Miten automaatiosuunnittelu parantaa kiinteistön energiatehokkuutta?

Automaatiosuunnittelu parantaa energiatehokkuutta sovittamalla talotekniikan toiminnan rakennuksen todelliseen käyttöön. Olennaista ei ole vain se, milloin laitteet käyvät, vaan myös se, millä teholla ne toimivat ja miten niiden ohjaukset vaikuttavat toisiinsa. Energiatehokaskin laite voi kuluttaa tarpeettomasti, jos sen asetusarvot, käyntiajat tai yhteistoiminta muun talotekniikan kanssa eivät vastaa käyttötilannetta.

Automaatiosuunnittelussa energiatehokkuudelle luodaan edellytykset: määritellään mittaukset, ohjausperiaatteet, asetusarvot ja toiminnan todentaminen. Käyttöönotossa tarkistetaan, että toteutus vastaa suunnitelmia. Käytönaikaisessa optimoinnissa ohjauksia puolestaan tarkennetaan toteutuneen kulutus- ja olosuhdetiedon perusteella. Näin suunniteltu toiminta voidaan sovittaa myös rakennuksen käytön muutoksiin.

Energiatehokkuuden kannalta ratkaisevia ovat erityisesti osakuormatilanteet: miten rakennus toimii silloin, kun vain osa tiloista on käytössä tai lämmityksen ja jäähdytyksen tarve muuttuu päivän aikana? Tässä artikkelissa tarkastelemme, mistä automaation energiansäästö syntyy, miten tarpeeton kulutus tunnistetaan ja miksi samat ohjaukset eivät sovi kaikkiin kiinteistöihin. 

Energiansäästö syntyy käyttöajan, tehon ja olosuhteiden yhteensovittamisesta

Tarpeenmukaisuus ja käytönaikainen optimointi ovat keskeisiä kiinteistön energiatehokkuuden parantamisen keinoja. Automaatiosuunnittelussa tämä tarkoittaa rakennuksen jakamista käyttöä vastaaviin ohjausalueisiin sekä sellaisten mittausten valintaa, joiden perusteella järjestelmien toimintaa voidaan muuttaa. Säästömahdollisuuksia kannattaa tarkastella viiden toisiinsa liittyvän tekijän kautta:

• Käyntiaika: vastaako järjestelmän käyttöaika tilojen todellista käyttöä, myös siivouksen ja poikkeavien aukioloaikojen aikana?
• Teho: mukautuvatko ilmavirrat ja lämmitys- tai jäähdytysteho kuormitukseen vai toimivatko ne tarpeettomasti mitoitustilanteen tasolla?
• Asetusarvot: ovatko tavoitelämpötilat ja ohjausrajat keskenään johdonmukaiset?
• Yhteistoiminta: tukeeko ilmanvaihdon ohjaus huonesäätöä? Syntyykö järjestelmien välille tarpeetonta lämmitystä ja jäähdytystä?
• Todentaminen: näkyykö ohjausmuutoksen vaikutus sekä energiankulutuksessa että sisäolosuhteissa?

Yksittäisen ohjauksen vaikutusta ei voi arvioida irrallaan kokonaisuudesta. Esimerkiksi tuloilman lämpötilan muuttaminen voi vähentää ilmanvaihtokoneen lämmitysenergian tarvetta mutta kasvattaa huonetilojen lämmitystarvetta. Siksi säästöä arvioidaan rakennuksen tai tarkasteltavan järjestelmäkokonaisuuden energiankulutuksesta vertailukelpoisella ajanjaksolla. Yhden laitteen hetkellisesti pienempi tehontarve ei yksin osoita energiankulutuksen vähentyneen.

Tarpeenmukainen ohjaus vaatii muutakin kuin aikaohjelman

Aikaohjelma kertoo, milloin tilan oletetaan olevan käytössä. Tarpeenmukainen ohjaus hyödyntää lisäksi kohteeseen soveltuvaa mittaustietoa, kuten huonelämpötilaa, läsnäoloa tai hiilidioksidipitoisuutta. Mittauksen on vastattava siihen tarpeeseen, jota ohjataan: hiilidioksidipitoisuus auttaa arvioimaan henkilökuormasta syntyvää ilmanvaihdon tarvetta, mutta ei yksin kuvaa kaikkia sisäilman epäpuhtauksia. Lämpötilan nousu voi puolestaan johtua ihmisistä, laitteista tai auringon säteilystä, joten ilmanvaihdon lisääminen ei aina ole tarkoituksenmukaisin ratkaisu. Ilmanvaihdon energiansäästöä ei saa tavoitella sisäilman laadun kustannuksella. Suunnittelussa on siksi tarkasteltava erikseen normaalikäyttöä, vähäistä käyttöä ja käyttöajan ulkopuolista tilannetta. Samalla varmistetaan, että ilmavirrat, ilman jakautuminen ja rakennuksen painesuhteet toimivat myös pienennetyllä teholla.

Muuttuvailmavirtaisessa järjestelmässä huoneiden ilmavirtasäätö ja ilmanvaihtokoneen kanavapainesäätö muodostavat yhteisen kokonaisuuden. Jos tilojen ilmavirrat pienenevät mutta kanavapaineen tavoite jää tarpeettoman korkeaksi, säätöpellit joutuvat kuristamaan ylimääräistä painetta. Tällöin puhallinsähköä voi kulua turhaan. Paineen ohjausperiaate ja osakuormatoiminta on siksi tarkasteltava yhdessä ilmavirtojen, ilmanjaon ja painesuhteiden kanssa.

Lämmityksen ja jäähdytyksen ohjaukset sovitetaan yhteen, jotta ne eivät tuota samaan tilaan tarpeettomasti vastakkaisia vaikutuksia. Toimintakuvauksessa kannattaa esittää lämmitys- ja jäähdytysrajat sekä niiden välinen neutraalialue, jolla kumpikaan ei ole aktiivinen. Rakennuksen eri tiloissa voi silti olla perustellusti samanaikainen lämmitys- ja jäähdytystarve. Tavoitteena ei siis ole koko kiinteistön ehdoton lukitus, vaan tilojen ja järjestelmien tarkoituksenmukainen yhteistoiminta.

Kulutus- ja olosuhdetieto paljastavat piilevän energiahukan

Koko rakennuksen kulutusmittaus kertoo, paljonko energiaa kuluu, mutta ei välttämättä sitä, miksi kulutus muuttuu. Hankkeen tavoitteiden mukaan kannattaa arvioida, tarvitaanko erillistä seurantaa esimerkiksi ilmanvaihdon sähkölle, lämmitykselle, jäähdytykselle tai vuokralaisten kulutukselle. Mittauspisteiden määrää tärkeämpää on se, että tiedolla voidaan vastata ennalta määriteltyihin kysymyksiin.

Rakennusautomaatiolla voidaan seurata esimerkiksi huonelämpötiloja, vedenkulutusta ja lämmöntalteenoton toimintaa myös pidemmällä aikavälillä. Vian selvittämistä varten kannattaa sopia trenditallennus eli mittaus- ja ohjausarvojen historiatietojen kerääminen. Esimerkiksi huonelämpötila, sen asetusarvo sekä lämmitys- ja jäähdytysventtiilien ohjaukset samassa aikanäkymässä auttavat selvittämään, mistä poikkeama johtuu.

Trendiseurannan tarkkuus valitaan tutkittavan ilmiön mukaan. Kuukausikulutus voi paljastaa pitkän aikavälin muutoksen, mutta lyhyitä säätöheilahteluja tai tarpeetonta käynnistymistä se ei näytä. Mittaus- ja ohjaustietojen yhteinen aikaleima sekä tarkoituksenmukainen tallennusväli auttavat yhdistämään kulutuspiikin sen aiheuttaneeseen tapahtumaan. Poikkeamahälytys on hyödyllinen vasta, kun sen raja, viive ja käsittelyvastuu on määritelty.

Kulutustavoitteiden todentamiseen sovitaan myös vertailuperuste: tarkastellaanko mitattua kulutusta suhteessa ulkolämpötilaan, käyttöaikoihin vai käyttöasteeseen? Pelkkä kahden kuukauden kulutuslukujen ero ei vielä osoita ohjausmuutoksen vaikutusta, jos sää tai tilojen käyttö on samalla muuttunut.

Energiatehokkuus on todennettava myös osakuormalla ja eri vuodenaikoina

Toimiva käyntikäsky kertoo laitteen käynnistymisestä, mutta ei vielä ohjauksen energiatehokkuudesta. Käyttöönotossa tarkistetaan, että järjestelmä reagoi suunnitellusti kuormituksen ja käyttötilanteiden muutoksiin. Käytön aikana samoja ohjausperiaatteita arvioidaan toteutuneista mittaus- ja kulutustiedoista. Näin toimintakokeet ja jatkuva seuranta täydentävät toisiaan.

Tarkasteltavia tilanteita ovat esimerkiksi aamun käynnistys, vähäinen käyttö, kuormituksen nopea kasvu ja päivän päättyminen. Trendeistä voidaan tutkia, jääkö lisäaikakäyttö päälle, palautuuko ilmanvaihto tehostuksesta normaalitasolle ja rauhoittuvatko lämmitys- ja jäähdytysohjaukset tavoiteolosuhteen saavuttamisen jälkeen. Näin havaitaan toimintatapoja, jotka eivät välttämättä aiheuta käyttäjäpalautetta mutta voivat lisätä kulutusta päivästä toiseen.

Talven pakkasjakso, kevään vaihtelevat lämpötilat ja kesän jäähdytyskausi kuormittavat järjestelmää eri tavoin. Yhtenä vuodenaikana tehty tarkastus ei siksi yksin kerro koko vuoden toiminnasta. Seurannassa huomioidaan myös rakennuksen hitaus: lämmityksen asetusarvon muutos ei näy huonelämpötilassa välittömästi, ja liian tiheät korjausliikkeet voivat saada säädön heilahtelemaan tavoitteen molemmin puolin.

Hoivakotien ja liiketilojen automaatio suunnitellaan eri käyttötilanteisiin

Kiinteistön käyttötarkoitus määrittää, mistä energiaa voidaan säästää ja mitä olosuhteita on ylläpidettävä jatkuvasti. Hoivakodissa säästö painottuu jatkuvan käytön aikaiseen optimointiin, kun taas liiketiloissa korostuvat myös vaihtelevat aukioloajat ja vuokralaisten erilaiset kuormitukset. Sama yö- tai poissaolo-ohjaus ei siksi sovellu kaikkiin tiloihin.

Hoivakodit: jatkuva käyttö edellyttää tilakohtaisia ohjauksia

Hoivakodeissa toimintaa on ympäri vuorokauden, joten energiatehokkuutta ei voida rakentaa koko kiinteistön yhteisten käyttöaikojen tai käyttökatkojen varaan. Hoivakotien talotekniikan erityispiirteet huomioimalla energiankulutusta voidaan kuitenkin optimoida tilojen todellisen käytön mukaan. Esimerkiksi rakennusautomaatiolla voidaan ohjata ilmanvaihtoa, lämmitystä, jäähdytystä ja muita järjestelmiä niin, että tarvittavat olosuhteet säilyvät ilman turhaa energiankulutusta. Kesäajan lämpötilanhallinnassa tarkastellaan yhdessä aurinkokuormia, ilmanvaihtoa ja jäähdytystarvetta. Jatkuva käyttö tekee myös pienestä säätövirheestä merkityksellisen: ylimääräistä kulutusta kertyy pitkältä käyttöajalta.

Toimitilat: käyttöajat, vuokralaisrajat ja muuntojoustavuus ratkaisevat

Toimitiloissa asiakasmäärät, valaistuksen tarve, laitteiden käyttö ja aurinkokuormat voivat vaihdella paljon tilojen ja vuorokaudenaikojen mukaan. Siksi toimitilojen talotekniikan erityispiirteet huomioivassa suunnittelussa korostuu järjestelmien tilakohtainen ja tarpeenmukainen ohjaus. Yhden vuokralaisen myöhäinen aukiolo voi kasvattaa tarpeettomasti koko rakennuksen energiankulutusta, jos ohjausalueet eivät mahdollista rajattua lisäaikakäyttöä. Tilakohtainen ohjaus auttaa kohdistamaan ilmanvaihdon ja lämpötilanhallinnan sinne, missä tarve syntyy. Vuokralaisen vaihtuessa myös aikaohjelmat, kuormitusoletukset ja asetusarvot on syytä tarkistaa, sillä aiemman käyttäjän toimintaan sopinut ohjaus ei välttämättä ole enää energiatehokas.

Energiatehokkuus syntyy ohjausten laadusta

Jokaiselle anturille, integraatiolle ja tallennettavalle tiedolle kannattaa nimetä käyttötarkoitus. Jos tietoa ei hyödynnetä ohjauksessa, toiminnan todentamisessa tai ylläpidossa, lisätekniikan tarpeellisuus on syytä arvioida. Toisaalta hankintahinnasta säästetty mittaus voi vaikeuttaa myöhemmin ongelman paikantamista. Tarkoituksenmukainen kokonaisuus löytyy vertaamalla ratkaisua rakennuksen käyttöön ja ylläpidon valmiuksiin.

Energiatehokkaan automaation tunnusmerkit:

• Käyntiajat ja ohjausalueet vastaavat rakennuksen ajantasaista käyttöä.
• Järjestelmät mukautuvat osakuormaan sisäolosuhteita heikentämättä.
• Lämmitys, ilmanvaihto ja jäähdytys eivät aiheuta tarpeetonta vastakkaista toimintaa.
• Mittaus- ja ohjaustiedoista voidaan selvittää poikkeavan kulutuksen syy.
• Ohjausten vaikutus todennetaan vertailukelpoisesta kulutus- ja olosuhdetiedosta.

Automaatiosuunnittelun arvo näkyy siinä, että rakennus tuottaa tarvittavat olosuhteet ilman tarpeetonta energiankäyttöä myös käyttötilanteiden muuttuessa. Säästöä ei siksi voi päätellä anturien määrästä tai valvomon ominaisuuksista. Ratkaisevaa on, miten luotettava mittaustieto muuttuu yhteensopiviksi ohjauksiksi ja miten niiden vaikutus varmistetaan käytössä.