Energiatehokkaan arkkitehtisuunnittelun ohjausmalli Arkkitehti, projektitutkija Malin Moisio 25.1.2018
Esityksen sisältö Johdanto TTY:n työryhmän Ohjausmalli Aineisto ja tarkastelumenetelmä Menetelmä, simulaatiotarkastelut Tarkasteltavat tekijät ja niiden ominaisuudet Tulosten tarkastelu Tulokset Esimerkkejä laskentatuloksista Yhteenveto Yhteenvetoja laskentatuloksista 26.1.2018 2
Energiatehokkaan arkkitehtisuunnittelun ohjausmalli Ohjekortisto, jonka tarkoituksena on toimia rakennuksen energiatehokkuutta havainnollistavana ja suunnittelua ohjaavana työkaluna Esittää yksittäisten suunnitteluratkaisujen vaikutuksen koko rakennuksen energiankulutukseen ja muuhun arkkitehtoniseen laatuun Kaikkia ominaisuuksia tarkasteltu suhteessa vakioituun perustapaukseen 26.1.2018 3
Laskentamenetelmä: energiasimulointi Case-kohteet: Peruskoulut: Jätkäsaaren arkkitehtuurikilpailun voittanut ehdotus Nemo Ryhmäkodit: todellisia kohteita edustava tyyppimalli I Vakiot: rakenteet, ilmatiiveys, LVIS-järjestelmät ja säädöt sekä käyttö (RakMk D3 vertailuarvojen suuruisia ja standardikäytön mukaan) Muuttujat: yksi ominaisuus kerrallaan Laskentamenetelmä: simulointi IDA ICE 4.7.1 dynaamisella energiasimulointiohjelmalla Tarkoitus: selvittää yksittäisen muuttujan vaikutus energiatehokkuuteen 26.1.2018 4
Laskentamenetelmä: energiasimulointi Laskentatapaukset: Suunnittelukohde kokonaisuutena on jaettu tekijöihin, yhteensä 31 kpl Tekijöille haettu energiatehokkuuteen vaikuttavia ominaisuuksia, yhteensä 63 kpl Ominaisuuksia säätämällä muodostettu vertailtavat laskentavariantit Variantteja simuloitu 2 5 kpl/ominaisuus, jolloin laskentatapauksia yhteensä n. 230 kpl Kaikki variantit simuloitu standardikäytöllä Osa ominaisuuksista simuloitu lisäksi tarpeenmukaisella ilmanvaihdolla sekä tarpeenmukaisella valaistusteholla yhteistyössä TAMK:n Talotekniikka-ryhmän kanssa 26.1.2018 5
Energiatehokkuuteen vaikuttavat tekijät Suunnittelukohde (rakennus + tontti) jakautuu tekijöihin Tekijät muodostavat kokonaisuuksia eri mittakaavatasoilla Tekijöillä on tiettyjä ominaisuuksia, joita voi laskea tai muutoin arvioida Ohjausmallissa tekijöitä tarkastellaan ominaisuuksiensa kautta Suunnittelukohde Mittakaavataso 1: Rakennettu ympäristö 1. Rakennus 2. Tontti Mittakaavataso 2: Rakennus 1.1 Fyysiset tekijät: vaippa 1.2 Toiminnalliset tekijät: tilajärjestelyt ja käyttö 1.3 Olosuhteet: tekniset järjestelmät 2.2 Toiminnalliset 2.1 Fyysiset tekijät 2.3 Olosuhteet tekijät Mittakaavataso 3: Rakennusosa Tekijät 1 5: US, YP, AP, ikkunat, ovet Tekijät 1 5: pääkäyttö- ja aputilat, märkätilat, kulkutilat, lämmittämättömät tilat Tekijät 1 6: LVIS, luonnonvalo Tekijät 1 3: lähiympäristö, topografia, kasvillisuus Tekijät 1-2: kulkutilat, ulkooleskelutilat Tekijät 1-2: pienilmasto, ilmansuunnat 26.1.2018 6
Tekijät ja ominaisuudet 1 Suunnittelukohde 1. Rakennus Käyttötarkoitus Massa (muoto, aukotus, koko) Koko (nettoala, tilavuus) Kerrosluku 1.1 Fyysiset ominaisuudet eli vaippa Muoto (vaipan määrä) Massiivisuus Väri, ulkopinnat U-arvot Tiiveys Kylmäsillat (nurkkien määrä) Materiaalit 26.1.2018 7
Tekijät ja ominaisuudet 2 1.1.1 Ulkoseinät U-arvo Materiaalit 1.1.2 Yläpohja U-arvo Materiaalit 1.1.3 Alapohja U-arvo Materiaalit 26.1.2018 8
Tekijät ja ominaisuudet 3 1.1.4 Ikkunat Koko U-arvo g-arvo Varjostus (verho, lippa) Näkyvyyskerroin (ikkunapenkin korkeus) 1.1.5 Ovet Koko U-arvo 26.1.2018 9
Tekijät ja ominaisuudet 4 1.2 Toiminnalliset ominaisuudet eli tilajärjestelyt ja käyttö Tilaohjelman tehokkuus Käyttöaste, pääkäyttöaste Käyttöaste, lisäkäyttöaste Henkilötiheys Käyttövyöhyke, pääkäyttö Käyttövyöhyke, lisäkäyttö 26.1.2018 10
Tulosten tarkastelu Ostoenergiankulutus: Kaikkia ominaisuuksia tarkastellaan vuosittaisen ostoenergiankulutuksen (kwh/a) kautta E-luku: E-lukua (kwh/m 2 a) tarkastellaan ostoenergiankulutuksen rinnalla sellaisissa ominaisuuksissa, joissa nämä ovat ristiriidassa Käyttötehokkuus: Käytön vaikutusta energiatehokkuuteen tarkastellaan suhteuttamalla ostoenergiankulutus rakennuksesta saatavaan käyttöön Käyttötehokkuusluku = energiankulutus/henkilökäyttötunti Laatu: Vaikutusta arkkitehtoniseen laatuun arvioidaan käytettävyyden, kestävyyden ja viihtyisyyden kautta asteikolla 1 3 26.1.2018 11
Arkkitehtoniseen laatuun vaikuttavat ominaisuudet Arkkitehtuurin perusarvot (Vitruvius): kauneus, kestävyys ja käyttökelpoisuus Suunnitteluratkaisujen vaikutusta laatuun on arvioitu valittujen laatuominaisuuksien avulla Energiatehokkuus on vain yksi rakennuksen laatuominaisuuksista Arkkitehtoninen laatu Kauneus /viihtyisyys Käyttökelpoisuus /toimivuus Kestävyys Esteettisyys Tilalliset ominaisuudet Sisäolosuhteet Käytettävyys Monikäyttöisyys Tekninen toimivuus Ympäristöystävällisyys Esim. materiaalit, luonnonvalon määrä, mittasuhteet näkymät, rytmi, sommitelma Esim. väljyys hahmotettavuus, orientoitavuus, havainnoitavuus mittakaava, tilantuntu Esim. valaistusolosuhteet, häikäisy, ilmanlaatu lämpöolosuhteet, vedontuntu Esim. tilankäytön tehokkuus, tarkoituksenmukainen tilamitoitus Esim. muunneltavuus muuntojoustavuus mukautuvuus Esim. terveellisyys, turvallisuus, riskittömyys, korjattavuus, huollettavuus Esim. elinkaari, kierrätettävyys, hiilijalanjälki, energiatehokkuus 26.1.2018 12
Laskentatuloksia Laskennan lähtöarvot Rakenteiden U-arvot Ulkoseinä 0,17 W/(m²K) Yläpohja 0,09 W/(m²K) Maanvarainen alapohja 0,16* W/(m²K) Ovet 1,00 W/(m²K) Ikkunat 1,00 W/(m²K) Rakenteiden muita ominaisuuksia Ilmanvuotoluku (q50) 4 m 3 /(h m 2 ) Massiivisuus Raskasrakenteinen Kylmäsiltojen lisäkonduktanssit US-US (ulkonurkka) 0,05 W/mK US-US (sisänurkka) -0,05 W/mK US-YP 0,05 W/mK US-VP 0,05 W/mK US-AP 0,15 W/mK US-IKKUNAT 0,04 W/mK US-OVET 0,04 W/mK Ikkunoiden ominaisuuksia Lasin U-arvo 0,8 W/(m²K) Karmiosan U-arvo 1,6 W/(m²K) Umpiosan osuus ikkunasta 0,25 Ikkunoiden g-arvo 0,54 Laitteet, IV IV-koneen lämmön talteenoton vuosihyötytilasuhde 45 % Tuloilman lämpötilan asetusarvo 18 C Ominaissähköteho/ SFP-luku 2 kw/m³/s Jäteilman minimilämpötila 3 C Ilman lämpötilan nousu puhaltimessa 0,5 C Vakioilmavirta, majoitusliikerakennus 2 dm 3 /(s m 2 ) Minimi-ilmavirta, CO2-säätö tapauksissa 0,15 dm 3 /(s m 2 ) Lämmitysmuoto Kaukolämpö Rakennuksen geometria, tyyppimalli I 26.1.2018 13
Laskentatuloksia Yksittäisten ominaisuuksien vaikutus energiatehokkuuteen 20 18 16 14 12 8 6 4 2 Ikkunoiden suuntaus (pääosin etelä) Tuuliolosuhteet (meri) Sisääntulo pohjoiseen Sulatus sisäänkäynnissä Puita eteläpuolella + jäähdytys Naapureiden varjostus (h=12m) Sijaintipaikkakunta Sodankylä Tarpeenmukaiset valaistustehot Laitesähkö (2W/m2, -5) Jäähdytyslämpötila (25 C) IV jäähdytys 0,45 hyötysuhteella SFP luku (1) IV LTO vuosihyötysuhde (76 %) Painov. IV + tuuletus + jäähdytys Ilmavirta (CO2-ohjaus + jäähdytys) Kiertojohdon lämpöhäviöt (10W/m) Veden kulutus (-1) Sisälämpötila (25 C) Päivänvalo-ohjaus (0 300 lux) Lämmitysmuoto (maalämpö) Aputilat puolilämpimiä Ovi auki 12h/pvä + tuulikaappi Ovien aukiolo (yksi auki 12h/pvä) Avoimuusaste (kaikki tilat yhtä) Ovien U-arvo (0,5 W/m²K) Ovipinta-ala (ovia 32 kpl) Ikkunapenkkien korkeus (h=900 mm) Lippa (90 varsimarkiisi) Varjostus (sälekaihtimet kiinni) Ikkunoiden g-arvo (0,75) Ikkunoiden U-arvo (0,6 W/m²K) Ikkunapinta-ala (47,9 % ) Alapohjan U-arvo (0,10 W/m²K) Yläpohjan U-arvo (0,07 W/m²K) Ulkoseinän U-arvo (0,14 W/m²K) Erittäin hyvät lisäkonduktanssit Kylmäsillat (4 nurkkaa) Tiiveys (q50=0,5) U-arvot (Rak. e.t. mukaan) Ulkoväritys (tumma) Massiivisuus (kevytrakenteinen) Pohjamuoto (neliö) Kerrosluku (x 2) Pinta-ala (x 2) Käyttötarkoitus (asuinkerrostalo) Massa (tyyppimalli L) Perustapaus Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen 26.1.2018 14
Laskentatuloksia Rakennusmassan vaikutus energiatehokkuuteen 25 225% 20 175% 15 125% 75% 5 25% 100.0 % 173.0 % 256.8 % 99.5 % 99.3 % 25 225% 20 175% 15 125% 75% 5 25% 100.0 % 99.0 % 98.4 % 98.4 % 99.7 % I-muoto, 677m 2, ikkunat 16,5 % U-muoto, 1189 m 2, ikkunat 22,0 % T-muoto, 1777 m 2, ikkunat 29,3 % O-muoto, 690m 2, ikkunat 20,4 % L-muoto, 677m 2, ikkunat 20,1 % I-muoto, 677m 2, ikkunat 16,5 % U-muoto, 1189 m 2, ikkunat 22,0 % T-muoto, 1777 m 2, ikkunat 29,3 % O-muoto, 690m 2, ikkunat 20,4 % L-muoto, 677m 2, ikkunat 20,1 % Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen E-luku suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, 677 m 2 Muuttujat: rakennuksen muoto, aukotus ja pinta-ala (massa) 26.1.2018 15
Laskentatuloksia Käyttötarkoituksen vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 125.0 % 100.0 % 100.0 % 84.7 % e-luku raja-arvo 75% 5 47.7 % 61.9 % 70.6 % 61.8 % 75.0 % 50.0 % 48.5 % 61.6 % 64.8 % 25% 25.0 % 0.0 % Majoitusliikerakennus Asuinkerrostalo Opetusrakennus Liikerakennus Toimistorakennus Majoitusliikerakennus Asuinkerrostalo Opetusrakennus Liikerakennus Toimistorakennus Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, ryhmäkoti (majoitusliikerakennus) Muuttuja: rakennuksen käyttötarkoitusluokka E-luku suht. perustapaukseen E-luvun raja-arvot 26.1.2018 16
Laskentatuloksia Pinta-alan vaikutus energiatehokkuuteen 125 8654.2 % 125% 100 920.7 % 100.0 % 97.7 % 94.5 % 90.9 % 75 75% 50 5 25 100.0 % 193.4 % 25% 677 m 2 1354 m 2 6770 m 2 67700 m 2 677 m 2 1354 m 2 6770 m 2 67700 m 2 Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen E-luku suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, 677 m 2 Muuttuja: rakennuksen lämmitetty nettoala 26.1.2018 17
Laskentatuloksia Pohjamuodon vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 98.9 % 97.3 % 98.4 % 106.1 % 75% 5 25% Tyyppimalli I Variantti 1 Variantti 2 Variantti 3 Variantti 4 Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Pohjakaaviot: tyyppimalli I ja variantit 1 4 Perustapaus: tyyppimalli I, 14 nurkkaa Muuttuja: rakennuksen pohjamuoto 26.1.2018 18
Laskentatuloksia Ikkunapinta-alan vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 99.9 % 100.9 % 104.5 % 109.0 % 125% 100.0 % 99.3 % 99.0 % 101.8 % 106.0 % 75% 75% 5 5 25% 25% Ikkunat 16,5 % Ikkunat 0,0 % Ikkunat 47,9 % Ikkunat 96,3 % Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Ikkunat 96,3 %, jäähdytys huomioitu Perustapaus: tyyppimalli I, ikkunat 16,5 % Muuttuja: ikkunoiden kokonaispinta-ala Ikkunat 16,5 % Ikkunat 16,5 % Ikkunat 47,9 %, Ikkunat 96,3 % Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen, luonnonvalo huomioitu (päivänvalo-ohjaus) Ikkunat 96,3 %, +päivänvaloohjaus +päivänvaloohjaus +päivänvaloohjaus +päivänvaloohjaus + jäähdytys 26.1.2018 10
Laskentatuloksia Energiamuodon vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 98.4 % 108.2 % 125% 100.0 % 93.2 % 171.7 % 89.3 % 75% 75% 5 53.4 % 5 25% 25% Kaukolämpö Maalämpö Sähkölämmitys Puulämmitys Kaukolämpö Maalämpö Sähkölämmitys Puulämmitys Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen E-luku suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, kaukolämpö Muuttuja: energiamuoto 26.1.2018 20
Laskentatuloksia Sisälämpötilan vaikutus energiatehokkuuteen 125% 75% 100.0 % 92.0 % 111.6 % 124.2 % 5 25% Sisälämpötila 21 ºC Sisälämpötila 19 ºC Sisälämpötila 23 ºC Sisälämpötila 25 ºC Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, sisälämpötila 21 ºC Muuttuja: sisälämpötila 26.1.2018 21
Laskentatuloksia Ilmanvaihdon ilmavirran vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 106.8 % 75% 5 41.2 % 42.1 % 40.8 % 44.8 % 25% Vakioilmavirta 2 l/(sm 2 ) CO 2 - säätö, min 0,15 l/(sm 2 ), max D2 mukaan CO 2 -säätö, min 0,15 l/(sm 2 ), max D2 mukaan +jäähdytys D2 ilmavirrat huonetyypeittäin Vakioilmavirta 0,15 l/(sm 2 ) Vakioilmavirta 0,28 l/(sm 2 ) Asetus 1009/2017 mukaan Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, vakioilmavirta 2 l/(sm 2 ) Muuttuja: ilmavirta 26.1.2018 22
Laskentatuloksia Painovoimaisen ilmanvaihdon vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 75% 5 47.6 % 48.2 % 53.5 % 25% Vakioilmavirta 2 l/(sm 2 ) Painovoimainen ilmanvaihto Painovoimainen ilmanvaihto + jäähdytys Painovoimainen ilmanvaihto + jäähdytys + ikkuna auki 15 min/pvä Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, vakioilmavirta 2l/(sm 2 )) Muuttuja: ilmavirta (painovoimaisella ilmanvaihdolla ilmanvaihtohormi joka huoneessa, painekertoimet osittain suojattu ) 26.1.2018 23
Laskentatuloksia Ikkunoiden suuntauksen vaikutus energiatehokkuuteen 125% 100.0 % 98.0 % 100.9 % 99.3 % 99.3 % 75% 5 25% E: 18,9 m 2, I: 13,5 m 2, P: 28,8 m 2, L: 8,7 m 2 E: 53,3 m 2, I: 8,6 m 2, P: 0,0 m 2, L: 8,1 m 2 E: 0,0 m 2, I: 8,6 m 2, P: 53,3 m 2, L: 8,1 m 2 E: 12,5m 2, I: 0,0 m 2, P: 12,5 m 2, L: 45,0 m 2 E: 12,5 m 2, I : 45,0 m 2, P: 12,5 m 2, L: 0,0 m 2 Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Perustapaus: tyyppimalli I, ikkunapinta-ala ilmansuunnittain E: 18,9m 2, I: 13,5m 2, P: 28,8m 2, L: 8,7m 2 Muuttuja: ikkunapinta-alan jakautuminen ilmansuunnittain 26.1.2018 10
Laskentatuloksia Ostoenergiankulutuksen jakautuminen 12% 3% Ilmanvaihdon lämmitys 12% 41% Tilojen lämmitys Lämmin käyttövesi LVI-sähkö 13% Valaistus Laitteet 19% Jäähdytys (0 %) Perustapaus, ryhmäkoti tyyppimalli I 26.1.2018 25
Yhteenvetoja laskentatuloksista Suunnittelukohde Mittakaavataso 1: Rakennettu ympäristö 1. Rakennus 2. Tontti Mittakaavataso 2: Rakennus 1.1 Fyysiset tekijät: vaippa 1.2 Toiminnalliset tekijät: tilajärjestelyt ja käyttö 1.3 Olosuhteet: tekniset järjestelmät 2.2 Toiminnalliset 2.1 Fyysiset tekijät 2.3 Olosuhteet tekijät Mittakaavataso 3: Rakennusosa Tekijät 1 5: US, YP, AP, ikkunat, ovet Tekijät 1 5: pääkäyttö- ja aputilat, märkätilat, kulkutilat, lämmittämättömät tilat Tekijät 1 6: LVIS, luonnonvalo Tekijät 1 3: lähiympäristö, topografia, kasvillisuus Tekijät 1-2: kulkutilat, ulkooleskelutilat Tekijät 1-2: pienilmasto, ilmansuunnat 26.1.2018 26
Laskentatuloksia Ominaisuuksien yhdistelmien vaikutus energiatehokkuuteen 89% 87% 75% 5 47% 25% 18% 15% Perustapaus, ryhmäkoti Rakennustyyppi Vaippa Rakennusosat Olosuhteet Olosuhteet, vaippa ja rakennusosat Ostoenergiankulutus suht. perustapaukseen Eri ominaisuuskategorioista muodostettu energiatehokkaimpien realististen vaihtoehtojen yhdistelmät 26.1.2018 27
Laskentatuloksia Ominaisuuksien yhdistelmien ostoenergiankulutuksen jakautuminen 200000 Ilmanvaihdon lämmitys 150000 Tilojen lämmitys Lämmin käyttövesi lvi-sähkö 100000 Valaistus Laitteet 50000 Jäähdytys 0 Perustapaus, ryhmäkoti Rakennustyyppi Vaippa Rakennusosat Olosuhteet Olosuhteet, vaippa ja rakennusosat Ostoenergiankulutuksen jakautuminen Eri ominaisuuskategorioista muodostettu energiatehokkaimpien realististen vaihtoehtojen yhdistelmät 26.1.2018 28
Yhteenveto Rakennus on systeemi, jolloin sitä ei voida optimoida optimoimalla sen yksittäistä osasta Rakennuksen energiatehokkuuteen vaikuttavat useat eri tekijät Yksittäisillä arkkitehtonisilla tekijöillä kuten ikkunoiden koolla ja rakennuksen muodolla ei ole suurta vaikutusta energiatehokkuuteen Suurin suhteellinen vaikutus syntyy teknisten järjestelmien, etenkin ilmanvaihdon ilmavirran sekä rakennuksen käytön osa-alueilla Nykyinen tarkastelutapa (E-lukulaskenta) ei riitä ohjaamaan tilasuunnittelua ja käyttöä energiatehokkaampaan suuntaan Rakennus on kokonaisuus ja energiatehokkuutta voidaan parantaa usean ominaisuuden yhteisvaikutuksella. Rakennuksen muut laatutekijät tulee kuitenkin huomioida energiatehokkuuden ohella 26.1.2018 29
Kiitos! Tampereen teknillinen yliopisto Arkkitehtuurin laboratorio Asuntosuunnittelun tutkimusryhmä ASUTUT -tutkimusryhmä Markku Hedman professori, vastuuhenkilö markku.hedman@tut.fi Tapio Kaasalainen projektipäällikkö tapio.kaasalainen@tut.fi Malin Moisio projektitutkija malin.moisio@tut.fi Taru Lindberg projektitutkija taru.lindberg@tut.fi 26.1.2018 30