Suunnitteluvaiheen ratkaisuilla vaikutetaan rakentamisen kokonaiskustannuksiin, käyttökustannuksiin ja hiilijalanjälkeen. Energia- ja käyttökustannukset määräytyvä 80-90 prosenttisesti suunnittelun aikana tehtyjen valintojen perusteella. Lämmöntuottotavalla on suuri merkitys ostoenergian tarpeeseen. Erilaiset lämpöpumppuratkaisut ovat nykyaikaisissa pientaloissa tavallisia ja niillä pystytään leikkaamaan kokonaisenergiankulutusta huomattavasti. Tekniset ratkaisut ovat vuorovaikutuksessa ja samanlaisilla yksittäisillä ratkaisuilla saattaa olla toisistaan poikkeavia vaikutuksia eri kohteissa. Esimerkiksi maalämmön hyödyntäminen voi olla varsin vaatimatonta pienen passiivitalon lämmittämisessä. Toisaalta kaikki energiasäästö vähentää myös rakennuksen hiilidioksidipäästöjä, vaikka kustannustehokkuuden näkökulmasta hyöty on vähäinen tai olematon.
Energiatehokkuuden saavuttaminen ei vaadi tavallisesti mitään erikoisratkaisuja rakentamisessa. Keskeiset tekijät ovat ilmanpitävät rakenteet, hyvä ilmanvaihdon lämmön talteenotto, riittävä talon vaipan eristys sekä energiatehokkaat ikkunat ja ovet.
Teoreettista tarkastelua simulointien avulla
Eri osatekijöiden vaikutusta voidaan tarkastella rakennuksesta luotujen mallien avulla. Vaihtamalla mallissa asetusarvoja saadaan käsitys teknisten ratkaisujen vaikutuksesta esimerkiksi energiankulutukseen. Kun tiedetään energiankulutus, saadaan myös arvio hiilidioksidipäästöistä.
Yksittäisten tekijöiden merkitystä selvitettiin simuloimalla kolmea pientaloa. Kohteiksi valitut rakennukset olivat varsin eri tyyppisiä, joskin suhteellisen saman kokoisia yksikerroksisia rakennuksia. Rakennusten mallien lähtötiedot olivat taulukon 1 mukaisia.
Kohteiden simuloinneissa ei tarkasteltu muita lämmitysmuotoja kuin päälämmitystapaa. Kaikissa rakennuksissa oli tulisija, mutta sen vaikutusta ei arvioitu. Ilmalämpöpumpun käyttöä ei myöskään huomioitu lämmityksessä tai jäähdytyksessä. Tuloksissa korostuu suoran sähkölämmitystalon korkeammat arvot, koska lämpöenergian tuottamiseen tarvitaan enemmän sähköenergiaa kuin lämpöpumppuja hyväksikäyttävissä rakennuksissa.
Lisäksi on huomioitava, että vertailu perustuu yksittäisen tekijän vaikutuksesta lähtötasoon. Energiakulutukseen vaikuttavat tekijät vaikuttavat toisiinsa, eikä osatekijöiden yhteenlaskeminen vastaa todellista nousua tai laskua kulutuksessa.
Hiilidioksidin kuormituksen arviointi perustuu Suomen keskimääräiseen sähköntuotannon CO2-päästökertoimeen 164 kg CO2/MWh
Ilmanpitävät rakenteet
Mitä tiiviimpi talo sitä vähemmän kuluu energiaa. Ilmatiiviyden saavuttaminen edellyttää erityisesti hyvää liitosdetaljien suunnittelua ja huolellista rakentamista. Tiivistämisen materiaalimenekki on minimaalinen.
Rakennuksen tiiviyden määrittely perustuu siihen, minkä verran vaipparakenne päästää ilmaa lävitseen aikayksikössä. Käytössä on ilmanvuotolukuluku (q50), joka ilmaisee, kuinka monta kuutiometriä ilmaa läpäisee rakenteen neliömetriä kohden tunnissa 50 Pascalin paine-erolla.
Ilmatiiviyden vaikutusta ostoenergian kulutukseen arvioitiin simuloimalla kohteita eri ilmanvuotoluvuilla Porin vuoden 2013 säätiedoilla rakennetussa kaupunkiympäristössä. Vertailuarvona käytettiin ilmanvuotolukua q50=1 m3/(h*m2), joka edustaa verraten normaalia tasoa uusien rakennusten mittaustilastoista. Parannettaessa tiiviyttä erinomaiseksi säästetään vuositasolla energiaa tarkastelluissa rakennuksissa 110 – 150 kWh. Alimmalla hyväksyttävällä tiiviystasolla (q50=4) energiankulutus kasvaisi kohteissa 560 – 1250 kWh vuodessa. Tämä merkitsee viidenkymmenen vuoden aikana 4600 – 10 250 kg hiilidioksidin lisäkuormaa.
Ilmanvaihtokoneen hyötysuhde
Ilmanvaihto on oleellinen tekijä terveellisessä ja viihtyisässä asumisessa. Yleisin tapa toteuttaa riittävä ilmanvaihto on lämmöntalteenotolla varustettu tulo-poistoilmakone. Lämmöntalteenotto on huomioitu myös rakentamismääräyksissä ja asennettaville koneille on määritelty vähimmäishyötysuhde. Käytännössä tämä tarkoittaa, sitä kuinka paljon tuloilmaa pystytään lämmittämään poistoilmasta talteen otetulla lämpöenergialla.
Kohteita simuloitiin vaihtamalla ilmanvaihtokoneen lämpötilasuhdetta ja vertaamalla vuoden energiakulutusta lähtötasoon, joka edusti varsin tyypillistä pientalon energiatehokasta konetta. Vertailukoneen tuloilman lämpötilasuhde oli 0,75. Todellinen keskimääräinen vuosihyötysuhde oli tällöin 65-75 % riippuen käytettävistä ilmamääristä.
Lämpötilasuhteella 0,60 ostoenergian kulutus kasvoi 430 – 930 kWh vuodessa. Tämä merkitsee 3550 – 7630 kg lisäystä hiilidioksidimäärässä 50 vuoden aikana. Lämpötilasuhteella 0,80 vastaava kulutus väheni 100 – 220 kWh vuodessa.
Ilmanvaihdon ilmamäärillä on vaikutusta energiakulutukseen. Tehokkaamman ilmanvaihdon energiakulutuksen lisääntyminen johtuu pääasiassa tuloilman lämmityksestä ja poistoilman mukana karkaavasta lämmöstä. Simuloimalla tehtiin arvio tehostetun ilmanvaihdon energiakulutuksesta suhteessa rakentamismääräysten minimitasoon. Minimitaso saatetaan kokea syystä tai toisesta riittämättömäksi.
Ilmavaihdon tehostaminen
Ilmamääriä kasvattamalla 20% ostoenergian kulutus kasvoi 307 – 759 kWh vuodessa ja 30 % korotus lisäsi kulutusta 460 – 1142 kWh vuodessa. Tässä yhteydessä on hyvä huomioida, että tehostettua tai normaalitasoa tarvitaan silloin kun tiloissa oleskellaan ja ilmanvaihdon pienentäminen vähentää energian kulutusta huomattavasti. Tilojen ollessa poissa käytöstä ilmanvaihdon tasoa voidaan pudottaa minimissään 0,15 litraan sekunnissa asuinneliötä kohden, joka vastaan 60 – 70 % pienempää ilman vaihtuvuutta normaalitasoon verrattuna. Käytön mukaisella ilmanvaihdon ohjauksella voidaan siis saavuttaa huomattavia vähennyksiä energiakulutuksessa riippuen asunnon käyttöasteesta.
Seinien lämmöneristävyys
Lämmöneristävyyden arvioinnissa keskityttiin seinärakenteisiin. Simuloinneissa tehtiin tarkasteluja muuttamalla seinien eristevahvuuksia ja vertaamalla vaikutuksia energiankulutuksen ja hiilijalanjäljen osalta lähtötilanteeseen, joka oli toteutettu rakennus. Toimenpiteet ja saadut tulokset ovat esitetty taulukoissa 5 – 7.
Tuloksissa korostuu seinien eristämisen vaikutus hirsitalossa, jonka seinien lämmönvastus oli lähtötilanteessa heikoin. Lisäeristämisellä saadaan merkittävä säästö energiankulutuksessa. Kun sama määrä eristettä lisätiin jo hyvin eristettyyn seinään rakennuksessa B jäi vaikutus puolta pienemmäksi energiankulutuksessa, vaikka lämmöntuotto vaati kaksinkertaisen määrän ostoenergiaa.
Kohteessa A seinärakennetta muutettiin simuloinneissa huonommaksi kuin vertailutilanne, jotta voitiin verrata ns. passiivitalon seinärakenteen vaikutusta energiakulutukseen suhteessa heikommin lämpöeristettyihin seiniin. Vaikutus oli yllättävän pieni johtuen suhteellisen pienestä ulkoseinien pinta-alasta ja lämmitysjärjestelmän korkeasta hyötysuhteesta. Verrattaessa A ja B kohteiden muutosten vaikutuksia havaitaan edelleen, että samansuuruisella seinärakenteen u-arvon muutoksella energiankulutuksen muutos poikkeaa kuitenkin merkittävästi. Tämä johtuu pääasiassa rakennuksen vähemmän ostoenergiaa käyttävästä, maalämpöä hyödyntävästä, lämmityksestä.
Ikkunoiden lämmöneristävyys
Simuloimalla kahta erilaista ikkunatyyppiä kohteessa B saatiin arvio paremmin lämpöä eristävien ikkunoiden vaikutuksesta energiakulutukseen. Kohteessa verrattiin lämmönläpäisyarvoiltaan 0,8 W/(m2K) ja 0,6 W/(m2K) ikkunoita. Ostoenergian kulutus pieneni 871 kWh vuodessa yhteispinta-alaltaan 24,3 m2 ikkunoilla. Tämä merkitsee 7140 kg CO2-ekv päästössä 50 vuoden aikana. Arvioidun kaltainen ikkunan U-arvon muutos ei materiaalina kasvata hiilijalanjälkeä. Kohdetta lämmitettiin suoralla sähkölämmityksellä.
Ikkunoilla ja niiden sijoittelulla on vaikutusta kiinteistön lämpötaseeseen. Niiden muut ominaisuudet esimerkiksi auringonsäteilyn suhteen lisäävät vaihtoehtoja eri vuodenaikoina tapahtuvassa lämmönsiirtymisessä. Valinnoilla on merkitystä myös tilojen ylilämpenemisen suhteen.
Huomioita simulointien tuloksista
Vuotoilman aiheuttama energiankulutus on lähes suoraan verrannollinen suhteessa vuodon määrään. Rakennuksen vaipan kautta tapahtuvassa ilmanvaihdossa poistoilma ohittaa lämmön talteenoton ja sisään tuleva ilma on ulkoilman lämpöistä. Sisään tuleva ilma joudutaan lämmittämään lämmitysjärjestelmällä tavoitelämpötilaan, josta johtuva energiakulutus on suoraan sidoksissa rakennuksen lämmitysjärjestelmän hyötysuhteeseen. Simuloiduista tapauksista ostoenergiaa kuluu tästä syystä eniten suoran sähkölämmityksen kohteessa.
Tulokset ilmanvaihtokoneen hyötysuhteen vaikutusten arvioinnista olivat saman suuntaiset. Suurin hyöty paremmasta laitteesta saadaan eniten ostoenergiaa lämmitykseen kuluttavasta kohteessa. Kohteessa A suurempi ilmamäärän vaikutus kokonaisenergiankulutukseen kompensoituu hyötysuhteeltaan hyvällä maalämpöjärjestelmällä.
Edelleen, suurin ilmamäärien kasvattamisesta aiheutuva vaikutus energiankulutukseen havaitaan suoran sähkölämmityksen rakennuksessa.
Seinien lämmöneristävyyden parantamisella saadaan paras vaikutus kohteessa, jossa alkuperäinen seinien lämmönjohtavuus on suurin. Eristeen hiilijalanjälki on pieni ja mahdollisesti tarvittava lautavuoraus sitoo hiiltä materiaalina. Esimerkiksi 25 mm tuulensuojalevyn ja lautavuorauksen lisääminen hirsitaloon vähentää hiilidioksidipäästöjä 50 vuodessa 6500 kg. Samaa luokkaa on vaikutus, kun valitaan U-arvoltaan 0,2 W/(m2K) paremmat ikkunat.
Edellä mainittuja ratkaisuja on hyvä miettiä jo siinä vaiheessa, kun rakennusta suunnitellaan. Niiden materiaalinen vaikutus hiilijalanjälkeen on häviävän pieni ja kustannukset vähäiset. Pienten tekijöiden yhteisvaikutuksella voidaan saavuttaa suuret säästöt energiankulutuksessa, kun tarkastellaan rakennuksen koko elinkaarta.
Mallien taustana olevissa kohteissa on huomioitu energiasäästö. Suoran sähkölämmityksen talossa ilmalämpöpumppu huolehtii suuren osan rakennuksen lämmityksestä. Hirsirakennuksessa on panostettu säätöautomaatioon ja lämmitysjärjestelmän optimointiin. Kolmas rakennus oli passiivitalo, jossa energiasäästö oli huomioitu kaikissa ratkaisuissa.
Teksti ja Kuvat: Jaakko Aaltonen
