Helsingin Kalasatamassa on käynnissä kerrostalotyömaa, jossa haetaan ratkaisua kahteen merkittävään ongelmaan: ilmastonmuutokseen ja sähkön hintavaihteluun.
Rakennus on eräänlainen mittatikku siitä, kuinka energiatehokkaan talon voi rakentaa tämän päivän tekniikalla ja rakennusmääräyksillä. Se on osa EU-hanketta, jossa tavoitellaan energiapositiivisten talojen rakentamista Suomen lisäksi Itävallassa, Belgiassa ja Espanjassa.
Energiapositiivinen rakennus tuottaa vuoden aikana enemmän energiaa kuin se kuluttaa. Vaikka yritys on kova, Kalasatamassa tätä tavoitetta ei saavuteta kylmän ilmaston ja naapuritalojen varjostuksen takia.
Aurinkopaneelit kuittaavat melkein kiinteistön energiankulutuksen
Kalasataman talo hillitsee ilmastonmuutosta tuottamalla vuoden aikana melkein yhtä paljon energiaa kuin kiinteistö kuluttaa. Aurinkosähköä ja -lämpöä syntyy siis lähes yhtä paljon kuin rakennuksen lämmitys, jäähdytys, valaistus ja muu talotekniikka kuluttavat.
Taloa voi sanoa melkein nollaenergiataloksi, mutta vain jos mukaan ei lasketa asukkaiden ja alakerran yritysten omaa sähkönkäyttöä.
Kotien lämpötila ei juuri heilahtele, vaikka lämmitys poimii halvat tunnit
Sähkön hinnan vaihteluihin talo vastaa siten, että automaatiojärjestelmä pyörittää lämpöpumppuja juuri silloin, kun se on järkevintä. Talon aivot seuraavat talon eri osien lämpötilaa sekä ennusteita säästä ja sähkön tuntihinnoista.
Lattialämmitteisen betonitalon valtti on se, että se varastoi lämpöä pitkään.
– Olen sanonut joskus puolittain vitsillä, että tätä voi lämmittää miten sattuu – tänään, huomenna tai muutaman päivän päästä, kehaisee lämmitysjärjestelmästä vastaavan Tom Allen Seneran teknologiajohtaja Mika Manner.
Rakennuttamisesta vastaavan Bassotalojen toimitusjohtaja Jukka Lehtonen puhuu hieman maltillisemmin: talo voidaan lämmittää halvalla yösähköllä ja pitää lämmitys pois päältä päivällä, kun sähkö on yleensä kalliimpaa.
– Betonitalo ei ehdi päivän aikana jäähtyä juuri ollenkaan, Lehtonen sanoo.
Veden lämmitys ei ole yhtä joustavaa, vaan lämminvesivaraajiin mahtuu suurin piirtein yhden aamun tai illan tarpeita vastaava määrä vettä.
Energiankulutuksen puolittaminen käy edullisesti, mutta sitten hinta pomppaa
Kerrostalon työmaa näyttää ohikulkijan silmissä varsin tavanomaiselta, eikä ihme. Talossa on näet aivan tavanomainen betonirunko, eikä esimerkiksi seiniin ole laitettu eristettä yhtään normaalia enempää.
– Nykynormien mukaisten seinien kautta ei lämpöä juuri karkaa. Ja kun on huippuunsa viritetty lämmöntuotto, lisäeristyksellä ei olisi saatu juurikaan lisäsäästöä, Bassotalojen toimitusjohtaja Jukka Lehtonen sanoo.
Kalasataman rakennuksessa energiatehokkuus ei tulekaan siitä, että talo kuluttaisi lämpöä merkittävästi normaalitaloa vähemmän. Pihistelyä on vain se, ettei taloon tule yhteistä saunaa – toisin kuin samassa urakassa rakennettavaan naapuritaloon.
Paukut on laitettu siihen, että tarvittava lämpö tuotetaan mahdollisimman pienellä määrällä sähköä. Siitäkin huolimatta energian tarve on sen verran suuri, että auringonpaisteen kannalta hankalasti sijoitettuun rakennukseen tarvitaan myös kalliita erikoispaneeleita.
Rakennusta on suunniteltu ja sen toimintaa mallinnettu poikkeuksellisen tarkasti muun muassa Teknologian tutkimuskeskus VTT:n kanssa. Yksi selkeä tulos on se, että ostoenergian vähentäminen kallistuu merkittävästi tavoitteiden kasvaessa.
– Jos ajatellaan nykynormien mukaista taloa, sen energiankulutus voidaan pudottaa puoleen aika helposti ja pienin kustannuksin. Jos pudotetaan neljännekseen, se vaatii jo huomattavasti lisää panostuksia. Jos pudotetaan nollaan, silloin vaaditaan jo rakennuspaikaltakin sitä, että on riittävästi esimerkiksi aurinkoenergiaa saatavilla, Lehtonen sanoo.
Vähällä sähköllä paljon lämpöä
Rakennuksen edistyksellisyys kaikuu taloyhtiön sisäpihalla, jossa pora jyskyttää lämmitysjärjestelmän ydintä eli maalämpökenttää.
Talon lämmitysjärjestelmä tuottaa keskimäärin neljä wattituntia lämpöä jokaista kuluttamaansa sähköwattituntia kohden. Sen energiatehokkuutta kuvaava hyötysuhde (COP) on siis 4.
Kalasataman talossa energiatehokkainta on tilojen lämmitys, jonka hyötysuhde on 5,5.
Kalasatamassa energiatehokkuuden takana on kaksi asiaa, jotka ovat lämpöpumppumatematiikan ytimessä.
Ensinnäkin lämpöpumpuille tuleva neste on tavanomaista lämpimämpää. Toiseksi lämpöpumpuilta lähtevän veden lämpötila on tavanomaista viileämpää.
Tähän tarvitaan useita palasia, joiden yhteensovittaminen on tehtävistä hankalin.
Lämmityksen perustana syvä ja tiheä maalämpökenttä
Lämmitysjärjestelmän peruskivi on syvä maalämpökenttä. Perinteisesti maalämpökaivot ulottuvat 300 metrin syvyyteen, jossa kallion lämpötila on noin kuusi astetta. Kalasatamassa porataan 600 metriin, jossa lämpötila on noin 12 astetta.
Korkeampi lämpötila ei tule ilmaiseksi, sillä kaivometrin hinta nousee sitä mukaa, mitä syvemmälle mennään. Kaksi 300-metristä kaivoa on halvempi porata kuin yksi 600-metrinen.
– Kalasatamassa kaivometrejä tulee vähän reilusti. Niistä voisi ehkä tinkiä 10–20 prosenttia, mutta nyt pelataan varman päälle, sanoo Tom Allen Seneran Mika Manner.
Kallio on pikemminkin lämpövarasto kuin lämmön lähde
Lämpökaivojen syvyyttä merkittävämpää on se, miten Kalasataman kalliota käytetään. Se on pikemminkin lämmön varasto kuin lämmön lähde.
– Varastoinnin takia olisimme voineet tehdä myös enemmän, mutta matalampia kaivoja. Olisimme säästäneet hieman kustannuksissa, mutta halusimme ottaa lämpökaivotekniikassa askeleen eteenpäin, Manner sanoo.
Kalasatamassa lämpöä otetaan maan lisäksi ilmanvaihdosta, jäähdytyksestä ja osasta aurinkopaneeleja.
Kesäaikana ja välikausillakin lämpöä syntyy päivisin reilusti enemmän kuin talo tarvitsee. Tällöin ylimääräinen lämpö ladataan maahan. Jos sähkö on todella halpaa, maahan pumpattavaa lämpöä voidaan vielä kuumentaa lämpöpumpuilla.
Perinteisessä maalämpöjärjestelmässä lämpökaivoista otetaan lämpöä vuosittain noin sata kilowattituntia (kWh) kaivometriä kohden. Kalasatamassa kaivosta otetaan lämpöä vain kymmenen kWh/m enemmän kuin mitä sinne ladataan.
Järjestelmä siis jäähdyttää kalliota kymmenen kertaa tavanomaista vähemmän.
Tämän kaiken lopputulos on se, että lämpöpumpuille tuleva neste on Mannerin ennakkoarvion mukaan keskimäärin 12–15-asteista. Maalämpöjärjestelmien tyypillinen vuosikeskiarvo on viisi astetta.
Talo tarvitsee vain harvoin kuumuutta – yleensä riittää lämpö
Jos energiatehokkuuden ensimmäinen kulmakivi on se, että lämpöpumput saavat mahdollisimman lämmintä nestettä, toinen on, että lämpöpumpulta lähtevän veden ei tarvitse olla kovinkaan kuumaa.
Siksi Kalasataman kerrostalossa on lattialämmitys, kuten monissa muissakin uusissa rakennuksissa. Sen etu lämmityspattereihin on se, että lämmitysveden ei tarvitse olla kovillakaan pakkasilla kuumaa. Lattialämmityksessä riittää 40-asteinen vesi, kun vanhan talon lämmityspatterit vaativat yli 60-asteista vettä.
Myös ilmanvaihdon tuloilman lämmityksessä on tehty hieman samantapainen ratkaisu. Lämmönvaihtimet ovat huomattavasti tavanomaista suuremmat, jolloin niille riittää 30–35-asteinen lämmitysvesi, kun normaalisti voidaan tarvita jopa 70-asteista vettä.
Näin huoneistojen lämmityksen hyötysuhteen pitäisi nousta 5,5:een. Vertailun vuoksi: hyötysuhde on 3,5 tyypillisesti talossa, jossa on vesikiertoiset patterit ja pelkkään maalämpöön perustuva järjestelmä.
Käyttöveden lämmityksessä tuoreinta tekniikkaa
Huoneilmaa huomattavasti hankalampi pala on käyttöveden lämmitys, koska sen pitäisi olla 55–60-asteista legionellabakteerin ehkäisemiseksi.
Tässä on kenties koko Kalasataman rakennuksen edistyksellisin ja herkin osuus.
Lämmitysjärjestelmästä vastaavan Tom Allen Seneran Mika Manner on itse kehittänyt vuosien ajan menetelmää, jossa käyttövesi lämmitetään useammassa vaiheessa.
Tavanomaisesti käyttöveden lämmitys tehdään kokonaan 60-asteisella vedellä, jolloin hyötysuhde jää kolmeen.
Kalasatamassa hyötysuhde on 4,5, kun käyttövesi lämmitetään useassa vaiheessa kymmenen astetta kerrallaan. Ensimmäisessä vaiheessa käytetään haaleaa vettä, jolloin hyötysuhde on erittäin korkea. Vasta viimeisessä vaiheessa käytetään 60-asteista vettä, jolloin hyötysuhde on heikko.
Lämmitys tehdään siis keskimäärin 35-asteisella vedellä tavanomaisen 60 asteen sijaan.
Lämpimän veden kierto syö sähköä enemmän kuin tilojen lämmitys
Lämmöntuotannon virittely viimeisen päälle eri osissa taloa aiheuttaa kaksi mielenkiintoista ilmiötä Kalasataman talon energialaskuihin.
Ensinnäkin varsinainen lämmön tuotanto kuluttaa jo vähemmän sähköä kuin LVI-järjestelmän pyörittäminen eli esimerkiksi ilmanvaihto ja veden pumppaaminen.
Toiseksi tilojen lämmitys kuluttaa korkean hyötysuhteen takia vähiten sähköä, vaikka lämpöenergiaa tarvitaan huomattavasti enemmän kuin lämpimän käyttöveden kiertoon.
Lämmitykseen käytettävästä sähköstä jo noin kolmannes kuluu lämpimän käyttöveden kiertoon, jota ei voi vähentää oikein mitenkään. Siihen ei vaikuta suihkujen lyhentäminen tai huonelämpötilojen laskeminen.
Lämmin vesi nimittäin kiertää jatkuvasti vesiputkissa, jottei se pääsisi jäähtymään esimerkiksi yöllä, kun asukkaat eivät sitä käytä. Näin asukkaat saavat aamuisinkin nopeasti lämmintä vettä eikä legionellabakteeri pääse lisääntymään putkistossa.
Tämä tarkoittaa sitä, että lämpöpumpun pitää jatkuvasti kuumentaa 50–52-asteisena putkistosta palaavaa vettä 55–60-asteiseksi. Siihen tarvitaan 60-asteista vettä, jolloin hyötysuhde jää kolmeen.
Teknologiajohtaja: ”Totta kai jännittää”
Kalasataman talon on määrä valmistua ensi kesänä, ja silloin nähdään, kuinka hyvin energiapalapelin osat loksahtavat kohdalleen.
Tarkoitus olisi, että samankaltainen järjestelmä voitaisiin jatkossa ottaa käyttöön laajemmin rakentamisessa. Näin vaikutus energiantuotannon päästöihin voisi kasvaa merkittäväksi.
Tom Allen Senera asensi ensimmäisen käyttöveden vaiheittaiseen lämmittämiseen perustuvan laitteiston Nokialle vuonna 2017. Noihin aikoihin teknologiajohtaja Mannerin joka-aamuinen rutiini oli kuitata kaikki laitteiston virheilmoitukset yön ajalta.
Nykyisin hän saa nukkua yönsä rauhassa, aloittaa päivän aamupalalla ja viettää viikonloppuja.
Tarkoitus olisi, ettei Kalasataman pilottikohdekaan pilaa tätä arkijärjestystä ja että laskelmat energiatehokkuudesta pätevät myös todellisuudessa.
– Totta kai jännittää, Manner sanoo ja naurahtaa.
Toivottavasti hän sanoo tämänkin puolittain vitsillä.
Juttua varten on haastateltu myös VTT:n vanhempaa tutkijaa Ismo Heimosta.
Korjaus 19.1. kl 12:30: Kalasataman lämpökaivosta otetaan vuosittain kaivometriä kohden energiaa 10 kilowattituntia enemmän kuin sinne vuoden aikana ladataan. Tavanomainen maalämpökohde ottaa energiaa 100 kWh/m. Jutussa puhuttiin alunperin virheellisesti megawattitunneista (MWh). Yksi megawattitunti on tuhat kilowattituntia.
Mitä ajatuksia juttu herätti? Keskustelu on auki keskiviikkoon 18. tammikuuta kello 23:een asti.