Energiatehokkuussuunnittelua simuloinnilla ja optimoinnilla

22.10.2015

Rakennuksen energiatehokkuuteen satsaaminen hankkeen alkuvaiheessa huolellisella mallintamisella ja vaihtoehtotarkastelulla pienentää sekä kiinteistön energiakustannuksia että hiilijalanjälkeä.

Grafiikka Mika Vuolle

Rakennuksen energiankulutus syntyy lukuisten asioiden yhteisvaikutuksesta: Valittu lämmitysjärjestelmä, mahdolliset aurinkopaneelit tai -keräimet, valaistusratkaisut, rakenneratkaisut ja vaikkapa ikkunoiden koko ja sijoittelu vaikuttavat kaikki toisiinsa. Muuttujia on monia, ja eri vaihtoehtojen mahdollisia yhdistelmiä satoja tai tuhansia. Energiatehokkaimman ratkaisun löytäminen on hidasta ja vaikeasti toteutettavaa tavanomaisilla menetelmillä, joilla voidaan laskea vain muutamia vaihtoehtoja.

Energiaoptimoinnilla etsitään parhaita ratkaisuja energiatehokkuuden toteuttamiseen tiettyjen rajaehtojen sisällä. Eri optimointityökalut mahdollistavat lukuisten vaihtoehtoisten ratkaisujen vertailun ja analysoinnin nopeasti. Vaihtoehtotarkastelu olisi syytä tehdä nimenomaan hankkeen alkuvaiheessa, sillä mitä pidemmälle rakennushanke etenee, sitä vähemmän asioihin voidaan vaikuttaa.

Mika Vuolle. Kuva Mikko Arvinen

Energia- ja olosuhdesimuloinnilla voidaan laskea rakennuksen energiankäyttöä jo suunnitteluvaiheessa sekä varmistaa, että sisäolosuhteista tulee tavoitteiden mukaiset. Mallintaa voidaan monenlaisia asioita aina energiankulutuksesta ja valaistuksesta ilmanlaatuun ja jäähdytystehon tarpeeseen.

– Rakennus on monimutkainen laitos, jossa tapahtuu samanaikaisesti monenlaisia fysikaalisia ilmiöitä, jotka on huomioitava. Jos halutaan tehdä energiatehokkaita ja oikein toimivia rakennuksia, ne pitäisi mallintaa tarkemmin, sanoo Equa Simulation Finland Oy:n toimitusjohtaja Mika Vuolle.

Suunnitteluvaiheessa simuloinnin avulla löydetään rakennuksen ongelmakohdat ajoissa. Rakennuksen valmistuttua mallia voidaan käyttää ylläpitomallina, jota verrataan rakennuksen toimintaan. Mahdollisuudet ovat monet.

– On ollut myös ideoita, että mallia käytettäisiin rakennuksen optimaaliseen ajoon vaikkapa sääennusteiden perusteella.

Säästöt syntyvät pienistä puroista

Määräykset velvoittavat tekemään energiatehokkuuslaskelmia E-lukua ja energiatodistusta varten, ja pienellä lisäpanostuksella simuloidusta mallista saisi paljon enemmän irti, kuin käytettäessä mallia vain toteavaan laskentaan.

– Perinteisessä hankkeessa energiasuunnittelija kiinnitetään mukaan luvattoman myöhään, jolloin energiatehokkuuteen ei päästä enää vaikuttamaan ja laskenta on vain toteavaa, ei ohjaavaa, Vuolle kertoo.

Vuolteen mukaan harmillisen yleinen toimintatapa on, että ensin rakennetaan ilman huolellista suunnittelua, ja jälkeenpäin käytetään rakennuksen korjaamiseen moninkertaisesti se määrä aikaa ja rahaa, joka olisi kulunut panostamalla suunnitteluun alkuvaiheessa. Melko pienellä lisävaivalla ja -kustannuksella olisi mahdollista päästä paljon tarkempaan suunnitteluun ja optimointiin, joilla varmistetaan lopputuloksen onnistuminen.

– Olen käyttänyt fraasia if you can’t model it, don’t build it. Jos ei pysty mallintamaan, ei kannata tehdä täysmittakaavakoetta.

Uudet rakennukset ovat Suomessa energiatehokkuudeltaan yleisesti hyvällä tasolla. Suuria säästöjä saadaan aikaan jo rakennusmateriaalien ja lämmitysratkaisujen valinnalla. Lisäparannuksia haettaessa helpoimmat asiat on jo tehty, joten lähes nollaenergiaan pyrittäessä energiatehokkuuden tehostaminen syntyy pienemmistä puroista.

– Mallinnus on ainoa työkalu, jolla niitä pienempiä asioita pystytään erottelemaan, Vuolle toteaa.

Simulointia kannattaisi hyödyntää nykyistä enemmän varsinkin suunniteltaessa valaistusta ja sähkön kulutusta. Paremmalla valaistuksen suunnittelulla ja sähkön käytön tehostamisella olisi mahdollista saavuttaa suuria energiasäästöjä.

 – Sähkön hinta on 2,5-kertainen kaukolämmön hintaan, ja myös energiamuotokerroin on suuri. Haetaan sitten parempia energiakustannuksia tai E-lukua, niin sähkön käyttöä pitäisi tehostaa.

Energiamalli mukana koko elinkaaren ajan

Granlund Consulting Oy:n energia-asiantuntija Nina Peltolan mukaan yhtiössä energiasimulointeja käytetään apuna jo kaikissa vähänkään isommissa rakennushankkeissa. Esimerkiksi toimistorakennukset, sairaalat ja kauppakeskukset ovat kohteita, joissa se on välttämätön edellytys toimivalle lopputulokselle. Simuloinneilla ja optimoinnilla aikaansaatava hyöty on suurimmillaan, kun työkalut valjastetaan käyttöön heti rakennushankkeen alussa. Mallin avulla on myös helppo tehdä myöhemmin muutoksia.

– Simuloinnista ja optimoinnista saadaan suurin hyöty, kun ne ovat koko hankkeen alusta asti mukana. Kustannuksia se ei juurikaan nosta, koska malli pitää kuitenkin tehdä, Peltola kertoo.

Kun malli on, olisi hyvä laskea myös esimerkiksi tavoite-energiankulutus, jota standardikäytöllä laskettu E-luku ei itsessään kerro.

Työkalut monipuolistuvat

Optimointialgoritmit ja -ohjelmat ovat usein erillisiä paketteja, joita voidaan käyttää eri ohjelmistojen kanssa. Monitavoiteoptimointiin perustuva MOBO (Multi-Objective Building Performance Optimization) on VTT:n ja Aalto-yliopiston kehittämä optimointityökalu, jota käytetään hankkeen investointi- ja elinkaarikustannusten sekä energiankulutuksen minimointiin.

– MOBO on tarkka ja kattava optimointityökalu, jossa käyttäjä asettaa vain tavoitteet ja rajoitukset ja matematiikka hoitaa optimoinnin. Sillä saadaan tarkasteltua suuri määrä vaihtoehtoja ja löydetään varmasti parhaat ratkaisut, sanoo Granlund Consultingin johtava energia-asiantuntija Tuomo Niemelä.

Optimointia voidaan käyttää kaikkiin uudisrakennuksiin, mutta se soveltuu hyvin myös korjausrakentamiskohteisiin sekä elinkaarihankkeisiin.

 


Artikkeli on julkaistu Sähköala Sähkö & Rakentaminen 2015 -lehdessä