Alkusanat Oulun kaupungin asemakaavoituksella ja rakennusvalvonnalla on tiivis vuorovaikutus alueiden maankäytön suunnittelun ja rakentamisen laadun ohjauksen välillä. Kiristyneiden energiatehokkauustavoitteiden vuoksi tätä yhteistyötä on tiivistetty entisestään, jotta uudet alueet vastaisivat ja mahdollistaisivat jo kaavoitusvaiheessa tulevat energiatehokkuustavoitteet. Tarvitaan yhä enemmän tutkimustietoon perustuvia yhteisiä pelisääntöjä, joilla uusia asuinalueita ja rakennuksia voidaan suunnitella yhdessä entistä sujuvammin. Tavoitteena on energiatehokkaiden asemakaavojen lisäksi saada energiatehokkuutta entistä paremmin huomioivat rakennustapaohjeet. Integroivan kaupunkikehittämisen elinkaarimalli: Kestävä pohjoinen talvikaupunki (INURDECO) on Oulun kaupungin, Oulun yliopiston, Sonell Oy:n, Skanska talonrakennus Oy:n ja Hartela-Forum Oy:n yhteinen kehittämishanke, jota rahoittavat TEKES ja Euroopan unionin aluekehitysrahasto (EAKR). Oulun kaupunki kehittää hankkeen avulla kaupunkisuunnittelun, -kehittämisen ja kumppanuuskaavoituksen käytäntöjään, laatii talvikaupunkistrategian sekä määrittelee käyttäjälähtöiset toimintamallit. Tavoitteena on uudenlaisen kumppanuus-, energiakaavoituksen ja kestävän kaupunkisuunnittelun kehittäminen elinkaarinäkökulmasta neljälle vuodenajalle. Pilotointikohteena on Oulun Hiukkavaara, joka on Pohjois-Suomen suurin lähivuosikymmenien aikana rakentuva kaupunginosa. Vanhan kasarmialueen ympärille entiselle puolustusvoimien alueelle tulee asuntoja 20 000 uudelle asukkaalle. Lisäksi uusi Hiukkavaaran keskus palvelee valmistuessaan 40 000 lähiseudulla asuvaa oululaista. Oulun rakennusvalvonnalla on pitkät perinteet laadukkaan rakentamisen ohjaukseen, jossa energiatehokkuus on oleellisesti koko ajan mukana. Toimintaa ja tavoitteita kehitetään koko ajan ja pyrkimyksenä on pitää rakentamisen taso pari vuotta edellä määräysten vähimmäistason kehitystä. Rakennusvalvonnan RESCA Oulu on osa valtakunnallista RESCA -hanketta, jonka tavoitteena on lisätä uusituvan energian käyttöä kaupungeissa. Oulun rakennusvalvonnan koordinoima RESCA -hanke keskittyy luomaan valintakonsepteja pientalon erilaisille energialähteille ja niiden optimoiduille yhdistelmille, hybrideille, sekä niihin soveltuville rakennuksen energiatehokkuusratkaisuille. Oulun Hiukkavaaraan rakennetaan uusiutuvan energian pilottialue, josta saadaan hyödyllistä tietoa eri ratkaisuista. Tämä selvitystyö ja siihen perustuva suunnitteluohje tukevat osaltaan INUR- DECO- ja RESCA -hankkeiden tuloksia. Raportin ovat laatineet Timo Jodat Mikko Juntunen Jari Kiuru Kimmo Lylykangas Jouko Niemelä Juha Päätalo Mika Vuolle Kuvitus Jodat, Kiuru, Lylykangas, Päätälo 4
Sisältö Alkusanat 4 Sisältö 5 1. Johdanto 6 Selvitystyön tavoitteet 6 Tarkasteltavat rakennustyypit 6 2. Aurinkosähkö 7 2.1 Johdanto 7 2.2 Metodit ja lähtötiedot 7 2.3 Aurinkosähköjärjestelmän mitoitus 11 2.4 Vaikutus E-lukuun 14 2.5 Varjostuksen vaikutus 16 2.6 Johtopäätöksiä 18 3.Aurinkolämpö 19 3.1 Metodi ja lähtötiedot 19 3.2 Omakotitalon simulointi 20 3.3 Kerrostalon simulointi 21 3.4 Muiden rakennusten aurinkolämpöjärjestelmät 42 4. Passiivinen aurinkoenergian hyödyntäminen 43 4.1 Metodi ja lähtöhypoteesi 43 4.2 Omakotitalon simuloinnit 45 4.3 Kerrostalon simuloinnit 69 4.4 Muut rakennukset 81 LIITTEET Aurinkotonttien asemakaavoitus Oulussa -ohje Passiivinen aurinkoenergian hyödyntäminen Oulussa -ohje Aurinkolämpöjärjestelmät Oulussa -ohje Aurinkosähkö Oulussa -ohje 5
1. Johdanto Euroopan Unionin jäsenmailla on yhteinen tavoite kansallisten rakentamismääräysten kehittämiselle: energiatehokkuusdirektiivin (EPBD) mukaisesti vuoden 2020 jälkeen kaiken uudisrakentamisen tulee olla lähes nollaenergiarakentamista. Kukin jäsenmaa muodostaa itse lähes nollaenergiarakennuksen määritelmän. Suomalaista määritelmää ei ole tätä raporttia kirjoitettessa vielä julkistettu. Kansallisesta määritelmästä riippumatta direktiivin tavoite painottaa uusiutuvan lähienergian eli rakennuksessa tai rakennusten läheisyydessä tuotetun uusiutuvan energian merkitystä energiahuollossa. Rakennuksessa tai rakennuksen lähistössä tapahtuva uusiutuvan energian tuotto (uusiutuva omavaraisenergia 1 ) voi olla aurinkolämpöä, aurinkosähköä tai tuulisähköä. Uusiutuvaksi omavaraisenergiaksi lasketaan myös maalämpöpumpun tuottama lämpöenergia. Selvitystyön tavoitteet Tässä selvitystyössä tutkitaan aktiivisen ja passiivisen aurinkoenergian vaikutusta asuin- ja liikerakennusten energiatehokkuuteen sekä asumis- ja käyttöolosuhteisiin. Tavoitteena on tuottaa tietoa aurinkoenergian vaikutuksista eri rakennustyypeille eri tilanteissa. Selvityksen osoittaa myös, miten ja kuinka paljon lämmitysenergiaa voidaan valittujen rakennustyyppien osalta säästää kaavoitus- ja suunnitteluratkaisujen avulla, kuinka aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää aktiivisesti aurinkopaneelien ja keräinten, sekä muun talotekniikan avulla mahdollisimman tehokkaasti sekä löytää parhaat keinot suojautua auringon tuottamaa liikalämpöä vastaan Oulun alueella. Selvitys on rajattu koskemaan Oulun ilmasto-olosuhteita ja aurinkokulmia. Tarkasteltavat rakennustyypit Tutkittavat rakennustyypit ovat: omakotitalo, n. 140 m², kerrosluku 1 kytketty pientalo, kerrosluku 2 (rakennukset n. 8 metrin päässä toisistaan ja kytketty 1. kerroksen osalta esim autokatoksella) rivitalo, 5 asuntoa, kerrosluku 2 pistemäinen asuinkerrostalo, 20 asuntoa, kerrosluku 4 lamelliasuinkerrostalo päivittäistavarakauppa, n. 4 000 kem² monitoimitalo (koulu, päiväkoti) n. 18 000 kem² jäähalli 6 000 kem² uimahalli 5 000 kem² Tarkasteluissa tutkitaan kolmea energiatehokkuustasoa: määräysten mukainen ratkaisu, passiivitaso ja nollaenergiataso. Passiivitason ja nollaenergiatason arvioidaan tässä selvityksessä olevan keskenään samanlaiset ulkovaipan ja talotekniikan ratkaisujen osalta. 1 RakMK D3 2012, 7. 6
2. Aurinkosähkö 2.1 Johdanto Rakennuksessa tai sen läheisyydessä tuotettu aurinkosähkö voidaan pyrkiä käyttämään rakennuksessa tai myydä sähköverkkoon. Laskennallisissa tarkasteluissa lasketaan tuotto-odotusta, joka perustuu sijaintipaikkakunnan säätietoihin. Aurinkosähköjärjestelmän toteutuva sähköntuotto riippuu sääolosuhteista ja saattaa poiketa laskennallisesta aivan kuten vaihteleva sää ja rakennuksen käyttö vaikuttavat siihen, että toteutunut energiankulutus poikkeaa usein laskennallisesta energiankulutuksesta. Kun tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän laskennallista tuottoa, tarkoitetaan yleensä laskennallista tuotto-odotusta, joka perustuu keskimääräiseen pilvisyyteen ja mittausten perusteella määriteltyyn tyypilliseen paikkakunnan säätilaan. Demand MWh/year 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Design Actual balance: large household, sunny year Actual balance: large household, cloudy year Kuva 1: Laskennallinen energiatase nettonollaenergiatalossa sekä mahdolliset poikkeamat johtuen aurinkosähkön tuotannon vuotuisesta vaihtelusta ja ruokakunnan kokojen vaihtelusta. Widén & Wäckelgård 2010. 2 2.2 Metodit ja lähtötiedot Aurinkoenergiajärjestelmän tuoton laskenta perustuu paikkakuntakohtaiseen tietoon vaakapinnalle osuvan auringon kokonaissäteilyenergian määrästä vuodessa. Tämä tieto voidaan saada Suomen rakentamismääräyskokoelmasta tai PVgis-tietokannasta. RakMK D5 esittää yksinkertaistetun laskentatavan aurinkosähköjärjestelmän tuoton laskemiseksi. PVgis-tietokantaan liittyy verkossa käytettävä ilmainen laskuri, jolla voi laskea aurinkosähköjärjestelmän tuoton eri paikkakunnilla. Tämän lisäksi tuotto-odotus voidaan laskea järjestelmätoimittajan laskentaohjelmalla, joka on ainoastaan ko. toimittajan käytössä. 10 aste 40 aste 90 aste LÄNTEEN TUOTON JAKAUTUMINEN ERI KALLISTUSKULMILLA LUOTEESEEN POHJOISEEN 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 KOILLISEEN ITÄÄN Tässä selvityksessä suuntausta ja varjostusta koskevat laskennalliset tarkastelut on toteutettu Naps Systems Oy:n laskentaohjelmalla, jolla on mitoitettu mm. Suomen ensimmäisten nettonollaenergiatalojen aurinkosähköjärjestelmät. E-lukua koskevissa tarkasteluissa käytetään RakMK D5:n mukaista laskentamenetelmää. LOUNAASEEN 10 18 (1:3) 30 40 ETELÄÄN KAAKKOON 45 90 3500 3000 Kuvat 2 ja 3: 18 paneelia (28,8 m²) käsittävän aurinkosähköjärjestemän tuotto-odotus vuodessa Oulussa erilaisilla suuntauksilla ja kallistuskulmilla. Tuotto on laskettu Naps Systems Oy:n laskentaohjelmalla, jossa joulu-maaliskuun tuotto oletetaan lumipeitteen vuoksi nollaksi kaikilla kallistuskulmilla lukuunottamatta pystysuuntaista (90º) sijoituskulmaa. Yli 3000 kwh/a:n vuosituottoa voi pitää vielä varsin hyvänä. Tähän päästään kaakko/etelä/lounas -suuntauksilla ja 18º 45º kallistuskulmalla, sekä lisäksi pystysuuntaisesti sijoitetulla aurinkosähköjärjestelmällä silloin kun se on suunnattu etelään. 2500 2000 1500 1000 500 0 2 Widén & Wäckelgård 2010, figure 1, 6. 7
8 Kuva 4: (seuraava sivu): Vuotuinen aurinkoenergian kokonaissäteily ja aurinkosähkön tuottopotentiaali Suomessa. Lähde: PVgis-tietokanta.
2.2.1 Aurinkosähköjärjestelmän tuoton laskenta RakMK D5:n mukaisesti RakMK D3 2012:ssa Suomi on jaettu neljään säävyöhykkeeseen. Oulu sijoittuu säävyöhykkeelle III, jossa vaakapinnalle osuvan auringon kokonaissäteilyenergia Gsäteily, vaakapinta on 890 kwh/m². RakMK D5:n mukaisesti 40 asteen kallistuskulmassa etelään suunnatun aurinkosähköjärjestelmän tuotto-odotus lasketaan seuraavasti: AURINKOSÄHKÖPANEELIEN TUOTTO PANEELINELIÖMETRIÄ KOHTI OULUSSA RakMK D5:n mukaan G aur, hor Oulu, säävyöhyke III 890 kwh/m² a säävyöhyke I ja II 975 kwh/m²a säävyöhyke III 890 kwh/m²a säävyöhyke IV 791 kwh/m²a Fasento F 1 F 2 1,2 suuntaus F 1 etelä/kaakko/lounas 1,0 itä/länsi 0,8 pohjoinen/koillinen/luode 0,6 kallistus F 2 < 30º 1,0 30º - 70º 1,2 > 70º 1,0 G aur, Gaur, hor F asento 1068 K maks 0,16 kw/m² piipohjaiset yksikiteiset kennot 0,12-0,18 pakkaustiheys > 80 % piipohjaiset monikiteiset kennot 0,10-0,16 pakkaustiheys > 80 % ohutkalvo kiteetön pii kennot 0,04-0,08 muut ohutkalvotekniikalla toteutetut kennot 0,035 ohutkalvotekniikalla tot. CuInGaSe 2 kenno 0,105 ohutkalvotekniikalla tot. CdTe kenno 0,095 A kenno aurinkokennon pinta-ala ilman kehystä 1 m² P maks K maks A kenno 0,16 kw F käyttö 0,80 tuulettamaton moduuli 0,70 hieman tuuletettu moduuli 0,75 voimakkaasti tuulettuva tai koneellisesti tuuletettu 0,80 I ref 1 kw/m² W pv (G aur P maks F käyttö ) / I ref 136,7 kwh/(m² paneeli a) RakMK D5 2012 esittää lisäksi laskentakaavan, jolla voidaan huomioida ympäristön aiheuttama varjostus aurinkosähköjärjestelmän tuottoon. RakMK D5:n mukaisten laskentatulosten valossa aurinkopaneelien sijoituspaikaksi tarkoitetun katon kulman ja suuntauksen ei tarvitse olla asteen tarkkuudella optimaalinen, vaan liikkumavaraa on verrattain paljon. RakMK D5 2012:n mukainen laskentamalli pelkistää tuloksia, mutta soveltuu hyvin esimerkiksi asemakaavatason tarkasteluihin. Yksinkertaistettu menetelmä ei myöskään edellytä mitään erityistä laskentaohjelmaa, vaan se on toteutettavissa laskimella tai taulukkolaskentaohjelmalla. 2.2.2 Aurinkosähköjärjestelmän tuoton laskenta PVgis-tietokannan avulla PVgis-tietokannan mukaan vaakapinnalle osuvan auringon kokonaissäteilyenergia Gsäteily, vaakapinta on Oulussa 2300 Wh/(m², päivä) joka on vuotuisena auringon kokonaissäteilyenergiana Gsäteily, vaakapinta n. 840 kwh/m². Arvo on siis hieman RakMK D3:n mukaista pienempi. Aurinkosähköjärjestelmän tuoton voi laskea ilmaisella internet-pohjaisella PVgis-ohjelmalla, 3 jonka mukaan optimaalinen kallistuskulma etelään suunnatuille paneeleille on Oulussa 46. Kun tuotto lasketaan PVgis-ohjelmalla käyttäen 145 Wp:n aurinkokennoa, vuosituotto optimaalisella suuntauksella Oulussa on 121 kwh/a. Tämä laskentatulos on suunnilleen yhtäpitävä RakMK D5:n mukaisesti lasketun tuloksen (136,7 kwh/(m²a) kanssa. 3 http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=en&map=europe. Viitattu 26.12.2013. 9
2.2.3 Aurinkosähköjärjestelmän tuoton laskenta järjestelmätoimittajan laskentaohjelmalla Naps Systems Oy:n laskentaohjelman mukaan paras vuosituotto saadaan n. 40 asteen kallistuskulmassa olevalla järjestelmällä. Naps Systems Oy:n ohjelmalla laskettuna optimaalisesti suunnatun aurinkosähköpaneelineliömetrin vuosituotto on Oulussa n. 115 kwh/(m²a). Tulosten erot selittynevät sillä, että Naps Systems Oy:n laskentamallissa paneelien oletetaan olevan lumen peittämät joulukuun alusta maaliskuun loppuun, ja järjestelmän tuotto talvikuukausilta on vastaavasti nolla. 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 10 18 30 40 45 90 Kuvissa x-x on verrattu RakMK D5:n mukaisesti laskettua vuosituottoa ja Naps Systems Oy:n ohjelmalla laskettua vuosituottoa yhtä paneelineliömetriä kohti. Naps Systems Oy:n laskelmassa on käytetty 18 paneelista koostuvaa 4410 Wp:n aurinkosähköjärjestelmää. Järjestelmä on yhteen vaiheeseen kytketty ja varustettu yhdellä invertterillä. Paneelityyppi on Naps System Oy Saana 245 TP3 MBW. Neliömetrikohtainen tuotto on laskettu jakamalla järjestelmän tuotto sen pinta-alalla (28,8 m²). 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 NAPS RakMK D5 140,0 120,0 100,0 0,0 10 18 30 40 45 90 Kuvat 7 ja 8: Aurinkosähköpaneelineliömetrin vuosituotto Oulussa etelään (ylh.) ja lounaaseen (alh.) suunnattuina laskettuna sekä Naps Systems Oy:n laskentaohjelmalla että rakentamismääräyskokoelmassa esitetyllä laskentamallilla. 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 10 18 30 40 45 90 140,0 140,0 120,0 120,0 100,0 100,0 80,0 80,0 60,0 60,0 40,0 40,0 20,0 20,0 0,0 10 18 30 40 45 90 0,0 10 18 30 40 45 90 Kuvat 5 ja 6: Aurinkosähköpaneelineliömetrin vuosituotto Oulussa itään (ylh.) ja kaakkoon (alh.) suunnattuina laskettuna sekä Naps Systems Oy:n laskentaohjelmalla että rakentamismääräyskokoelmassa esitetyllä laskentamallilla. Kuva 9: Aurinkosähköpaneelineliömetrin vuosituotto Oulussa länteen suunnattuna laskettuna sekä Naps Systems Oy:n laskentaohjelmalla että rakentamismääräyskokoelmassa esitetyllä laskentamallilla. 10
2.2.4 Aurinkoatlas Ilmatieteen laitos ilmoitti vuonna 2013 aloittaneensa Aurinkoatlaksen kokoamisen. Tuuliatlaksen tapaan aurinkoatlakseen on odotettavissa paikkakuntakohtaista tietoa auringonsäteilyn määrästä. Mikäli Tuuliatlakseen liitetään laskuri tai kuvaus RakMK D5:ä tarkemmasta laskentamenetelmästä, jatkossa edellytykset tarkempaan aurinkosähköjärjestelmien tuoton laskentaan ovat nykyistä paremmat myös ilman asiantuntijoiden osallistumista. 2.3 Aurinkosähköjärjestelmän mitoitus Aurinkosähköjärjestelmän mitoitukseen voidaan osoittaa kaksi erilaista mitoitusperiaatetta: vuosituoton maksimointi tuoton ja kulutuksen ajallisen kohtaamisen optimointi 2.3.1 Vuosituoton maksimointi Oulun seudulla Yleisesti aurinkosähköjärjestelmien suunnitteluperiaatteena on maksimoida järjestelmän vuosituotto. Koska aurinkosähköjärjestelmän tuotto ja kulutus kohtaavat ajallisesti verrattain huonosti, valtaosa tuotosta tulisi silloin pystyä varastoimaan tai syöttämään sähköverkkoon. Riittävällä kapasiteetilla varustettuja akkuja pidetään toistaiseksi verrattain kalliina ratkaisuna, ja käytännössä valtaosa tuotosta syötetään sähköverkkoon, kun järjestelmän tuotto on vähänkin suurempi. Silloin, kun aurinkosähköjärjestelmän huipputeho mitoitetaan vastaamaan enintään rakennuksen pohjatehoa, tuotto pystytään käyttämään rakennuksessa kokonaan. Pohjateho kuvaa rakennusten järjestelmien tehontarvetta silloin, kun järjestelmät eivät tuota palveluita rakennuksen käyttäjille, toisin sanoen kun rakennus on tyhjä tai rakennuksen käyttö on alimillaan. 4 Pohjatehon perusteella mitoitettavasta aurinkosähköjärjestelmästä tulee pientaloissa hyvin pieni. Tuoton ja kulutuksen ajallinen vastaavuus on tärkeä kysymys aurinkosähkön taloudellisen kannattavuuden kannalta. Oulun energia maksoi vuonna 2013 sähkön pientuotannosta n. 2 snt/kwh, kun ostetun sähkön kuluttajahinta oli n. 10 snt/kwh. Jokainen rakennuksessa käytetty kilowattitunti säästää siis ostosähkön vähenemisen kautta viisi kertaa enemmän kuin verkkoon myyty sähkö tuottaa. Oulun energia otti loppuvuonna 2013 käyttöön ns. farmisähkösopimuksen. Siinä uusiutuvan sähköenergian tuottaja ja kuluttaja voivat sopia hinnan uusiutuvalla energialla tehtävälle sähkön pientuotannolle verkkoon. Käytännössä tuotto ja kulutus ovat eriaikaista, eikä ostaja siten todellisuudessa käytä myyjän tuottamaa sähköä, mutta verkko toimii tässä ajallisena tasaajana pientuotannolle. Kun aurinkosähkön pientuottaja löytää verkkooon myytävälle sähkölleen ostajan ja saa tuotannosta riittävän korkean hinnan, myös laajemmat aurinkosähköjärjestelmät ovat kannattavia. PVgis-tietokannan mukaan aurinkosähkön suurin vuosituotto saavutetaan eteläsuuntauksella ja 46 kallistuskulmalla. Naps Systems Oy:n laskentaohjelman mukaan paras vuosituotto saavutetaan eteläsuuntauksella ja n. 40 kallistuskulmalla. Kumpikaan laskentamalli ei luonnollisesti ota kantaa siihen järjestelmän mitoitukseen ja investoinnin taloudelliseseen kannattavuuteen. Mitä enemmän uusiutuvaa energiaa tuotetaan suhteessa ostoenergiaan, sitä pienempi osuus siitä pystytään käyttämään suoraan rakennuksessa. Aurinkosähköjärjestelmän vuosituottoa on tässä tarkastelussa verrattava sähkön vuosittaiseen kokonaisostoenergiaan mukaanlukien kuluttajasähkö. Voss et al. 5 osoittivat, että aurinkosähköön perustuva nettonollaenergiatalo (ei akkuja) Tukholmassa pystyy käyttämään tuottamastaan sähköenergiasta enintään 28 %. Tämä tulee ilmi, kun tuoton ja kulutuksen vastaavuutta tarkastellaan riittävän lyhyellä aikajaksotuksella. 6 Voss et al. tarkastelivat simulaation avulla nettonollaenergiatalon energiatasetta eri aikaresoluutioilla. Vuositason tarkastelussa kulutus ja tuotto ovat jo määritelmällisestikin yhtä suuret. Kuukausitason tarkastelussa tuoton ja kulutuksen ajallinen vastaavuus oli enintään 68 %. Kymmenen minuutin aikaresoluutiolla tuoton ja kulutuksen ajallinen vastaavuus oli enintään 28 %. Todellisuudessa aikaresoluutio on vieläkin pienempi, sillä kysymys on tuoton ja kulutuksen tehon vastaavuudesta. Widén ja Karlsson 7 ovat kuitenkin osoittaneet, että minuutin ja tunnin tarkkuudella tehdyissä tarkasteluissa on vain muutaman prosentin ero. Tuoton ja kulutuksen ajallisen vastaavuuden vertaaminen tuntitasolla on siten riittävän tarkka. Voss et al. tulosten mukaan kuukausitason tarkastelu sen sijaan voi olla harhaanjohtava. Aurinkoenergianjärjestelmän tuotto on voitu jo pitkään laskea tuntitasoisesti, mutta tyypillisen sähkönkulutuksen kuvaaminen tuntitasoisesti on haastavampaa. Tyypillistä käyttöä kuvaavia tuntitason käyttöprofiileja eri rakennustyypeille ei ole ollut yleisesti käytössä ennen syksyä 2013. 4 GBC Finland Rakennusten elinkaarimittarit 2013, 23. 5 Voss, Karsten et al: Load Matching and Grid Interaction of Net Zero Energy Buildings. Proceedings of the EuroSun Conference, Graz, 2010, Fig 4. Voss et al. viittaavat simulaatiotulokseen, jonka alkuperäislähde on: Widén, J: Value of on-site electricity generation example calculations with different types of metering for an individual household. 6 Voss et al. käyttivät 10 minuutin aikajaksotukseen perustuvaa tarkastelua. 7 Widén & Karlsson: En-user value of on-site domestic photovoltaic generation with different metering options in Sweden. Eurosun-konferenssi 2010, 7 8. 11
100 % sähkön ostoenergiasta 90 80 70 60 50 ENERGIANKÄYTÖN CO2e- PÄÄSTÖJÄ VÄHENTÄVÄ OSUUS + VERKKOON SYÖTETTÄVÄ OSUUS TUULITURBIINIIN PERUSTUVA TUOTTO: CO2e-PÄÄSTÖJÄ VÄHENTÄVÄ OSUUS AURINKOPANEELIT + AKKU + DSM: CO2e-PÄÄSTÖJÄ VÄHENTÄVÄ OSUUS AURINKOPANEELIT ILMAN AKKUA: CO2e-PÄÄSTÖJÄ VÄHENTÄVÄ OSUUS 40 30 20 10 0 laskennallinen tuotto-odotus kwh/a Kuva 10. Arvioita rakennuksessa käytettävän omavaraisenergian enimmäisosuudesta laskennallisen tuoton lähestyessä rakennuksen sähkön ostoenergiankulutusta. 8 Standardin EN 15978 mukaisesti tarkasteltuna vain rakennuksessa käytetty aurinko- ja tuulisähkö pienentävät rakennuksen elinkaaren CO 2 e-päästöä. 3,00 3,00 2,50 2,50 2,00 2,00 1,50 1,50 1,00 1,00 0,50 0,50 0,00 0,00 Kuvat 11 ja 12. Tuoton ja kulutuksen ajallinen vastaavuus huhtikuun (ylh.) ja kesäkuun (alh.) keskimääräisinä päivinä erilaisilla paneelien suuntauksilla. Kulutusprofiili perustuu ympäristöministeriön tutkimushankkeessa syksyllä 2013 määriteltyyn tyypilliseen pientalon sähkönkulutukseen. Käyttöveden tai tilojen lämmityksen mahdollista sähkönkulutusta ei ole huomioitu tässä tarkastelussa. Sähkönkulutus painottuu iltaan, jolloin aurinkosähköpaneelien kääntäminen lounaaseen tai länteen parantaa tuoton ja kulutuksen ajallista vastaavuutta. 12
Sähkön käyttöprofiiliin 5H+K-pientaloasunnossa on sisällytetty: 2.3.2 Tuoton ja kulutuksen ajallisen kohtaamisen optimointi Tuoton ja kulutuksen eriaikaisuutta voidaan vähentää kahdella tavalla: vaikuttamalla energian käyttöön (DSM eli demand side management) tai energian tuottoon (esimerkiksi aurinkopaneelien kallistuskulma tai sähkön varastointi akkuun). 25 valaistus kannettava tietokone pöytätietokone televisio pyykinpesukone 4krt/vko astianpesukone 6krt/vko uuni 5 krt/vko liesi pakastin jääkaappi kuivausrumpu 4 krt/vko 10º 18º 30º 40º 45º 90º Vossin mukaan Espanjassa ja Saksassa aurinkosähkötalon varustaminen akulla nosti rakennuksessa käytettävän osuuden noin kaksinkertaiseksi viikkotason tarkastelussa. 9 Energiankulutuksen ja uusiutuvan omavaraisenergian tuoton ajallisesta vastaavuudesta Suomessa on käytettävissä toistaiseksi verrattain niukasti tietoa. 20 15 10 Seuraavassa tarkastellaan, voidaanko paneelien suuntauksella vaikuttaa tuoton ja kulutuksen ajalliseen kohtaamiseen asuinrakennuksissa. 5 0 3,00 2,50 2,00 3500 3000 2500 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN TUOTTO-ODOTUS kwh/a 1,50 1,00 2000 1500 1000 0,50 500 0,00 0 ITÄ 90º ETELÄ 45º ETELÄ 90º LOUNAS 18º LOUNAS 45º LOUNAS 90º LÄNSI 18º LÄNSI 90º aurinkosähköjärjestelmän -odotus kwh/a Kuva 13. Tuoton ja kulutuksen ajallinen vastaavuus marraskuun keskimääräisenä päivänä erilaisilla paneelien suuntauksilla. Kuvat 14 ja 15. Etelään suunnattu pystysuuntainen järjestelmä tuottaa optimaalista suuntausta vähemmän vuositasolla, mutta tuotto jakautuu tasaisemmin eri kuukausille (ylh.). 5H+K pientalon tuntitason kulutusprofiiliin vastaa parhaiten pystysuuntainen, länteen suunnattu järjestelmä, mutta sen vuosituotto on jo selvästi suurinta saatavissa olevaa tuottoa pienempi (alh.). 8 Lylykangas, Lahti & Vainio: Ilmastotavoitteita toteuttava asemakaavoitus. Aalto-yliopisto 2013. 9 Voss, Karsten & Musall, Eike: Net Zero Energy Buildings Definition(s), Load Matching and Grid Interaction. Luentoaineisto 22.9.2011. Energy Science Center ESC, ETH Zürich, Switzerland 2011, 37. 13
2.4 Vaikutus E-lukuun Taulukossa x esitetään yhden paneelineliömetrin tuoton vaikutus pientalon E-lukuun. Aurinkosähköpaneelineliömetrin tuotto on laskettu RakMK D5:n esittämällä tavalla. RakMK D3 2012:n mukaisesti rakennuksen omaan käyttöönsä tuottama aurinkosähkö pienentää rakennuksen E- lukua. Rakennusten energiatehokkuusdirektiivin (EPBD) mukaisesti Suomessakin valmistaudutaan toteuttamaan uudisrakentaminen lähes nollaenergiataloina vuoden 2020 jälkeen. Tämän on ennakoitu edellyttävän rakennuksen energiataseen tarkstelua, jossa verkkoon syötettävä sähköja lämpöenergia pienentää rakennuksen E-lukua. Suomen rakentamismääräyskokoelmassa tämä edellyttäisi ainoastaan verkkoon syötettävää energiaa kuvaavien nuolien lisäämistä RakMK D3:n mukaiseen kaavioon. Lopputulos vastaisi REHVAn kuvausta lähes nettonollaenergiatalojen tasetarkastelusta. Tarkastelun taseraja on vielä erikseen määriteltävä. Taserajasta riippuu, lasketaanko uusiutuvaksi omavaraisenergiaksi vain tontilla tuotettu aurinko- ja tuulienergia sekä lämpöpumppujen tuotto, vai sisällytetäänkö käsitteeseen lähistöllä tuotettu uusiutuva energia, esimerkiksi uusiutuvilla energialähteillä tuotettu kaukolämpö tai tontin lähistöllä tuotettu tuulisähkö. Mikäli Suomen rakentamismääräyskokoelmassa siirrytään REHVAn esittämään määritelmään, rakennuksessa tuotettu aurinkosähkö pienentää E-lukua riippumatta siitä, käytetäänkö se rakennuksessa vai viedäänkö se verkkoon. Energiatehokkuusdirektiivi EPBD ei sisällytä rakennuksen energiankulutukseen ns. pistorasiasähköä eli kuluttajalaitteiden sähköenergiankulutusta. Käytännössä pistorasiasähkön sisällyttäminen lähes nettonollaenergiatalojen energiataseeseen RakMK D3:n mukaisesti on kuitenkin järkevää. Rakennuksen CO 2 e-päästölaskentaa ohjeistavan standardin EN 15978:n mukaan rakennuksesta verkkoon syötettävä sähkö ei pienennä rakennuksen elinkaaren hiilijalanjälkeä. PANEELINELIÖMETRIN TUOTON VAIKUTUS E-LUKUUN kwh/(m²a) ETELÄÄN KAAKKOON/ ITÄÄN netto- LOUNAASEEN LÄNTEEN lattia-ala (m²) <30 tai >70 30-70 <30 tai >70 30-70 50 3,9 4,6 3,1 3,9 55 3,5 4,2 2,8 3,5 60 3,2 3,9 2,6 3,2 65 3,0 3,6 2,4 3,0 70 2,8 3,3 2,2 2,8 75 2,6 3,1 2,1 2,6 80 2,4 2,9 1,9 2,4 85 2,3 2,7 1,8 2,3 90 2,2 2,6 1,7 2,2 95 2,0 2,4 1,6 2,0 100 1,9 2,3 1,5 1,9 105 1,8 2,2 1,5 1,8 110 1,8 2,1 1,4 1,8 115 1,7 2,0 1,3 1,7 120 1,6 1,9 1,3 1,6 125 1,5 1,9 1,2 1,5 130 1,5 1,8 1,2 1,5 135 1,4 1,7 1,1 1,4 140 1,4 1,7 1,1 1,4 145 1,3 1,6 1,1 1,3 150 1,3 1,5 1,0 1,3 155 1,2 1,5 1,0 1,2 160 1,2 1,5 1,0 1,2 165 1,2 1,4 0,9 1,2 170 1,1 1,4 0,9 1,1 175 1,1 1,3 0,9 1,1 180 1,1 1,3 0,9 1,1 185 1,0 1,3 0,8 1,0 190 1,0 1,2 0,8 1,0 200 1,0 1,2 0,8 1,0 205 0,9 1,1 0,8 0,9 210 0,9 1,1 0,7 0,9 215 0,9 1,1 0,7 0,9 220 0,9 1,1 0,7 0,9 225 0,9 1,0 0,7 0,9 230 0,8 1,0 0,7 0,8 235 0,8 1,0 0,7 0,8 240 0,8 1,0 0,6 0,8 245 0,8 0,9 0,6 0,8 250 0,8 0,9 0,6 0,8 Taulukko 1: Yhden aurinkosähköpaneelineliömetrin tuoton vaikutus E-lukuun Oulussa. 14
Taulukot 2 7: Aurinkosähköjärjestelmän vaikutus E-lukuun yksikerroksisessa pientalossa. Taulukon x-akseilla on rakennuksen harjan suuntainen päämitta ja y-akselilla runkosyvyys. Mitat ovat rakennusoikeuden laskennassa käytettäviä mittoja (ulkoseinän paksuudeksi oletetaan 250 mm). Suurissa yksikerroksisissa pientaloissa harjakaton etelään suuntautuvalle lappeelle sijoitettava aurinkosähköjärjestelmä riittää Oulussa tekemään rakennuksesta nettonollaenergiatalon (E=0), kun kattokulma on 40-70. NETTOLATTIA-ALA 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 6 41,25 46,75 52,25 57,75 63,25 68,75 74,25 79,75 85,25 90,75 96,25 101,8 107,3 112,8 118,3 123,8 129,3 134,8 7 48,75 55,25 61,75 68,25 74,75 81,25 87,75 94,25 100,8 107,3 113,8 120,3 126,8 133,3 139,8 146,3 152,8 159,3 8 56,25 63,75 71,25 78,75 86,25 93,75 101,3 108,8 116,3 123,8 131,3 138,8 146,3 153,8 161,3 168,8 176,3 183,8 9 63,75 72,25 80,75 89,25 97,75 106,3 114,8 123,3 131,8 140,3 148,8 157,3 165,8 174,3 182,8 191,3 199,8 208,3 10 71,25 80,75 90,25 99,75 109,3 118,8 128,3 137,8 147,3 156,8 166,3 175,8 185,3 194,8 204,3 213,8 223,3 232,8 11 78,75 89,25 99,75 110,3 120,8 131,3 141,8 152,3 162,8 173,3 183,8 194,3 204,8 215,3 225,8 236,3 246,8 257,3 12 86,25 97,75 109,3 120,8 132,3 143,8 155,3 166,8 178,3 189,8 201,3 212,8 224,3 235,8 247,3 258,8 270,3 281,8 13 93,75 106,3 118,8 131,3 143,8 156,3 168,8 181,3 193,8 206,3 218,8 231,3 243,8 256,3 268,8 281,3 293,8 306,3 14 101,3 114,8 128,3 141,8 155,3 168,8 182,3 195,8 209,3 222,8 236,3 249,8 263,3 276,8 290,3 303,8 317,3 330,8 15 108,8 123,3 137,8 152,3 166,8 181,3 195,8 210,3 224,8 239,3 253,8 268,3 282,8 297,3 311,8 326,3 340,8 355,3 ETELÄPUOLEN KATTOPINTA-ALA 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 6 40,6 45,2 49,7 54,2 58,7 63,2 67,7 72,3 76,8 81,3 85,8 90,3 94,8 99,4 103,9 108,4 112,9 117,4 7 46,5 51,7 56,9 62,0 67,2 72,4 77,5 82,7 87,9 93,0 98,2 103,4 108,5 113,7 118,9 124,1 129,2 134,4 8 52,4 58,2 64,0 69,9 75,7 81,5 87,3 93,1 99,0 104,8 110,6 116,4 122,3 128,1 133,9 139,7 145,5 151,4 9 58,3 64,7 71,2 77,7 84,2 90,6 97,1 103,6 110,1 116,5 123,0 129,5 136,0 142,4 148,9 155,4 161,9 168,3 10 64,1 71,3 78,4 85,5 92,7 99,8 106,9 114,0 121,2 128,3 135,4 142,5 149,7 156,8 163,9 171,0 178,2 185,3 11 70,0 77,8 85,6 93,4 101,1 108,9 116,7 124,5 132,3 140,0 147,8 155,6 163,4 171,2 178,9 186,7 194,5 202,3 12 75,9 84,3 92,8 101,2 109,6 118,1 126,5 134,9 143,4 151,8 160,2 168,6 177,1 185,5 193,9 202,4 210,8 219,2 13 81,8 90,9 99,9 109,0 118,1 127,2 136,3 145,4 154,4 163,5 172,6 181,7 190,8 199,9 209,0 218,0 227,1 236,2 14 87,6 97,4 107,1 116,9 126,6 136,3 146,1 155,8 165,5 175,3 185,0 194,8 204,5 214,2 224,0 233,7 243,4 253,2 15 93,5 103,9 114,3 124,7 135,1 145,5 155,9 166,2 176,6 187,0 197,4 207,8 218,2 228,6 239,0 249,4 259,8 270,2 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN TUOTTO / RakMK D5 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 6 4723 5248 5772 6297 6822 7347 7871 8396 8921 9446 9970 10495 11020 11545 12070 12594 13119 13644 7 5405 6006 6607 7207 7808 8408 9009 9610 10210 10811 11411 12012 12613 13213 13814 14414 15015 15616 8 6088 6764 7441 8117 8794 9470 10147 10823 11500 12176 12852 13529 14205 14882 15558 16235 16911 17588 9 6771 7523 8275 9027 9780 10532 11284 12037 12789 13541 14293 15046 15798 16550 17303 18055 18807 19559 10 7453 8281 9109 9938 10766 11594 12422 13250 14078 14906 15734 16563 17391 18219 19047 19875 20703 21531 11 8136 9040 9944 10848 11752 12656 13560 14463 15367 16271 17175 18079 18983 19887 20791 21695 22599 23503 12 8818 9798 10778 11758 12738 13717 14697 15677 16657 17637 18616 19596 20576 21556 22536 23515 24495 25475 13 9501 10556 11612 12668 13723 14779 15835 16890 17946 19002 20057 21113 22169 23224 24280 25336 26391 27447 14 10183 11315 12446 13578 14709 15841 16972 18104 19235 20367 21498 22630 23761 24893 26024 27156 28287 29419 15 10866 12073 13281 14488 15695 16903 18110 19317 20525 21732 22939 24147 25354 26561 27769 28976 30183 31391 E-LUKUA VÄHENTÄVÄ VAIKUTUS 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 6 194,6 190,8 187,8 185,4 183,4 181,7 180,2 179,0 177,9 176,9 176,1 175,4 174,7 174,1 173,5 173,0 172,6 172,1 7 188,5 184,8 181,9 179,5 177,6 175,9 174,5 173,3 172,3 171,4 170,5 169,8 169,2 168,6 168,0 167,6 167,1 166,7 8 184,0 180,4 177,5 175,2 173,3 171,7 170,4 169,2 168,2 167,3 166,5 165,8 165,1 164,5 164,0 163,5 163,1 162,7 9 180,5 177,0 174,2 172,0 170,1 168,5 167,2 166,0 165,0 164,1 163,4 162,7 162,0 161,5 161,0 160,5 160,1 159,7 10 177,8 174,3 171,6 169,4 167,5 166,0 164,7 163,5 162,5 161,7 160,9 160,2 159,6 159,0 158,5 158,1 157,6 157,3 11 175,6 172,2 169,5 167,3 165,4 163,9 162,6 161,5 160,5 159,7 158,9 158,2 157,6 157,1 156,6 156,1 155,7 155,3 12 173,8 170,4 167,7 165,5 163,7 162,2 160,9 159,8 158,9 158,0 157,3 156,6 156,0 155,4 154,9 154,5 154,1 153,7 13 172,3 168,9 166,2 164,1 162,3 160,8 159,5 158,4 157,5 156,6 155,9 155,2 154,6 154,1 153,6 153,1 152,7 152,4 14 171,0 167,6 165,0 162,8 161,1 159,6 158,3 157,2 156,3 155,4 154,7 154,0 153,4 152,9 152,4 152,0 151,6 151,2 15 169,9 166,5 163,9 161,8 160,0 158,5 157,3 156,2 155,2 154,4 153,7 153,0 152,4 151,9 151,4 151,0 150,6 150,2 15
E-LUKUVAATIMUS / RakMK D3 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 6 - - 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 198,8 191,1 183,4 7-204 204 204 204 204 204 204 204 204 204 203,7 194,6 185,5 176,4 167,3 162,3 161,9 8 204 204 204 204 204 204 204 204 204 198,8 188,3 177,8 167,3 162,2 161,7 161,2 160,7 160,1 9 204 204 204 204 204 204 204 199,5 187,6 175,7 163,8 162 161,4 160,8 160,2 159,6 159 158,4 10 204 204 204 204 204 204 192,5 179,2 165,9 162 161,4 160,7 160 159,4 158,7 158 157,4 156,7 11 204 204 204 204 203 188,3 173,6 162,3 161,6 160,9 160,1 159,4 158,7 157,9 157,2 156,5 155,7 155 12 204 204 204 203 186,9 170,8 162,1 161,3 160,5 159,7 158,9 158,1 157,3 156,5 155,7 154,9 154,1 153,3 13 204 204 204 188,3 170,8 162,1 161,2 160,3 159,4 158,6 157,7 156,8 155,9 155,1 154,2 153,3 152,4 151,6 14 204 204 192,5 173,6 162,1 161,2 160,2 159,3 158,4 157,4 156,5 155,5 154,6 153,6 152,7 151,7 150,8 149,8 15 204 199,5 179,2 162,3 161,3 160,3 159,3 158,3 157,3 156,3 155,2 154,2 153,2 152,2 151,2 150,2 149,1 148,1 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN VAIKUTUS E-LUKUUN VÄHIMMÄISVAATIMUSTEN MUKAISESSA RAKENNUKSESSA 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 6 - - 16,2 18,6 20,6 22,3 23,8 25,0 26,1 27,1 27,9 28,6 29,3 29,9 30,5 25,7 18,5 11,2 7-19,2 22,1 24,5 26,4 28,1 29,5 30,7 31,7 32,6 33,5 33,8 25,4 16,9 8,3-0,3-4,8-4,8 8 20,0 23,6 26,5 28,8 30,7 32,3 33,6 34,8 35,8 31,5 21,8 12,0 2,1-2,3-2,3-2,4-2,5-2,6 9 23,5 27,0 29,8 32,0 33,9 35,5 36,8 33,4 22,5 11,5 0,4-0,7-0,6-0,7-0,7-0,9-1,0-1,2 10 26,2 29,7 32,4 34,6 36,5 38,0 27,8 15,6 3,3 0,4 0,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,0-0,3-0,6 11 28,4 31,8 34,5 36,7 37,5 24,3 10,9 0,8 1,1 1,2 1,2 1,2 1,1 0,9 0,6 0,3 0,0-0,3 12 30,2 33,6 36,3 37,4 23,1 8,5 1,2 1,5 1,7 1,7 1,7 1,5 1,3 1,1 0,7 0,4 0,0-0,4 13 31,7 35,1 37,8 24,2 8,5 1,3 1,7 1,9 2,0 1,9 1,8 1,6 1,3 1,0 0,6 0,2-0,3-0,8 14 33,0 36,4 27,5 10,7 1,1 1,6 1,9 2,1 2,1 2,0 1,8 1,5 1,1 0,7 0,3-0,2-0,8-1,4 15 34,1 32,9 15,3 0,6 1,3 1,8 2,0 2,1 2,0 1,8 1,6 1,2 0,8 0,3-0,2-0,8-1,4-2,1 Taulukoissa 2 7 on tarkasteltu pientalon harjakaton etelälappeen aurinkosähkön tuottopotentiaalia seuraavin oletuksin: Pientalo on energiankulutukseltaan RakMK D3 2012:n minimitason mukainen harjakattoinen rakennus. Harjakaton aurinkoinen lape viettää etelään/kaakkoon/ lounaaseen, kattokulma on 40 astetta. Päätyräystäs 0,5 m ja sivuräystäs 0,6 m. Aurinkopaneeli on piipohjainen yksikiteinen kenno, Kmaks = 0,16 kw/m², paneeli on hyvin tuulettuva. Aurinkosähköpaneelit peittävät koko etelälappeen, paneelipinta-ala on 85 % etelälappeen kattopinta-alasta. Kaikki läpiviennit ovat pohjoislappeella, ei ympäristön varjostusta. Kun rakennuksen nettolattia-ala on yli 150 m², pientaloille vuonna 2012 asetettu E-lukuvaatimus on tiukempi, ja etelään suuntautuvan harjakaton lappeen aurinkosähkön tuottopotentiaali riittää tekemään rakennuksesta nettonollaenergiatalon. Pienemmissä rakennuksissa etelälappeen paneelipinta-ala ei riitä näillä oletuksilla nollataseeseen saakka. Kattokulman jyrkentyessä tulos paranee aina 70 asteeseen saakka, koska etelälappeen ja aurinkosähköjärjestelmän pinta-ala kasvaa ja RakMK D5:n mukainen tuotto paneelineliömetriä kohti säilyy ennallaan 70 asteeseen saakka. Kattokulman loiventuessa 40 asteesta tuottava pinta-ala pienenee, ja vaikka 30 asteen kulmassa yhden paneelineliömetrin laskennallinen tuotto on yhä sama kuin yllä olevassa tapauksessa (136,7 kwh/(m²a)), etelälappeen tuottopotentiaali ei enää riitä tekemään rakennuksesta nettonollaenergiataloa. RakMK D5 antaa piipohjaisen yksikiteisen kennon hyötysuhteelle vaihteluvälin 0,12 0,18 kw/m². Mikäli käytetään vaihteluväli parasta arvoa, yli 150 m²:n omakotitaloissa etelälappeen tuottopotentiaali riittää nettonollaenergiatavoitteeseen myös 30 asteen kattokulmalla. 18 asteen kattokulmalla hyötysuhteeltaan tehokkaampi paneelikaan ei riitä. 2.5 Varjostuksen vaikutus Seuraavassa on tarkasteltu varjostavan ympäristön vaikutusta aurinkosähköjärjestelmän tuottoon. Varjostuksella tarkoitetaan yhtenäistä, koko horisontin mittaista estettä, kuten metsän reunaa tai yhtenäistä umpikorttelin reunaa. Varjostuksen vaikutusta on kuvattu kulmalla, joka osoittaa esteen varjostavan vaikutuksen suhteessa paneelin alareunan korkeudelle asetettuun vaakatasoon. Tarkastelut osoittavat, että 4 asteen kulmassa tapahtuvaa varjostusta voidaan vielä pitää vähäisenä, mutta 9,5 asteen varjostus heikentää aurinkosähköjärjestelmän tuottoa jo merkittävästi. 16
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 10 18 30 40 45 90 Kuva 16: Varjostuksen vaikutus kaakkoon suunnatun aurinkosähköjärjestelmän tuottoon eri kallistuskulmilla. Järjestelmässä on 18 paneelia, pinta-ala yhteensä 28,8 m². Varjostus vaikuttaa erityisesti pystysuuntaisen aurinkosähköjärjestelmän tuottoon. EI VARJOSTUSTA VARJOSTUS 4 VARJOSTUS 9,5 3500 3000 ETELÄÄN 2500 2000 1500 1000 500 0 10 18 30 40 45 90 3500 3000 LOUNAASEEN 2500 2000 1500 1000 500 0 10 18 30 40 45 90 Kuva 17: Varjostuksen vaikutus etelään (ylh.) ja lounaaseen (alh.) suunnatun aurinkosähköjärjestelmän tuottoon eri kallistuskulmilla. Järjestelmässä on 18 paneelia, pinta-ala yhteensä 28,8 m². Varjostus vaikuttaa erityisesti pystysuuntaisen aurinkosähköjärjestelmän tuottoon. 17
2.6 Johtopäätöksiä Mikäli aurinkoenergiajärjestelmä suunnitellaan tuottamaan mahdollisimman paljon rakennuksessa hyödynnettävää energiaa, suuntausten ja kulmien valinnassa ei ole tarkoituksenmukaista pyrkiä vuosittaisen tuoton maksimointiin, vaan tuoton ulottamiseen ajallisesti mahdollisimman paljon syksyyn, talveen ja kevääseen. Tähän tarkoitukseen saattaa soveltua hyvin esimerkiksi pystysuuntaiseen rakennuksen pintaan integroitu järjestelmä, jota lumi ei missään vaiheessa peitä. Tuoton ajallinen optimointi on perusteltua myös taloudellisesti, koska verkkoon syötettävästä pientuotannosta ei makseta ostettavan energian hintaa vastaavaa korvausta. Kun asuinrakennuksen tuoton ja kulutuksen kohtaamiseen pyritään vaikuttamaan paneelien suuntauksella, tässä tutkimuksessa hyödynnetyn käyttöprofiilin perusteella lounais- ja länsisuuntaukset johtaisivat parempaan tulokseen kuin eteläsuuntaus. Jos käytetään pystysuuntaisesti sijoitettavaa, länteen suunnattua järjestelmää, tuoton ja kulutuksen kohtaamista pystytään merkittävästi parantamaan, mutta samalla vuosituotto heikkenee huomattavasti. Toisaalta voidaan myös kyseenalaistaa käyttöprofiilin yleispätevyys. Erilaisten ruokakuntien päivittäinen käyttöprofiili vaihtelee huomattavasti. Paras ajallinen kohtaaminen saavutettaisiin suunnittelemalla suuntaukset mitatun kulutuksen mukaisesti. Edustavin käyttöprofiili saataisiin todennäköisesti kuvaamalla käyttöä ruokakunnittain eikä asuntotyypeittäin. Rakennuksen käyttäjä ja ruokakunnan koko saattavat kuitenkin vaihdella aurinkosähköjärjestelmän elinkaaren (25 30 vuotta) aikana. Kun suunnitteluperiaatteena on tuoton ja kulutuksen kohtaamisen parantaminen, riskinä on että muutokset rakennuksen käytössä tai uusiutuvan energian tukipolitiikassa muuttavat järjestelmän kannattavuutta. Jos sähköverkkoon myydystä sähkön pientuotannosta saadaan lähes ostosähkön hinta, vuosituoton maksimointi on taloudellisesti kannattavin mitoitusperiaate. Kun asemakaavoituksessa halutaan luoda potentiaali aurinkosähkön hyödyntämiseen, on kiinnitettävä huomiota yhtenäisen varjostavan rakenteen, kuten metsän tai rakennusrivistön korkeuteen ja etäisyyteen rakennuspaikasta. Varjostamattomassa tilanteessa harjakattoinen, yksikerroksinen pientalo, jonka katon toinen lape suuntautuu 30 70 asteen kulmassa kaakkoon, etelään tai lounaaseen, on nykyisten määräysten mukaisin laskentatavoin tasokorotettavissa nettonollaenergiataloksi, jos koko etelään suuntautuva katon lape varataan aurinkosähköjärjestelmälle. Keskikokoisessa, Ouluun rakennettavassa pientalossa optimaalisesti suunnattu aurinkopaneelineliömetri pienentää rakennuksen E-lukua on noin 1,4:llä, kun ympäristö ei varjosta aurinkosähköjärjestelmää. 18
3.Aurinkolämpö 3.1 Metodi ja lähtötiedot Aurinkolämpö on simuloitu Getsolar Professional 11.0.3 -ohjelmalla. Ohjelmassa käytetty säätieto on sveitsiläisen Meteonorm-tietopankin Oulun sää. Tietopankin säätiedot (vrt. kuva 1) ovat mitattua dataa, auringon säteilytiedot on interpoloitu vastaamaan Oulun auringonsäteilyä. Aurinkolämpöä käytetään ensisijaisesti lämpimän käyttöveden ja pesuhuoneen mukavuuslattialämmityksen tuottoon ja toissijaisesti rakennuksen lämmitystä tukevaksi lämmitysmuodoksi. Mitoituksen pohjana on lämpimän käyttöveden, mukavuuslämmityksen ja talon lämmityksen oletettu kulutus. Käyttöveden kulutuksen oletuksessa on lähdetty Suomen Rakmk:n D3 (2012) määräyksestä (taulukko 5), jonka mukaan käyttöveden ominaiskulutus asuinrakennuksessa on 600 dm³/m²a tai 35 kwh/m²a. Näitä lähtötietoja on kuitenkin pienennetty 20 %, koska toisaalta on tiedossa, että D3:n mitoitus on yleensä liian suuri ja toisaalta siksi, että osassa asuntoja asuu kaksi aikuista, jolloin lämpimän käyttöveden tarve on normikulutusta pienempää. Simulaatioissa käytetään arvoja 480 dm³/m²a tai 28 kwh/m²a. Mukavuuslämmityksen kulutuksen oletuksena on 130 kwh/m² vuodessa. Oletus on tehty IDA-simuloinnin perusteella käyttäen tyypillisiä pesuhuoneen rakenteita ja oletusta siitä, että mukavuuslämmityksellä nostetaan pesuhuoneen lämpötilaa kolme astetta (21 ºC -> 24 ºC). Mukavuuslämmitys on oletettu olevan vain pesuhuoneessa, jonka oletettu koko on 4 m² omakotitalossa ja 3,5 m² kerrostaloasunnossa. Lämmitystä tukevan järjestelmän kulutustietona on käytetty kulloisenkin rakennuksen IDA-simuloinnin perusteella laskettua lämmitysenergian tarvetta. Kuva 18: Meteonorm-tietokannan tiedot globaalisäteilystä ja lämpötiloista Oulussa, tässä kuukausitason tietoina. 19
3.2 Omakotitalon simulointi Omakotitalon simulointi on tehty samankokoiselle omakotitalolle kuin tämän raportin omakotitalon IDA-simulointikin, eli kaksikerroksiselle rakennukselle, jonka nettopinta-ala on 141 m². Simuloitavassa tapauksessa (141 m² omakotitalo tyypillisellä henkilökuormalla) sopiva keräinpinta-ala on 6 m², kun kyseessä on käyttöveden tuottaminen aurinkolämpöjärjestelmällä. Simuloinnit on tehty tällä keräinpinta-alalla. Tuottovertailussa (eri kaltevuuden ja suuntakulman simulaatiossa) on lähtökohtana se, että 1 m² apertuuripinta-ala lämmittää 30,85 l vettä 5 C lämpötilasta 55 ºC lämpötilaan vuorokaudessa (1,79 kwh/vrk). Optimitapauksessa, noin 50 asteen kaltevuudella ja asennuksella suoraan etelään, aurinkolämpöjärjestelmä kattaa vuositasolla noin 50% lämpimän käyttöveden tarpeesta. Simuloinnin tulokset esitetään muodossa kwh/m² keräinpinta-alaa. Syy tähän on se, että kun järjestelmä mitoitetaan kulutuksen mukaan tuottamaan 50 % lämpimän käyttöveden vuositarpeesta, on tällainen järjestelmä skaalattavissa varsin hyvin tarvittavaan kokoon käyttäen m²-perusteisia tuottoarvoja, kunhan keräinpinta-ala pysyy välillä 4-12 m². Rakennuskoossa tämä merkitsee vaihtelua pienen omakotitalon ja paritalon välillä. Simulointi on tehty kahdessa osassa. 1) Ensiksi on tutkittu kuukausisäteily ja tuotto yhdeksään ilmansuuntaan, seitsemällä eri asennuskulmalla ja ilman varjoa, jotta voidaan nähdä myös talviajan tuotto. Käytännössä lumisella ajalla kaikki muut kaltevuudet kuin 90 astetta ovat lumen peitossa suunnilleen saman ajan kuin lunta on maassa, jolloin tuottoa ei ole lainkaan. 2) Toisessa vaiheessa on tehty optimitapauksen (50º asennuskulma, suuntaus suoraan etelään) tarkempi simulointi siten, että talviaikana (19.10. 25.2.) keräinten oletetaan olevan varjossa. Tämä vastaa suurin piirtein aikaa, jolloin keräimet ovat normaalitapauksessa myös lumen peitossa. Simulaatiossa suora säteily on tänä aikana suodatettu kokonaan pois, mutta hajasäteily päässee edelleen 100-prosenttisesti keräimeen. 3) Lisäksi on tehty tarkastelu lämmitystä tukevalle aurinkolämpöjärjestelmälle. Käyttöveden tuntikohtainen kulutusprofiili on otettu Ympäristöministeriön julkaisusta Lämmitysjärjestelmät ja lämmin käyttövesi laskentaopas 2012 Julkaisun taulukon kulutusprosenttien summa, joka on pyöristyksistä johtuen 102 %, kuitenkin korjattiin lukuun 100 % vähentäen keskipäivän kulutusta taulukkoon verrattuna. Tämä heikentää aurinkolämmön tulosta jonkin verran ja antaa siten tuloksen, jonka virhemarginaali on turvallisella puolella. Käytetty tuntiprofiili on nähtävissä tämän raportin kuvassa 2. Kuva 19: Simulaatiossa käytetty kulutusprofiili. (lähde: Ympäristöministeriö: Lämmitysjärjestelmät ja lämmin käyttövesi -laskentaopas 2012, sivu 87, taulukko 6). Lähteessä ollut 102 % kulutussumma on muutettu 100 % kulutukseksi. 20
Simulaatiossa käytetyksi aurinkokeräimeksi valittiin saksalaisvalmisteinen Wagner Euro L22 AR, joka kuuluu hyviin tasokeräimiin, mutta ei silti aivan parhaimmistoon. Kyseisessä aurinkokeräimessä käytetään heijastuksenestopinnoitettua lasia, joka parantaa keräimen tuottoa. Hyvä keräin valittiin referenssiksi siksi, että keräinten kehitys menee koko ajan eteenpäin, jolloin käytetyn keräimen tuotto on tulevaisuudessa todennäköisesti lähellä keskiarvoa. Lisäksi sijoittaminen keräinten laatuun on erityisesti omakotitalossa suositeltavaa, jotta tuottoa syntyy jo kevättalven kylminä päivinä. 3.2.1 Omakotitalon simuloinnin lähtötiedot Rakennuksen pinta-ala: 141m² Lämpimän käyttöveden energiantarve: 10,82 kwh/vrk (186 l/vrk; 80 % D3 (2012) taulukko 5:n arvoista) kylmä vesi: 5 C lämmin vesi: 55 C varaajan tyyppi: käyttövesivaraaja varaajan tilavuus: 300 l varaajan eristys: PU-vaahto (vaippa 50 mm, pohja 50 mm, kansi 100 mm) lisälämmitin: sähkövastus (ei suositus, vaan laskennallisesti helpoin tapaus; Getsolar olettaa sähkövastukselle 99 % hyötysuhteen) varaajan yläosan min. lämpötila: 55 C varaajan max. lämpötila: 90 C aurinkokeräimet: 3 kpl Wagner&Co Euro L22 AR (2,01 m² tehokasta pinta-alaa/keräin) ominaiskäyrä: eta0 = 0,833 a1 = 3,550 W/(m² K) a2 = 0,0146 W/(m² K2) [lähde: Solar Keymark] kaltevuudet*: 0, 15, 30, 45, 60, 75, 90 suuntakulma etelästä: -90 (itä), -45 (kaakko), -30, -15, 0 (etelä), 15, 30, 45 (lounas, 90 (länsi) putkilinja: 2 x 15 m DN16 rst haitariputki josta 10 m rakennuksen sisällä ja 5 m rakennuksen ulkopuolella putkilinjan eristys: 20 mm Lämmönsiirtoneste: D4 mukaisesti myrkytön propyleeniglykoli/vesiseos seossuhteessa 50/50 keräinpiirin ominaisvirtaus: 35 l/m² tunnissa * Simulaatiot näillä kaltevuuksilla tehty ilman varjoa; näiden lisäksi on toisen vaiheen simulaatioon valittu 50,0 kaltevuudella tehty järjestelmä, jossa varjo ja talven aikana lumen peittämät keräimet on otettu huomioon. 3.2.2 Omakotitalon simuloinnin tulokset 3.2.2.1Tuottovertailut eri ilmansuutien välillä Aurinkolämmön ensimmäinen simulointi, jonka tulokset näkyvät alla, osoittaa selvästi, että järjestelmän tuotto on suurimmillaan lounas-kaakko-akselilla. 15 asteen poikkeama etelästä ei aiheuta käytännössä vielä minkäänlaista eroa järjestelmän tuotossa, 30 asteen poikkeama noin 5 prosenttia, 45 asteen poikkeama, eli kaakko ja lounas, noin 10 prosenttia. Sen sijaan 90 asteen poikkeama (itä tai länsi) verottaa tuottoa jo kolmanneksen. Tuloksista nähdään myös, että vuosituotto on suurimmillaan asennuskulmilla 45-75. Tuloksia tarkastellessa on kuitenkin muistettava, että käytännössä keräimet ovat talvella lumen peitossa niin kauan kuin maassa on lunta. Tämä olisi vältettävissä ainoastaan silloin, jos keräimet pystyasennossa. Vastaavasti hyvin loivat kulmat (alla 25 ) ovat käytännössä heikommat kuin näissä teoreettisissa tarkasteluissa, koska ne ovat kauemmin lumenpeitossa eikä niiden itsepuhdistus (sadeveden avulla) toimi yhtä hyvin kuin jyrkemmillä asennuskulmilla. 21
22
Kuva 20: Globaalisäteily ja keräinten vuosituotto yhdeksällä eri ilmansuunnalla idän ja lännen välillä. Näennäisesti huonommasta tuotosta huolimatta pystyasennus julkisivuun voi käytännössä olla varteenotettava vaihtoehto. Sen lisäksi, että pystyyn asennettu keräin ei koskaan ole lumen peitossa ja tuottaa myös talvella lämpöä, saadaan siitä puolen vuoden ajan käytännössä vakiomäärä lämpöä (kuva 2). Tämä mahdollistaa tietyn ylimitoituksen ilman järjestelmän kesäaikaista ylikuumenemista, jolloin päästään lämpimän käyttöveden osalta korkeampaan aurinkolämmön tuottoasteeseen. Tällä on merkitystä erityisesti nollaenergiataloon pyrkiessä. Pystyyn asennus on kuitenkin muita asennuskulmia herkempi varjostukselle, eli se voidaan tehdä vain avoimelle rakennuspaikalle. Lisäksi se on hyvin näkyvä ja rakennuksen ulkonäköä määrittävä tekijä, jolloin esteettiset näkökulmat on otettava huomioon. Kuva 21: Kuukausituotto 1m² keräinpinta-alalla etelään eri asennuskulmilla 70 60 50 40 30 20 10 0 0 15 30 45 60 75 90 23
3.2.2.2. Aurinkolämpöjärjestelmä optimiasennuskulmalla Tarkemmin tarkasteltavaksi optimitapaukseksi valittiin 50º asennuskulma suoraan etelään. Samalla sydäntalven aikana (19.10.-25.2.) keräimen oletetaan olevan varjossa, mikä simulaationa vastaa tilannetta, jolloin keräin on lumen peitossa. Tällöin pientä tuottoa syntyy ainoastaan hajasäteilystä. Keräimen talviaikainen varjo vastaa 60 metrin päässä keräimestä olevaa 20 metriä korkeaa metsän reunaa, kun keräimen asennuskorkeus on 7 metriä. Tulokset (taulukko 1) osoittavat, että vuositasolla yli 50 % lämpimästä käyttövedestä pystytään tuottamaan kyseisessä omakotitalossa kolmen keräimen järjestelmällä (apertuuripinta-ala yhteensä 6,03 m²), vaikka tuottoa ei talvella olisikaan (kuvat 3 ja 4). Tällainen aurinkolämpöjärjestelmä säästää 2254 kwh vuodessa. Kuva 5 näyttää, että järjestelmän mitoitus on kohdallaan, koska vain harvat piikit, jolloin saavutetaan 100 % käyttöaste, aiheuttavat tilanteen, että keräimen nestekierto pysähtyy ja keräimen lämpötila nousee kiehumispisteeseen. Tällaiset lämpötilapiikit eivät sinänsä ole vaarallisia, mutta saattavat pitkällä aikavälillä lyhentää keräimen ja varsinkin elinikää. Siksi järjestelmät kannattaa suunnitella sellaisiksi, että niitä vältetään. Tyypillisin keino piikkien torjumiselle on ottaa käyttöön numeroa suurempi varaaja. Taulukko 8 Getsolar-simulaation tulokset vuositasolla Taulukko 9: Simulaation tulokset kuukausitasolla 24
100% järjestelmän hyötysuhde 80% 60% kateaste lämmin käyttövesi 40% Kuva 22: Aurinkolämpöjärjestelmän kateaste ja hyötysuhde kuukausitasolla 20% tam hel maa huh tou kes hei elo syy lok mar jou keskiarvo Taulukko 10: Auringon tuotto ja energian säästö kuukausitasolla. Erot tuoton ja energian säästön välillä selittyvät sillä, että aurinkolämpöjärjestelmän pumpun vaatima energia pienentää tuottoa talvikaudella, kun taas simuloinnissa käytettävän sähköisen lisälämmityksen 99 % hyötysuhde aiheuttaa kesäaikana sen, että energian säästö on tuottoa suurempi. kwh 300 aurinkotuotto 250 200 energiasäästö 150 100 Kuva 23: Aurinkolämmön tuotto ja energiansäästö kuukausitasolla. 50 tam hel maa huh tou kes hei elo syy lok mar jou keskiarvo kuukausi 25
120 C 90 C 60 C 30 C Kuva 24: Tuntitason lämpötilat keräimessä ja käyttövesivaraajassa. Keräimen kiehuminen on onnistuttu pitämään kurissa. 0 C tam hel maa huh tou kes hei elo syy lok mar jou keräimen lämpötila: lämmönlähde: käyttövesivaraaja: 3.2.2.3 Lämmitystä tukeva aurinkolämpöjärjestelmä Lämmitystä tukeva aurinkolämpöjärjestelmä edellyttää huomattavasti käyttövesijärjestelmää suurempaa varaajaa sekä jyrkempää asennuskulmaa, jolloin järjestelmästä saadaan lämmityskaudella suurempi tuotto. Tällainen järjestelmä on mielenkiintoinen lähinnä silloin, kun taloon tulee muutenkin akkuvaraaja, eli yleensä maalämpöpumpun tai puukattilan (pelletti, hake, polttopuut) yhteydessä. Tähän tarkasteluun vertailtiin toisiinsa 10 m² keräinpinta-alaa 75 asennuskulmalla ja 12 m² keräinpinta-alaa 90 asennuskulmalla. Molemmissa järjestelmissä oli 1000 litran akkuvaraaja. Vertailun pohjaksi otettiin passiivitason omakotitalo, jossa vuotuinen lämmitysenergian tarve on 3500 kwh. Tällöin lämmitysjärjestelmää tukeva aurinkolämpöjärjestelmä muodostaa pohjan nollaenergiatalolle. Tuloksista (taulukot 4 ja 5) näkee, että lämmitysjärjestelmän kateaste jää kuitenkin varsin matalaksi. Se on kummankin järjestelmän kohdalla vain 16 %. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että lämmityskausi ja aurinkolämmön tuotto eivät osu ajallisesti yhteen. Suuren varaajan yhteydessä myös varaajan lämpöhäviöt syövät suuren osan järjestelmän tuotosta. Lämpimän käyttöveden kateasteen suhteen 10 m²:n järjestelmä jopa päihittää 12 m²:n järjestelmän, mikä johtuu erityisesti siitä, että 90 asennuskulma on kesäkuukausina selvästi 75 asennuskulmaa heikompi. Yhteenvetona voidaan sanoa, että lämmitystä tukeva aurinkolämpöjärjestelmä on Oulun korkeudella vaikea ja harvoin kustannustehokas yhtälö. 26