Teema-artikkeli: Energiaoptimoinnilla päästään parempaan

Kun rakennushankkeeseen halutaan paras ratkaisu energiansäästöön ja päästöjen vähentämiseen mutta ei hinnalla millä hyvänsä, tarvitaan energiaoptimointia, jota Aalto-yliopistossa on opetettu ja tutkittu 2000-luvun alusta alkaen. Arjen työkaluna rakennusten energiaoptimointi on vasta suurimmissa suunnittelutoimistoissa.

Optimointi on parhaiden ratkaisujen hakemista. Energiaoptimointi on parhaiden energiankulutukseen vaikuttavien ratkaisujen hakemista.

– Yleensä ei ole vain yhtä parasta ratkaisua vaan useampia. Tällöin metodiikan nimi on monitavoiteoptimointi, jossa on useampia keskenään ristiriitaisia tavoitteita, Aalto-yliopiston konetekniikan laitoksen LVI-tekniikan professori Kai Sirén sanoo.

Rakennushankkeen tavoitteina ovat yleensä paras mahdollinen suorituskyky ja alimmat mahdolliset kustannukset. Suoritus­kykyyn kuuluvat Sirénin mukaan esimerkiksi energiankulutus, ostoenergiantarve, ilmasto­päästöt, sisäolosuhteet ja käyttövarmuus. Kustannuksia ovat investoinnit, elinkaarikustannukset ja energiakustannukset.

– Optimoinnilla löydetään parhaan suorituskyvyn ja alhaisimmat kustannukset yhdistävät ratkaisut.  Eli hyvää ei yleensä saa halvalla, mutta sen sijaan huonoa voi saada kalliilla, Sirén toteaa.

Hän muistuttaa, että rakennus järjestelmineen on erittäin moniulotteinen kokonaisuus, jonka toimintaan ja kustannuksiin vaikuttaa satoja tekijöitä, jotka muodostavat miljoonia tai jopa miljardeja kombinaatioita. 

– Siksi aitoa optimointia voidaan tehdä vain moderneja simulointi- ja optimointityökaluja käyttäen. Optimointi on parhaimmillaan hankkeen alkuvaiheessa. Kun isommat linjat on lukittu ja jäljellä on enää pieniä valintoja, optimoinninkin potentiaali on vähäisempi. Energiaoptimointia ei kannata käyttää venttiilien suunnitteluun.

Kai Sirén sanoo, että vanhalla insinöörilähestymistavalla pääsee rakennuksen energia­suunnittelussa hyviin tuloksiin, mutta energiaoptimoinnilla löydetään parempia ja joskus selvästi parempia ratkaisuja.

Myöskään erilaiset rakennusten ympäristösertifikaatit eivät ole energiaoptimoinnin vaihtoehtoja.

– Ympäristösertifikaattien tekeminen on säänneltyä ja rajoitettua: niissä osoitetaan selvästi ne kohdat, joita parantamalla saa pisteitä. Energiaoptimoinnilla pystyy käymään läpi valtavan määrän vaihtoehtoja, kasvattamaan suorituskykyä ja pienentämään kustannuksia verrattuna normaalisuunnitteluun. Energiaoptimointia voidaan kuitenkin käyttää hyväksi sertifikaatteihin liittyvissä energialaskelmissa.

20 vuotta Suomessa

Energiaoptimointiin liittyviä ajatuksia löytyy kansainvälisistä tutkimuspapereista jo 1980-luvulla. Nykyisen Aalto-yliopiston, entisen Teknisen korkeakoulun LVI-tekniikan laboratoriossa energiaoptimoinnin opetus ja tutkimus alkoi 2000-luvun alussa.

Energiaoptimoinnin opetusta on edelleen vain Aalto-yliopistossa, jossa LVI-tekniikan syventävissä opinnoissa on energiaoptimoinnin pakollinen opintojakso. Jaksoon osallistuu noin 20 opiskelijaa vuodessa.

– Energiaoptimointiin tarvitaan tietty tausta opinnoissa. LVI-opiskelijoiden lisäksi kursseilla voisivat pärjätä sähkö- ja energiapuolen opiskelijat sekä rakennesuunnittelijat, Kai Sirén sanoo.

Energiaoptimoinnin jakson suorittaneilla uusilla diplomi-insinööreillä on valmiudet ottaa energiaoptimointi työkaluksi tukemaan työpaikkansa suunnittelua.

Sirénin mukaan energiaoptimoinnin opetuksen ja tutkimuksen tavoitteena on alusta asti ollut siirtää optimointiosaamista suomalaisiin LVI- ja energiasuunnittelua tekeviin konsulttitoimistoihin. Osaaminen on kuitenkin levinnyt hitaasti.

– LVI-konsulteilla on omat rutiininsa. Energiaoptimoinnista tulisi lisävaihe suunnittelukäytäntöön, ja siihen eivät kaikki halua ryhtyä. On iso työ muuttaa käytäntöjä.

Kai Sirén mainitsee tyytyväisenä, että muutamat Suomen suurimmista talotekniikan suunnittelutoimistoista tekevät energiaoptimointeja säännönmukaisesti.

– Muiden on pakko tulla perästä. Toivon, että energiaoptimointi otetaan yhä laajenevassa määrin käyttöön. Työntekijä, joka osaa tehdä energiaoptimoinnin, pystyy tarjoamaan suunnittelutoimiston asiakkaille paljon enemmän. Siinä on lisäarvoa, joka tuo rahaa taloon jossain vaiheessa.

Energiaoptimoinnin palikat

Energiaoptimointia voidaan Kai Sirénin mukaan toteuttaa monilla erilaisilla työkaluilla. 

– Periaatteessa tarvitaan kolme palikkaa: yksi laskee ja simuloi teknisen ratkaisun suorituskyvyn, toinen laskee kustannukset ja kolmas tekee varsinaisen optimoinnin eli hakee parhaita yhdistelmiä niille rakennuksen rakenteille, teknisille järjestelmille ja järjestelmien ajotavoille, jotka vaikuttavat suoritus­kykyyn ja kustannuksiin.

Sirénin mukaan valmista energiaoptimointityökalujen pakettia ei ole olemassa, vaan optimointi edellyttää aina suunnittelijoiden omaa aktiivisuutta.

Ykköspalikoita eli simulointiohjelmia suunnittelutoimistoissa jo on käytössä muutenkin. Toisen palikan eli investointilaskennan työkaluja voi Sirénin mukaan tarvittaessa koodata itse. Kolmanneksi tarvittavia optimointialgoritmeja on verkossa sekä kaupallisena softana että vapaassa levityksessä.

Suomessa tunnettuja energiaoptimoinnin laskentatyökaluja ovat esimerkiksi VTT:n ja Aalto-yliopiston yhteistyössä kehittämä, moni­tavoiteoptimointiin tarkoitettu MOBO sekä Equa Simulation AB:n IDA ICE.

– MOBO:n kehitys on pysähtynyt, mutta sen vanha versio on yhdistettävissä simulointiohjelmistoihin ja kustannuslaskentaan. Työkaluilla ei ole väliä, osaamisella on. Täytyy ymmärtää, mitä on tekemässä, ja pystyä käsittelemään syntyvää dataa, Kai Sirén sanoo.

Granlundilla arkipäivää

– Energiaoptimointi eri muodoissaan on meillä hyvin arkipäiväistä. Granlund oli aikanaan ensimmäinen toimija, joka toi energiaoptimoinnin työkalut käytännön rakennushankkeisiin, ja olemme siitä lähtien aktiivisesti laajentaneet niin energia­optimoinnin osaamistamme kuin sovellus­kohteita asiakasprojekteissamme. Nykyään energiaoptimoinnin työkalut ovat elimellinen osa meidän energiakonsultointia ja kehitystyötä, Granlund Oy:n toimialajohtaja Ville Reinikainen kertoo.

Granlundin yli sadan energiaosaajan joukosta noin 20 henkilöä työskentelee aktiivisesti energiaoptimoinnin parissa. Energiaoptimointia tehdään uudisrakennus- ja peruskorjauskohteisiin sekä entistä enemmän myös olemassa olevien rakennusten opti­maalisten säätöparametrien määrittelyyn.

– Merkittävin rooli optimoinnilla on haastavissa hybridienergiajärjestelmissä, kun haetaan teknistaloudellisesti parasta ratkaisu­kombinaatiota laajasta joukosta erilaisia toteutusvaihtoehtoja, Reinikainen toteaa.

Granlundilla käytetään energiaoptimointiin MOBO-työkalua yhdistettynä IDA ICE -energiasimulointiohjelmaan. 

– MOBO-työkalu laskee optimaaliset para­metrit rakenteille ja taloteknisille järjestelmille, jolloin pystytään kohtuullisesta ajassa löytämään kustannus- ja energia­tehokkaimmat vaihtoehdot valtavasta määrästä erilaisia suunnitteluratkaisuja. Lisäksi meillä on käytössä itse kehitettyjä työkaluja erikoistapausten analysointiin, Ville Reinikainen sanoo.

Rambollilla Zero-monitavoiteoptimointia

– Rakennuksen tai rakennusalueen energian­käyttöön, elinkaaren hiilijalanjälkeen sekä sisäilmastoon vaikuttaa hyvin moni tekijä. Näiden hallitseminen perinteisellä suunnittelu- ja analyysiprosessilla on haastavaa ja kustannustehotonta. Kehittämällämme Zero­-palvelulla voidaan perinteisen energiaoptimoinnin lisäksi optimoida rakennuksen tai alueen hiilijalanjälkeen ja kustannuksiin vaikuttavia tekijöitä kokonaisuutena, Ramboll Finlandin Älykäs & kestävä rakentaminen -toiminnon johtaja Mika Kovanen kertoo.

Ramboll Finlandilla on Zero-palvelussaan yli 30 energiasuunnittelun ja kestävän rakentamisen asiantuntijaa.

Kovasen mukaan asiakasprojekteissa on Zero-palvelulla saatu aikaan merkittäviä päästövähennyksiä jopa ilman lisäinvestointeja ja samalla tuotettu kiinteistöön parempi sisäilman laatutaso kuin alun perin oli suunniteltu. 

– Teemme energiaoptimointia uudis­rakennus- ja saneeraushankkeisiin ja aluekehityshankkeisiin. Teemme myös hiilineutraaliuskonsepteja, joiden kehityksessä hyödynnämme optimointityökaluja, Kovanen sanoo.

Rambollilla käytetään energiaoptimointiin monia erityyppisiä simulointi- ja analyysityökaluja, esimerkkeinä IDA ICE ja Matlab.

– Yhdistämällä mallinnusohjelmat ja optimointiohjelmistot ja -algoritmit voimme tehdä monitavoiteoptimointia tai jopa brute force -mallintamista eli mallintaa kaikki mahdolliset ratkaisuvaihtoehdot, Mika Kovanen toteaa.

Teksti: Jaana Ahti-Virtanen