Energiatehokkuuden laskenta ja simulointimenetelmät

standardi-soituun käyttöön perustuvaa energiankulutusta. Standardisoitu tarkoittaa sitä, että ener-giankulutukseen vaikuttavat tekijät (mm. sisäiset lämpöenergiat, ilmanvaihdon suuruus) on vakioitu. Standardisoitu energiankulutus voidaan laskea esim. lattiapinta-alaa tai rakennustilavuutta kohti ja kulutus voidaan normeerata vastaamaan keskimääräistä säätä.

Standardisoitu kulutus voi olla myös pelkästään laskentaan pohjautuva tai sitten mittauk-siin pohjautuva siten, että mittaustulos on normeerattu laskelmin vastaamaan tiettyä standardisoitua energiankäyttöä.

Energiankulutuksen tavoitetaso määritetään ensimmäisen kerran laskemalla. Laskentaan liittyy aina useita epävarmuustekijöitä, joista suurimpia ovat rakennuksen käytön arvioi-minen (mm. ilmanvaihto ja käytönaikaiset sisäiset lämpöenergiat) ja joidenkin keskeisten lähtöparametrien määrittäminen (mm. käytettävät mitat [sisä- tai ulkomitat], rakennuksen tiiviys, kylmäsillat).

Energiatehokkuuden laskentamenetelmät voidaan jakaa kahteen pääryhmään:

1. kuukausittaiseen energiataseeseen perustuvat menetelmät (mm. ISO DIS 13790 ja RakMK D5)

2. simulointimenetelmät, joissa laskennan aika-askel on lyhyt, tyypillisesti yksi tunti.

Suomessa käytettäviä kaupallisia simulointiohjelmia ovat mm. IDA-ICE ja RIUSKA, joilla on erilainen teoreettinen lähtökohta.

Kumpaankin ryhmään kuuluvilla menetelmillä on omat etunsa ja haittansa:

Energiataseeseen perustuvia laskentamenetelmiä on helppo käyttää, ja niiden lähtötiedot ovat vähäisemmät ja selkeämmät kuin simulointimenetelmissä (vrt. esim. Liite I).

Haittapuolena on se, että niillä ei voi laskea sisälämpötiloja. Näin ollen kesäajan sisä-lämpötilojen ja yleensä myös jäähdytysenergian kulutuksen tarkastelu joudutaan teke-mään erikseen jollain simulointiohjelmalla.

Simulointimenetelmien käyttö vaatii kokemusta. Niiden käytön yleistymisen esteenä on se, että laskenta maksaa sekä palkkakustannuksina että ohjelman hankinnan ja ylläpidon hintana. Laskennan vaatiman lähtötiedoston teko käsin on yleensä työlästä. Jos lasken-nan lähtötiedot saadaan pääosin suoraan arkkitehtipiirroksista, laskenlasken-nan vaatima työ

Simulointimallien käyttö lisää ns. spekulatiivisten parametrien (esim. rakennus-materiaalien ominaislämmöt, sisäpintojen lämmönsiirtokertoimet, pintojen absorptio-kertoimet, maanvaraisen lattian laskentamenetelmä) määrää. Simulointimallien etu on, että niillä saadaan lasketuksi jäähdytysenergia ja sisälämpötila. Simulointimallit ovat tehokkain työkalu termisen sisäilmaston arviointiin suunnitteluvaiheessa.

Rakennusten energiatehokkuus muodostuu useasta tekijästä, joista tilojen lämmityksen energiankulutus on yleensä suurin. Muita merkittäviä tekijöitä ovat mm. jäähdytys- ja valaistusenergia, taloussähkö ja talotekniikkajärjestelmien sähkönkulutus. Sekä energia-tehokkuustavoitteiden asettaminen että energiatehokkuuden varmistaminen täytyy tehdä riittävän yksilöidysti jakamalla mm.

! lämmönkulutus (mahdollisuuksien mukaan) tilojen, käyttöveden ja ilmanvaihdon lämmityksen vaatimaan energiaan

! sähkönkulutus käyttösähköön (valaistus ja laitteet) ja LVI-sähkön kulutukseen (pu-haltimet, pumput ja jäähdytys)

! jos rakennus on liitetty kaukojäähdytysverkkoon, myös kaukojäähdytyksen kulutus on selvitettävä erikseen.

Realiteetti, joka täytyy ottaa huomioon, on, että rakennuksen energiatehokkuuden las-kentaan on yleensä käytössä tietty aika ja raha. Siksi laskentamenetelmän tulee olla tar-koitukseen sopiva, riittävän selkeä ja yksinkertainen sekä lähtötietojen antamisen että tulosten analysoimisen osalta, jotta laskenta pystytään tekemään huolellisesti käytössä olevan ajan ja rahan mukaan. Esimerkiksi Tanskassa energiatodistuksen laadintaan käy-tettävä aika on rajoitettu.

Rakennuksen energiatehokkuutta voidaan laskea useassa vaiheessa, luonnossuunnittelu-vaiheen suunnitelmista käytössä olevan rakennukseen. Suunnittelun ja rakentamisen edetessä laskennan lähtötiedot tarkentuvat jatkuvasti. Siksi samasta rakennuksesta voi olla useita eri tason lähtötietoihin ja myös laskentaohjelmiin pohjautuvia malleja. Las-kenta- ja mittaustulosten vertailussa on otettava huomioon kaikki malleihin mahdolli-sesti liittyvät erot.

Laskennan tulokset eivät voi olla tarkempia kuin lähtötiedot ovat. Siksi laskentamene-telmä tulee myös suhteuttaa käytössä oleviin lähtötietoihin. Simulointimallit vaativat huomattavasti yksityiskohtaisemmat lähtötiedot kuin energiataseeseen pohjautuvat las-kentamenetelmät. Esim. seinien lämmönläpäisykertoimien (U-arvojen) sijasta simuloin-timalleissa täytyy kuvata seinärakenteet kerroksittain. U-arvojen laskennassa käytettävien parametrien lisäksi tarvitaan rakennusmateriaalien ominaislämmöt. Kuukauden keski-määräisten säätietojen asemasta simulointimalleissa tarvitaan tunneittaiset säätiedot.

Lämmönsiirron laskennassa konvektio ja säteily erotetaan toisistaan. Lähtötietoina

tar-vitaan mm. pintojen absorptiokertoimet ja emissiviteetit ja sisäisten energioiden jakau-tuminen konvektioon ja säteilyyn.

Laskennan luotettavuus riippuu ensisijaisesti lähtötietojen luotettavuudesta. Kuvassa 33 on esimerkki erään koulurakennuksen mitatusta ja kolmella eri menetelmällä lasketusta lämmitysenergian kulutuksesta. Kaikki kolme laskentamenetelmää ovat tässä tapauksessa antaneet suunnilleen saman tuloksen.

Jäähdytysenergian kulutuksen laskenta on yleensä vaikeampaa ja epäluotettavampaa kuin lämmitysenergian kulutuksen laskenta. Tämä johtuu mm. siitä, että auringon sätei-lyn ja lämmön varastoitumisen laskenta vaikuttaa paljon tuloksiin ja näiden kummankin täsmällinen laskenta on vaikeaa. Kuvassa 34 on esimerkki erään koulurakennuksen kah-della menetelmällä lasketun ja mitatun jäähdytysenergian kulutuksen vertailusta.

Rakennuksen energiatehokkuuden laskennassa on kaksi pääosiota: rakennusfysikaalinen lämmityksen ja jäähdytyksen nettoenergiantarpeen laskenta ja teknisten järjestelmien energiankulutuksen (yleensä sähkönkulutuksen) ja lämpöhäviöiden laskenta. Tekniset järjestelmät lasketaan energiataseeseen perustuvissa menetelmissä yleensä vuosihyöty-suhteiden avulla. Simulointimalleihin rakennetaan yleensä järjestelmien teknistä toimintaa kuvaavat osamallit. Kuvassa 35 on esimerkki IDA-ohjelmaan rakennetusta Jyväskylän erään koulurakennuksen lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmän mallista.

Ilmanvaihtojärjestelmän puhaltimet voivat kuluttaa paljon sähköä. Jos ilmanvaihto-järjestelmän toimintaa halutaan analysoida yksityiskohtaisesti, ilmanvaihtojärjestelmästä voidaan rakentaa malli, joka sisältää järjestelmän tärkeimmät komponentit, kuten kana-viston, puhaltimet, päätelaitteet ja säätöelimet. Kuvassa 36 on esimerkki erään koulura-kennuksen ilmavaihtokanaviston mallista, jolla voitiin osoittaa aksiaalipuhaltimen jou-tuminen epästabiilille käyttöalueelle.

Laskennassa käytettävä tilajako on mietittävä tarkoin. Yksi mahdollisuus on käyttää periaatetta, että rakennus lasketaan yhtenä tilana, jos siinä on yksi selkeä pääkäyttötapa (asunto, toimisto, liiketila). Esim. Tanskan tulevissa rakentamismääräyksissä on ohje, että mikäli rakennuksen lattiapinta-alasta yli 80 % on jossakin pääkäytössä, energianku-lutus lasketaan tämän pääkäyttötarkoituksen mukaan. Energiataseeseen perustuvissa laskentamenetelmissä on mahdollisuus käyttää vyöhykejakoa esim. silloin, jos vyöhyk-keiden sisäiset lämpöenergiat tai sisälämpötilojen asetusarvot ovat selvästi erilaiset.

Eräissä simulointimalleissa (mm. ConsolisEnergy) rakennus on mahdollista jakaa kah-teen osaan, esim. etelän ja pohjoisen puoleiseen vyöhykkeeseen. Tällaisella jaolla pysty-tään arvioimaan mm. kesäajan sisälämpötilat ja jäähdytystarve huomattavasti luotetta-vammin kuin yksihuonemallilla.

Energiatehokkuuden laskennan tulisi tuottaa samat suureet, jotka halutaan verifioida (esim. ostettava lämpö- ja sähköenergia jaettuina haluttuihin osiin, tilojen, ilmanvaihdon ja käyttöveden lämmitysenergia, jäähdytysenergia ja sähkönkulutuksen erittely koneit-tain tai vyöhykkeittäin).

Energiankulutus lasketaan yleensä standardisoidulle käytölle mm. sään ja sisäisten lämpö-energioiden suhteen. Toimivuuden varmistamista auttaa ja nopeuttaa se, että standardi-laskelman lisäksi tehdään tiettyjä herkkyystarkasteluja mm. sään (lämmin tai kylmä vuosi), sisäisten lämpöenergioiden ja mahdollisten epävarmojen lähtötietojen suhteen (esim. lämmön talteenoton hyötysuhde).

Jos rakennukselle on luvattu tietty sisäilmastoluokka, simulointimallin käyttö on ainoa mahdollisuus arvioida suunnitteluvaiheessa tavoitteiden toteutumista. Kuukausitason laskentamenetelmillä voidaan arvioida korkeintaan sisälämpötilan kuukausikeskiarvoja.

Sisälämpötilan kulku tietyssä tilassa noudattaa vuoden aikana pysyvyyskäyrää. Tietyn sisäilmastoluokan saavuttaminen vaatii, ettei sisälämpötila ylitä hyväksyttyjä arvoja kuin tietyn ajan vuodesta. Siksi sisäilmastovaatimusten toteutumisen suunnittelu ja ar-viointi vaativat sisälämpötilojen pysyvyyskäyrien laskemista ja mittaamista.

Lähteessä Kalema et al. (2006) esitetään energiankulutuksen laskentamallien käyttöä koulutusrakennuksen energiatehokkuuden varmistamisessa. Laskentamallien käyttö osoittaa ko. rakennuksessa sen, että koneellista ilmanvaihtoa on käytetty myös yöaikana, mikä on lisännyt sekä lämmön että sähkön kulutusta.

Kuva 33. Erään koulurakennuksen laskettujen ja mitattujen lämmitysenergian kulutusten vertailu.

Jäähdytysenergiavertailu koko rakennuksessa

0 2 4 6 8 10 12

Jäähdytysenergia [kWh/m2 ]

Laskettu, ISO 13970 3.7 4.7 6.1 6.7 5.3

Laskettu, IDA -ICE 4.1 5.7 5.8 7.4 5.7

Mitattu 6.2 6.0 9.8 7.5 7.4

01/05 02/05 03/05 04/05 Keskiarvo

Kuva 34. Erään koulurakennuksen laskettujen ja mitattujen jäähdytysenergian kulutusten vertailu.

Kuva 35. Erään koulurakennuksen lämmitys- ja ilmanvaihtojärjestelmän malli.

Kuva 36. Erään koulurakennuksen ilmanvaihtojärjestelmän malli.

5.2 Mittausmenetelmät