Rakennusten energiainvestointien optimointipalvelu

Tuomo Niemelä Johtava energia-asiantuntijatuomo.niemela@granlund.fi

+358 40 6621274

Optimointi: parhaan ratkaisun etsimistä suuresta määrästä erilaisia vaihtoehtoja

Optimoitavia muuttujia

Case-esimerkki• 1960-luvun kerrostalon optimaalisten

energiakorjausratkaisujen määrittäminen• Työläs ja vaikea toteuttaa tavanomaisilla

tarkastelu- ja laskentamenetelmillä (=valitaan muutamia vaihtoehtoja ja verrataan niitä)

• Hyödynnetään energia- ja olosuhdesimulointiin perustuvaa optimointimenetelmää

• Matemaattinen optimointialgoritmi määrittää optimaaliset ratkaisut käyttäjän tekemien määritysten ja reunaehtojen pohjalta

4

1960-luvun kerrostalon energiakorjausratkaisujen optimointi

• Kaikki rakennuksen päälämmitysjärjestelmät optimoidaan MOBO*:lla (Multi-Objective Building Performance Optimization -työkalu)

• Tavoite on löytää kustannusoptimaaliset energia-korjausratkaisut eri päälämmitysjärjestelmille

• Tutkitaan yhteensä neljä eri päälämmitysjärjestelmää:• Kaukolämpö• Poistoilmalämpöpumppu• Maalämpöpumppu• Ilma-vesilämpöpumppu• * = MOBO on VTT:n ja Aalto-yliopiston kehittämä optimointiohjelmisto

5

Kaukolämpöjärjestelmän optimointi• Kun kaukolämpöjärjestelmä on rakennuksen

päälämmitysjärjestelmä, optimoitavat muuttujat ovat:• Aurinkokeräinten pinta-ala (0-90 m2)• PV-paneelien pinta-ala (0-170 m2)• Ilmanvaihtoremontti ( nykyinen koneellinen

poistoilmanvaihtojärjestelmä korvataan koneellisella tulo-/poisto-ilmanvaihtojärjestelmällä (72 %:n lämpötilasuhde))

• Ulkoseinien lisäeristyspaksuus (0-200 mm), tai pelkkä julkisivuremontti

• Yläpohjan lisäeristyspaksuus (0-500 mm)• Ikkunaremontti (alkuperäiset ikkunat kunnostetaan, tai

vaihdetaan kokonaan uudet ikkunat, kaksi eri tyyppivaihtoehtoa: U-arvo 1,0 tai 0,8)

6

Maalämpöjärjestelmän optimointi• Kun maalämpöjärjestelmä on rakennuksen päälämmitysjärjestelmä,

optimoitavat muuttujat ovat:• Lämpöpumppujärjestelmän teho (39-156 kW)• PV-paneelien pinta-ala (0-170 m2)• Ilmanvaihtoremontti• Ulkoseinien lisäeristyspaksuus (0-200 mm), tai pelkkä

julkisivuremontti• Yläpohjan lisäeristyspaksuus (0-500 mm)• Ikkunaremontti (alkuperäiset ikkunat kunnostetaan, tai

vaihdetaan kokonaan uudet ikkunat, kaksi eri tyyppivaihtoehtoa: U-arvo 1,0 tai 0,8)

7

Optimoinnin tavoite kaikille konsepteille• Minimoitavat tekijät

• Elinkaarikustannukset (25 vuoden pitoaika)• E-luku

• Tavoite on löytää KAIKKI kustannusoptimaaliset korjausratkaisut jokaiselle konseptille siten, että alkuperäinen rakennus voidaan saneerata mihin tahansa energiatehokkuustasoon (esim. E-

lukuun 130, 120, 100 tai jopa energiatodistuksen A-luokkaan, E-luku < 75)

pienimmillä mahdollisilla elinkaarikustannuksilla• Mahdollisimman tarkkoja ja yksityiskohtaisia kustannustietoja

on käytetty, jotta saadut tulokset olisivat mahdollisimman luotettavia

8

Kaukolämpöjärjestelmän optimointi

9

PILP-järjestelmän optimointi

Ilma-vesilämpöpumppujärjestelmän optimointi

Maalämpöjärjestelmän optimointi

12

Optimaaliset ratkaisut 1960-luvun asuinkerrostaloissa

13

Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet maalämpöjärjestelmälle

14

Energy

performance target level, E-

value [kWh/m2,a]

Main heating system

1

2

3

4

5

6

LCC

[€/m2]

IC

[€/m2]

140 (minimum requirement)

GSHP 94 170 0 250 2,5 No 289 150

130 (C-class) GSHP 94 170 0 250 2,5 No 289 150 120 GSHP 130 160 0 400 2,5 No 294 161 110 GSHP 150 170 0 350 1,0 No 318 199

100 (B-class) GSHP 70 160 0 150 2,5 Yes 346 251 90 GSHP 73 170 0 250 1,0 Yes 366 288

75 (A-class) GSHP 70 170 150 350 1,0 Yes 428 383 1 = power output of the heat pump system, [kW] 2 = area of PV-panels, [m2] 3 = thickness of additional thermal insulation of external walls, [mm] 4 = thickness of additional thermal insulation of roof, [mm] 5 = window replacement, U-value, [W/m2 K] 6 = renovation of ventilation system LCC = 25-year life-cycle costs, [€/m2] IC = investment costs, [€/m2].

Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet kaukolämpöjärjestelmälle

15

Energy

performance target level, E-

value [kWh/m2,a]

Main heating system

1

2

3

4

5

6

LCC

[€/m2]

IC

[€/m2]

140 (minimum requirement)

DH 170 0 300 2,5 34 No 358 111

130 (C-class) DH 170 0 300 1,0 66 No 373 151 120 DH 170 0 300 2,5 34 Yes 394 220 110 DH 170 0 300 2,5 40 Yes 394 221

100 (B-class) DH 160 0 350 1,0 60 Yes 407 259 90 DH 170 100 250 2,5 56 Yes 429 301

75 (A-class) DH 170 200 450 1,0 90 Yes 470 380 1 = area of PV-panels, [m2] 2 = thickness of additional thermal insulation of external walls, [mm] 3 = thickness of additional thermal insulation of roof, [mm] 4 = window replacement, U-value, [W/m2 K] 5 = area of solar collectors, [m2] 6 = renovation of ventilation system LCC = 25-year life-cycle costs, [€/m2] IC = investment costs, [€/m2].

Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet PILP-järjestelmälle

Energy performance

target level, E-value

[kWh/m2,a]

Main heating system

1

2

3

4

5

6

LCC [€/m2]

IC

[€/m2]

140 (minimum requirement)

EAHP 39 170 0 250 2,5 -2,1 354 158

130 (C-class) EAHP 39 170 0 250 2,5 -2,1 354 158 120 EAHP 39 170 0 250 2,5 -2,1 354 158 110 EAHP 39 170 0 500 1,0 -4,0 368 195

100 (B-class) EAHP 39 170 150 500 2,5 -2,3 398 255 90 EAHP 39 170 150 400 0,8 -2,1 416 298

75 (A-class) EAHP - - - - - - - - 1 = power output of the heat pump system, [kW] 2 = area of PV-panels, [m2] 3 = thickness of additional thermal insulation of external walls, [mm] 4 = thickness of additional thermal insulation of roof, [mm] 5 = window replacement, U-value, [W/m2 K] 6 = temperature of exhaust air, [°C] LCC = present value of life-cycle costs, 25 years, [€/m2] IC = investment costs, [€/m2].

Suositeltavat energiatehokkuustoimenpiteet ilma-vesilämpöpumppujärjestelmälle

Energy performance

target level, E-value

[kWh/m2,a]

Main heating system

1

2

3

4

5

6

LCC [€/m2]

IC

[€/m2]

140 (minimum requirement)

A2WHP 70 170 0 100 2,5 No 340 149

130 (C-class) A2WHP 70 170 0 100 2,5 No 340 149 120 A2WHP 70 170 0 100 2,5 No 340 149 110 A2WHP 63 167 100 450 2,5 No 386 233

100 (B-class) A2WHP 53 170 0 500 2,5 Yes 394 258 90 A2WHP 45 170 50 450 2,5 Yes 432 327

75 (A-class) A2WHP - - - - - - - - 1 = power output of the heat pump system, [kW] 2 = area of PV-panels, [m2] 3 = thickness of additional thermal insulation of external walls, [mm] 4 = thickness of additional thermal insulation of roof, [mm] 5 = window replacement, U-value, [W/m2 K] 6 = renovation of ventilation system LCC = present value of life-cycle costs, 25 years, [€/m2] IC = investment costs, [€/m2].

Järjestelmien optimaalisten ratkaisujen vertailu, elinkaarikustannukset

Järjestelmien optimaalisten ratkaisujen vertailu, investointikustannukset

Päähuomioita tuloksista

• Kun minimoidaan rakennuksen elinkaarikustannuksia, ei kannata investoida rakenteiden lisäeristämiseen

• Ikkunoiden parantaminen tasoon U=1,0 W/m2K ja yläpohjaeristyksen lisääminen ainoita harkinnan arvoisia toimenpiteitä, yläpohjaeristys erityisen kannattava

20

Päähuomioita tuloksista

• Myöskään ilmanvaihtoremontti ei ole kannattava investointi ”rahallisessa” mielessä. Toki vaikutukset sisäilman laatuun ja viihtyvyyteen tuovat lisäarvoa

• Investoinnit kannattaa keskittää lämpöpumppuihin ja uusiutuvan energian tuotantoon (PV-paneelit)

• Kun optimoidaan rakennuksen E-lukua• PV-paneeleiden hintakehitys tehnyt

aurinkosähköjärjestelmistä harkinnan arvoisia energiatehokkuustoimenpiteitä

21

MOBO-optimoinnin käyttökohteet• Uudisrakennukset miten

tehdä kustannusoptimaalinen lähes nollaenergiarakennus

• Korjauskohteet korjauskonseptien määritys: 70-luvun kerrostalo, 80-luvun kerrostalot jne.

• Uudis- ja korjausrakentamisen konseptikehitys miten kannattaa rakentaa ja korjata

• Erinomainen työkalu elinkaarihankkeiden tavoitteiden asettamiseen

MOBO-optimointi ja kustannusvaikutukset• Sijoitetun pääoman tuoton

maksimointi• Investointikustannusten

minimointi• Miten esim. 100 000 €

investoinnilla saa varmasti parhaan mahdollisen kokonaisuuden aikaiseksi?

• Herkkyystarkastelut, mm. valitun korkotason vaikutus, lähtötietojen tarkkuuden vaikutus jne.

Kiitos!Yhteystiedot:

Tuomo Niemelä Johtava energia-asiantuntijatuomo.niemela@granlund.fi

+358 40 6621274