ENE-C3001 Energiasysteemit Oppimistehtävä 1: Asuinkerrostalon energiakorjaus Sisällysluettelo 1 Johdanto... 1 2 Asuinrakennuksen energiankulutus... 1 3 Energiansäästötoimenpiteiden kannattavuus... 4 4 Tehtävänanto... 5 Kirjallisuutta... 6 1 Johdanto Rakennuksen tehtävä energiateknisessä mielessä on turvallisen ja terveellisen sisäympäristön tarjoaminen sekä rakennuksessa suoritettavien toimien tarvitseman käyttöenergian välittäminen energiataloudellisesti ja ympäristöystävällisesti. Rakennusten osuus on n. 40% energian kokonaiskulutuksesta, joten energiatekniikan laitokselta valmistuvan diplomi-insinöörin yleissivistykseen kuuluu rakennuksen lämmitystarpeeseen vaikuttavien tekijöiden ja keskeisimpien laskentaperiaatteiden tunteminen. Lisäksi on tärkeä tuntea energiatehokkuutta parantavia toimenpiteitä ja kyetä arvioimaan niiden taloudellista kannattavuutta. Oppimistehtävän aiheena on 3-kerroksisen asuinrakennuksen energiakorjaus. Työssä tutkitaan neljän erilaisen korjaustoimenpiteen vaikutusta rakennuksen vuotuiseen lämmitysenergian kulutukseen ja selvitetään niiden taloudellinen kannattavuus. Kaksi toimenpiteistä on rakennuksen lämmöneristystä parantavia, toiset kaksi ilmanvaihto- ja vesihuoltojärjestelmien energiatehokkuutta parantavia. Työstä laaditaan kirjallinen raportti erikseen annetun ohjeen mukaisesti ja se palautetaan (mieluiten PDF-muotoisena) MyCourses-järjestelmän kautta 30.9.2015 klo 12 mennessä. 2 Asuinrakennuksen energiankulutus Rakennuksen lämpöenergiataseen tekijät ovat lämpöhäviöt ja lämpökuormat. Lämpöhäviöt ovat lämmönsiirtoa rakennuksesta ympäristöön (esimerkiksi vaipan läpi johtumalla tai ilmanvaihdon mukana) ja lämpökuormat lämmönsiirtoa ympäristöstä rakennukseen (esimerkiksi auringon säteilynä ikkunoiden läpi tai rakennuksessa oleskelevien ihmisten aineenvaihdunnan tuottamana lämpönä, joka vapautuu huonetilaan hengityksen kautta). Asuinkerrostaloon tulevien ja sieltä poistuvien lämpöenergioiden (ts. lämmitysenergia, lämpöhäviöt ja lämpökuormat) suhteellista jakautumista eri siirtymisreittien kesken on esimerkkitapaukselle havainnollistettu kuvassa 1.
Kuva 1. Asuinkerrostalon lämmitysenergian, lämpöhäviöiden ja lämpökuormien jakautuminen. Rakennuksen lämmitystarve (kuvan tapauksessa n. 60 %, muutoin tapauskohtainen) muodostuu 1) vaipan (ulkoseinät, katto, alapohja, ovet ja ikkunat) lämpöhäviöistä, 2) ilmanvaihdon sekä 3) käyttöveden lämmityksestä. Lämmitystarvetta vähentää ns. ilmaislämpö, jolla tarkoitetaan sitä osaa auringon, ihmisten, sähkölaitteiden ja valaistuksen aiheuttamasta lämpökuormasta, joka voidaan käyttää hyödyksi, pääosin tilojen lämmityksessä. Vaipan läpi siirtynyt lämpöhäviöenergia lasketaan yhtälöstä ( ) (1) missä U i on vaipanosan i lämmönläpäisykerroin (ammattikielessä usein vain U-arvo) [W/m 2 K] ja A i pinta-ala [m 2 ], T s on sisälämpötila [C] ja T u on ulkolämpötila [C]. Laskenta suoritetaan ajanjakson Δt [h] yli, jolloin yksiköksi tulee [Wh]. Yhtälössä (1) on sisä- ja ulkolämpötilojen erotuksesta ja laskenta-ajasta riippumaton osa eli ns. ominaislämpöhäviö l. konduktanssi [W/K] merkitty (2) Ominaislämpöhäviö G on vakio, joten sitä voidaan käyttää suoraviivaistamaan laskentaa silloin, kun rakennuksen vaipan ominaisuudet pysyvät vakioina. Kuitenkin, kun tehdään vaipan energiatehokkuutta parantava toimenpide (esimerkiksi lisäeristys), rakenteen lämmönläpäisykerroin muuttuu, joten myös ominaislämpöhäviö on laskettava uudelleen. Ulkolämpötila (ja siten lämpöhäviö) riippuu paikkakunnan ilmastosta ja vaihtelee vuosittain. Laskentatyön vähentämiseksi on kehitetty ns. lämmitystarveluku l. astepäiväluku, joka yhtälössä (1) on merkitty symbolilla S. Tämä määritellään summaamalla sisä- ja ulkolämpötilojen vuorokausikeskiarvojen erotukset annetun ajanjakson (yleensä yksi vuosi) yli. Kun rakennuksen ominaislämpöhäviö ja lämmitystarveluku tunnetaan, voidaan rakennuksen lämpöhäviö helposti laskea millä tahansa paikkakunnalla tai minä tahansa ajankohtana. Koska lämmitystarveluku lasketaan ulkolämpötilan vuorokausikeskiarvosta, sen yksikkö on [Kd] tai [Cd], joten yhtälössä (1)
tarvitaan muuntokerroin 24 [h/d] muuntamaan vuorokaudet tunneiksi. Ilmatieteen laitos ylläpitää paikkakuntakohtaista tilastoa lämmitystarveluvuista. Kuten voidaan päätellä, yllä esitetty laskentatapa pätee ainoastaan niille rakennusvaipan osille, jotka ovat vasten ulkoilmaa. Rakennuksen alapohja (alin lattiataso) on usein maanvarainen, joten se ei altistu kovinkaan alhaisille lämpötiloille edes kovilla pakkasilla. Tämän vuoksi lämpöhäviökin jää pienemmäksi. Toisaalta maanvaraisen alapohjan lämmönsiirto on monimutkaisempaa kuin ulkoilmaa vasten olevilla rakennusosilla, joten lämpöhäviön laskeminen tosiasiallisilla arvoilla olisi kohtuullisen työlästä. Suuntaa antavissa laskelmissa se voidaankin olettaa vakioksi. Hyvä oletus on esimerkiksi 5 W/m 2. Ilmanvaihdon lämpöhäviöenergia lasketaan yhtälöstä ( ) (3) missä q Vi on ilmanvaihdon tilavuusvirta [m 3 /s], ρ i on ilman tiheys [kg/m 3 ] ja c pi on ilman ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa [kj/kgk]. Laskelmissa voidaan hyvällä tarkkuudella käyttää ρ i = 1.2 kg/m 3 ja c pi = 1 kj/kgk. Kuten yhtälössä (1), myös yhtälössä (2) on mukana laskennan suoraviivaistamiseksi lämmitystarveluku sekä sisä- ja ulkolämpötilojen erotuksesta ja laskentajaksosta riippumaton osa eli ominaislämpöhäviö (konduktanssi), joka määritellään tässä (4) Käyttöveden lämmityksen vaatima energia lasketaan yhtälöstä (5) missä m lkv on kulutetun lämpimän käyttöveden massa annetulla ajanjaksolla [kg], V lkv on vastaava tilavuus [m 3 ] ja ΔT on lämpimän ja kylmän (vesijohtoverkostosta saatavan) veden lämpötilojen erotus. Tiheytenä voidaan käyttää lämpimän ja kylmän veden lämpötiloissa määritettyjen tiheyksien keskiarvoa. Tilojen lämmitysjärjestelmän mitoitusta varten on energiankulutuksen sijasta tunnettava lämpöteho, jonka tilojen pitäminen lämpimänä ankarimmissa mahdollisissa käytännön olosuhteissa (ns. mitoitusolosuhteissa) vaatii. Yllä olevia merkintöjä soveltaen tämä voidaan laskea yhtälöstä ( ) (6) missä ΔT mit on lämpötilaero mitoitusolosuhteissa eli toisin sanoen sisälämpötilan ja mitoitusulkolämpötilan erotus. Mitoitusulkolämpötilat riippuvat ilmastosta, jolla tarkastelupaikkakunta sijaitsee. Tietoa käyttöveden lämpötilavaatimuksista, mitoitusulkolämpötiloista ja rakennusten energiankulutusta ja sen laskentaa koskevista yksityiskohdista annetaan Suomen Rakentamismääräyskokoelman osissa D3 ja D5, jotka ovat löydettävissä Ympäristöministeriön ylläpitämiltä verkkosivuilta.
3 Energiansäästötoimenpiteiden kannattavuus Energiainvestointi voidaan periaatteellisesti katsoa kannattavaksi silloin, kun ennalta määrätyn tarkasteluajan sisällä syntyvien nettotuottojen tai säästöjen summa ylittää investointikustannukset. Investointihetkestä katsottuna tuotot/säästöt sijoittuvat tulevaisuuteen, mikä tarkoittaa, että rahalla on kysynnän ja tarjonnan vaihteluista johtuen käytännössä erilainen ostovoima kuin investointihetkellä. Tästä syystä investointihetkeä seuraavien vuosien ns. nettokassavirrat (= tuotot kustannukset) on investointilaskelmissa muunnettava nykyhetken (investointihetken) rahan arvoa vastaaviksi (eli diskontattava) kertomalla ne diskonttaus- eli nykyarvotekijällä laskentakorkoa käyttäen. Kääntäen, mikäli rahan ostovoima olisi vakio eli rahalla ei olisi ns. aika-arvoa, laskentakorko olisi = 0 ja investointikustannuksia voitaisiin laskelmissa verrata suoraan tulevien vuosien arvioituun nettotuottojen/-säästöjen summaan. Yleinen nykyarvotekijän määritelmä pätee mille tahansa yksittäiselle nettokassavirralle, joka diskontataan nykyhetkeen (= 0) vuoden i (> 0) lopusta (eli ensimmäisen vuoden lopussa i = 1). Tämä lasketaan yhtälöstä ( ) (7) missä r on laskentakorko. Erikoistapauksessa, jossa nettokassavirran rahallinen nimellisarvo on sama jokaisena vuonna koko investoinnin pitoajan yli, voidaan sarjaopin perusteella johtaa jaksollisten (vuosittain toistuvien) maksujen nykyarvotekijä ( ) ( ) (8) missä n = investoinnin pitoaika [a]. Yhtälöiden (7) ja (8) merkintöjä käyttäen kannattavuusehto voi nyt toteutua joko muodossa (9) tai (jos säästöt toistuvat vuosittain vakiosuuruisina) muodossa (10) missä I on investointikustannus ja S i on vuotuinen tuotto tai säästö. Investointilaskennassa on kolme (3) menetelmää, jotka perustuvat suoraan nykyarvon laskemiseen eli nettotuottojen/-säästöjen kertomiseen nykyarvotekijällä, nimittäin 1) nykyarvomenetelmä, 2) sisäisen koron menetelmä ja 3) takaisinmaksuajan menetelmä. Nämä poikkeavat toisistaan siinä, kuinka kannattavuusehdot valitaan tarkasteluajan (n) ja laskentakoron (r) avulla. Yleisin menetelmistä on nykyarvomenetelmä, jossa tarkasteluaika ja laskentakorko määrätään ennalta ja kannattavuusehdon täyttyminen tarkistetaan suoraan yhtälöstä (9) tai (10). Tässä oppimistehtävässä kysymyksenasettelu perustuu takaisinmaksuajan laskemiseen. Menetelmää käytetään yleisesti energiakorjausten kannattavuutta arvioitaessa. Keskeisenä periaatteena on ratkaista tarkasteluaika n yhtälöstä (9) tai (10), kun investointikustannukset ja säästöt sekä laskentakorko r on vakioitu ja investoinnin halutaan olevan juuri ja juuri kannattava.
4 Tehtävänanto Tarkastellaan kolmikerroksista asuinrakennusta, jonka ulkovaipan mitat ovat: 30 m 10 m 9 m (L S K) ja jossa on maanvarainen alapohja. Asuntoja on kymmenen (10) ja asukkaita 30. Rakennus sijaitsee Helsingissä. Ikkunoiden osuus ulkoseinistä on 30 %. Ilmanvaihtokerroin on 0.5 1/h, mikä tarkoittaa, että puolet rakennuksen ilmatilavuudesta vaihtuu yhden (1) tunnin aikana. Ilmaislämpöjä on 2 kwh/m 3 vuodessa. Sisälämpötilana voidaan käyttää 21 C. Muiden rakennusosien lämmönläpäisykertoimien arvot (U-arvot) ovat: Ulkoseinät 0.4 W/m²K Yläpohja 0.3 W/m²K Ikkunat 3.0 W/m²K Vaihe 1: 1. Pohtikaa, mitkä tekijät vaikuttavat taserajan asettamiseen ja mitä alkuoletuksia voidaan tehdä. 2. Ottakaa selville mitoittava ulkolämpötila ja paikkakuntakohtainen lämmitystarveluku eli astepäiväluku sekä arvioikaa lämpimän käyttöveden kulutus ja lämpötilatasot. 3. Laskekaa tilojen lämmityksen mitoitusteho eli lämmitystehontarve (mitoituslämpötilassa). 4. Laskekaa lämpöhäviöiden prosentuaalinen jakautuma eri siirtymisreiteille (ulkoseinät, ikkunat, jne), poislukien käyttöveden mukana viemäriin menevä häviö. 5. Laskekaa rakennuksen vuotuinen lämmitysenergian tarve (tilat, ilmanvaihto ja käyttöveden lämmitys). 6. Etsikää sopivista lähteistä energian hinnat ja muut puuttuvat lähtötiedot ja laskekaa energianhankinnan vuosikustannukset eri lämmitystavoilla (öljy, sähkö ja kaukolämpö). Öljykattilan vuosihyötysuhde on 80% ja vuotuiset huoltokustannukset 500 /a. Vaihe 2: Rakennukseen kaavaillaan seuraavia energiakorjausvaihtoehtoja: Korjaus 1: Ikkunat vaihdetaan 3-kertaisiksi selektiivilaseiksi, joiden lämmönläpäisykerroin (U-arvo) on 1.4 W/m 2 K. Korjauksen investointikustannukset ovat 100 /m 2. Korjaus 2: Ilmanvaihtoon lisätään lämmön talteenotto, jolla saadaan puolet (50%) poistoilman mukana poistuvasta lämmöstä hyötykäyttöön. Korjauksen investointikustannukset ovat 250 /m 2. Korjaus 3: Yläpohjaan puhalletaan 10 cm lisäkerros mineraalivillaa, jolloin sen lämmönläpäisykerroin alenee arvoon 0.2 W/m 2 K. Korjauksen investointikustannukset ovat 200 /m 2. Korjaus 4: Rakennukseen muutetaan uudet vettä säästävät vesikalusteet, jolloin lämpimän veden kulutus pienenee 25 %. Korjauksen investointikustannukset ovat 100 /m 2. 1. Ennustakaa laskelman avulla vuotuisen lämmitysenergian kokonaiskulutuksen alenema (absoluuttisena ja suhteellisena) eri korjausvaihtoehtojen seurauksena. 2. Määrittäkää vastaava vuotuinen kustannussäästö eri lämmitystavoille. 3. Laskekaa takaisinmaksuaika kullekin energiaremontille, kun laskentakorko on 3%. 4. Arvioikaa eri energiaremonttien kannattavuutta ja päätelkää eri tietolähteiden avulla, kuinka mielekkäitä laskemanne takaisinmaksuajat ovat.
Kirjallisuutta Energiateollisuuden verkkosivu: http://energia.fi/ Ilmatieteen laitoksen verkkosivu: http://ilmatieteenlaitos.fi/ Motiva Oy:n verkkosivu: http://www.motiva.fi/ Seppänen, O. ja Seppänen, M. Rakennusten sisäilmasto ja LVI-tekniikka. Sisäilmayhdistys, 2004. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D3. Rakennusten energiatehokkuus, ohjeet ja määräykset 2012. Ympäristöministeriö, Helsinki 2012. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D5. Rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystarpeen laskenta, ohjeet 2012. Ympäristöministeriö, Helsinki 2012.