FInZEB-laskentatuloksia: Herkkyys- ja yhdistelmätarkastelut, asuinkerrostalo ja toimistotalo

FInZEB-laskentatuloksia: Herkkyys- ja yhdistelmätarkastelut, asuinkerrostalo ja toimistotalo 11.6.2014 / 8.9.2014 (alkuperäistä esitystä päivitetty punaisella merkityin osin) Granlund Oy / E Reinikainen, L Loisa 1

Ohjeet tämän aineiston lukijalle: Tässä materiaalissa käytetään käsitteitä ostoenergia sekä E-luku: Ostoenergia on energiaa, joka hankitaan rakennukseen esimerkiksi sähköverkosta, kaukolämpöverkosta, kaukojäähdytysverkosta ja uusiutuvan tai fossiilisen polttoaineen sisältämänä energiana. Ostoenergiassa on otettu huomioon vähennykset uusiutuvasta omavaraisenergiasta. E-luku on energiamuotojen kertoimilla painotettu rakennuksen vuotuinen ostoenergiankulutus rakentamismääräyskokoelman osan D3/2012 annetuilla säännöillä ja lähtöarvoilla laskettuna jaettuna rakennuksen lämmitetyllä nettoalalla. Tässä aineistossa esitettyjen nzeb-e-lukujen laskennassa on poikettu rakentamismääräyskokoelman osan D3/2012 E-luku laskentasäännöistä seuraavilta osin: Kylmäsiltoja pienennetty 25 % Lämmönjakelun hyötysuhteena käytetty 95 % Asuinkerrostaloissa ja kouluissa lämpimän käyttöveden kulutuksena käytetty D3-arvoa pienempää kulutusta 2

E-lukulaskenta D3/2012 Kiinteät säännöt: Sää Rajaussäännöt: Taseraja rakennuksessa Ei erikoistiloja Ei ulkopuolista kulutusta Ei kiinteistön teknisiä järjestelmiä D5-ohjeistetut säännöt: Kylmäsillat Hyötysuhteet Apulaitteiden sähkönkulutus FInZEB-tarkasteluissa on varioitu punaisella merkittyjä tekijöitä. HUOM: siis myös E-lukulaskennan D3/2012 säännöistä on näiltä osin poikettu Standardikäytön säännöt: Lämpötilat Ilmavirrat Henkilöt Valaistus Laitteet Käyttöajat Lämmin käyttövesi Tarpeenmukaisuus huomioitavissa: Ilmanvaihto Valaistus Suunnittelun keinot: Muoto, Suuntaus Tilojen sijoittelu Aukotus Aurinkosuojaus U-arvot Tiiviys Iv-palvelualueet LTO-hyötysuhde Sfp-luku Vapaajäähdytys Energiamuotokertoimet Laskentatyökalut Järjestelmähäviöt Energiahankinnan keinot: Ostoenergian vaihtoehdot Uusiutuva omavaraisenergia Ei ohjeistettu D3/D5: Energiavirtojen kierrätys Hukkalämmön hyödyntäminen 3

Suuri asuinkerrostalo Tarkasteltavana asuinrakennuksena on uusi, vuoden 2012 lopussa rakennusluvan saanut kerrostalo Talon rakennusluvassa E-luku oli 126 kwh/m² (raja on 130) Talon pinta-ala on 3300 m² Talon energiantarve rakennusluvan energiaselvityksen E-lukulaskelmassa on 300 MWh/a lämmitystä ja 122 MWh/a sähköä 4

Suuri kerrostalo 3300 m² - ostoenergia 160 140 120 100 80 Kerrostalo, ostoenergia kwh/m 2,a Pienen kerrostalon taso LVI - muu kwh/m²,a Ilmanvaihto kwh/m²,a Laite kwh/m²,a Valaistus kwh/m²,a Jäähdytys kwh/m²,a s ä h k ö 60 40 20 0 Lämpö-muu kwh/m²,a LKV kwh/m²,a IV-lämmitys kwh/m²,a Tilalämmitys kwh/m²,a 5

Suuri kerrostalo E-luku A 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Pienen kerrostalon taso 147 138 142 140 143 142 144 144 143 143 141 128 133 136 142 kaukolämpötalo 6

Pieni asuinkerrostalo Talon pinta-ala on 1100 m² Talolle tehdyssä E-lukulaskelmassa energiantarve on 120 MWh/a lämmitystä ja 80 MWh/a sähköä Talon E-luku on 126 kwh/m² 7

Pieni kerrostalo 1100 m² - ostoenergia 180 Kerrostalo, ostoenergia kwh/m 2,a 160 140 120 100 80 60 40 20 0 LVI - muu kwh/m²,a Ilmanvaihto kwh/m²,a Laite kwh/m²,a Valaistus kwh/m²,a Jäähdytys kwh/m²,a Lämpö-muu kwh/m²,a LKV kwh/m²,a IV-lämmitys kwh/m²,a Tilalämmitys kwh/m²,a s ä h k ö 8

Pieni kerrostalo E-luku 160 140 152 142,8 132 147,4 145,5 151,6 147,8 148,8 133,0 149 148 158 156 120 A 100 80 60 40 20 0 kaukolämpötalo 9

Pieni toimistorakennus Rakennuksen bruttopinta-ala on 6313 m² Talon energiantarve E-lukulaskelmassa on 202 MWh/a (39,8 kwh/m²/a) lämmitystä ja 239 MWh/a (47,1 kwh/m²/a) sähköä 10

Pieni toimisto 6200 m² - ostoenergia 160 Pieni toimisto, ostoenergia kwh/m 2,a 140 120 100 80 60 40 20 0 LVI - muu kwh/m²,a Ilmanvaihto kwh/m²,a Laite kwh/m²,a Valaistus kwh/m²,a Jäähdytys kwh/m²,a Lämpö-muu kwh/m²,a LKV kwh/m²,a IV-lämmitys kwh/m²,a Tilalämmitys kwh/m²,a s ä h k ö 11

Pieni toimisto E-luku 160 140 120 163,1 146,5 127,4 162,6 159,4 157,6 162,8 149,3 161,9 160,6 161,3 159,9 127,1 150,3 160,4 159,4 152,9 A 100 80 60 40 20 0 kaukolämpötalo 12

Suuri toimistorakennus Rakennuksen nettopinta-ala on maan päällisiltä osiltaan 32 100 m² Rakennus on olemassa ja valmistunut vähän ennen E-luvun laskentavaatimuksien voimaan astumista 13

Suuri toimisto 32 100 m² - ostoenergia s ä h k ö 14

Suuri toimisto E-luku 180 160 140 162 146 130 160 156 154 162 148 161 160 157 156 133 148 161 162 120 A 100 80 60 40 20 0 kaukolämpötalo 15

NZEB yhdistelmätarkastelu yhdistelmien vaikutus energiankulutukseen ja E-lukuun asuinkerrostalo ja toimistotalo Päivitetty 8.9.2014 16

Yhdistelmätarkastelun esittely Yksittäisistä E-lukuun vaikuttavista tekijöistä koottiin yhdistelmiä, joilla saadaan rakennuksen E-luku pienemmäksi Yhdistelmät aikaisemmin esitetyistä tekijöistä koottiin seuraavin periaattein: Rakennusluvan saavuttava yhdistelmä pienelle ja suurelle asuinkerrostalolle sekä toimistolle, mikäli D3-perustapaus ei riitä Tehokkaat ja edulliset Tehottomat tai jonkin verran tehokkaat, mutta kalliit verrattuna edullisiin Yhdistelmiä tehtiin seuraaville rakennustyypeille: Pieni (monimuotoinen) kerrostalo (Av/V 0,54) Suuri kerrostalo (Av/V 0,42) Korkea kerrostalo, 10 kerrosta (Av/V 0,32) Suuri ja pieni toimistotalo (Av/V 0,17 ja 0,26) Korkea toimistotalo, 25 kerrosta (Av/V 0,18) 17

Laskelmien yleiset periaatteet Rakennukset lämmitetään kaukolämmöllä Rakennuksien jäähdytys toteutetaan omilla, sähköä käyttävillä vedenjäähdytyslaitteilla Kaikki laskelmat tehtiin E-luvun laskentasääntöjen mukaan Tarpeenmukaisen valaistuksen laskemisessa käytettiin Rakentamismääräyksen D5 ohjeellisia käyttökertoimia Tarpeenmukaisen ilmanvaihdon ilmavirrat saatiin simuloinnin avulla, jossa perusteena E-luvun laskentaohjeen henkilömäärä ja Sisäilmastoyhdistyksen julkaiseman sisäilmastoluokituksen S2 sallima hiilidioksidipitoisuus sisäilmassa (luokat S1 S3) 18

Yhdistelmien kuvaus - kerrostalo Perustapaus SRMK-D3: D3 laskentaohjeen mukaiset lukuarvot sekä muut rakentamismääräysten minimiarvot eristyksille (ulkoseinän U-arvo 0,17 W/m²K), ilmanvaihdon lämmöntalteenotolle (45 %), vuotoilmakertoimelle (q 50 =4), kylmäsilloille, ilmanvaihdon ominaissähköteholle jne. Rakennuslupa: Lämmön talteenotto ilmanvaihdosta asunnoissa 69 % ja yleisissä tiloissa 71 % Vuotoilmakerroin q50 = 1,0 Tuloilmavirta asunnoissa 0,4 dm³/s,m² (vain pieni kerrostalo) Ikkunoiden g-arvo 60 % (vain pieni kerrostalo) Tehokkaat ja edulliset yhdistelmät Lämmöntalteenotto ilmanvaihdosta 80 % ilmanvaihdon ominaissähköteho 1,5 kw/(m³/s) (-25 %) vuotoilmakerroin 0,6 valaistus 7 W/m² (-36 %) ikkunoiden lämmönläpäisy (U-arvo) 0,8 W/m²K (-20 %) Vähemmän tehokkaat ja kalliimmat yhdistelmät Kylmäsiltojen lämpövuoto -25 % Talon lämmityksen lämmönjakelun hyötysuhde 95 % (perustapaus 85 %) Parannettu lämmöneristys: ikkunat 0,6 W/m²K ja ulkoseinä 0,1 W/m²K 19

Yhdistelmien kuvaus - toimistotalo Perustapaus SRMK-D3: D3 laskentaohjeen mukaiset lukuarvot laitekuormille, sähkötehoille jne. rakentamismääräysten minimiarvot eristyksille ja ikkunoille ilmanvaihdon lämmöntalteenotto 45 % hyötysuhteella Vuotoilmakertoimelle lukuarvo q 50 =4 kylmäsilloille ohjeelliset rakentamismääräysten arvot ilmanvaihdon ominaissähköteholle jne. rakentamismääräysten minimiarvot. 20

Yhdistelmien kuvaus - toimistotalo Tehokkaat ja edulliset yhdistelmät Lämmöntalteenotto ilmanvaihdosta 80 % ilmanvaihdon ominaissähköteho 1,5 kw/(m³/s) (-25 %) Ilmanvaihto tarpeenmukaisesti ohjattu CO 2 ja lämpötilaohjaus vuotoilmakerroin 0,6 valaistus 7 W/m² (-41 %) ja tarpeenmukainen sekä päivänvalo-ohjaus ikkunoiden lämmönläpäisy (U-arvo) 0,8 W/m²K (-20 %) Vähemmän tehokkaat ja kalliimmat yhdistelmät Kylmäsiltojen lämpövuoto -25 % perustapauksesta Talon lämmityksen lämmönjakelun hyötysuhde 95 % (perustapaus 85 %) Parannettu lämmöneristys: kiinteät ikkunat 0,6 W/m²K ja ulkoseinä 0,1 W/m²K Ikkunan auringonsäteilyn läpäisy, g-arvo 24 % (34 % edellisessä vaihtoehdossa) koska sälekaihtimia ei voi käyttää kiinteissä ikkunoissa 21

Yhdistelmien laskettu ostoenergia - kerrostalo s ä h k ö 22

Yhdistelmien laskettu ostoenergia - toimisto s ä h k ö 23

Rakennuslupa Yhdistelmien laskettu E-luku - kerrostalo A 160 140 120 100 80 60 40 20 0 152 128 117 107 109 90 147 128 134 112 102 105 86 141 109 131 99 102 83 kaukolämpötalo 24

Yhdistelmien laskettu E-luku - toimisto Rakennuslupa A 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 164 102 156 92 96 86 162 98 154 84 89 79 155 84 149 74 79 69 kaukolämpötalo 25

NZEB yhdistelmätarkastelu energiamuodon vaikutus E-lukuun asuinkerrostalo ja toimistotalo Tämä osuus lisätty 8.9.2014 26

Energiamuodoille laskettu E-luku - asuinkerrostalo Nykyinen A-luokan asuinkerrostaloilla 75 kwh/m²,a Nettoala Muotokerroin (Av/V) Ikkunoiden osuus ulkoseinien alasta Asunto P 1068 m² 0,54 21 % Asunto S 2977 m² 0,31 27 % Asunto K 3439 m² 0,32 20 % 27

Energiamuodoille laskettu E-luku - toimisto Nykyinen A-luokan raja toimistorakennuksilla 80 kwh/m²,a Nettoala Muotokerroin (Av/V) Ikkunoiden osuus ulkoseinien alasta Toimisto P 6203 m² 0,26 26 % Toimisto S 32142 m² 0,20 57 % Toimisto K 18545 m² 0,18 29 % 28

NZEB sijaintipaikkavertailu laskentasään vaikutus energiankulutukseen ja E-lukuun asuinkerrostalo 11.6.2014 29

Asuinkerrostalon sijaintivertailu Suuren asuinkerrostalon energiankulutukselle tehtiin sijaintipaikkakuntavertailu tutkittiin miten sijaintipaikkakunta vaikuttaa aiemmin esitettyjen kahden E-lukua pienentävän toimenpideyhdistelmän laskentatuloksiin sekä perustapaukseen Sijaintipaikkakunnat ovat Helsinki ja Rovaniemi Toimenpideyhdistelmät ovat kertauksena: Perustapaus SRMK-D3 Tehokkaat ja edulliset yhdistelmät Vähemmän tehokkaat ja kalliimmat yhdistelmät 30

Yhdistelmien ostoenergia - kerrostalo 200 180 160 140 120 100 80 60 +27 % Yhdistelmävaihtoehdot, ostoenergia kwh/m 2,a +21 % +24 % LVI - muu kwh/m²,a Ilmanvaihto kwh/m²,a Laite kwh/m²,a Valaistus kwh/m²,a Jäähdytys kwh/m²,a Lämpö-muu kwh/m²,a LKV kwh/m²,a 40 IV-lämmitys kwh/m²,a 20 Tilalämmitys kwh/m²,a 0 Perustapaus Perustapaus SRMK-D3, SRMK-D3, Helsinki Rovaniemi Tehokkaat ja Tehokkaat ja edulliset, edulliset, Helsinki Rovaniemi Vähemmän Vähemmän tehokkaat ja tehokkaat ja kalliit, kalliit, Helsinki Rovaniemi 31

Yhdistelmien E-luku - kerrostalo +19 % +17 % +15 % 200 180 160 140 120 147 175,2 111,5 128 134,3 157,0 100 A 80 60 40 20 0 kaukolämpötalo Perustapaus SRMK-D3, Helsinki Perustapaus SRMK-D3, Rovaniemi Tehokkaat ja edulliset, Helsinki Tehokkaat ja edulliset, Rovaniemi Vähemmän tehokkaat ja kalliit, Helsinki Vähemmän tehokkaat ja kalliit, Rovaniemi 32

Aurinkosähköpotentiaali asuinkerrostalossa ja toimistorakennuksessa katolla ja julkisivussa 11.6.2014 33

Selvitystyön tausta Tähän mennessä FinZEB-hankkeessa on tutkittu prosenttiosuuksien avulla miten tietty prosenttiosuus katon, ja/tai tontin pinta-alasta aurinkosähkön tuotannossa vaikuttaa talon E-lukuun Toisena osana on tutkittu aikaisemmin miten paljon tarvitaan aurinkosähköä, jotta nykyaikaisesta kerrostalosta saadaan pelkällä aurinkosähköllä A-energiatehokkuusluokan talo Tässä selvityksessä tutkittiin todellisen suunnittelun keinoin, miten paljon tyypillisen kerrostalon ja toimiston katolta ja julkisivusta saadaan aurinkosähköä ja miten se vaikuttaa energiatodistuksen pohjana olevaan E-lukuun 34

Sähköntuotanto asuinkerrostalossa Katon pinta-ala 761 m² Aurinkopaneeleille asennustilaa katolla: 242 m² Vähennetty varjoon jäävä alue katolla ja sen jälkeen arvioitu, että kolmasosa jäljelle jäävästä pinta-alasta soveltuu aurinkopaneelien asennukseen katolla olevien erilaisten rakenteiden ja laitteiden sijoituksen perusteella. Asuntokohtaisen ilmanvaihdon poistoilmalaitteet vaativat runsaasti tilaa katolla. 35

Sähköntuotanto asuinkerrostalossa Varjoon jäävä alue merkitty punaisella Aurinkopaneelien suuntaus etelää kohti Paneelien kallistus 42 vaakatasosta Aurinkopaneelien pintaalaksi oletettu 120 m² (50 % käytössä olevasta kattopinta-alasta) 36

Sähköntuotanto asuinkerrostalossa Eteläjulkisivussa asennustilaa aurinkopaneeleille 124 m². Kokonaisalasta vähennetty ikkunoiden ja ovien pinta-alat. Eteläjulkisivu merkitty kuvaan punaisella. 37

Sähköntuotanto asuinkerrostalossa Sähköntuotanto katolla: 14,0 MWh/a Sähköntuotanto eteläjulkisivussa: 10,3 MWh/a Teho yhteensä 33 kw p Jos taloon saadaan jonkinlainen sähkövarasto (akku) tai aurinkosähkö lasketaan suoraan talon ostosähköä vähentäväksi tuotannoksi niin E-luku pienenee enintään 12,5 kwh/m² Tuntitason suorassa energiankulutus/tuotanto vertailussa ilman varastointia/myyntiä E-luku pienenee enintään 9,7 kwh/m² 38

Sähköntuotanto toimistorakennuksessa Katon pinta-ala 1638 m² Aurinkopaneeleille asennustilaa katolla 870 m² Katon kokonaispinta-alasta vähennetty matalat katto-osat, korkean lasiseinän taakse jäävä ala sekä LVI-laitteiden varjostamat alat loppu osa katosta on käytettävissä aurinkopaneelien asennukseen 39

Sähköntuotanto toimistorakennuksessa Varjoon jäävät tai muuten aurinkopaneelien asennukseen sopimattomat alueet merkitty kuvaan punaisella Aurinkopaneelien suuntaus etelää kohti Paneelien kallistus 42 vaakatasosta 40

Sähköntuotanto toimistorakennuksessa Aurinkopaneelien pinta-alaksi oletettu 430 m² (50 % kattopinta-alasta) Sähköntuotanto katolla: 50,3 MWh/a Teho 58 kw p Jos taloon saadaan jonkinlainen sähkövarasto (akku) tai aurinkosähkö lasketaan suoraan talon ostosähköä vähentäväksi tuotannoksi niin E-luku pienenee enintään 13,5 kwh/m² Tuntitason suorassa energiankulutus/tuotanto vertailussa ilman varastointia/myyntiä E-luku pienenee enintään 10,1 kwh/m² 41

Yhteenveto tuloksista Asuintalossa aurinkosähköä saadaan katolta ja julkisivusta 20 % talon vuositarpeesta ja E-luku pienenee tarkastelutavasta riippuen 9,7 12,5 kwh/m² Toimistotalossa aurinkosähköä saadaan katolta 21 % talon vuositarpeesta ja E-luku pienenee tarkastelutavasta riippuen 10 13,5 kwh/m² Luvut esittävät keskimääräisen rakennuksen keskimääräisiä lukuja todellisen suunnittelutyön kautta esimerkiksi tunnetusti kannattamattomat asennuspaikat on jätetty pois kuten talojen itäseinä 42

Asuinkerrostalon aurinkosähköpotentiaalin riippuvuus laskentatavasta 11.6.2014 43

Aurinkosähkön tuntilaskenta Aurinkosähkön oma käyttö ja myynti kerrostalon tuntitase-esimerkissä koko vuoden aikana Sähköä joudutaan myymään hyvin paljon, koska sitä syntyy liikaa silloin kun ei tarvita ja liian vähän tai ei ollenkaan silloin kun tarve on suurin 90,0 80,0 70,0 60,0 myynti käyttö Teho kw 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 744 1488 2232 2976 3720 4464 5208 5952 6696 7440 8184 Kuukausi, vuoden tunteina 44

Aurinkosähkön todellisuus Porin uimahallin katolla simuloituun verrattuna Katoille kinostuva tai kerääntyvä lumi poistaa helposti muutaman kuukauden koko sähköntuotannon, jos paneeleita ei puhdisteta kuten tässä esimerkissä vastaa suunnilleen yhden kevätkuukauden sähköntuotantoa Aurinkosähkön tuotanto hyvänä vuonna 2013 Porin uimahallin katolla Motivan aurinkosähköseurannasta ja vastaava simuloitu kuukausituotanto keskimääräisellä tilastosäällä 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Pori 2013 hyvä vuosi Meteonorm tilastosää 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 45