Uimahallirakennuksen energiatehokkuus ja sisäilman laatu

Abstract

Uimahallien ominaisenergiankulutus on keskimäärin 58 % muita palvelurakennuksia suurempi, mikä johtuu pääosin allastilan sisäilmaolosuhteiden hallinnasta: ilmanvaihto ylläpitää allastiloissa korkeaa kosteuspitoisuutta ja lämpötilaa veden haihdunnan vähentämiseksi altaista sekä uimareiden kostealta iholta, sillä haihdunta sitoo merkittävästi lämpöenergiaa. Tiukentuvat energiatehokkuus- ja sisäilman laatuvaatimukset tekevät uimahallien peruskorjauksesta ja uudisrakentamisesta haastavaa. Sisäilmaolosuhteiden hallintaan kuluva energia voidaan kuitenkin jo nykyisillä lämpöpumppujärjestelmillä hyödyntää uimahallin energianlähteenä.

Diplomityön tavoitteena oli tunnistaa uimahallien energiatehokkuuteen sekä sisäilman laatuun vaikuttavat tekijät ja niiden hallintamenetelmät. Energiasäästöiltään ja kustannustehokkuudeltaan optimaalisimmiksi ratkaisuiksi nousivat kirjallisuudessa erilaiset lämpöpumppuratkaisut, joiden vaikutusta uimahallin kokonaisenergiankulutukseen sekä sisäilmaston laatuun tutkittiin dynaamisella IDA ICE -simuloinnilla. Case-kohteeksi valittiin Monitoimikeskus Vesileppis, jossa ei ole vielä hyödynnetty nykyisiä lämmöntalteenottoratkaisuja. Kylpylän kohdekäynnillä havaittiin, että kylpyläosaston sisäilmasto-olosuhteet eivät vastanneet ohjearvoja, mikä aiheutti ilmanvaihtokoneen sekä allasvesien lämmityksen energiantarpeen kasvun.

Pelkästään allastilan ilmanvaihtokoneen päivittämisellä nykyaikaiseen, ristivirtalevylämmönsiirtimellä ja lämpöpumpulla varustettuun malliin koko uimahallirakennuksen kaukolämmöntarve väheni 24 % lähtötilanteeseen verrattuna, kun taas ylijäämälämmön johtaminen allasvesien kiertoon vähensi kaukolämmöntarvetta jo yli 37 %. Lisäksi ilmanvaihtokoneen ohjaus sisäilman laatuparametrien raja-arvojen mukaisesti nosti kylpylän sisäilmaolosuhteet oikealle tasolle ja vähensi esimerkiksi allasvesien lämmitystarvetta jopa noin 10 %. Viimeisessä skenaariossa tutkittiin energiankierrätysjärjestelmää lämpöpumppulaitoksella, jossa lämpöä otettiin talteen vielä ilmanvaihtokoneen jälkeen allastilan jäteilmakanavasta sekä harmaavesistä. Lämpöpumppulaitokselta hukkalämpöä johdettiin koko kylpylän lämmitys- ja käyttövesiverkostoihin. Kaukolämmöntarve väheni energiankierrätysjärjestelmällä jopa 77 %, ja kesäaikaan kylpylän tarvitsema lämpö voitiin tuottaa lähes kokonaan hukkaenergiavirtoja kierrättämällä. Lisäksi skenaarioiden energiatehokkuustoimenpiteet tuottivat kustannussäästöjä, merkittävimmin lämpöpumppulaitoksella: kylpylän kokonaiskäyttökustannukset vähenivät peräti 24 % energiankierrätysratkaisun ansiosta.

A specific energy consumption of swimming halls is on average 58 % higher than other service buildings, mainly due to a control of indoor air conditions in the pool area. Ventilation maintains high humidity and temperature in pool areas to reduce water evaporation and thus heat loss from pool and swimmers' moist skin. Tightening energy efficiency and indoor air quality requirements are accelerating a renovation and new construction of swimming halls, but in turn, the energy used to manage indoor air conditions can already be used as a heating energy source for swimming halls with existing heat pump systems.

The aim of the thesis was to identify the factors influencing the energy efficiency and indoor air quality of swimming halls and their management methods. Different heat pump solutions emerged as the most optimal solutions in the literature review in terms of energy savings and cost efficiency. The effect of the heat pump solutions on the total energy consumption of the swimming hall and the quality of the indoor air was studied with dynamic IDA ICE simulation. The Sport and Spa Center Vesileppis was chosen as the case building, where the modern heat recovery solutions have not yet been utilized. During the site visit to the spa, it was also found that the indoor air conditions of the spa did not meet the guideline values, which caused an increase in the energy demand of the air handling unit and the pool water heating.

By upgrading the pool room air handling unit (AHU) to a modern model with a cross-flow plate heat exchanger and a heat pump, the district heating demand of the entire spa was reduced by 24 % compared to the initial situation, while transferring excess heat from the heat pump to the pool water circuit reduced heating demand by more than 37 %. In addition, controlling the AHU in accordance with the limit values of the indoor air quality parameters improved the indoor air conditions in the spa to the acceptable level and reduced the need for heating pool water by up to 10 %. In the last scenario, the energy recycling system with heat pump plant was studied, where heat was recovered from the exhaust air duct after the heat pump of the pool AHU and from gray water. Waste heat was transferred from the heat pump plant to the space heating and hot water networks of the entire spa building. The district heating consumption was reduced by as much as 77 % with the energy recycling system, and during the summer the heat consumed by the spa building was produced almost entirely by recycling waste energy flows. All the energy efficiency measures in the scenarios also generated cost savings, most notably with the heat pump plant. The total operating costs of the spa were reduced by as much as 24 % through comprehensive recycling of waste energy flows.