Kristiina Kero, Toni Teittinen TIETOMALLIPOHJAINEN ENERGIA-ANALYYSI JA TAKAISINMAKSUAJAN MÄÄRITYS Tutkimusraportti
II SISÄLLYS 1. Johdanto... 1 2. Tietomallipohjainen määrä- ja kustannuslaskenta... 2 3. Energia-analyysi... 4 3.1. Analyysin kuvaus... 4 3.2. Simuloinnin lähtötiedot... 5 3.3. Simulointitulokset... 5 4. Takaisinmaksuaika... 7 4.1. Takaisinmaksuajan laskennan lähtötiedot... 7 4.2. Takaisinmaksuaika ja sen tarkastelu... 7 Liite 1: Energiasimuloinnin lähtötietoja.... 9
1 1. JOHDANTO Tämä tutkimus on osa ProDigi BIM Digitaalinen tuoteprosessi -hanketta. Tutkimuksen tavoitteena on tarkastella Tampereen teknillisen yliopiston Rakennustalon M-siiven energiankulutusta erilaisilla ulkoseinien ja ikkunoiden U-arvoilla sekä arvioida U- arvoiltaan parempiin rakennusosiin investoimisen kannattavuutta takaisinmaksuajan näkökulmasta. Tutkimuksen tavoitteena on osoittaa, kuinka tietomalleja hyödyntämällä voidaan tuottaa tietoa päätöksenteon tueksi sekä vertailla nopeasti eri vaihtoehtojen vaikutuksia. Tässä tutkimuksessa takaisinmaksuajan määrittämiseksi tarkastellaan ainoastaan taloudellista näkökulmaa. Todellisuudessa taloudellisten mittareiden lisäksi tulee tarkastella myös tehtävien valintojen vaikutuksia rakennuksen käytöstä aiheutuviin ympäristörasituksiin, kuten CO 2 -päästöihin. Tällöin energiatehokkaampien ratkaisujen takaisinmaksuaika lyhenee huomattavasti ja on näin ollen perustellumpaa. Tutkimuksen tavoitteena on perehtyä prosessiin, jolla tietoa tuotetaan, ei niinkään etsiä todellista takaisinmaksuaikaa vertailtaville rakenteille.
2 2. TIETOMALLIPOHJAINEN MÄÄRÄ- JA KUSTANNUSLASKENTA Tutkimuksessa tarkastellaan kolmea U-arvoltaan eroavaa seinätyyppiä ja kolmea U- arvoltaan erilaista ikkunavaihtoehtoa. Kaikki seinärakenteet ovat sandwich-elementti - tyyppisiä ratkaisuja. U-arvoltaan heikoin (0,19 W/m 2 K) vastaa toteutettua seinärakennetta, ja se kuvaa näin ollen takaisinmaksuajan vertailukohtaa. Vertailussa käytetään lisäksi seinärakenteita, joiden eristepaksuudet ovat 20 mm ja 40 mm suuremmat kuin toteutetun rakenteen, jossa eristepaksuus on 140 mm. Määrä- ja kustannuslaskennassa hyödynnetään sekä arkkitehdin että rakennesuunnittelijan tietomalleja. Määrälaskenta toteutetaan Tocoman Oy:n kehittämällä BIM -ratkaisulla. Tocoman on toimittanut seinä- ja ikkunarakenteiden kustannustiedot. Kuvassa 2.1. esitetään Tocoman BIM -ratkaisun käyttö määrä- ja kustannuslaskennassa. Kuva 2.1. Suunnittelun määrätiedon linkitys tuoterakenteeseen käytettäessä työympäristönä tietomallisovellusta suunnittelussa ja määrätietojen hallinnassa Tocoman BIM -ratkaisua.
3 Taulukkoon 2.1. on koottu määrä- ja kustannuslaskennan tulokset yhteen vertailua varten. Näitä kustannustietoja hyödynnetään myöhemmässä vaiheessa takaisinmaksuajan määrittämisessä. Tätä käsitellään tarkemmin luvussa 4. Taulukko 2.1. Rakenteiden kustannukset. Tarkasteltavat tapaukset Rakenteiden kustannukset, Ulkoseinät U=0,28 W/m 2 K 241673 U=0,21 W/m 2 K 258462 U=0,19 W/m 2 K 263398 Ikkunavertailut U=1,1 W/m 2 K 58894 U=1,0 W/m 2 K 58697 U=0,84 W/m 2 K 65218 U-arvoiltaan paras yhdistelmä, U US =0,19 W/m 2 K ja U ikk =0,84 W/m 2 K 328616 U-arvoiltaan heikoin yhdistelmä, U US =0,28 W/m 2 K ja U ikk =1,1 W/m 2 K 300567
4 3. ENERGIA-ANALYYSI 3.1. Analyysin kuvaus Tässä luvussa tutkitaan Rakennustalon M-siiven energiankulutusta erilaisilla ulkoseinien ja ikkunoiden U-arvoilla. Vertailtavien ulkoseinien U-arvot ovat 0,28; 0,21 sekä 0,19 W/m 2 K ja ikkunoiden 1,1; 1,0 sekä 0,84 W/m 2 K. Vertailtavat tapaukset muodostetaan siten, että ulkoseiniä vertaillaan ikkunan U-arvon ollessa 1,0 W/m 2 K ja ikkunoita ulkoseinän U-arvon ollessa 0,21 W/m 2 K. Lopuksi vielä tarkastellaan U- arvoiltaan parasta ja heikointa yhdistelmää. Tutkimusongelmaan haetaan vastauksia IDA Indoor Climate and Energy (IDA-ICE) 4.0 -simulointiohjelmistolla, jolla voidaan tarkastella rakennuksen energiankulutusta ja sisäilmastoa. Tarkasteluissa käytettävä malli luodaan IDA-ICE-ohjelmistossa arkkitehdin tasopiirustusten perusteella. Mallinnettavia vyöhykkeitä on neljä: ATKluokka, muut 2. kerroksen tilat, 3. kerros sekä IV-konehuone. ATK-luokka mallinnetaan erillisenä vyöhykkeenä, koska sen sisäiset lämpökuormat eroavat merkittävästi muiden tilojen kuormista. Malli esitetään kuvassa 3.1. Kuva 3.1. 3D-kuva Rakennustalon M-siivestä IDA-ICE-mallissa yhdessä siipeä varjostavien rakennuksen muiden osien kanssa. Analyysi oli tarkoitus tehdä perustuen arkkitehdin tietomalliin, mutta mallia ei sellaisenaan pystynyt käyttämään IDA-ICE:ssa. Ongelmia aiheuttivat profiiliseinät sekä erikorkuiset tilat. Profiiliseinät eivät siirtyneet IDA-ICE-ohjelmistoon ja erikorkuisia huonetiloja ei pystynyt yhdistämään yhdeksi koko kerroksen kattavaksi vyöhykkeeksi.
5 Simuloinnissa käytettävät lähtötiedot esitetään luvussa 3.2. ja liitteessä yksi. Muina simuloinnin lähtötietoina käytetään IDA-ICE:n oletusarvoja. 3.2. Simuloinnin lähtötiedot Energiasimuloinnissa säätietoina käytetään Ilmatieteen laitoksen mittauksiin perustuvia Jyväskylän säätietoja testivuodelta 1979. IDA-ICE-ohjelmistossa ei ole saatavilla säädataa siltä ilmastovyöhykkeeltä, johon Tampere kuuluu. Lämmitys- ja jäähdytysjärjestelminä käytetään IDA-ICE:n ideaalista lämmitystä ja jäähdytystä, jotka eivät huomioi järjestelmien jakelu-, luovutus- tai säätöhäviöitä. Järjestelmät pitävät huonelämpötilan 21 25 C:ssa. Tuloilmavirrat arvioidaan rakentamismääräyskokoelman osan D2 perusteella, ja poistoilmavirrat määritetään noin 10 % tuloilmavirtoja suuremmiksi. Rakenteet ovat luvun 2. mukaiset, ja kylmäsiltojen oletetaan olevan tyypillisiä. Simuloinnissa huomioidaan auringosta aiheutuvat lämpökuormat sekä ihmisistä, valaistuksesta ja laitteista aiheutuvat sisäiset lämpökuormat aikatauluineen. Sisäisiä lämpökuormia arvioidaan Sisäilmastoluokitus 2008:ssa esitettyjen tilojen käyttöprofiilien ja sisäisten lämpökuormien perusteella. Luokituksesta saadaan käyttöprofiili ja kuormat ATK-luokalle sekä muille M-siiven tiloille, kun muiden tilojen ajatellaan olevan toimistotiloja. IV-konehuoneessa oletetaan olevan ainoastaan laitekuormia. Käyttöasteen oletetaan olevan 100 %. 3.3. Simulointitulokset Taulukossa 3.1. esitetään lämmitysenergiankulutus ja jäähdytyslaitteiden sähkönkulutus sekä kilowattitunteina vuodessa että kilowattitunteina vuodessa bruttoneliötä kohti. Taulukosta nähdään, että U-arvojen parantuessa lämmitysenergiankulutus pienenee ja jäähdytyslaitteiden sähkönkulutus kasvaa. U-arvoiltaan parhaimman ja heikoimman yhdistelmän lämmitysenergiankulutuksessa on noin 10,0 kwh/brm 2 /a:n ero ja jäähdytyslaitteiden sähkönkulutuksessa noin 1,0 kwh/brm 2 /a:n ero.
6 Taulukko 3.1. Lämmitysenergiankulutus ja jäähdytyslaitteiden sähkönkulutus. Tarkasteltavat tapaukset Lämmitysenergiankulutus Jäähdytyslaitteiden sähkönkulutus kwh/a kwh/brm 2 /a kwh/a kwh/brm 2 /a Ulkoseinävertailu, kun U ikk =1,0 W/m 2 K U=0,28 W/m 2 K 56186 42,1 10499 7,9 U=0,21 W/m 2 K 51353 38,5 10899 8,2 U=0,19 W/m 2 K 50050 37,5 11021 8,3 Ikkunavertailu, kun U US =0,21 W/m 2 K U=1,1 W/m 2 K 53454 40,1 10663 8,0 U=0,84 W/m 2 K 46254 34,7 11530 8,6 U-arvoiltaan paras yhdistelmä, U US =0,19 W/m 2 K ja U ikk =0,84 W/m 2 K U-arvoiltaan heikoin yhdistelmä, U US =0,28 W/m 2 K ja U ikk =1,1 W/m 2 K 44975 33,7 11669 8,7 58338 43,7 10295 7,7
7 4. TAKAISINMAKSUAIKA 4.1. Takaisinmaksuajan laskennan lähtötiedot Takaisinmaksuajan laskennalla selvitetään, kuinka kauan kuluu siihen, että U-arvoltaan parempiin ulkoseiniin ja ikkunoihin tehty investointi maksaa itsensä takaisin pienempänä energialaskuna. Laskennassa verrataan edellisessä luvussa esitettyä U- arvoiltaan parasta ja heikointa yhdistelmää. Lisäksi lämmitys- ja jäähdytyskustannukset lasketaan kaikille tarkastelluille tapauksille. Takaisinmaksuajan laskentaa varten TTY:n kaukolämmön ja sähkön hintatietoja kysyttiin TTY:n Tilapalvelujen tilapalvelupäällikkö Ilpo Kytölältä sekä Suomen Yliopistokiinteistöt Oy:n TTY:n kampusmanagerilta Jyrki Miettiseltä. Laskennassa käytetty kaukolämmön hinta on 0,05 /kwh ja sähkön hinta 0,09 /kwh. Laskennassa energian hintojen oletetaan pysyvän samoina myös tulevaisuudessa. 4.2. Takaisinmaksuaika ja sen tarkastelu Taulukossa 4.1. esitetään edellisen luvun lämmitysenergiankulutuksen, jäähdytyslaitteiden sähkönkulutuksen sekä kaukolämmön ja sähkön hintatietojen avulla lasketut lämmitys- ja jäähdytyskustannukset euroina vuodessa. Takaisinmaksuaika lasketaan näiden ja taulukossa 2.1. esitettyjen rakenteiden kustannuksien perusteella U- arvoiltaan parhaasta ja heikoimmasta yhdistelmästä. Taulukko 4.1. Lämmitys- ja jäähdytyskustannukset. Tarkasteltavat tapaukset Lämmityskustannukset Jäähdytyskustannukset /a /a Ulkoseinävertailu, kun U ikk =1,0 W/m 2 K U=0,28 W/m 2 K 2809,3 944,9 U=0,21 W/m 2 K 2567,7 980,9 U=0,19 W/m 2 K 2502,5 991,9 Ikkunavertailu, kun U US =0,21 W/m 2 K U=1,1 W/m 2 K 2672,7 959,7 U=0,84 W/m 2 K 2312,7 1037,7 U-arvoiltaan paras yhdistelmä, U US =0,19 W/m 2 K ja U ikk =0,84 W/m 2 K U-arvoiltaan heikoin yhdistelmä, U US =0,28 W/m 2 K ja U ikk =1,1 W/m 2 K 2248,8 1050,2 2916,9 926,6
Jos valitaan U-arvoiltaan paras tarkasteltujen seinien ja ikkunoiden yhdistelmä heikoimman sijaan, takaisinmaksuajaksi saadaan noin 52 vuotta. Rakennusosien lämmönläpäisykertoimien parantaminen tarkastelluilla U-arvoilla ja nykyisillä energianhinnoilla ei siis ole perusteltua takaisinmaksuajan näkökulmasta. Energianhinnat nousevat kuitenkin jatkuvasti, ja ilmastonmuutoksen hillitsemisen sekä rajallisten energiavarantojen säästämisen kannalta rakennusten energiatehokkuuden parantaminen on välttämätöntä. 8
9 LIITE 1: ENERGIASIMULOINNIN LÄHTÖTIETOJA. Taulukko 1. Simuloinnissa käytettävät rakennuksen vaipan ja ilmanvaihdon ominaisuuksien arvot. Tekninen tekijä Arvo Yksikkö Rakennusosien U-arvot W/(m 2 K) Ulkoseinä 0,28 Ikkuna 1,1 0,21 0,19 1,0 0,84 Alapohja 0,30 Yläpohja 0,18 Ulko-ovi 1,0 Ilmanvuotoluku n 50 2 1/h LTO-laitteiston lämmönsiirtimen tuloilman lämpötilasuhde 60 % Jäteilman lämpötila 1 C Ilmanvaihdon ominaissähköteho 2,0 kw/(m 3 /s) Taulukko 2. Simuloinnissa käytettävät ikkunoiden U-arvot ja aurinkoenergian läpäisyn arvot. Ikkunoiden ominaisuudet Yksikkö Ikkuna 1 Ikkuna 2 Ikkuna 3 U-arvo W/(m 2 K) Koko ikkuna 1,1 1,0 0,84 Lasin keskiosa 0,94 0,84 0,59 Aurinkoenergian läpäisy % Suora läpäisy, ST 28 28 28 Kokonaisläpäisy, g 38 38 38
10 Taulukko 3. Simuloinnissa käytettävät tuloilmavirrat. Tila Tuloilmavirta, l/s/m 2 Toimistohuone 1,5 Käytävä 0,5 Luokkahuone 6 Käyttöajan ulkopuolinen ilmanvaihto 0,15 Taulukko 4. Lämmitetyn tuloilman sisäänpuhalluslämpötila tuloilmapuhaltimen jälkeen. Aikataulu Tuloilman lämpötila, C 1.1. 14.5. ja 1.9. 31.12. 17 15.5. 31.8. 14 Taulukko 5. Simuloinnissa käytettävät sisäiset lämpökuormat. Tila Käyttöaika Valaistus Laitteet Ihmiset vrk/vko klo-klo W/m 2 W/m 2 met/hlö Toimistotilat 5 7-18 12 15 125 ATK-luokka 5 8-16 18 75 125 IV-konehuone 7 0-24 - 12 -