Uusien järjestelmien tuomat mahdollisuudet rakennuksien energialähteenä: energian kuluttamisesta kohden energian tuottamista

Uusien järjestelmien tuomat mahdollisuudet rakennuksien energialähteenä: energian kuluttamisesta kohden energian tuottamista XVI Itä-Suomen rakentajaseminaari Joensuu 11.6.2013 TkT Riikka Holopainen Tiimipäällikkö, energiatehokkaat rakennukset Teknologian tutkimuskeskus VTT

2 Esityksen sisältö 1. Nollaenergiarakentaminen 2. Nollaenergiarakentamisen tuomat mahdollisuudet ja haasteet 3. Uusiutuvan energian tuottotapoja 4. Esimerkkejä suomalaisista nollaenergiataloista

3 NOLLAENERGIARAKENTAMINEN

4 Nollaenergiarakentamisen tausta: Rakennusten energiatehokkuusdirektiivin (EPBD) uudistaminen Kaikkien EU:n alueella rakennettavien uusien rakennusten tulee olla lähes nollaenergiataloja 31.12.2020 lähtien (julkisten rakennusten jo 2018): A nearly zero-energy building is a building that has a very high energy performance. The nearly zero or very low amount of energy required should be covered to a very significant extent by energy from renewable sources, including energy from renewable sources produced on-site or nearby (Article 2/EPBD recast) Direktiivi ei anna tarkkaa määritelmää. Kansallinen määritelmä lähes nollaenergiarakennukselle vielä auki, tarkentuu vuoden 2013 aikana Kustannusoptimi tulee olla mukana määrittelyn tarkastelussa: lisäkustannuksille hyväksyttävä raja

5 Lähes nollaenergiatalo Elinkaarikustannuksiltaan edullinen minimi-energiatalo, jonka energiantarpeesta merkittävä osa katetaan rakennuksessa tai sen lähistöllä tuotetulle uusiutuvalla energialla. Tulevaisuuden uudistalojen vaatimus vuoden 2021 alusta lähtien.

6 Nollaenergiarakentamisen vaikutukset Rakennuksen energiantarve minimoidaan passiivitasolle Energian tuotanto rakennuksissa lisääntyy Energiantarpeesta katetaan merkittävä osa talossa tai sen läheisyydessä tuotetulla uusiutuvalla energialla

7 Mikä on passiivitalo? HS 15.6.2009

8 Passiivitalon perusmääritelmät Lämmitysenergian tarve 20-30 kwh/m 2 30 kwh/m 2 25 kwh/m 2 20 kwh/m 2 Primäärienergian tarve 130-140 kwh/m 2 Lämmitettyä bruttoneliötä kohti Rakennuksen ilmavuotoluku aina n 50 < 0,6 1/h Passiivirakentaminen ei perustu: Lämmityslaitteiden korvaamiseen kodin elektroniikalla ja muilla sähkölaitteilla Tilojen lämmittämiseen ihmisistä tai laitteista vapautuvalla lämmöllä koko lämmityskauden ajan Passiivitaloissa on lämmönkehittimet Lämmityksen tehontarve on pieni, 10-20 W/m 2 Pieni energiantarve => uusiutuva energia

9 Nollaenergiatalon edellytykset Suomessa Rakennuksen energiantarve vähintään passiivitasoa tilojen ja käyttöveden lämmitystarpeen pienentäminen energiatehokas valaistusjärjestelmä, luonnonvalon tehokas käyttö jäähdytystarpeen minimointi: kesäaikaisten lämpökuormien hallinta, passiivinen jäähdytys energiatehokkaat talotekniikan laitteet ja kodinkoneet Uusiutuvan energian hyödyntäminen aurinkolämpö ja aurinkosähkö maalämpö tuulisähkö pelletit Kustannustehokkuus

10 NOLLAENERGIARAKENTAMISEN TUOMAT MAHDOLLISUUDET JA HAASTEET

11 Nollaenergiarakentamisen mahdollisuudet: Pienempi energiankulutus Matalammat energiakustannukset pienemmällä energiankulutuksella Alemmat elinkaarikustannukset nykyiselläkin energian hinnalla, Vaikutus kasvaa energian hinnan noustessa Kahden liettualaisen kerrostalon elinkaarikustannukset 30 vuoden aikana, oletuksena nopea energian hinnan nousu

12 Nollaenergiarakentamisen mahdollisuudet: Parempi sisäilmasto ja ääneneristävyys Hyvän eristystason, ilmatiiveyden ja vähäisten kylmäsiltojen ansiosta seinien, lattioiden ja ikkunoiden sisäpinnat ovat lämpimät ja vetoa ei esiinny Sisälämpötilan päivittäiset ja vuotuiset vaihtelut ovat vähäisiä tavanomaisiin rakennuksiin verrattuna Hyvin eristetyt ja ilmatiiviit rakenteet sekä hyvät ikkunat vähentävät ulkoa tulevaa melua (naapurit, liikenne ja muut äänet)

13 Nollaenergiarakentamisen mahdollisuudet: ilmastonmuutoksen torjuminen energiankulutusta pienentämällä Rakennussektorin osuus EU:n energiankulutuksesta 40 % Rakennussektorilla suuret mahdollisuudet vähentää energiankulutusta ja samalla pienentää kasvihuonekaasupäästöjä Energiatehokkaampi rakennussektori pienentää riippuvuutta tuontienergiasta Suomi on EU:n kautta sitoutunut kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseen parantamalla rakennusten energiatehokkuutta ja lisäämällä uusiutuvan energian käyttöä

14 Nollaenergiarakentamisen haasteita: Energiankulutuksen minimointi Kulutushuippujen madaltaminen Tehontarpeen tarkastelu tärkeää rakennustason kustannusoptimaalitarkastelussa ja sähkö/lämpöverkon käytön tarkastelussa Kesäajan sisälämpötilojen hallinta Jäähdytystarpeen minimointi passiivisilla keinoilla: varjostus, luukut, kaihtimet, aurinkosuojalasit

15 Energiatehokkaan rakentamisen erityispiirteitä Rakenteiden kosteustekninen suunnittelu: varmistetaan rakenteen moitteeton toiminta sisäpuolista kosteuden siirtymistä ja ulkopuolista sadevettä vastaan kaikissa käyttöolosuhteissa Rakenteiden liitosten ja läpivientien detaljien suunnittelu: vältetään kylmäsillat ja ilmavuodot Auringonsäteilyn hyödyntäminen lämmityskautena ja eliminointi lämpimänä kesäkautena Pääosa lämmitysenergian tarpeesta saadaan rakennuksen sisäisestä lämmöntuotosta ja aurinkoenergian passiivisesta hyödyntämisestä Tarvittava lämmitystehotaso jopa 75 % pienempi kuin normitalolla pienempien laitteiden valinta lämpötilatasojen hallittu alentaminen uusien lämmityskonseptien kehittäminen ja käyttöönotto Passiivienergiaa tehokkaasti hyödyntävässä rakennustekniikassa korostuu rakenne- ja talotekniikan yhteistoiminta: tarkasteltava teknisessä suunnittelussa yhtenä kokonaisuutena

16 Nollaenergiarakentamisen kustannukset Energiatehokkaan rakennuksen rakentamiskustannukset ovat 2-7 % korkeammat kuin tavanomaisen, määräysten mukaisen rakentamisen kustannukset TA-Asumisoikeus Oy:n passiivikerrostalon kustannukset Oulussa olivat 3,3 % korkeammat kuin viereisen, arkkitehtuuriltaan ja asuntoratkaisuiltaan samanlaisen vertailutalon. Nollaenergiatalossa syntyy lisäkustannuksia uusiutuvan energian tuotantolaitteista.

17 Nollaenergiarakentamisen haasteita: Uusiutuvan energian tuotanto ja käyttö Kulutuksen ja tuotannon eriaikaisuus Huomioitava koko energiaketju Tuotannon vaikutukset rakennuksen sisäisen sähköverkon tai alueverkon toimintaan? Lainsäädäntö ei tue pientuotannon syöttämistä verkkoon (syöttötariffit tai mahdollisuus korvata ostettua energiaa) Rakennuksen sijasta taserajana tulisi olla aluetaso Kaupunki ja maaseutu vaativat erilaista tarkastelua Kuinka kaukaa uusiutuva energia voidaan tuoda? Taserajat riittävän joustaviksi Pitkäaikaiset investointituet vääristävät markkinoita Osaavan suunnittelun ja työvoiman pula

18 Nollaenergiatason haaste Suomessa: kulutuksen ja tuotannon eriaikaisuus

19 Kulutuksen ja tuotannon eriaikaisuus vuorokausitasolla

20 Nollaenergiatalon energiatase Lähde: Aalto-yliopisto, Solar Decathlon kilpailutalo Luukku

21 Kulutuksen ja tuotannon eriaikaisuuden haittojen pienentäminen Energiatehokkuus keskeisin keino Muita keinoja esimerkiksi Rakennuksen suuntaaminen: tuotannon parempi vaste kulutukseen Energian varastointi Vuotuisen energiantarpeen ja -tuotannon optimointi: vaikutukset sähköverkkoon?

22 UUSIUTUVAN ENERGIAN TUOTTOTAPOJA

23

24 Vuotuinen auringon säteily vaakapinnalle jaoptimaalisessa kulmassa olevalle pinnalle

25 Lähde: Timo Silomaa: Aurinkoenergia ja korjausrakentaminen

26 Lähde: Asko Rasinkoski, www.soleras.fi

27

28 Tuulienergia Ilmatieteenlaitoksen tuuliatlas: tuulitietoa tuulivoiman mitoitukseen Nyrkkisääntö vuosituotannolle: 1 kw = 1500 3000 kwh

29 Tuulienergia Roottorityypit: vakka-akseli ja pystyakseli Pystyakselilla varustettu roottori pyörii herkemmin pyörteisessä tuulessa ja hieman pienemmillä tuulenvoimakkuuksilla Tyypilliset pienvoimalat 50 500 W Lapojen halkaisija < 2 m Maston korkeus tyypillisesti 5-30 m Verkkoon liitetyt voimalat > 2 kw Lapojen halkaisija > 4 m Suuret voimalat 3 5 MW Pientuulivoiman tuotto

30 Aurinkolämpö Lämmöntuottotapa: Aurinkokeräin Tasokeräin, 300 kwh/m 2, varaaja ~700 l Pinta-ala 7 m 2 Tyhjöputkikeräin, 420 kwh/m 2, varaaja ~700 l Pinta-ala 5 m 2 Aurinkolämpö ~ 10 gco 2 /kwh

31 Pelletti Lähde: Anssi Rahikainen: Puupelletit ja pellettilämmitys Mikkelin ammattikorkeakoulu 2011

32 Pellettilämmityksen kustannukset Omakotitalon pellettilämmitysjärjestelmän kustannukset 6000 10000 + lämmönjakojärjestelmä + varasto? Pellettilämmön hinta 0,05 0,06 /kwh

33 Esimerkkejä pelletinsyöttöjärjestelmistä http://www.solarbiox.fi/pellettikattila-ja-pellettikattilat-herz- 10kw-20kw-30kw-45kw-60kw.html

34 Lämpöpumppulämmitys

35

36 Maa-, kallio- ja vesistölämpö Lämpöä maasta Vaakaputkista 40 50 kwh/m Porakaivoista 40 60 kwh/m Lämpöä vesistöistä Upotettu putki 60 70 kwh/m Pohjasedimentti 70 80 kwh/m* * Perustuu Vaasan asuntomessujen järjestelmän mitoitukseen

37 Lämmitysteho

38 Lämpökerroin

39 Suomalaisten lämpöpumppujen määrä nyt ja tulevaisuudessa Lähtötietoina käytetty Sulpun ja Rakennustutkimus RTS:n tilastoja. Vuoden 2010 luvut perustuvat toteutuneisiin lukuihin, muut visioon Taulukossa esitetty käytössä olevat pumput (vuotuisista myyntimääristä vähennetty pumppujen oletettujen käyttöikien perusteella saneerauskohteisiin menevät pumput, jotka eivät lisää uusiutuvien energioiden käyttöä) Vuosi Maalämpöpumput (MLP) Ilmalämpöpumput (ILP) Ilma-vesilämpöpumput (ULP) Poistoilmalämpöpumput (PILP) Yhteensä 2010 47 390 319 501 6 326 17 533 390 750 2016 127 440 626 098 31 526 32 383 817 447 2020 199 190 653 821 54 326 43 207 950 544 Käyttöikäoletukset: MLP 20 v, ILP 10 v, UVLP 15 v, PILP 15 v

40 Suomalaisten lämpöpumppujen kapasiteetti nyt ja tulevaisuudessa Kapasiteetit perustuvat SULPU:n arvioon myytyjen pumppujen tehoista. SULPU kerää vuosittain myyntiluvut tehon mukaan jaoteltuna. Vuoden 2010 luvut perustuvat toteutuneisiin lukuihin, muut arvioon, jossa yhden pumpun keskimääräinen teho on kiinnitetty vuoden 2009 arvoon Vuosi MLP, ILP, UVLP, PILP, Yhteensä MW MW MW MW MW 2010 564 1 521 73 59 2 217 2016 1 518 2 980 365 109 4 972 2020 2 372 3 112 629 145 6 259 Käyttöikäoletukset: MLP 20 v, ILP 10 v, UVLP 15 v, PILP 15 v

41 Lämpöpumppujen säästöpotentiaalin ja uusiutuvan energian tuoton arviointi / VTT 2012 Uusiutuvan energian tuotto, TWh: Energiansäästö, TWh: 12 10 ERES, (TWh) 8 6 4 Air-Water Air-air Ground 2 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 Year

42 ESIMERKKEJÄ SUOMALAISISTA NOLLAENERGIATALOISTA

43 Esimerkkejä suomalaisista lähes nollaenergiapientaloista ja nettonollaenergiapientaloista

44 Nettonollaenergiatalo Rakennuksesta siirretään tuotettua uusiutuvaa energiaa verkostoihin tai muuhun talon ulkopuoliseen käyttöön vähintään saman verran kuin rakennuksessa käytetään ostoenergiaa. Talossa tuotettu uusiutuva energia Talossa tuotettu uusiutumaton energia Energian varastointi talossa Energian käyttö Uusiutuvan energian syöttö: verkostot, muut kiinteistöt Sähköverkko Kaukolämpöverkko

45 IEA5-talo, Pietarsaari Lähes nollaenergiatalo Rakennettu jo 1994 Pietarsaaren asunto-messuille Asuntopinta-ala 166 m 2 E-luku nyt 68 kwh/m 2 Aurinkosähköjärjestelmän uusiminen: E-luku 0 kwh/m 2 E-luku = ostoenergia talossa tuotettu energia www.alfslussnas.fi

46 IEA5-talon tekniikka Rakennuksen ostoenergiantarve 7600 kwh vuodessa Aurinkolämpö Tuotto 2000 kwh vuodessa Varastointi 3 m 3 varaajaan Aurinkosähkö: Alkuperäinen järjestelmä 2 kwp Uusi järjestelmä 8 kwp Tuotto 7600 kwh vuodessa Maalämpö, lämpökerroin 4,0 4,5 Koneellinen, lämmön talteenotolla varustettu ilmanvaihto www.alfslussnas.fi

47 IEA5-talon ulkovaippa Puurakenteinen pientalo Ulkoseinät ja lattia suurelementtirakenteina Seuranta 18 vuotta: ei kosteus- tai homeongelmia Kivivillaeristys Ulkoseinä 325 mm, U-arvo 0,14 W/m 2 K Yläpohja 500 mm, U-arvo 0,09 W/m 2 K Alapohja (rossipohja) 500 mm, U- arvo 0,09 W/m 2 K Ikkuna 0,7 W/m 2 K

48 Nettonollaenergiatalo IEA5 Energia kwh/m 2 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

49 IEA5 On-Line www.alfslussnas.fi/fi/lowenergy/teknikcentralen/iea5

50 Nettonollaenergiatalo Kivitasku Rakennettu 2011 Mäntyharjulle Asuntopinta-ala 154 m 2 Nettonollaenergiatalo E-luku 0 kwh/m 2 www.suutarinen.fi Arkkitehti Tuija Mustonen

51 Nettonollaenergiatalon ratkaisut Tekniikka: Lämpöpumppulämmitys LED valot Tehokkaat sähkölaitteet Aurinkolämpö Aurinkosähkö 8 kwp Ulkoseinät ja yläpohja elementtirakenteina Polyuretaanieristys Ulkoseinän U-arvo 0,09 W/m 2 K Yläpohjan U-arvo 0,08 W/m 2 K Alapohjan U-arvo 0,09 W/m 2 K Ikkuna 0,7 W/m 2 K www.suutarinen.fi

52 Kivitasku www.suutarinen.fi

53 Kivitaskun energiatase Energia kwh/m 2 60 50 40 30 20 10 0

54 Nettonollaenergiatalo Blok Arkkitehtikilpailun voittaja-ehdotus: www.isover.fi/suunnittelu/ nollaenergia Esitellään Hyvinkään asuntomessuilla 2013 Arkkitehti SAFA Tiina Antinoja & arkkitehtiopiskelija Olli Metso

55 Blok-talon ratkaisut Maalämpö Ikkunoiden varjostus kesällä Aurinkosähkö ~9 kw Aurinkolämpö Rakenneratkaisut Ulkoseinä U = 0,08 W/m 2 K Yläpohja U = 0,06 W/m 2 K Alapohja U = 0,09 W/m 2 K Ikkunat ja ovet U = 0,7 W/m 2 K Ilmanvaihdon lämmön talteenoton hyötysuhde 80% Ilmanvuotoluku n 50 0,4 1/h Arkkitehti SAFA Tiina Antinoja & arkkitehtiopiskelija Olli Metso

56 Blok-talon aurinkosähköjärjestelmän tuottoarvio Aurinkosähkön tuotto on noin 8200 kwh vuodessa Tuottoarvio www.soleras.fi

57 Blok-talon energiatase Energia kwh/m 2 60 50 40 30 20 10 0 Rakennuksen ostoenergian tarve 8260 kwh vuodessa Aurinkosähkön tuotto 8200 kwh vuodessa

58 Esimerkkejä suomalaisista lähes nollaenergiakerrostaloista ja nettonollaenergiakerrostaloista

59 Opiskelija-asuntola Puuseppä, Kuopio Huoneistoala 1945 m 2 47 opiskelija-asuntoa Tehokas tilankäyttö (rakennuksen muoto) Nollaenergiatarkastelussa otettu huomioon tilojen ja käyttöveden lämmitys ja talotekniikan sähkö www.nollaenergia.fi

60 Vanhusten palvelutalo, Järvenpää Huoneistoala 1945 m 2 44 asuntoa huonokuntoisille tai muistihäiriöistä sairastaville vanhuksille 33 asunnossa makuuhuone + tupakeittiö 11 ryhmäkotiasuntoa. www.nollaenergia.fi

61 Nollaenergiatalojen ratkaisut Kaukolämpö Uusiutuvan energian tuotanto Aurinkolämpö Talossa tuotettua aurinkolämpöä siirretään muihin kiinteistöihin Aurinkosähkö Ilmanvaihdon esilämmitys ja esijäähdytys nestekierrolla lämpökaivosta llmanvaihdon lämmön talteenoton vuosihyötysuhde yli 75% Energiatehokkaat kodinkoneet, valaistus ja hissi Aurinkokuormien hallinta varjostuksella www.nollaenergia.fi

62 Nollaenergiakerrostalojen ulkovaipan ratkaisut Polyuretaanilämmöneristys Ulkoseinä, U = 0,08 W/m 2 K Yläpohja, U = 0,07 W/m 2 K Alapohja, U = 0,10 W/m 2 K Ikkuna, U = 0,7 W/m 2 K Ulko-ovet, U = 0,76 W/m 2 K Ulkovaipan mitattu ilmavuoto luku n 50 = 0,4 1/h Ilmavuotoluvun mittaus

63 Aurinkosähkön tuottoarviot Ala, m 2 Kpl Tuotanto, Järvenpää kwh Tuotanto, Kuopio kwh Paneelien DC ulostulo nollahäviöillä, lumi ei peitä talvella Häviöt, kun mukana invertteri ja hieman kaapelihäviöitä, lumi peittää talvella paneelit kokonaan Kuten yllä mutta mukana asennuksesta (=paneelien lämpenemisestä) johtuvia häviöitä, hyvä asentamistapa 48 30 8468 7413 48 30 8033 7133 48 30 7342 6622

64 Nollaenergiatalojen laskennallinen energiatase Energia kwh/m 2 40 35 30 25 20 15 10 5 0

65 Järvenpää On-Line www.nollaenergia.fi/jarvenpaantaloseuranta.php

66 Onnelanpolku, vanhusten palvelutalo, Lahti Lähes nollaenergiatalo 16500 m 2 Tavoite 60 kwh/m 2 (E-luku) Käyttäjälähtöinen tilasuunnittelu Kilpailuttaminen www.lvas.fi www.arkkitehtityo.com

67 Energiatehokkuuden merkitys Onnelanpolun kilpailutuksessa Hinta (60 p) Tarjouskilpailun pisteytys Projektisuunnitelma (2 p) Organisaatio, suunnittelijat ja asiantuntijat (12 p) Arkkitehtisuunnitelmien kehittäminen (8 p) Tekniset ja energiataloudelliset ratkaisut (15 p) Väistöasuminen (3 p). Kokonaisvastuurakentami nen, KVR Tarjousten arviointi pisteytyksen avulla Urakkahinta vastaa tavanomaista palvelutalorakentamista Tarjouskilpailun voittajaehdotuksen E-luku 50 kwh/m 2

68 Onnelanpolun ulkovaipan ominaisuudet Rakennusosien U-arvot, W/m²K Ulkoseinä 0,17 Yläpohja 0,09 Alapohja 0,09 Ikkunat 0,76 Ulko-ovet 0,85 Atrium, seinät 1,1 Atrium, katto 1,2

69 VTT - 70 vuotta teknologiaa yhteiskunnan ja elinkeinoelämän hyväksi