Super-low, matalaenergiatalon suunnittelu tietomallin avulla

Noin 40% maailmanlaajuisesta raaka-aineiden kulutuksesta, samoin kuin hiilipäästöistäkin, liittyy rakennusteollisuuteen. Rakentamisen ohjausasemassa olevina arkkitehdeillä on vastuu energiatehokkaampien rakennusten suunnittelusta.

Rakennuksen energiankulutuksen suunnittelutehtävät

Euroopan Unionin rakennusten energiatehokkuusdirektiivi 2010/31 määrittää tulevaisuudessa arkkitehtien nykyisten vastuiden päälle tulevat energiakulutukseen liittyvät suunnittelutehtävät.

Aluksi heidän on annettava oikeaa tietoa suunnittelemansa rakennuksen energiankulutuksesta, mikä selvästikin voi osoittautua monimutkaiseksi tehtäväksi suurimittakaavaisten hankkeiden tapauksissa, kuten kuvista näkyy.

Arkkitehtien on myös pystyttävä ottaa huomioon optimaaliset energiatehokkuusparannusten yhdistelmät, mikä tarkoittaa, että heidän täytyy arvioida ja verrata useita suunnitteluversioita ennen lopullisen vaihtoehdon päättämistä ja tarkemman suunnittelun aloittamista.

Lopulta, uudistuvan ja paikallisten energialähteiden käyttö pitää myös huomioida. Nämä ovat omanlaisiaan jokaisella rakennuspaikalla ja siksi ne täytyy käsitellä ja arvioida joka projektissa erikseen.

Nämä päälinjat on tiivistetty Euroopan Unionin 2010 direktiivistä, jonka mukaan kaikkien uusien rakennusten täytyy saavuttaa nollaenergiataso vuoteen 2020 mennessä. Jotta niin energiatehokkaita projekteja pystyttäisiin suunnittelemaan, arkkitehtuuri pitää mullistaa.

Kestävä suunnittelu tänään

Tämän hetkisessä käytännössä arkkitehti luovuttaa lähes valmiit suunnitteluasiakirjat kestävän suunnittelun ammattilaiselle, tavallisesti insinöörille, joka tekee rakennuksen energiasuunnittelun. Tässä suunnitteluprosessin vaiheessa on erittäin vaikeaa ja kallista toteuttaa muutoksia, joten löydöksillä on vähän vaikutusta lopputulokseen.

Lisäksi, insinöörit käyttävät arkkitehdin käyttämistä CAD- tai tietomallityökaluista poikkeavia ohjelmia. Tämä tarkoittaa, että energiaasiantuntijan täytyy syöttää uudelleen rakennuksen geometria energianlaskentaohjelmaan. Suurten ja monimutkaisten hankkeiden yhteydessä, rakennuksen geometrian kaksinkertainen käsittely muodostuu äärimmäisen aikaa vieväksi ja virhealttiiksi.

Ratkaisu rakennuksen energiasuunnitteluun

Sitä vastoin EcoDesigner, joka on Graphisoftin tekemä energia-arviolaajennus, on integroitu ArchiCADiin. Arkkitehdin ei tarvitse lähteä pois tutusta tietomalliympäristöstä päästäkseen käsiksi kehittyneeseen rakennuksen energialaskennan tekniikkaan. Valintaikkunat on suunniteltu arkkitehdeille helppokäyttöisiksi suunnittelun alkuvaihetta varten, jolloin 80% tärkeistä päätöksistä tehdään. Ecodesigner on arkkitehdin suunnitteluratkaisu Euroopan Unionin direktiivissä 2010/31 vaadittujen rakennuksen energiankulutuksen tehtävien suorittamiseen.

Energiatasapainoarvio (Kuva 1) antaa tietoja, joihin kuuluvat rakennuksen vaipan tunnusluvut, lämmityksen ja jäähdytyksen tarve sekä kuukausittainen energiatase. Energian kulutus antaa perustan hiilijalanjäljen ja käyttökustannusten laskemiseen, jotka on näytetty niin lähteen kuin kohteenkin mukaan, kun taas primaarienergian tarve on johdettu lähdekulutuksen mukaan, sisältäen energialähteen valmistuksen, rakennuspaikalle kuljettamisen ja käsittelyn tarvitseman energian.

Nopea energia-arvio antaa arkkitehdeille mahdollisuuden vertailla eri suunnitteluvaihtoehtojen toimivuutta kunnes energiatehokkuus on optimoitu. Tämän mukaisesti tehty lopullinen arkkitehtoninen päätös ei perustu pelkästään esteettiseen tai toiminnalliseen harkintaan vaan myös energialaskentamodulin tuottamaan tieteelliseen dataan.

Uudistuvan energian hyödyntäminen on tuettu EcoDesignerissa lukuisilla erityisominaisuuksilla. Suuntaus ja ikkunoiden koon määrittäminen voidaan optimoida rakennuksen geometrian ja tontin olosuhteiden mukaan käyttäen tietomallia. Jälkikäteen, kiinteä
tai liikuteltava varjostin voidaan määrittää lasipinnoille. LVI-ratkaisut – kuten koneellinen ilmanvaihto lämmön talteenotolla, aurinkokeräimet ja lämpöpumput – ovat tarjolla erikseen tai yhdistelminä EcoDesignerin helppokäyttöisestä valintaikkunasta.

Hadlow College

Brittiläisen Tornbridgen college-rakennuksen tapauksessa energiakulutuksen tavoite oli asetettu passiivitalostandardin mukaan, joka mstadtin Passivhaus-instituutin tekemä on suunnitteluohje. Sen tiukat, mutta suoraviivaiset ohjeet antavat suunnittelijoille mahdollisuuden äärimmäisten matalaenergiaprojektien toteutukseen lähes ilman lämmitys- tai jäähdytysvaateita, ainakin sanan tavanomaisessa merkityksessä. Direktiivi asettaa ankarat kynnysarvot erityiselle vuosittaisille nettolämmitys- ja nettojäähdytystarpeille (15 kWh/m2, vuoden maksimi) ja erityinen vuosittainen primaarienergian kokonaistarpeelle (alle 120 kWh/m2 vuodessa).

Hadlow College palkittiin ”Sustainable Building of the Year 2010”-palkinnolla. Suunnittelija James Anwyl käytti ArchiCADiä yhdessä MEP Modelerinanssa tietomallin luomiseen ja EcoDesigneria PHPP:n kanssa (virallinen passiivitalonsertifioinnin Excel-taulukko) tehdäkseen siitä Britannian ensimmäisen kunnallisen passiivitalon.

Tutkikaamme tätä esimerkkiä, jotta saamme kuvan kuinka tietomallin energiasimulaatiota käyttäen luodaan rakennus, jonka energiankulutus ja hiilijalanjälki ovat äärimmäisen pienet. Aluksi arvioidaan rakennuksen versio, jossa rakennusfysikaalinen tehokkuus on keskinkertainen (juuri riittävän hyvä nykyisten pakollisten energiamääräysten mukaan), jotta saadaan luotua perustason suunnitelma, johon tehokkuusparannuksia voidaan verrata.

Kesä

Vuosittaisen jäähdytyksen tarpeen vähentäminen alle 15 kWh:iin neliölle, kuten Passiivitalo-standardissa edellytetään, ei ole vaikeaa kentiläisessä ilmastossa. Kuitenkin, ulkoikkunoiden ja julkisivujen huolellinen varjostuksen suunnittelu yhdessä oikean ikkunoiden suuntaamisen ja mitoituksen kanssa on tarpeen, jotta taataan riittävä päivänvalon saanti rakennuksen sisällä ja ehkäistään sisäilman ylikuumenemisen mahdollisuus kesällä.

Hadlow College on suunniteltu siten että siihen ei tarvitse asentaa koneellista jäähdytystä jos käyttäjät toteuttavat asianmukaisesti luonnollista yöjäähdytysstrategiaa, joka on yksityiskohtaisesti määritettysuunnitteluasiakirjoissa.

Riittävä sisäinen lämpöä varaava massa vähentää myös kesän huippulämpöjä – ajatelkaa vaikka teltan kuumuutta verrattua keskiaikaisen kirkon viileään sisätilaan kesällä. Varaava massa auttaa myös tasaamaan sisälämpötiloja talvella ja välttämään mahdollista ylilämpenemistä kevään ja syksyn olosuhteissa.

Kesän käyttöparannukset, jotka näkyvät yksityiskohtaisesti yllä, johtuvat vähemmästä auringonsäteilyn vaikutuksesta ja pienemmästä jäähdytystarpeesta. (Kuva 4.)

Talvi

Rakennetyyppien ja detaljien erilaiset lämpöhäviöt oli vertailtu käyttäen EcoDesigneria, ennen kuin puinen panelijärjestelmä valittiin ulkoseiniä varten. Se päästää läpi alle 0,6 rakennuksen kokonaisilmatilavuudesta 50 Pascalin sisä-ulko paine-erolla. Kun näin korkea ilmatiiviyden taso on saavutettu, on minimoitu virtauma rakennusvaipan läpi.

Lisäämällä puupaneleihin tiettyjä muita kerroksia, tärkeimpänä paksuja lämmöneristekerroksia, ulkoseinien kautta tapahtuvaa talven lämpöhäviötä on merkittävästi vähennetty verrattuna tavalliseen rakennukseen. Esimerkiksi Hadlow Collegen tasakatossa on 40 cm lämmöneristettä. Ecodesigner hakee tarvittavat rakennusmateriaalin ominaisuudet suoraan tietomallista, käyttäjän on vain määritettävä maanalaisen eristyksen paksuus. Tämä tekee usean erilaisen rakennuksen ulkovaipan rakenneratkaisun vertailevan arvioinnin erityisen nopeaksi ja tehokkaaksi.

Sähkö ja uusiutuva energia

Tavoitteellinen ilmanvaihtuminen on toteutettu täsmällisesti ilmastointikoneen avulla, jossa on lämmöntalteenotto, ja joka kierrättää merkittäviä määriä energiaa poistoilmasta. Samalla, huolellisesti suunniteltu keinovalaistus käyttää merkittävästi vähemmän sähköä kuin vähemmän ankarat suunnittelutavoitteet täyttävien vastaavien rakennusten sisävalaistus.

Passiivitalon suunnitteluohjeiden mukaan, kuitenkin, tuloilman lämmitys tulee olla riittävä tarvittavan sisäilman lämpötilan turvaamiseksi. Tämä tarkoittaa, että kaikki tarvittava lämpö pitää siirtää ilmavaihdon ilmamäärässä. Tätä rakennusta varten tarvittava lämmitysenergia hankitaan pohjavesilämpöpumpulla. Tavallisesti 1 000 – 2 000 W:n järjestelmä (vastaava kuin hiustenkuivaajan teho) pystyy tyydyttämään tällaisen hankkeen lämmitystarpeen. Samaa pohjavesilämpöpumppua käytetään lämpimän käyttöveden lämmitykseen, mikä vähentää vielä lisää fossiilisten polttoaineiden tarvetta ja hiilidioksidipäästöjä.

Ajanmukainen ilmastointijärjestelmä lämmön talteenotolla vähentää poistoilman lämpöhäviöitä (Kuva 6). Huomattavasti vähentynyt lämmitystarve kuten myös lämpimän käyttöveden lämmitys on saatu aikaan lämpöpumpulla hankittavan uudistuvan ”vihreän” energian avulla. Pohjavesilämpöpumpussa on sähkömoottori, mutta sen lisäenergiantarve on onnistuneesti tasoitettu valaistuksen erikoisratkaisulla saavutetuilla säästöillä.

Välttämättömät kestävän rakennuksen tehokkuustiedot

Primaarienergian arvo antaa erinomaisen yleiskuvan talon energian kulutuksesta. Se ei pelkästään kerro kulutettua nettoenergiaa vaan se sisältää myös valmistukseen tarvitun energian, kuljetuksen ja energianlähteen raaka-aineen käsittelyn kuin myös kuljetuksen käyttöpaikalle. Erityisen primaarienergian tarpeen minimoiminen on loistava tapa parantaa suunnitellun rakennuksen yleistä suorituskykyä.

Rakennuksen tehokkuuden parannukset voidaan tiivistää vertailemalla Hadlow Collegen perusratkaisua ja super-low -versiota, joka sisältää kaikki alla esitetyt kestävän suunnittelun parannukset (Kuva 7). Erityinen vuosittainen nettolämmitystarve on vähentynyt 85%. Toisaalta, erityinen nettojäähdytystarve on kaksikertaistunut passiivitalon tapauksessa, mikä korostaa suurimman super-eristettyjen ja tiiviiden talojen haittapuolen: taipumuksen ylikuumenemiseen. Kuitenkin tämä on ongelma vain kuumissa ja aurinkoisissa ilmastoissa, joissa suurin osa energiasta kulutetaan koneelliseen jäähdyttämiseen. Hadlow Collegen tapauksessa erityinen jäähdytyksen tarve pysyy 15 kWh/m2 kynnysarvon alapuolella ja se voidaan menestyksekkäästi ratkaista luonnollisella yöajan jäähdytyksellä.

Lopuksi, super-low -energiaratkaisun primaarienergian kulutus ja käyttökustannukset ovat yksi kolmasosa keskiarvosuunnitelmasta, mikä osoittaa että kuinka energia-arviointityökalun käyttö tietomalliympäristössä voi parantaa rakennuksen tehokkuutta.

Laskennan tarkkuus

Verratkaamme EcoDesignerilla ja PHPP:llä tuotettuja tärkeimpiä laskentatuloksia varmistaaksemme EcoDesignerin laskentatarkkuuden (Kuva 8). Jälkimmäinen on passiivitaloprojektien seurantaan luotu virallinen ohjelma, joka on tunnetusti äärimmäisen tarkka. Itse asiassa, PHPP:n Excel-taulukot on säädetty kuvaamaan sertifioitujen passiivitalojen energiankulutusta ja yleistä tehokkuutta rakentamisen jälkeen.

Hadlow Collegen tapauksessa laskentatulokset ovat lähes identtiset. Yleisesti ottaen, EcoDesignerin tulokset ovat ±5 %:n virhemarginaalin sisällä verrattuna vastaaviin PHPP:n tuloksiin.

Arviointiprosessin nopeudesta johtuen, EcoDesigneria voi menestyksekkäästi käyttää laajoissa projekteissa ja myös kaupunkisuunnittelussa, kun suunnitellaan kokonaisten alueiden tai yrityspuistojen energiatehokkuuden parantamista. Lisäksi dynaamisen simulaation etu on tarkkuus kaikissa sääolosuhteissa, kun kiinteitä laskentamenetelmiä voi hyödyntää vain pienten säävaihteluiden sisällä.

EcoDesigner

Jutussa käytetty uutta EcoDesigner-versiota, joka julkaistaan ArchiCAD 15:n yhteydessä.

Lisätietoja Graphisoftin EcoDesignerista on saatavissa virallisella websivulla: www.graphisoft.com/products/
ecodesigner/

Katso video, jossa on perusteellisempi selvitys matalaenergiatalon suunnittelusta ohjelmalla: www.graphisoft.com/ftp/marketing/ed/ed-2011/index.html

 

 

 

käännös englannista: Vesa Putkonen

Kirjoittajasta

Miklós Sved on kestävien ratkaisujen tuotepäällikkö Graphisoftilla, työskenneltyään yhdeksän vuotta freelancerarkkitehtina
ja erikoistuttuaan rakennetekniikkaan ja rakennusfysiikkaan. Hän on myös rakennetekniikan opettaja Budapestin teknillisen yliopiston arkkitehtiosastolla.