Kustannusoptimaaliset korjausratkaisut 1960-luvun asuinkerrostaloissa

Built environment makes an important contribution to restraining global climate change and improving energy efficiency. At the moment the share of repair construction is approximately 50 % from the total construction volume in Finland. Improving the energy performance of existing buildings has a significant role, because the building stock is renewed slowly. The continuous increase in renovation debt of buildings is also becoming a problem in Finland. Apartment buildings built in the 1960’s and 1970’s form a remarkable share of the Finnish building stock that are facing major renovation measures in the near future. In addition, the specific energy consumptions of these building types are high. The objective of this study was to determine the cost-optimal energy performance renovation solutions in typical Finnish apartment buildings built in the 1960’s. The energy performance of heat pump systems was in key role in this study. For this reason the main objective of this thesis was to determine the cost-optimal levels of energy performance renovations for all typical main heating systems used in Finnish apartment buildings. The selected main heating systems were ground source heat pump, air to water heat pump, exhaust air heat pump and district heating. The cost-optimal levels were defined for these main heating systems. One objective of the thesis was also to determine a reasonable nearly zero-energy building level for existing Finnish apartment buildings. The research method of this study was simulation-based multi-objective optimization. The energy simulation tool was IDA ICE software (version 4.6.1) and the optimization analysis was carried out by using MOBO (Multi-Objective Building Optimization) optimization program. The life-cycle cost calculation of different energy performance improving measures included detailed and accurate cost data. The renovation measures, which are not improving the energy performance of the building, but have to be carried out to prevent the increase in renovation debt were also taken into account to obtain realistic results. The meter of energy performance in the optimization analysis was the E-value of the building. Optimized energy performance improving measures concentrated on the envelope of the building, ventilation system, solar-based energy production systems and heat pump systems. The ground source heat pump system proved to be the cost-optimal main heating system concept. All heat pump systems proved to be more energy efficient main heating system solutions than the district heating system. The results indicated that additional thermal insulation of external walls is not a profitable energy performance improving measure. The recommendable renovation solutions are investments in heat pump systems and in renewable energy production systems. The cost-optimal level of energy performance improving measures was close to the minimum energy performance requirement level of new apartment buildings. According to the results of this study, a reasonable nearly zero-energy building level for existing apartment buildings is Ebuilding = 130 kWhE/(m2,a), because the cost optimal level was 130 kWh/(m2,a) according to the results. Sensitivity analyzes indicated that the expected return on investment has a relatively significant impact on the recommendable renovation measures.Rakennetulla ympäristöllä on merkittävä osuus ilmastonmuutoksen etenemisen hillitsemisessä ja energiatehokkuuden parantamisessa. Tällä hetkellä korjausrakentamisen osuus on n. 50 % rakentamisen kokonaisvolyymistä Suomessa. Olemassa olevan rakennuskannan energiatehokkuuden parantamisella on keskeinen rooli, koska rakennuskanta uusiutuu hitaasti. Rakennusten korjausvelan jatkuva kasvaminen alkaa myös muodostua ongelmaksi Suomessa. Erityisesti 1960- ja 1970-luvuilla rakennetut asuinkerrostalot muodostavat merkittävän osan Suomen rakennuskannasta, joille on tehtävä merkittäviä peruskorjaustoimenpiteitä lähivuosien aikana. Lisäksi näiden rakennustyyppien ominaisenergiankulutukset ovat korkeat. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kustannusoptimaaliset energiakorjausratkaisut tyypillisille suomalaisille 1960-luvulla rakennetuille asuinkerrostaloille. Lämpöpumppujen rooli energiatehokkuuden parantamisessa oli keskeisessä asemassa tutkimuksessa. Tästä johtuen työn keskeisin tavoite oli määrittää elinkaarikustannuksiltaan kustannusoptimaaliset energiakorjausratkaisut kaikille tyypillisille päälämmitysjärjestelmille, jotka ovat käytössä suomalaisissa asuinkerrostaloissa. Päälämmitysjärjestelmiksi valittiin maalämpöpumppu, ilma-vesilämpöpumppu, poistoilmalämpöpumppu ja kaukolämpö. Näille järjestelmille määritettiin kustannusoptimaaliset tasot. Työn yhtenä tavoitteena oli myös tuottaa ehdotus järkevästä lähes nollaenergiatasosta olemassa oleville asuinkerrostaloille eri lämmitysjärjestelmien kustannusoptimaalisia tasoja vertailemalla. Työn tutkimusmenetelmänä käytettiin energiasimulointiin perustuvaa monitavoite-optimointia. Simulointityökaluna käytettiin IDA ICE -ohjelmistoa (versio 4.6.1) ja optimointityökaluna MOBO (Multi-Objective Building Optimization) -ohjelmistoa. Elinkaarikustannuslaskennassa otettiin huomioon kaikki energiatehokkuustoimenpiteisiin liittyvät kustannukset mahdollisimman tarkasti. Realististen lopputulosten saavuttamiseksi tutkimuksessa otettiin lisäksi huomioon myös energiatehokkuutta parantamattomat peruskorjaustoimenpiteet, jotta rakennuksen korjausvelka ei kasvaisi. Monitavoite-optimoinnissa energiatehokkuuden mittarina käytettiin rakennuksen E-lukua. Optimoitavia energiakorjausvaihtoehtoja olivat rakennuksen ulkovaipan lisäeristäminen, ikkunoiden vaihto, ilmanvaihtoremontti, aurinkosähkö- ja aurinkolämpöjärjestelmien pinta-alat sekä lämpöpumppujärjestelmien mitoitustehot. Maalämpöjärjestelmä osoittautui selvästi kustannusoptimaalisimmaksi päälämmitysjärjestelmäksi. Kaikki lämpöpumppujärjestelmät osoittautuivat energiatehokkaammiksi lämmitysjärjestelmäratkaisuiksi kuin kaukolämpö. Tulokset osoittivat, että ulkoseinien lisäeristäminen ei ole kannattava energiatehokkuustoimenpide. Suositeltavia energiakorjausratkaisuja ovat investoinnit lämpöpumppuihin ja uusiutuvan energian tuotantojärjestelmiin. Energiakorjausratkaisujen kustannusoptimaalinen taso asettui lähelle uudisrakentamisen energiatehokkuuden minimivaatimustasoa. Työn tulosten perusteella järkevä lähes nollaenergiataso olemassa oleville asuinkerrostaloille on Erak = 130 kWhE/(m2,a), koska kustannusoptimaalinen taso oli tulosten mukaan 130 kWh/(m2,a). Herkkyystarkastelut osoittivat, että valitulla energiakorjausinvestoinnin tuotto-odotuksella on kohtalaisen suuri vaikutus suositeltaviin energiakorjausratkaisuihin