on eniten lämpökuormaa. Näitä ovat etelä- ja länsipuolen asunnot, pienet asunnot ja suurilla lasipinnoilla varustetut tilat. Pientaloille sisälämpötilasimuloinnin tekeminen on varsin raskas vaatimus, sillä niiden energialaskenta toteutetaan pääsääntöisesti kuukausitason laskennalla ja dynaaminen tuntitason lämpötilasimulointi edellyttäisi toisen laskentatyökalun käyttöä. 3.4 Sisälämpötilatarkastelut Kesäajan lämpötiloja tarkasteltiin kahdessa tyypillisessä kerrostaloasunnossa nykyisellä laskentasäällä sekä tulevaisuuden sääskenaarioilla. Toisena osana simuloitiin vain toista kahdesta samanlaisesta kerrostaloasunnosta ja testattiin neljän FInZEB-kustannustarkastelussa luodun energiaa säästävien toimenpiteiden muodostaman toimenpidepaketin vaikutusta sisälämpötilaan. Perustapaus Toimenpidepaketti 1 Toimenpidepaketti 2 Toimenpidepaketti 3 Toimenpidepaketti 4 Lämmön jakelun hyötysuhde 85 % Ikkuna: U-arvo 1 W/m²K, g-arvo 58 % Asuntokohtaiset ilmanvaihtokoneet LTO-vuosihyötysuhde 69 % Tuloilmavirta 0,4 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: sähkö Valaistus 11 W/m² Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Ikkuna: U-arvo 0,8 W/m²K, g-arvo 39 % Asuntokohtaiset ilmanvaihtokoneet LTO-vuosihyötysuhde 78 % Tuloilmavirta 0,4 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: sähkö Valaistus 9 W/m² Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Ikkuna: U-arvo 0,6 W/m²K, g-arvo 24 % Asuntokohtaiset ilmanvaihtokoneet LTO-vuosihyötysuhde 78 % Tuloilmavirta 0,4 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: sähkö Valaistus 9 W/m² Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Ikkuna: U-arvo 0,8 W/m²K, g-arvo 39 % Keskitetty ilmanvaihto LTO-vuosihyötysuhde 65 % Tuloilmavirta 0,5 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: vesikiert. Valaistus 9 W/m² Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Ikkuna: U-arvo 0,6 W/m²K, g-arvo 24 % Keskitetty ilmanvaihto LTO-vuosihyötysuhde 65 % Tuloilmavirta 0,5 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: vesikiert. Valaistus 9 W/m² Kuva 1 Asuinkerrostalon ehdotetut energiaa säästävät toimenpidepaketit Toimenpidepaketteja on käsitelty tarkemmin FInZEB-loppuraportissa sekä Taustaraportissa 1. Yhteenveto sisälämpötilasimuloinnesta: Nykyinen D3/2012 mukainen ylilämpenemisvaatimus (150 astetuntia) alittuu kaikissa kolmessa tapauksessa 2012 säällä (2 asuntoa, joista toisessa 2 hieman toisistaan poikkeavaa laskentatapausta) Passiivirakenteilla (ulkoseinät, katto, alapohja) ei ole käytännössä merkitystä ylilämpenemiseen laskentasäästä riippumatta, rakenteiden eristykset ovat nyt jo niin hyvät, ettei mainittavaa lämpövuotoa synny kesällä suuntaan eikä toiseen 2050 säällä pystytään pitämään ylilämpeneminen hallinnassa käyttämällä ikkunan ulkopuolisia sälekaihtimia, jolloin kaikissa laskentatapauksissa (asuinkerrostalon kustannusoptimaaliset ratkaisut) astetuntiluvut noin 60-80 2100 säällä ei pystytä poistamaan ylilämpenemistä edes ikkunan ulkopuolisilla sälekaihtimilla ja ilmanvaihdon voimakkaalla jäähdytyksellä Lämpötilasimulointien kuvaajat on esitetty Liitteen 1 aineistossa.
4 Johtopäätökset Asuinkerrostaloissa sisälämpötilat ovat hallittavissa ehdotetuilla FInZEB-toimenpidepaketeilla. Tulevaisuudessa haasteet lämpötilojen hallitsemiseksi lisääntyvät. Ikkunoiden ulkopuolisten aurinkosuojausten merkitys kasvaa. Jos ilmasto lämpenee tämän hetken arvioiden mukaan niin asuntojen koneellinen jäähdyttäminen voi muuttua tarpeelliseksi. Ilmaston muuttumisen vaikutukset tulee tiedostaa ja laskentavuosisää tulee jossakin vaiheessa päivittää, mutta päivitykselle ei ole välitöntä tarvetta. Ylilämpenemistarkastelujen ohjeistuksen täsmentäminen on tarpeen kun sisäilmastovaatimuksia täsmennetään säädösten uudistuessa.
TAUSTARAPORTTI 7, LIITE 1 Tulevaisuuden sää ja asuinkerrostalojen sisälämpötilatarkastelut 20.03.2015 Lassi Loisa / Anni Tyni / Erja Reinikainen LLo 1
Tulevaisuuden sää Ilmatieteen laitoksen tulevaisuuden säätiedostot 2
Testivuodet TRY2012, TRY2050 ja TRY2100 Ilmatieteen laitoksen tuottamat rakennusten energialaskennan testivuodet tulevaisuuden ilmastossa Muodostettu muokkaamalla nykyistä ilmastoa kuvaavan testivuoden TRY2012 säätietoja ottaen huomioon arvioitu odotettavissa oleva ilmastonmuutos Suomessa Muutoksia testivuoteen TRY2012 verrattuna ovat esimerkiksi: korkeampi vuoden keskilämpötila vähäisempi lämpötilan vaihtelevuus talvipuolella pienempi auringonsäteilyn määrä talvella ja keväällä hieman voimistunut tuuli marras-helmikuussa hieman korkeampi suhteellinen kosteus lokakuusta huhtikuuhun 40 30 Ulkolämpötila C 20 10 0-10 -20 2012 2050 2100-30 1 Vuoden tunnit, 8760 h 8760 3
2012 Vuoden keskilämpötila 5,6 C Lämpötila -20,6 28,9 C Suhteellinen kosteus 19,1 99,9 % Absoluuttinen kosteus 0,5 16,3 g/kg Entalpia -19,5 67,3 kj/kg Kokonaissäteily vaakapinnalle 964 kwh/m²,a Kohtisuora säteily 1130 kwh/m²,a 2050 Vuoden keskilämpötila 7,7 C Lämpötila -15,5 30,0 C Suhteellinen kosteus 17,3 100 % Absoluuttinen kosteus 0,8 17,6 g/kg Entalpia -136 71,6 kj/kg Kokonaissäteily vaakapinnalle 957kWh/m²,a Kohtisuora säteily 1111 kwh/m²,a 2100 Vuoden keskilämpötila 10,4 C Lämpötila -10,0 31,6 C Suhteellinen kosteus 19,7 100 % Absoluuttinen kosteus 1,3 19,4 g/kg Entalpia -6,6 78,5 kj/kg Kokonaissäteily vaakapinnalle 941 kwh/m²,a Kohtisuora säteily 1081 kwh/m²,a 4
Tulevaisuuden sään vaikutus tehoon ja energiaan Vaikutus toimistorakennuksessa 5
Sään vaikutus: toimistorakennus Lämmitys- ja jäähdytysenergiantarve Lämmityksen ja jäähdytyksen huipputehot 500 400 300-17 % -38 % 500 400 300-15 % +18 % -32 % +39 % MWh/a 200 kw 200 100 +56 % +172 % 100 0 2012 2050 2100 0 2012 2050 2100 Lämmitysenergia Jäähdytysenergia Lämmityksen huipputeho Jäähdytyksen huipputeho 6
Sään vaikutus: toimistorakennus 500 450 400 Lämmitystehon pysyvyyskäyrän muutos tulevaisuudessa Lämmitysteho, kw 350 300 250 200 2012 2050 2100 150 100 50 0 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 h 7
Sään vaikutus: toimistorakennus 500 Jäähdytystehon pysyvyyskäyrän muutos tulevaisuudessa 450 400 Jäähdytysteho, kw 350 300 250 200 2012 2050 2100 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 h 15.10.2013 8
Kesäajan sisälämpötilatarkastelut Asuinkerrostalot 9
Sisälämpötilaan vaikuttavia tekijöitä Asuntojen ylilämpeneminen riippuu voimakkaasti pienistäkin ilmavirran muutoksista ja ilmavirran kesäajan tehostamismahdollisuudesta (asuntokohtaisessa ilmanvaihdossa) Ikkunoiden lämpösäteilyn läpäisystä ja eristyksestä Valaistuksen tehosta (asunnoissa käytännössä laskentasääntöasia) Säästä tulevaisuus vaikuttaa nyt lämpimältä Ylilämpenemiseen vaikuttaa vähemmän tai ei juuri ollenkaan kylmäsillat ja rakenteiden eristys ovien eristys ellei ole ikkuna-ovi (pääasiassa lasia) Rakennuksen tiiveys tietyissä rajoissa (kun tehdään hyviä rakennuksia) 10
Rakennuslupaa varten tehtävä kesäajan huonelämpötilan laskelma Rakennuslupaa varten tarvitaan yleensä laskelma, jolla osoitetaan etteivät sisätilat lämpene kesällä haitallisesti Laskelma tulee tehdä dynaamisella laskentaohjelmalla eli simulointiohjelmalla, joka käyttää tunnittaista laskentaa FinZEBissä näkökulma on kerrostalojen ylilämpenemisessä, pientaloille ylilämpenemissimuloinnin tekeminen on varsin raskas vaatimus Muissa kuin asuinrakennuksissa ylilämpeneminen ei yleensä ole ongelma ja käytössä on usein koneellinen jäähdytys 11
Sisälämpötilatarkastelut 1/2 Simuloitiin kahden kerrostaloasunnon kesäajan sisälämpötilaa tulevaisuuden sään vaikutuksen selvittämistä varten Sisälämpötilatason hallinta osoitetaan astetuntien avulla kesäaikana, 27 C lämpötila ei saa ylittyä enemmän kuin 150 astetuntia Tulevaisuuden säätietoina käytettiin Helsinki 2050 ja Helsinki 2100 säätietoja (ilmatieteen laitoksen tämän hetken ennuste) Ennusteen mukaan ilmasto lämpenee tulevaisuudessa ja sään ääriilmiöt mm. helteet lisääntyvät 12
Sisälämpötilatarkastelut 2/2 Toisena osana simuloitiin vain toista aikaisemmista kahdesta samanlaisesta kerrostaloasunnosta testattiin neljän FInZEB-kustannustarkastelussa luodun energiaa säästävien toimenpiteiden muodostaman toimenpidepaketin vaikutusta sisälämpötilaanä Mukana on myös kustannuslaskennassa käytetty asuinkerrostalon perustapaus eli juuri rakennusluvan saava tapaus, joka EI ole täsmälleen sama kuin aikaisemmat pelkän sään vertailussa käytetyt laskennat 13
Asuinkerrostalon toimenpidepaketit Sisälämpötiloja tarkasteltiin asuinkerrostalolla, johon toteutettiin FInZEBhankkeessa luodut energiansäästövaikutuksiltaan ja kustannuksiltaan perusteltavissa olevat toimenpidepaketit 1-4 Perustapaus Toimenpidepaketti 1 Toimenpidepaketti 2 Toimenpidepaketti 3 Toimenpidepaketti 4 Lämmön jakelun hyötysuhde 85 % Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Lämmön jakelun hyötysuhde 95 % Ikkuna: U-arvo 1 W/m²K, g-arvo 58 % Asuntokohtaiset ilmanvaihtokoneet LTO-vuosihyötysuhde 69 % Tuloilmavirta 0,4 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: sähkö Valaistus 11 W/m² Ikkuna: U-arvo 0,8 W/m²K, g-arvo 39 % Asuntokohtaiset ilmanvaihtokoneet LTO-vuosihyötysuhde 78 % Tuloilmavirta 0,4 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: sähkö Valaistus 9 W/m² Ikkuna: U-arvo 0,6 W/m²K, g-arvo 24 % Asuntokohtaiset ilmanvaihtokoneet LTO-vuosihyötysuhde 78 % Tuloilmavirta 0,4 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: sähkö Valaistus 9 W/m² Ikkuna: U-arvo 0,8 W/m²K, g-arvo 39 % Keskitetty ilmanvaihto LTO-vuosihyötysuhde 65 % Tuloilmavirta 0,5 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: vesikiert. Valaistus 9 W/m² Ikkuna: U-arvo 0,6 W/m²K, g-arvo 24 % Keskitetty ilmanvaihto LTO-vuosihyötysuhde 65 % Tuloilmavirta 0,5 dm³/s,m² Tuloilman jälkilämmitys: vesikiert. Valaistus 9 W/m² 5.2.2015 14
Tulosyhteenveto 1/2 Määräysten sisälämpötilavaatimus täyttyy kaikissa kolmessa simulointitapauksessa 2012 säällä (2 asuntoa, joista toisessa 2 hieman toisistaan poikkeavaa laskentatapausta) Toimenpidepaketit 1-4 eivät tuo muutosta lämpötilojen hallinnan kannalta Määräysten sisälämpötilavaatimus ei täyttyy 2050 säällä vain toimenpidepaketilla 4 2050 säällä astetunnit luokkaa 130 400 2100 säällä astetunnit luokkaa 550 1000 Passiivirakenteilla (ulkoseinät, katto, alapohja) ei ole käytännössä merkitystä kesäajan sisälämpötilalle säästä riippumatta 15
Tulosyhteenveto 2/2 2050 säällä pystytään pitämään tilojen ylilämpeneminen hallinnassa kaikilla FInZEB-toimenpidepaketeilla 1-4 kun rakennuksessa on ikkunan ulkopuoliset sälekaihtimet Astetuntiluvut noin 60-80 2100 säällä ei pystytä poistamaan ylilämpenemistä ikkunan ulkopuolisilla sälekaihtimilla ja ilmanvaihdon voimakkaalla jäähdytyksellä Astetuntiluvut alimmillaan noin 1200 tuntia 16
2012 sisälämpötilalaskelma Ei liikaa ylilämpenemistä Kylpyhuone/vaatehuone Ei ylilämpenemisvaatimusta 17
2050 sisälämpötilalaskelma Kaikki huoneet liian kuumia Astetunnit suuruusluokkaa 300-500 18
2100 sisälämpötilalaskelma Kaikki huoneet runsaasti liian kuumia Astetunnit suuruusluokkaa 1200-1600 19
Passiivirakenteiden vaikutus 2050 rakennuslupa ja sama passiivirakenteilla alla: 250..300 astetuntia 2050 rakennuslupa ja sama passiivirakenteilla alla: ~1000 astetuntia 20
Toimenpidepaketit 1-4 2050 säällä Paketti 1 ja paketti 2 alla 170 350 astetuntia Paketti 3 ja paketti 4 alla 130 320 astetuntia 21
Toimenpidepaketit 2100 säällä Paketti 1 ja paketti 2 alla 650 1000 astetuntia Paketti 3 ja paketti 4 alla 570 1000 astetuntia 22
Ylilämpenemisen estäminen Paketti 2 ulkopuoliset sälekaihtimet ikkunassa, ~15 astetuntia Paketti 3 ulkopuoliset sälekaihtimet ikkunassa, ~20 astetuntia Paketti 4 helpoin tapaus, ulkopuoliset sälekaihtimet ikkunassa ja ilmanvaihdon jäähdytys, 200-250 astetuntia 23