Aukusti Hintsala
AURINKOENERGIAN HYÖDYNTÄMINEN NOLLAENERGIARAKENNUKSESSA SUOMESSA
Kandidaatintyö
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Tarkastaja: Seppo Syrjälä
03/2021
Aukusti Hintsala: Aurinkoenergian hyödyntäminen nollaenergiarakennuksessa Suomessa Utilization of solar energy in a zero energy building in Finland
Kandidaatintyö Tampereen yliopisto
Tekniikan ja luonnontieteiden TkK-tutkinto-ohjelma, ympäristö- ja energiatekniikka Maaliskuu 2021
Rakennukset ovat EU:n alueella vastuussa noin 40 % kaikesta energiankulutuksesta ja ne aiheuttavat noin 36 % kaikista hiilidioksidipäästöistä. Sekä EU:n tasolla että kansallisella tasolla Suomessa on tehty poliittisia päätöksiä, joilla on tarkoitus pienentää rakennusten energiankulu- tusta ja päästöjä. Päätösten vaatimilla toimilla pyritään tekemään rakennuksista energiatehok- kaampia ja tuottamaan yhä suurempi osa niiden tarvitsemasta energiasta uusiutuvia energian- lähteitä hyödyntäen. Euroopan unionin rakennusten energiatehokkuutta koskevan direktiivin kan- sallisen toimeenpanon mukaan kaikkien Suomessa rakennettavien uusien rakennusten on täyty- nyt olla lähes nollaenergiarakennuksia vuoden 2018 alusta lähtien.
Lähes nollaenergiarakennus tarkoittaa vähän energiaa kuluttavaa rakennusta, jonka energi- antarpeesta merkittävä osa katetaan lähellä tuotetulla uusiutuvalla energialla. Työssä tarkastel- laan myös nettonollaenergiarakennuksia, jotka ovat toisen tyyppisiä nollaenergiarakennuksia.
Nettonollaenergiarakennuksesta lähtee energiaverkkoihin vuodessa yhtä paljon uusiutuvaa ener- giaa kuin rakennukseen tulee ostoenergiaa vuositasolla. Tuotettu uusiutuva energia voi olla esi- merkiksi aurinkoenergiaa.
Työssä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmällä tuotetun sähkön ja aurinkolämpöjärjestel- mällä tuotetun lämmön hyödyntämistä nollaenergiarakennuksissa. Tutkimuksen rajaus on läm- pöpumppua päälämmönlähteenä käyttävissä asuinrakennuksissa Suomessa. Aurinkoenergian hyödyntämistä tarkastellaan aiempien tutkimusten perusteella ja omien laskelmien avulla. Kes- keinen tutkimuskysymys on: miten aurinkoenergiaa voi ja kannattaa hyödyntää nollaenergiara- kennuksissa?
Tulokseksi saadaan aiempien tutkimusten perusteella, että kerrostaloissa ja erillisissä pienta- loissa molemmissa aurinkoenergia voi auttaa merkittävästi lähes nollaenergiarakennuksen to- teuttamisessa. Nettonollaenergiarakennus on sen sijaan hyvin vaikeaa toteuttaa kerrostalona, mutta erillisenä pientalona se on mahdollista toteuttaa hyvissä olosuhteissa. Nettonollaenergia- rakennus on lämpöpumpulla lämpenevässä rakennuksessa helpoin toteuttaa tuottamalla pelkkää aurinkosähköä.
Omat laskelmat aurinkoenergian käyttämisestä kolmessa erilaisessa pientalossa tukevat edellisen kappaleen tuloksia. Omat laskelmat osoittavat myös, että lähes nollaenergiarakennusta toteuttaessa päästään hieman parempiin tuloksiin, kun rakennuksessa tuotetaan aurinkosähkön lisäksi myös lämpöä rakennuksen käyttöveden lämmöntarpeen verran vuositasolla. Aurinkosäh- köjärjestelmiä koskevat laskelmat osoittavat lisäksi, että taloudellisesti kannattavaa järjestelmää toteuttaessa on tärkeää tehdä järjestelmästä oikean kokoinen. Lisäksi selviää, että mitä enem- män rakennus kuluttaa sähköä, sitä kannattavamman järjestelmän saa tehtyä. Rakennusten säh- könkulutuksen ja aurinkosähkön tuotannon kuukausitason tarkastelun perusteella pientaloon on kannattavinta tehdä järjestelmä, jossa on noin yksi aurinkosähköpaneeli jokaista vuositasolla ku- lutettua MWh kohden. Käytettävän aurinkosähköpaneelin teho on 320 kWp.
Avainsanat: aurinkoenergia, aurinkosähkö, aurinkolämpö, nollaenergiarakennus, lähes nolla- energiarakennus, nettonollaenergiarakennus
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla
1. JOHDANTO ... 1
2.AURINKOENERGIA... 3
2.1 Auringon säteily ... 3
2.2 Aurinkoenergiaratkaisut ... 5
2.3 Aurinkosähkö ... 6
2.4 Aurinkolämpö ... 7
3. NOLLAENERGIARAKENNUS ... 10
3.1 Nollaenergiarakennuksen määritelmä ... 10
3.2 Erilaiset nollaenergiarakennukset ... 12
3.3 Nollaenergiarakennus Suomessa ... 13
3.4 Laskelmat kirjallisuudessa... 15
4.AURINKOENERGIAN KÄYTTÖ NOLLAENERGIARAKENNUKSISSA ... 17
4.1 Taustatiedot laskelmiin ... 17
4.2 Laskelmat ... 20
4.3 Tulokset ja johtopäätökset... 22
4.4 Taloudellinen kannattavuus ... 27
5.YHTEENVETO ... 31
LÄHTEET ... 33 LIITE A: ENERGIATEHOKKUUSLUOKAT
LIITE B: KANNATTAVUUSLASKELMIEN LÄHTÖTIEDOT .
1. JOHDANTO
Ilmastonmuutos on tunnistettu lähes kaikkialla maailmassa vakavaksi uhaksi. Ilmasto lämpenee kasvihuoneilmiön seurauksena, minkä merkittävä aiheuttaja on fossiilisten polttoaineiden käyttö. Fossiilisia polttoaineita poltettaessa ilmakehään vapautuu hiilidi- oksidia. Hiilidioksidi on merkittävin ihmisen tuottama kasvihuoneilmiötä aiheuttava kaa- su.
Ilmastonmuutosta pyritään hidastamaan hiilidioksidipäästöjä vähentämällä. Päästöjä pyritään vähentämään esimerkiksi kasvattamalla uusiutuvan energian osuutta energian- tuotannossa ja parantamalla energiankäytön tehokkuutta. Rakennukset vastaavat noin kolmanneksesta kaikesta maailman energiankulutuksesta (Good et al. 2015). EU:n alu- eella rakennukset kuluttavat 40 % kaikesta energiankulutuksesta ja aiheuttavat 36 % kaikista hiilidioksidipäästöistä (Reda & Fatima 2019). Ne ovat siten suurin energian lop- pukäyttäjä Euroopassa (D'Agostino & Mazzarella 2019). Rakennusten energiankulutuk- sen ja hiilidioksidipäästöjen vähentämisellä on siis merkittävässä vaikutus ilmastonmuu- toksen torjunnassa. Pienempi energiankulutus tekee myös rakennuksen ylläpidosta edullisempaa. Aurinkoenergian tuottaminen rakennuksen katolla on yksi tapa pienentää rakennusten ostoenergian kulutusta ja sitä kautta hiilijalanjälkeä.
Aurinkoenergian pientuotanto on ollut voimakkaassa kasvussa Suomessa viimevuo- sina. Esimerkiksi vuodesta 2017 vuoteen 2018 sähköverkkoon liitetyn aurinkosähkön tuotanto kasvoi 82 %. Vuoden 2018 lopussa kapasiteetti vastasi kuitenkin vain alle pro- sentista Suomen sähköntuotannon kokonaiskapasiteetista. (Energiavirasto 2019) Kan- sainvälisen energiajärjestön (engl. International energy agency, IEA) mukaan aurin- koenergia voisi vastata yli puolesta maailman energiantuotannosta vuoteen 2050 men- nessä (IEA 2014). Maailmassa, Suomi mukaan lukien, on siis vielä paljon hyödyntämä- töntä potentiaalia aurinkoenergian tuotannossa.
EU on linjannut rakennusten energiatehokkuutta koskevassa direktiivissä (Euroopan parlamentin ja neuvoston direktiivi 2010/31/EU), että vuoden 2020 loppuun mennessä kaikissa sen jäsenmaissa rakennettavien uusien rakennusten tulisi olla lähes nollaener- giarakennuksia. Suomessa direktiivin linjaus on otettu käyttöön jo vuoden 2018 alussa (Laki maankäyttö- ja rakennuslain muuttamisesta 1151/2016) Karkean määritelmän mu- kaan lähes nollaenergiarakennuksella tarkoitetaan vähän energiaa kuluttavaa raken- nusta, jonka energiantarpeesta merkittävä osa katetaan rakennuksessa tai sen lähistöllä
tuotetulla uusiutuvalla energialla (Sepponen et al. 2013). Kyseisen lähes nollaenergiara- kennuksen määritelmän lisäksi erilaisille nollaenergiarakennuksille on myös muita mää- ritelmiä. Esimerkiksi nettonollaenergiarakennuksella tarkoitetaan yleisesti rakennusta, jossa tuotetaan uusiutuvaa energiaa vuositasolla yhtä paljon kuin energiaa kulutetaan yhteensä (Sartori et al. 2010). Nollaenergiarakennuksilla tulee olemaan keskeinen rooli kaupunkien hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä (Li et al. 2019).
Tämä työ käsittelee aurinkoenergian hyödyntämistä nollaenergiarakennuksissa Suo- messa. Tutkimus keskittyy rakennustyypeistä asuinrakennuksiin, joista erityisesti erilli- siin pientaloihin. Työ on rajattu aurinkoenergian osalta tarkastelemaan aurinkosähköpa- neeleilla ja aurinkokeräimillä asuinrakennusten katoilla tuotettua energiaa. Keskeinen tutkimuskysymys on, miten aurinkoenergiaa kannattaa hyödyntää nollaenergiaraken- nuksissa Suomessa. Tavoitteena on vastata kysymykseen selvittämällä, kuinka paljon aurinkoenergiaa voidaan tuottaa rakennuksissa ja kannattaako nollaenergiarakennuk- sissa tuottaa aurinkosähköä, aurinkolämpöä vai molempia edellä mainittuja. Lisäksi tar- koitus on selvittää kuinka suuri vaikutus aurinkoenergiaratkaisuilla voi olla nollaenergia- rakentamiseen ja toisaalta missä mittakaavassa aurinkoenergian tuottaminen rakennuk- sen katolla on taloudellisesti kannattavaa. Kysymyksiin on tarkoitus vastata kirjallisuutta ja omia laskelmia apuna käyttäen.
Edellä mainittujen tavoitteiden täyttämiseksi työssä selvitetään myös rakennuksissa käytettävien aurinkosähkö- ja aurinkolämpöjärjestelmien toimintaperiaatteet. Aurin- koenergiajärjestelmien toimintaan liittyen on tarpeellista selvittää lisäksi, millaiset sätei- lyolosuhteet Suomessa on aurinkoenergian tuotantoon. Jotta voidaan tutkia aurin- koenergiaa nollaenergiarakennuksissa, täytyy myös selvittää tarkasti, mitä on nollaener- giarakentaminen ja millaisia määritelmiä nollaenergiarakennuksille on. Tavoitteena on löytää yleisesti käytössä olevat määritelmät, ja tutkia aurinkoenergian hyödyntämistä nii- den määritelmien mukaisissa nollaenergiarakennuksissa.
Tutkimuksen tavoitteiden saavuttamiseksi luvussa 2 tutkitaan auringon säteilyener- giaa sekä aurinkopaneeleiden ja aurinkokeräinten toimintaa. Luvussa 3 tutkitaan erilais- ten nollaenergiarakennusten määrittelyn taustoja ja selvitetään sitä kautta, millaisia mää- ritelmiä Suomessa tulisi käyttää. Luvussa esitellään myös kirjallisuudessa esiintyviä las- kelmia aurinkoenergian hyödyntämisestä nollaenergiarakennuksissa. Aurinkoenergia- ratkaisujen käyttömahdollisuuksia nollaenergiarakennuksissa selvitetään luvussa 4 omien laskelmien avulla. Ensin lasketaan, kuinka paljon aurinkoenergiaa Etelä-Suo- messa sijaitsevan omakotitalon katolla voidaan tuottaa ja sitten selvitetään, millainen järjestelmä on taloudellisesti kannattava. Yhteenvedossa luvussa 5 kootaan vielä yhteen tutkimuksen tärkeimmät tulokset ja havainnot.
2. AURINKOENERGIA
Kaikki elämä maapallolla on kehittynyt auringon energian varassa (Erat et al. 2016).
Olemme siis täysin riippuvaisia auringon säteilystä, jonka ansiosta esimerkiksi kasvit kasvavat ja tuottavat elämiseen tarvitsemamme hapen ja ravinnon. Myös lämpötilaolo- suhteet maapallolla ovat elämälle sopivat auringonsäteilyn ansiosta.
2.1 Auringon säteily
Aurinko on maapallon näkökulmasta valtava kaasupallo, jonka pintalämpötila on noin 5780 K. Se säteilee jatkuvasti energiaa ympäristöönsä. Auringon energia on peräisin pääasiassa fuusioreaktiosta, jossa vetyatomit yhdistyvät muodostaen heliumia. (Duffie
& Beckman 2006) Osa auringon säteilyenergiasta osuu maapallolle. Maapallolle osuvan säteilyn teho on noin 1017 W (Lynn 2010). Suomen energiankulutus oli vuonna 2018 noin 383 TWh (Tilastokeskus 2019a). Näin ollen esimerkiksi Suomen vuosittaisen energian- kulutuksen verran energiaa tulee auringosta maapallolle noin 14 sekunnin aikana.
(Olofsson & Bengtsson 2008) mukaan maapallon ilmakehän ulkopinnalle tulevan säteilyn teho on aurinkovakiona tunnettu noin 1367 W/m2. Osa säteilystä kuitenkin häviää matkalla maahan. Se johtuu esimerkiksi vesipisaroiden, ilmamolekyylien ja erilaisten hiukkasten vuorovaikutuksesta säteilyn kanssa ilmakehässä (Olofsson &
Bengtsson 2008).
Kuvassa 1 on esitelty maan pinnalle tulevan auringonsäteilyn eri muotoja. Maan pinnalle tuleva säteily voidaan jakaa kolmeen eri säteilyn muotoon. Ne ovat suora säteily, hajasäteily ja maaheijastus. Suora säteily on suoraan maahan asti tulevaa säteilyä, hajasäteily on esimerkiksi ilmakehän pilvistä ja pölyhiukkasista heijastuvaa säteilyä ja maaheijastus on esimerkiksi maasta, puista ja rakennuksista heijastuvaa säteilyä. (Erat et al. 2016; Lynn 2010) Maan pinnalle tuleva kokonaissäteily on suoran säteilyn, hajasäteilyn ja maaheijastuksen summa (Duffie & Beckman 2006). Maan pinnalle tuleva auringon kokonaissäteily saadaan siis kaavalla
𝐼𝑘= 𝐼𝑠+ 𝐼ℎ+ 𝐼𝑚, (1) missä 𝐼𝑘 tarkoittaa auringon kokonaissäteilyä, 𝐼𝑠 tarkoittaa suoraa säteilyä, 𝐼ℎ tarkoittaa hajasäteilyä ja 𝐼𝑚 maaheijastuksesta aiheutuvaa säteilyä. Kaikkien edellä mainittujen suureiden yksikkönä käytetään yleisesti W/m2.
Maapallon eri osissa säteilylajit jakautuvat eri tavoin, sillä maapallon pyörimisakseli on 23,45° kallellaan aurinkoon nähden (McMordie et al. 2012). Lähellä päiväntasaajaa
suoran auringonsäteilyn osuus on suurempi kuin Suomen leveyksillä, sillä päiväntasaa- jan lähellä aurinko paistaa korkealta. Pohjoisilla leveyksillä hajasäteilyn osuus on puolestaan suurempi, sillä aurinko paistaa usein huomattavasti alempaa. Maaheijastuk- sen osuus kasvaa esimerkiksi vesistöjen lähellä ja silloin kun maassa on lunta (Ahola 2013).
Kuva 1. Auringon säteily tulee maassa olevaan tasoon suorana säteilynä, hajasätei- lynä ja maaheijastuksen kautta. Muokattu lähteestä (Lynn 2010)
Ilmatieteenlaitoksen rakennusten energialaskentaa varten vuonna 2020 kehittämä nykyistä ilmastoa vastaava ilmastollinen testivuosi TRY2020 kuvaa Suomen sääoloja (Jylhä et al. 2020). Kuvassa 2 on kyseisen testivuoden mukaiset eri kuukausien säteilysummat etelään suunnatulle 45° kulmassa olevalle pinnalle Etelä-Suomessa.
Kuva 2. Auringon säteilysumma eri kuukausina Etelä-Suomessa. Perustuu läh- teeseen (Jylhä et al. 2020)
Säteilysummien arvot vaihtelevat joulukuun 11 kWh/m2:stä touko- ja heinäkuun korkeimpiin arvoihin eli 182 kWh/m2:iin. Kesäkuukausina säteilysummat ovat korkeim- millaan ja talvella ne ovat matalimmillaan.
2.2 Aurinkoenergiaratkaisut
Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää rakennuksissa aktiivisesti tai passiivisesti. Passiivi- sesti aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää esimerkiksi rakenteellisilla ratkaisuilla, joilla auringonsäteilyn tuomaa lämpöä saadaan hyödynnettyä rakennuksessa mahdollisim- man tehokkaasti. Aurinkoenergialaitteiden kuten aurinkopaneeleiden ja aurinkokeräinten käyttö rakennuksen tarvitseman sähkön- ja lämmöntuotannossa on puolestaan aktiivista aurinkoenergian hyödyntämistä. (Belussi et al. 2019) Tässä työssä keskitytään edellä mainittuihin aktiivisiin aurinkoenergialaitteisiin. Aurinkoenergialaitteen tuottaman ener- gian määrä voidaan laskea kaavalla
𝐸𝑠= 𝐼𝑘,𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎𝜂𝑎𝐴𝑎, (2)
missä 𝐸𝑠 on tuotettu aurinkoenergia, 𝐼𝑘,𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎 on auringon säteilysumma, 𝜂𝑎 on laitteen hyötysuhde ja 𝐴𝑎 on laitteen pinta-ala.
Aurinkopaneelit tuottavat sähköä ja aurinkokeräimet lämpöä auringon säteilyenergiasta.
Rakennuksen energiajärjestelmä voi olla sähkö- ja kaukolämpöverkkoon kytketty tai toimia itsenäisesti. Tässä työssä tarkastellaan energiajärjestelmiä, jotka on kytketty sähköverkkoon, mutta ei kaukolämpöverkkoon. Energiaa voidaan tässä tapauksessa ostaa vain sähköverkosta ja tuotettua energiaa voidaan myydä vain sähköverkkoon.
Vain sähköverkkoon energiaa syöttävä järjestelmä on yleinen nollaenergiarakennuk- sissa (Good et al. 2015).
Eri sovelluksilla on monia yhteisiä aurinkoenergian tuotantoon vaikuttavia tekijöitä, sillä niillä tuotetun energian määrä on kaavan 2 mukaisesti suoraan verrannollinen laitteen pintaan tulevan säteilyenergian määrään. Kuten luvussa 2.1 kerrottiin, auringonsäteilyn määrä vaihtelee vuodenajan mukaan. Säteilyteho vaihtelee myös esimerkiksi vuorokau- denajan ja pilvisyyden mukaan (McMordie et al. 2012). Pilvisellä säällä säteilyn voimak- kuus on selvästi pienempi kuin aurinkoisella säällä. Myös lämpötilalla on vaikutus tuotan- toon, sillä se vaikuttaa laitteiden hyötysuhteeseen. Aurinkopaneelien hyötysuhde on kyl- mässä lämpötilassa parempi kuin lämpimässä (Ren et al. 2020). Aurinkokeräinten hyötysuhde taas on parhaimmillaan, kun keräinnesteen ja ulkoilman lämpötilaero on mahdollisimman pieni (McMordie et al. 2012).
Auringonsäteilyn voimakkuus on erilainen myös eri maantieteellisillä alueilla. Etelä- Suomessa 90 % auringon säteilyenergiasta saadaan maalis-syyskuussa (Rantala 2014).
Sen sijaan lähellä päiväntasaajaa säteilyenergian määrä jakaantuu tasaisesti ympäri vuoden. Myös aurinkoenergialaitteen sijainti suhteessa aurinkoon vaikuttaa aurinkoener- gian tuotantoon. Suoraan etelään suunnattuna saadaan tuotettua suurin määrä energiaa vuositasolla. Hetkellisesti tuotanto on parhaimmillaan, kun aurinkoenergialaite on suun- nattu suoraan kohti aurinkoa. Maantieteellisestä sijainnista ja ajasta riippuen aurinko paistaa eri korkeuksilta. Siksi eri paikoissa aurinkopaneelin ja -keräimen optimaalinen kallistuskulma vaihtelee. Suomessa optimaalinen kallistuskulma on noin 45°, koska kyseisessä kallistuskulmassa olevalle tasolle tulee vuodessa suurin määrä auringon- säteilyä. (Erat et al. 2016) Talvella, kun aurinko paistaa matalalta, suuressa kulmassa olevalle tasolle tulee eniten säteilyä. Asia on päinvastoin kesällä, sillä auringon paista- essa korkealta säteilymäärä on korkein pienemmässä kulmassa olevalle tasolla.
2.3 Aurinkosähkö
Aurinkosähköjärjestelmän pääkomponentit ovat aurinkopaneelit ja vaihtosuuntaaja eli invertteri. Aurinkopaneeli koostuu yleisimmin piistä valmistetuista aurinkokennoista, jotka muuttavat auringonvalon suoraan sähköenergiaksi. Ne tuottavat tasavirtaa, jonka invertteri muuttaa yleisesti sähkölaitteissa käytettäväksi vaihtovirraksi. (McMordie et al.
2012). Nykyaikaisten, yleisesti asuinrakennuksissa käytettävien ja yleisiltä markkinoilta saatavien tehokkaiden aurinkopaneelien hyötysuhde on noin 20 %:a, eli ne pystyvät muuttamaan sähköksi noin viidenneksen niihin osuvasta auringon säteilyenergiasta.
Aurinkopaneeleiden teho ilmoitetaan yleensä nimellistehona eli tehona, joka niillä on standardiolosuhteissa (engl. Standard Test Condition, STC) (Good et al. 2015).
Standardiolosuhteissa paneelin lämpötila on 25 °C ja sen pintaan osuva säteilyteho on 1000 W/m2. Paneelien tehon yksikkönä käytetään piikkiwattia (Wp) ilmaisemaan, että paneelin ilmoitettu teho on mitattu standardiolosuhteissa. Standardiolosuhteissa poikke- avissa olosuhteissa myös teho voi poiketa nimellistehosta. Aurinkopaneelin hyötysuhde voidaan laskea kaavalla
𝜂𝑝𝑣 = 𝐼 𝑃𝑝𝑣
𝑠𝑡𝑐𝐴𝑝𝑣, (3) missä 𝜂𝑝𝑣 on aurinkopaneelin hyötysuhde, 𝑃𝑝𝑣 on aurinkopaneelin nimellisteho, 𝐼𝑠𝑡𝑐 on auringon säteilyteho standardiolosuhteissa ja 𝐴𝑝𝑣 on aurinkopaneelin pinta-ala.
Rakennuksen aurinkosähköjärjestelmässä tuotettu sähkö kannattaa käyttää ensisijai- sesti rakennuksessa itsessään, koska silloin vältytään ostamasta sähköä sähköverkosta markkinahintaan (Enteria & Akbarzadeh 2013). Välillä järjestelmä voi kuitenkin tuottaa enemmän sähköä kuin rakennuksessa kulutetaan. Jos aurinkosähköjärjestelmä on yhteydessä sähköverkkoon, voidaan verkkoon myydä ylimääräinen tuotettu sähkö (McMordie et al. 2012). Vaihtoehtoisesti ylimääräinen sähköenergia voitaisiin varastoida esimerkiksi akustoon, mutta tässä työssä ei tarkastella energian varastointiratkaisuja.
Kun ylimääräinen sähkö syötetään akuston sijaan sähköverkkoon, verkkoon syötetystä sähköstä saadaan rahallinen korvaus ja lisäksi vältytään kalliilta investoinnilta energian varastointiin (Enteria & Akbarzadeh 2013).
2.4 Aurinkolämpö
Aurinkolämpöjärjestelmä koostuu aurinkokeräimistä, energiansiirtojärjestelmästä ja lämpövaraajasta. Yleisimpiä aurinkokeräintyyppejä ovat tasokeräimet (engl. flat plate solar collector), tyhjiöputkikeräimet (engl. vacuum tube collector) ja keskittävät keräimet (engl. concentrating collector), joista kaikista yleisimpiä ovat tasokeräimet. (McMordie et al. 2012) Muun muassa aurinkoenergiaratkaisujen elinkaarikustannuksia selvittävän kanadalaistutkimuksen mukaan nimenomaan tasokeräimet ovat nollaenergiataloissa taloudellisesti kannattavin tekniikka aurinkolämmön tuotantoon (Leckner & Zmeureanu 2011). Tasokeräimet ovat myös tehokkaimpia aurinkokeräimiä järjestelmissä, jotka on suunniteltu toimimaan alle 100 °C lämpötilassa (Hamdy et al. 2013). Ne eivät siis sovellu välttämättä esimerkiksi teollisuuden prosessilämmön tuotantoon, mutta rakennusten käyttöveden lämmittämiseen 100 °C lämpötila riittää hyvin. Tasokeräinten suosio on siis hyvin perusteltua.
Tasoaurinkokeräimessä (Kuva 3) on pohjimmaisena eristelevy, joka pienentää lämpö- häviötä keräimen takaosasta. Eristeen päällä on absorptiolevy, jonka yhteydessä lämmönsiirtoneste virtaa putkissa. Absorptiolevyn edessä on lasi. Absorptiolevyn ja lasin väliin jää ilmarako. (Mackay 2015)
Absorptiolevy absorboi auringon säteilyä muuttaen sen lämmöksi. Lämpö siirtyy absorptiolevystä putkissa virtaavaan lämmönsiirtonesteeseen, sillä putket ovat levyn kanssa hyvässä termisessä kontaktissa. Lasi tasokeräimen pinnassa estää säteilylämpöhäviötä. Lasi päästää lävitseen lähes kaiken (noin 90%) keräimeen tulevan lyhytaaltoisen auringon säteilyn, mutta se ei päästä pidempiaaltoista säteilyä ulos (McMordie et al. 2012). Lasin ja absorptiolevyn väliin jäävä ilmarako puolestaan estää konvektiivisen lämpöhäviön absorptiolevyltä. (Enteria & Akbarzadeh 2013)
Nykyaikaisten markkinoilla olevien tehokkaiden tasokeräinten hyötysuhde on yli 80 % ideaaliolosuhteissa. Se on siis selkeästi korkeampi kuin aurinkopaneeleilla. Tasokeräi- men hyötysuhde voidaan määrittää kaavalla
𝜂𝑆𝐶 =𝑄𝐼𝑆𝐶, (4)
missä 𝜂𝑆𝐶 on tasokeräimen hyötysuhde, 𝑄𝑆𝐶 on aurinkokeräimen absorboiman energian määrä ja 𝐼 on keräimeen osuva auringon säteilyenergia (McMordie et al. 2012). Koko järjestelmän hyötysuhde 𝜂𝑆𝑊 saadaan kaavalla
𝜂𝑆𝑊 =𝐼 𝑄ℎ
𝑘,𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎, (5)
missä 𝑄ℎ on rakennuksessa käytettäväksi saatava lämpö ja 𝐼𝑘,𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎 on samassa ajassa kertyvä auringon säteilysumma. Säteilysumma riippuu kuvassa 3 esitetyistä keräimen kallistuskulmasta 𝛽 ja auringonsäteilyn tulokulmasta 𝜃.
Kuva 3. Tasokeräimen rakenne. Kuvassa 𝒎̇ tarkoittaa massavirtaa, 𝑻𝒊𝒏 keräimeen tule- van nesteen lämpötilaa, 𝑻𝒐𝒖𝒕 keräimestä lähtevän nesteen läpötilaa, 𝜷 keräimen kallis- tuskulmaa ja 𝜽 keräimen pinnan normaalin ja suoran auringonsäteilyn suunnan välistä kulmaa. Perustuu lähteeseen (Duffie & Beckman 2006)
Keräimestä lämpö siirtyy lämmönsiirtonesteen avulla lämminvesivaraajaan, jossa lämpö siirtyy lämmönvaihtimen kautta veteen. Lämminvesivaraajassa lämmin vesi on käytettä- vissä rakennuksen tarpeisiin. Suomen olosuhteissa aurinkolämpöjärjestelmän tuottama lämpö ei kuitenkaan yksinään riitä kiinteistöjen lämpimän veden tarpeeseen, vaan myös muita lämmönlähteitä tarvitaan. Tämä johtuu siitä, että talvikuukausina lämmöntarpeen ollessa huipussaan auringon säteily on vähäistä. (Rantala 2014) Lämmöntarpeen 𝑄𝑑, aurinkokeräimen hyötysuhteen 𝜂𝑆𝐶 ja auringon säteilysumman 𝐼𝑘,𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎 mukaan määräy- tyvä rakennuksen lämmöntarpeen kattamiseen tarvittava keräinpinta-ala 𝐴𝑆𝐶 voidaan laskea kaavalla
𝐴𝑆𝐶 = 𝑄𝑑
𝜂𝑆𝐶𝐼𝑘,𝑠𝑢𝑚𝑚𝑎. (6)
Yleisesti markkinoilta saatavat aurinkokeräimet ovat aina tietyn kokoisia. Keräinpinta-ala on siis yksittäisen keräimen pinta-alan ja keräinten lukumäärän tulo. Tästä johtuen yleen- sä ei voida käyttää täsmälleen rakennuksen lämmöntarpeen kattamiseen tarvittavaa keräinpinta-alaa, vaan käytetään sopivaa yhdistelmää saatavilla olevista keräimistä.
3. NOLLAENERGIARAKENNUS
Nollaenergiarakennukset kuluttavat vähän energiaa, joten ne ovat ympäristöystävällisiä ja ilmastoystävällisiä rakennuksia, minkä lisäksi ne myös säästävät rahaa käyttökustannuksissa. Uudet rakennukset voidaan rakentaa nollaenergiarakennuksiksi, mutta myös olemassa olevista rakennuksista voidaan tehdä nollaenergiarakennuksia.
3.1 Nollaenergiarakennuksen määritelmä
Nollaenergiarakennuksilla ei ole yksiselitteistä universaalia määritelmää (Belussi et al.
2019; D'Agostino & Mazzarella 2019). Erilaisia määritelmiä on kuitenkin useita erilaisille nollaenergiarakennuksille ja parempaan määrittelyyn pyrkivää tutkimusta tehdään jatkuvasti lisää (Taherahmadi et al. 2020). Nollaenergiarakennus on yleinen käsite, jolla on erilaisia tarkempia määritelmiä (Sartori et al. 2010; Taherahmadi et al. 2020). Useissa aiheeseen liittyvissä tutkimuksissa (Good et al. 2015; Belussi et al. 2019; Silva et al.
2016; Li et al. 2019; Reda & Fatima 2019) nollaenergiarakennukset jaetaan rakennusten energiatasapainon mukaan lähes nollaenergiarakennuksiin (nearly zero energy building, nZEB) ja nettonollaenergiarakennuksiin (net zero energy building, net-ZEB). Tässä työs- sä tehdään samoin.
Kansainvälisen energiajärjestö IEA:n nollaenergiarakennuksia käsittelevän tutkimuksen mukaan nollaenergiarakennus tulisi suunnitella niin, että ensiksi rakennuksen energian- kulutus minimoidaan esimerkiksi hyvällä eristyksellä, energiatehokkailla ikkunoilla ja ilmatiiviillä rakenteella. Toiseksi tehdään rakennus mahdollisimman energiatehokkaaksi.
Esimerkiksi tehokas lämmitys, viilennys ja valaistus parantavat energiatehokkuutta.
Kolmanneksi jäljelle jäävä energiantarve katetaan paikan päällä tuotetulla uusiutuvalla energialla, joka voi olla esimerkiksi aurinkoenergiaa. (Ayoub 2014)
Rakennuksen vuosittainen energiatasapaino eli ostoenergian vuosittainen nettokulutus lasketaan kaavalla
𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 = 𝐸𝑟𝑎𝑘𝑒𝑛𝑛𝑢𝑘𝑠𝑒𝑒𝑛 𝑡𝑢𝑙𝑒𝑣𝑎− 𝐸𝑟𝑎𝑘𝑒𝑛𝑛𝑢𝑘𝑠𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑙äℎ𝑡𝑒𝑣ä, (7) missä 𝐸 tarkoittaa energiaa. Yhtälöä käytettäessä lukuarvoina käytetään vuoden aikana yhteen laskettuja tulevan ja lähtevän energian kokonaissummia (Good et al. 2015).
Rakennukseen tuleva energia voi olla esimerkiksi sähköä, biomassaa tai kaukolämpöä.
Rakennuksesta lähtevä energia on yleensä vain sähköä. Nettonollaenergiarakennukses-
sa 𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 on nolla ja lähes nollaenergiarakennuksessa se on jotain nollan ja määritelmäs- tä riippuvan lähes nollaenergiatason raja-arvon väliltä. Nolla on yksiselitteinen luku, mutta lähes nolla sen sijaan on määriteltävä asia.
Energiatasapainossa voidaan käyttää nollaenergiarakennuksen määritelmästä riippuen eri suureita. Yleisimmät nollaenergiarakennusten määritelmät eroavat juuri energiatasa- painossa käytettävän suureen perusteella. Kuvassa 4 on esitelty yleisimpiä nollaenergia- rakennuksen määritelmiä.
Kuva 4. Nollaenergiarakennuksen yleisimpien määritelmien jaottelua. Tarkasteltavat suureet tarkoittavat energiatasapainon laskennassa käytettävää energian suuretta. Pe- rustuu lähteeseen (Taherahmadi et al. 2020)
Tässä työssä käytettävät määritelmät on merkitty kuvaan 4 katkoviivalla. Lähes nolla- energiarakennuksen määritelmänä käytetään luvussa 3.4 esiteltyä Suomen lainsäädän- nön mukaista määritelmää. Nettonollaenergiarakennus on määritelty yksiselitteisesti energiatasapainon avulla, jolloin nettonollaenergiarakennuksessa 𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 = 0.
3.2 Erilaiset nollaenergiarakennukset
Vuonna 2010 julkaistussa uusittussa Euroopan unionin rakennusten energiatehokkuutta koskevassa direktiivissä (2010/31/EU) (engl. Energy Performance of Buildings directive, EPBD) EU esitteli lähes nollaenergiarakennuksen konseptin (Reda & Fatima 2019).
Kyseinen direktiivi velvoittaa jäsenmaita vähentämään rakennusten energiankulutusta ja rakennusten aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä sekä parantamaan rakennusten energia- tehokkuutta. Direktiivi velvoittaa myös, että kaikkien jäsenmaissa vuoden 2020 jälkeen rakennettavien uusien rakennusten tulisi olla lähes nollaenergiarakennuksia. EPBD:n lähtökohtana on, että energiatehokkuuden parantamisessa on otettava huomioon paikal- liset olosuhteet, sisäilmastolle asetetut vaatimukset ja kustannustehokkuus. Merkittävää on myös, että jäsenvaltioiden ei tarvitse vahvistaa sellaisia energiatehokkuutta koskevia vähimmäisvaatimuksia, jotka eivät ole taloudellisesti kannattavia arvioidun elinkaaren aikana. Myös lähes nollaenergiarakennusten täytyy siis olla taloudellisesti kannattavia.
EPBD:n määritelmän mukaan lähes nollaenergiarakennus on rakennus, jolla on erittäin korkea energiatehokkuus ja jossa tarvittava lähes olematon tai erittäin vähäinen ener- gian määrä olisi hyvin laajalti katettava uusiutuvista lähteistä peräisin olevalla energialla, mukaan lukien paikan päällä tai rakennuksen lähellä tuotettava uusiutuvista lähteistä peräisin oleva energia. Sama määritelmä on kirjattu Suomen lakiin (Maankäyttö- ja rakennuslaki 1999/132 § 115a). Kyseinen määritelmä on hyvin epätarkka (Panagiotidou
& Fuller 2013). Määrittelemättä jää, mitä tarkoittavat täsmällisesti erittäin korkea energia- tehokkuus, lähes olematon tai erittäin vähäinen energiamäärä, hyvin laajalti ja lähellä tuotettava uusiutuvista lähteistä peräisin oleva energia.
EPBD:n mukaan jäsenvaltioiden on itse tehtävä yksityiskohtainen kuvaus siitä, miten ne käytännössä soveltavat lähes nollaenergiarakennuksen määritelmää. Kuvaukseen täytyy sisältyä rakennuksen energiankäyttöä kuvaava luku yksikössä 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 vuodes- sa. Luvun arvon täytyy olla kustannusoptimaalisella tasolla. Se määritellään erikseen kaikissa maissa, koska ilmasto, kansalliset rakentamiskäytännöt kustannuksineen ja uusiutuvien energialähteiden saatavuus paikallisesti vaikuttavat kustannusoptimaali- seen tasoon (Sepponen et al. 2013). Suomessa lähes nollaenergiarakennuksen määrit- telyyn käytetään laskennallisen energiatehokkuuden vertailulukua eli E-lukua, joka lasketaan esimerkiksi rakennuksen energiatodistukseen (Energiatodistusopas 2018).
Kansainvälinen energiajärjestö IEA aloitti vuonna 2009 viisi vuotta kestäneen tutkimuk- sen (Task 40/Annex 52) aurinkoenergiaa hyödyntävistä nettonollaenergiarakennuksista.
Tutkimukseen osallistui 82 kansallista asiantuntijaa 19 eri maasta. Tehdyn selvityksen mukaan eri maiden alan instituutioissa nettonollaenergiarakennus ymmärretään yleisesti
rakennukseksi, joka kuluttaa hyvin vähän energiaa ja tuottaa vuoden aikana yhtä paljon uusiutuvaa energiaa kuin se kuluttaa energiaa yhteensä. Rakennus on yhteydessä sähköverkkoon, johon siirtyy vuodessa yhtä paljon sähköä kuin sieltä siirtyy rakennuk- seen. (Ayoub 2014) Samanlaisia määritelmiä löytyy useista eri artikkeleista (Reda &
Fatima 2019; Marszal et al. 2011; Taherahmadi et al. 2020; Airaksinen et al. 2014).
Tässä työssä käytettävä energiatasapainon avulla tehty nettonollaenergiarakennuksen määritelmä on hyvin lähellä edellisen kappaleen määritelmää. Energiatasapainoon nojaavassa määritelmässä otetaan kuitenkin huomioon vain rakennukseen vuoden aika- na tuleva ja rakennuksesta poistuva energia. Tällöin esimerkiksi vain sähköä ostavassa rakennuksessa tuotettu ja rakennuksen käyttöön menevä aurinkoenergia vaikuttaa energiatasapainoon sen säästämän sähköenergiankulutuksen verran. Edellisen kappaleen määritelmässä puolestaan lämmöntuotanto vaikuttaisi nettoenergiankulutuk- seen tuotetun lämpöenergian verran. Kun 𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 saa negatiivisen arvon, voidaan raken- nuksesta käyttää myös termiä plusenergiarakennus.
Edellisten kappaleiden nettonollaenergiarakennuksen määritelmät eivät ota mitenkään huomioon sitä, milloin rakennus kuluttaa energiaa ja milloin se tuottaa energiaa. Niissä ainoastaan lasketaan tarkasteltavat energian määrät yhteen vuositasolla. Todellista energiantarvetta paremmin vastaavan kuvan saisi, jos ottaisi huomioon tuotannon ja kulutuksen vaihtelun lyhyellä aikavälillä (Reda & Fatima 2019). Mitä paremmin tuotanto ja kulutus vastaavat hetkellisesti toisiaan, sitä enemmän rakennuksessa tuotetusta energiasta saadaan hyödynnettyä paikan päällä. Toisaalta (Taherahmadi et al. 2020) mukaan määritelmä on universaalimpi, kun siinä ei ole montaa muuttujaa.
3.3 Nollaenergiarakennus Suomessa
Suomessa käynnistyi syksyllä 2013 lähes nollaenergiarakennuksen kansallisen määri- telmän tarkentamiseksi Rakennusteollisuus RT ry:n, Talotekniikkateollisuus ry:n ja Ympäristöministeriön koordinoima FinZEB-hanke. Hankkeen tavoitteena oli määritellä EPBD:n edellyttämät lähes nollaenergiarakennuksen käsitteet, tavoitteet ja suuntaviivat kansallisella tasolla. Hankkeeseen osallistui satoja osallistujia alan eri sektoreilta. Sen laskelmat ja selvitykset on teetetty alan johtavilla konsulteilla ja asiantuntijoilla. FInZEB- hanke päättyi maaliskuussa 2015. (FInZEB-hanke 2015)
FinZEB-hankkeen loppuraportissa esitellään asiantuntijoiden näkemys Suomen lähes nollaenergiarakennuksen E-lukutasoista eri rakennustyypeille. Hankkeen ehdottama nZEB-E-luku muodostetaan eri rakennustyyppejä edustasvien esimerkkirakennusten E- lukutarkastelujen perusteella. Raportin laskelmissa esimerkkirakennuksiin tehdään
elinkaarikustannuksiin perustuva kustannusoptimaalinen toimenpidepaketti rakennusten energiatehokkuuden parantamiseksi. Näin selvitetään E-luvun kustannusoptimaalinen taso. Esimerkkirakennusten E-lukujen lähtöarvoina käytetään vuonna 2013 voimassa olleiden rakennusmääräysten vaatimustason alittavia arvoja. Lopputuloksena saadaan ehdotus nZEB-E-luvuista eri rakennustyypeille.
Energiatodistuslain (50/2013) mukaan: ”Rakennuksen E-luku lasketaan jakamalla energiamuotojen kertoimilla painotettu rakennuksen vakioituun käyttöön perustuva laskennallinen ostoenergian kulutus rakennuksen pinta-alaa kohden vuodessa.” Jos rakennuksessa on aurinkoenergiajärjestelmä, laskennallinen ostoenergiankulutus lasketaan ympäristöministeriön energiatehokkuusasetuksen (Ympäristöministeriön ase- tus uuden rakennuksen energiatehokkuudesta 1010/2017) mukaan vähentämällä raken- nuksen ostoenergiankulutuksesta rakennuksessa tuotettava aurinkoenergia siltä osin kuin se hyödynnetään rakennuksessa. Sähköverkkoon syötetty ylimääräinen tuotanto ei siis pienennä ostoenergiankulutusta. Rakennuksessa hyödynnettävän aurinkoenergian määrä on laskettava asetuksen mukaan kuukausittain tai sitä lyhempinä ajanjaksoina.
Tässä työssä käytetään tarkastelujaksona kuukautta.
Jos rakennuksen ostoenergia on pelkkää sähköä, sen E-luku lasketaan energiatehok- kuusasetuksen (1010/2017) mukaisesti kaavalla (muut energiamuodot on jätetty pois) 𝐸 = 𝑓𝑠äℎ𝑘ö𝑊𝑠äℎ𝑘ö
𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 , (8) missä 𝐸 on E-luku, 𝑓𝑠äℎ𝑘ö on sähkön energiamuodon kerroin, 𝑊𝑠äℎ𝑘ö on sähkön kulutus vuodessa ja 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 on rakennuksen nettopinta-ala. Eri energiamuotojen vertailuun käytettävinä kertoimina E-luvun laskennassa käytetään valtioneuvoston asetuksessa (Valtioneuvoston asetus rakennuksissa käytettävien energiamuotojen kertoimien lukuarvoista 788/2017) säädettyjä kertoimia (Taulukko 1).
Taulukko 1.
Valtioneuvoston asetuksen (788/2017) mukaiset energiamuotojen kertoimien lukuarvot
Energiamuoto Energiamuodon kerroin
sähkö
1,2
kaukolämpö 0,5
kaukojäähdytys 0,28
fossiiliset polttoaineet 1,0
rakennuksessa käytettävät uusiutuvat polttoaineet 0,5
Joulukuussa 2016 Suomessa säädettiin laki (1151/2016) maankäyttö- ja rakennuslain (Maankäyttö- ja rakennuslaki 1999/132) muuttamisesta, minkä mukaan kaikkien uusien rakennusten tulee olla lähes nollaenergiarakennuksia vuoden 2018 alusta lähtien. Lähes nollaenergiarakennusten E-luvun määräystaso määritellään Ympäristöministeriön ase- tuksessa uuden rakennuksen energiatehokkuudesta (1010/2017). Luku on FinZEB- hankkeen pohjalta määritelty uusien rakennusten energiatehokkuuden määräystaso, mikä sopii Suomen olosuhteisiin ja täyttää EPBD:n vaatimukset. Taso on saavu- tettavissa asuinrakennuksissa ilman aurinkoenergian tuotantoa. Asetuksen mukaan esimerkiksi asuinkerrostalon E-luku ei saa ylittää arvoa 90 kWh/m2a. Pientaloille, joiden koko on 150-600 m2 E-luvun raja-arvo on 116 − 0,04 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 yksikössä kWh/m2 vuodes- sa ja 50 – 150 m2 pientaloille se on 200 − 0,6 ∗ 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜. Raja-arvo vaihtelee pientalon koosta riippuen välillä 92 – 170 kWh/m2. Mitä suurempi rakennus on pinta-alaltaan, sitä pienempi E-luvun täytyy olla.
3.4 Laskelmat kirjallisuudessa
(Reda & Fatima 2019) selvittivät tutkimuksessaan aurinkoenergian käyttöä nollaenergia- kerrostaloissa Suomessa. Lähes nollaenergiakerrostalon energiankulutuksen rajana käytetään Suomen osalta 90 kWh/m2, mikä on ympäristöministeriön asetuksen (1010/2017), eli uudisrakentamisen määräystason mukainen raja-arvo Suomessa.
Tutkimuksessa selvitettiin laskentasimulaation avulla sekä aurinkosähkön että aurinko- lämmön hyödyntämistä erilaisissa kerrostaloissa. Simulointi tehtiin erikseen maalämpöä ja kaukolämpöä hyödyntäville rakennuksille.
Tutkimuksessa selviää, että maalämpöä hyödyntäen on helpompi saavuttaa lähes nollaenergiarakennuksen primäärienergiankulutuksen taso. Selviää myös, että maaläm- pöpumpulla lämpenevässä kerrostalossa lähes nollaenergiataso on helpompi saavuttaa pelkkiä aurinkosähköpaneeleita käyttäen kuin käyttäen pelkkiä aurinkokeräimiä tai molempia edellä mainittuja yhdessä. Tavanomaisen vuoden 2012 rakentamismääräys- ten mukaisen energiatehokkuuden määräystason täyttävän maalämmöllä lämpenevän kerrostalon on tutkimuksen mukaan peitettävä 45 % kattopinta-alastaan aurinkosähkö- paneeleilla lähes nollaenergiatason saavuttamiseksi. Myös (Good et al. 2015) Oslossa tekemän tutkimuksen mukaan lämpöpumppua lämmitykseen käyttävässä rakennukses- sa lähes nollaenergiatason saavuttaminen on helpompaa pelkkää aurinkosähköä tuotta- en kuin myös aurinkolämpöä tuottaen.
(Reda & Fatima 2019) mukaan nettonollaenergiataso on puolestaan erittäin vaikeaa saa- vuttaa kerrostalossa Suomessa. Erittäin vähän energiaa kuluttava passiivikerrostalo, jonka kattopinta-alasta 90 % on katettu aurinkoenergiaratkaisuilla saavuttaa tutkimuk- sessa noin 45 kWh/m2 primäärienergiankulutuksen. Energiankulutus on kyseisessä tapauksessa hyvin alhainen, noin puolet lähes nollaenergiarakennus-tasoon vaaditta- vasta 90 kWh/m2, mutta se jää silti hyvin kauas nollasta, mikä vaadittaisiin nettonolla- energiarakennukseen. Tutkimuksen tekijät päättelevät, että tarvitaan uusia innovaatioita nettonollaenergiatasoon pääsemiseksi. Kyseisen tutkimuksen mukaan lähes nollaener- giarakennus voidaan toteuttaa Suomessa myös ilman uusiutuvan energian tuotantoa, mikäli rakennus kuluttaa tarpeeksi vähän energiaa.
(Mohamed et al. 2014) tekemän tutkimuksen mukaan 150 m2 suomalaisessa maalämpöpumpulla lämpenevässä omakotitalossa nettonollaenergiatason saavuttami- seksi tarvitaan paljon aurinkopaneeleita, mutta taso on kuitenkin saavutettavissa. Tutki- muksessa tarkasteltavan rakennuksen energiankulutus on vuonna 2014 voimassa olleiden rakennusmääräysten vaatimustason mukainen. Primäärienergian, paikan päällä tuotetun energian, energiankäytön päästöjen ja energian kustannusten osalta nettonolla- energiatason saavuttamiseksi tarvitaan 117 m2 tutkimuksessa käytettäviäheikkotehoisia aurinkopaneeleita. Saman kokoisessa erittäin vähän energiaa kuluttavassa passiivita- lossa tarvitaan selkeästi vähemmän, vain 85 m2 kyseisiä paneeleita. Tutkimuksessa käytettävien aurinkopaneelien teho on huomattavasti pienempi kuin nykyaikaisten paneelien, joten nykyään samoihin tuloksiin pääsemiseksi riittää selkeästi pienempi aurinkopaneelien pinta-ala.
4. AURINKOENERGIAN KÄYTTÖ NOLLAENER- GIARAKENNUKSISSA
Aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää nollaenergiarakennuksen toteuttamisessa, mikäli olosuhteet ovat aurinkoenergian tuotantoon soveltuvat. Aurinkoenergian tuotantomah- dollisuuksiin vaikuttaa suoraan tuotantoon käytettävissä oleva pinta-ala (Li et al. 2020).
Monikerroksisissa rakennuksissa kattopinta-alaa on kerrospinta-alaan suhteessa vähemmän käytössä kuin matalammissa rakennuksissa. Kuten luvussa 3.5 todetaan, aiemman tutkimustiedon mukaan nettonollaenergiarakennuksen toteuttaminen on erit- täin vaikeaa kerrostalona. Sen sijaan sekä nettonollaenergiarakennus että lähes nolla- energiarakennus ovat aiemman tutkimuksen mukaan molemmat mahdollisia toteuttaa omakotitaloina. Tästä johtuen tässä luvussa tutkitaan vain omakotitaloja.
4.1 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 läm- 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 𝐸𝑠äℎ𝑘ö= 𝑃𝑝𝑣𝑒𝑝𝑣, missä 𝐸𝑠äℎ𝑘ö tarkoittaa sähkön tuotantoa, 𝑃𝑝𝑣 tarkoittaa aurinkosäh- köjärjestelmän nimellistehoa ja 𝑒𝑝𝑣 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
𝑊𝑠äℎ𝑘ö=𝐸𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜
𝑓𝑠äℎ𝑘ö , (9)
missä 𝑊𝑠äℎ𝑘ö on sähkön kulutus vuodessa, 𝐸 on E-luku, 𝐴𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 on rakennuksen nettopinta-ala ja 𝑓𝑠äℎ𝑘ö 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 𝐸𝑙𝑘𝑣,𝑡 =𝐸𝑙𝑘𝑣,𝑘
𝜂𝑙𝑗 + 𝐸𝑙𝑣𝑣, (10)
missä 𝐸𝑙𝑘𝑣,𝑡 on lämpimään käyttöveteen tarvittava lämmitysenergia, johon sisältyy häviöt, 𝐸𝑙𝑘𝑣,𝑘 on käytettävän lämpimän käyttöveden lämmittämiseen tarvittava energia, 𝜂𝑙𝑗 on lämmönjaon hyötysuhde ja 𝐸𝑙𝑣𝑣 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 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.
4.2 Laskelmat
Tarkastellaan kolmea eri esimerkkitapausta aurinkoenergiaratkaisujen erilaisesta käy- töstä esimerkkirakennuksissa. Tapauksessa 1 käytetään kahta aurinkokeräintä ja lähes niin montaa aurinkopaneelia kuin katolle mahtuu keräinten lisäksi, tapauksessa 2 käytetään lähes niin montaa aurinkosähköpaneelia kuin katolle mahtuu ja tapauksessa
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Osuus sähkönkulutuksesta (%)
Kuukausi
3 käytetään aurinkosähköpaneeleita 60 % maksimimäärästä. Tapauksissa 2 ja 3 tuote- taan siis pelkkää sähköä ja tapauksessa 1 sekä sähköä että lämpöä. Lämpöä tuotetaan tapauksessa 1 4,8m2 aurinkokeräimillä kuitenkin selvästi vähemmän kuin luvussa 3.5 mainituissa aiemmissa tutkimuksissa, joissa tutkitaan pääasiassa keräinpinta-alaltaan usean kymmenen neliömetrin kokoisia aurinkolämpöjärjestelmiä. Esimerkkirakennusten tietoja on koottu taulukkoon 2.
Taulukko 2. Esimerkkirakennusten lähtötietoja
Rakennus A B C
Pinta-ala (m2) 112 112 165
Ulkomitat (m) 8×7 8×14 10×16,5
Kerrokset (kpl) 2 1 1
Katon mitat (m) 8×5,12 15×5,12 17,5×6,27
E-luku (kWh/m2) 132,8 132,8 109,4
Sähkönkulutus (kWh/a) 12395 12395 15043
Aurinkopaneelit (kpl)
Tapaus 1 Tapaus 2
Tapaus 3 18 21 12
40 45 27
59 62 37
Esimerkkirakennuksille lasketaan aurinkosähkön vuosituotannot eri laskentatapauksissa kaavalla 𝐸𝑠äℎ𝑘ö= 𝑃𝑝𝑣𝑒𝑝𝑣. Vuosituotantoja verrataan vuosittaisiin sähkönkulutuksiin, jolloin saadaan selville kaavan 7 mukainen energiatasapaino. Siten selvitetään, missä tapauksissa rakennuksista on mahdollista tehdä nettonollaenergiarakennuksia.
Tapauksesssa 1 otetaan huomioon myös lämmöntuotannon säästämä ostosähkö.
Seuraavaksi sähkön vuosituotannot jaetaan kuukausikohtaisiin arvoihin kuvassa 2 esitettyjen kuukausittaisten säteilysummien kanssa samassa suhteessa. Sähkön vuosit- tainen kulutus jaetaan samaan tyyliin kuukausittaisiin kulutuksiin käyttäen kuvassa 5 esitettyjä arvoja. Tuotantoa ja kulutusta verrataan keskenään kuukausittain. Siten selvitetään, kuinka suuri osa tuotetusta sähköstä saadaan hyödynnettyä rakennuksessa itsessään ja kuinka paljon sitä tuotetaan verkkoon myytäväksi. Rakennuksessa hyödynnettäväksi osuudeksi lasketaan joka kuukausi 80 % siitä sähköntuotannosta, jolle on kyseisenä kuukautena käyttöä rakennuksessa. Rakennuksessa hyödynnettävä osuus vähentää rakennuksen ostosähköä.
Aurinkolämmön tuotanto jakaantuu epätasaisesti eri kuukausille. Kuukausittaisia säh- könkulutuksia laskettaessa lämmöntuotannon epätasaista jakautumista ei kuitenkaan oteta huomioon tässä työssä. Lämmöntuotannon aiheuttama sähkön vuosisäästö vä- hennetään sähkön vuosikulutuksesta ennen sen jakamista kuukausittaisiin kulutuksiin.
Tällöin lämmöntuotannon sähkönsäästö vaikuttaa laskennassa todellisesta tilanteesta poiketen tasaisesti kaikkien kuukausien sähkönkulutuksiin.
Tuotetun sähkön käyttökohteen selvittämisen jälkeen lasketaan säästösähkön määrä yhteensä, eli lasketaan kuinka paljon vähemmän ostosähköä tarvitaan aurinkoenergia- ratkaisujen ansiosta. Tapauksessa 1 lasketaan yhteen aurinkolämmön ja aurinkosähkön tuomat säästöt. Tapauksissa 2 ja 3 ei tuoteta lämpöä, joten käytetään vain aurinkosäh- kön tuotannon tuomia säästöjä.
Lopuksi lasketaan vielä kaavaa 8 käyttäen, kuinka paljon esimerkkirakennusten E-luvut muuttuvat säästösähköjen ansiosta ja vähennetään E-lukujen muutokset alkuperäsistä arvoista. Näin saatavia uusia E-lukuja vastaavat uudet ostosähköjen määrät lasketaan vähentämällä säästösähkön määrä sähkönkulutuksesta. Lisäksi selvitetään kaavoja 8 ja 9 hyödyntäen, kuinka korkea sähkönkulutus ja E-luku esimerkkirakennusten kokoisissa rakennuksissa voi olla siten, että niistä voidaan kuitenkin tehdä lähes nollaenergiaraken- nuksia aurinkoenergiaratkaisujen avulla. Kyseiset arvot saadaan hakemalla jokaiselle esimerkkirakennukselle kaikissa laskentatapauksissa erikseen sähkönkulutus, josta vähennetty säästösähkön määrä pienentää ostosähkön määrää ja E-lukua niin, että pienentynyt E-luku vastaa lähes nollaenergiarakennuksen E-luvun raja-arvoa. Säästö- sähköjen määrät täytyy tällöin laskea kaikissa tapauksissa uudelleen, sillä suurempi sähkönkulutus lisää rakennuksessa käytettävän sähkön osuutta tuotetusta sähköstä.
Säästösähköt lasketaan aiempaan tapaan kuukausittaisten sähkönkulutusten ja -tuotan- tojen kautta.
4.3 Tulokset ja johtopäätökset
Aurinkosähkön vuosituotannot on esitetty taulukossa 3. Tuotannot ovat suoraan verran- nollisia käytettyjen paneelien lukumäärään, joten arvot ovat luonnollisesti suurimpia tapauksessa 2 ja rakennuksessa C. Tapauksessa 1 aurinkolämmön tuotanto säästää lisäksi 816 kWh sähköä. Taulukossa on esitetty myös energiantuotannon vaikutus energiatasapainoon ja nettoenergiankulutus. Rakennuksen C tapausten 1 ja 2 sekä rakennuksen B tapauksen 2 nettoenergiankulutukset ovat negatiivisia. Näissä tapauk- sissa rakennuksissa on siis mahdollista saavuttaa nettonollaenergiataso. Tapauksessa 3 nettonollaenergiatasoa ei saavuteta missään esimerkkirakennuksessa. Myöskään
kaksikerroksisessa A-rakennuksessa nettonollaenergiatasoa ei saavuteta missään las- kentatapauksessa. Kaikissa rakennuksissa pienin nettoenergiankulutus on tapauksessa 2, missä tuotetaan pelkkää sähköä. Nettonollaenergiarakennuksen saavuttamiseksi rakennuksen kannattaisi näiden tulosten mukaan olla yksikerroksinen, siinä kannattaisi tuottaa pelkkää sähköä ja auringonpuoleisen lappeen tulisi olla lähes kokonaan aurin- kopaneelien peitossa.
Taulukko 3. Esimerkkirakennusten nettoenergiankulutukset ja niihin energiankulu- tuksen lisäksi vaikuttavat tekijät eri laskentatapauksissa
Kuvassa 6 on esitelty rakennusten A ja C kuukausittaiset sähköntuotannot, -kulutukset, säästösähköt ja myyntiin menevän sähkön määrät laskentatapauksessa 2. Tuotanto on kesäaikana suurimillaan ja kulutuksen korkeimmat lukemat ajoittuvat talviaikaan. Ero rakennusten sähkönkulutuksessa ei ole suuri, mutta C-rakennuksessa sähköä tuotetaan huomattavasti enemmän. C-rakennuksessa sähköä menee huomattavasti enemmän myyntiin, mutta ero säästösähkössä erot eivät ole yhtä suuret.
Rakennus A B C
Tapaus 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Sähköntuotanto (kWh) 5028 5866 3352 11174 12571 7543 16482 17320 10336 Energiantuotannon vaikutus
energiatasapainoon(kWh)
5844 5866 3352 11990 12571 7543 17298 17320 10336
Nettoenergiankulutus 6551 6529 9043 405 -176 4852 -2256 -2278 4707
24
Kuva 6. Rakennusten A ja C sähkön tuotannot ja kulutukset sekä säästösähköt ja myyntiin menevät sähköt kuukausitasolla laskentatapauksessa 2.
Taulukossa 4 on esitelty rakennusten energiantuotannon, -kulutuksen ja E-lukujen arvo- ja vuositasolla tarkasteltuna, kun kuukausitason tiedot on laskettu yhteen eri tilanteissa.
Yksikerroksisissa rakennuksissa B ja C tuotetusta sähköstä menee lähes kaikissa tapauksissa yli puolet myyntiin. Jos tuotettua sähköä halutaan käyttää enemmän raken- nuksessa itsessään, sitä tulisi tuottaa vähemmän rakennuksen A tapaan.
Kaikissa esimerkkirakennuksissa ostosähkö vähenee ja E-luku pienenee eniten tapauk- sessa 1. Rakennuksista C:ssä ostosähkö vähenee eniten ja saavutetaan pienimmät E- luvut, mutta B-rakennuksessa E-luku pienenee eniten alkuperäiseen tasoon verrattuna ja siinä saavutetaan pienimmät sähkönkulutukset. Korkeimmasta sähkönkulutuksesta lähes nollaenergiatasoon päästään rakennuksessa C, mutta korkeimmasta E-luvusta kyseiseen tasoon päästään B-rakennuksessa. Lähes kaikki tulokset tukevat päätelmää, että lähes nollaenergiarakennusta toteuttaessa parhaaseen tulokseen päästään lasken-
tatapauksessa 1, jossa tuotetaan sekä sähköä että lämpöä. Poikkeuksena on ainoas- taan se, että lähes nollaenergiatasoon päästään korkeimmasta sähkönkulutuksesta ja suurimmasta E-luvusta C-rakennuksen laskentatapauksessa 2.
Taulukko 4. Esimerkkirakennusten myyntiin menevän ja rakennuksessa itsessään käytetyn sähköntuotannon osuudet, ostosähkön määrän väheneminen ja E-luvun piene- neminen tällöin, uudet E-luvut ja energiankulutukset aurinkosähköjärjestelmää hyödyn- täen ja korkeimmat sähkönkulutuksen ja E-luvun arvot, joista voidaan esimerkkiraken- nusten kokoisissa rakennuksissa päästä aurinkoenergiaa hyödyntäen lähes nollaener- giarakennuksen vaatimustasoon.
Rakennus A B C
Tapaus 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Sähköä myyntiin (kWh)
1963 2454 797 6865 7852 3697 10798 11321 5464
Myyntiin menevän sähkön osuus tuotannosta (%)
39 42 24 61 62 49 66 65 53
Ostosähköä vähentä- vä sähköntuotanto (kWh)
3066 3413 2555 4309 4719 3845 5684 5999 4872
Säästösähkö yhteen- sä lämmöntuotanto huomioiden (kWh)
3882 3413 2555 5125 4719 3845 6500 5999 4872
E-luvun muutos (kWh/m2)
41,6 36,6 27,4 54,9 50,6 41,2 47,3 43,6 35,4
Sähkönkulutus aurin- koenergiaa tuottaen (kWh)
8513 8982 9840 7270 7676 8550 8543 9044 10171
E-luku aurinkoener- giaa tuottaen (kWh/m2)
91,2 96,2 105,4 77,9 82,2 91,6 62,1 65,8 74,0
Sähkönkulutus, josta päästään samanko- koisessa rakennuk- sessa nZEB-tasoon (kWh)
16844 16359 15009 18838 18327 16929 21662 22692 20920
E-luku, josta päästään samanko- koisessa rakennuk- sessa nZEB-tasoon (kWh/m2)
180,5 175,3 160,8 201,8 196,4 181,4 157,5 165 152,1
Taulukon 4 tulosten mukaan rakennusten ostoenergiankulutukset saadaan huomatta- vasti pienemmiksi aurinkoenergiaa hyödyntäen. Tuloksista selviää myös, että huomatta- vasti esimerkkirakennuksia enemmän energiaa kuluttava rakennus voi saavuttaa lähes nollaenergiarakennuksen tason aurinkoenergiaa hyödyntämällä.
Rakennusten E-lukujen vertailuun voidaan käyttää ympäristöministeriön asetuksen rakennusten energiatehokkuudesta (1048/2017) mukaisia liitteessä A esitettyjä energia- tehokkuusluokkia. Kuvassa 7 on esitelty esimerkkirakennusten energiatehokkuusluokkia eri tilanteissa. Tilanteessa 2C käytetään laskentatapausta 2 ja kaikissa muissa kuvan tilanteissa laskentatapausta 1. Lähtötilanteessa E-luvut ovat kaikissa rakennuksissa luokassa B. Yksikerroksisissa rakennuksissa B ja C tulokset ovat yhtä energialuokkaa parempia kuin kaksikerroksisessa A-rakennuksessa.
Kuva 7. Esimerkkirakennusten energiatehokkuusluokat lähtötilanteessa (0), aurin- koenergiaa hyödyntäen esimerkkirakennuksissa (1) ja luokat, joista päästään aurin- koenergiaa hyödyntäen nZEB-tasolle esimerkkirakennusten kokoisissa rakennuksissa (2). Alaindeksit viittaavat eri esimerkkirakennuksiin. Tulokset on saatu niissä laskentata- pauksissa, joissa päästään parhaisiin tuloksiin.
Nettonollaenergiarakennusta laskettaessa parhaisiin tuloksiin päästään laskentatapauk- sessa 2, missä tuotetaan ainoastaan sähköä. Myös lähes nollaenergiarakennuksen ta- son määrittelevää E-lukua ja siihen vaikuttavaa säästösähköä laskettaessa parhaisiin tuloksiin päästään C-rakennuksessa tapauksessa 2. Rakennuksissa A ja B lähes nolla- energiarakennusta koskevissa laskuissa parhaisiin tuloksiin päästään puolestaan laskentatapauksessa 1, missä sähköntuotannon lisäksi tuotetaan myös lämpöä.
4.4 Taloudellinen kannattavuus
Lämpöpumpulla lämpenevässä nettonollaenergiarakennuksessa nettoenergiankulutus on lukujen 3.5 ja 4.3 mukaan pienin pelkkää aurinkosähköä tuottaen. Myös lähes nolla- energiarakennuksissa päästään hyviin tuloksiin pelkkää sähköä tuottaen. Tässä luvussa tehdään investointilaskelmia eri kokoisille sähköä tuottaville aurinkonenergiajärjestelmil- le esimerkkirakennuksissa. Joitain laskelmia tehdään myös eri lähtöarvoilla kuin esi- merkkirakennuksilla on. Aurinkosähköjärjestelmän hankkimista tarkastellaan investoin- tina, jonka kannattavuutta selvitetään hyödyntäen annuiteettimenetelmää ja takaisin- maksuajan menetelmää. Lisäksi aiempien menetelmien mukaan kannattavimmille vaihtoehdoille selvitetään sisäinen korkokanta ja nettonykyarvo. Laskennan lähtötiedot on esitetty liitteessä B. Liitteessä olevien järjestelmien hintatietojen välissä olevat arvot on interpoloitu lineaarisesti.
Aurinkosähköjärjestelmän tuotoiksi lasketaan järjestelmän tuoman säästösähkön hankintahinnan lisäksi myös myyntivoitot myyntiin menevän sähkön osuudesta. Järjes- telmän menoiksi lasketaan järjestelmän avaimet käteen -ostohinta nykyhetkellä ja uuden invertterin osto vanhan invertterin eliniän päättyessä 15 vuoden päästä. Laskennassa oletetaan, että invertterin hinta on pienempi tulevaisuudessa. Hinnanmuutoksen ja inflaation oletetaan kuitenkin kumoavan toisensa, joten niitä ei oteta huomioon lasken- nassa. Tuottoja ja menoja diskontataan nykyhetkeen käyttäen diskonttauskaavaa 𝑁𝐴 = (1+𝑖)𝐾 𝑛, (11) missä 𝑁𝐴 on nykyarvo, 𝐾 on diskontattava arvo, 𝑖 on laskentakorkokanta ja 𝑛 on vuosien lukumäärä.
Laskennassa oletetaan, että ajan saatossa järjestelmän sähköntuotanto heikkenee.
Toisaalta oletetaan myös, että sähkön hinta nousee, jolloin sähköntuotannosta saatavat euromääräiset säästöt ja sähkön myyntivoitot energiayksikköä kohden suurenevat. Edel- listen kohtien oletusten vaikutusten oletetaan kumoavan toisensa, joten niitä ei oteta las- kennassa huomioon.
Annuiteettimenetelmässä hankintakustannukset jaetaan vuosittaisiin menoihin, joita ver- rataan investoinnin vuosittaisiin tuloihin (Järvenpää et al. 2017). Menetelmässä kaikki menot diskontataan ensin nykyhetkeen, minkä jälkeen ne jaetaan tasan vuosikustannuk- siksi koko investoinnin elinkaaren ajalle. Lasketut vuosimenot vähennetään investoinnin vuosittaisista tuloista, mistä saadaan erotus, joka on esitetty kuvassa 8. Kaikki lukemat jäävät käytettävällä 5 % laskentakorkokannalla miinuksen puolelle, mutta korkein kohta on rakennuksen A käyrässä 15 paneelin kohdalla ja rakennusten B ja C käyrässä 12
