Rakennusten energiasuorituskykyä on syytä parantaa sekä kestävyys- että kustannussyistä. Perinteisesti investointien hyötylaskelmissa on jouduttu tekemään epävarmoja oletuksia sekä nykyhetkestä että tulevaisuudesta. Ratkaisuna energiajärjestelmien mallinnus tuo laskelmiin parempaa luotettavuutta. Samalla se todentaa rakennusten automatisoinnin potentiaalia.

Kirjoittaja: Vilppu Eloranta

Euroopan Unionin alueella rakennukset kuluttavat noin 40 % energiasta ja tuottavat täten merkittävän osan hiilidioksidipäästöistä, joten niiden energiasuorituskyvyn parantaminen on keskeistä kestävyystavoitteiden saavuttamiseksi (European Commission 2020). Kehittyneimmät rakennukset voivat toimia jopa energian nettotuottajina, jolloin ne syöttävät tuottamaansa ylijäämäenergiaa muiden käyttöön.

Rakennusten energiatalouden parantaminen vaatii yleensä investointeja esimerkiksi energian uusiutuvaan tuotantoon, varastointiin tai kokonaisuuden optimointiin. Kuitenkin hankintojen vaikutusta suurten ja monimutkaisten rakennusten nettoenergiankulutukseen ja päästöihin on usein haastava arvioida ennen lopullista käyttöönottoa. Ratkaisuja tarjoavat virtuaaliset testialustat, joilla uusia teknologioita ja innovaatioita voidaan testata turvallisesti ja kustannustehokkaasti vaarantamatta todellisten järjestelmien toimintaa.

Tällainen virtuaalialusta on kehitteillä Lahden NiemiCampuksen M19-rakennuksesta LAB-ammattikorkeakoulun ja LUT-yliopiston yhteistyönä toteutettavassa Energia- ja kiertotalouden toimintaympäristöt (EKI) -hankkeessa. Tavoitteena on tukea energia- ja kiertotalousinnovaatioiden kehitystä sekä tarjota alueen yrityksille pilotointi- ja demonstrointivalmiuksia. Hankkeen läpileikkaavana teemana on myös paikallisen Green Campus -konseptin kehitystyö.

Energiajärjestelmämallin rakenne

M19-rakennuksen energiajärjestelmämalli rakentuu IDA Indoor Climate and Energy (ICE) -työkalun avulla, jolla järjestelmän toimintaa voidaan simuloida ja tarkastella kokonaan ilman fyysisiä mittauksia. Kokonaisen mallin voidaan ajatella koostuvan kolmesta pääkomponentista: rakennuksen tiloista, energian tuotantolaitoksesta ja näiden ohjausmenetelmistä.

Mallin ulkomuoto muodostuu sisätiloja vastaavista vyöhykkeistä, jotka vastaavat geometrialtaan rakennuksen huoneita tai laajempia alueita. Lisäksi määrittelyyn tarvitaan rakenteiden ominaisuudet, kuten lämmönjohtavuus ja tiheys sekä huoneiden lämmitys-, jäähdytys- ja muiden laitteiden tiedot. Vyöhykkeistä sekä ikkunoista, ovista ja aukoista muodostuva rakennuksen ulkomuoto on nähtävissä kuvassa 1.

piirroskuva, jossa ICE-ohjelmalla tehty mallinnus M19-kampusrakennuksesta
Kuva 1. Energiajärjestelmämallin vyöhykkeet ja ikkunat muodostavat rakennuksen ulkomuodon (kuva: Vilppu Eloranta).

Kuten kaikkia malleja, myös rakennuksen energiamallia on tarpeen yksinkertaistaa tavoiteltavan tarkkuuden perusteella. Varsinkin suurissa malleissa simulointilaskentaan kuluvaa aikaa kannattaa pyrkiä vähentämään minimoimalla mallin geometriasta johtuvien muuttujien määrä esimerkiksi yhdistämällä samankaltaisia huonetiloja yhdeksi vyöhykkeeksi ja kokoamalla vierekkäiset ikkunat yhdeksi objektiksi. Lisäksi vyöhykkeiden välisten aukkojen ja ovien määrä kannattaa pitää mahdollisimman pienenä, koska ne hidastavat laskentaa erityisen paljon. Sopivasti yksinkertaistetusta mallista saatavat tulokset ovat yleensä koko rakennuksen tasolla hyvin lähellä monimutkaisempaa versiota, vaikka simuloinnin viemä aika on huomattavasti lyhyempi. (EQUA Simulation Ab 2018).

Energiajärjestelmien konseptointi

IDA ICE sisältää energiajärjestelmien konseptointiin sopivan ESBO-työkalun, joka generoi yleisiin tapauksiin sopivan tuotantomallin nopeasti lähtötietojen perusteella. Sen avulla eri komponenttien vaikutusta energiajärjestelmäkokonaisuuteen on erityisen helppoa testata. Esimerkiksi aurinkosähkö- tai lämpöjärjestelmän vaikutusta voidaan tutkia lisäämällä valmis komponentti tuotantojärjestelmään ja ajamalla simulaatio uudelleen. Kuvassa 2 on esimerkki tyypillisestä maalämpö- ja aurinkosähköjärjestelmän sisältävästä tuotantomallista.

kuvassa on esiimerkki IDA ICE:n generoimasta rakennuksen energiantuotantojärjestelmän mallista

Kuva 2. Esimerkki IDA ICE:n generoimasta rakennuksen energiantuotantojärjestelmän mallista (kuva: Vilppu Eloranta).

Jos mallissa halutaan seurata rakennuksen tuotantojärjestelmän toimintaa erityisen tarkasti, on ESBO-pohjaa mahdollista muokata tai luoda kokonaan mukautettu tuotantolaitosmalli, joka voidaan rakentaa täysin vastaamaan todellista järjestelmää. Tällöin malliin voidaan tuoda kaikki todellisen järjestelmän komponentit jopa yksittäisen venttiilin tasolla, jolloin simuloinnin tulosten voi odottaa olevan erittäin lähellä todellisuudessa mitattuja arvoja.

Mallinnus suunnittelu- ja kehitystyökaluna

On havaittu, että rakennusten geoenergiajärjestelmissä ei usein todellisuudessa saavuteta tavoiteltua suorituskykyä suunnittelu-, asennus- tai käyttövirheiden takia (Bockelmann & Fisch 2019). Lämpökaivojen suunnitteluvirheitä voidaan välttää mallintamalla kenttä esimerkiksi Earth Energy Designer (EED) -työkalulla (Blocon AB 2020). Kokonaisvaltaisempi ratkaisu on integroida geoenergiamalli vaikkapa IDA ICE:lla toteutettuun rakennuksen energiamalliin, jolloin saadaan käsitys kaikkien järjestelmien ja tilojen yhteistoiminnasta.

Energiamallia hyödynnettäessä on luonnollista soveltaa automaatiota mahdollisimman kattavasti, koska virtuaaliympäristössä kaikkia komponentteja ohjataan algoritmisesti eikä käyttöhenkilöstön toimia edes voida ottaa huomioon. Edistynyt automaatio pienentää inhimillisten virheiden riskiä ja mahdollistaa energiajärjestelmien laajan optimoinnin. Yhdistettynä rakennusten ja energiaverkkojen väliseen kommunikaatioon sekä paikalliseen energian tuotantoon ja varastointiin se aikaansaa mittavaa suorituskykypotentiaalia, jolle todella on käyttöä – etenkin tulevaisuuden digitalisoiduissa energiaratkaisuissa.

Lähteet

Blocon AB. 2020. EED – Earth Energy Designer. Buildingphysics.com. [Viitattu 11.9.2020]. Saatavissa: https://buildingphysics.com/eed-2/

Bockelmann, F. & Fisch, M.N. 2019. It Works—Long-Term Performance Measurement and Optimization of Six Ground Source Heat Pump Systems in Germany. Energies. Vol. 12(24), 4691. [Viitattu 3.9.2020]. Saatavissa: https://dx.doi.org/10.3390/en12244691

European Commission. 2020. Energy performance of buildings directive. [Viitattu 3.9.2020]. Saatavissa: https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-efficiency/energy-efficient-buildings/energy-performance-buildings-directive_en

EQUA Simulation Ab. 2018. Tips and tricks in IDA ICE 4.8. (Webinar). YouTube. [Viitattu 3.9.2020]. Saatavissa: https://www.youtube.com/watch?v=Gg4S4OKqlbM

Kirjoittaja

Vilppu Eloranta toimii projekti-insinöörinä LAB-ammattikorkeakoulussa. Hän mallintaa, tutkii ja kehittää rakennusten energiajärjestelmiin liittyviä toimintaympäristöjä EKI-hankkeessa.

Artikkelikuva: https://pxhere.com/fi/photo/657521 (CC0)

Julkaistu 16.9.2020

Viittausohje

Eloranta, V. 2020. Energiajärjestelmien mallinnus tukee rakennusten digitalisaatiota. LAB Pro. [Viitattu ja pvm]. Saatavissa: https://www.labopen.fi/lab-pro/energiajarjestelmien-mallinnus-tukee-rakennusten-digitalisaatiota/