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Wooden passive holiday house for Lapland. Design principles and energy simulation Iina Valkeisenmäki Research Assistant Aalto University, School of Science and Technology, Department of Architecture Finland iina.valkeisenmaki@ tkk.fi Minna Jokiranta Research Assistant Aalto University, School of Science and Technology, Department of Energy Technology Finland minna.jokiranta@ optiplan.fi Extended Abstract The design of the passive house is part of the research project “Sustainable Tourism Destinations – Land Use, Architecture and Energy (MATKA)” . The pilot location of the research is a future holiday area in the ski resort of Ylläs, where the principles are tested in practice. Ylläs is situated in the municipality of Kolari, approximately 100 kilometres north of the Arctic Circle. The purpose of the house design is to develop a building concept that could be built in the pilot area in Ylläs, based on principles of sustainability. Passive house was selected as the target for energy efficiency, whereas wood was chosen as the building material for its environmental performance and role as a traditional material for buildings in Lapland. The model house is a semi- detached holiday house that has two apartments of 100 square meters each, in two floors. It contains three bedrooms, kitchen, living room, bathroom and a sauna heated by wood. This research examines the possibilities to reach the passive house standard for a holiday home in the extremely cold arctic climate of the Finnish Lapland. In order to reach the passive house target, architectural and technical solutions were investigated and applied to the model passive house building. Thermal comfort was examined through simulating the maximum summertime temperature in order to define whether overheating is a challenge for passive houses in Lapland. The impacts of structural solutions such as window blinds and awnings on controlling the indoor temperature were also investigated. After the development of the concept, the design of the model house was simulated by using the yearly climatic data of Ylläs. The tools used were the dynamic simulation tool Ida Ice 4.0 and the calculation method D5 of the Finnish building code. As for the passive house target, a local definition published by the Finnish Association of Civil Engineers “RIL” was used. Other local definitions are also discussed and the results are compared in this paper. The results of the simulation prove that it is possible to build passive houses in a ski resort in Lapland, when aiming at the RIL definition for passive houses, although the requirements are extremely demanding. The results and the success to reach the target demand greatly on technical solutions that should be optimised in order to reach the results. Architectural qualities of the house, such as orientation, size of windows and building shape also affected the calculation results. Architectural form of the passive house should respond to two opposing design challenges. In the heating period, maximum solar irradiation is needed to lower the supplementary heating load, whereas overheating poses a threat to extremely insulated houses in the summertime. Adjusting the orientation and size of windows are a main tool in addressing these challenges; windows permit solar irradiation to enter the building during the

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Wooden passive holiday house for Lapland. Design principles andenergy simulation

Iina ValkeisenmäkiResearch AssistantAalto University,School of Science andTechnology,Department ofArchitectureFinland

[email protected]

Minna JokirantaResearch AssistantAalto University,School of Science andTechnology,Department of EnergyTechnologyFinland

[email protected]

Extended Abstract

The design of the passive house is part of the research project “Sustainable Tourism Destinations–  Land  Use,  Architecture  and  Energy  (MATKA)”.  The  pilot  location  of  the  research  is  a  futureholiday area in the ski resort of Ylläs, where the principles are tested in practice. Ylläs is situated inthe municipality of Kolari, approximately 100 kilometres north of the Arctic Circle.

The purpose of  the house design  is  to develop a building concept  that could be built  in the pilotarea  in Ylläs, based on principles of sustainability. Passive house was selected as the  target forenergy  efficiency,  whereas  wood  was  chosen  as  the  building  material  for  its  environmentalperformance and role as a traditional material for buildings in Lapland. The model house is a semi­detached  holiday  house  that  has  two  apartments  of  100  square  meters  each,  in  two  floors.  Itcontains three bedrooms, kitchen, living room, bathroom and a  sauna heated by wood.

This research examines the possibilities to reach the passive house standard for a holiday home inthe extremely cold arctic climate of the Finnish Lapland. In order to reach the passive house target,architectural  and  technical  solutions  were  investigated  and  applied  to  the  model  passive  housebuilding.  Thermal  comfort  was  examined  through  simulating  the  maximum  summertimetemperature  in order to define whether overheating is a challenge for passive houses in Lapland.The  impacts of structural solutions such as window blinds and awnings on controlling the  indoortemperature were also investigated.

After the development of the concept, the design of the model house was simulated by using theyearly climatic data of Ylläs. The tools used were the dynamic simulation tool Ida Ice 4.0 and thecalculation  method  D5  of  the  Finnish  building  code.  As  for  the  passive  house  target,  a  localdefinition  published  by  the  Finnish  Association  of  Civil  Engineers  “RIL”  was  used.  Other  localdefinitions are also discussed and the results are compared in this paper.

The  results  of  the  simulation  prove  that  it  is  possible  to  build  passive  houses  in  a  ski  resort  inLapland,  when  aiming  at  the  RIL  definition  for  passive  houses,  although  the  requirements  areextremely demanding. The results and the success to reach the target demand greatly on technicalsolutions that should be optimised in order to reach the results.

Architectural qualities of the house, such as orientation, size of windows and building shape alsoaffected  the  calculation  results.  Architectural  form  of  the  passive  house  should  respond  to  twoopposing design challenges.  In  the heating period, maximum solar  irradiation  is needed to  lowerthe  supplementary  heating  load,  whereas  overheating  poses  a  threat  to  extremely  insulatedhouses  in  the  summertime.  Adjusting  the  orientation  and  size  of  windows  are  a  main  tool  inaddressing  these  challenges;  windows  permit  solar  irradiation  to  enter  the  building  during  the

heating period but also cause the overheating challenges. This also emphasizes the critical role ofwindows.

Summertime overheating was confirmed to be a major challenge, even in the Arctic. With the helpof window blinds and opening of the windows, the maximum temperature of the house is 26.4 °C,while without them the maximum temperature is 31 °C.

Optimal  results for  the heating energy demand were obtained with a water  radiator heat system,32,8 kWh/m²a. Consequently,  the energy efficiency number for a house with water  radiator  is 60kWh/m²a, resulting in energy class A.

The  capacity  utilisation  figures  of  Ylläs  show  that,  when  built,  the  passive  house  would  not  beoccupied continuously. When  the house  is occupied,  the  indoor air  temperature has been set  torange  from 17°C  to 22°C, depending on  the spaces. The  temperature  should be  lowered duringunoccupied times in order to not use energy to heat empty spaces. In the simulations, 10°C hasbeen set to the indoor temperature of an unoccupied house. During unoccupied times, the houseconsumes approximately half of the heating than when occupied

Yearly climatic data also effects the calculation of heating energy consumption. The heating energyconsumption of a house with radiator heating is 27.9 kWh/m²a when calculated with 2004 climaticdata, while being 31.6 kWh/m²a when calculated with 1979 data. With the ongoing climate change,years are  likely  to  resemble  the 2004 weather more  than  that of 1979. However,  the use of  the1979 data is justified in order to design the systems for temperature extremities.

Both  technical  and  architectural  solutions  need  to  support  the  energy  efficiency  objective  andprovide adequate thermal comfort. Design choices, such as window area, orientation and buildingshape, have a direct impact on the energy consumption and indoor air temperature. Summertimeoverheating  can  and  should  be  prevented  non­mechanically,  by  adding  window  blinds  andoperable windows. They can also form a distinctive part of the aesthetics of a passive house.

It is essential for architects to understand the effects that their design choices have on the energyefficiency  of  a  building,  yet  the  information  is  not  yet  easily  available.  Because  the  energyefficiency  topic  has  only  recently  entered  public  discussion,  the  design  practice  has  not  yetprioritised  its principles. There  is also a considerable need for  informative material on  the affectsthat individual design choices have on the overall energy consumption of the building.

Being  a  highly  ambitious  target,  planning  a  passive  house  for  a  cold  climate  location  like  Ylläsrequires expertise from its designers. Moreover, a new level of cooperation between architects andenergy engineers  is needed to ensure energy efficiency, optimal thermal performance and a highquality of building.

Wooden passive holiday house for Lapland. Design principles andenergy simulation

Iina ValkeisenmäkiResearch AssistantAalto University,School of Science andTechnology,Department ofArchitectureFinland

[email protected]

Minna JokirantaResearch AssistantAalto University,School of Science andTechnology,Department of EnergyTechnologyFinland

[email protected]

Summary

This research examines the possibilities to reach the passive house standard for a holiday home inthe extremely cold arctic climate of the Finnish Lapland. In order to reach the passive house target,architectural  and  technical  solutions  were  investigated  and  applied  to  a  model  passive  housebuilding,  which  was  located  in  the  ski  resort  of  Ylläs.  Thermal  comfort  was  examined  throughsimulating  the  maximum  summertime  temperature,  in  order  to  define  whether  overheating  is  achallenge for passive houses in Lapland. The impacts of structural solutions such as window blindsand awnings on controlling the indoor temperature were also investigated .

After the development of the concept, the design of the model house was simulated by using theyearly  climatic  data  of  Ylläs.  The  tools  used  were  the  dynamic  simulation  tool  Ida  Ice  and  thecalculation  method  D5  of  the  Finnish  building  code.  As  for  the  passive  house  target,  a  localdefinition made by the Finnish Association of Civil Engineers was used. Other local definitions arealso discussed and the results are compared in this paper.

The results of this research project prove that it is possible to build passive houses in a ski resort inLapland,  according  to  the  RIL  definition  for  passive  houses,  although  the  requirements  areextremely demanding. The results and the success to reach the target demand greatly on technicalsolutions,  which  should  be  optimised  in  order  to  reach  the  results.  Therefore    it  is  extremelyimportant that energy engineers and architects work closely together already in a draft phase of theproject.

Keywords: passive  house,  energy  efficiency,  energy  simulation,  Lapland,  cold  climate,  tourismdestination, overheating prevention, building service solutions

1.  Introduction

To increase the energy efficiency of a society and to fight the climate change, improving the energyefficiency of buildings offers significant opportunities. In Finland, The Government foresight reporton climate and energy policy sets the target to improve the efficiency of energy use in buildings sothat consumption is at least 30 per cent lower in 2030, 45 per cent lower in 2040 and 60 per centlower  in 2050 than in 2009 [1]. Ministry of  the Environment has demanded all new buildings thatwill be built by the state administration to be passive houses in 2015 [2]. In addition to the officialpolicies, the market value of passive houses has also been noticed and several companies selling

prefabricated passive houses are starting to emerge.

This research examines the possibilities to reach the passive house standard for a holiday home inthe extremely cold arctic climate of the Finnish Lapland. It is part of a research project “SustainableTourism  Destinations  –  Land  Use,  Architecture  and  Energy  (MATKA)”,  which  investigatessustainable solutions for Nordic tourism destinations in terms of land use planning, energy systemsand architecture.

In addition to analysing energy efficiency objective, this paper investigates what kind of impact thefollowing design choices have on the energy consumption of the model building:

­  Shape of the building­  Orientation of the building­  Window size­  Heating system choice

In order to reach the passive house target, architectural and technical solutions were investigatedand  applied  to  a  model  passive  house  building,  which  was  located  in  the  ski  resort  of  Ylläs.Thermal  comfort  was  examined  through  simulating  the  maximum  summertime  temperature,  todefine whether overheating is a challenge for passive houses in Lapland. It was also investigatedwhat kind of  impacts structural solutions such as window blinds and awnings have on controllingthe indoor temperature.

After the development of the concept, the design of the model house was simulated by using theyearly climatic data of nearby Sodankylä. The tools used were dynamic simulation tool Ida Ice andthe calculation method D5 of  the Finnish building  code. As  for  the passive house  target,  a  localdefinition made by the Finnish Association of Civil Engineers was used. [3] Other local definitionsare also discussed and the results are compared together.

Simulation with climatic data from different years  is compared to define what kind of  impacts  thewarming  climate  have  on  the  energy  simulation  results.  User’s  role  in  controlling  the  indoortemperature is discussed in conjunction with the role of the buildings in holiday resorts. The yearlycapacity  utilisation  was  also  analysed  in  order  to  define  the  optimal  heating  system  and  heatenergy consumption.

2.  Local Passive house solutions

Up to present date, there is very  little research and education on passive houses in Finland. Thecountry  lacks an official  local standard  for  passive houses, and different  variations and opinionscan be found. Expertise on building  them  is extremely  rare, and only a handful of architects andengineers have received any education on how to plan them.

Nieminen  et  al  have  concluded  that  the  Central  European  definition  for  a  passive  house  is  notviable, nor are the experiences of building passive houses in Central Europe directly applicable toNordic  climates.  The  concepts  demonstrated  in  Central  Europe  do  not  fulfil  the  heating  energydemand in Finland. Therefore, both a local definition and local solutions are needed. [4]

There are currently two overlapping and competing definitions. The first definition was published bythe  Technical  Research  Centre  of  Finland  VTT  and  was  created  as  a  part  of  the  Promotion  ofPassive Houses  in Europe PEP Project.  Its  requirement for  the heating energy demand  is 20­30kWh/m2a, depending on the location of the house. Primary energy demand should be within 120­140 kWh/m2a. Requirement for air tightness n50 is the same as in the original Passivhaus, 0.6 1/h.[5]

Another  local definition for passive houses has been described in a  low energy building guide bythe Finnish Association of Civil Engineers “RIL”.  It  gives passive houses a  requirement  for  theirheating energy demand, whereas other values are given as recommendations. The heating energydemand also varies by the location of the house and is converted by given conversion factors. The

basic heating energy demand 25 kWh/m2a is given for Central Finland, with conversion factors of0.9 for South Finland and 1.33 for North Finland. [3]

The question of  selecting  the appropriate passive house definition  is not  simple. Nieminen et alcriticise the Finnish Association of Civil Engineers definition by claiming that  it "tries to flatten thedefinition as one class of  the energy certificate and forgets  two other criteria, which have addedessential demands of energy and quality of construction".[6] However, the use of primary energy isvery  problematic  at  the  moment;  Finland  is  one  of  the  only  countries  in  Europe  where  officialprimary energy factors have not been defined yet. Some conversion factors have been calculated,for  example  the  energy  factors  of  the  ongoing  “KesEn  Sustainable  Energy”  research  project,conducted  by  Aalto  University,  School  of  Science  and  Technology  in  2008­2010  [7 ].  Theseconversion  factors  have  been  used  in  this  research  to  unofficially  estimate  the  primary  energydemand.

The  two  main  definitions of  passive  houses  in  Finland  have  slightly  different  values  for  passivehouses  in Northern Finland. They both divide  the country to  three different areas based on theirclimate, and allow a higher heating energy demand for the Northern parts of the country. The VTTdefinition gives a maximum heating energy demand of 30 kWh/m2a, [5] whereas the RIL guide hasan upper limit of 33.25 kWh/m2a. [3]

Thus,  the process of developing  the passive house concept  in Finland  is ongoing. This  researchhas decided  to use  the definition of RIL, as  it  is  the  latest  framework  for  low energy building  inFinland. The publication of their guide also involved a large group of professionals and is thereforewidely supported in the field. [3]

2.1  Local climatic solutions

Currently,  experiences  of  building  passive  houses  in  a  climate  as  cold  as  that  in  Ylläs  areextremely limited. The first passive house to be built above the Arctic Circle is about to be finishedin Rovaniemi, but due to the recent building, there are no user experiences of the building.

The  Technical  Research  Centre  of  Finland  VTT  has  conducted  research  on  passive  houses  byusing two pilot projects: one in Vantaa and one in Valkeakoski. Its results show that it is possible toreach  the  Finnish  passive  house  standard  developed  by  VTT.  The  RIL  definition  is  slightly  lessstrict than that of VTT and is therefore also fulfilled.

However,  the  location of Ylläs  is much  further north  than  those of Vantaa and Valkeakoski. Thedimensioning temperatures for heating energy demands are ­26 °C for South Finland, ­29 …  ­32°C for Central Finland and ­38 °C for Lapland [8]. Therefore, aiming at a passive house in Laplandis a much higher standard than in South Finland and can meet different specific challenges due tothe extremely cold climate.

In Finland,  the building code  requires using  the climatic data of 1979  in  the energy calculations,and the data of Sodankylä is applied to buildings in Northern Finland. In addition to the 1979 data,this research has analysed the data from years 2001 to 2008 in order to compare the calculationsto  warming  climate.  The  average  year  based  on  the  analysis  was  2004,  which  has  thus  beencompared to the 1979 climate.

In addition to the demands for the insulation, the location of the house sets some demands for thearchitectural  design  of  the  house.  Throughout  the  year,  sun  shines  from  the  low  elevations  ofmaximum  of  46  degrees.  Being  above  the  Arctic  Circle,  Ylläs  experiences  a  vast  contrast  ofdaylight conditions that range from the darkness of midwinter, when the sun does not rise abovethe horizon, to the abundance of daylight of midsummer, when the sun does not set for weeks. Thesun also shines from the north in summer, which gives special demands for the orientation.

When  houses  in  Lapland  are  designed  for  passive  heating  gains  and  overheat  prevention,  thisdifference of climate and solar angles must be taken into account. Orientation of windows and the

Fig. 1 The capacity utilisation of commercial rooms inYlläs,  years  2001­2009.  Different  months  areindicated  with  numbers.  Average  yearly  utilisation  isshown  with  the  black  line.  (Image  source:  RegionalCouncil of Lapland)

use of  shading need  to be adjusted  to  local conditions. The benefit of  passive heating gains bysouth facing windows is questionable, as the sun does not rise at all during peak heating demand.One can argue that  large windows can cause more challenges than benefits;  there may be moreheat  losses  than heat gains and,  together with extreme  insulation adapted for  the arctic climate,large window area is a probable cause to severe overheating challenges during summer.

2.2  User's role in holiday housing

The  topic  of  building  passive  houses  in  a  holiday  resort  raises  some  specific  questions  andchallenges.  How  can  the  user's  role  in  operating  a  passive  holiday  house  be  minimized,  yetoffering adequate control of  thermal conditions? Is it recommendable to build massive fireplaces,even at the risk of misuse and overheating?

Approximately 30 % of visitors to Ylläs are from overseas [9]. Part of the leisure homes of Ylläs areprivately owned and used by the same owners, while several are commercially rented on a weeklyor nightly base. Hotel owners have reported problems from the use of fireplaces; yet the customerswish  to have  them  in  the holiday apartments.  [10] The thermal comfort and operation, controlledfrom the inside of the apartment, should be mistake­proof. Technical facilities should be accessedfrom the outside of the apartment, leaving the control to the maintenance crew.

In  addition  to  the  challenges  inoperating  the  house  appliances,  thecapacity  utilisation  of  holiday  homesgives  a  special  characteristic  to  theleisure homes of tourist destinations. InYlläs,  the  capacity  utilisation  variesgreatly  by  the  season.  The  busiestseasons  are around Easter,  Christmasand  the  period  of  autumn  colours  inSeptember, whereas the quietest times

of the year are May and October. (Fig. 1)The  vast  differences  in  capacityutilisation  have  a  major  impact  on  theyearly  heating  energy  demand  of  abuilding,  but  yet  the  Finnish  buildingcode  suggests  that  a  leisure  buildingused year round is treated as a normal

single family house in the heating energy demand calculation. This research calculates the heatingenergy demand according to the building code.

Despite  the  obvious  shortcomings  of  energy  calculations  according  to  the  building  code,  thecharacteristics of capacity utilisation should be taken into account when designing buildings for use.

3.  Model Passive House

The  Model  passive  house  wasdeveloped  from  an  existing  holidayhouse,  which  gave  this  project  thefloor plan and sizes for different roomspaces. It was then adjusted in orderto become more energy efficient

The model house is a semi­detachedhouse  that  has  two  identicalapartments, both  the  size  of  100  m²for  their  floor  space.  Living  room,

Fig.  2  The  U  values  of  the  buildingelements in the model passive house

kitchen,  bathroom  and  sauna  are  situated  downstairs,  whereas  three  bedrooms  are  locatedupstairs.

The model house is placed in Ylläs, a ski resort located in the municipality of Kolari in the FinnishLapland and the pilot area for the MATKA Project. It is located approximately 100 kilometres Northof the Arctic Circle and 820 kilometres North of Helsinki. I

4.  Design Solutions

Several  architectural  design  choices  contribute  to  building’s  energy  efficiency.  These  includebuilding orientation, building shape, roof type and inclination, area of glazed façade. In addition toenergy efficiency, architectural design should aim at thermal comfort and a pleasant microclimateboth inside and outside the house.

It  has been  stated  that,  as  regards  the  heating energy  needs  of a building,  the  most  significantfactors are  the building’s glazed façade area, which had  the considerably highest contribution toenergy consumption,  and building  shape, which had a  smaller but  yet  an  important  contribution.[11]

The  building  was  developed  in  order  to  reach  the  passive  house  standard  of  RIL,  the  FinnishAssociation of Civil Engineers. The structural, technical and architectural design solutions aimed atmaximising energy efficiency and thermal comfort of the house. After these adjustments, the housewas simulated using yearly climatic data of Ylläs.

4.1  Building and structural solutions

The compactness of the reference building was evaluated with its shape coefficient Cf, calculatedas the ratio between the outside surface area of building construction and the external volume ofheated space in the building.

There has been scientific proof that there is a linear correlation relating the energy consumption tothe shape coefficient Cf, which is emphasised in places with a cold climate [12]. The shape of themodel building was consists of two full floors, with an angled roof. Its shape coefficient is 0,81.

With  regard  to  structural  solutions,  the  modelpassive  house  of  this  research  project  usesstructures of an existing passive house  in Finland,in  order  for  the  results  to  be  comparable  withexisting  passive  houses.  The  structures  wereobtained  from  passive  house  “Paroc  Lupaus”,designed  by  architect  Kimmo  Lylykangas,  whichwas  completed  in  Valkeakoski  in  2009  (House

website  at  http://www.energiaviisastalo.fi/?cat=Pilottikohteet&id=101).

4.2  Internal heat gains

Internal heat gains have been decided to be located so that the most intensive ones will be in themiddle of  the building. This provides even distribution of heat,  avoiding excess heating. Free airspace in front of the fireplace has been maximised to even out the heat load.

The  fireplace  should  be  as  massive  as  possible,  so  that  it  will  distribute  heat  evenly.  A  lightfireplace  or  a  stove  gives  too  high  thermal  peak  for  a  passive  house,  which  raises  the  indoortemperature to be too high. [13]

In  addition  to  the  fireplace,  internal  heat  gains  consist  of  lighting,  electrical  equipment  and

Building element  Heat transfer coefficient,U value [W/m²K]

External wall 0.09Roof 0.07Floor 0.06Window 0.70Door 0.60

Fig.  3  Monthly  heating  energy  demand  in  the  modelpassive  house,  depending  on  the  orientation  of  thehouse.  Left  paragraph  displays  the  house  with  south­facing  windows,  while  the  right  paragraph  displays  thehouse with north­facing windows

Fig.  4  The  model  passive house with  blinds  preventingsummertime overheating.

occupants of the house. The internal heat gains of occupants have been defined according to thenumber  of  occupants,  which  is  derived  from  the  number  of  bedrooms  in  each  apartment  andadding  one  extra  person.  Thus,  the  occupant  number  for  the  model  passive  house  is  eightoccupants per building [3]. 60 % of the energy used in equipment is transferred as heat gains tothe space [8]. This research assumes that the household equipment installed in a passive housemust  be  energy  efficient  and  therefore  the  energy  uses  have  been  estimated  from  a  recentlycompleted  research  project.  [14 ]  The  heat  gains  from  lighting  are  estimated  to  be  8  W/m²,multiplied with the capacity utilisation rate of 0.1 [15].

4.3  Size and orientation of windows, passive solar heat gains and overheating prevention

Special  attention  to  the  size  and  orientation  of  windows  has  been  paid  in  the  planning  of  thepassive house. As the U value is substantially worse in windows than in other building parts, therole of windows in the total heating energy demand of the building is significant. Therefore the sizeof windows needs to be moderate in relation to the floor size; in the model building it is 15 %.

Architectural  form  of  the  passivehouse  should  respond  to  twoopposing  design  challenges.  In  theheating  period,  maximum  solarirradiation  is  needed  to  lower  thesupplementary  heating  load,whereas overheating poses a  threatto extremely  insulated houses in thesummertime.  Adjusting  theorientation  and  size  of  windows area  main  tool  in  addressing  thesechallenges;  windows  permit  solarirradiation  to  enter  the  buildingduring  the  underheated  period  butalso  cause  the  overheatingchallenges.  This  emphasizes  thecritical role of windows.

During  the  heating  period,  peakdemand occurs when the sun hardlyrises  in  Ylläs.  Therefore  theorientation of the house only impactsthe  supplementary  heating  load  inspring  and  autumn,  when  the  sunshines  from  higher  elevations  andheating energy is still needed. (Fig. 3)South­facing windows are beneficialduring  the  months  of  February,March,  April,  September  andOctober.  Therefore  orienting  thehouse  to  face  south  can  berecommended  even  in  the  North,given  that  the  summertimeoverheating  can  be  adequatelysolved.

Overheating is a serious problem that occurs especially in houses that are extremely well insulated.The  Finnish  building  code  recommends  the  use  of  structural  means  in  preventing  summertimeoverheating. Canopies, awnings, window blinds, solar control glazing and avoiding  large windowsurfaces are mentioned. In addition, the building code recommends using thermal mass and night­time ventilation whenever possible. [16]

Fig.  5  Section  of  the  passive  house,  displaying  thecontrolled passive heat gains.

The south facing façade of the modelpassive  house  was  fitted  withawnings,  which  prevent  the  steepangle  of  the  summertime  solarirradiation from entering  the building,while allowing the low angle of springand  autumn  sun  to  enter  (Fig  5).External,  operable  blinds  wereinstalled on the east and west facingfacades.  During  the  winter  months,they  can  be  drawn  permanently  onthe  side  as  all  solar  irradiation  iswanted  to  reduce  the supplementaryheating load. During the summer, theblinds are an efficient way  to  controlthe  thermal  comfort  and  preventoverheating. (Fig 4)

In addition to the structural means inoverheating prevention, one must not

forget the importance of ventilation through opening and closing of windows, which is probable thesingle  most  efficient  way  for  thermal  comfort.  Temperature  limits  only  apply  when  the  thermalconditions  in  the  spaces at hand are  regulated primarily by  the occupants,  through opening andclosing of the windows. [17]

4.4  Air tightness

The air  tightness  specification  n50  is  used  to portray  air  tightness of  a  building.  It  describes  theamount of air leaking from the house in an hour, compared to the house volume, when there is anunder or  over pressure of 50 Pa. The air  tightness of a building has a  significant  impact on  theenergy demand. When  the air  tightness  specification  n50  grows by one unit,  the  energy  use  forheating and air conditioning of a two­storey building increases by 7 % while the total energy useincreases by 4%. [18]

The Finnish building code gives a  limit of 4.0 1/h for n50.  In present small buildings, 1.0 1/h  is anexcellent value, while 3.0 1/h is a normal and 8.0 1/h a weak value [19]. The original definition of apassive house requires the air tightness specification to be less than 0,6 1/h. In the Finnish passivehouse definitions, the same demand can be found in the VTT definition, while the RIL guide onlygives it as a recommendation. In this research, n50 value of 0,6 1/h is used in the calculations andsimulations.

4.5  Technical systems

Building service solutions, heating systems, hot water use and air conditioning have a significantimpact on the heating energy consumption. The parameters of air conditioning have a large impacton the energy efficiency, and attention should be paid to the air flow, supply and exhaust air ratio,annual operating efficiency of air heat recovery and the specific fan power of air conditioning.

When  designing  a  building,  it  is  especially  important  to  pay  attention  to  the  sizing  an  airconditioning  system.  By  planning  the  air  conditioning  thoughtfully,  one  can  affect  the  building’senergy  consumption  significantly  [3].  Air  change  of  0.35  dm³/s.  m²  is  mainly  used  for  buildings.Outside the utilisation time, when air flow is not needed to for example control humidity, control ofair conditioning can be assigned to reduce the air flow of the apartment to 60 % of utilisation timelevel [20]. In order for the reduction of airflow to be possible, apartments need to be installed withtheir  own  control  of  air  conditioning.  The  air  conditioning  of  the  passive  house  was  planned  to

Fig.  6  The  left  paragraph  displays  the  energy  class  andenergy  efficiency  number  of  different  heating  systemsaccording  to  the  Finnish  building  code.  Right  paragraphdisplays  the  total  energy  use,  converted  with  the  energyfactors. 1979 Jyväskylä weather used.

contain an air changes per hour of 0.53 1/h.

According  to  the  Finnish  Indoor  Climate  Classification  2008,  exhaust  air  flows  of  an  apartmentshould be fitted to be 10 % larger than supply air flows [15]. The RIL Guide for low energy buildingsstates that the proportion can be smaller than usual in low energy buildings. Good air tightness ofthe outside surface area enables a reduction of low pressure compared to a normal building, whenthe supply and exhaust air ratio is between 95­98 %. [3] With the planned air flows, the supply andexhaust air ratio of the passive house is 98 %.

The effectiveness of heat recovery varies with every building, planning of ventilation and qualitiesof the air handling unit. In North Finland, cold climate presents a challenge to the heat recovery byreducing  the  effectiveness  of  heat  recovery  of  air  handling  unit.  In  addition,  the  de­icingtemperature needs to be as low as possible. With the air flows planned for the passive house ofthis research, the effectiveness of heat recovery is 75 %.

The specific  fan power of mechanical supply and exhaust air  system  is usually allowed  to be amaximum  of  2.5  kW/(m²/s),  while  the  specific  fan  power  of  mechanical  exhaust  air  system  isallowed to be a maximum of 1.0 kW/(m²/s) [20]. A specific fan power of 1.56 kW/(m²/s) is used forthe  passive  house,  which  is  obtained  from  the  sizing  tool  for  air  handling  unit,  with  designedairflows.

5.  Results

5.1  Energy efficiency

The energy efficiency of  the model  passive house has been calculated with both  the  calculationmethod D5, according to the Finnish building code, and with the dynamic simulation tool Ida Ice.D5 calculation methods were used to determine the energy class of the building, together with the

energy  efficiency  rating,  whichwas  then  further  calculated  withthe  energy  conversion  factorsdefined  in  the  KesEn  researchproject. (Fig. 6)

The  energy  efficiency  number,when  calculated  according  to  thepresent  Finnish  building  code,varies  slightly  with  differentheating systems, while the energyfactors  have  a  significant  impacton energy efficiency (Fig. 6)

The  primary  energy  conversionfactors have an  impact especiallyon  the  energy  classes  of  electricheating  solutions.  Defined  by  theKesEn  research  project,  theconversion  factor  for  electricheating  is  2.0.  It  has  beenassumed  that  the  water  heatingsystems  are  heated  with  districtheating,  whose  conversion  factoris 0.7. [7]

Heating system Code EnergyFactor

Electric radiator heatingEnergy efficiency number kWh/brm²,a 61 121Energy class A C

Water radiator heatingEnergy efficiency number kWh/brm²,a 60 56Energy class A A

Water floor heatingEnergy efficiency number kWh/brm²,a 67 61Energy class A A

Air heating (electric)Energy efficiency number kWh/brm²,a 66 132Energy class A C

Electric floor heatingEnergy efficiency number kWh/brm²,a 66 132Energy class A C

Fig.  7  Results  of  the  energy  efficiency  calculations,space  heating  energy  demand with different  heatingsystems

Fig. 8 Results of  the energy efficiency, depending onclimate and indoor air temperature

The  capacity  utilisation  figures  of  Ylläs  show  that,  when  built,  the  passive  house  would  not  beoccupied continuously. When  the house  is occupied,  the  indoor air  temperature has been set  torange from 17 °C to 22 °C, depending on the spaces. The temperature should be lowered duringunoccupied times in order to not use energy to heat empty spaces. In the simulations, 10 °C hasbeen set to the indoor temperature of an unoccupied house. During unoccupied times, the houseconsumes approximately half of the heating than when occupied (Fig. 8, fourth row).

The  impact  of  the  heating  system  wasinvestigated  with  the  help  of  the  D5calculation  method;  however,  the  systemlosses  were  set  to  a  standard  leveldepending on the heating system. Basedon the analysis of the energy factors andheating  systems  (Fig.  7),  water  radiatorheating was selected for further research.

The  more  specific  space  heatingdemands,  calculated  in  Fig.  8,  differslightly from each other depending on thecalculation  method.  The  dynamicsimulation  method  Ida  Ice  was  used  toexamine  the  impact  that  the  climate  hason  the  results.  Heating  energyconsumption  of  a  house  with  radiatorheating is 27.9 kWh/m²a when calculatedwith 2004 climatic data, while being 31.6kWh/m²a when calculated with 1979 data.

In  addition  to  indoor  temperature,  yearlyclimatic  data  also  effects  the  calculationof  heating  energy  consumption.  Thewarming  climate  reduces  the  heatingenergy  demand,  which  is  clearly  visiblewhen comparing  the  results of 1979 and2004 together (Fig. 8). [21]

The choice of heating system also has some affect on  the calculation  results. Distribution  losseswere  not  taken  into  account  in  the  simulation  tool,  while  they  are  added  to  the  calculationsaccording to the building code D5 calculation tool.   Therefore the results from these two differenttools  differ  slightly  from  each  other;  those  of  D5  being  generally  higher.  The  climatic  data  ofSodankylä is used for these calculations.

5.2  Thermal comfort and overheating prevention

If  there are no window blinds, awnings or possibility  for  occupants  to open  the windows,  indoortemperature  can  rise  to uncomfortable  levels during summer. However, when window blinds areadded and  the  occupants  open  the  windows,  the  summertime  indoor  thermal  conditions  remainpleasant.

With  the  help  of  window  blinds  and  opening  of  the  windows,  the  maximum  temperature  of  thehouse is 26.4 °C, while without them the maximum temperature is 31 °C.

ParametersYear Weather 1979Indoor air temperature (°C) 21Calculation method Code D5

Heating system kWh/m²,aElectric radiator heating 28.0Water radiator heating 32.8Water floor heating 38.2Air heating (electric) 33.2Electric floor heating 32.6

Parameters ResultsYear Weather,  Indoor airtemperature (°C),Calculation method

Water radiatorheating, kWh/m²,a

1979, 21 °C, Code D5 32.81979, 17­22 °C, Ida Ice 31.62004, 17­22 °C, Ida Ice 27.92004, 10 °C, Ida Ice 14.0

Fig.  8  Maximum  summertimetemperature downstairs without anyoverheat prevention

Fig.  9  Maximum  summertimetemperature  downstairs  withwindow  blinds,  awnings  andopening of windows.

Fig.  10  The  energy  efficiencynumber  of  different  heatingsystems,  converted  with  theenergy  factor.  1979  Sodankyläweather was used.

5.3  Passive house according to the VTT definition

The results of the passive house simulation fulfil the primary energy demand defined by VTT, whenradiator heating is used as a heating system. However, the VTT definition for the heating energydemand 30 kWh/m2a could not be reached. (Fig. 10)

6.  Conclusions

The results of this research project prove that it is possible to build passive houses in a ski resort inLapland, according to the RIL definition, although the requirements are extremely demanding. Theresults and the success to reach the target demand greatly on technical solutions, which should beoptimised in order to reach the results.

In addition to the different definitions, the choice of year for climatic data used in the calculationsmay have a definitive  impact on  the  result. With  the ongoing climate  change,  years are  likely  toresemble the 2004 weather more than that of 1979. However, the use of the 1979 data is justifiedin order to design the systems for temperature extremities.

In  addition  to  the  technical  solutions,  architectural  solutions  need  to  both  support  the  energyefficiency objective and provide adequate thermal comfort. Design choices, such as window area,

orientation  and  building  shape,  have  a  direct  impact  onthe  energy  consumption  and  indoor  air  temperature.Summertime  overheating  can  and  should  be  preventednon­mechanically, by adding window blinds and operablewindows.  They  can  also  form  a  distinctive  part  of  theaesthetics of a passive house.

It is essential for architects to understand the effects thattheir  design  choices  have  on  the  energy  efficiency  of  abuilding,  yet  the  information  is  not  yet  easily  available.Because  the  energy  efficiency  topic  has  only  recentlyentered public discussion, the design practice has not yet

prioritised its principles. There is also a considerable needfor  informative  material  on  the  affects  that  individualdesign choices have on the overall energy consumption ofthe building.

Heating systemEnergy

efficiencynumber

kWh/brm²,aElectric radiatorheating 139Water radiatorheating 63Water floor heating 66Air heating (electric) 155Electric floor heating 148

Being  a  highly  ambitious  target,  planning  a  passive  house  for  a  cold  climate  like  Ylläs  requiresexpertise from its designers. Moreover, a new level of cooperation between architects and energyengineers is needed to ensure energy efficiency, optimal thermal performance and a high quality ofbuilding. Perhaps this aim takes us back to the origins of architecture as a shelter and a provider ofa pleasant microclimate.

[1]   Government Foresight Report on Long­term Climate and Energy Policy: Towards aLow­carbon Finland, Government of Finland, 2009

[2]   Kestävät julkiset hankinnat, Ministry of the Environment 2009[3] “Matalenergiarakentaminen, asuinrakennukset”, RIL 249­2009, Finnish Association of Civil

Engineers, Helsinki, 2009[4]   NIEMINEN  J,  HOLOPAINEN  R,  LYLYKANGAS  K,  ”Passive  house  for  a  cold  climate”,

Nordic Symposium on Building Physics, Conference Proceedings, Copenhagen, 2008[5] NIEMINEN J, “Mikä on passiivitalo”, Technical Research Centre of Finland VTT , (Online),

Available from,  http://passiivitalo.vtt.fi/files/mika%20on%20passiivitalo.pdf (Accessed April29 2010)

[6]   NIEMINEN J, LYLYKANGAS K, “Mikä on passiivitalo”, (Online), Available from:http://www.passiivi.info/download/passiivitalon_maaritelma.pdf, (Accessed April 29 2010),2009

[7]   KURNITSKI J, “Rakennusten energiatehokkuuden osoittaminen kiinteistöveron porrstustavarten”Helsinki University og Technology, Espoo, 2009

[8] “D5 Suomen rakentamismääräyskokoelma. Rakennuksen energiankulutuksen ja lämmitystehontarpeen laskenta”, Ohjeet 2007, Ministry for the Environment, Department of housingand building, Annex 1

[9] Matkailutilastot, (Online), Available from: www.lapinliitto.fi/julkaisut_ja_tilastot/matkailu,Regional Council of Lapland

[10]   Interview of Pertti Yliniemi, owner of Lapland Hotels, during hotel visit in Muonio, January27 2010

[11]   CAPOZZOLI A, MECHRI H E, CORRADO V, “Impacts of architecturaldesign choices on building energy performance. Applications of uncertainty and sensitivitytechniques”, Conference Proceedings, Eleventh International IBPSA Conference, Glasgow,2009

[12]  DEPECKER P, MENEZO C, VIRGONE J, LEPERS S, “Design of buildings shape andenergetic consumption”, Building and Environment, No. 36, 2001, pp. 627­635

[13]  SAARI M, “Energiatehokkaan talon lämmitysratkaisut. PEP – Promotion of EuropeanPassive Houses”, Conference Proceedings, Intelligent Energy Europe Seminar, Espoo,2006

[14]   Kotitalouksien sähkönkäyttö 2006, Tutkimusraportti 2.10.2008, Adato Energia Oy, 2008[15]   “Sisäilmastoluokitus 2008” LVI 05­10400, Rakennustietosäätiö RTS 2008[16]   “D3 Suomen rakentamismääräyskokoelma. Rakennuksen energiatehokkuus”, Määräykset

ja ohjeet 2007, Ministry for the Environment, Department of built environment[17]   “Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance

 of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics”,SFS­EN 15251, Suomen Standardisoimisliitto SFS, 2007

[18]   VINHA J, “Asuinrakennusten ilmanpitävyys, sisäilmasto ja energiatalous”,  TampereenUniversity of Technology, 2009

[19]   “Teollisesti valmistettujen asuinrakennusten ilmanpitävyyden laadunvarmistusohje”,  RT 80­10974, Rakennustieto Oy

[20]   “D2 Suomen rakentamismääräyskokoelma. Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto”, Mää­räykset ja ohjeet 2010, Department of built environment