Taustatiedot laskelmiin

Tarkastellaan aurinkoenergian käyttöä nollaenergiarakennuksissa kolmen esimerkki-rakennuksen laskelmien kautta. Kaikki laskennassa käytetyt esimerkkirakennukset sijait-sevat Etelä-Suomessa ja ne ovat kaikki omalla tavallaan keskimääräisiä suomalaisia omakotitaloja. Rakennukset A ja B ovat Tilastokeskuksen mukaan (Tilastokeskus 2019b) Suomen rakennuskannan omakotitalojen keskiarvon kokoisia eli niiden pinta-ala on noin 112 m². Rakennus A on 2-kerroksinen, rakennus B on 1-kerroksinen. Rakennus C on Rakennustutkimus RTS Oy:n tekemän Omakotirakentajatutkimuksen mukaan keski-määräisen kokoinen vuonna 2020 rakennettu omakotitalo eli se on pinta-alaltaan 165 m² (katso Jussila et al. 2020). Rakennus C on B-rakennuksen tapaan yksikerroksinen.

Kaikkien esimerkkirakennusten katto on 30° kallistuskulmassa oleva perinteinen harja-katto. Katon toinen lape on suunnattu suoraan kohti etelää, jolloin auringon säteilyener-giaa saadaan eniten talteen. Esimerkkirakennuksissa kaikki katolle sijoittuvat rakennuk-sen osat, kuten esimerkiksi savupiippu, on sijoitettu talon pohjoislappeelle. Siten lähes koko etelälape on käytettävissä aurinkoenergian tuotantoon. Lisäksi esimerkkirakennus-ten kattoja ei varjosta mikään. Esimerkkirakennukset ovat siis monilta osin useita todel-lisia rakennuksia paremmin aurinkosähkön tuotantoon sopivia, sillä rakennusten lappeet on harvoin suunnattu tarkalleen kohti etelää ja monien talojen kattoa varjostaa puu, lippu-tanko, savupiippu, toinen rakennus tai jokin muu vastaava.

Energiaverkoista vain sähköverkkoon yhdistetyssä rakennuksessa täytyy tuottaa säh-köä, jos halutaan pyrkiä energiatasapainossa kohti nollaa. Tällöin aurinkoenergian tuo-tannon avulla saadaan ostoenergian määrän vähentämisen lisäksi myös pienennettyä nettoenergiankulutusta myymällä energiaa sähköverkkoon. Muussa tapauksessa kaa-van 7 energiatasapainossa rakennukseen tulevasta energiasta ei saada vähennettyä mitään, jolloin energiatasapainossa on mahdotonta pyrkiä kohti nollaa. Tämä suosii pöpumpun valintaa rakennuksen lämmönlähteeksi, sillä silloin myös rakennuksen läm-mittämiseen käytetään sähköä. (Good et al. 2015; Hamdy et al. 2013) mukaan maa-lämpöpumppu on myös tavanomaisista lämmitysmuodoista kustannustehokkain. Esi-merkkirakennuksissa päälämmönlähteenä käytetään lämpöpumppua ja ostoenergia on pelkkää sähköä. Lisäksi kaikki esimerkkirakennukset ovat suorakulmion muotoisia.

Yleisesti markkinoilta saatavien aurinkopaneelien mitat ovat noin 1,00 m x 1,65 m ja aurinkokeräimen mitat ovat yleensä noin 1,20 m x 2,00 m:ä. Tässä työssä käytetään laitteille näitä mittoja. Käytettävän yksittäisen aurinkopaneelin nimellisteho on 320 Wp.

Aurinkokeräinten teho vaihtelee keräinnesteen ja ympäristön lämpötilaeron mukaan, mutta käytettävän aurinkolämpöjärjestelmän keskimääräinen kokonaishyötysuhde on 50 %. Etelää kohti suunnatttu 30° kallistuskulmassa oleva aurinkosähköjärjestelmä tuot-taa (Salpakari & Lund 2016) mukaan Etelä-Suomessa noin 873 kWh/kWp vuodessa.

Tätä arvoa käytetään laskelmissa. Aurinkosähkön tuotanto saadaan tällöin selville kaa-valla 𝐸_{𝑠äℎ𝑘ö}= 𝑃_𝑝𝑣𝑒_𝑝𝑣, missä 𝐸_{𝑠äℎ𝑘ö} tarkoittaa sähkön tuotantoa, 𝑃_𝑝𝑣 tarkoittaa aurinkosäh-köjärjestelmän nimellistehoa ja 𝑒_𝑝𝑣 tarkoittaa järjestelmän tuottoa yksikössä kWh/kWp.

Esimerkkirakennusten energiankulutukset laskennan lähtötilanteessa ilman aurinko-energiajärjestelmää ovat sellaiset, että niiden E-luvut ovat Suomen lainsäädännön määrittelemän lähes nollaenergiarakennuksen raja-arvot. Energiankulutukset saadaan laskettua kaavalla

𝑊_{𝑠äℎ𝑘ö}=^{𝐸𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜}

𝑓_{𝑠äℎ𝑘ö} , (9)

missä 𝑊_{𝑠äℎ𝑘ö} on sähkön kulutus vuodessa, 𝐸 on E-luku, 𝐴_{𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜} on rakennuksen nettopinta-ala ja 𝑓_{𝑠äℎ𝑘ö} on sähkön energiamuodon kerroin.

Ympäristöministeriön asetuksen uuden rakennuksen energiatehokkuudesta (1010/2017) laskentaohjeiden mukaan vähintään 120 neliöisen talon lämpimän käyttöveden lämmittämiseen tarvittava lämmitysenergian tarve on 4200 kWh. Ympäristö-ministeriön asetuksessa (Ympäristöministeriön asetus rakennuksen energiatodistuksesta 1048/2017) säädetyn E-luvun laskentatavan mukaan hyvin eristetyn lämmönjaon vuosihyötysuhde voi olla esimerkiksi 90 %:a. Lisäksi kyseisen asetuksen mukaan 500 litraisen hyvin eristetyn lämminvesivaraajan lämpöhäviö on

(13)

vuodessa noin 850 kWh. Esimerkkirakennuksissa käytetään näitä arvoja käyttöveden lämmitysenergian tarpeelle, lämmönjaon vuosihyötysuhteelle ja lämminvesivaraajan lämpöhäviölle.

Lämpimän käyttöveden vaatima lämmitysenergian tarve voidaan laskea kaavalla 𝐸_{𝑙𝑘𝑣,𝑡} =^{𝐸𝑙𝑘𝑣,𝑘}

𝜂_𝑙𝑗 + 𝐸_𝑙𝑣𝑣, (10)

missä 𝐸_{𝑙𝑘𝑣,𝑡} on lämpimään käyttöveteen tarvittava lämmitysenergia, johon sisältyy häviöt, 𝐸_{𝑙𝑘𝑣,𝑘} on käytettävän lämpimän käyttöveden lämmittämiseen tarvittava energia, 𝜂_𝑙𝑗 on lämmönjaon hyötysuhde ja 𝐸_𝑙𝑣𝑣 on lämminvesivaraajan lämpöhäviö. Ulkolämpötila ei vaikuta juurikaan käyttöveden lämmittämiseen tarvittavaan energiamäärään (Motiva 2019). Tarvittava lämpimän käyttöveden lämmitysenergian määrä voidaan laskea siis tasan kaikille eri kuukausille.

Kesällä lämmityskauden ulkopuolella rakennusten tiloja ei tarvitse lämmittää. Tällöin lämpöä tarvitaan rakennuksessa vain lämpimään käyttöveteen. Rakennuksessa, joka ei ole yhteydessä kaukolämpöverkkoon, tuotettua ylimääräistä lämpöenergiaa ei saada myytyä tai siirrettyä energiaverkkoon. Auringon säteilysumma on kuvan 2 mukaan Etelä-Suomessa suurimmillaan touko- ja heinäkuussa, jolloin se on noin 182 kWh/m2. Esi-merkkirakennusten lämpimän käyttöveden tarve on kaavan 10 mukaisesti ^{4200 𝑘𝑊ℎ}

0,9 + 850 𝑘𝑊ℎ ≈ 5520 kWh vuodessa eli noin 460 kWh kuukaudessa. Esimerkkirakennuksis-sa käytettävällä aurinkolämpöjärjestelmällä Esimerkkirakennuksis-saadaan hyötykäyttöön koko järjestelmän häviöiden jälkeen noin 50 %:a auringon säteilystä, joten järjestelmän hyötysuhde on 0,5.

Tällöin heinäkuussa tarvitaan kaavan 6 mukaan keräinpinta-alaa 5,05 m2 lämmöntar-peen ollessa 460 kWh:a. Kaksi 2,4 m² tasokeräintä yhteispinta-alaltaan 4,8 m² ovat silloin lähimpänä tarvittavaa pinta-alaa.

Kaksi 2,4 m² aurinkokeräintä sisältävä aurinkosähköjärjestelmä tuottaa kaavan 2 mukai-sesti 50 % hyötysuhteella ja 1205,3 kWh/m2 säteilymäärällä vuodessa 2892,72 kWh energiaa. Jos aurinkokeräimillä tuotettu lämpö korvaa 3 kertaa enemmän lämpöä tuotta-van kuin sähköä käyttävän lämpöpumpun tuottamaa lämpöä, se säästää noin 964 kWh sähköä vuodessa. Aurinkolämpöjärjestelmässä tarvittava pumppu vie kuitenkin esimerk-kirakennuksissa sähköä 148 kWh vuodessa. Siten 4,8 m² keräinpinta-alalla säästetään esimerkkirakennuksissa 816 kWh sähköä vuodessa.

Toisin kuin lämpimän käyttöveden kulutus, sähkönkulutus jakautuu hyvin epätasaisesti eri kuukausille. Kuvassa 5 on esitetty Rouhiainen & Heiskanen (2015) mukaan esimerkki suomalaisen sähköä lämmitykseen käyttävän omakotitalon sähkönkulutuksen jakautu-misesta eri kuukausille. Kulutus on talvella huomattavasti korkeampaa kuin kesällä.

Auringosta tulee päinvastoin kuvan 2 mukaisesti eniten energiaa kesällä ja vähiten talvel-la. Näin ollen aurinkosähkön tuotanto on suurimmillaan silloin kun energiaa tarvitaan vähiten ja pienimmillään kun sitä tarvitaan eniten.

Kuva 5. Omakotitalon sähkönkulutuksen jakautuminen eri kuukausille. Perustuu lähtee-seen (Rouhiainen & Heiskanen 2015)

Tuotanto ja kulutus eivät rakennuksissa osu samaan ajankohtaan kuukauden sisällä myöskään pienemmissä ajanjaksoissa tarkastellessa. Jotta sähkö voidaan käyttää rakennuksessa, kulutuksen ja tuotannon täytyy osua samaan hetkeen. Salpakari & Lund (2016) tutkimuksessa selviää, että pienelläkin aurinkosähköjärjestelmällä tuotetusta energiasta 20 % joudutaan syöttämään verkkoon tuotannon ja kulutuksen eriaikaisuuden vuoksi. Laskennassa oletetaan tämän mukaan, että 80 % sähkön tuotannosta saadaan hyödynnettyä rakennuksessa silloin, kun kuukausikohtaisen tarkastelun perusteella kulutus ja tuotanto osuvat samaan hetkeen.