Jäähdytysenergian tarve ja kulutusprofiili TkL Mika Vuolle Equa Simulation Finland Oy
Energiaa käytetään Taloteknisten palvelujen tuottamiseen Lämpöolosuhteet Sisäilmanlaatu Valaistusolosuhteet Äänilosuhteet Vedenlaatu ja jakelu Sisäinen liikenne Muuhun rakennuksen tapahtuvaan toimintaan ICT jne
Energiatehokkuus ja indikaattorit Rakennusten tehokkuuden indikoinninongelma ei ole kustannusten vaan arvon, tuoton ja/tai palvelutasonmäärittäminen vertailukelpoisella ja käytännössä hyödynnettävällä tavalla Arvo, tuotto, palvelu, tms Tehokkuus = Kustannus, panostus, haitta kwh/m 2?
Lämpöolojen parantaminen Normaali 1 hengen toimistohuone etelään Ikkunoissa sälekaihtimet Perusvaihtoehto: Korjattu tapaus: ilmanvaihto 2 L/s m 2 ilmanvaihto 2 L/s m 2 ei jäähdytystä jäähdytys 20 W/ m 2 käyttöaika 10 h/d käyttöaika 24 h/d /a, hlö Yhteensä Tuottavuuden menetys 402 330 Energia Lisä- investointi 19 0 7 110 136 72 2 l/sm 2, 0 W /m 2, 10 h/d 2 l/sm 2, 20 W/m 2, 24 h/d
Ilmastomuutos vs. rakennusten energiakäyttö Pientalon kokonaisenergiakulutus tulee pienenemään ilmastonmuutoksenvaikutuksesta noin 5 % vuoteen 2030 mennessä mikäli ilmastonmuutosskenaario A2 toteutuu. Tilojen ja ilmanvaihdon lämmitysenergiakulutus vähenee paikkakunnasta riippuen 7-10 kwh/m² a Jäähdytysenergian kulutus kasvaa vastaavasti 18 % (mikä on absoluuttiluvuissa kuitenkin pieni muutos 0,3 0,5 kwh/m²). Koska jäähdytysenergiankulutuksen osuus talon kokonaisenergiakulutuksesta on vain 2 %, sen muutoksella ei ole merkittävää vaikutusta talon kokonaisenergiakulutukseen. Jäähdytyslaitteiden tehotarve tulee kuitenkin kasvamaan keskimäärin 4 % vuoteen 2030 mennessä. Lämmityksen mitoitusolosuhteita esiintyy edelleen, mutta harvemmin.
Jäähdytystehon tarpeet Cooling power [W/m 2 ] 70 60 50 40 30 20 Chilled beam: Max 53 W/m2 Ceiling - PI: Max 43 W/m2 Ceiling - Thermostat: Max 52 W/m2 Floor - PI: Max 60 W/m2 Floor - Thermostat: Max 53 W/m2 10 0 70 75 80 85 90 95 100 Time [%] Ilman ja veden yhteenlaskettu jäähdytysteho, 43 60 W/m 2
Lauhdelämpötilan vaikutus kylmäkertoimeen SAATAVA JÄÄHDYTYSTEHO kw 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 LAUHDUTTIMEN NORMAALI TOIMINTA-ALUE KYLMÄKERROIN 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 ESIMERKKIKONE: CARRIER 30HZ141 KYLMÄAINE R407c 20 25 30 35 40 45 VEDENJÄÄHDYTTIMEN LAUHDUTTIMEN PALUUVEDEN LÄMPÖTILA C
Tuotetun veden lämpötilan vaikutus kylmäkertoimeen SAATAVA JÄÄHDYTYSTEHO kw 410 400 390 380 KYLMÄKERROIN 3,8 3,7 3,6 370 360 350 340 330 320 NORMAALI TOIMINTALÄMPÖTILA 7 C NORMAALI TOIMINTA-ALUE 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1 3 0 2 4 6 7 8 10 12 14 VEDENJÄÄHDYTTIMEN MENOVEDEN LÄMPÖTILA C
Periaate rakennuksessa, jossa tavanomaiset Vapaajäähdytyksen tuoton vedenjäähdyttimet energiataloudellisuus 1/3 Näiden pitäisi olla itsestäänselvyyksiä: 1. Sähkönkäyttö, joka tarvitaan rakennukseen tuotettuun vapaajäähdytyksen, tulee olla pienempi kuin, jos käytettäisiin kompressorijäähdytystä. 2. Lisäksi vapaajäähdytyksen sähkönkäyttö tulee olla mahdollisimman alhainen verrattuna tarvittavaan vapaajäähdytystehoon Pahimmillaan kumpikaan em. ehdoista ei toteudu tai toteutuu vain osan aikaa
Vapaajäähdytyksen erilainen käyttötilanne samalla ulkolämpötilalla keväällä ja syksyllä Ulkoilman lämpötila ja auringon säteilyteho vaakapinnalle Helsinki-Vantaa 1979 30 1400 20 1200 Ulkoilman lämpötila / C 10 0-10 -20-30 1000 800 600 400 200 Säteilyteho vaakapinnallle / W/m 2 Ulkolämpötila -40 0 0 730 1460 2190 2920 3650 4380 5110 5840 6570 7300 8030 8760 Aika / h
Käytännön ongelmia Vapaajäähdytyksen tuoton energiataloudellisuus 2/3 Tarvittava vapaajäähdytysteho pieni verrattuna pumppujen ja lauhdejärjestelmän puhaltimien sähkötehoon Koko rakennuksen koneelliselle jäähdytykselle mitoitettua järjestelmää käytetään vapaajäähdytykseen. Ylisuuret nestevirrat ja pumppaustehot. Ylisuuret puhallintehot lähestyttäessä vapaajäähdytyksen ulkolämpötilarajaa. Puhallinkäyttö ajautuu lähelle täyttä tehoa, kun lähestytään vapaajäähdytyksen käytön ulkolämpötilarajaa. Tarvittava jäähdytysteho voi kuitenkin olla edelleen alhainen. Pahimmillaan em. tilanteessa liian korkeaksi asetettu vapaajäähdytyksen ulkolämpötilaraja pitää järjestelmän epäedullisesti vapaajäähdytyskäytöllä, vaikka siirtyminen konejäähdytyskäytölle alentaisi energiakäyttöä Yksi vapaajäähdytysjärjestelmä usean lämpötilatason verkostoille. Vapaajäähdytyksen lämpötilatasoja ja meno- ja paluupuolen lämpötilaeroa vaikea hallita.
Mahdollisia ratkaisuja Vapaajäähdytyksen tuoton energiataloudellisuus 3/3 Erilliset pienemmät vapaajäähdytyspiirin pumput, jotka paremmin vastaavat tehontarvetta Pumppujen taajuusmuuttajat Lauhduttimien ja lauhdutuspiirien sulkeminen pois vapaajäähdytyskäytöstä, jotta lauhdepiiri vastaa paremmin tehontarvetta Omia vapaajäähdytyspiirejä eri tuottolämpötiloille. Kaksi tai useampi jäähdytysvesisäiliö, joilla palvellaan eri lämpötilatasojen verkostoja ja jäähdytyskonetta.
Toimistojen lämmitys- ja sähköenergian kulutuksen kehitys 1997-2006: Helsingin kaupunki ja Kuntaliitto 135 Energian kulutusindeksi 130 125 120 115 110 105 100 Helsinki: Lämpö Kuntaliitto: Lämpö Helsinki: Sähkö Kuntaliitto: Sähkö 95 90 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 Helsinki 1997: Lämpö 137,9 kwh/m 2 ja sähkö 65,5 kwh/m 2 Kuntaliitto 1999: Lämpö 44,2 kwh/m 3 ja sähkö 19,1 kwh/m 3
Toimistokohteiden mitatut energiankulutukset vuonna 2006 Helsinki Nordea YIT IT-Dynamo Kuntaliitto Motiva** YIT IT-Dynamo Lämmitys Sähkö kwh/m 2 kwh/m 2 kwh/m 2 kwh/m 2 138 85 223 87 54 101 kwh/m 3 40 35 11 25 Jäähdytyssähkö 14* 12 kwh/m 3 3* 3 75 95 111 kwh/m 3 *) Laskettu kaukokylmän kulutuksesta COP:n arvolla 2. **) Arvot mediaaneja. Vaihtelu 8 159 kwh/m 3 (lämpö) ja 5 200 kwh/m 3 (sähkö) 21 23 19 27 Ostoenergia 162 158 224 kwh/m 3 61 58 32 55
Toimistokohteiden simuloidut vuotuiset energiankulutukset Lämmitys Jäähdytyssähkö Sähkö Ostoenergia kwh/m 2 kwh/m 2 kwh/m 2 kwh/m 2 Toimistotalo (1985) 83 Ei jäähdytystä 58 141 Toimistotalo (1998) 44 12* 67 123 RET-toimisto (2008) 56 5* 63 124 YIT (2005) 61 9* 51 121 Tyypillinen vaihteluväli (uudet) 45 70 5 10 50 70 120 150 *) COP:n arvolla 2.
Yhteenveto toimistojen energiankäytöstä Toimistojen ostoenergiat 120 230 kwh/m 2, Uudiskohteet 120 160 kwh/m 2 Arvio ostoenergian jakaantumista Tilojen lämmitys 20 35 % Tuloilman lämmitys 10 20 % Lämmin käyttövesi 5 % Valaistus 15 25 % Toimistolaitteet 15 20 % Puhaltimet 10 15 % Jäähdytyssähkö 3 6 %