Kaukolämmitys on merkittävien muutosten edessä

Moni meistä asuu kaukolämmitetyssä asunnossa. Arjessa ei välttämättä tule ajatelleeksi, miten vaivattomasti asunto lämpiää; lämpökatkot ovat harvinaisia ja lyhytkestoisia eivätkä juurikaan vaikuta mukavuuteen. Lämmityksestä muistuttavat vain radiaattorit ja termostaattiset patteriventtiilit, joihin ei välttämättä tarvitse edes koskea miellyttävän sisälämpötilan ylläpitämiseksi. Lähivuosina kaukolämmitys on kuitenkin merkittävien muutosten edessä.

satu_rinat

Kaukolämmityksellä on pitkä historia. Maailmalla ensimmäiset järjestelmät toteutettiin jo 1800-luvun lopussa. Suomessa esimerkiksi Helsingissä ja Espoossa kaukolämmön jakelu alkoi 1950-luvulla. Vielä tänäänkin suurin osa kaukolämmöstä tuotetaan joko lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksissa tai erillisissä lämpökeskuksissa. Kehitys kulkee kuitenkin nykyisestä kolmannen sukupolven kaukolämmityksestä kohti neljännen sukupolven kaukolämmitysjärjestelmää. Pitkäaikaisena trendinä on ollut, että siirryttäessä kaukolämmön seuraavaan sukupolveen samalla kaukolämmityksen energiatehokkuus on parantunut ja veden lämpötilatasot ovat madaltuneet.

Kaukolämpöä tuotetaan yhä enemmän uusiutuvista energialähteistä ja erilaisista hukka- ja jätelämmöistä, jotka muuten jäisivät hyödyntämättä. Esimerkiksi viime aikoina on rakennettu monia datakeskuksia, joiden konesalit tuottavat paljon lämpöä. Tällaista hukkalämpöä on jo alettu hyödyntää kaukolämmönlähteenä. EFEU-tutkimushankkeen esimerkkilaskelmissa hiilidioksidipäästöt pienenivät puoleen, kun viidennes tarkastelualueen kaukolämmityksestä tuotettiin datakeskuksen hukkalämmöllä.

Kohti muuttuvia markkinoita

Myös kaukolämpömarkkinat muuttuvat. Avoimella kaksisuuntaisella kaukolämpöverkolla tarkoitetaan kaukolämpöverkkoa, joka sekä jakaa kaukolämpöä kuluttajille että mahdollistaa sen, että asiakkaat tai erilliset lämmöntuottajat voivat myydä verkkoon ylijäämälämpöä tai muuten tuottamaansa kaukolämpöä. Tällöin esimerkiksi aurinkolämmön tai suurten maalämpöpumppujen osuus kaukolämmön tuotannosta voi nousta merkittävästikin. EFEU-projektissa havaittiin, että kun aurinkolämpöä ja maalämpöä lisättiin eniten kahdenkymmenen vuoden tarkastelujaksolla, keskitetysti tuotetun lämmöntarve pieneni 34 % samassa ajassa.

Avoimessa kaukolämmityksen tuotantorakenteessa myös toimijat muuttuvat. Jonkun täytyy ottaa vastuu lämpökaupasta ja siihen liittyvästä tuotannon ja kysynnän hallinnasta. On ratkaistava, millä ehdoilla ja  teknisillä ratkaisuilla kauppa on mahdollista, miten huippukulutustarve katetaan kaikissa olosuhteissa ja miten investoinnit toteutetaan.

Kaukolämpöveden lämpötilatasojen laskiessa kotien lämmitysjärjestelmiä on tarpeen päivittää. Uusimmat järjestelmät ovat ns. matalalämpöjärjestelmiä, jolloin esim. radiaattorit ovat nykyistä suurempia. Muutokset voidaan toteuttaa muun peruskorjauksen yhteydessä, jolloin ne tulevat halvemmiksi kuin erikseen tehtyinä. Silloin talon lämmitysjakelujärjestelmä olisi valmis joko omalle uusiutuvalle järjestelmälle tai uudelle verkolle – hyvä, kun on vapaus valita.

Tulevaisuudessa verkko-operaattori saattaa myös kannustaa asiakkaita (esim. tariffeilla) mahdollistamaan valmiuden liittyä matalalämpötilaverkkoon. Verkonhaltijan kannalta verkon lämpötilan pienentäminen avaa verkolle uusia markkinoita, kuten mahdollisuuden ostaa ja hyödyntää halpaa jätelämpöä. Lisäksi verkkoon voivat palata tai liittyä ”vanhan kaukolämpöverkon” alueella sijaitsevat aikaisemmin verkosta eronneet energiakorjatut talot ja uudet talot, joissa on oma lämmitystuotanto, ja jotka eivät olleet kytkettyinä verkkoon. Käytännössä talojärjestelmien muutokset tapahtuvat kuitenkin vaiheittain ja alkuun näkyvät vain uusilla kaukolämpöalueilla.

EFEU-tutkimushanke

Energiajärjestelmäskenaariot toteutettiin CLIC Innovation Oy:n koordinoimassa Energian tehokas käyttö (EFEU) -tutkimusohjelmassa. Skenaarioissa tutkittiin aurinkolämmön ja maalämpöpumppujen lisäämisen, teollisen jätelämmön hyödyntämisen sekä maltillisen kuluttajalämmöntuottajan energia- ja päästövaikutuksia. Näitä vaihtoehtoja tarkasteltiin tapaustutkimuksena Keski-Uudenmaan kaukolämpöverkossa.

Julkaisu ”Tulevaisuuden energiatehokkaiden alueellisten energiajärjestelmien näkymiä” englanniksi ”Visions for future energy efficient district energy systems” sähköisesti: http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T277.pdf

Raportti kuvaa tulevaisuuden energiajärjestelmien visioita ja kaukolämpöön liittyvien järjestelmien nykytilaa Suomessa. Julkaisussa kuvataan tulevaisuuden liiketoimintaan ja palveluihin liittyviä haasteita ja tarpeita sekä skenaarioita.

Satu Paiho, erikoistutkija

Rinat Abdurafikov, tutkija

Major changes ahead for district heating

Many of us live in apartments that are warmed by district heating. In our daily lives, it doesn’t necessarily occur to us how effortlessly our apartments are warmed and that breaks in heating are rare, brief and barely affect our comfort. Radiators and thermostatic radiator valves, which we don’t even need to touch to maintain a pleasant indoor temperature, are all that remind us of heating. However, district heating will most likely undergo major changes over the next decade.

satu_rinat

District heating has a long history. The world’s first systems were implemented at the end of the 1800s. In Finland, the distribution of district heating began in places such as Helsinki and Espoo in the 1950s. Most district heating is still produced by either combined heat and power plants, or separate heating plants. However, the trend is shifting from the current third-generation district heating towards fourth-generation district heating systems. The long-term trend has seen improvements in the energy efficiency of district heating and a fall in water temperature levels during the transition to the next generation.

District heating is more and more often being produced from renewable energy sources and various types of waste heat, which would otherwise remain unused. For example, several data centres have recently been built whose facilities generate a great deal of heat. Waste heat of this kind is already being used as a source of district heating. In the sample calculations for the EFEU research project, carbon dioxide emissions were reduced by half, while a fifth of the district heating produced for the studied area comprised waste heat from the data centre.

Towards changing markets

The district heating markets are also changing. An open, two-way district heating network means one that both distributes district heating to consumers and enables customers or individual heat producers to sell their surplus or other generated heat to the network. This could mean a major increase in the share of, say, solar power or large thermal heat pumps in district heat production. In the EFEU project, it was observed that, since solar and geothermal heat saw the biggest increase during the twenty-year study period, the need for centrally produced heat fell by 34%.

In an open district heating production structure, the operators will also change. Someone must take responsibility for the trade in heat and the related production and demand management. It must be decided under what terms and with what technical solutions trade can be made possible, how demand during peak consumption can be met in all circumstances and how investments will be made.

As the temperature levels of district heating water fall, household heating systems will have to be upgraded. The latest systems are so-called low-temperature systems, whose radiators – for example – are bigger than the current ones. Changes can be implemented during other renovations, which makes them cheaper than when done separately. A building’s heating distribution system would then be ready for either the person’s own renewable energy system, or for the new network – freedom to choose is a blessing.

In the future, network operators may also encourage customers (by using tariffs, for example) to prepare for connection to a low-temperature network. For network operators, lowering the network temperature will open up new markets, such as the possibility to buy and utilise cheap waste heat. In addition, energy-renovated buildings previously disconnected from the network in an ‘old district heating network’ area could reconnect, or new buildings with their own heat production could be connected for the first time. In practice, however, changes in buildings’ systems will occur in stages and only in new district heating areas to begin with.

EFEU research project

Energy system scenarios were created via the Efficient Energy Use (EFEU) programme coordinated by CLIC Innovation Ltd. The scenarios involved research on increasing the use of solar heat and geothermal heat pumps, industrial waste heat recovery, and the impact on energy and emissions of small-scale producers selling heat to consumers. These options were explored in a case study of the Central Uusimaa district heating network.

The publication, ”Visions for future energy efficient district energy systems”, is available online at: http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2016/T277.pdf

The report sets out visions of the energy systems of the future and the current status of systems connectible to district heating in Finland. The publication describes the challenges, needs and scenarios related to future business activities and services.

Satu Paiho, Senior Scientist

Rinat Abdurafikov, Research Scientist

Local energy systems have a host of advantages

By the end of 2020, all new buildings must be almost zero-energy. This means buildings that consume very little energy. In addition, the energy required should be renewable as far as possible. Where this renewable energy would best and most sensibly produced is up for grabs. If the energy is produced locally to fulfil, say, the needs of entire neighbourhoods, huge benefits can be reaped without placing unreasonable demands on single buildings.

A range of zero energy solutions have been proposed and analysed by the international scientific literature, but few have been implemented. In my opinion challenges in implementation, such as high costs or complex system solutions, may be the reason for this. The more systems there are, the more demanding their use and maintenance is. Such barriers are lowered if zero-energy areas replace zero-energy buildings.

Local renewable energy sources can be chosen in order to improve an area’s energy self-sufficiency and emission reduction. In densely built areas, it makes sense to design buildings that serve as an effective part of the local energy system. For example, solar energy systems can be placed optimally with respect to the entire area, to avoid shade due to differences in altitude, or to trees or other buildings. In Germany, solar thermal collectors intended for residential heating are installed e.g. as roadside sound barriers and roofs for parking facilities.

Sweden, Denmark, Germany and Canada implemented local, solar thermal systems combined with district heating and seasonal storage years ago. Pilots for the seasonal thermal energy storage (STES) of solar energy on a local basis are few and far between in Finland, despite demonstrations by international studies that the utilisation level of solar energy can exceed 50% of the annual local heat requirement in similar climate zones. STES can also be enhanced through the more effective use of a variety of waste heat solutions, such as excess heat from data centres.

Greater use could be made of local renewable energy, waste heat and heat storage if district heating networks were opened out to a range of heat producers. This has been done in Stockholm. New players and competition thereby enter the heat production market. At the same time, energy flows can be recycled and local energy efficiency improves.

A recently completed study by VTT presents options for heat and power generation based on local energy systems. Energy needs and ‑production on Vartiosaari in Helsinki were explored as a case area. The project studied the impact of introducing solar thermal energy on local self-sufficiency and emissions from heating energy, if excess solar heat in the summer is stored using BTES (borehole thermal energy storage) or tank-based storage for use in the winter. Around 60% self-sufficiency in heat production would have been achieved in the cases studied. In addition, carbon dioxide emissions could be reduced by around 50%, and sulphur dioxide and particulate emissions by up to 70%.

Satu Paiho

Senior Scientist

Read the publication “Paikallista energiaa asuinalueella – Esimerkkinä Helsingin Vartiosaari” online.

Alueellisissa energiajärjestelmissä on paljon etuja

Vuoteen 2020 mennessä kaikkien uusien rakennusten tulee olla lähes nollaenergiarakennuksia. Tämä tarkoittaa, että rakennukset kuluttavat hyvin vähän energiaa. Lisäksi tarvittava energia tulisi mahdollisimman pitkälle tuottaa uusiutuvalla energialla. On tulkinnanvaraista, missä tämä uusiutuva energia pitäisi tuottaa ja missä sitä olisi järkevä tuottaa. Jos tämä energia tuotetaan aluetasolla esimerkiksi kokonaisten asuinalueiden tarpeisiin, voidaan saavuttaa monia etuja eikä yksittäisille rakennuksille aseteta kohtuuttomia vaatimuksia.

Kansainvälisessä tieteellisessä kirjallisuudessa on ehdotettu ja analysoitu lukuisia erilaisia nollaenergiaratkaisuja, mutta vain joitakin on toteutettu. Mielestäni tämä saattaa viitata haasteisiin toteutuksessa, kuten korkeisiin kustannuksiin tai monimutkaisiin järjestelmäratkaisuihin. Mitä enemmän järjestelmiä on, sitä vaativampaa on niiden käyttö ja ylläpito. Tällaiset esteet vähenevät, jos nollaenergiarakennusten sijasta toteutetaan nollaenergia-alueita.

Alueen energiaomavaraisuuden parantamista ja aiheutuvien päästöjen pienentämistä voidaan tukea valitsemalla paikallisia uusiutuvia energianlähteitä. Tiiviillä alueilla on mielekästä suunnitella rakennukset toimimaan tehokkaana osana alueellista energiajärjestelmää. Tällöin esimerkiksi aurinkoenergiajärjestelmät voidaan sijoittaa koko alueen kannalta optimaalisiin paikkoihin välttäen korkeuserojen, puiden tai muiden rakennusten aiheuttamat varjostukset. Saksassa asuinalueen lämmitykseen tarkoitettuja aurinkolämpökeräimiä on sijoitettu esimerkiksi teiden varsille äänivalleihin ja parkkipaikkojen katteeksi.

Ruotsissa, Tanskassa, Saksassa ja Kanadassa on jo vuosia sitten toteutettu alueellisia aurinkolämpöjärjestelmiä yhdistettynä kaukolämmitykseen ja kausivarastointiin. Suomesta puuttuvat lämpöenergian alueellisen kausivarastoinnin pilotit, vaikka kansainvälisten tutkimusten mukaan vastaavilla ilmastovyöhykkeillä aurinkoenergian hyödyntämisaste voi kausivarastoinnilla nousta jopa yli 50 %:iin vuosittaisesta alueellisesta lämmöntarpeesta. Kausivarastoinnilla voidaan myös tehostaa erilaisten jätelämpöjen, esimerkiksi datakeskusten ylilämmön, hyödyntämistä nykyistä paremmin.

Alueellisen uusiutuvan energian, jätelämpöjen ja lämmönvarastoinnin hyödyntäminen tehostuu, jos kaukolämpöverkot avataan eri lämmöntuottajille. Näin on tehty Tukholmassa. Tällä tavalla lämmöntuottajiksi saadaan uusia toimijoita ja kilpailua. Samalla energiavirtoja voidaan kierrättää ja alueellista energiatehokkuutta parantaa.

Hiljattain päättyneessä VTT:n tutkimuksessa esitetään alueellisten energiajärjestelmien energiantuotantovaihtoehtoja. Case-alueena tarkasteltiin Helsingin Vartiosaaren energiantarpeita ja ‑tuotantoa. Projektissa selvitettiin aurinkolämmön lisäämisen vaikutuksia alueen lämpöenergian omavaraisuusasteeseen ja päästöihin, jos kesällä tuotettu ylimääräinen aurinkolämpö varastoidaan porareikä- tai säiliövarastoon käytettäväksi talvella. Tarkastelluilla tapauksilla alueen lämmön tuotannossa olisi saavutettavissa noin 60 %:n omavaraisuusaste. Samalla hiilidioksidipäästöjä voidaan vähentää noin 50 % ja rikkidioksidi- ja pienhiukkaspäästöjä jopa 70 %.

Satu Paiho

Erikoistutkija

Julkaisu ”Paikallista energiaa asuinalueella – Esimerkkinä Helsingin Vartiosaari”  

It is more sensible to renovate entire residential districts than individual buildings

According to Statistics Finland, there are more than 20,000 blocks of residential flats in Finland built between 1960 and 1979, which have a total of approximately 0.5 million apartments with permanent residents. Within the next 10 years, many housing companies will face different repair needs as the structures and technical systems begin to show signs of deterioration. In connection with such repairs, it is also natural to consider energy-efficiency improvements to the buildings.

Ecological energy efficiency will be faster and cheaper by means of district renovation

With a view to energy efficiency, it would be advisable to repair entire residential districts rather than individual buildings. This would include renovating both the buildings and the adjacent energy, water and waste management infrastructures. This is the only way of ensuring that the building-specific measures aimed at improving energy efficiency would also affect the entire residential district and its energy production. If renovation is limited to an individual building, that particular site may save energy and water, but the measures will not necessarily have any impact on the energy production and water needs within the district.

Residential districts typically have many building characteristic of a specific era, and the renovation solutions needed are therefore quite similar. Even though there is a wide range of different renovation techniques, and new ones are being developed all the time, elevating the prefabrication level of renovation solutions would speed up the process significantly. This would also require the development of renovation processes, practices and services. When moving from one staircase and building to the next, it would speed up the renovation work if the same solutions could be employed extensively in similar buildings and lessons could be learned from earlier sites and their repairs applied to the next. This would also lower the price of renovation construction.

Often, when examining the emissions caused by heating and other energy consumption of buildings, the focus is only on carbon dioxide emissions, even though they constitute only part of the harmful emissions. However, when the impact of renovation on the harmful emissions of energy production is examined at district level, the conclusions drawn may differ from those that would seem most sensible for an individual building. For example, it is usually more advantageous to use renewable energy in district solutions than in building-specific solutions.

The idea of demolishing and reconstructing old buildings rather than renovating them to meet the current requirements emerges in public debates every now and then. In scientific literature, relatively few comparisons have been made between renovation of buildings and demolition and reconstruction. However, examples from Western Europe show that, from the viewpoint of sustainable development, demolition and reconstruction can only be recommended if the buildings are in extremely poor condition.

New operating methods are required – decision-making is a challenge

District renovation requires new operating methods from the actors involved. From society’s point of view, district-level energy renovation has clear benefits, such as certainty of improved energy efficiency and reduced emissions throughout the energy chain. The renovation of entire residential districts could also be more interesting from the viewpoint of companies, because it would lead to bigger building contracts. In housing companies, decision-making is often the challenging factor. District repair projects would require consistent decisions from several housing companies, but, on the other hand, it would mean lower unit costs for renovation.

I presented the idea of comprehensive energy-efficient district renovations in my dissertation, in which I studied how the energy efficiency of Russian suburbs built in the Soviet era could be improved by renovating the buildings to make them more energy efficient and by reducing the losses from energy infrastructure. The topic was examined from the perspectives of energy savings, the energy needs of a residential district, emissions from energy production, investment costs, and business models of district renovation. Even though the cases studies were in Russia, the same methods and solutions could also be applied to Finland. The benefits would be the same, although not as big as in Russia.

Satu Paiho

Senior Scientist

Dissertation: Energy-efficient renovation of residential districts Cases from the Russian market

Kokonaisten asuinalueiden korjaaminen järkevämpää kuin pelkästään yksittäisten rakennusten

Tilastokeskuksen mukaan Suomessa on yli 20 000 vuosina 1960 – 1979 rakennettua asuinkerrostaloa, joissa on noin 0,5 miljoonaa vakituisesti asuttua asuntoa. Seuraavien 10 vuoden aikana monilla taloyhtiöillä on edessä erilaisia, ajankohtaisia korjauksia, kun rakenteet ja tekniset järjestelmät osoittavat merkkejä korjaustarpeista. Korjauksien yhteydessä on luontevaa miettiä myös rakennuksen energiatehokkuuden parantamista.

Aluekorjaamisella ekologista energiatehokkuutta nopeammin ja edullisemmin

Energiatehokkuuden kannalta olisi suositeltavaa korjata mieluummin kokonaisia alueita kuin yksittäisiä rakennuksia. Tällöin korjattaisiin sekä rakennukset että niihin liittyvät energia-, vesi- ja jäteinfrastruktuurit. Vain näin voidaan varmistaa, että rakennuksiin kohdistettavat energiatehokkuutta lisäävät toimet vaikuttavat myös koko asuinalueeseen ja energiantuotantoon. Jos korjataan vain yksittäinen rakennus, saavutettu energian- ja vedensäästö toteutuu siinä yksittäisessä kohteessa, mutta ei välttämättä vähennä alueellista energian- tai vedentuotantotarvetta.

Asuinalueilla on tyypillisesti runsaasti tietylle aikakaudelle ominaisia rakennuksia, joihin soveltuvat samantyyppiset korjausratkaisut. Vaikka erilaisia korjaustekniikoita on olemassa runsaasti ja uusiakin kehitetään koko ajan, korjausratkaisujen esivalmistusasteen lisääminen nopeuttaisi korjauksia selvästi. Silloin myös korjausprosesseja, ‑käytäntöjä ja ‑palveluita pitää kehittää. Työ nopeutuisi siirryttäessä portaasta ja talosta toiseen, jos samantyyppisissä taloissa voidaan laajasti hyödyntää samoja ratkaisuja ja oppia aikaisemmista kohteista ja niiden korjauksista. Samalla myös korjaamisen hinta laskee.

Usein tarkastellaan vain rakennusten lämmityksen ja muun energiankulutuksen aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä, vaikka niistä aiheutuu muitakin haitallisia päästöjä. Kun korjaamisen vaikutuksia energiantuotannon haitallisiin päästöihin tarkastellaan aluetasolla, saatetaan päätyä erilaisiin johtopäätöksiin kuin yksittäisen rakennuksen näkökulmasta näyttäisi järkevimmältä. Esimerkiksi uusiutuvan energian hyödyntäminen on alueellisessa ratkaisussa yleensä edullisempaa kuin rakennuskohtaisessa ratkaisussa.

Ajoittain nousee keskusteluun ajatus mieluummin purkaa ja rakentaa uudelleen vanhat rakennukset, kuin korjata ne nykyvaatimusten tasolle. Tieteellisessä kirjallisuudessa on suhteellisen vähän vertailtu rakennusten korjaamista purkamiseen ja uudelleenrakentamiseen. Kuitenkin esimerkit Länsi-Euroopasta osoittavat, että kestävän kehityksen näkökulmasta purkamista ja uudelleenrakentamista voidaan suositella vain, jos rakennukset ovat äärimmäisen huonossa kunnossa.

Edellytyksenä uudet toimintatavat – haasteena päätöksenteko

Aluekorjaaminen edellyttää toimijoilta uudenlaisia toimintatapoja. Yhteiskunnan kannalta alueellisella energiakorjaamisella on selkeitä etuja, kuten varmuus energiatehokkuuden paranemisesta ja päästövähennysten toteutumisesta koko energiaketjussa. Yritysten kannalta asuinalueiden korjaaminen voisi olla nykyistä kiinnostavampaa, koska korjausurakat olisivat suurempia. Asuinosakeyhtiöissä haasteena on usein päätöksenteko. Aluekorjauksissa tarvittaisiin yhteneväisiä päätöksiä useammalta taloyhtiöltä, mutta toisaalta korjausten yksikkökustannukset laskisivat.

Esitin ajatuksen kokonaisvaltaisista energiatehokkaista alueremonteista väitöskirjassani, jossa tarkastelin kuinka Venäjän neuvostoaikoina rakennettujen lähiöiden energiatehokkuutta voitaisiin parantaa korjaamalla rakennukset energiatehokkaammiksi ja pienentämällä energiainfrastruktuurin häviöitä. Aihetta käsiteltiin rakennusten energiansäästön, asuinalueen energiatarpeen ja energiantuotannon päästöjen, investointikustannusten sekä aluekorjaamisen liiketoimintamallien näkökulmista. Vaikka tapaukset olivatkin Venäjältä, samat menetelmät ja ratkaisut ovat sovellettavissa Suomessa. Hyödytkin ovat samat, vaikkakaan ne eivät ole yhtä suuret.

Satu Paiho

Erikoistutkija

Väitöskirja: Energy-efficient renovation of residential districts. Cases from the Russian market