Ilmastomuutos ja rakennusten lämmitystarve Suomessa

Ilmastomuutos ja rakennusten lämmitystarve Suomessa Ilmo Mäenpää 21.1.2014 Sisällys 1 Johdanto... 2 2 Suomen säähavaintoasemat ja niiden valtakunnalliset painot... 2 3 Lämpötilat ja lämpötilan muutokset viimevuosina... 4 4 Lämmitystarveluvut... 5 5 Lämpötilan ja lämmitystarveluvun yhteydet... 6 6 Ilmastoskenaariot... 7 7 Lämmitystarpeen kehitys ilmastoskenaarioissa... 9 8 Menetelmän puutteita... 10 Lähteet... 11 1

1 Johdanto Tässä muistiossa kehitetään menetelmä ilmastomuutoksen vaikutusten sisällyttämiseen rakennusten lämmitysenergian kulutukseen Suomen talouden ympäristölaajennetussa pitkän ajan simulointimallissa ENVIMAT scen. Rakennusten lämmityksen osuus Suomen energian loppukäytöstä on noin neljännes. ENVIMATscen mallissa uusi perusvuosi on 2010, joka oli poikkeuksellisen kylmä vuosi, jolloin lämpötilan muutosten vaikutus lämmitysenergian kulutukseen on tarpeen arvioida myös tämän poikkeusolon vaikutusten eliminoimiseen. Toisaalta IPCC eli Hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli (Intergovernmental Panel on Climate Change) julkaisi syyskuussa 2013 viidennen arviointiraporttinsa ensimmäisen osaraportin (IPCC 2013). Viidenteen arviointiraporttiin sisältyy myös pitkän ajan ilmastomuutosskenaarioiden päivitys. Yhteenvedon uusista skenaarioista ja niiden vaikutuksista Suomen lämpötilan muutoksiin on tehnyt Kimmo Ruosteenoja Ilmatieteen laitokselta (Ruosteenoja 2013). Tässä työssä keskeisenä ilman lämpötilan rakennusten lämmitysenergian kulutukseen vaikuttavana muuttujana käytetään lämmitystarvelukua, jonka kuukausittaiset tiedot kuudestatoista Suomen säähavaintoaseman tiedoista tuottaa Ilmatieteen laitos. Tässä työssä säähavaintoasemien lämpötilatiedot ja lämmitystarveluvut yhdistetään koko maan tiedoiksi väestöpainotettuina keskiarvoina, koska voidaan arvioida, että rakennuskannan jakautuminen maassa noudattaa suurin piirtein väestöjakaumaa. 2 Suomen säähavaintoasemat ja niiden valtakunnalliset painot Suomen säätilaa seurataan nykyisin kaikkiaan noin 400 havaintoaseman verkostolla. Näistä 16 aseman tietoja käytetään rakennusten lämmitystarvelukujen tuottamiseen. Asemien sijainnit näkyvät kartalla 1. Kuntakohtaisten lämmitystarvelukujen tuottamiseksi Ilmatieteen laitos on lisäksi jakanut Suomen kunnat sen mukaan, minkä säähavaintoaseman tietoja käytetään kunkin kunnan lämmitystarveluvun laskentaan. Kartalla 1 näkyvät myös kunkin säähavaintoaseman piiriin kuuluvat kunnat. Voimme kutsua niitä havaintoasemien viitealueiksi. Taulukossa 1 on esitetty 16 säähavaintoasemaa ja niiden viitealueiden suhteelliset osuudet eli painot Suomen pinta-alasta ja väestöstä vuonna 2010. Pinta-ala sisältää kuntien maa- ja makean veden alan mutta ei merialaa. Kun säähavaintoasemien tiedoista lasketaan valtakunnalliset keskimäärätiedot, pinta-alaosuuksia voi käyttää esimerkiksi yleisille luonnonolosuhteille relevatin keskilämpötilan laskentaan. Sen sijaan rakennuskannan lämmitystarpeelle relevantti valtakunnallinen keskiarvo saadaan väestöpainoilla, koska rakennuskannan alueellinen jakautuminen noudattaa väestön jakautumista. 2

Kartta 1. Lämmitystarvelukujen vertailupaikkakunnat (Ilmatieteen laitos 2014) Taulukko 1. Säähavaintoasemat paikkakunnan mukaan sekä niiden viitealueiden väestön ja pintaalojen suhteelliset osuudet Säähavaintoasema Pinta-ala Väestö Maarianhamina 0,009 0,009 Vantaa 0,019 0,112 Helsinki 0,008 0,172 Pori 0,014 0,035 Turku 0,023 0,077 Tampere 0,067 0,115 Lahti 0,053 0,105 Lappeenranta 0,049 0,040 Jyväskylä 0,101 0,076 Vaasa 0,033 0,046 Kuopio 0,053 0,047 Joensuu 0,060 0,034 Kajaani 0,153 0,031 Oulu 0,063 0,073 Sodankylä 0,203 0,024 Ivalo 0,092 0,002 Yhteensä 1,000 1,000 3

Havaintoasemien viitealueiden pinta-ala- ja väestöpainot poikkeavat hyvin paljon toisistaan. Helsingin havaintoaseman viitealueen osuus Suomen pinta-alasta on vajaan prosentin mutta osuus väestöstä yli 17 %. Sen sijaan Sodankylän viitealueen osuus Suomen pinta-alasta on 20 %, mutta väestöstä vain 2,4 %. 3 Lämpötilat ja lämpötilan muutokset viimevuosina Taulukossa 2 on esitetty vuotuiset keskilämpötilat kuudelta viime vuodelta sekä ilmastollisilta vertailukausilta 1971 2000 ja 1981 2010. Vertailukausi 1971 2000 on käytössä uusimmissa kansainvälisissä ilmastonmuutostilastoissa. Suomessa Ilmatieteen laitos on ottanut käyttöön jo uudemman vertailukauden. Taulukon alaosaan on laskettu koko maan keskiarvot, ensin havaintoasemien lämpötilahavaintojen suorana keskiarvona ja sitten viitealueiden pinta-alojen ja väestön suhteilla painotettuna. Taulukko 2. Vuotuiset keskilämpötilat vuosina 2008 2013 sekä vertailukausina 1971 2000 ja 1981 2010 säähavaintoasemittain, havaintoasemien suorat keskiarvot sekä viitealueiden pintaala- ja väestöosuuksilla painotetut keskiarvot, C Vuodet Vertailukaudet 2008 2009 2010 2011 2012 2013 1971-2000 1981-2010 Maarianhamina 7,16 6,23 4,65 6,95 5,89 6,54 5,68 5,95 Vantaa 7,03 5,57 4,55 6,81 5,30 6,54 4,96 5,36 Helsinki 7,61 6,21 5,11 7,27 5,95 7,02 5,61 5,95 Pori 6,54 5,18 3,73 6,62 5,02 6,45 4,81 5,09 Turku 7,48 6,01 4,85 7,22 5,81 6,42 5,50 5,90 Tampere 6,16 5,17 3,70 6,00 4,51 5,55 4,38 4,78 Lahti 5,98 4,51 3,56 5,92 4,32 5,56 4,18 4,50 Lappeenranta 5,54 4,32 3,52 5,67 3,93 5,71 3,98 4,29 Jyväskylä 4,58 3,53 2,24 4,72 2,88 4,73 3,01 3,30 Vaasa 5,36 4,50 2,62 5,95 4,32 5,78 3,96 4,23 Kuopio 4,65 3,57 2,30 4,83 3,05 5,09 3,13 3,45 Joensuu 4,69 3,27 2,31 4,49 2,96 4,65 2,85 3,20 Kajaani 3,18 2,37 1,11 3,53 1,61 3,62 1,72 2,02 Oulu 3,84 2,96 1,42 4,13 2,19 4,05 2,42 2,72 Sodankylä 0,59 0,56-0,95 1,80-0,36 1,10-0,70-0,29 Ivalo 0,24 0,36-0,95 1,56-0,22 1,41-0,73-0,36 Suora keskiarvo 5,04 4,02 2,74 5,22 3,57 5,01 3,42 3,75 Pinta-alapainotettu 3,56 2,81 1,50 4,01 2,19 3,81 2,07 2,42 Väestöpainotettu 5,36 4,25 2,99 5,51 3,86 5,30 3,70 4,03 Pinta-alapainotetut keskilämpötilat ovat runsaat puolitoista astetta kylmemmät kuin väestöpainotetut lämpötilat. Tämä johtuu tietysti siitä, että Suomen väestö painottuu Etelä-Suomeen. 4

Vuosien 2008 2013 pinta-alapainotettu keskilämpötila oli 3,0 0 C ja väestöpainotettu keskilämpötila 4,6 C, molemmat noin 0,6 astetta uudemman vertailukauden keskilämpötilojen yläpuolella. Vuosi 2010 oli poikkeuksellisen kylmä. Sekä pinta-alapainotettu että väestöpainotettu lämpötila oli noin asteen verran uudemman vertailukauden keskilämpötilan alapuolella. 4 Lämmitystarveluvut Rakennusten lämmitysenergian kulutuksen vertailua varten Ilmatieteen laitos tuottaa edellä esitettyjen 16 säähavaintoaseman tietoihin perustuvat lämmitystarveluvut kuukausittain ja vuosikeskiarvoina (Ilmatieteen laitos 2014). Lämmitystarveluku saadaan laskemalla yhteen kunkin kuukauden päivittäisten sisä- ja ulkolämpötilojen erotus. Lämmitystarveluvut on laskettu 17 asteen sisälämpötilalle olettaen, että lämmitys lopetetaan ulkoilman lämpötilan noustua yli 10 asteen ja aloitetaan sen laskettua alle 12 asteen. Lämmitystarveluvun käyttö rakennuksen lämmitystarpeen arvioinnissa perustuu siihen, että rakennuksen energiankulutus on likipitäen verrannollinen sisä- ja ulkolämpötilojen erotukseen. Lämmitystarveluvun yksikkö Cvrk. Taulukossa 3 on havaintoasemien lämpötilatiedoista Ilmatieteen laitoksessa lasketut lämmitystarveluvut viimevuosille ja vertailukausille sekä koko maan suorat ja painotetut keskiarvot. Toki lämmitystarveluvuille väestöpainotetut keskiarvot ovat relevanteimmat. Taulukko 3. Vuotuiset lämmitystarveluvut vuosina 2008 2013 sekä vertailukausina 1971 2000 ja 1981 2010 säähavaintoasemittain, havaintoasemien suorat keskiarvot sekä viitealueiden pintaala- ja väestöosuuksilla painotetut keskiarvot, Cvrk/a Vuodet Vertailukaudet Paikkakunta 2008 2009 2010 2011 2012 2013 1971-2000 1981-2010 Maarianhamina 3 344 3 712 4 391 3 489 3 803 3 553 3 896 3 803 Vantaa 3 440 3 952 4 632 3 655 4 059 3 798 3 989 4 097 Helsinki 3 244 3 737 4 376 3 493 3 797 3 592 4 115 3 878 Pori 3 599 4 074 4 811 3 683 4 153 3 698 4 229 4 161 Turku 3 528 4 028 4 656 3 629 4 019 3 769 4 255 4 021 Tampere 3 889 4 371 4 997 3 945 4 506 4 016 4 502 4 424 Lahti 3 769 4 309 4 968 3 926 4 427 4 023 4 512 4 392 Lappeenranta 3 970 4 423 5 047 4 073 4 588 4 031 4 588 4 510 Jyväskylä 4 289 4 679 5 403 4 356 4 936 4 312 4 612 4 832 Vaasa 3 996 4 326 5 172 3 873 4 442 3 922 4 943 4 469 Kuopio 4 327 4 738 5 411 4 364 4 909 4 264 4 945 4 825 Joensuu 4 409 4 901 5 501 4 486 5 041 4 400 5 117 4 984 Kajaani 4 829 5 174 5 779 4 768 5 411 4 730 5 170 5 304 Oulu 4 591 4 941 5 605 4 537 5 209 4 557 5 420 5 057 Sodankylä 5 870 5 849 6 420 5 415 6 186 5 648 6 337 6 180 Ivalo 6 010 5 955 6 416 5 437 6 120 5 576 6 381 6 231 Suora keskiarvo 4 194 4 573 5 224 4 196 4 725 4 243 4 813 4 698 Pinta-alapainotettu 4 738 5 024 5 646 4 618 5 235 4 676 5 269 5 191 Väestöpainotettu 3 880 4 328 4 990 3 972 4 461 4 031 4 553 4 437 5

Lämmitystarveluku Vuosien 2008 2013 väestöpainotettu lämmitystarveluvut olivat keskimäärin 4 % vertailukauden 1981-2010 keskimääräisen lämmitystarveluvun alapuolella. Erityisen kylmän vuoden 2010 väestöpainotettu lämmitystarveluku on puolestaan 12 % vertailukauden lukua korkeampi. 5 Lämpötilan ja lämmitystarveluvun yhteydet Vuotuisten keskilämpötilojen ja lämmitystarpeen välillä on käänteinen yhteys: kun vuoden keskilämpötila kohoaa, lämmitystarve vähenee. Yhteys ei ole kuitenkaan totaalinen. Kesän helteisyys vaikuttaa vuoden keskilämpötilaan, mutta ei lämmitystarpeeseen. Kuviossa 1 on esitetty kaikkien 16 säähavaintoaseman keskilämpötilojen ja lämmitystarvelukujen tiedot vuosilta 2008 2013, kaikkiaan 96 havaintoa. Lämmitystarveluvut keskittyvät melko hyvin keskilämpötilan suhteen laskevalle suoralle. 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 1 000 0-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Vuotuinen keskilämpötila Kuvio 1. Lämmitystarvelukujen ja vuotuisten keskilämpötilojen yhteydet 16 säähavaintoasemalta vuosilta 2008 2013. Estimoidaan suora y = a + b*x, missä y = lämmitystarveluku ja x = vuotuinen keskilämpötila. Saadaan: y = 6089-366, 43*x, R 2 = 98,3 %, df = 94 (24,2) (5,10) Mallin selitysaste on korkea, 98,3 %. Estimoidun yhtälön tuloksena voidaan sanoa, että vuotuisen keskilämpötilan yhden asteen nousu vähentää lämmitystarvelukua 366 Cvrk. Vertailukauden 1981 2010 koko maan väestöpainotettu 6

lämmitystarveluku on taulukon 3 mukaan 4 458 Cvrk. Silloin yhden asteen lämpötilan nousu vähentäisi lämmitystarvetta 100*366/4458 = 8,2 %. 6 Ilmastoskenaariot IPCC:n viidennen arviointiraportin päästöskenaariota kutsutaan kasvihuonekaasupitoisuuksien mahdollisiksi kehityskuluiksi (representative concentration pathways) RCPz.z, missä z.z viittaa säteilypakotteeseen w/m2 vuonna 2100. Ilmastoskenaariot ovat seuraavat (Ruosteenoja 2013): RCP2.6: Ilmastopolitiikan täysosuma. CO2-päästöt kääntyvät jyrkkään laskuun jo vuoden 2020 jälkeen ja ovat vuosisadan lopulla lähellä nollatasoa. Ilmakehän CO2-pitoisuus on korkeimmillaan vuosisadan puolivälissä, noin 440 ppm, ja alkaa sen jälkeen laskea. RCP4.5: Ilmastopolitiikan osittainen onnistuminen. CO2-päästöt kasvavat aluksi hieman mutta kääntyvät laskuun v. 2040 tienoilla. Vuosisadan loppupuolella pitoisuuden kasvu taittuu noin kaksinkertaiseksi teollistumista edeltävään tasoon verrattuna. RCP6.0: Päästöt pysyvät aluksi suunnilleen nykyisellä tasollaan mutta ovat myöhemmin tällä vuosisadalla melko suuria. RCP8.5: Päästöjen rajoittaminen epäonnistuu täydellisesti. CO2-päästöt kasvavat nopeasti, kolminkertaistuen vuoteen 2100 mennessä. CO2-pitoisuus kohoaisi tuolloin yli kolminkertaiseksi teollistumista edeltävään aikaan verrattuna. Maapallon keskilämpötilan muuttuminen skenaarioissa on esitetty kuvassa 2. Käyrät esittävät 28 maailmanlaajuisen ilmastonmuutosmallin tulosten 30 vuoden liukuvaa keskiarvoa neljälle eri kasvihuonekaasuskenaariolle. Kuvio 2. Maapallon vuotuisen keskilämpötilan muutos vuosina 2000 2085 verrattuna jakson 1971 2000 keskilämpötilaan IPCC:n eri skenaarioissa (Ruosteenoja 2013) 7

Ilmastomallien mukaan pohjoisilla alueilla ilmaston lämpiää keskimääräistä enemmän. Kuviossa 3 on esitetty Suomen vuotuisen keskilämpötilan muutos eri ilmastoskenaarioissa. Suhteessa vertailujaksoon 1971 2000 Suomen keskilämpötila nousee vuoteen 2030 mennessä 1,6-2,2 C ja vuoteen 2050 mennessä 2,3 3,5 C. Kuvio 3. Suomen vuotuisen keskilämpötilan muutos vuosina 2000 2085 verrattuna jakson 1971 2000 keskilämpötilaan IPCC:n eri skenaarioissa (Ruosteenoja 2013) Numeerinen yhteenveto lämpötilan kohoaminen koko maapallolla ja Suomessa vuosiin 2030 ja 2050 mennessä eri skenaarioissa on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Maapallon ja Suomen keskilämpötilan muutos, C, verrattuna vuosien 1971 2000 keskilämpötilaan (omat viivoitinestimaatit kuvioista) Maapallo Suomi 2030 2050 2030 2050 RCP8.5 1,2 2,0 2,2 3,5 RCP4.5 1,1 1,5 1,8 2,8 RCP2.6 1,0 1,2 1,6 2,3 Suomen väestöpainotetun keskilämpötilan kehitys saadaan kun taulukon 2 vertailukauden 1971 2000 väestöpainotettuun keskilämpötilaan lisätään ilmastoskenaarioiden lämpötilan muutosarviot. Tulokset on esitetty taulukossa 5. Laskelmassa on oletettu, että lämpötilan kohoaa koko maassa yhtä paljon. 8

Taulukko 5. Suomen väestöpainotetun keskilämpötilan kehitys IPCC:n ilmastoskenaarioissa, C 1971-2000 2010 2030 2050 RCP8.5 5,9 7,2 RCP4.5 3,7 3,0 5,5 6,5 RCP2.6 5,3 6,0 Taulukon 2 mukaan Suomen väestöpainotettu vuotuinen keskilämpötila kaudella 2008 2013 ylitti kolme kertaa alimman skenaarion RCP2.6 vuoden 2030 lämpötila-arvion, 5,3 C. 7 Lämmitystarpeen kehitys ilmastoskenaarioissa Taulukossa 6 on esitetty väestöpainotetun lämmitystarveluvun kehitys taulukossa 5 esitetyn lämpötilakehityksen pohjalta. Lämmitystarveluku vuodelle 2010 on taulukon 3 toteutunut lämmitystarveluku ja lämmitystarveluvut vuosille 2030 ja 2050 on laskettu luvussa 5 estimoidulla regressioyhtälöllä. Taulukko 6. Väestöpainotetun lämmitystarveluvun kehitys eri ilmastoskenaarioissa 2010 2030 2050 RCP8.5 3 927 3 451 RCP4.5 4 990 4 074 3 707 RCP2.6 4 147 3 890 Taulukossa 7 lämmitystarveluvut on muutettu lämmitystarpeen prosenttuaalisiksi muutoksiksi vuoden 2010 tasosta. Luvut ovat suoraan sovellettavissa ilmaston lämpenemisen aiheuttamaksi rakennusten lämmitysenergian säästöksi. Taulukko 7. Lämmitystarpeen muutos vuosina 2030 ja 2050 vuoden 2010 lämmitystarpeesta eri ilmastoskenaarioissa, prosenttia 2030 2050 RCP8.5-21 % -31 % RCP4.5-18 % -26 % RCP2.6-17 % -22 % 9

8 Menetelmän puutteita Tässä esitetty ilmaston lämpenemisen aiheuttama rakennusten lämmitystarpeen muutoksen arviointimenetelmä, joka perustuu koko maan vuotuisen keskilämpötilan muutoksiin, ei ota huomioon kahta ilmaston lämpenemisen tarkennusta (ks. Ruosteenoja 2013, s 5 ja 6): ilmasto lämpenee Pohjois-Suomessa enemmän kuin Etelä-Suomessa ilmasto lämpenee talvikuukausina enemmän kuin kesällä. Ilmastomalleissa Suomen keskimääräisen lämpötilan muutos vastaa pinta-alapainotettua lämpötilaa. Kun väestö painottuu Etelä-Suomeen, etelän hitaampi lämpeneminen merkitsee, että väestöpainotettu lämpötilan ja lämmitystarpeen muutos on hitaampi kuin pinta-alapainotteinen muutos. Lämmitystarve painottuu talvikuukausiin ja kesä-aikojen lämpötilan muutokset eivät juurikaan vaikuta lämmitystarpeeseen. Kun talvikuukausien lämpötila nousee enemmän kuin vuoden keskilämpötila, vuoden keskilämpötilan käyttö lämmitystarpeen muutoksen pohjana aliarvioi ilmastomuutoksen vaikutusta lämmitystarpeeseen. Kokonaisuudessaan kahden aggregoinnin koko Suomi Etelä- ja Pohjois-Suomen sijaan ja koko vuosi kuukausien sijaan aiheuttamat vääristymät toimivat vastakkaissuuntaisesti: alueellinen aggregointi vääristää lämmitystarvetta ylöspäin ja ajallinen aggregointi alaspäin. Saattaa kuitenkin olla, että ajallisen aggregoinnin aiheuttaman vääristymän vaikutus on suurempi. Siten tässä sovellettu menetelmä pikemminkin aliarvioi kuin yliarvioi ilmastomuutoksen vaikutusta lämmitystarpeeseen. 10

Lähteet Ilmatieteen laitos 2014. Lämmitystarveluku eli astepäiväluku. http://ilmatieteenlaitos.fi/ lammitystarveluvut [viitattu 20.1.2014] IPCC 2013. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T. F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S. K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P. M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, in press http://www.climatechange2013.org/report/review-drafts/ [viitattu 21.1.2014] Maanmittauslaitos 2013. Suomen pinta-ala kunnittain 1.1.2013. http://www.maanmittauslaitos.fi/tilastot [viitattu 16.1.2014] Ruosteenoja, K. 2013. Maailmanlaajuisiin ilmastomalleihin perustuvia lämpötila- ja sademääräskenaarioita. Sektoritutkimusohjelman ilmastoskenaariot (SETUKLIM) 1. osahanke. Ilmatieteen laitos. 15 s. https://ilmasto-opas.fi/fi/ilmastonmuutos/suomen-muuttuva-ilmasto/- /artikkeli/dfe79a73-08ea-4686-8463-811b87f53e44/lampotilat-kohoavat.html [viitattu 17.1.2014] Tilastokeskus 2013. Väestörakenne [verkkojulkaisu]. Helsinki. http://tilastokeskus.fi/til/vaerak/tau.html [viitattu 17.1.2014] 11