Kustannusoptimaaliset konseptiratkaisut energiatodistuksen A- ja B-luokan saavuttamiseksi päiväkoti- ja toimistorakennuksessa

Energy efficiency of buildings is developing rapidly towards nearly zero energy buildings (nZEB) and the regulations are becoming more demanding, which creates significant challenges for energy and cost-optimal buildings and life-cycle-cost optimization. The objective of the thesis is to find energy efficient and cost-optimal concepts, which meet the class A and B requirements of the Finnish building's energy certification. The research is focusing on day care and office buildings. Dynamic energy simulations and optimization algorithms have been used to find optimal solutions. The most energy efficient and cost-optimal individual building systems are ventilation with variable air volume, high performance ventilation heat recovery and good airtightness of the building envelope. U-values of structures and ventilation system specific fan power only have a minor impact on energy and cost efficiency. Energy efficient lighting system reduces electricity consumption and thermal loads, but increases the overall life-cycle-costs and heating energy demand. Energy efficient lighting may be economically beneficial, if the lighting system consumes a large share of the total energy consumption. The most energy efficient and cost-optimal heating production systems are renewable fuels, such as wood chips and pellets, and ground-source heat pump combined with a secondary heating energy source. District heating system represents an average performance level in terms of E-value and life-cycle-costs, whereas electric heating and oil-fired boiler lead to high E-value and life-cycle-costs. Local renewable energy systems (RES), such as solar thermal collectors, solar panels and wind generators, are not yet profitable in terms of life-cycle-cost. Cost-optimal concept solution for the day-care and office building corresponds to class B of the energy certificate. This solution includes variable air volume and high performance heat recovery in ventilation, and good airtightness of the building envelope, combined with standard level U-values of structures, ventilation specific fan power and fluorescent lighting. The class B cost-optimal solution can be achieved by using any heating production system except electricity or oil-fired boiler and without local renewable energy production. Meeting the requirements of the class A and nearly zero energy building requires using the efficient class B systems with solar thermal collectors or solar panels, depending on the heating production system. As the cost-optimal solution already leads to class B E-value, it is not yet profitable to aim for nearly zero energy buildings. The most profitable way to shift towards nearly zero energy buildings would be in phases by following the development of EU and national level regulations, HVAC systems and energy prices, which all shift the cost-optimal solution towards reduced energy consumption and E-value.Rakennusten energiatehokkuuden kehitys on nopeaa ja vaatimukset tiukkoja, mikä asettaa merkittäviä haasteita energia- ja kustannustehokkaalle rakentamiselle sekä energiankäytön ja elinkaarikustannusten optimoinnille. Työn tavoitteena on löytää energia- ja kustannusoptimaaliset ratkaisut, jotka täyttävät vuoden 2013 energiatodistuksen A- ja B-luokan vaatimuksen. Tutkimuskohteina on päiväkoti- ja toimistorakennus. Konseptiratkaisujen löytämiseksi työssä sovelletaan rakennusten dynaamista energiasimulointia sekä optimointialgoritmia. Yksittäisistä järjestelmistä energia- ja kustannustehokkaimmat ratkaisut ovat tarpeenmukainen ilmanvaihto, hyvä ilmanvaihdon lämmön talteenotto sekä tiivis rakennusvaippa. Ulkoseinien ja ikkunoiden U-arvojen sekä ilmanvaihdon ominaissähkötehon vaikutus on pieni. Energiatehokas valaistusjärjestelmä pienentää sähkönkulutusta ja sisäisiä lämpökuormia, mutta kasvattaa kokonaiselinkaarikustannuksia ja tilojen lämmitystarvetta. Sen käyttö voi olla kannattavaa, jos valaistuksen osuus kokonaisenergiankulutuksesta on suuri. Energia- ja kustannustehokkaimmat lämmitysmuodot ovat hake ja pelletti sekä maalämpöpumppu ja sen hybridiyhdistelmät. Kaukolämpö edustaa keskimääräistä E-luku- ja kustannustasoa, kun taas sähkö- ja öljylämmitys johtavat suureen E-lukuun ja korkeisiin elinkaarikustannuksiin. Omavaraiset energiantuotantomuodot, kuten aurinkokeräimet, -kennot ja pientuulivoima, eivät ole vielä elinkaarikustannuksiltaan kannattavia. Kustannusoptimaalinen konseptiratkaisu asettui päiväkoti- ja toimistorakennuksessa hyvään B-energialuokkaan, jonka konseptiratkaisu saavutetaan tarpeenmukaisella ilmanvaihdolla, hyvällä ilmanvaihdon lämmön talteenotolla ja tiiviillä vaipalla yhdessä lähes vertailutason U-arvojen, ilmanvaihdon ominaissähkötehon ja perinteisen loisteputkivalaistuksen kanssa. B-energialuokka saavutetaan kustannusoptimaalisesti sähkö- ja öljylämmitystä lukuun ottamatta kaikilla lämmitysmuodoilla sekä ilman omavaraista energiantuotantoa. A-energialuokan saavuttaminen vaatii B-luokan ratkaisujen lisäksi aurinkokeräimiä tai -kennoja lämmitysmuodosta riippuen. Kustannusoptimaalisella ratkaisulla päästään jo hyvään B-energialuokkaan, joten lähes nollaenergiatason saavuttaminen ei ole vielä kannattavaa. Lähes nollaenergiarakentamiseen olisi siirryttävä vaiheittain seuraamalla määräysten, järjestelmien ja energian hintojen kehitystä, jotka siirtävät kustannusoptimia todennäköisesti kohti pienempää energiankulutusta ja E-lukua