Laskurin menetelmä:
tiedot, kaavat ja lähteet

1. Näin laskuri päättelee

Laskuri simuloi koko vuoden päivä päivältä (365 päivää) ilmoitetulla paikkakunnalla. Se arvioi jokaiselle päivälle lämmön- ja sähköntarpeen sekä aurinkosähkön ja mahdollisen tuulivoiman tuotannon, ja tarkistaa, miten BioGS-1.0, sähkövarasto ja lämpövarasto kattavat erotuksen. Tämän jälkeen se mitoittaa järjestelmän: BioGS-1.0-yksiköiden määrän, aurinkosähkötehon, akun kapasiteetin ja lämpöpuskurin tilavuuden.

2. Ilmastotiedot

Aurinkosähkön vertailutuotanto. Laskuri pyytää PVGIS:ltä 1 kWp:n tuoton 14 %:n järjestelmähäviöillä. Tuotto lasketaan vaakatasolle, ja sitä korjataan alempana kuvatuilla altistuskertoimilla.

Ilmastollinen normalisointi (vain lämmitys). Tyypillisen vuoden astepäivät (peruslämpötila 20 °C) jaetaan vuoden 2023 astepäivillä, ja suhdeluku, rajattuna välille 0,8 ja 1,3, kerrotaan lämpöhäviöllä. Tämä on tarpeen, koska vuosi 2023 oli suuressa osassa Italiaa keskimääräistä lämpimämpi, eikä lämmöntarvetta saa aliarvioida.

Korkeuskorjaus. ERA5:n lämpötila viittaa noin 30 km:n soluihin, joiden keskikorkeus voi poiketa kohteen korkeudesta. Solun ja kohteen välinen korkeusero kerrottuna gradientilla 0,45 °C jokaista 100 m kohden korjaa lämpötilaa (korjaus rajattu välille -4 ja +8 °C).

Italian ilmastovyöhyke. Italiassa sijaitsevissa kohteissa välityspalvelin johtaa ilmastovyöhykkeen (A-F, DPR 412/93) tyypillisen vuoden astepäivistä.

3. Lämmöntarve

3.1 Tilojen lämmitys

Yksinkertaistettu päivittäinen energiatase, joka perustuu standardeihin EN ISO 13790 ja EN ISO 52016:

Q = max(0, H × 24 × (T interna − T esterna) × fattore climatico − η × (apporti interni + apporti solari))

• H: rakennuksen ominaislämpöhäviö, W/K = h_spec × pinta-ala × muotokerroin × korkeuskerroin.
• T sisä: 20 °C tai käyttäjän ilmoittama tavoitelämpötila.
• Sisäiset kuormat: 3 W pinta-alan m² kohden.
• Aurinkokuormat: päivittäinen säteily × 0,03 m² ekvivalenttia aurinkopinta-alaa pinta-alan m² kohden (ikkunat noin 15 % × aurinkokerroin 0,6, huomioiden varjostus ja suuntaus).
• η: kuormien hyödyntämiskerroin, parametri a = 4 (keskimääräisen massan rakennus).
• Korkeuskerroin: keskikorkeus / 2,7 m, rajattuna välille 0,85 ja 1,3.

Eristystaso (h_spec yksikössä W/m²K, kalibroitu noin 100 m²:n kaksikerroksiseen omakotitaloon, viitteinä TABULA/EPISCOPE sekä Italian ja EU:n lakisääteiset rajat):

APE-energialuokka (italialainen energiatodistus, vain Italiassa sijaitsevat kohteet). Jos luokka on ilmoitettu, se ohittaa eristystason. Luokka suhteutetaan vertailurakennukseen (DM 26/06/2015), joten h_spec = 1,1 × luokan ja vertailurakennuksen EPgl,nren-arvojen suhde (vaihteluvälin keskipiste), kerrottuna ilmastovyöhykekertoimella ja rajattuna eristystasojen vaihteluvälille.

Vyöhykekerroin ottaa huomioon, että APE:n vertailurakennuksen vaatimukset ovat lämpimillä vyöhykkeillä lievemmät (U-arvot 2019/2021, DM 26/06/2015).

Rakennustyyppi (lämpöä menettävän vaipan osuus omakotitaloon verrattuna):

Ilmoitettu lämmönkulutus. Jos käyttäjä ilmoittaa oman vuotuisen lämmönkulutuksensa, tämä arvo ohittaa aina mallin ja jaetaan päiville fysikaalisen mallin kausittaisen muodon mukaisesti.

3.2 Lämmin käyttövesi ja kotitalouskoneet

• Lämmin käyttövesi: 50 litraa henkilöä kohden päivässä, lämmitettynä 45 °C:seen ja jaettuna tasaisesti vuodelle. Lämpötilaero lasketaan verkkoveden lämpötilasta, jota approksimoidaan paikan ilman vuosikeskilämpötilalla (rajattuna välille 5 ja 22 °C).
• Pyykinpesukone ja astianpesukone: 100 ja 150 sykliä vuodessa henkilöä kohden, 15 ja 10 ekvivalenttilitraa sykliä kohden, keskimääräisellä pesulämpötilalla 50 °C. Oletetaan, että lämpöpuskurissa esilämmitetty vesi on käytettävissä 40 °C:seen asti: tämä osuus on lämpökuorma, loppuosa pysyy sähköisenä.
• Henkilömäärä: jos sitä ei ole ilmoitettu, oletetaan 3 henkilöä.

3.3 Uima-allas ja kasvihuone

• Uima-allas: 200 kWh lämpöä allaskuutiota (m³) kohden vuodessa, keskittyneenä kesäkuukausille, sekä 20 kWh sähköä m³:ä kohden vuodessa kierrätykseen ja suodatukseen, tasaisesti jaettuna vuodelle.
• Kasvihuone: fysikaalinen laskenta päivä päivältä, kWh = U × pinta-ala × (T tavoite − T ulko) × 24 / 1000, jossa U yksikössä W/m²K on 6,2 (yksinkertainen kate), 4,0 (kaksinkertainen), 3,4 (jäykkä), Rutgers Cooperative Extensionin arvojen mukaan.
• Jos ilmoitettu kulutus sisältää jo uima-altaan tai kasvihuoneen, vuotuinen kokonaismäärä ei muutu: malli käyttää niitä vain antamaan kaaviolle oikean kausittaisen muodon.

4. Sähköntarve

• Peruskulutus: käyttäjän ilmoittama vuotuinen sähkönkulutus. Jos sitä ei ilmoiteta, laskuri arvioi sen: 300 kWh plus 900 kWh henkeä kohden.
• Valaistus: 8 % peruskulutuksesta jaetaan uudelleen päiville paikan todellisten pimeiden tuntien suhteessa, laskettuna tähtitieteellisellä kaavalla leveysasteesta ja vuodenpäivästä (huomioi myös yöttömän yön ja kaamoksen). Päiväkohtainen kerroin on rajattu välille 0,3 ja 3. Vuotuinen kokonaismäärä ei muutu.
• Sähköauto: 0,18 kWh kilometriä kohden, tasaisesti koko vuodelle, jos sitä ei ole jo sisällytetty ilmoitettuun kulutukseen.
• Ilmastointilaite: vain jos käyttäjä ilmoittaa sellaisen olevan ja ilmoittaa jäähdytetyn pinta-alan. Jäähdytystarve = 0,035 kWh jäähdytettyä m²:ä kohden jäähdytysastepäivää kohden (kynnys 26 °C), kerrottuna kohteen aurinkokertoimella ja jaettuna SEER-arvolla 3,2.
• Altaan kierrätys: katso kohta 3.3.
• Maatila: touko-syyskuussa lisätään pellettöinnin ja kuivauksen kuormat (katso kohta 7).

5. Aurinkosähkö, tuulivoima ja varastot

Aurinkosähkö. Päivittäinen tuotanto on PVGIS:n 1 kWp:n tuotto kerrottuna asennetulla teholla ja altistuskertoimella:

Perustuotto on PVGIS:n vaakatasolle laskettu tuotto, eikä kaltevuudesta johtuvaa lisäystä hyvitetä: tämä on varovainen valinta, joka pyrkii aliarvioimaan kaltevan katon tuotantoa muutamalla prosenttiyksiköllä.

Jos käytettävissä oleva pinta-ala on ilmoitettu, aurinkosähkö rajataan enintään 1 kWp:hen jokaista 5 m² kohden.

Tuulivoima. Se on valinnainen täydennys: asennetun tehon määrittää käyttäjä. Tuotto ei perustu historialliseen tuulisarjaan vaan kohteen kolmeen tuulisuusluokkaan.

Sähkövarasto. Kapasiteetti on pienin, joka nollaa vuotuisen sähkövajeen, vähimmäismäärä on 5 kWh ja enimmäismäärä pienempi arvo kahdesta: 60 kWh tai kahden päivän keskikulutus. Jos raja saavutetaan, tulos ilmoittaa siitä.

6. BioGS-1.0 ja päiväkohtainen simulaatio

Laskennassa käytetyt tuotetiedot (todelliset käyttöolosuhteet):

BioGS-1.0 tuottaa aina lämpöä ja sähköä yhdessä kiinteässä suhteessa: kahta ulostuloa ei voi valita toisistaan riippumatta.

Kattamisjärjestys jokaiselle päivälle:

1. Aurinkosähkö ja tuulivoima kattavat ensin sähköntarpeen.
2. Mahdollinen uusiutuva ylijäämä lataa ensin akun sen vapaaseen kapasiteettiin asti.
3. Jäljelle jäävä ylijäämä muutetaan lämmöksi päivän lämmöntarpeeseen asti, ei sen yli.
4. Vielä puuttuvan lämmön tuottaa BioGS-1.0. Samalla se tuottaa siihen liittyvän sähkön, joka kattaa jäljelle jääneen sähkövajeen. Käyntituntien määrän määrää lämpö (lämpöpainotteinen ohjaus) tai sähkö, jos se vaatii enemmän tunteja.
5. Mahdollinen jäljelle jäävä sähkövaje puretaan akusta ja, jos se ei riitä, jää verkosta otettavaksi sähköksi.

Akku siirtää varaustilansa päivästä seuraavaan (se on laskennan ainoa kohta, jossa päivät eivät ole riippumattomia), alkaen tasapainotilasta, joka saadaan ensimmäisellä läpikäynnillä vuoden yli. Koska ylijäämä lataa ensin akun, pienempi osa muuttuu lämmöksi ja BioGS-1.0 käy muutaman tunnin pidempään.

Mitoitus.

• BioGS-1.0-yksiköt: pienin määrä, jolla vaaditut käyntitunnit eivät ylitä 24:ää minään vuoden päivänä, kun akku on mitoitettu kyseiselle yksikkömäärälle.
• Aurinkosähkö: pienin teho, joka nollaa vuotuisen sähkövajeen, kun akku pysyy omavaraisuusrajan sisällä (toleranssi 0,05 kWh/vuosi), haettuna puolitusmenetelmällä. Laskuri ilmoittaa myös vuoden päivän, joka määrää tämän mitoituksen.
• Lämpöpuskuri: tilavuus johdetaan lämmöntuotannon ja -kysynnän suurimmasta päiväkohtaisesta vaihe-erosta. Käytetään tyypillistä tuntiprofiilia lämmöntarpeelle: 30 % keskiyön ja klo 6 välillä, 15 % klo 6 ja 9 välillä, 15 % klo 9 ja 18 välillä, 40 % klo 18 ja keskiyön välillä. Aurinkosähkön ylijäämä keskittyy klo 11 ja 15 välille; BioGS-1.0 tekee vain yhden yhtämittaisen syklin, jonka aloitusaika valitaan vaihe-eron minimoimiseksi. Litrat saadaan 25 °C:n lämpötilaerolla ja 1,163 Wh litraa ja °C:ta kohden.

7. Maatila: biomassasta pelletiksi

Maatilan polku arvioi, riittääkö tilan jäte BioGS-1.0:n polttoaineeksi.

• Muunnos pelletiksi: kuiva-aine = määrä × (1 − kosteus); pelletti = kuiva-aine / 0,9, kerrottuna prosessisaannolla 95 % (jauhatus ja pellettöinti). Jos biomassa on jo pellettiä, saanto on 1.
• Jauhatus: hake 11 kWh/t (hienojauhatus); pölkyt ja oksat 30 kWh/t (haketus ja hienojauhatus).
• Puristin: kapasiteetti 15 kg/h asennettua kW:a kohden (66,7 kWh/t), 6 nettotyötuntia päivässä, pienin kaupallinen koko sarjasta 3, 4, 5,5, 7,5, 11, 15, 18,5, 22, 30, 37, 45, 55 ja 75 kW, joka riittää kampanjan loppuun saattamiseen.
• Kampanja: kuivaus ja pellettöinti touko-syyskuussa, jolloin energiaylijäämää on eniten.
• Kuivaus: 14 %:n kosteuteen asti, 1 kWh lämpöä haihdutettua vesikiloa kohden. Käyttäjä valitsee, käytetäänkö BioGS-1.0:n lämpöä (lisättynä lämmöntarpeeseen) vai luonnollista kuivausta. Kuivurin tuulettimet kuluttavat 3 % lämmöstä.
• Kuoret ja kivet: käyttövalmiita, ei jauhatusta. Ne kuivataan vain, jos kosteus ylittää 10 %. Niiden osuus saa olla enintään 40 % kokonaispolttoaineesta (BioGS-1.0:n tekninen rajoite).
• Sekoitus: ensin käytetään oma jäte (2,4 kg/h) loppuun asti, sitten ostettua sertifioitua A1- tai A2-pellettiä (2,2 kg/h) jäljellä oleville tunneille. Laskuri ilmoittaa myös, kuinka suuren osan tunneista jäte kattaa.

Prosessitietojen lähteet: Forest Research UK (2011), "Wood pellets production"; MDPI Sustainability 17(1):140 (2024); MDPI Energies 16(13):4894 (2023); TCPEL, opas "Biomass Hammer Mill".

8. Biomassa, biohiili ja CO₂

Arvo on sidonnan potentiaali, ei sertifioitu hiilikrediitti. Hiilen pysyvyyskerrointa ei sovelleta: se lisätään, kun lisäanalyysit ovat saatavilla.

9. Tuloksen luotettavuus

Laskuri ilmoittaa luotettavuustason kolmen todellisen tiedon perusteella: sähkönkulutus, lämmönkulutus ja tarkka osoite (katuosoitteella tai talonumerolla).

10. Mallin rajoitukset

• se on alustava arvio, ei toteutussuunnitelma;
• kattaminen lasketaan päivätasolla, ei tuntitasolla; tuntiprofiilia käytetään vain lämpöpuskurin mitoitukseen;
• ilmasto on vuoden 2023 ilmasto lämmityksen osalta normalisoituna, ei ennuste;
• tuuli on luokkakohtainen keskimääräinen tuotto, ei historiallinen sarja;
• verkkoveden lämpötilaa approksimoidaan ilman vuosikeskilämpötilalla;
• lämmöntarve riippuu rakennuksesta syötettyjen tietojen laadusta;
• CO₂-sidonta on potentiaali ilman pysyvyyskerrointa.

11. Viitteet

PVGIS (JRC, Euroopan komissio);
ERA5 (Copernicus Climate Change Service, ECMWF);
Open-Meteo;
OpenStreetMap (Nominatim, Photon);
EN ISO 13790 ja EN ISO 52016;
DM 26/06/2015 (energialuokitus);
DPR 412/93 (ilmastovyöhykkeet);
TABULA/EPISCOPE;
Rutgers Cooperative Extension (kasvihuonekatteet).