Rakennusten energiainvestointien monitavoiteoptimointi

Rakennusten energiainvestointien monitavoiteoptimointi 15.11.2017 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

Optimoitu vs tavanomainen

Case 1 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)

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)

Optimoinnin tulokset

Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet rakennukselle

Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet kaukolämpöjärjestelmälle

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, hiilijalanjälki asuinkerrostalojen peruskorjauksissa Kohde Etelä-Suomessa

Tulokset: CO 2 -optimointi Matalampi energian hintakehitysskenaario (+2 %/v)

Maalämpö energiakaivoilla 37

Asennusperiaate Järjestelmä voidaan asentaa joko olemassa olevan kaukolämpöjärjestelmän rinnalle tai suoran sähkölämmityksen kanssa Hybridilämmitysjärjestelmä, kun kaukolämpö on mukana Sisältää rajoituksia/ohjeita (K1-ohjeet) siitä, miten lämpöpumpun saa asentaa Maalämpöjärjestelmä, kun apuna on suora sähkölämmitys Tässä vaihtoehdossa nykyinen kaukolämpöjärjestelmä puretaan tyypillisesti kokonaan pois Kohteen sijaintipaikkakunta vaikuttaa merkittävästi suositeltavimpaan ja kustannustehokkaimpaan asennusvaihtoehtoon Tilanne on eri Espoossa, Helsingissä, Vantaalla, Keravalla, Tampereella jne.

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki KUSTANNUKSET (ALV. 0 %) Sähkö: 85,44 /MWh (energia + siirto + vero) Kaukolämpö: 44,3 /MWh (energia) + 7770 /a tehomaksu ENERGIANKULUTUS - KAUKOLÄMPÖ Vuosienergia: 2015: 506 MWh 2016: 549 MWh Huipputehot: 2015: 186 kw 2016: 180 kw

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Selvityksessä vertailtiin viittä erikokoista järjestelmää nykyiseen: - Kaksi erikokoista lämpöpumppujärjestelmää lämmöntalteenotolla - Pelkkää maalämpöä - Maalämpö- / Ilma-vesilämpöpumppu yhdistettynä kaukolämpöön MLP120+4LTO MLP100+4LTO MLP100 MLP60+KL IVLP90+KL Yksikkö Lämpöpumpun teho: 120 100 100 60 90 kw Tuotettu energia LP: 510 508 506 412 435 MWh Tarvittava lisäteho: 120 120 120 180 180 kw Lisälämpö tunnit: 369 1107 1107 4688 4012 h Lisäenergian tarve: 39 41 43 137 114 MWh Energianpeittoaste LP: 93 % 93 % 92 % 75 % 79 % Lämpökaivojen määrä: 9 x 300m. 8 x 300m 10 x 315m 8 x 300m 0 kpl. MLP = Maalämpöpumppu, IVLP = Ilma-vesilämpöpumppu, LTO = Lämmöntalteenotto, KL = Kaukolämpö

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Elinkaarikustannuslaskennassa käytetyt arvot: [alv. 0%] Laskentakorko (investoinnin tuotto-odotus): +3 % Kaukolämmön hintakehitys: Sähkön hintakehitys: +3 % /vuosi +2 % /vuosi Järjestelmien vuotuiset energiakustannukset muodostuvat seuraavasti: Järjestelmä: Kaukolämpö: Hinta: Sähkö: Hinta: Tehomaksut: Yhteensä: Kaukolämpö 549 MWh 26 912 0 MWh 0 7 767 34 679 MLP120+4LTO 0 MWh 0 198 MWh 16 898 2 222 19 120 MLP100+4LTO 0 MWh 0 209 MWh 17 884 2 591 20 475 MLP100 0 MWh 0 233 MWh 19 886 2 642 22 528 MLP60+KL 137 MWh 7 349 137 MWh 11 686 9 023 28 059 IVLP90+KL 98 MWh 5 168 160 MWh 13 670 11 185 30 023 Sähkön tehomaksu on laskettu lisääntyneen sähkönkulutuksen perusteella.

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Lisäksi lämpöpumppujärjestelmään oletetaan sisältyvän ylimääräisiä huolto-, uusimis- ja ylläpitokustannuksia, joita ei pelkän kaukolämmön tapauksessa välttämättä esiintyisi. Kaukolämmölle on huomioitu 16 000 investointikustannus vaihdinpaketin uusimisesta. Näiden lämpöpumppujärjestelmiin liittyvien kustannusten suuruus laskelmissa on: Vuotuiset huoltokustannukset: 550-800 /a, huomioitu myös LTO:n suodattimet. Lämpöpumppukoneikon kompressorin uusiminen 15 vuoden käytön jälkeen: 120 kw järjestelmä: 9 000 100 kw järjestelmä: 8 000 60 kw järjestelmä: 6 000 90 kw IVLP-järjestelmä: 9 000

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Kun tarkastellaan elinkaarikustannuksia 20 vuoden ajalta voidaan todeta, että kaikki tutkitut maalämpöjärjestelmät ovat edullisempia kuin nykyinen kaukolämpöjärjestelmä. Korkokanta Inflaatio Lämmityksen eskalaatio Sähkön eskalaatio: 3 % 0 % 3 % 2,0 %

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Vaikka tarkastelu suoritetaan erilaisella energian hintakehitysoletuksella, kaikki tutkitut maalämpöjärjestelmät ovat edelleen 20 vuoden aikana edullisempia kuin nykyinen kaukolämpöjärjestelmä. Korkokanta Inflaatio Lämmityksen eskalaatio Sähkön eskalaatio: 3 % 0 % 2 % 3,0 %

Esimerkki maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Helsinki Kun suoritetaan elinkaarikustannusvertailu, missä sähköenergian hinta (+3 %/a) nousisi kaukolämpöenergian hintaa (+2 %/a) nopeammin, näyttää maaenergiajärjestelmän taloudellinen kannattavuus alla esitetyltä.

Case-esimerkki 1, Espoossa

Esimerkkejä maalämpöinvestoinnin taloudellisesta kannattavuudesta, Espoo Rakennus Optimaalinen mitoitusteho, maalämpö, kw Investointikustannus Sijoitetun pääoman tuotto, 30 vuotta Vuotuinen nettosäästö alussa, /a Nettosäästö yhteensä, /30 a* Takaisinmaksuaika, vuotta* Esimerkkikohde 1 120 230 000 10 % 16 000 646 000 11 Esimerkkikohde 2 120 240 000 12 % 21 000 813 000 10 Esimerkkikohde 3 160 350 000 13 % 31 500 1 269 000 9 Esimerkkikohde 4 160 340 000 12 % 28 000 1 105 000 10 *Energiakustannusten nousu huomioitu (=energian hinta nousee tulevaisuudessa)

Maalämpöinvestoinnin taloudellinen kannattavuus Tyypillisesti maalämpöpumppuinvestointi on taloudellisesti kannattavin yksittäinen energiainvestointi olemassa olevassa asuinkerrostalossa (rakennettu ennen 1990) Ei kuitenkaan kaikissa tilanteissa, riippuen mm. energiakaivojen porauksen toteutettavuudesta Vaatii huolellista suunnittelua ja mitoitusta Kohteen ominaisuuksien ja kulutusprofiilin mukaisesti Energiakaivojen mitoitus tärkeää väärä paikka säästää Varaajamitoitus ja tilantarve tulee huomioida kohteen mukaisesti Myös sähköjärjestelmän (liittymä, sulakkeet jne.) riittävyys on huomioitava suunnittelussa sähköteho ja sähkönkulutus kiinteistössä kasvavat

Poistoilman lämmöntalteenotto, PILP 52

Toimintaperiaate

Taloudellinen kannattavuus Järjestelmä on tyypillisesti sen verran pienitehoinen, että ei jouduta kaukolämmön hybridihinnoittelun alaiseksi Voi olla kustannustehokas ratkaisuvaihtoehto maalämmölle, riippuen mm. tontin koosta ja muista mahdollisista reunaehdoista Voidaan toteuttaa myös hybridiperiaatteella, missä osa lämmöstä tuotetaan poistoilmalla ja osa porakaivoilla Taloudellinen kannattavuus on tyypillisesti parempi korkeissa tornitaloissa kuin matalissa lamellitaloissa Edullisempi asennushinta suhteessa saatavaan energiamäärään

Taloudellinen kannattavuus, Helsinki, 6-kerroksinen asuinkerrostalo

Taloudellinen kannattavuus, Kerava, 16-kerroksinen asuinkerrostalo

Suunnitteluperusteet 57

Vertailtavia lämmitysenergiajärjestelmiä Esimerkki vertailtavista järjestelmäkokonaisuuksista: Maalämpöpumppujärjestelmät ja poistoilman lämmöntalteenotto Ilma-vesilämpöpumput Järjestelmä 1 Järjestelmä 2 Järjestelmä 3 Järjestelmä 4 Järjestelmä 5 Järjestelmä 6 Järjestelmä 7 Järjestelmä 8 Lämpöpumpputeho: 120 kw 84 kw 60 kw 60 kw 60 kw 40 kw 92 kw 46 kw Lämpökaivot: 10 kpl. 8 kpl. 7 kpl. 11 kpl. 11 kpl. 0 kpl. 0 kpl. 0 kpl. Poistoilmayksiköitä: 4 kpl. 4 kpl. 4 kpl. 0 kpl. 0 kpl. 4 kpl. 0 kpl. 0 kpl. Lisälämmönlähde: Sähkökattila Sähkökattila Sähkökattila Sähkökattila Kaukolämpö Kaukolämpö Kaukolämpö Kaukolämpö Sekä mahdollisista vertailtavista erillisjärjestelmistä: - Jäteveden lämmöntalteenotto - Aurinkolämpökeräimet - Aurinkosähköpaneelit

Lämpöpumppujärjestelmän kustannusoptimaalinen mitoittaminen uusilla simulointiohjelmistoilla

Lämpökaivokentän mitoitus ja sijoitus Geoenergiajärjestelmä Etelä-Suomessa, kaivokentän simulointi tuntitasolla, 30 vuotta, kaivot: 12 x 300 metriä

Lämpökaivokentän mitoitus ja sijoitus

Optimaalinen kytkentäperiaate kohteen mukaisesti -Case-esimerkki, kohde Espoossa

KIITOS!