Laskentatyökalut paljastavat määräysten heikkoudet
Direktiivit sekä niiden pohjalta ja hengessä luodut rakentamismääräykset pyrkivät hyvään, mutta ne eivät huomioi moderneja laskenta- ja mittaustekniikoita tarpeeksi hyvin.
Tänä vuonna 80-vuotista taivaltaan juhliva Koja tähyää vahvasti tulevaisuuteen. Vuonna 2008 yritys selkeytti toimintaansa ja luopui urakoinnista keskittyen laitevalmistukseen ja laivateollisuuteen.
Vaikka itäviennissä eletään tällä hetkellä suvantovaihetta, on sieltä saatu hyvääkin kauppaa.
”Viime vuosi oli Kojalle kokonaisuutena hyvä, vaikka Venäjän tilanne heijastui liikevaihdossa. Vaikka itäviennissä ei odoteta merkittävää parantumista lähiaikoina, niin täytyy muistaa, että siellä on 13 kaupunkia joiden asukasluku ylittää miljoonan”, liiketoimintajohtaja Harri Huhtamäki kertoo.
Menneisyys ei ole kuitenkaan tae tulevasta menestyksestä, sen vuoksi Kojallakin on panostettu uusiin tiukentuvatkin vaatimukset täyttäviin ilmankäsittelyratkaisuihin.
Yhtenä tärkeänä osatekijänä tuotekehityksessä on tiivis yhteydenpito Tampereen teknillisen yliopiston kanssa ja sitä kautta luodut mahdollisuudet käytäntöä palveleviin opinnäytetöihin.
Tieto lisää tuskaa, sillä opinnäytetöissä ja niiden jatkohankkeissa kehitetyt laskenta- ja mittausmenetelmät paljastavat armotta sen, että rakentamismääräykset voivat ohjata suunnittelua laitevalinnoissa vikasuuntaan.
Toisaalta laskentamenetelmien kehittyessä on löytynyt myös uusia ratkaisuja ja näkökulmia, joilla tiukentuviin vaatimuksiin voidaan paremmin vastata.
Kojalla energia-asiantuntijana toimiva diplomi-insinööri Taneli Timlin on tehnyt viimeiset kaksi vuotta tiivistä työtä elinkaaritehokkuuden parissa. Tavoitteena hänellä ja Kojalla ei ole ollut sen enempää eikä vähempää kuin kehittää laskentaan Euroopan huippuluokkaa olevat työkalut.
Energiavirtojen kierrättäminen
Timlin päätyi Kojan leipiin metsästäessään diplomityölleen aihetta. Työn aiheeksi tuli: Lähienergiaratkaisut kiinteistöjen energiavirtoja kierrättämällä. Diplomityössään Timlin tutki, kuinka hybridilämpöpumppu toimii erilaisissa rakennuksissa. Rakennustyypit olivat hotelli, toimistorakennus ja kauppakeskus.
”Saimme Granlundilta simulointidataa rakennusten energiankulutuksista, jonka pohjalta lähdin tekemään laskelmia. Laskelmat osoittivat, että hybridilämpöpumppujärjestelmä soveltuu erittäin hyvin kaikkien ennalta valittujen rakennustyyppien lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmäksi”, Timlin kertoo.
Hybridijärjestelmä on sitä energiatehokkaampi ja taloudellisempi, mitä enemmän rakennuksessa on yhtäaikaisia lämmitys- ja jäähdytystarpeita. Se ei ole kuitenkaan muita vaihtoehtoja huonompi, vaikka näin ei olisikaan, kunhan molempia tarpeita vuosikäytössä vain ilmenee. Samassa yhteydessä ilmeni, että mitoituslämpötilojen optimoinnilla olisi mahdollista parantaa taloteknisten järjestelmien energiatehokkuutta merkittävästi.
”Suurimmat vaikutukset rakennuksen energiankulutukseen aiheutuvat sen käytöstä. Sen vuoksi rakennusten käytöstä johtuvan energiankulutuksen pienentäminen leikkaa sen elinkaarikustannuksia merkittävästi”, Timlin sanoo.
Yhtenä ratkaisuna on hyödyntää jäähdytyksen lauhde-energiaa rakennuksen lämmitykseen vapaajäähdytyksen sijaan. Vaikka vapaajäähdytyksen käyttö olisi mahdollista, on hyvin todennäköistä, että rakennuksessa on samaan aikaan myös lämmitystarpeita.
”Jäähdytyksen lauhde-energiaa kierrättämällä saadaan hyvällä hyötysuhteella tuotettua lämmitys- ja jäähdytysenergiaa. Ja vaikka yhtäaikaisia tarpeita ei olisi, hybridilämpöpumppu yhdistää lämpöpumpun ja vedenjäähdyttimen yhdeksi laitteeksi tarvitsematta lainkaan ulkopuolista automatiikkaa ja venttiiliryhmiä”, Timlin täsmentää.
Faktaa laitemitoituksen pohjaksi
Timlinin diplomityössään kehittämää laskentamallia on voitu käyttää myös muiden lämmitys- ja jäähdytysvaihtoehtojen vertailuun. Vertailun pohjana on aina rakennuskohtaisesta energiankulutuksesta saatava simulointidata.
”Rakennusmääräyskokoelma vaatii tekemään energiasimuloinnin lähes jokaisesta suuremmasta rakennustyypistä. Simulointidata on energiankulutuksen osalta tarkinta saatavilla olevaa tietoa suunnitellusta rakennuksesta”, Timlin kertoo.
Kojalla päätettiin yhdistää simulointidata, mitoituslämpötilat sekä laitteen tekniset ominaisuudet. Näin syntyi VAAKA-laskentaohjelma.
Uudella mitoitustyökalulla voidaan laskea, mitoittaa ja vertailla muun muassa vedenjäähdyttimiä, lämpöpumppuja, lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiä sekä energiavirtojen kierrätystä.
Tämä oli kuitenkin vasta alkusoittoa tuotekehitykselle. Seuraavassa vaiheessa ajattelutapaa vietiin eteenpäin ilmankäsittelylaitteisiin.
”Ensin suunnittelija laatii koneen käyttöprofiilin, määrittelee rakennuksen sijainnin sekä liittää siihen Ilmatieteen laitokselta saadun säädatan. Kun nämä tiedot yhdistetään, saamme laskelmat vuoden jokaiselle tunnille sekä sitä kautta luotettavat elinkaarikustannukset”, Timlin huomauttaa.
”Työkalujen avulla olemme selvittäneet monia laitevalintaan vaikuttavia asioita. Jos valitsemme esimerkiksi tietynlaisen lämmön talteenoton, näemme, mitä vaikutuksia valinnalla on. Laskelmat voivat poiketa yllättävän paljonkin ennakko-odotuksista”, myyntipäällikkö Antti Hänninen sanoo.
Hänninen huomauttaa, että teoreettisia mitoitustilanteita on vuosittain hyvin harvoin. Silti laitteet valitaan pääsääntöisesti mitoitustilanteen suoritusarvojen mukaisesti.
”Mikäli ilmanvaihtolaitteen mitoitus perustuu teoreettisen optimipisteen sijasta tuntikohtaiseen seurantaan ja käyttöprofiiliin, saattaa hyvän laitteen tilalle löytyäkin paras vaihtoehto. Liian tiukat määräykset ja puutteellinen laskenta ohjaavat kuitenkin sekä suunnittelijaa että laitevalmistajaa tavoittelemaan mitoituspistettä, joka ei ole tarkoituksenmukainen.”
Elinkaarikustannuslaskelmat yllättävät
Hänninen havainnollistaa vanhan ja uuden tavan eroja elinkaarikustannusten laskentaesimerkillä. Vaihtoehtoina on kaksi identtistä viisi kuutiota ilmavirtaa sekunnissa tuottavaa ilmanvaihtokonetta nestekiertoisella lämmön talteenotolla.
”Perinteisesti lasketut arvot toimivat vain yhdessä mitoituspisteessä, mutta ne eivät huomioi käyttöprofiilia. Näin valitut lukuarvot eivät kerro myöskään yhtään mitään rakennuksen ominaisuuksista, paitsi kahdessa pisteessä: kylmimmässä ja kuumimmassa. Eli normaalisti ilmanvaihtokone valitaan huipputilanteen mukaan”, Hänninen huomauttaa.
”Vanhan ajattelutavan mukaan valitsisimme ilmanvaihtokoneeksi laitteen, jonka SFP-luku on kaksi. Mahdollisimman pieniin pumppauskustannuksiin pyritään rajoittamalla nesteen painehäviö 50 kilopascaliin LTO-patteria kohden. Näillä reunaehdoilla saamme maksimihyötysuhteeksi lämmön talteenotolle esimerkkitapauksessa 52 prosenttia”, Hänninen kertoo.
Jos LTO-pattereita kasvatetaan, niin myös painehäviöt kasvavat. Paremman hyötysuhteen tarjoavassa laitteessa SFP-luku saattaa nousta 2,12, mutta ei olennaisesti poikkea tavoitearvosta. Kokonaisuutena tarkastellen se olisi kuitenkin paljon järkevämpi valinta.
Uuden ajattelutavan mukaan LTO:n hyötysuhdetta kasvatetaankin 65 prosenttiin, mikä kasvattaa nesteen painehäviön 135 kilopascaliin. Samalla kuitenkin elinkaaren aikaiset lämmityskustannukset putoavat lähes 50 prosentilla. Järeämmän LTO-pumpun aiheuttama lisäkustannus on ainoastaan marginaalinen, mutta energiatehokkaamman laitteen takaisinmaksuaika jää 0,8 vuoteen.
Kojalla on tutkittu samoja asioita eri laitteilla, myös puhaltimilla. Yleisesti ajatellaan, että elinkaariedullisin ratkaisu vaatii kestomagnetoidut puhallinmoottorit (EC
tai PM). Asia ei Timlinin mukaan olekaan niin musta-valkoinen, sillä energiankulutus riippuu puhaltimen käyttöprofiilista.
Uuden moottoritekniikan puhallin voi mitoituspisteessä näyttää parhaalta vaihtoehdolta, mutta osailmavirroilla tilanne voi olla toinen. Käyttöprofiili ratkaisee puhaltimen vuosittaisen energiankulutuksen.
Hänninen valottaa laitevalintaa arkisemmasta näkökulmasta. Kun investointivaiheessa ostaja tinkaa taloteknisiin laitteisiin vaikka 3 – 4 prosentin alennusta, muutetaan helposti myös toimitussisältöä.
”Tilatun laitteen ominaisuudet heikkenevät alun perin suunniteltuun verrattuna ja käyttökustannukset kasvavat. Päinvastaisessa tapauksessa ja tavoiteltaessa alhaisempia käyttökustannuksia, saadaan viiden prosentin lisäkustannuksella energiatehokkaammat laitteet ja investoinnille selkeä takaisinmaksuaika.”
teksti Heikki Heikkonen | kuvat Heikki Heikkonen ja KOJA OY
