Rakennusten energiainvestointien monitavoiteoptimointi 14.2.2017 Tuomo Niemelä Johtava energia-asiantuntija tuomo.niemela@granlund.fi +358 40 662 1274
Optimointi: parhaan ratkaisun etsimistä suuresta määrästä erilaisia vaihtoehtoja
Tarve optimoinnin käytölle Kustannus- ja energiatehokkuustavoitteet Kustannustehokas lähes nollaenergiarakentaminen Kustannustehokas korjausrakentaminen Miten saavutetaan mahdollisimman hyvä energiatehokkuus mahdollisimman pienillä kustannuksilla Tavanomaisella muutamien vaihtoehtojen vertailulla ei välttämättä löydetä parhaita ratkaisuja erilaisia vaihtoehtoja helposti miljoonia Monitavoiteoptimointi kustannustehokas menetelmä parhaiden ratkaisuiden seulomiseen Tehokkaimmillaan suunnittelun alkuvaiheessa
Optimoitavia muuttujia rakennuksessa
B-luokka A-luokka C-luokka Minimivaatimustaso Monitavoiteoptimoinnin periaate Kustannusoptimaalinen ratkaisu 5
Optimoitu vs tavanomainen
Optimoitu vs tavanomainen
Case Tyypillinen suomalainen 60-luvun asuinkerrostalo
Suomalainen 60-luvun asuinkerrostalo case Optimaalisten energiakorjausratkaisujen määrittäminen MOBO*:lla (VTT:n ja Aaltoyliopiston kehittämä optimointityökalu) Työläs ja vaikea toteuttaa tavanomaisilla tarkastelu- ja laskentamenetelmillä Hyödynnetään energia- ja olosuhdesimulointiin perustuvaa optimointimenetelmää Matemaattinen optimointialgoritmi määrittää optimaaliset ratkaisut käyttäjän tekemien määritysten ja reunaehtojen pohjalta *Multi Objective Building Performance Optimization
Kaukolämpöjärjestelmän optimointi Kun kaukolämpöjärjestelmä on rakennuksen päälämmitysjärjestelmä, optimoitavat muuttujat ovat: Aurinkokeräinten pinta-ala (0-90 m 2 ) PV-paneelien pinta-ala (0-170 m 2 ) Ilmanvaihtoremontti ( nykyinen koneellinen poistoilmanvaihtojärjestelmä korvataan koneellisella tulo- /poisto-ilmanvaihtojärjestelmällä (72 %:n lämpötilasuhde)) Ulkoseinien lisäeristyspaksuus (0-200 mm), tai pelkkä julkisivuremontti Yläpohjan lisäeristyspaksuus (0-500 mm) Ikkunaremontti (alkuperäiset ikkunat kunnostetaan, tai vaihdetaan kokonaan uudet ikkunat, kaksi eri tyyppivaihtoehtoa: U-arvo 1,0 tai 0,8 W/m 2 K) 10
Maalämpöjärjestelmän optimointi Kun maalämpöjärjestelmä on rakennuksen päälämmitysjärjestelmä, optimoitavat muuttujat ovat: Lämpöpumppujärjestelmän teho (39-156 kw) PV-paneelien pinta-ala (0-170 m 2 ) Ilmanvaihtoremontti Ulkoseinien lisäeristyspaksuus (0-200 mm), tai pelkkä julkisivuremontti Yläpohjan lisäeristyspaksuus (0-500 mm) Ikkunaremontti (alkuperäiset ikkunat kunnostetaan, tai vaihdetaan kokonaan uudet ikkunat, kaksi eri tyyppivaihtoehtoa: U-arvo 1,0 tai 0,8 W/m 2 K) 11
Optimoinnin tulokset
Optimoinnin tulokset
Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet rakennukselle 14
Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet kaukolämpöjärjestelmälle 15
Optimoinnin käyttökohteet Uudisrakennukset miten tehdä kustannusoptimaalinen lähes nollaenergiarakennus Korjauskohteet korjauskonseptien määritys: 70-luvun kerrostalo, 80-luvun kerrostalot, toimistorakennukset jne. Uudis- ja korjausrakentamisen konseptikehitys miten kannattaa rakentaa ja korjata Erinomainen työkalu elinkaarihankkeiden kustannus- ja energiatehokkuustavoitteiden asettamiseen Sijoitetun pääoman tuoton maksimointi Kokonaisenergiankulutuksen optimointi (ostoenergia + materiaalit) Investointikustannusten minimointi miten käytettävissä olevalla rahalla saadaan paras mahdollinen kokonaisuus Erilaiset herkkyystarkastelut (valittu korkotaso, lähtötietojen tarkkuus, energian hinnan muutokset jne.)
Case 2, lähiön ryhmäkorjaushanke 1970-luvun asuinkerrostalolähiön kustannusoptimaaliset korjausratkaisut
Tarkasteltavat rakennukset Matala (5 kerroksinen) ja korkea (8 kerroksinen) tyyppirakennus optimoitiin MOBO- ja IDA-ICE -työkaluilla Hankkeessa korjataan yhteensä 7 kpl 1970-luvun alkupuolella rakennettua asuinkerrostaloa (yli 300 huoneistoa), joista 4 rakennusta on korkeita ja 3 matalia Optimointituloksia voidaan hyödyntää hyvällä tarkkuudella kaikkiin korjattaviin (7 kpl) rakennuksiin Aluksi tyyppirakennusten energialaskentamallit kalibroitiin vastaamaan nykyistä/toteutunutta tilannetta Tämän jälkeen lähdettiin suorittamaan itse energiaoptimointitarkastelua
Optimoinnin tavoite Tavoite oli löytää kustannusoptimaaliset energiakorjausratkaisut valituille päälämmitysjärjestelmille 25 vuoden tarkastelujaksolla Tutkittavat päälämmitysjärjestelmät: Kaukolämpö Poistoilmalämpöpumppu (PILP) Ilma-vesilämpöpumppu (IVLP) Muut muuttujat: Aurinkolämpökeräimet Yläpohjan ja ulkoseinien (lisä)lämmöneristäminen julkisivukorjauksen yhteydessä sekä ikkunoiden vaihto Ilmanvaihtoremontti (huoneistokohtaiset IV-koneet) Jäteveden lämmöntalteenottojärjestelmä (LKV:n esilämmitys) Lämpöpumppujärjestelmien optimaaliset mitoitustehot
Ilma-vesilämpöpumppujärjestelmän optimointi kaikki tulokset
Optimaalisten energiakorjausratkaisuiden elinkaarikustannukset (korkea rakennus, alv 0 %)
Optimaalisten energiakorjausratkaisuiden investointikustannukset (korkea rakennus, alv 0 %)
Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet poistoilmalämpöpumppujärjestelmälle Energiankulutus (kwh/m 2,a) 1 2 3 4 5 Elinkaarikustannukset (, 25 a) Investointikustannukset ( ) 118 a 50 mm lämpöeristettä nykyisen ulkokuoren päälle Vanhan katteen purku + 200 mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Alkuperäisten ikkunoiden suojaus ja tiivistys julkisivuremontin yhteydessä 52 0,7 1 261 000 555 000 110 100 mm lämpöeristettä nykyisen ulkokuoren päälle Vanhan katteen purku + 400 mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Alkuperäisten ikkunoiden suojaus ja tiivistys julkisivuremontin yhteydessä 59 0,2 1 267 000 581 000 1 = Ulkoseinäremontti 2 = Yläpohjaremontti 3 = Ikkunaremontti. U-arvon yksikkö (W/m 2 K) 4 = Poistoilmalämpöpumpun mitoitusteho (kw) 5 = Jäteilman rajoituslämpötila ( o C) 105 Nykyinen ulkokuori ja eriste puretaan. 250 mm uutta lämpöeristetttä Vanhan katteen purku + 200 mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Alkuperäisten ikkunoiden suojaus ja tiivistys julkisivuremontin yhteydessä 57 2,1 1 327 000 662 000 a = Elinkaarikustannuksiltaan kaikista optimointivaihtoehdoista edullisin 100 Nykyinen ulkokuori ja eriste puretaan. 200 mm uutta lämpöeristetttä Vanhan katteen purku + 200 mm lisäeristys ja uudet LVIS-asennukset + uusi huopa (tasakatto) Uudet ikkunat. U-arvo 0,8 60-3,4 1 406 000 760 000
Case 3, asuinrakentamisen ryhmäkorjaushanke Kohde Etelä-Suomessa
Työn tavoite Työn tavoitteena oli määrittää ja esittää kustannustehokkaimmat energiatehokkuusratkaisut ja niiden laajuus tutkittavassa kohteessa. Optimoinnissa maksimoitiin investointien sisäistä korkotuottoa ja minimoitiin vuotuisia energiakustannuksia. Optimointitarkasteluita tehtiin yhteensä 4 kappaletta: 1. Kaukolämpöjärjestelmä 2. Ilma-vesilämpöpumppujärjestelmä + kaukolämpö 3. Maalämpöpumppujärjestelmä + kaukolämpö 4. Maalämpöpumppujärjestelmä + sähkökattila
Laskennan keskeisiä lähtötietoja Optimoinnin muuttujat: Ikkunoiden U-arvo Ovien U-arvo Lämpöpumpun mitoitusteho (ei kaukolämpötapauksessa) Aurinkosähköpaneelien pinta-ala Aurinkosähköpaneelien hyötysuhde Aurinkolämpökeräimien pinta-ala (ei lämpöpumppujärjestelmissä)
Sisäinen korkotuotto Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Optimitulokset kaikille järjestelmille, investointien sisäinen korkotuotto ja vuotuiset energiakustannukset esitettyinä. 10% 9% 8% 7% 6% Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys 5% 4% 3% 2% 1% 0% 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Energiakustannukset [t /a]
Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Elinkaarikustannusten nykyarvo (25 a) [t ] Optimitulokset kaikille järjestelmille, elinkaari- ja investointikustannukset esitettyinä. 2400 2200 2000 1800 1600 Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys 1400 1200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Investointikustannukset [t ]
Elinkaarikustannusten nykyarvo (25 a) [t ] Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Optimitulokset kaikille järjestelmille, elinkaarikustannukset ja vuotuiset energiakustannukset esitettyinä. 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys 1600 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Energiakustannukset [t /a]
Investointikustannukset [t ] Energiaoptimoinnin optimaaliset ratkaisut yhdistettyinä Optimitulokset kaikille järjestelmille, investointikustannukset ja vuotuiset energiakustannukset esitettyinä. 900 800 700 600 Referenssitilanne Kaukolämpö Ilma-vesilämpöpumppu Maalämpö+Kaukolämpö Maalämpö+Sähkölämmitys 500 400 300 200 100 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Energiakustannukset [t /a]
Optimiratkaisujen sisäiseltä korkotuotoltaan parhaiden toimenpideratkaisuiden vertailu t 2500 2000 1500 1000 2250 1730 1478 1255 1197 500 0 418 437 486 537 Referenssi KL IVLP ML+KL ML+S Investoinnit Käytönaikaisten kustannusten nykyarvo Ratkaisu Sisäinen korkotuotto Energiakustannukset (t /a) Elinkaarikustannukset (t ) Investointikustannukset (t ) Ikkunoiden U-arvo Ovien U-arvo AK pintaala\lp teho Aurinkopaneelien hyötysuhde Aurinkopaneelien pinta- [W/m 2 K] [W/m 2 K] [m 2 \kw] ala [m 2 ] Referenssi 61 0 % 2331 81 2,1 1,5 0 0 0 % KL 53 4.4 % 2148 418 0,8 1 75 m2 60 14 % IVLP 44 7.7 % 1915 437 1 1 92 kw 10 17 % ML+KL 37 8.8 % 1741 486 0,8 1 90 kw 10 14 % ML+S 35 8.0 % 1734 537 0,8 1 120 kw 20 14 %
Optimiratkaisujen vuotuisilta energiakustannuksiltaan parhaiden toimenpideratkaisuiden vertailu t 2500 2000 1500 1000 2250 1623 1312 1045 999 500 0 555 630 733 839 Referenssi KL IVLP ML+KL ML+S Investoinnit Käytönaikaisten kustannusten nykyarvo Ratkaisu Sisäinen korkotuotto Energiakustannukset (t /a) Elinkaarikustannukset (t ) Investointikustannukset (t ) Ikkunoiden U-arvo Ovien U-arvo AK pintaala\lp teho Aurinkopaneelien hyötysuhde Aurinkopaneelien pinta- [W/m 2 K] [W/m 2 K] [m 2 \kw] ala [m 2 ] Referenssi 61 0 2331 81 2,1 1,5 0 0 0 % KL 48 2.7 % 2177 555 0,6 0,7 105 m2 420 14 % IVLP 37 5.0 % 1942 630 0,6 0,7 115 kw 460 17 % ML+KL 28 5.6 % 1778 733 0,6 0,7 180 kw 500 14 % ML+S 26 4.4 % 1838 839 0,7 0,7 240 kw 500 17 %
Case 4, alueellinen kehityshanke Älykäs Rantakylä-Utra hanke, Joensuu
Älykäs Rantakylä-Utra Älykäs Rantakylä-Utra -hankkeessa keskitytään tunnistamaan toimenpiteitä, joilla tarkasteltavan alueen ekotehokkuutta saadaan parannettua. Hankkeessa kartoitetaan ja mallinnetaan keinoja, joilla Rantakylä-Utra voidaan muuttaa energia- ja resurssitehokkuudeltaan nykyaikaiseksi kaupunginosaksi. Tutkittavat teemoja hankkeessa ovat mm. kiinteistöjen energiatehokkuus ja lähienergia, liikkuminen, kaupunkirakenne sekä digitalisaatio. Energiatehokkuuspotentiaalin ja sen kustannustehokkaan hyödyntämisen mahdollisuuksia tarkastellaan Granlundin johtamalla asiantuntijatyöllä yhteistyössä hankkeen sidosryhmien kanssa. Esimerkkitarkasteluissa hyödynnetään Granlundin laajaa kokemusta korjausrakentamisen energiatehokkuusparannuksista alueen tyyppirakennuksissa, sekä myös jo tehtyjä energiaoptimointitarkasteluja toimenpiteiden kannattavuuden arvioinnissa.
KIITOS!