Rakennusten energiatehokkuus loppuenergialla, primaarienergialla ja CO 2 -päästöillä mitattuna Jarek Kurnitski Dosentti, TkT HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Laboratory of Heating, Ventilation and Air Conditioning 31.1.2008 Air academy 1 Swegon
Rakennuksen energiatehokkuus Keskeisiä valintoja tehdään jo arkkitehdin ensimmäisissä luonnoksissa (massoittelu ja aukotus) Tärkeät tekijät tehokkaat talotekniset järjestelmät, lasituksen laatutekijät ja vaipan lämmöneristävyys Ei osaoptimointia vaan kokonaisuuden hallintaa: Aseta sisäilmasto- ja energiatehokkuustavoitteet jo luonnossuunnitteluvaiheessa Rakennuslupavaiheessa annetaan lupauksia erityisesti taloteknisten järjestelmien tehokkuudesta, jotka pitää toteuttaa toteutussuunnitteluvaiheessa Energiaselvitys on päivitettävä ja pääsuunnittelijan on varmennettava se ennen rakennuksen käyttöönottoa Jatkossa tarvitaan myös vapaehtoinen menettely rakennuksen sisäilmastoluokan esittämiseen esim. Sisäilmastoluokitus 2008
Sitovia tavoitteita Kioton sopimus Vuosine 2008-2012 keskimääräiset kasvihuonekaasupäästöt vuoden 1990 tasolle Rakennusten energiatehokkuusdirektiivi (EPBD) Suomi siirtyy energialaskenta-aikaan 1.1.2008 Energiatodistus ja uusitut D3, C3, D5 Parantaa välillisesti energiatehokkuutta Energiapalveludirektiivi (ESD) kaikki myyty/siirretty energia (ei merenkulku, lentoliikenne ja päästökauppayritykset), ~198 TWh/a vuosina 2001-5 9 % energiansäästötavoite loppukulutuksesta 2008-2016 säästötavoite on 17,8 TWh eli ~2,0 TWh/a (2001-5 tasosta) EU:n energiansäästön toimenpideohjelma 20 % säästötavoite EU:n vuosittaisessa CO 2 päästöissä 1990 tasosta vuoteen 2020 mennessä Direktiiviehdotus jaosta 23.1.2008 Suomelle 16% säästövelvoite Uusiutuvien energialähteiden osuutta lisättävä EU-tasolla 20 %:iin v. 2020 Suomessa uusiutuvien osuutta pitää kasvattaa 28,5 % prosentista 38 %:iin Ilmastonmuutos: lämpötila nousee liian nopeasti ja kulutamme liian paljon energiaa + yleinen vihreiden arvojen nousu
Mihin energiaa käytetään? EU-25 rakennukset käyttävät 40,3 % primäärienergiasta ja siitä 63 %:a muodostuu asuinrakennusten energiankäytöstä (EC 2004) Käytön mukaan dominoi rakennusten lämmitys (70 %, sisältäen sähkölämmityksen) lämmin käyttövesi (14 %) ja kotitaloussähkö ja valaistus yhdessä 12 % (Suomessa lämmitys 65 % ja sähkö 35 %) (ENERDATA 2003) Primäärienergian kulutus Suomessa 2004: 312,5 TWh Liikenne; 16 % Rakennusten sähkö; 9 % Rakennusten lämmitys; 22 % Muut; 4 % Teollisuus; 49 %
Rakennusten ja rakentamisen osuus tarkemmin eriteltynä Liikenne; 16 % Muut; 5 % Rakennusten lämmitys ja sähkö; 39 % Maatalous, teollisuusprosessit, jätteet ym.; 15 % Rakennusten lämmitys ja sähkö; 30 % Liikenne; 16 % Muu teollisuus; 35 % Rakennustarvikkeiden valmistus ja rakentamisajan energia; 5 % Muu teollisuus; 35 % Rakennustarvikkeiden valmistus ja rakentamisajan energia; 5 % Primäärienergian kulutus Suomessa 2003: 308 TWh Kasvihuonekaasupäästöt 85,6 Mt CO 2 -ekvivalentteina
Asuin- ja palvelurakennusten hyötylämmitysenergian sekä huoneisto ja kiinteistösähkön ominaiskulutus (tilastointitavassa muutos 1995) Asuin- ja palvelurakennusten huoneisto ja kiinteistösähkön ominais-kulutuksen kehitys (tilastointitavassa muutos 1995) Lämmitys asuinrakennuksissa lähestyy tasoa 40 kwh/m 3 Sähkö asuinrakennuksissa 15 kwh/m 3 Sähkö liike- ja julkisissa rakennuksissa 25 kwh/m 3
Loppukulutus primäärienergia CO 2 -päästöt? Loppukulutus lämpöä ja sähköä ei voi laskea yhteen Primäärienergia: 1 kwh:n myytävän energia tuottamiseksi tarvittava määrä energialähdettä Kokonaiskuva saadaan tarkastelemalla primäärienergiaa tai CO 2 päästöjä (ei ole täysin sama asia, mutta antaa samansuuntaisia tuloksia): Primäärienergiakertoimia: öljy ja kaasu 1,1 kaukolämpö 0,4 (Helen CHP) sähkö 2,2 (Helen CHP) puuperäiset 0,2 CO 2 päästökertoimet Hintakertoimet ja energiapoliittiset kertoimet myös varteenotettavia vaihtoehtoja (EPBD) Suomen keskimääräinen sähkönhankinta 200 kgco 2 /MWh (2004), marginaaliperusteinen 700 kgco 2 /MWh
Toiminnalliset tavoitearvot primäärienergian tai CO 2 -päästöjen pohjalta Rakentamisen ohjauksen suunta (arkipäivää mm. Tanskassa, Sveitsissä, Itävallassa, Saksassa, Hollannissa ) Primäärienergian tai CO 2 -päästöjen kertoimet antavat käytännössä saman tuloksen, kysymys vain yksiköstä: xxx kwh/m 2 a jos käytetään kertoimia xxx kgco 2 /m 2 a jos esitetään päästöinä Oikeastaan ainoa tapa, jolloin markkinatalous hoitaa energiatehokkuuden kustannustehokkaasti kuntoon Vapaa kilpailu kaikkien ratkaisujen ja materiaalien välillä, ei rajoituksia kerroin, - 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Kevyt poltttoöljy Primäärienergia Maakaasu Kivihiili (kgco2/mwh)/(kgco2/mwh-öljy) Kaukolämpö Kaukolämpö CHP Sähkö, kivihiili (40%) Sähkö, kaasu (40%)
Esimerkki energiankäytöstä: RET-mallitoimistorakennus Viisi kerrosta Huoneistoala 5*880 = 4400 htm 2 Bruttoala 5*916 = 4579 brm 2 Laskennan tavoitteena määrittää energiatehokkuusluku rakennuslupavaiheessa
Esimerkki: RET-mallitoimistorakennus Jäähdytys Muu sähkö 3 % 19 % Ilmanvaihdon lämmitys 17 % Käyttöveden lämmitys 5 % Muu sähkö 30 % Jäähdytys 5 % Ilmanvaihdon lämmitys 5 % Käyttöveden lämmitys 2 % Tilojen lämmitys 7 % Puhaltimet 18 % Valaistus 21 % Tilojen lämmitys 23 % Puhaltimet 12 % Valaistus 33 % Kokonaiskulutus 123 kwh/brm 2,a Primäärienergian kulutus 170 kwh/brm 2,a (kaukolämpö 0,44 ja sähkö 2,17)
Löysät pois Asuinrakennukset: Pientaloissa (51 % rakennusten lämmityksestä) korostuvat johtumishäviöt ja erityisesti lämmitystavan merkitys (sähkölämmitys vs. maalämpöpumppu 3:1) Suomessa on 0,7 miljoona väärin lämmitettyä pientaloa 500 000 suora sähkö 200 000 vesikiertoinen sähkö 300 000 öljy MW 100 000 biopolttoaine/kaukolämpö/lämpöpumput Kerrostaloissa (21 % rakennusten lämmityksestä) korostuu sähkönkulutuksen merkitys, mutta myös lämpimän käyttöveden lämmitys Sähköiset märkätilalämmitykset (ns. mukavuuslämmitykset/27 C, jotka ovat aina päällä lämmittäen 1/3 huoneistojen lämmöntarpeesta) Sähköiset ilmanvaihdon jälkilämmitykset Kodinkoneet Puhaltimet Valaistus
Toimitilat ja julkiset rakennukset Energiatehokkuudessa korostuu laitteiden sähkönkulutus, mutta myös valaistus ja ilmanvaihdon puhaltimet merkittäviä kulutuseriä Lämmityksen osuus vähäinen erityisesti yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon tapauksessa Jäähdytyksen osuus pieni Lasijulkisivuilla saadaan lämmityksen ja jäähdytyksen osuus näissäkin rakennuksissa korostumaan Parantamisen keinoja: Tarpeenmukainen iv ja matalapainejärjestelmät Lasitusten järkevä käyttö Rakennuksen optimointi (mm. talotekniikan integrointi, massan hyödyntäminen, energian varastointi, tehon leikkaus, ennakoiva säätö) Missä ovat muuten suomalaiset matalaenergiatoimistot?
MIVA Office Building, Austria Name of building: MIVA Office Building, Christophorus House Type of building: Office Location: Stadl-Paura, Austria Owner: MIVA Start of operation: 2003 Architect: Bill Dunster Architects Engineering: AEE INTEC, Gleisdorf Net conditioned area: 1215 m 2
MIVA Office Building, Austria Reduction of energy demand High level of thermal insulation (U-value 0,1 W/m 2 K), avoidance of thermal bridges Airtight construction (n 50 <0,6h -1 ) Heavy thermal mass for buffering (100 tons) and natural cooling (natural night ventilation) Application of solar and heat protection glass, solar shading Application of renewable energy Deep pipes in ground (8x100 m Duplex, double u-pipes DN32) PV-system (cover yearly electricity demand for heat pump, 10kW peak ) Solar Thermal System (Domestic hot water, 5 m 2 ) Efficient energy conversion Heat pump (heating, nominal power 43 kw, COP 4,0) Balanced mechanical ventilation system with high efficient heat recovery (78-86%, rotation heat exchanger) Surface heating and cooling panels Optimized lighting systems Total energy use: 20 kwh/m 2 /yr heating, 6.4 kwh/m 2 /yr cooling (75% less than standard
Rockwool Main Office, 2000 (http://www.rockwool.com/sw3353.asp )
Rockwool Research Center (http://www.rockwool.com/sw3353.asp) Location: Hedehusene, Denmark Type of building: Office with research laboratories and exhibition area. Climatic region: High heating load (Heating consumption 39 kwh/m 2 ) Brief description of ventilation strategy Single sided and/or cross natural ventilation system. Automatic control system for window opening in the façade and in the roof. Demand control based on air quality, relative humidity and indoor temperature. Night-time summer cooling
YIT Kupittaan portti Turku Huolellinen suunnittelu/suomalaiset ratkaisut Lämmitys 54 kwh/(m 2 a) Kaukojäähdytys 27 kwh/(m 2 a) (COP: 27/3) Sähkö 95 kwh/(m 2 a)
Palvelukonseptien kehitys Älytalo- ja nollaenergiatalopilotit ovat olleet usein kaukana markkinoista ja käyttäjien tarpeista eivät yleisty Palvelukonseptit eivät menesty ellei käyttäjien tarpeiden ja rakentamisen ohjauksen kehitystä oteta huomioon: Energiansäästö rahassa mitattuna edelleen vähäistä Vihreät arvot ovat nousussa ja kehittävät kysyntää Rakentamisen ohjauksen pitää kehittyä päästötavoitteiden saavuttamiseksi rakentamiseen vaikutetaan kaikkialla monilla pelisäännöillä jos CO 2 -päästöt halutaan tiputtaa neljäsosaan 2050 mennessä, niin uudisrakennusten primäärienergian kulutusta tulisi laskea koko Euroopassa jakamalla se tekijällä 7 tai 8 seuraavan 40 tai 50 vuoden aikana Tämänhetkinen tarjonta puuttuu lähes kokonaan Palvelukonseptien tuotteistaminen edellyttää vastauksia: Mitä hyötyä ja lisäarvoa käyttäjälle? Millä kustannustehokkuudella? Ei voida tarjota teknologisia konsepteja teknologiarakkauden takia Benchmarkkauksen työkalujen kehittäminen Helppokäyttöiset työkalut ominaisuuksien, olosuhteiden ja energiatehokkuuden vertailuun ja visualisointiin Erikseen arkkitehdille, suunnittelijoille ja asiakkaille
Huonekortti / Toimistotila S1+ S2+ S3+ Liiketoimintaa Elinkaarimallit ja talotekniikkapalvelut Sisäilmasto Energiatehokkuus Takuut ja todentaminen Ylläpito Esim. CubeNetin huonekortti, joka toimi elinkaaripalvelun pohjana esittäen todennettavat tavoitteet hankkeen alusta lähtien Missä ovat energiatehokkuuden mallikortit? Lämpöolosuhteet Sisälämpötila Kesä [ C] 23-24 22-25 22-27 Talvi [ C] 21-22 20-22 20-23 Sisälämpötilan** Kesä [ Ch] 30 / 30 70 / 70 100 / 100 alitus / ylitys Talvi [ Ch] 30 / 30 0 / 70 50 / 200 Kesä (22 C) [m/s] < 0,17 < 0,20 < 0,25 Ilman nopeus Kesä (24 C) [m/s] < 0,20 < 0,25 < 0,30 Talvi (20 C) [m/s] < 0,13 < 0,16 < 0,19 Talvi (21 C) [m/s] < 0,14 < 0,17 < 0,20 Suhteellinen kosteus Kesä [RH %] - - - Talvi [RH %] 25 - - Lämpötilansäätö*** h / v h / v - Sisäilman laatu Ulkoilmavirta* [dm³/s,hlö] 20 10 6 [dm³/s,m²] 3 2 1.5 Ilman CO2 -pitoisuuden [ppm] 700 900 1200 maksimiarvo [mg/m³] 1300 1650 2200 Suodatusluokka F8 F7 F7 Ilmanvaihdon lisäaikapainike on on - Ilmanvaihtojärjestelmän puhtausluokka P1 P1 P2 Rakennusmateriaalien päästöluokka M1 M1 - Ilmanvaihtotuotteiden puhtausluokka M1 M1 - Rakennustöiden puhtausluokka P1 P2 P2 Valaistusolosuhteet Valaistustaso [lx] > 750 500-750 300-500 Häikäisysuoja [UGRL] < 16 < 19 < 22 Värintoisto [Ra] > 90 80-90 > 80 LVIS-ääniolosuhteet LVIS-äänitaso huoneessa [dba] 30 33 33 Tilan kuormitus- ja käyttötiedot Ihmiset hlö/m² 1/10 1/10 1/10 Sisäiset lämpökuormat Valaistus W/m² 12 12 12 Laitteet W/m² 15 15 15 ma-pe 8-18 8-18 8-18 Käyttöaika la-su Käyttöaste käytön aikana % 60 60 60
CubeNet esimerkki todennettavasta sisäilmastosta ja energiatehokkuudesta (suureiden todentamistapa sekä vaatimuksenmukaisuuden arviointimenetelmät) Todentaminen Mittausaika Mittauspaikka* Lämpöolosuhteet Huonelämpötila Ilman nopeus jatkuva/koko vuosi edustava talvi-, kesäja välikausipäivä 12 kpl työpisteitä avoja huonetoimistoissa 12 kpl työpisteitä avoja huonetoimistoissa Mittausmenetelmä RAU kertamittaus Vaatimusten mukaisuus huonekortti Sisäilman laatu Ilmavirta vastaanotto kaikki ilmavirrat kertamittaus ± 10 % sisäilmastoluokitus Hiilidioksidipitoisuus yksi viikko kaksi neuvotteluhuonetta RAU huonekortti Valaistus Valaistustaso vastaanotto 12 kpl työpisteitä avoja huonetoimistoissa kertamittaus huonekortti Energiatehokkuus Kaukolämpö vuosi mittarilukema hankeohjelma Sähköenergia vuosi mittarilukema hankeohjelma *edustavat mittatavat huoneet/työpisteet valitaan tilaajan edustajan kanssa
Myös uuden teknologian kehittämistä ja olemassa olevan soveltamista uudella tavalla Paikallinen ja alueellinen energiatuotanto, mm. polttokennot ja lämpöpumput Taloteknisten järjestelmien ja rakennusvaipan yhteensovittaminen energiaratkaisun kanssa toimivaksi kokonaisuudeksi: Tehon leikkaus vs. rasitus energiajärjestelmälle Massan hyödyntäminen ja lämmön varastointi Ennakoivaa säätöä sään vaihtelun mukaan Tarpeenmukainen säätö ja ohjaus: Muuntojoustava, käyttäjään sopeutuva talotekniikka Sopiva määrä automaatiota haluan säätä kaikkea/ en halua koskea ollenkaan käyttäjille Hälytykset, raportoinnit ja huollot Heating Cooling Ventilation Hot water Lighting Others Heat Cold Electricity Boiler Chiller Cogen Solar Solar Oil Gas Wood Coal Grid
2010 luku Vaatimustaso on Suomessakin kiristynyt Tarkastelemme CO 2 päästöjä ja primäärienergiaa eikä loppukulutusta EU harmonisointi: Vaatimukset ostetun energian mukaan ET-luvulla, joka on primäärienergiatai päästöpohjainen (energiamuotojen kertoimet, lämmöntuotantotapa mukana) Lasketut ja mitatut kulutukset täsmäävät varsin hyvin Energiajärjestelmän ja rakennusten energiankulutuksen yhteensovittaminen toteutamme kustannustehokkaita toimenpiteitä Aluerakentamisen ja verkkojen kehittyminen (rakennusten integrointi) Kärkimaiden aktiviteetit eivät voi olla vaikuttamatta Suomessa: Tanskan primäärienergian vähimmäisvaatimus ilman kotitaloussähköä 70 kwh/m 2 + 2200/A brutto (sähkön kerroin 2,5) Norja leikkaa uusilla määräyksillä 25% rakennusten energiankulutuksesta MinEnergi ja Passivhaus järjestelmien menestys Myös Ruotsi, Saksa, Itävalta, Hollanti, Sveitsi, Viro Ollemmeko nousseet kärkimaiden joukkoon?