RAPORTTI VTT-S-04010-15 350 Ostoenergiankulutus, kwh/m²/a 300 250 200 150 100 50 0 90 246 Eniten kuluttavat koulut 48 141 Keskimääräinen koulu Sähkö Lämpö 49 45 116 35 21 83 54 55 RakMk 2012 Matalaenergiataso Passiivitaso Optimitaso Energiatehokkuustaso Laukaan ekokyläkoulu - Energiatehokkuus hankesuunnitteluvaiheessa Kirjoittajat: Tilaaja: Mikko Saari ja Tuomo Ojanen Laukaan kunta
1 (17) Raportin nimi Laukaan ekokyläkoulu - Energiatehokkuus hankesuunnitteluvaiheessa Asiakkaan nimi, yhteyshenkilö ja yhteystiedot Asiakkaan viite Laukaan kunta Juha Tolonen Laukaantie 14 PL 6 41341 Laukaa Projektin nimi Projektin numero/lyhytnimi Laukaan ekokoulu 151320 Raportin laatija(t) Sivujen/liitesivujen lukumäärä Mikko Saari ja Tuomo Ojanen 17/ Avainsanat Raportin numero Tiivistelmä VTT-S-04010-15 Tässä selvityksessä esitetään alustavat arviot Laukaan ekokoulun rakenne- ja talotekniikkaratkaisuista. Tavoitteena on arvioida alustavasti tilaajan esittämien periaatteellisten seinärakennevaihtoehtojen lämpö- ja kosteusteknistä toimivuutta ja energiatehokkuutta. Lisäksi arvioitiin luonnossuunnitelmien pohjalta ekokoulun energiatehokkuutta rakenne- ja talotekniikan näkökulmasta ja uusiutuvan energian alustavat hyödyntämismahdollisuudet. Luottamuksellisuus Espoo 1.9.2018 Hyväksyjä Luottamuksellinen Laatija Mikko Nyman, Mikko Saari, Tuotepäällikkö Erityisasiantuntija VTT Expert Services Oy:n yhteystiedot PL 1001, 02044 VTT (käyntiosoite Kemistintie 3, Espoo) Jakelu (asiakkaat ja VTT) Tilaaja VTT Expert Services Oy, arkisto VTT Expert Services Oy:n tai VTT:n nimen käyttäminen mainoksissa tai tämän selostuksen osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT Expert Services Oy:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella.
2 (17) Alkusanat Työ liittyy Laukaan kunnan ekokoulukonseptihankkeeseen, jossa on tavoitteena rakentaa puusta pitkäikäinen, terveellinen, turvallinen ja energiatehokas talo 100 vuoden käyttöajalla. Laukaan kuntaa edusti Juha Tolonen. Hankkeen koordinaattorina oli Antti Tourunen, Reteres Oy:stä. Pääsuunnittelijana oli Tero Wéman, Arkkitehtisuunnittelu Oy:stä. Työhön osallistuivat erityisasiantuntija Mikko Saari VTT Expert Services Oy:stä ja erikoistutkija Tuomo Ojanen Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:stä. Espoo 1.9.2015 Tekijät
3 (17) Sisällysluettelo Alkusanat... 2 Sisällysluettelo... 3 1. Johdanto ja tavoitteet... 4 2. Rakenteiden lämpö- ja kosteustekninen toimivuus... 5 2.1 Tausta ja tavoitteet... 5 2.2 Ehdotetut rakenteet ja niiden toimivuuteen vaikuttavat tekijät... 5 2.3 Rakenne 1 Massiivinen 275 mm hirsiseinä... 5 2.4 Rakenne 2 - Hirsi ja ekologinen lämmöneriste... 6 2.5 Rakenne 3 CLT ja PUR -lämmöneriste... 7 3. Koulurakennusten energiankulutus Suomessa... 9 4. Ekokoulun energiatehokkuustasot... 9 4.1 Ekokoulun mallinnus... 9 4.2 Rakentamismääräysten tasoinen talo... 10 4.3 Matalaenergiatasoinen koulu... 11 4.4 Passiivitasoinen talo... 12 4.5 Optimitasoinen talo... 13 4.6 Yhteenveto ostoenergiankulutuksista... 14 5. Ekokoulun talotekniikan periaatteet... 15 5.1 Sisäilmastotavoitteet... 15 5.2 Tilojen lämmitys... 15 5.3 Märkätilojen lämmitys... 15 5.4 Mukavuuslattialämmitys... 15 5.5 Ilmanvaihto... 15 5.6 Viilennys... 16 5.7 Lämmöntuotto... 16 5.8 Aurinkolämpö... 16 5.9 Aurinkosähkö... 16 5.10 Automaatio... 16 Lähdekirjallisuutta... 17
4 (17) 1. Johdanto ja tavoitteet Tässä selvityksessä esitetään alustavat arviot Laukaan ekokoulun rakenne- ja talotekniikkaratkaisuista. Tavoitteena on arvioida alustavasti tilaajan esittämien periaatteellisten seinärakennevaihtoehtojen lämpö- ja kosteusteknistä toimivuutta ja energiatehokkuutta. Lisäksi arvioitiin luonnossuunnitelmien pohjalta ekokoulun energiatehokkuutta rakenne- ja talotekniikan näkökulmasta ja uusiutuvan energian alustavat hyödyntämismahdollisuudet. Arvioinnin lähtökohtana on, että energiatehokkuuden nimissä ei tingitä terveellisestä ja turvallisesta sisäilmastosta.
5 (17) 2. Rakenteiden lämpö- ja kosteustekninen toimivuus 2.1 Tausta ja tavoitteet Laukaalle rakennettavan Ekokyläkoulun valinnoissa korostuvat ekologisuus ja energiatehokkuus. Tärkeitä asioita ovat mm. puurakenteiden käyttö, niiden vaikutus energiankulutukseen, vuorovaikutus sisäympäristön kanssa asumismukavuutta parantavana tekijänä sekä lähtökohtaisesti hyvä ja turvallinen kosteustekninen pitkäaikaistoimivuus. Selvityksen tavoitteena on tukea rakennejärjestelmän valintaa esittämällä asiantuntijanäkemys Ekokoulun seinärakenteen eri vaihtoehdoista em. tekijöiden kannalta. 2.2 Ehdotetut rakenteet ja niiden toimivuuteen vaikuttavat tekijät Ekokoulun seinärakenteiden päävaihtoehtoja on kolme: massiivinen hirsiseinä ilmaan lämmöneristystä, lämmöneristetty (puukuitu tai muu vastaava eristemateriaali) hirsiseinä ja polyuretaanituotteella eristetty CLT-rakenne. Lisäksi VTT voi esittää jonkin vaihtoehtoisen seinärakenteen. Seuraavassa käydään läpi kolmen pääehdotuksen toimivuutta ja soveltuvuutta asetettuihin ehtoihin. 2.3 Rakenne 1 Massiivinen 275 mm hirsiseinä U-arvo Massiivirakenteen U-arvo on varsin heikko, noin 0,40 W/Km 2 tasoa. Esimerkiksi U-arvon 0,17 W/Km 2 saavuttaminen massiivisella puuseinällä edellyttäisi lähes 70 cm seinäpaksuutta. Ekokoulun seinäpinta-ala on arviolta noin 900 m 2, mikä on suhteellisen vähän verrattuna rakennuksen pinta-alaan. Siten seinien korkea U-arvo ei yksin johda heikkoon energiatehokkuuteen, ja lisäksi tätä voidaan osittain kompensoida mm. rakenteellisesti ala- ja yläpohjien sekä ikkunoiden ja ovien tavanomaista paremmalla lämmöneristystasolla. Tarkkaa tavoitetasoa näiden U-arvoille ei voida antaa ilman rakennuksen energiatehokkuuden kokonaisanalyysia. Seinien U-arvo voi vaikuttaa lämpöviihtyisyyteen, mutta lämmityksen lämmönjaon, ilmanvaihdon ja ikkunoiden U-arvon (pintalämpötilat) oikealla valinnalla voidaan olosuhteet saada lämmityskaudella hyviksi myös massiivisilla hirsirakenteilla. Ilmatiiviys Yhdestä kerroksesta tehdyn rakenteen ilmatiiviyttä ei voida varmistaa muilla rakennekerroksilla, mutta nykyisten lamellihirsien painuminen on vähäistä ja kehittynyt liitostekniikka mahdollistaa hyvinkin ilmatiiviin rakenteen toteutuksen. Suurimmat haasteet liittyvät rakenteiden (seinä/katto, lattia) liitosten ja aukotusten tiiviyteen, mutta samat ongelmat koskevat muitakin rakenteita. Kosteustekninen toimintavarmuus Kosteustekninen toimivuus saadaan suhteellisen matalan rakennuksen hirsiseinissä hyväksi. Suurin ero ulkopuolelta eristettyihin ja julkisivuiltaan verhottuihin rakenteisiin on hirren ulkopinnan kastuminen jollekin tasolle sateessa. Heikko U-arvo ja suurehkot lämpövirrat kuitenkin edistävät rakenteen kuivumista. Kosteustekniseen toimivuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat rakennuksen korkeus, räystäiden suojaava vaikutus ja riittävä perustuskorkeus suojaamaan seinän alaosaa sateen roiskeiden, lumen, yms. vaikutuksilta. Samat tekijät pätevät osittain muillekin rakenteille.
6 (17) Korkean liikuntasalin seiniin kohdistuva sadekuormitus ja massiivihirren toimivuus tässä tapauksessa on selvitettävä erikseen. Sisäilmavuorovaikutukset Sisäilmavuorovaikutukset ovat massiiviseinällä ainakin lämmityskaudella pienemmät kuin ulkopuolelta lämmöneristetyillä rakenteilla. Lämmöneristettyä tapausta suurempi lämpötilaero hirren yli johtaa siihen, että lämpö ja kosteus siirtyvät sisäilmasta helposti hirteen päin. Kosteudensiirto hirrestä sisäilmaan on heikompaa kuin lämmöneristetyissä tapauksissa, koska eristämättömän hirren sisäpinnan lämpötila on alempi kuin eristetyn ja kosteudensiirto edellyttää suurempaa kosteusylimäärää hirren sisäpinnassa verrattuna sisäilmaan. Sama pätee hirren termisen massan hyödyntämiseen: Hetkelliset sisäilman lämpötilahuippuja voidaan leikata hirren termisen kapasiteetin avulla, mutta lämpö pyrkii lämmityskaudella pääsääntöisesti ulospäin ja massiivihirrestä sisäilmaan takaisin saatava varastoitunut lämpö jää vähäiseksi. Sisätilojen ylilämpenemisen tilanteessa massiivinen, eristämätön hirsi on jonkin verran parempi kuin eristetty, koska rakenne voi jäähtyä eristettyä paremmin yöaikana. Alempaan lämpötilaan jäähtynyt massiivinen hirsi mahdollistaa eristettyä rakennetta suuremman jäähdytyspotentiaalin. Tämän tuoma hyöty on suhteellisen marginaalinen Suomen ilmastossa ja se on lähinnä taloteknisiä järjestelmiä auttava tekijä. 2.4 Rakenne 2 - Hirsi ja ekologinen lämmöneriste U-arvo Työn tilaajan mukaan termi Ekologinen eriste tarkoittaa puukuituista lämmöneristettä. Kosteusteknisen toimivuuden varmistamiseksi lämmöneristys tulisi tehdä kantavan hirsirakenteen ulkopuolelle ja rakenteen tulisi olla tuuletettu. Tuuletetussa rakenteessa lämmöneristeen ulkopinnassa tulee olla tuulensuoja, mikä samalla suojaa lämmöneristettä ja muita rakenteen sisäkerroksia mahdolliselta veden tunkeutumiselta. Tuulelta ja säältä suojaava kerros on asennettava siten, että se ohjaa tuuletusväliin mahdollisesti päässeen veden ulos rakenteesta. Vesi ei saa jäädä rakenteisiin eikä se saa kulkeutua rakenteeseen päin. Lämmöneristeen ja hirren välissä on syytä olla yhtenäinen ilmansulkukerros, mikä varmistaa rakenteen kokonaisilmatiiviyden myös sauma- ja liitoskohdissa. Seinärakenteen U-arvo 0,17 W/Km 2 edellyttää esimerkiksi 204 mm lamellihirttä ja noin 150 mm eristepaksuutta ( declared = 0,040 W/mK) tuuletetussa ja huokoisella puukuitulevyllä tuulensuojatussa rakenteessa. Muuten samanlaisella rakenteella U-arvo 0,14 W/Km 2 saavutetaan noin 200 mm eristekerroksen paksuudella. Rungon kylmäsillat voivat vaikuttaa tarvittaviin lämmöneristepaksuuksiin ja ne on aina erikseen varmistettava. Kun ulkoverhouksen paksuus on 28 mm, tuuletusväli on 25 mm ja tuulensuojalevy 24 mm paksu, ovat rakenteen kokonaispaksuudet noin 430 mm (U=0,17 W/Km 2 ) ja 480 mm (U=0,14 W/Km 2 ). Palosuojausmääräykset saattavat edellyttää mineraalivillatuulensuojan käyttämistä tuulensuojaan rajoittuvana kerroksena. Tämä on varmistettava erikseen. Kosteustekninen toimivuus on molemmissa tuulensuojaustapauksissa hyvä. Mineraalivillan lämmönjohtavuus on pienempi kuin puukuitulevyn, joten eri U-arvojen rakenteiden kokonaispaksuus olisi hieman pienempi kuin edellä esitetyissä tapauksissa. Ilmatiiviys Ilmatiiviys saadaan hyväksi, kun se voidaan varmistaa erillisellä ilmansulkukerroksella. Tässäkin detaljien suunnittelu ja toteutus on tärkeää.
7 (17) Kosteustekninen toimintavarmuus Ulkopuolelta lämmöneristetyn ja tuuletetun seinärakenteen kosteustekninen toimivuus on hyvä. Kosteustekninen toimintavarmuus saadaan ulkoverhouksen suojaavan vaikutuksen ja tuuletusvälin avulla paremmaksi kuin massiivisella hirsirakenteella. Hirsi on tässä aina sateelta suojattuna ja se voi kuivua tehokkaasti ulospäin lämmöneristeen ja tuulensuojan kautta. Hirren kokonaiskosteus on lähellä sisäilman oloja ja huomattavasti alempi kuin massiivirakenteen tapauksessa. Olennaista on varmistaa, ettei sadevesi pääse tunkeutumaan rakenteisiin. Riski on lähinnä ikkunoiden ym. seinän aukotusten toteutukseen liittyvä. Riittävä sadepellit ja rakenneosien liittymien huolellinen suunnittelu ja toteutus ovat ratkaisevia tekijöitä. Sisäilmavuorovaikutukset Koulun tyypillisessä käyttötilanteessa sisäilman lämpö- ja kosteuskuormat vaihtelevat voimakkaasti. Näiden kuormien sisäilmavaikutusten tasoittaminen rakenteellisin keinoin auttaa taloteknisiä järjestelmiä ylläpitämään sisäilman viihtyisyysoloja. Rakenteiden ominaisuudet eivät voi korvata edes osittain ilmanvaihtoa, ne voivat vain auttaa olosuhteiden ylläpidossa. Lämmityskauden aikana ulkopuolelta lämmöneristetyllä rakenteella on paremmat mahdollisuudet vuorovaikutukseen sisäilman kanssa kuin massiivisella hirsirakenteella, koska eristetyn hirren olosuhteet ovat lähellä sisäilman oloja, jolloin lämmön ja kosteudensiirto myös sisäilmaan päin on helpompaa. Dynaamisesti vaihtelevassa kuormitustilanteessa hirren kapasiteetti on paremmin hyödynnettävissä sisäilman lämmön ja kosteuden tasoittamiseen. Lämmöneristeen materiaalin merkitys sisäilmaan oloihin on pieni, koska paksu hirsiseinäkerros sisäpinnassa vastaa käytännössä täysin tästä vuorovaikutuksesta. Rakenteen sisäpuolen pinnoitus voi vaikuttaa olennaisesti kosteusvuorovaikutuksen toteutumiseen. Yöaikainen rakenteen jäähdytys on heikompi kuin massiivihirrellä, koska lämmöneriste estää hirsikerroksen nopean jäähtymisen. Tämän eron merkitys ei ole kovin suuri Suomen ilmastossa. 2.5 Rakenne 3 CLT ja PUR -lämmöneriste Yleistä Tässä seinässä kantava rakenne on CLT levyä (Cross Laminated Timber), jota on alettu valmistaa myös Suomessa. Tässäkin tapauksessa lämmöneriste on kantavan rakenteen ulkopuolella. Lämmöneristeen lämmönjohtavuus on tässä rakenteessa mahdollisimman hyvä, PUR /PIR pohjainen tuote, jolloin voidaan päästä hyvään energiatehokkuuteen kohtuullisella seinäpaksuudella. Rakenne voi olla rapattu, jolloin PU -eristeen ulkopuolelle tulee rappauksen alusvilla, tai rakenne on tuuletettu. Tuuletettu rakenne voi palosuojaussyistä edellyttää palamatonta villaeristystä tuulensuojaksi. U-arvo Uudisrakentamiseen tarkoitetun PUR tai PIR levyn lämmönjohtavuus on luokkaa declared = 0,023 W/mK. Esimerkiksi 140 mm paksuinen CLT levy ja PUR lämmöneriste sekä 50 mm rappaus- tai tuulensuojavillaa (0,035 W/mK). Taulukossa 1 esitetään arvio PUR -
8 (17) lämmöneristeen ja koko rakenteen vähimmäispaksuuksista ilman kylmäsiltoja. Todelliset rakennepaksuudet on varmistettava laskennallisesti. Taulukko 1. Arvio PUR-lämmöneristeen ja koko rapatun rakenteen (vähimmäis)paksuudesta eri U-arvoilla, kun rappauspaksuus on 25 mm ja rappausvillan paksuus on 50 mm. Kiinnikkeitä tai muita kylmäsiltoja ei ole otettu huomioon. U=0,17 W/Km 2 U=0,14 W/Km 2 U=0,10 W/Km 2 PUR eristeen 72 100 166 paksuus, mm Koko rakenteen paksuus, mm 287 316 381 Tuuletetun rakenteen kokonaispaksuudet olisivat noin 25 30 mm paksumpia kuin Taulukon 1 arvot riippuen tuuletusvälin ja julkisivun dimensioista. Oletuksena on, että rakenteessa on 50 mm tuulensuojavilla. PUR-eristys mahdollistaa rakennepaksuuden pysymisen kohtuullisena. Paksuudet rakenteiden 2 ja 3 välillä eivät ole suoraan vertailukelpoisia, koska käytetyt paksuudet ovat vain esimerkkejä, eivätkä siten kuvaa vaadittuja dimensioita. Vaadittava hirren ja CLT:n dimensio on varmistettava mm. rakenteen lujuusvaatimusten mukaan erikseen. Ilmatiiviys PUR-eristeisellä rakenteella voidaan saada aikaiseksi erittäin hyvä ilmatiiviys. Alumiinipinnoitteinen PUR toimii yhdistettynä höyryn- ja ilmansulkuna. Liitoskohtien tiivistys on kriittinen kohta tiiviyden kannalta. Kosteustekninen toimintavarmuus Ulkopuolisen, lähes höyrytiiviin lämmöneristekerroksen lämmönsiirtovastuksen tulisi olla noin ¾ koko rakenteen lämmönsiirtovastuksesta, jotta rajapintaan ei muodostuisi kondenssia tai liian korkeita kosteusoloja. Siten ulkopuolisella PUR -eristeellä ei voi tehdä heikosti lämmöneristettyjä rakenteita. Taulukon 1 esimerkissä 140 mm CLT-levyn lämmönsiirtovastus vastaa 80 mm PUR eristettä. Oletus 50 mm tuulensuojavillakerroksesta 72 mm PURkerroksen lisäksi riittää antamaan tarvittavan lämmönsiirtovastuksen ulkopuolelle, joten kaikki Taulukon 1 tapaukset ovat sisäpuolisen kosteuskuormituksen kannalta toimivia normaaleissa sisäilman olosuhteissa kun ilmanvaihto on oikein mitoitettu. Koska PUR lämmöneriste ei ime itseensä vettä ja sen diffuusinen kosteudenläpäisevyys on hyvin pieni, muodostaa eristekerros suojan ulkopuolisia kosteuskuormia vastaan. CLT-levy voi kuivua vain rakennuksen sisätilaan päin, mutta koska sen alkukosteus on suhteellisen matala, ei erityistä alkukuivausvaihetta ole. Sisäilmavuorovaikutukset PUR-eristeellä ulkopuolelta eristetty CLT-levy voi osallistua vuorovaikutukseen sisäilman kanssa jokseenkin samoin kuin rakenteen 2 ulkopuolelta lämmöneristetty hirsi. Hyvin höyrytiivis materiaalikerros rakenteen ulkopinnassa ei heikennä sen sisäpuolella olevan puun hygroskooppisen tai termisen massan hyödyntämistä. Koska kosteus ei kuivu PUR-eristeen kautta, tapahtuu kaikki kosteusvuorovaikutus vain CLT:n ja sisäilman välillä. Kosteusvuorovaikutuksen kannalta merkittävin mahdollinen ero hirteen on CLT:n sisäpinnan puun ominaisuudet ja mahdolliset pintakäsittelyt. CLT:n termistä massaa voidaan hyödyntää sisäilman lämpötilavaihtelujen tasoittamiseen kuten rakenteessa 2. Paremmin lämmöneristetyn rakenteen tapauksessa CLT:n lämpötila- ja kosteustaso on lähempänä sisäilmaa kuin rakenteessa 2, joten sen kapasiteetti on periaatteessa paremmin hyödynnettävissä.
9 (17) 3. Koulurakennusten energiankulutus Suomessa Taulukossa 1 esitetään koulurakennusten mitattuja energian- ja vedenkulutuksia. Tilastoidut kulutuksen on laskettu rakennustilavuutta kohti, josta ne on muunnettu nettopinta-alaa kohti oleviksi kulutuksiksi. Pinta-alaa kohti olevat kulutukset ovat suuntaa-antavia. Rakennuksen koko ja ikä aiheuttaa suurimmat vaihtelut kulutukseen. Tilastokulutukset toimivat hyvinä vertailuarvoina rakentamista kehitettäessä. Taulukko 1. Yleissivistävien oppilaitosten rakennusten mitattuja vuotuisia energian- ja vedenkulutuksia. Vaihteluväli tarkoittaa, että 90 %:ssa rakennuksista kulutus on tällä välillä. 5 % kuluttaa alarajaa vähemmän ja 5 % ylärajaa enemmän. Rakennustilavuutta kohti Vaihteluväli: 5 % - 95 % Mediaani 5 % 95 % Lämpö 44 kwh/m³/a 27 77 kwh/m³/a Sähkö 15 kwh/m³/a 8 28 kwh/m³/a Vesi 76 dm³/m³/a 40 159 dm³/m³/a Nettopinta-alaa kohti Vaihteluväli: 5 % - 95 % Mediaani 5 % 95 % Lämpö 141 kwh/m²/a 86 246 kwh/m²/a Sähkö 48 kwh/m²/a 26 90 kwh/m²/a Vesi 243 dm³/m³/a 128 509 dm³/m³/a 4. Ekokoulun energiatehokkuustasot 4.1 Ekokoulun mallinnus Laukaan ekokoulu mallinnettiin karkealla tasolla luonnospiirustusten ja tilojen käyttötarkoituksen perusteella. Energiatehokkuustasot laskettiin soveltuvin osin rakentamismääräyskokoelman osan D3/2012 lähtötiedoilla ja osan D5/2012 laskentamenetelmällä. Laskenta tehtiin Jyväskylän säätiedoilla TRY2012. Lopulliset suunnittelu- ja toteutusratkaisut sekä hankintapäätökset tulee tehdä tarkempien selvitysten ja suunnitelmien perusteella. Tärkeimmät lähtötiedot esitetään taulukossa 2. Vedenkulutusta ja ilmanvaihtoa ei pienennetty energiankulutuksen pienentämiseksi. Vedenkulutuksen osalta ei ollut käytössä perusteita vedenkulutuksen määrittämiseen. Vedenkulutus tarkentuu suunnittelun edetessä. Tarpeenmukaisella ilmanvaihdolla oikein toteutettuna voidaan lämmitysenergiankulutusta pienentää jonkin verran. Osaamaton toteutus voi johtaa suuriin lämmitysenergiankulutuksen säästöihin, mutta usein myös sisäilmasto-ongelmiin, joiden kustannukset voivat olla moninkertaiset ja kaikkia vaikutuksia ei voi edes rahalla mitata. Tässä vaiheessa laskelmissa ei ole syytä ottaa tällaista riskiä ilmanvaihtoa pienentämällä. Sellaista mittaria tai indikaattoria, jolla ilmanvaihto voitaisiin minimoida turvallisesti, ei ole olemassa.
10 (17) Taulukko 2. Laukaan ekokoulun energiatehokkuustasojen laskennan tärkeimmän lähtötiedot. Rakenteiden U-arvot, W/m²K RakMk Pinta-ala. m² 2012 Matalaenergiataso Passiivitaso Optimitaso Ulkoseinä 902 0,17 0,17 0,1 0,14 Yläpohja 2327 0,09 0,09 0,05 0,05 Alapohja (ulkoilmaan rajoittuva) 0 0 0 0 0 Alapohja (ryömintätilaan rajoittuva) 0 0 0 0 0 Alapohja (maanvastainen) 2084 0,16 0,12 0,08 0,08 Muu maanvastainen rakennusosa 0 0 0 0 0 Ikkunat (arvio 30 % julkisivusta) 314 1 0,9 0,7 0,7 Ulko-ovet 25 1 1 0,8 0,8 Muut tärkeimmät lähtötiedot Ilmanvaihto, m³/s 2,08 2,08 2,08 2,08 Ilmanvuotoluku, q 50 m³/h/m² 2 1 0,5 1 LTO:n vuosihyötysuhde % 45 60 75 70 Ilmanvaihdon ominaissähköteho kw/(m³/s) 2 1,5 1 1,5 Valaistusteho W/m² 18 18 12,6 12,6 Aurinkolämpökeräimet (LKV) m² 0 0 0 100 Aurinkosähkökennot m² 0 0 0 400 4.2 Rakentamismääräysten tasoinen talo Rakentamismääräyskokoelma määrittelee suunnittelun ja rakentamisen vähimmäisvaatimukset. Taulukossa 3 esitetään niiden mukaan suunnitellun ekokoulun kokonaiskulutukset ja kuvassa 1 vastaavat lämpöhäviöt. Taulukko 3. Rakentamismääräyskokoelman 2012 mukaisen ekokoulun vuotuinen energianja vedenkulutus. Laukaan ekokoulun kulutukset Rakentamismääräysten mukainen talo Lämpö 116 kwh/m²/a 242 MWh/a Sähkö 49 kwh/m²/a 103 MWh/a Vesi 470 dm³/m³/a 980 m³/a
11 (17) Energiantarve: RakMk 2012-taso Tilojen lämpöenergiantarve Lämpöenergia, kwh 50 000 45 000 40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 Ulkoseinä Yläpohja Alapohja Ikkunat Ulko-ovet Kattoikkunat Vuotoilma Ilmanvaihto 10 000 5 000 0 Kuva 1. Rakentamismääräyskokoelman 2012 mukaisen ekokoulun lämpöhäviöiden jakautuminen eri rakennusosille, vuotoilmalle ja ilmanvaihdolle. 4.3 Matalaenergiatasoinen koulu Matalaenergiataso määriteltiin ennen vuoden 2003 rakentamismääräysten voimaan tuloa tasoksi, jossa lämmitysenergiankulutus on puolet määräystasosta. Lisäksi ratkaisujen tuli olla kustannustehokkaita. Taulukossa 4 esitetään matalaenergiatasoisen ekokoulun kokonaiskulutukset ja kuvassa 2 vastaavat lämpöhäviöt. Taulukko 4. Matalaenergiatasoisen ekokoulun energian- ja vedenkulutus. Laukaan ekokoulun kulutukset Matalaenergiatasoinen talo Lämpö 83 kwh/m²/a 172 MWh/a Sähkö 45 kwh/m²/a 95 MWh/a Vesi 470 dm³/m³/a 980 m³/a
12 (17) Energiantarve: Matalaenergiataso Tilojen lämpöenergiantarve Lämpöenergia, kwh 40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 Ulkoseinä Yläpohja Alapohja Ikkunat Ulko-ovet Kattoikkunat Vuotoilma Ilmanvaihto 5 000 0 Kuva 2. Matalaenergiatasoisen ekokoulun lämpöhäviöiden jakautuminen eri rakennusosille, vuotoilmalle ja ilmanvaihdolle. 4.4 Passiivitasoinen talo Passiivitaso on johdettu passiivitalovaatimuksista. Suomalaisen passiivitalon vaatimukset kohdistuvat tilojen lämmitysenergiantarpeeseen (lämpöhäviö ja lämmitysteho), primäärienergiankulutukseen ja ilmanpitävyyteen. Passiivitasoisen talon lämpöhäviö on tyypillisesti noin 65 % vuoden 2012 rakentamismääräysten lämpöhäviöstä. Passiivitasolla lämmitysjärjestelmää voidaan yksinkertaistaa ja käyttää vaihtoehtoisia ratkaisuja, jolloin investointikustannukset alenevat. Taulukossa 5 esitetään passiivitasoisen ekokoulun kokonaiskulutukset ja kuvassa 3 vastaavat lämpöhäviöt. Taulukko 5. Passiivitasoisen mukaisen ekokoulun energian- ja vedenkulutus. Laukaan ekokoulun kulutukset Passiivitasoinen talo Lämpö 54 kwh/m²/a 113 MWh/a Sähkö 35 kwh/m²/a 72 MWh/a Vesi 470 dm³/m³/a 980 m³/a
13 (17) Energiantarve: Passiivitaso Tilojen lämpöenergiantarve Lämpöenergia, kwh 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 Ulkoseinä Yläpohja Alapohja Ikkunat Ulko-ovet Kattoikkunat Vuotoilma Ilmanvaihto 5 000 0 Kuva 3. Passiivitasoisen ekokoulun lämpöhäviöiden jakautuminen eri rakennusosille, vuotoilmalle ja ilmanvaihdolle. 4.5 Optimitasoinen talo Energiatehokkuudeltaan optimitasoinen talo on hieman joustettu versio passiivitasosta. Lisäksi optimitasoon on lisätty aurinkoenergian tuotantoa. Lähtökohtana oli, että kuten passiivitasolla, myös optimitasolla lämmitysjärjestelmää voidaan yksinkertaistaa ja käyttää ilmanvaihtolämmitystä tilojen pääasiallisena lämmönjakotapana ja alentaa lämmitysjärjestelmän investointikustannuksia vastaamaan pienentynyttä lämmöntarvetta. Taulukossa 6 esitetään optimitasoisen ekokoulun kokonaiskulutukset ja kuvassa 4 vastaavat lämpöhäviöt. Taulukko 6. Rakentamismääräyskokoelman 2012 mukaisen ekokoulun energian- ja vedenkulutus. Laukaan ekokoulun kulutukset Optimitalo Lämpö 55 kwh/m²/a 114 MWh/a Sähkö 21 kwh/m²/a 44 MWh/a Vesi 470 dm³/m³/a 980 m³/a Jäähdytys 0 kwh/m²/a 0 MWh/a Aurinkolämpö 5 kwh/m²/a 10 MWh/a Aurinkosähkö 18 kwh/m²/a 37 MWh/a
14 (17) Energiantarve: Optimitaso Tilojen lämpöenergiantarve Lämpöenergia, kwh 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 Ulkoseinä Yläpohja Alapohja Ikkunat Ulko-ovet Kattoikkunat Vuotoilma Ilmanvaihto 5 000 0 Kuva 4. Optimitasoisen ekokoulun lämpöhäviöiden jakautuminen eri rakennusosille, vuotoilmalle ja ilmanvaihdolle. 4.6 Yhteenveto ostoenergiankulutuksista Kuvassa 5 esitetään yhteenveto ekokoulun energiatehokkuustasojen vaikutuksesta ostoenergiankulutukseen. 350 Ostoenergiankulutus, kwh/m²/a 300 250 200 150 100 50 0 90 246 Eniten kuluttavat koulut 48 141 Keskimääräinen koulu Sähkö Lämpö 49 45 116 35 21 83 54 55 RakMk 2012 Matalaenergiataso Passiivitaso Optimitaso Energiatehokkuustaso Kuva 5. Ekokoulun energiatehokkuustasojen vaikutus ostoenergiankulutukseen ja vertailu olemassa oleviin koulurakennuksiin..
15 (17) 5. Ekokoulun talotekniikan periaatteet 5.1 Sisäilmastotavoitteet Sisäilmaston suunnittelun ja toteutuksen tavoitearvoina tulee käyttää rakentamismääräyskokoelman osan D2 määräyksiä ja ohjearvoja. Lisäksi on syytä hyödyntää vapaaehtoisen Sisäilmaluokitus 2008 ohjeistus sisäilmastoluokan S2 toteutuksesta etenkin rakennusmateriaalien ja ilmanvaihtotuotteiden puhtauden sekä rakennustöiden puhtauden hallinnassa. 5.2 Tilojen lämmitys Tilojen lämmitys toteutetaan pääosin hajautetulla ilmanvaihtolämmityksellä. Lämpötilan säätö toteutetaan huone- tai tilaryhmäkohtaisena. Rakennuksen käyttöajan ulkopuolella ilmanvaihto ja lämmitys ovat taukokäytöllä käyden tarvittaessa tai ilmanvaihto on käytössä jatkuvasti pienennetyllä ilmavirralla. Rakennuksen käyttöajan ulkopuolella huonelämpötilan voidaan antaa laskea hieman. Optimiratkaisussa tilojen mitoituslämmitysteho (vastaa patterilämmitystehoa ) on noin 40 kw (-32 C) eli keskimäärin 19 W/m². Lisäksi ilmanvaihdon lämmityksen mitoituslämmitysteho on noin 40 kw. Ilmanvaihtolämmityksen osalta mitoituslämmitysteho tarkoittaa, että noin 27 C tuloilman lämpötilalla katetaan luokkahuoneen lämmöntarve. Mitoitustehon laskennassa ei oteta huomioon lämpökuormia. 5.3 Märkätilojen lämmitys Märkätiloissa kuivauksen takia matalatehoinen lattialämmitys 30 W/m². Sähkölämmitys on tehokkain, jos pinta-ala on kohtuullinen. Tällöin ei synny putkiston lämpöhäviöitä, jotka voivat olla merkittävät. 5.4 Mukavuuslattialämmitys Mukavuuslattialämmitykseen ei ole tarvetta. Alapohjassa on tehokas lämmöneristys ja pintamateriaalina on lämpimän tuntuinen puumateriaali. Alapohjan ja ulkoseinän liitos on tiivis eikä vuotoilma muutoinkaan lisää epäviihtyisyyttä, jota tulisi kompensoida lämmityksellä. 5.5 Ilmanvaihto Ekokoulun ilmanvaihto toteutetaan hajautettuna ilmanvaihtojärjestelmänä. Hajautusaste valitaan toiminnallisuuden ja paloalueiden mukaan. Palopeltien määrä pyritään minimoimaan järjestelmän yksinkertaisuuden ja toimivuuden varmistamiseksi. Kaikki ilmanvaihtokoneet ovat tulo- ja poistoilmanvaihtokoneita varustettuna tehokkaalla lämmöntalteenotolla. Hallitulla ilmanvaihdolla rakennus on aina ilmanvaihdoltaan tasapainossa eikä suuria paine-eroja synny. Suuret paine-erot voivat lisätä vuotoilmavirtoja, joiden mukana epäpuhtauksia voi kulkeutua sisäilmaan. Etenkin tiiviissä rakennuksessa vuotokohdat voivat keskittyä alapohjarakenteisiin, jotka ovat hankalaa tiivistää ja joiden kautta maaperän normaalit epäpuhtaudet voivat siirtyä sisäilmaan. Ilmanvaihtokoneet sijoitetaan tarkoituksen mukaisesti esimerkiksi lämpimän ullakon teknisiin tiloihin niin, että ilmanvaihtokanavat ovat mahdollisimman lyhyet. Hajautuksen takia kanavakoot ovat maltilliset. Ilmanvaihtokoneet ja kaikki lämpimät kanavat sijoitetaan höyrynsulun sisäpuolelle. Vastavirtalevylämmönsiirrintä suositellaan ensisijaisena ilmanvaihdon lämmöntalteenottoratkaisuna, koska se on energiatehokkain ja siinä likaista poistoilmaa ei sekoitu puhtaaseen tuloilmaan. Myös likaisten tilojen poistoilmasta voidaan
16 (17) levylämmönsiirtimellä ottaa lämpöä talteen. Mikäli käytetään pyörivää lämmönsiirrintä, jossa puhdas ja likainen ilma kulkevat samoja reittejä, on ilmanvaihtokoneen suunnittelussa ja toteutuksessa kiinnitettävä erityistä huomiota lämmöntalteenoton tiiviyteen ja paine-eroon tulo- ja poistoilmapuolen välillä epäpuhtauksien leviämisen estämiseksi. 5.6 Viilennys Viilennykseen käytetään maakylmää. Maapiiri on nestekiertoinen putkisto rakennuksen vieressä ja alla. Järjestelmä toimii pumppukiertoisena ilman kompressoria. Maapiiristä saadaan noin 5-15 W viilennystehoa putkimetriä kohti. Maapiirin ja putkiston tarkempi mitoitus tulee tehdä maaperän, asennustavan ja tehontarpeen mukaan. Tilojen viilennys jaetaan ilmanvaihdon tuloilman avulla vastaavasti kuin ilmanvaihtolämmitys. Tiloissa ei ole mahdollisia ATK-tiloja tai vastaavia lukuun ottamatta jäähdytyslaitteita. Viilennys tapahtuu ilmanvaihtokoneen ulkoilmavirtaa viilentämällä. Samaa ratkaisua voidaan käyttää pakkasilla ulkoilman esilämmitykseen ja siten parantaa lämmöntalteenoton tehokkuutta. 5.7 Lämmöntuotto Peruslämmöntuotto biokaasukattilalla. Kattila on korkeahyötysuhteinen kondenssikattila. Vaihtoehtona on yhdistetty sähkön ja lämmöntuottolaitos (CHP). Valinta tehdään kustannustehokkuuden perusteella. Biokaasua hyödynnetään myös laitoskeittiössä ruoanvalmistuksessa. 5.8 Aurinkolämpö Aurinkolämmön hyödyntäminen koulurakennuksessa on asuinrakennuksia vaikeampaa pitkien kesälomien takia. Laskelmien mukaan aurinkolämpöä voidaan hyödyntää 10 MWh vuodessa, mikä on edellyttää 100 m² keräinpinta-alaa. Tämä on noin 40 % käyttöveden vuotuisesta lämmitysenergiasta. Kesällä hukkaan menee runsaat 3 MWh, koska laskelmien mukaan kesäaikana ei ole riittävää kulutusta. Keräinpinta-alalla 40 m² saadaan 5 MWh aurinkolämpöä hyödynnettyä lämpimään käyttöveteen, mikä on noin 20 % käyttöveden vuotuisesta lämmitysenergiasta. Tällöin hukkaan menevää aurinkolämpöä ei juurikaan ole. 5.9 Aurinkosähkö Laskelmien mukaan aurinkosähköä voidaan hyödyntää 37 MWh vuodessa, mikä on edellyttää 400 m² keräinpinta-alaa. Tämä on noin 46 % vuotuisesta sähkönkulutuksesta. Näin suuren aurinkosähkön tuoton hyödyntäminen edellyttää suurta akkujärjestelmää (kallis ratkaisu) tai sähkön ulosmyyntiä. Kesällä aurinkosähköstä menee hukkaan runsaat 10 MWh, koska laskelmien mukaan kesällä ei ole riittävää kulutusta. Tämä voidaan mahdollisesti hyödyntää myymällä ylimääräinen sähkö ulos. 5.10 Automaatio Rakennusautomaatiojärjestelmän ensisijaiset tehtävät ekokoulussa ovat terveellisen ja turvallisen sisäilmaston varmistaminen. Lisäksi rakennuksen ja sen talotekniikkajärjestelmien toimivuuden seurannassa hyödynnetään rakennusautomaatiota. Erityisesti ilmanvaihdon ilmavirtojen suuruudesta ja tasapainosta tulee saada järjestelmän kautta luotettavaa tietoa. Järjestelmää hyödynnetään tehokkaasti lisäaika- ja tehostuskäytössä sekä koulun ulkopuolisen käytön ohjauksessa ja hallinnassa. Rakennusautomaatiota hyödynnetään energiankulutuksen mittauksessa ja seurannassa ja uusiutuvan energian tuotannon optimoinnissa.
17 (17) Lähdekirjallisuutta Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D2. Määräykset ja ohjeet 2012. Ympäristöministeriön asetus rakennusten sisäilmastosta ja ilmanvaihdosta. Ympäristöministeriö, Rakennetun ympäristön osasto. Annettu Helsingissä 30 päivänä maaliskuuta 2011. 34 s. Asetus tuli voimaan 1.7.2012. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D3. Määräykset ja ohjeet 2012. Ympäristöministeriön asetus rakennuksen energiatehokkuudesta. Ympäristöministeriö, Rakennetun ympäristön osasto. Annettu Helsingissä 30 päivänä maaliskuuta 2011. 35 s. Asetus tuli voimaan 1.7.2012. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D5. Ohjeet 2012. Ympäristöministeriön ohjeet rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystehontarpeen laskennasta. Ympäristöministeriö, Rakennetun ympäristön osasto. Annettu Helsingissä 17 päivänä toukokuuta 2013. 74 s. Ohjeet ovat voimassa toistaiseksi. Sisäilmastoluokitus 2008. Sisäympäristön tavoitearvot, suunnitteluohjeet ja tuotevaatimukset. Rakennustieto Oy, Helsinki. 22 s. (LVI 05-10440, RT 07-10946, KH 27-00422 ja Ratu 437-T). LVI-RYL 92. LVI-rakentamisen yleiset laatuvaatimukset. Rakennustieto Oy, Helsinki 1992. 440 s. ISBN 951-682-621-0 TalotekniikkaRYL 2002. Talotekniikan rakentamisen yleiset laatuvaatimukset. Osa 1 ja 2. Rakennustieto Oy, Helsinki. 369 s. ja 327 s. (LVI 01-10355 ja LVI 01-10356). Laine, J. & Saari, M. 1997. Ilmanvaihtolämmitys - luonnollinen valinta matalaenergiataloon. Teoksessa: Ruotsalainen, R. & Säteri, J. (toim.) Sisäilmastoseminaari 19.3.1997. Espoo: Teknillinen korkeakoulu, LVI-tekniikan laboratorio. S. 251-256. (SIY raportti 8). ISBN 951-97186-7-2. Pietarinen, P. & Saari, M. 1999. Ilmanvaihtolämmityksen hajautettu automaatio matalaenergiatalossa. Espoo: Valtion teknillinen tutkimuskeskus. 43 s. (VTT Tiedotteita 1950). ISBN 951-38-5415-9 (http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/1999/t1950.pdf). WUFI (Wärme und Feuchte instationär - Transient Heat and Moisture) 5.1 Pro software, The Fraunhofer Institute for Building Physics IBP. 2009. Kumaran, M.K. IEA Annex 24 Final Report. Task 3: Material Properties. 1996 Leuven. 135 s. Ojanen, T. et al. Puurakenteiden kosteustekninen toiminta. Espoo 1999. VTT Tiedotteita 1991. 160 s.