Näkökulma 2008, Rambollin tulevaisuusseminaari 17.9.2008 Energiatehokas rakentaminen Professori Ralf Lindberg, Tampereen teknillinen yliopisto 1. Taustaa 2. Mitä viimeisinä vuosikymmeninä on energiakysymyksissä tapahtunut? 3. Tutkimustuloksia 4. Päätelmiä Energiaa tulee säästää kaikin mahdollisin tavoin. Tämä on selvää. Sähkönkäyttö on maailmanlaajuisesti kasvussa. Miten varmistetaan sähkön saatavuus? Rakennusten energiankäytössä on tarkasteltava kolmen eri osatekijän kokonaisuutta: 1. Rakennuksen vaippaa (eristysrakenteita) 2. Lämmitys-, ilmanvaihto- ja jäähdytysjärjestelmiä 3. Rakennuksen käyttöä Ramboll 17.9.2008 1
Kuinka paljon työtä saame käyttöön, kun ostamme sähköä 1 kwh:n (mikä maksaa noin 10 snt)? 25 m Kuinka monta sementtisäkkiä (40 kg) on nostettava 25 m korkeuteen, että tehdään työtä 1 kwh verran? 40 kg Vastaus on uskomaton. Bensiinilitra maksaa noin 1,5. Se sisältää noin 10 kwh energiaa. Autolla voi ajaa litralla bensiiniä yli 10 km Olemmeko valmiita kävelemään 10 km 1,5 :lla tai olemmeko jopa valmiita työntämään autoa 10 km bensiinilitran hinnalla. Päätelmä: Energia on edelleen erittäin halpaa ja kulutamme, jopa tuhlaamme, sitä suuria määriä ajattelematta kuinka paljon työtä saamme vastikkeeksi. Energiansäästö on hyvin tärkeää, mutta maailmalaajuisesti ajatellen energiankulutus vain kasvaa. Tämä on erittäin todennäköinen kehitys. Ralf Lindberg 2.9.2008 2
Ilmastonmuutos ja sen yhteys energiaan on suuri maapallon laajuinen poliittinen kysymys. Seurauksena on merkittäviä välittömiä ja välillisiä vaikutuksia ihmisten jokapäiväiseen elämään. Ilmastonmuutos Tapahtuuko se ihmisen toiminnan seurauksena? Tapahtuuko se ihmisen toiminnasta riippumatta? Onko muutos varma? Liiketoiminta Ilmastonmuutoksen haasteet edellyttävät uusia tekniikoita ja ratkaisuja. Tämä luo uutta liiketoimintaa. Käyttäjät, yhteiskunta ja ihmiset Käyttäjälle jää maksajan osa. Mitä he saavat? Kaikki suuria yhteiskunnallisia vaikutuksia aiheuttavat toimenpiteet tulee tehdä tarkkaa harkintaa noudattaen. Ralf Lindberg 2.9.2008 3
Maapallon (ja Suomen) kannalta tärkeitä kysymyksiä ovat: Onko ilmastonmuutoksen tärkein taustavaikuttaja CO 2? Tämä ei ole selvä kysymys. Jos CO 2 ei ole tärkein tekijä, olemme tekemässä maapallonlaajuisesti suunnattomia panostuksia yrittäessämme estää tai hidastaa ilmastonmuutosta. Kuinka varmistamme sähkön saannin?. Sähkön käyttö kasvaa maapallolla koko ajan. Ralf Lindberg 2.9.2008 4
Viime vuosina energiakysymyksissä tapahtunutta kehitystä. Säästämmekö todella energiaa, kun määräyksiä kiristetään? 1975 U λ d Ensimmäisen energiakriisin aikana määräysten kiristäminen oli järkevää, koska pienillä lisäkustannuksilla (lisäeristämisellä) saavutettiin merkittäviä säästöjä. 2010 ΔU Δd d Vuonna 2010 tilanne on täysin toinen, koska määräyksiä on kiristetty useita kertoja 25 vuoden aikana. Ralf Lindberg 2.9.2008 5
Kuvissa on pohdittu samanlaisen (koko, muoto ja käyttö) rakennuksen energiantarvetta eri aikoina. Vain eristyksissä ja rakenteissa tapahtunut kehitys ja elintason nousu on otettu huomioon. 1980 2005 Lämpöhäviöt Energia Energia Lämpöhäviöt Sisäiset lämmönlähteet Sisäiset lämmönlähteet 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Kuukausi Aiemmin sisäiset lämmönlähteet vähensivät lämmitysenergian tarvetta. Kasvaneen sähkönkulutuksen vuoksi ne aiheuttavat nykyisin jäähdytystarvetta. Samalla lämmityskausi on lyhentynyt. Ralf Lindberg 2.9.2008 6
Energiakeskusteluun liittyy paljon selkiintymättömiä termejä ja uusia määritelmiä Lämmitysenergia Kokonaisenergia Primäärienergia Matalaenergiatalo Passiivitalo Energiatehokkuus Termit aiheuttavat positiivisia mielikuvia, mutta niiden todellinen merkitys on useimmille epäselvä ja ne eivät ole yksikäsitteisiä. Tärkeää on ymmärtää, että valtaosa käyttösähköstä muuttuu lämmöksi, joka vähentää lämmitystarvetta. Miten tämä elintason nousun vaikutus otetaan säästötavoitteissa huomioon? Ralf Lindberg 2.9.2008 7
Suomen kokonaisenergian kulutus oli 410 TWh vuonna 2006. Edelliseen vuoteen nähden oli kasvua 9 %. Rakennukset käyttävät kokonaismäärästä 40 %. Tämä on laskettu arvio. Se ei perustu mittauksiin. Määräysten kiristämisen yhteydessä on otaksuttu seuraava rakennusten energiankäytön jakautuma: Sähkön käyttö 20 % Lämmitysenergia 50 % Lämmin käyttövesi 30 % Jos jakautuma on tämä, energiansäästöpotentiaalia on jonkin verran. Todennäköisempi jakautuma nykyisin on: Sähkön käyttö 40 % Lämmitysenergia 50 % Lämmin käyttövesi 10 % Ralf Lindberg 2.9.2008 8
Koetalojen kokonaisenergian (pois lukien polttopuut) ominaiskulutus laskettuna rakennuksen lämmintä tilavuutta ja lattiapinta-alaa kohti. Teoreettisen kulutuksen vaihteluväli on noin 45 60 kwh/m 3 a (30 %). Mitattu kulutus vaihteli välillä 20 100 kwh/m 3 a (500 %). Energian kulutukseen vaikuttava suurin tekijä on käyttötottumukset. Ralf Lindberg 2.9.2008 9
Seinien energiatarpeeseen liittyviä mittauksia vuosina 1998 2007 Kuusi pientä rakennusta, vain seinät ovat erilaiset + Polyuretaaniseinä Lämpöeristetty tiiliseinä Lämpöeristetty hirsiseinä Massiivihirsiseinä Siporex (375 mm) seinä 1½ kiven tiiliseinä Ovet itäseinällä, ei ikkunoita Ralf Lindberg 2.9.2008 10
Yläpohja ja alapohja polyuretaania 200 mm. Ei ikkunoita. Ovi itäsivulla. Tietokoneohjattu sisäilmaston säätö. Suuri joukko lämpötilan ja kosteuden mittauspisteitä. Jatkuvat mittaukset lämmityskaudella Ralf Lindberg 2.9.2008 11
Tulokset ovat hieman yllättäviä. Lämmityskausi 1998 1999 on saman kaltainen kuin muutkin. 4000 0,86 Johtumishäviöt (kwh) 3000 2000 1000 U = 0,17 W/m 2 K 0,27 0,29 0,35 0,6 PUR Tiili, Hirsi, Massiivi- Siporex Massiivieriste eriste tiili hirsi Tolppien alaosa (sininen) on mitattu seinien johtumisenergia. Tolppien kokonaiskorkeus on laskennallinen kulutus. Ero on keskimäärin noin 50 % siten, että todellinen kulutus on kaikissa tapauksissa pienempi kuin laskennallinen. Eroon on kolme keskeistä selitystä. Ralf Lindberg 2.9.2008 12
Lämmönjohtavuuden vaikutus Lämmönjohtavuuden mittaustulokset muodostavat jakautuman frekv k n U = f( /d) U-arvo on suunnittelukysymys. Se on hyvä laskea varmistetulla arvolla n Kulutusta arvioitaessa käytetään luonnollisesti keskiarvoa k Joillakin materiaaleilla suunnitteluarvon ja keskiarvon välillä on ollut iso ero. Ralf Lindberg 2.9.2008 13
Pinta-alan vaikutus Seinän johtumisenergian määrä riippuu seinän pinta-alasta. Pinta-alojen erot ovat suuret suuresta eristepaksuudesta johtuen. A sisä Ulkomittojen mukaan laskettu pinta-ala on suunnittelun kannalta hyvä, jotta teho riittää huoneiden lämmitykseen. Ulkopinta-alaa käytetään useissa laskentamalleissa. Todellista kulutusta pitää arvioida lähellä sisäpinta-alaa olevilla mitoilla. A ulko Ralf Lindberg 2.9.2008 14
Lämpötilajakautumat Siporex seinässä (etelä) 11.3.1998 40 30 klo 16:00, ulkolämpötila -2 o C o C 20 klo 12:00, ulkolämpötila +7 o C Lämpötila, 10 0-10 -20-30 0 50 100 150 200 250 300 350 Etäisyys sisäpinnasta, mm klo 20:00, ulkolämpötila -20 o C Keskimääräinen ulkolämpötila 11,6 o C klo 4:00, ulkolämpötila -18 o C Jos keskimääräinen ulkolämpötila olisi oikea johtumisenergialaskelmissa, pitäisi yhtä suuren osan jakautumista olla keskimääräisen alapuolella ja yläpuolella. Lopputulos on, että ulkopinnan massaan varastoituvalla säteilyenergialla on merkitystä. Ralf Lindberg 2.9.2008 15
Ulkopinnan lähellä olevan massan energiankulutusta pienentävä vaikutus Siporex katon lämpötekninen toiminta mittausten perusteella Nykyiset eristysmääräykset täyttävä rakenne 0 o C Lämpötilajakautuma yöllä 0 o C Lämpötilajakautuma aurinkoisena päivänä 20 o C 20 o C Kokonaisvaikutus on noin 20 % pienempi energiankulutus verrattuna U-arvolla ja keskimääräisellä ulkolämpötilalla laskettuun kulutukseen. Ralf Lindberg 2.9.2008 16
Esimerkki määräysten kiristämisen vaikutuksesta Pientalo 150 m 2. Kokonaiskustannukset ovat noin 300 000 Eristyksiin liittyvien osien kustannukset kokonaisuudesta ovat noin 50 000 Jos määräyksiä kiristetään 30 %, eristyksiin liittyvien osien kustannus lisääntyy karkeasti 40 % (1/0,7) eli 20 000. Kokonaiskustannukset ovat siten 320 000, joten nousua on noin 6 %. Pientalon energiankäyttö on karekasti seuraava sähkönkäyttö (elintaso) noin 1000 /v lämmitys noin 1000 /v Elintasosta ei olla valmiita tinkimään, joten säästöksi tulee 30 % lämmityskustannuksista eli noin 300, mikä on noin 1,5 % investointikustannuksesta. Säästö kuluu ainakin osittain jäähdytykseen. Ralf Lindberg 2.9.2008 17
Energiankulutuksen oleelliset osatekijät 1. Vaipan johtumishäviöt 2. Ilmanvaihdon tarvitsema energia 3. Lämmöntalteenoton tuoma säästö 4. Vaipan vuodon aiheuttama asumisviihtyvyyden heikkeneminen 5. Asumisviihtyvyyden palauttaminen lämpötilaa nostamalla Kohta 5 aiheuttaa: Suuremmat vaipan johtumishäviöt Suuremman ilmanvaihdon energiatarpeen Lämmön talteenotosta saatavan hyödyn vähentymisen Siksi vaipan hyvä tiiviys on tärkeä tavoiteltaessa pientä energiankulutusta. Tärkein on kuitenkin asukkaiden asumistottumusten vaikutus. Vanhoissa taloissa on suuri energiansäästöpotentiaali. Se tulee käyttää hyödyksi vapaaehtoisilla toimenpiteillä. Ralf Lindberg 2.9.2008 18