micrografx designer 7 - kansi126 - tuni · rakenteiden läpi ilmaan ja maahan johtuva energia,...

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

�

� �

� �

� �

� �

� �

� �

� �

�

�

� � � � � � � � � � �

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

��

� � � � � � ! " # # $ ! � " # � � % & ' ( � ) # � * � � � � � �+ � � � � � � � � � � � � , � � � - � � � � � � � � � � � � � �

* � � � � � � � � � � � � � . � / � / � 0

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

� � � � % � � �

* % ( # � ! " # # $ � * " ! # � � ! !

1 . 2* $ * ! � 3 $ � � ' ( � * * �

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �� ! " # � � ! � � � � � � � � !

� � � � " $ % % &

� � � ! ! � � � � ! � � � � ! ' � � � � '

� � " � � � � � '

� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

( $ )� � � � * � � � � � � � � �

+ �

� � , ��

) - .) - /- 0 $ � ( 0 � ( ( % 0 � $( . 0 - � . ( % $

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

ISBN978-952-15-2748-7 (PDF)

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

kulkki

Typewritten Text

(nid.)

Tampereen teknillinen yliopisto, Talonrakennustekniikka 1 Hirsirakennuksen yläpohjan tiiviys – vaikutus lämpöenergiankulutukseen

Alkusanat Tämä raportti ”Hirsirakennuksen yläpohjan tiiviys – vaikutus lämpöenergiankulutukseen” on tutkimushankkeen ”Yläpohjan tiiviyden vaikutus hirsirakennuksen lämmitysenergiankulutukseen 1.4.2002–31.8.2003” loppuraportti. Tutkimus kuului Tekesin Tukista tuplasti– teknologiaohjelmaan. Tutkimus on tehty Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) Talonrakennustekniikan laboratoriossa professori Ralf Lindbergin johdolla. Vastaavana tutkijana toimi Virpi Leivo. Lisäksi tutkimukseen osallistui TTY:n laboratoriosta tutkijat Jommi Suonketo ja Pasi Käkelä. Tutkimuksen johtoryhmään kuuluivat:

Eero Jormalainen SPU-Systems Oy, puheenjohtaja Tapani Tuominen SPU-Systems Oy Jan-Erik Järventie SPU-Systems Oy Eino Hekali Honkarakenne Oyj Jyri Välilä Honkarakenne Oyj Juha Hietanen Uponor Oy Lasse Pöyhönen Tekes Ralf Lindberg TTY, Talonrakennustekniikka Virpi Leivo TTY, Talonrakennustekniikka, sihteeri.

Tekesin lisäksi tutkimuksen rahoittajina olivat Honkarakenne Oyj, SPU-Systems Oy ja Uponor Oy. Kiitän johtoryhmän jäseniä ja tutkimuksen rahoittajia yhteistyöstä tutkimuksen aikana.

Tampereella lokakuussa 2003 Virpi Leivo


Yhteenveto Tutkimuksen ”Yläpohjan tiiviyden vaikutus hirsirakennuksen lämmitysenergiankulutukseen” taustalla on rakennuksen lämmöneristysmääräysten kiristyminen lokakuussa 2003. Hirsitaloteollisuudessa on tarvetta kehittää hirsitaloratkaisuja siten, että hirsirakennuksen lämmityksen lämpöenergiatarve olisi sellaisella tasolla, että se täyttää uusien lämmöneristysmääräysten asettaman vertailutason. Perinteisesti hirsirakennuksen hirsiseinien alhaisempaa lämmöneristävyyttä on kompensoitu paremmalla ala- ja yläpohjan eristävyydellä. Uudet lämmöneristysmääräykset antavat mahdollisuuden laajempaan kompensointiin kun määritellään koko rakennuksen lämpöenergiatarve, jota verrataan lämmöneristys- ja ilmanvaihtomääräykset täyttävän vertailurakennuksen energiantarpeeseen. Eräs huomioonotettava rakennuksen lämpöhäviöitä aiheuttava ilmiö on vaipan läpi epätiiviyksien kautta tapahtuva vuotoilmanvaihto. Hirsirakennukset ovat perinteisesti usein olleet läpäisevämpiä kuin pientalot keskimäärin. Tässä tutkimuksessa keskityttiin tarkastelemaan teoreettisesti ja erilaisten kenttämittausten avulla yläpohjan tiiviyden vaikutusta hirsirakennuksen kokonaistiiviyteen ja vuotoilmanvaihtuvuuden kautta lämmitysenergiankulutukseen. Yläpohjan tiiviys vaikuttaa rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen kahdella tavalla. Ensiksikin rakennuksen kokonaistiiviys paranee kun yläpohja on tiivis (yläpohjan kautta ei tapahdu ilmavuotoja). Toiseksi kun yläpohjasta ei tapahdu ilmavuotoja, rakennuksen paineolot muuttuvat siten, että paineettoman tason eli neutraaliakselin paikka alenee ja ilmavuotovirran määrä pienenee. Kenttämittauksissa mitattiin kahden hirsirakennuksen (vanha tavanomaisesti rakennettu ja uusi, jossa tiivis yläpohja) lämpötila- ja paineoloja ja energiakulutusta 1 viikon mittausjakson ajan. Sen lisäksi määriteltiin molempien rakennusten vaipan ilmanpitävyys (vuotoluku, n50) painekokeen avulla. Hirsirakennuksen, jossa on tiivis yläpohja n50-luku oli noin 4,5 ja vertailurakennuksen 13,5. Osa tiiviyserosta johtuu yläpohjan tiiviydestä ja osa hirsirakennustekniikan (hirsien tiivisteet, liitostekniikat) kehittymisestä. TTY:n koerakennusalueelle rakennettiin koerakennus, jossa tutkittiin erilaisten tiivistemateriaalien ja ristinurkan vaikutusta hirsiseinien ilmavuotoihin. Tehtyjen kokeiden perusteella huolellisesti koottu hirsiseinä, varsinkin käytettäessä tiivisteenä materiaalia, joka muodostaa ilmansulun on erittäin ilmatiivis. Samoin nurkka uusimmilla liitostekniikoilla tehtynä on yllättävänkin ilmatiivis. Hirsirakennuksessa ilmavuodot keskittyvätkin rakennusosien liitoksiin ja yksityiskohtiin, joiden ilmatiiviyden varmistaminen vaatii huolellisuutta ja hyviä työ- ja asennusohjeita. Teoreettisten tarkastelujen pohjalta kehitettiin vuotomalli, jolla voitiin määritellä yläpohjan tiiviyden vaikutus rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen verrattuna tapaukseen, jossa rakennuksen vaippa (seinät ja yläpohja) on tasaisen läpäisevä. Vuotomallin pohjalta kehitettiin laskentamenettely, jolla voidaan määritellä rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus kun yläpohja on 90%:n tiivis. Laskentamenettelyn lähtötietoina tarvitaan seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhde, rakennuksen vuotoluku (n50) sekä tiedot ilmasto-olosuhteista (keskimääräinen sisä- ja ulkolämpötila, keskimääräinen tuulennopeus ja rakennuksen sijainnin suojaisuus). Laskentamenettelyn mukaan rakennuksen, jossa on tiivis yläpohja vuotoilmanvaihtuvuus on 18…27% vähemmän kuin tasaisesti läpäisevän vaipan. Tämän mukaan hirsirakennuksen, jossa on tiivis yläpohja ja vuotoluku n50=4,5 vuotoilmanvaihtuvuus on suurin piirtein sama kuin sellaisen rakennuksen, jossa on tasaisesti läpäisevä vaippa ja vuotoluku n50=3,5.


Sisällysluettelo

Alkusanat .................................................................................................................................................................... 1

Sisällysluettelo .................................................................................................................................................... 3 Mittayksiköitä ja käsitteitä .......................................................................................................................................... 4 1. Rakennuksen lämmitysenergiankulutuksen laskenta .......................................................................................... 5

1.1 Vuotoilmanvaihtuvuuden määrittäminen lämmitysenergian kulutuslaskelmissa........................................ 5 Suomen Rakentamismääräyskokoelman osa D5 /RakMK, 1985/. ...................................................................... 5 EN-standardi /EN ISO 13789/ ............................................................................................................................ 6

2. Rakennuksen paineolot ja ilmavuodot ............................................................................................................ 8 2.1 Tuulen aiheuttama paine rakennuksen vaipassa.......................................................................................... 8 2.2 Terminen paine-ero rakennuksen vaipassa ............................................................................................... 10 2.3 Ilmanvaihdon aiheuttama paine rakennuksen vaipassa............................................................................. 11 2.4 Ilmavirran perusyhtälöt ............................................................................................................................. 11

3. Rakennuksen tiiviys ...................................................................................................................................... 12 3.1 Rakennuksen tiiviyden määrittäminen ...................................................................................................... 12 3.2 Rakennuksen tiiviys ja ilmanvaihto .......................................................................................................... 13 3.2 Rakennuksen tiiviys ja vuotoilmanvaihtuvuus.......................................................................................... 15

LBL-malli .......................................................................................................................................................... 17 Yksinkertaistettu LBL-malli............................................................................................................................... 18

3.3 Yläpohjan tiiviyden vaikutus .................................................................................................................... 20 4. Kenttämittaukset, Himos....................................................................................................................................... 23

4.1 Rakennusten vuotokohdat ja ilmavuodot .................................................................................................. 25 4.2 Rakennusten sisä- ja ulkolämpötilat mittausjaksolla................................................................................. 25 4.3 Rakennusten paine-eromittaukset ............................................................................................................. 26 4.4 Rakennusten ilmatiiviys ............................................................................................................................ 28 4.5 Rakennusten energiankulutus mittausjaksolla .......................................................................................... 30

5. Koerakennus ......................................................................................................................................................... 33 5.1 Mittausjärjestelmä ..................................................................................................................................... 35 5.2 Koerakennuksen painekokeet ................................................................................................................... 36 5.3 Paine- ja ilmavirtaustarkasteluja tiiviillä rakennuksella............................................................................ 37

Paine-ero ja neutraaliakselin paikka ................................................................................................................ 37 Ilmavirtaus reiästä ............................................................................................................................................ 39

5.4 Virtaus- ja painemittaukset hirsiseinillä .................................................................................................... 41 Tutkitut hirsiseinärakenteet............................................................................................................................... 41 Hirsiseinien läpi virtaamat ilmamäärät............................................................................................................ 41 Hirsiseinien vuotomalli ..................................................................................................................................... 46

6 Hirsirakennuksen vuotomalli ............................................................................................................................ 47 6.1 Vuotomallin kehittäminen......................................................................................................................... 47 6.2 Tarkasteluja vuotomallilla......................................................................................................................... 48

Termisen paine-eron vaikutus ........................................................................................................................... 48 Rakennuksen korkeuden vaikutus...................................................................................................................... 49

6.3 Yläpohjan tiiviyden vaikutus rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen vuotomallin mukaan.................... 50 7. Tulokset ................................................................................................................................................................ 53

7.1 Hirsitalossa (jossa tiivis yläpohja) tapahtuva vuotoilmanvaihtuvuus ....................................................... 53 Hirsirakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuden laskenta ....................................................................................... 54

7.2 Rakennuksen lämmitysenergiankulutus, laskentamenettely ..................................................................... 57 8. Kehitystarpeet ................................................................................................................................................... 58 Lähteet ...................................................................................................................................................................... 59 Liite 1: Himoksen kenttämittauskohteiden energiankulutuksen laskentataulukot .................................................... 60


Mittayksiköitä ja käsitteitä

kWh/m2 a Kilowattituntia neliömetriä (huoneistoalaa) kohti vuodessa. Käytetään lämmitysenergian kulutuksen mittaamiseen.

MWh/m2 a Megawattituntia neliömetriä (huoneistoalaa) kohti vuodessa. Vaihtoehtoinen yksikkö lämmitysenergian kulutuksen mittaamiseen. 1 MWh/m2 a = 1000 kWh/m2 a.

kWh/m3 a Kilowattituntia kuutiometriä (rakennustilavuutta) kohti vuodessa. Aiemmin yleisesti käytetty yksikkö lämmitysenergian kulutuksen mittaamiseen. Kulutus kWh/m3 a saadaan muutettua kWh/m2 a kertomalla rakennuksen kerroskorkeudella (oletetaan olevan n. 3 m).

W/m2 K Wattia neliömetriä ja Kelvin-astetta kohti. Rakenteen (seinät, katto, ikkunat, jne.) lämmönläpäisevyyden yksikkö, jonka lukuarvo ilmoittaa, millä teholla lämpö virtaa neliömetrin suuruisen rakenteen läpi, kun lämpötilaero rakenteen eri puolilla on 1 K eli 1 °C.

1/h Tilavuutta tunnissa. Käytetään rakennuksen vuotoilmavirran mittaamisessa. Lukuarvo ilmoittaa, montako kertaa rakennuksen ilma vaihtuu tunnissa. Esim. 2 1/h tarkoittaa, että rakennuksen ilma vaihtuu kaksi kertaa tunnissa.

λ Lämmönjohtavuus ilmoittaa lämpömäärän, joka siirtyy aikayksikössä pintayksikön suuruisen ja pituusyksikön paksuisen homogeenisen ainekerroksen läpi, kun lämpötilaero pintojen välillä on yksikön suuruinen. Yksikkönä W/m K.

U-arvo Lämmönläpäisykerroin. U-arvo ilmoittaa lämpömäärän joka läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen rakennusosan kun lämpötilaero rakennusosien eri puolilla on yksikön suuruinen. Yksikkönä W/m2 K.

n50 Ilmanvuotoluku. Luvulla kuvataan rakennuksen ilmanpitävyyttä. Ilmanvuotoluku määritellään yleensä painekokeella. Yksikkö 1/h. Mitataan 50 Pa:n alipaineessa montako kertaa tunnissa rakennuksen ilmatilavuus vaihtuu.

Kokonaisenergian kulutus Kokonaisenergian kulutukseen lasketaan mukaan rakennuksen lämmitysenergiakulutus, käyttöveden energiankulutus ja sähkön energiakulutus.

Lämmitysenergiakulutus

Lämmitysenergian kulutukseen lasketaan rakennuksen lämmittämiseen tarvittava energia, joka muodostuu rakenteiden läpi ilmaan ja maahan johtuvasta energiasta sekä ilmanvaihdon ja vuotoilman lämmityksen tarvitsemista energioista (=lämpöhäviöt), joista on vähennetty rakennuksessa tuotettu sisäinen lämpöenergia (auringon säteilyenergia ja sisäisistä lämmönlähteistä tuleva energia).

Tiiviys Rakennuksen ilmanpitävyys.


1. Rakennuksen lämmitysenergiankulutuksen laskenta Rakennuksen lämmitysenergiantarve muodostuu rakenteiden läpi ilmaan ja maahan johtuvista energioista sekä ilmanvaihdon ja vuotoilman lämmitykseen tarvittavasta energiasta (=lämpöhäviöt), joista on vähennetty rakennuksessa tuotettu sisäinen lämpöenergia (auringon säteilyenergia ja sisäisistä lämmönlähteistä tuleva energia). Rakennuksen lämmitysenergiantarpeen (lämpöenergiatarpeen) laskentaan on olemassa kaksi vaihtoehtoista laskentatapaa: Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D5 ja eurooppalaisen EN ISO 13789 standardin esittämä laskutapa. Rakenteiden läpi ilmaan ja maahan johtuva energia, jonka suuruuteen vaikuttavat vaipan pinta-ala ja rakenteiden lämmön-läpäisevyyskerroin eli U-arvot (k-arvot). Ilmanvaihdon lämmityksen tarvitsemaa energiaa voidaan pienentää käyttämällä lämmön-talteenottoa. Ilmanvaihdon tavoitearvo (minimi) on Suomen RakMK osan D2 mukaan noin 0,5 1/h. Vuotoilmanvaihto aiheutuu tuulen ja/tai lämpötilaerojen synnyttämistä paine-eroista. Ilmavuodoissa tapahtuva hallitsematon ilmanvaihto tapahtuu rakennuksen ulkovaipassa (ulkoseinissä, yläpohjissa ja alapohjissa). Ilmavuotoja ja vuotoilmasta johtuvaa energiankulutusta voidaan vähentää parantamalla rakenteiden ilmanpitävyyttä. Rakennuksessa tuotettu sisäinen lämpöenergia sisältää tavallisesti ikkunoiden kautta sisälle tulevan auringon säteilyenergian ja sisäisistä lämmönlähteistä (ihmiset, sähkölaitteet) tulevan energian. Molemmilla laskutavoilla (D5 ja EN ISO 13789) rakenteiden läpi johtuva energia lasketaan periaatteessa samalla tavalla, samoin ilmanvaihdon lämmittämiseen tarvittava energia, tosin EN-standardissa ilmanvaihdon ja vuotoilman lämmittämiseen tarvittavan energian laskenta tapahtuu yhdellä kaavalla. Suurin ero eri laskentamenetelmien välillä on vuotoilmanvaihtuvuuden määrittämisessä. D5:ssä annetaan ohjeellinen vuotoilmanvaihtuvuuden luku, EN-standardissa vuotoilmanvaihtuvuus määritellään rakennuksen tiiviyttä kuvaavan n50-luvun ja rakennuksen sijainnin ja suojaisuuden mukaan.

1.1 Vuotoilmanvaihtuvuuden määrittäminen lämmitysenergian kulutuslaskelmissa

Suomen Rakentamismääräyskokoelman osa D5 /RakMK, 1985/.

(Rakennuksen lämmityksen tehon- ja energiatarpeen laskenta, 1985)

Vuotoilman lämmityksen tarvitsema energia

Qvuotoiv=ρi*⋅cpi*⋅nv*V*⋅24*⋅S/3600) (1.1)

missä ρi on ilman tiheys (=1,2 kg/m3), cpi on ilman ominaislämpö (=1,0 kJ/kgK),

nv vuotoilmanvaihtuvuus kertaa tunnissa (1/h), V on rakennuksen tilavuus (m3),

t⋅on ilmanvaihtolaitoksen vuorokautinen käyntiaikasuhde (h/24h) ja⋅S on astepäiväluku (Kd).


D5:n mukaan ellei tarkempaa vuotoilmanvaihtuvuuden arvoa ole määritelty:

• vuotoilmanvaihtuvuus käytössä olevassa rakennuksessa nv= 0,2 1/h ja

• käyttämättömässä rakennuksessa nv= 0,1 1/h

EN-standardi /EN ISO 13789/

(EN ISO 13789:1998. Thermal performance of building. Transmission heat loss coefficient. Calculation method)

Ilmanvaihdon lämpöhäviöt (sisältää vuotoilman lämpöhäviöt)

Ilmanvaihdon ominaislämpöhäviö (HV) lasketaan kaavalla 1.2.

HV = ρaca V& (1.2)

Missä ρaca on ilman lämpökapasiteetti tilavuutta kohti (J/m3 K) (= 1200 J/m3 K) ja V& ilmanvaihdon tilavuusvirta (m3/s), joka lasketaan riippuen ilmanvaihtotavasta kaavoilla 1.3…1.8.

Ilmanvaihdon tilavuusvirta, kun rakennuksessa on koneellisen ilmanvaihto

xf VVV &&& += (1.3)

missä fV& on koneellisen ilmanvaihdon tilavuusvirta (m3/s) ja xV& vuotoilman tilavuusvirta (m3/s),

joka lasketaan kaavasta 1.8. fV& määritellään ilmanvaihtolaitteistosta riippuen kaavoilla 1.4…1.7.

a. Koneellinen poistoilmanvaihto ilman koneellista tuloilmaa (tai koneellinen tuloilmanvaihto ilman koneellista poistoa)

exf VV && = tai supVV f&& = (1.4)

missä exV& on koneellisesti tuotettu poistoilmavirta (m3/s) ja supV& koneellisesti tuotettu tuloilmavirta (m3/s).

b. Jatkuvasti päällä olevalle koneelliselle tulo- ja poistoilmanvaihdolle fV& on suurempi arvoista

exV& ja supV& .

c. Mikäli jatkuvasti päällä olevan koneellisen tulo- ja poistoilmanvaihdon ilmavirta ei ole vakio, fV& on keskimääräinen ilmavirta käyttöaikana.

d. Mikäli ilmanvaihtolaitteisto on välillä poissa päältä fV& lasketaan kaavalla 1.5.

( )( ) ( )ββ xfxf VVVVV &&&& ++−+= 1'0 (1.5)


missä 0V& on painovoimaisen ilmanvaihdon tilavuusvirta kun puhaltimet eivät ole käynnissä ja '

xV on vuotoilmavirta, lasketaan kaavasta 1.6. b on se osuus ajasta, jolloin ilmanvaihtolaitteet ovat poissa päältä (h/24h).

enVVx 50' =& (1.6)

missä n50 on painekokeen mukainen ilmanvaihtuvuus 50 Pa paine-erolla (1/h) ja e on suojauskerroin (Taulukko 1.1) ja V on rakennuksen tilavuus.

e. Koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto varustettuna lämmöntalteenottolaitteistolla. Tällöin tilavuusvirta lasketaan kaava 1.14 asemasta kaavalla 1.7.

( ) xvf VVV &&& +−= η1 (1.7)

missä ηv on lämmöntalteenoton kokonaishyötysuhde.

Vuotoilman tilavuusvirta xV& lasketaan kaavalla 1.8.

2

50

sup

50

1

−+

=

nVVV

ef

enVVex

x&&

& (1.8)

missä e ja f ovat suojauskertoimia, määritelty Taulukossa 1.1.

Taulukko 1.1. Suojauskertoimet e ja f. Alttius tuulelle

Useampia tuulelle alttiina olevia julkisivuja

Yksi tuulelle alttiina oleva julkisivu

Maaston ja ympäristön kuvaus

Kerroin e Suojaton: Avoimella maalla sijaitsevat rakennukset, kaupunkien keskustojen korkeat rakennukset Melko suojainen: Maaseudulla sijaitsevat rakennukset, joiden ympärillä on puita tai muita rakennuksia, esikaupunkialueet Hyvin suojainen: Kaupunkien keskustojen keskikorkeat rakennukset, metsissä sijaitsevat rakennukset

0,10

0,07

0,04

0,03

0,02

0,01

Kerroin f 15 20


2. Rakennuksen paineolot ja ilmavuodot Rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen eli rakenteiden läpi tapahtuvaan vuotoilmanvuotoon vaikuttaa rakenteiden tiiviyden lisäksi rakennuksen vaipan yli vaikuttavat paineolot, joita aiheuttavat tuulen ja rakennuksen termiset paine-erot sekä ilmanvaihto.

2.1 Tuulen aiheuttama paine rakennuksen vaipassa Tuuli aiheuttaa tuulenpuoleiselle seinälle alipainetta ja vastakkaiselle seinällä ylipainetta (Kuva 2.1). Käytännössä tuulenpaineen aiheuttavat ilmavuodot keskittyvät vaipan epätiiviyskohtiin: rakenneosien liitoksiin.

Kuva 2.1 Tuulen aiheuttama paine rakennuksen vaipassa ja ilmavuodot. Tuulenpaine voidaan laskea kaavasta 2.1, kun tiedetään keskimääräinen tuulen nopeus.

2

21 vCp pw ρ= , (2.1)

missä ρ on ilman tiheys (1,2 kg/m3), v tuulen nopeus (m/s), Cp on tuulenpainekerroin, normaalisti tuulenpuolella 0,5…0,8 ja vastakkaisella puolella -0,3…0,4 /Binamu, A. 2001/. Eri rakennusosille saadaan kerroin Cp taulukosta 2.1 /Hagentoft, C-E. 2001/.

Tuuli

pw=1/2 Cp ρ v2

Tuuli

pw=1/2 Cp ρ v2


Taulukko 2.1. Kerroin Cp. Seinä Tuulen suuntakulma=0 º Tuulen suuntakulma=45 º Seinä 1 Seinä 2 Seinä 3 Seinä 4

+0,4 -0,2 -0,3 -0,2

+0,1 -0,35 +0,1 -0,35

Katto, kaltevuus alle 10º Tuulen suuntakulma=0 º Tuulen suuntakulma=45 º Etuosa Takaosa

-0,6 -0,6

-0,5 -0,5

Katto, kaltevuus 10…30º Tuulen suuntakulma=0 º Tuulen suuntakulma=45 º Etuosa Takaosa

-0,35 -0,35

-0,45 -0,45

Katto, kaltevuus yli 30º Tuulen suuntakulma=0 º Tuulen suuntakulma=45 º Etuosa Takaosa

+0,3 -0,5

-0,5 -0,5

Tuulen nopeus mitataan yleensä säähavaintoasemilla 10 m korkeudella. Laskettaessa tuulen nopeutta rakennuksen harjakorkeudella h, voidaan käyttää seuraavaa kaavaa:

( )αβ 10hvv ref= , (2.2)

missä vref on tuulen nopeus 10 m korkeudella ja α ja β taulukosta 2.2 saatavia ympäristöparametreja.

Taulukko 2.2 Ympäristöparametrit α ja β. Maastotyyppi α β Merialue 0,10 1,30 Tasainen maasto 0,15 1,00 Maaseutu 0,20 0,85 Esikaupunki-, teollisuus- tai metsäalue 0,25 0,67 Kaupungin keskusta 0,35 0,47

2

3 4

1

Tuul

ensu

unta

θ


2.2 Terminen paine-ero rakennuksen vaipassa Termistä painetta rakennuksen vaippaan aiheuttaa sisä- ja ulkolämpötilojen ero. Huonetilassa lämmenneen ilman tiheys pienenee ja ilma pyrkii nousemaan ylöspäin. Tällöin tilan yläosaan muodostuu ylipainetta ja alaosaan alipainetta (kuva 2.2). Ilmiöstä käytetään yleisesti termiä savupiippuvaikutus. Neutraaliakselin eli paineettoman tason sijainti riippuu aukotuksesta ja ilmanvaihdosta.

Kuva 2.2 Termisen paine-eron aiheuttama paine rakennuksen vaipassa. Terminen paine-ero voidaan laskea kaavasta 2.3, kun tiedetään sisä- ja ulkolämpötila sekä neutraaliakselin paikka.

u

uss T

TThgp −∆−= ρ , (2.3)

missä ρ on ilman tiheys (1,2 kg/m3), g gravitaatiovakio (9,81 m/s2), ∆h etäisyys neutraaliakselista (normaalisti neutraaliakselin paikka on 0,3…0,7*rakennuksen korkeus), Ts on sisälämpötila ja Tu ulkolämpötila.

Jos tiedetään paine jossakin pisteessä ja siinä vaikuttava sisä- ja ulkolämpötila, voidaan määritellä neutraaliakselin paikka kaavasta 2.3 ratkaisemalla ∆h.

Terminen

ps= - ρ g h

Terminen

ps= - ρ g h


2.3 Ilmanvaihdon aiheuttama paine rakennuksen vaipassa Ilmanvaihdolla aikaansaadaan rakennukseen tarkoituksenmukainen ilmanvaihtuvuus. Painovoimaisessa ilmanvaihdossa ilmanvaihtuvuuden aiheuttavat edellä mainitut tuulenpaine ja terminen paine-ero. Painovoimaisessa ilmanvaihdossa korvausilma tulee vaipan läpi epätiiviyksien kautta ja poistoilma poistuu ilmanvaihtoventtiilien kautta. Koneellisessa ilmanvaihdossa ilmanvaihtuvuus aiheutetaan koneellisesti aikaansaamalla rakennukseen alipaine. Koneellisessa poistoilmanvaihdossa korvausilma tulee edelleen vaipan epätiiviyksien kautta tai korvausilmaventtiilien kautta ja poistoilma poistuu poistopuhaltimen kautta. Koneellisessa tulo- ja poistoilmanvaihdossa sekä ilman sisäänpuhallus että ulospuhallus tapahtuvat koneellisesti. Tämän lisäksi rakennuksessa tapahtuu myös epätiiviyksien kautta ylimääräistä ja hallitsematonta vuotoilmanvaihtoa. Nykyisissä uusissa rakennuksissa käytetyt ilmanvaihtotavat ovat lähinnä koneelliset ilmanvaihdot joko koneellisella poistolla tai sekä koneellisella tulolla ja poistolla varustetut ratkaisut. Koneellisessa poistoilmanvaihdossa, jossa korvausilma otetaan vaipan läpi, tarvittava alipaine riippuu rakennuksen tiiviydestä: mitä tiiviimpi rakennus, sitä suurempi alipaine tarvitaan halutun ilmanpoiston aikaansaamiseksi.

2.4 Ilmavirran perusyhtälöt

Yleiset vuotoyhtälöt Virtaus voidaan esittää kaavan 2.4 yleisellä virtauksen vuotoyhtälöllä.

V= c ∆P n , (2.4)

missä c on vuotokerroin ja n virtauksen laatua kuvaava eksponentti (laminaarisella virtauksella n=1 ja turbulenttisella n=0,7).

Toinen yleisesti käytetty virtauksen vuotoyhtälö on kaava 2.5.

∆P = a V 2 +b V (2.5)

missä a ja b ovat vakiokertoimia, jotka voidaan määrittää kokeellisesti seuraavien yhtälöiden (2.6) avulla, kun tiedetään virtaukset (V1 ja V2) kahdella eri paineella (P1 ja P2).

212

2

11

22

VVV

PVVP

a⋅−

∆⋅−∆=

1

211

VVaPb ⋅−∆

= (2.6)


3. Rakennuksen tiiviys

3.1 Rakennuksen tiiviyden määrittäminen Rakennuksen ilmatiiviyttä kuvataan yleisesti vuotoluvulla, n50. Vuotoluku saadaan painekokeella, jossa rakennukseen aikaansaadaan 50 Pa:n ali- (tai ylipaine) ja mitataan vaipan läpi poistuvan (tai tulevan) ilmavirran suuruus (Kuva 3.1). Ilmavirta esitettynä ilmanvaihtuvuutena, tilavuutta tunnissa (1/h) on rakennuksen vuotoluku n50.

Kuva 3.1 Rakennuksen painekoe. Rakennuksen painekokeessa kaikkiin rakennuksen vaipan osiin aikaansaadaan tasainen 50 Pa paine. Painekokeen tulos ei ota huomioon epätiiviyskohtien sijaintia tai rakennuksen eri rakenneosien erilaisia tiiviyksiä, joilla on kuitenkin merkitystä rakennuksen ilmatiiviyteen normaaleissa käyttöolosuhteissa, jolloin kaikissa vaipan osissa valitsee erilainen paine. Painekokeen tuloksen perusteella voidaan määritellä rakennuksen vuotokäyrä: ilmanvaihtuvuus eri paineoloissa yleisellä vuotoyhtälöllä (kaava 2.4: V= c ∆P n). Yleisimmin virtauksen oletetaan olevan turbulenttista, jolloin kerroin n=0,7. Kuvassa 3.2 on määritelty neljälle eri vuotoluvulle vuotokäyrät. Kuva 3.2 Rakennusten vuotokäyriä.

DP=50 Pa

DP=50 Pa

DP=

50 P

aDP=

50 P

a Puhallin

Rakennuksesta imetty ilmamäärä

Rakennusten vuotokäyriä

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Paine, Pa

Ilman

vaih

tuvu

us, 1

/h

n50=1n50=3n50=7.5n50=10

nx=n50*(∆P/50)0,7


3.2 Rakennuksen tiiviys ja ilmanvaihto Rakennuksen epätiiviys lisää rakennuksessa tapahtuvaa hallitsematonta, suunnitellun ilmanvaihdon lisäksi tapahtuvaa ilmanvaihtoa eli vuotoilmanvaihtoa. VTT:n julkaisussa /Saarnio, 1983/ on esitetty yksinkertaistettu laskentaesimerkki kuinka tuuli vaikuttaa kokonaisilmanvaihtuvuuteen (ilmanvaihto + vuotoilma) eri ilmanvaihtojärjestelmillä tiiviissä (n50=1, Kuva 3.3) ja tiiviydeltään heikossa (n50=5, Kuva 3.4) rakennuksessa. Laskelmissa on oletettu, että 70% rakennuksen vuodoista on jakaantunut tasan tuulen- ja suojanpuoleisille seinille.

Kuva 3.3 Tuulen vaikutus kokonaisilmanvaihtuvuuteen eri ilmanvaihtoratkaisuilla tiiviissä

rakennuksessa.

Tuuli= 0 m/s

Ilmanvaihto

Paino-voimainen

n=0,2 1/h

Tuuli= 3 m/s

n=0,2 1/h

Tuuli= 5 m/s

n=0,3 1/h

Tuuli= 10 m/s

n=0,4 1/h

Tuuli= 0 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 3 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 5 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 10 m/s

n=0,5 1/h

Tiivis: n50=1 1/h

Koneellinenpoisto (0,5 1/h)

Tuuli= 0 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 3 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 5 m/s

n=0,55 1/h

Tuuli= 10 m/s

n=0,75 1/h

Koneellinenpoisto ja tulo(tulo 0,4 1/h poisto 0,5 1/h)


Kuva 3.4 Tuulen vaikutus kokonaisilmanvaihtuvuuteen eri ilmanvaihtoratkaisuilla tiiviydeltään heikossa rakennuksessa.

Tiiviys vaikuttaa myös ilmanvaihdon aiheuttamiin paineoloihin erityisesti tapauksessa, jossa rakennuksessa on koneellinen poistoilmanvaihto ja korvausilma otetaan vaipan läpi epätiiviyksien kautta. Tarkastellaan neljää tiiviydeltään erilaista rakennusta, joiden vuotokäyrät ovat kuvan 3.5 mukaiset. Kuvasta voidaan todeta, että ilmanvaihdon perusarvo 0,5 1/h aikaansaadaan tiiviydeltään heikossa (n50=10) rakennuksessa jo alle 1 Pa alipaineella, kun vastaavasti tiiviydeltään hyvässä (n50=1) tarvittava alipaine on noin 19 Pa. Kuva 3.5 Tiiviydeltään erilaisten rakennusten vuotokäyrät.

Rakennusten vuotokäyriä

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Paine, Pa

Ilman

vaih

tuvu

us, 1

/h

n50=1n50=3n50=7.5n50=10

nx=n50*(∆P/50)0,7

Tiiviydeltään heikko: n50=5 1/h

Tuuli= 0 m/s

Ilmanvaihto

Paino-voimainen

n=0,25 1/h

Tuuli= 3 m/s

n=0,35 1/h

Tuuli= 5 m/s

n=0,55 1/h

Tuuli= 10 m/s

n=1,2 1/h

Tuuli= 0 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 3 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 5 m/s

n=0,7 1/h

Tuuli= 10 m/s

n=1,45 1/h

Koneellinenpoisto (0,5 1/h)

Tuuli= 0 m/s

n=0,5 1/h

Tuuli= 3 m/s

n=0,55 1/h

Tuuli= 5 m/s

n=0,9 1/h

Tuuli= 10 m/s

n=1,6 1/h

Koneellinenpoisto ja tulo(tulo 0,4 1/h poisto 0,5 1/h)


Mikäli haluttuna ilmanvaihtona pidetään 0,5 1/h, voidaan määritellä kuinka suuri alipaine tiiviydeltään erilaisiin rakennuksiin tulee aikaansaada, jotta vaipan läpi tulevan korvausilman määrä on 0,5 1/h (Kuva 3.6). Kuva 3.6 Tarvittava alipaine halutun ilmanvaihdon (0,5 1/h) aikaansaamiseksi

tiiviydeltään erilaisissa rakennuksissa.

3.2 Rakennuksen tiiviys ja vuotoilmanvaihtuvuus Rakennuksen tiiviyden (vuotoluvun, n50) ja vuotoilmanvaihtuvuuden välillä ei ole löydetty yksinkertaista yhteyttä. Erilaisia laskenta- ja tietokonemalleja on kehitetty rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuden määrittämiseksi rakennuksen tiiviyden, tuuli- ja termisten olosuhteiden perusteella. Suurin osa malleista käyttää laskennassa lähtöarvoina rakennuksen painekokeen perusteella laskettua ns. tehokasta vuotopinta-alaa (ELA= Equivalent Leakege Area), joka lasketaan kaavan 3.1 mukaan. Vuotopinta-ala (ELA) ilmoittaa kuinka suuri vuotopinta-ala (reikä) laskien kaikki vuotoreitit yhteen vastaan tiettyä rakennuksen vuotolukua.

ELA=D

rr

Cpq

L

5,0

2

∆=

ρ

, (3.1)

missä qr on painekoekäyrästä arvioitu ilmavirta (m3/s) mitoittavalla ∆pr-paineella ja CD vuotokerroin (1 tai 0,4). Referenssipaineena ∆pr käytetään yleensä 4 Pa:n painetta Lawrence Berkeley Laboratorion kehittämän LBL-vuotomallin mukaan. Joissakin tapauksissa käytetään referenssipaineena myös 10 Pa kanadalaistutkimuksiin pohjautuen, jolloin puhutaan yleensä EqLA:sta.

Esimerkki. Vuotopinta-alan ELA:n laskenta tiiviydeltään erilaisille tilavuudeltaan 300 m3:n rakennuksille. Vuotopinta-ala (tehokas vuotopinta-ala, ELA) määritellään kaavalla 3.1. Kuvaan 3.7 on määritelty tiiviydeltään erilaisten, tilavuudeltaan 300 m3 rakennusten vuotokäyrät ja niitä vastaavat vuotopinta-alat (L).

Tarvittava alipaine määräysten mukaisen ilmanvaihdon (0,5 1/h) saavuttamiseksi eri rakennuksen tiiviyksillä

02468

101214161820

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Rakennuksen tiiviys, n50 (1/h)

Rake

nnuk

sen

alip

aine

, Pa

niv=n50*(∆P/50)0,7


Kuva 3.7 Esimerkkirakennuksen vuotokäyrät ja vuotopinta-alat. Vuotoilmanvaihtuvuuden laskentamallit voidaan jakaa kolmeen perustyyppiin:

1. Yksinkertaisimmassa mallissa vuotoilmanvaihtuvuus saadaan jakamalla 50 Pa:n paineessa määritelty vuotoilmavirta 20:llä. Tämä malli ei ota huomioon tuulen painevaikutusta eikä lämpötilaeron termistä painetta. Tämä likiarvokaava on usein riittävän tarkka laskettaessa esimerkiksi vuotuisia lämmitysenergiankulutuksia, erityisesti verrattaessa eri rakenneratkaisujen vaikutusta kokonaiskulutukseen. Myös EN ISO 13789-standardissa esitetty vuotoilmanvaihtuvuuden laskentamenettely on tätä tyyppiä ja likiarvokaava (n50/20) vastaa melko hyvin standardin mukaan laskettua vuotoilmanvaihtuvuutta tavanomaisissa ilmasto- ja suojausolosuhteissa.

2. Empiirisissä malleissa rakennuksen tiiviyden lisäksi otetaan huomioon sekä tuulen nopeus että lämpötilaero. Yleisesti vuotoilmanvaihtuvuus (1/h) esitetään tuulen (nopeuden, m/s) ja lämpötilan (eron, ˚C) lineaarisena funktiona (kaava 3.2):

Q= a + b*∆T + c* v2 , (3.2)

jossa a, b ja c ovat ns. regressiokertoimia, jotka määritellään empiirisesti kullekin rakennukselle.

3. Yksi- ja monikennomalleissa lasketaan samoista lähtötiedoista kuin empiirisissä malleissa rakennukselle tai sen osille vuotoilman määriä. Lähteessä /Orme, 1999/ on esitetty useita erilaisia malleja. Yksinkertaisimmissa malleissa (esim. LBL-malli) vuotoilmanvaihtuvuus lasketaan rakennuksen sijainnin suojaisuuden ja sisä- ja ulkolämpötilaerosta riippuvien laskentaparametrien avulla. Monimutkaisimmissa laskentamalleissa määritellään rakennuksen vaippaan tuulesta ja lämpötilaerosta aiheutuvat painerasitukset ja vaipan vuotokohdat. Rakennuksen vaipan vuotoilmavirrat määritellään (laskentaehto: vuotoilmavirtojen summa =0) kehitetyillä laskentaohjelmilla.

Seuraavassa esitetään LBL-malli /Orme, 1999/ ja siitä yksinkertaistettu yksikennomalli (LBL) /ASHRAE Fundamentals handbook, 1989/, jotka perustuvat Lawrence Berkeley Laboratory:n kehittämään LBL-malliin.

Esimerkkirakennuksen (V=300 m3) painekäyrät

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 10 20 30 40 50

Paine, Pa

q ,m

3 /h

n50=1n50=3n50=5n50=7n50=10 D

rr

Cpq

L

5,0

2

∆=

ρ q r painekäyrästä P= 4 Pa=∆ p rC d =1

n50=1 n50=3 n50=5 n50=7 n50=10L, (cm2) 220 661 1102 1542 2203


LBL-malli Laskennan lähtötietoina tarvitaan painekokeesta saatava vuotopinta-ala, ELA 4 Pa:n paineessa (kaava 3.1). Vuotoilmanvaihtuvuus Q lasketaan kaavalla 3.3.

22ws QQQ += , (3.3)

missä Qs on termisestä paine-erosta ja Qw tuulenpaineesta aiheutuva vuotoilmanvaihtuvuus, jotka lasketaan kaavoilla 3.4 ja 3.7.

TThgLfQ ss

∆= 20 (3.4)

missä L0 on kaavalla 3.1 laskettu vaipan vuotopinta-ala (ELA), h rakennuksen korkeus ja ∆T sisä- ja ulkolämpötilan ero ja T sisälämpötila. Kerroin fs riippuu vaipan osien tiiviyksistä kaavan 3.5 mukaan.

92 Rf s

+= (3.5)

0LLL

R fc += (3.6)

missä Lc on yläpohjan vuotopinta-ala ja Lf alapohjan vuotopinta-ala. L0 on koko vaipan vuotopinta-ala.

vLfQ ww 0= (3.7) missä v on tuulen nopeus korkeudella h, joka lasketaan kaavalla 3.8. Kerroin fw lasketaan kaavalla 3.10.

= '

10

10'

'

'γ

γ

α

α

h

h

vv (3.8)

jos tuulennopeus mitattu 10 m korkeudella kaava supistuu muotoon:

=

γ

α10

' hvv

93 Rfw

−= (3.9)

Kertoimet α, α’ , γ ja γ’ saadaan taulukosta 3.1.


Taulukko 3.1 Kertoimet α, α’ , γ ja γ’. Luokka Kerroin γ ja γ’ Kerroin α ja α’ Kuvaus

1 0,10 1,30 Rannikko, jossa vähintään 5 km esteetöntä aluetta rakennuksen ympärillä

2 0,15 1,00 Tasainen maasto, jossa yksittäisiä puita tai rakennuksia

3 0,20 0,85 Taajama-alue, jossa matalia rakennuksia tai puita

4 0,25 0,67 Kaupunkialue tai metsäalue 5 0,35 0,47 Kaupungin keskusta

Yksinkertaistettu LBL-malli Laskennan lähtötietoina tarvitaan painekokeesta saatava vuotopinta-ala ELA 4 Pa:n paineessa (kaava 3.1). Vuotoilman vaihtuvuus, Q (l/s) lasketaan kaavalla 3.10.

( ) 5,02vBtALQ +∆= , (3.10)

missä L on tehokas vuotoluku 4 Pa:ssa, A on terminen kerroin ((l/s)2 cm-4 °C-1), ∆t sisä- ja ulkolämpötilan ero laskentajaksolla, B tuulenpainekerroin ((l/s)2 cm-4(m/s)-2) ja v keskimääräinen tuulen nopeus laskentajaksolla.

Tuulenpainekerroin B riippuu rakennuksen suojaisuudesta. Suojausluokkia on 5 taulukon 3.2 mukaan. Taulukko 3.2 Rakennuksen suojausluokat /ASHRAE Fundamentals, 1989/. Suojausluokka Suojauksen kuvaus

1 Ei esteitä tai paikallista suojausta. 2 Kevyt paikallinen suojaus: muutama este, puu tai pieni suoja. 3 Kohtalainen paikallinen suojaus: esteitä 2*rakennuksen korkeuden

etäisyydellä, tiivis aita, yksi naapuritalo. 4 Raskas suojaus: esteitä joka puolella, rakennuksia ja puita useilla suunnilla 10

m etäisyydellä, tyypillinen taajamasuojaus. 5 Erittäin raskas suojaus: suuria esteitä rakennuksen ympärillä 2*rakennuksen

korkeuden etäisyydellä, tyypillinen kaupungin keskustan suojaus. Suojausluokkien mukaan saadaan kerroin B taulukon 3.3 mukaan. Taulukko 3.3 Tuulenpainekerroin B [(l/s)2 cm –4 (m/s)2]. Rakennuksen kerrosten lukumäärä Suojausluokka 1 2 3

1 0,000319 0,000420 0,000494 2 0,000246 0,000325 0,000382 3 0,000174 0,000231 0,000271 4 0,000104 0,000137 0,000161 5 0,000032 0,000042 0,000049

Vastaavasti terminen kerroin A saadaan taulukosta 3.4.


Taulukko 3.4 Terminen kerroin A [(l/s)2 cm –4 ºC -1]. Rakennuksen kerrosten lukumäärä 1 2 3 Kerroin A 0,000145 0,000290 0,000435 Laskentaesimerkki. Vuotoilmanvaihtuvuuden laskenta yksinkertaistetulla LBL-mallilla (kaava 3.10). Sisälämpötilaksi oletetaan +20 oC ja ulkolämpötilaksi oletetaan Tampereen seudun tilastollinen kuukausittainen keskiarvo. Laskennassa käytetään tuulenvoimakkuutena tilastollista keskimääräistä tuulta 2,2 m/s. Vuotoilmanvaihtuvuus on laskettu neljällä eri tiiviysarvolla (n50= 1, 4, 7 ja 10). Kuukausittainen vuotoilmanvaihtuvuus tiiviydeltään erilaisissa rakennuksissa on esitetty kuvassa 3.7. Verrattaessa tuloksia likiarvokaavalla (n50/20) saataviin vuotoilmanvaihtuvuuksiin (Taulukko 3.5) voidaan todeta, että yksinkertaistettu LBL-malli ja likiarvokaava antavat saman vuotoilmanvaihtuvuuden laskettaessa lämmityskaudella tapahtuvaa vuotoilmaa.

Kuva 3.7 Kuukausittainen vuotoilmanvaihtuvuus Tampereen ilmasto-olosuhteissa yksinkertaistetun LBL-mallin mukaan.

Taulukko 3.5 Yksinkertaistetun LBL-mallin ja likiarvokaavan vertailu. Vuotoilmanvaihtuvuus, 1/h n50=1 n50=4 n50=7 n50=10 LBL-malli, vuotuinen keskiarvo 0,045 0,181 0,317 0,453 LBL-malli, lämmityskauden keskiarvo 0,050 0,200 0,350 0,500 Likiarvokaava (=n50/20) 0,05 0,2 0,35 0,5

Vuotoilmanvaihtuvuus eri kuukausina

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

tammiku

u

helm

ikuu

maalis

kuu

huhti

kuu

touko

kuu

eloku

u

syys

kuu

lokak

uu

marras

kuu

jouluku

u

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h

n50=1n50=4n50=7n50=10


3.3 Yläpohjan tiiviyden vaikutus Yläpohjan tiivistäminen vähentää rakennuksen vaipan kokonaisvuotoja ja samalla pienentää rakennuksen vuotolukua, n50. Sen lisäksi yläpohjan tiivistäminen muuttaa rakennuksen paineoloja. Rakennuksen kokonaistiiviyden muutosta yläpohjan tiivistämisen ansiosta voidaan tarkastella seuraavan esimerkin avulla. Esimerkki. Rakennuksen vuotoluvun muutos, kun yläpohja tiivistetään. Rakennus kooltaan 10x10x3 m, n50-luku alkutilanteessa on 7 1/h, seinät ja yläpohja yhtä läpäiseviä, alapohja täysin tiivis. Rakennuksen seinien pinta-ala on 120 m2, yläpohjan ala 100 m2, tilavuus 300 m3.

Alkutilanne: Yläpohja täysin tiivis: n50= 7 Vvuoto= 300*7 = 2 100 m3/h (50 Pa paineessa) Vvuoto_seinät= (120/220)* 2100 = 1 145 m3/h Vvuoto_seinät= (120/220)* 2100 = 1 145 m3/h Vvuoto_yläpohja= (100/220)* 2100 = 955 m3/h Vvuoto_yläpohja= 0

Vvuoto= 1 145 m3/h n50=1 145/300 = 3,8 1/h

Vuotoluku (yläpohja tiivis)/Vuotoluku (tasainen vaipan tiiviys)= 3,8/7 = 0,54

Kuvassa 3.8 on esitetty kuinka paljon teoreettisesti yläpohjan tiivistäminen pienentää rakennuksen kokonaistiiviyttä eli vuotolukua riippuen seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta. Kuvan mukaan tiivis yläpohjaisen rakennuksen vuotoluku on 44…71% tasaisesti läpäisevän rakennuksen vuotoluvusta kun seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhde vaihtelee välillä 0,8…2,4. Kuva 3.8 Yläpohjan tiivistämisen vaikutus rakennuksen vuotolukuun.

Yläpohjan tiivistämisen vaikutus rakennuksen vuotolukuun (n50)

0,4

0,450,5

0,550,6

0,65

0,70,75

0,8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Seinien pinta-ala/ yläpohjan pinta-ala

Tiiv

iin v

uoto

luku

/ ta

sais

en v

uoto

luku


Teoreettisesti voidaan tarkastella kahta eri tapausta: A. rakennuksen yläpohja erittäin ilmaaläpäisevä ja B. rakennuksen yläpohja erittäin ilmatiivis (Kuva 3.9), alapohjan oletetaan olevan täysin tiivis molemmissa tapauksissa. Tapauksessa A koko muu vaippa on alipaineinen eli neutraaliakseli on yläpohjan tasolla, jolloin ilmavirrat ovat tasapainossa. Vastaavasti tapauksessa B neutraaliakseli on keskimäärin seinien keskellä, koska yläpohjasta ei virtaa yhtään ilmaa läpi ja seinien ilmavirrat tulee tasapainottua. Molemmissa tapauksissa rakennuksen kokonaistiiviys eli vuotoluku n50 on sama, mutta ilmavuotojen suuruus on erilainen.

A. Läpäisevä yläpohja B. Ilmatiivis yläpohja Kuva 3.9 Rakennukseen muodostuvat painekuviot teoreettisesti yläpohjan eri tiiviyksillä. Edelle luvussa 3.2 on esitetty LBL-malli vuotoilmanvaihtuvuuden määrittämiseksi ottaa huomioon myös rakennuksen vaipan osien tiiviydet (kaavat 3.3 … 3.9) ja sillä tarkastellaan seuraavassa yläpohjan tiiviyden vaikutusta rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen. Laskentaesimerkki. LBL-malli. Tampereen ilmasto-olosuhteissa (tuulen vuotuinen keskiarvo= 3,3 m/s ja vuotuinen keskilämpötila= +4 ºC) olevan rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus, kun yläpohjan tiiviys muuttuu. Alapohjan oletetaan olevan täysin tiivis. Kuvassa 3.10 on esitetty vuotoilmanvaihtuvuuden riippuvuus yläpohjan tiiviydestä neljällä erilaisella rakennuksen kokonaistiiviydellä (n50= 1, 3 5 ja 7). Ero kahden ääritapauksen: seinät täysin tiiviit tai yläpohja täysin tiivis on esimerkissä noin 74%.

n50=4

N.A

n50=4N.A


Kuva 3.10 Vuotoilmanvaihtuvuuden riippuvuus yläpohjan tiiviydestä LBL-mallin mukaan. Lähteen /Orme, 1999/ mukaan kertoimien fs ja fw arvot tavanomaisessa rakennuksessa ovat: fs=0,12 ja fw=0,13. Laskettaessa tämän mukaan vuotoilmanvaihtuvuus LBL-mallilla saadaan keskimäärin 30% suurempia vuotoilmanvaihtuvuuden arvoja kuin yksinkertaistetulla LBL-mallilla tai likiarvokaavalla. Kertoimien arvot fs ja fw ovat kokeellisesti määritelty tiettyyn ilmasto-olosuhteeseen ja USA:ssa tyypilliseen rakennuksen geometriaan sopiviksi. Tästä syystä mallia ei voida suoraan käyttää määriteltäessä hirsirakennuksen yläpohjan tiiviyden vaikutusta vuotoilmanvaihtuvuuteen.

Vuotoilmanvaihtuvuuden riippuvuus seinän ja yläpohjan tiiviyksien suhteesta

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 20 40 60 80 100

Yläpohjan ilmavuotojen osuus kokonaisvuodoista, %

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h

n50=1n50=3n50=5n50=7


4. Kenttämittaukset, Himos Kenttämittauksia tehtiin talvella 2002 kahdessa hirsirakenteisessa rakennuksessa Jämsän Himoksella. Rakennukset sijaitsivat alle kilometrin etäisyydellä toisistaan. Yhden viikon pituisella mittausjaksolla mitattiin rakennusten lämpötila- ja paineolosuhteita ja lämmitysenergiankulutusta. Myöhemmin keväällä 2002 rakennuksissa tehtiin vielä painekokeet. Kenttäkohteista toinen (Kuva 4.1) oli vuonna 2001 rakennettu pyöröhirsinen rakennus (Honka, Laaksola), jossa oli tiivis yläpohja. Muut tiedot kohteesta:

• tilavuus 167,9 m3 • 210 mm pyöröhirsi • yläpohja SPU-eristeinen • varaava lattialämmitys

Toinen kenttäkohde (Kuva 4.2) oli vuonna 1989 rakennettu pyöröhirsinen rakennus (Äijä, Äijänhonka), jossa oli tavanomainen mineraalivillaeristeinen ja höyrynsulullinen (muovi) yläpohja. Muut tiedot kohteesta:

• tilavuus 215,7 m3 • 210 mm pyöröhirsi • yläpohja puurakenteinen, mineraalivillaeristeinen • suora sähkölämmitys

Rakennuksissa suoritetut mittaukset

• 11.-12.2.2002 mittausantureiden asennus sekä paine- ja merkkisavumittauksia, • 12.-15.2.2002 lämpötila- ja paine-eromittaukset, energiankulutuksen seuranta • 17.5.2002 rakennusten paine-kokeet (n50-luku)

Mittausten ajan oli rakennusten poistoilmapuhallin kytketty pois käytöstä ja kaikki ilmaventtiilit tukittu, jolloin kaikki rakennuksessa tapahtuva ilmanvaihto tapahtui vain vaipan epätiiviyskohtien kautta. Lämmitysenergiaa kului siten vain johtumalla vaipan läpi ja vuotoilmanvaihtona.


Kuva 4.1. Honka, Laaksola.

Kuva 4.2. Äijä, Äijänhonka.


4.1 Rakennusten vuotokohdat ja ilmavuodot Rakennusten ilmavuotojen määriä määriteltiin rakennusten poistopuhaltimen avulla. Rakennusten kaikki poistoventtiilit tukittiin yhtä lukuunottamatta ja rakennuksiin aikaansaatiin alipaine liesituulettimen avulla. Liesituulettimen maksimiteholla mitattiin rakennuksen vaipan läpi vaikuttava paine ja poistoventtiilistä poistuva ilmamäärä, joka on sama kuin vaipan läpi virtaava ilmamäärä. Hongassa 27,25 Pa:n alipaineella poistuva ilmamäärä oli noin 1,55 1/h (tilavuutta tunnissa) ja Äijässä 4,33 Pa:n alipaineella poistuva ilmamäärä oli noin 1,35 1/h. Äijässä vuotoilmavirta huomattavasti pienemmällä alipaineella oli lähes saman suuruinen kuin Hongassa, mikä osoittaa, että Hongan vaipan ilmatiiviys on parempi. Vastaavalla tavalla liesituulettimella aikaansaadulla maksimi alipaineella tutkittiin merkkisavun avulla vaipan epätiiviyskohtien sijaintia. Molemmissa rakennuksissa epätiiviyskohtia oli seinien nurkat ja liitokset yläpohjaan ja alapohjaa sekä ovien ja ikkunoiden liitokset. Ilmavuotoja oli havaittavissa myös hormien ja LV-putkien läpivienneissä.

4.2 Rakennusten sisä- ja ulkolämpötilat mittausjaksolla Molempiin rakennuksiin asennettiin n. 1,2 m korkeudelle lattiatasosta sisälämpötilan mittausanturit, vastaavalle korkeudelle asennettiin ulos ulkolämpötilan mittausanturit. Mittausjaksolla mitatut sisä- ja ulkolämpötilat on esitetty kuvassa 4.3. Kuva 4.3 Kenttäkohteiden sisä- ja ulkolämpötilat mittausjaksolla. Hongassa on koko mittausjakson ajan ollut pari astetta korkeampi sisälämpötila. Termistä painetta rakennukseen vaippaan aiheuttaa sisä- ja ulkolämpötilan ero, joka on esitetty kuvassa 4.4.

Himoksen koemökkien sisä- ja ulkolämpötilat mittausjaksolla

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

12.2.200212:27

13.2.20020:27

13.2.200212:27

14.2.20020:27

14.2.200212:27

15.2.20020:27

Aika

Läm

pötil

a, o C

Honka_sisä

Honka_ulko

Äijä_sisä

Äijä_ulko


Kuva 4.4 Kenttäkohteiden sisä- ja ulkolämpötilojen ero mittausjaksolla.

4.3 Rakennusten paine-eromittaukset Rakennuksiin asennettiin 0,71 ja 0,82 metrin korkeudelle lattiapinnasta paine-eromittausanturit. Mitatut paine-erot on esitetty kuvassa 4.5. Molemmissa kohteissa paine-ero on ollut mittausjaksolla keskimäärin yhtä suuri, mutta Hongan paine-eroissa on suurempaan hajontaa, koska rakennus sijaitsee hieman tuulelle alttiimpana. Kuva 4.5 Kenttäkohteiden vaipan paine-ero mittauskorkeudella. Kun tiedetään mittauskohdalla vaikuttava paine-ero ja sisä- ja ulkolämpötilat, voidaan laskea mittauskohdan etäisyys neutraaliakselista luvun 2 kaavan 2.3 mukaan ja siitä edelleen neutraaliakselin paikka (kuvat 4.6 ja 4.7). Hongassa neutraaliakselin on mittausjaksolla ollut keskimäärin 1,82 m lattiatason yläpuolella, vaihtelua tosin on ollut suuresti välillä 8,0…-16,2 m. Äijän neutraaliakselin on mittausjaksolla ollut keskimäärin 3,53 m korkeudella, vaihtelun ollessa välillä 13,6…-2,0 m.

Himoksen koemökkien sisä- ja ulkolämpötilojen erot mittausjaksolla

181920212223242526272829303132333435

12.2.2002 12:27 13.2.2002 0:27 13.2.2002 12:27 14.2.2002 0:27 14.2.2002 12:27 15.2.2002 0:27

Läm

pötil

aero

, o C

Honka_eroÄijä_ero

Himoksen koemökkien paineet mittausjaksolla

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

12.2.200210:22

12.2.200222:22

13.2.200210:22

13.2.200222:22

14.2.200210:22

14.2.200222:22

Sisä

- ja

ulko

-olo

suht

eide

n pa

ine-

ero,

Pa

Honka_paineÄijä_paine


Kuva 4.6 Hongan mitattu paine-ero ja laskettu neutraaliakselin paikka. Kuva 4.7 Äijän mitattu paine-ero ja neutraaliakselin paikka. Laskettaessa neutraaliakselin paikan ja lämpötila- ja painetietojen avulla paine-ero katonrajassa harjalla (Hongassa korkeudella 4,68 m ja Äijässä korkeudella 4,8) saadaan kuvan 4.8 kuvaaja. Keskimäärin Hongan harjalla on mittausjaksolla ollut alipainetta 3,3 Pa ja Äijässä 1,4 Pa.

Äijän mitattu paine-ero ja laskettu neutraaliakseli

-14

-10

-6

-2

2

6

10

14

18

22

Pain

e-er

o 0,

82 m

kor

keud

ella

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Neut

raal

iaks

eli,

m la

ttiat

asos

taPaine-eroNeutraaliakseli

Hongan mitattu paine-ero ja laskettu neutraaliakseli

-14

-10

-6

-2

2

6

10

14

18

22

Pain

e-er

o 0,

71 m

kor

keud

ella

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Neut

raal

iaks

eli,

m la

ttiat

asos

ta

Paine-eroNeutraaliakseli


Kuva 4.8 Paine-ero katonrajassa harjalla. Keskimääräinen painekuvio rakennusten mittausseinille mittausjaksolla on kuvan 4.9 mukainen.

Kuva 4.9 Kenttäkohteiden keskimääräinen painekuvio mittausseinällä mittausjaksolla. Kuvasta 4.9 voidaan nähdä, että Hongassa, jossa on tiivis yläpohja neutraaliakseli on ollut mittausjaksolla alempana, kuten edellisessä luvussa teoreettisesti on otaksuttu.

4.4 Rakennusten ilmatiiviys Rakennuksissa tehtiin painekokeet, joilla määriteltiin vaipan ilmanpitävyyttä kuvaava n50-luku 50 Pa paineessa (sekä ali- että ylipaineessa). Painekokeet tehtiin Blower Door-mittauslaitteistolla (Kuva 4.10). Painekokeiden tulokset on esitetty taulukossa 4.1. Painekokeen mukaan Honka on huomattavasti ilmatiiviimpi kuin Äijä. Rakennukset eivät ole kuitenkaan suoraan vertailukelpoisia, koska Äijä on 12 vuotta vanhempi kuin Honka. Tästä syystä ei voida päätellä, että Hongan tiiviys johtuisi pelkästään yläpohjan tiiviydestä, myös Hongan muiden vaipan osien

Paine-ero rakennusten katonrajassa

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

12.2.20027:12

12.2.200219:12

13.2.20027:12

13.2.200219:12

14.2.20027:12

14.2.200219:12

15.2.20027:12Pa

ine-

ero

kato

nraj

assa

, Pa

Paine HongankatonrajassaPaine Äijänkatonrajassa

+3,32

-2,11

NA=

1,82

HonkaH=4,68 mKaakkoisseinällä

+1,39

-3,82

NA=

3,52

ÄijäH=4,80 mLounaisseinällä


tiiviys on parantunut rakenneratkaisujen kehittyessä ja toisaalta Äijän tiiviys on voinut huonontua mm. seinien painuessa. Taulukko 4.1 Painekokeiden tulokset.

Mittausjärjestelyt Honka, n50 (1/h) Äijä, n50 (1/h) Alipaine: - venttiilit tukittu - venttiilien ja takan lisätiivistys

4,5 4,1

13,5 12,9

Ylipaine: - venttiilit tukittu - lisätiivistyksen poisto

4,4 4,6

14,0

- Yleisen vuotoyhtälön mukaan saadaan kuva 4.11 mukaiset vuotokäyrät rakennuksille. Ilmatiiviys kuvaa vuotoilmanvaihtuvuutta. Likimäärin vuotoilmanvaihtuvuus on 20-osa n50-luvusta (tarkempia laskentatapoja on Luvussa 1 sekä Luvussa 3). Likiarviokaavalla lasketut vuotoilmanvaihtuvuudet: Honka: nv= 4,5/20 = 0,225 1/h Äijä: nv= 13,5/20 = 0,675 1/h a. Alipainekokeen mittausjärjestely.

a. Alipainekokeen mittausjärjestely. b. Ylipainekokeen mittausjärjestely.

Kuva 4.10 Painekokeen (alipaine- ja ylipainekoe) mittausjärjestely.


Kuva 4.1. Kenttäkohteiden painekäyrät.

4.5 Rakennusten energiankulutus mittausjaksolla Mittausjaksolla energiaa kului vain vaipan läpi johtumalla ja vuotoilman lämmittämiseen, koska rakennusten ilmanvaihto oli poissa päältä ja ilmaventtiilit tukittu. Rakennusten vaipan johtumiseen ja vuotoilman lämmityksen tarvitsema energia lasketaan luvun 1 RakMK:n osan D5 mukaisesti. Vuotoilmanvaihtuvuutena käytetään edellä likiarvokaavalla saatuja arvoja. Energiankulutuksen laskentataulukko on esitetty liitteessä 1 ja tulokset taulukossa 4.2. Taulukko 4.2 Kenttämittausten energiankulutus, laskettu ja mitattu. Honka Äijä Johtuminen vaipan läpi, kWh 145,34 140,44 Vuotoilma lämmittäminen, kWh 23,33 65,21 Laskennallinen kulutus yhteensä, kWh (kWh/m3) 169 (1,01) 206 (0,95) Mitattu kulutus yhteensä, kWh (kWh/m3) 166 (0,99) 173 (0,8) Yllättävää energiankulutuksissa on se, että vanhemman ja epätiiviimmän Äijän energiankulutus rakennustilavuutta kohti on ollut mittausjaksolla pienempi kuin Hongan (Kuva 4.12).

Painekäyrät

0

2

4

6

8

10

12

14

0 10 20 30 40 50

Paine, Pa

Ilman

vaih

tuvu

us, 1

/h Honka

Äijä

y = n50*(x/50) 0,70


Kuva 4.12 Himoksen koekohteiden energiankulutus mittausjaksolla, laskettu ja mitattu. Seuraavia syitä eroon voidaan ainakin löytää:

• Hongassa on enemmän ikkunoita: Hongassa on n. 20% seinäalasta ikkunoita ja Äijässä vain n. 13%.

• Hongassa on ollut korkeampi sisälämpötila ja siitä johtuen suurempi sisä- ja ulkolämpötilan ero: koko mittausjakson Hongassa sisä- ja ulkolämpötilan ero ollut yli 1 ºC-astetta korkeampi. Astepäiväluvuissa ero on noin 5 ºC vrk.

• Hongassa on varaava lattialämmitys, joka voi kuluttaa mm. ruotsalaisten tutkimusten mukaan vähintään 10%, jopa 30% enemmän energiaa kuin radiaattorilämmitysratkaisu.

Kun edellä mainitut seikat otetaan huomioon laskennallinen Hongan energiankulutus on noin 0,9 kWh/m3. Eräs mahdollinen laskennallisen ja mitatun energian kulutuksen eron aiheuttaja on mittausvirheet. Käytettyjen lämpöantureiden mittaustarkkuus on noin ±1 ºC. Tämä virhe aiheuttaa kuvan 4.13 mukaiset virheet laskennallisiin energiankulutuksiin. Kuva 4.13 Mittausvirheen (±1 ºC) vaikutus laskennallisiin energiankulutuksiin. Toinen huomionarvoinen seikka on, että Äijän laskennallisen ja mitatun energiakulutuksen ero huomattavan suuri verrattuna Hongan eroon. Mittausjakson ulkolämpötila (sisä- ja ulkolämpötilan ero) ja tuuli olivat vähäisiä. Todennäköisesti vuotoilmanvaihtuvuuden

Himoksen koekohteiden energiankulutus mittausjaksolla

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Honka

_lask

ettu (

n50=

4,5)

Honka

_mita

ttu

Ener

hgia

nkul

utus

, kW

h/m

3

Mitattu kulutusVuotoVaippa

Äijän lämmitysenergian kulutus, mitattu ja laskettu

020406080

100120140160180200220240

Lämpötilassa -1oC:n virhe

Mitatut lämpötilat Mitattu kulutus Lämpötilassa+1oC:n virhe

Läm

mity

sene

rgia

n ku

lutu

s, k

Wh

Hongan lämmitysenergian kulutus, mitattu ja laskettu

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Lämpötilassa -1oC:n virhe

Mitatut lämpötilat Mitattu kulutus Lämpötilassa+1oC:n virhe

Läm

mity

sene

rgia

n ku

lutu

s, k

Wh


määrittämisessä käytetty likiarvokaava antaa vuotoilmanvaihtuvuudelle liian suuria arvoja kyseisessä tapauksessa, likiarvokaava soveltuu parhaiten vuotuisten vuotoilmanvaihtuvuuksien määrittämiseen. Laskettaessa Luvussa 3 esitetyllä LBL-vuotomallilla rakennusten vuotoilmanvaihtavuus mittausjaksolla mitattujen lämpötila- ja tuulennopeusarvojen avulla, saadaan kuvan 4.14 mukaiset vuotoilmanvaihtuvuudet. Kuvasta nähdään, että Hongan vuotoilmanvaihtuvuus likiarvokaavalla vastaa melko hyvin tarkemman mittausjakson tuuli- ja lämpötilaolosuhteet huomioivan LBL-mallin tulosta, mutta Äijässä huonommin. Jos Äijässä energiakulutuslaskennassa käytetään LBL-mallin mukaista vuotoilmanvaihtuvuutta, laskennallisen energiakulutuksen ja mitatun energiankulutuksen ero olisi vielä suurempi. Kuva 5.14 Kenttäkohteiden vuotoilmanvaihtuvuus mittausjaksolla, LBL-malli ja

likiarvokaava. Vuotuisessa tarkastelussa useiden tutkimusten mukaan likiarvokaava vuotoilmanvaihtuvuudelle (=n50/20) pätee melko tarkasti ja sen avulla voidaan arvioida kuinka paljon tiiviys vaikuttaa koekohteiden vuotoilmanvaihtuvuuteen ja siten energiankulutukseen (Taulukko 4.3). Hongassa vuotoilman lämmittämiseen kuluu vuodessa noin 17,5 kWh/m3 vähemmän kuin Äijässä eli Hongan kokoisessa rakennuksessa (V=168 m3) energiankulutus on tiiviyden ansiosta noin 2 940 kWh vähemmän vuodessa. Taulukko 4.3 Koekohteiden vuotoilman lämmittämiseen tarvittava vuotuinen energia. Honka Äijä Vuotoilmanvaihtuvuus nv, 1/h (=n50/20) 0,225 0,675 Vuotoilman lämmittämisen energiankulutus, kWh (kWh/m3)

1 461 (8,7)

5 669 (26,2)

Himoksen kenttämittaukset vuotoilmanvaihtuvuus mittausjaksolla LBL-mallilla ja

likiarvokaavalla (n50/20) laskettuna

00,10,20,30,40,50,60,70,80,9

Honka_LBL Honka_likiarvo Äijä_LBL Äijä_likiarvo

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h


5. Koerakennus TTY:n parkkipaikka-alueelle rakennettiin 2,4x2,4x2,6 m kokoinen koerakennus (Kuva 5.1), jossa tutkittiin erilaisten hirsiseinien läpi virtaamia ilmamääriä eri painerasituksessa ja yläpohjan tiiviyden vaikutusta neutraaliakselin paikkaan sekä tiiviillä että hirsiseinärakenteilla.

Kuva 5.1 Koerakennuksen pohjakuva.

elementin leveys 600600163 1210 163

2736

2410

Ovi (parvekeovi 910x2100)

Koerakenne 1210x2600


Koerakennuksen kolmella sivulla on n. 1200x2600 m kokoiset tutkimusaukot, johon voidaan vaihtaa tutkittava seinämateriaali. Koerakennus tehtiin ensin mahdollisimman ilmatiiviiksi, jolloin tutkimusaukoissa oli polyuretaanieristelevyt (Kuva 5.2).

Kuva 5.2 Koerakennuksen rakenneleikkaus. Koerakennuksen geometria poikkeaa tavanomaisesta pientalosta. Taulukkoon 5.1 on koottu tavanomaisen pientalon vaipan osien pinta-aloja ja tilavuus verrattuna koerakennukseen. Taulukko 5.1 Koerakennuksen geometria verrattuna tavanomaiseen pientaloon. Tavanomainen pientalo Koerakennus Rakennusosa Pinta-

ala, m2 % pinta-alasta

Rakennusosa Pinta-ala, m2

% pinta-alasta

Yläpohja 150 100 Yläpohja 5,8 100 Alapohja 150 Alapohja 5,8 Seinät 150-30=

120 80 Seinät 25,1-1,9=

23,2 400

Ovet, ikkunat 30 20 Ovet, ikkunat 1,9 33 Tilavuus, m3 450 300 Tilavuus, m3 15,1 583

2410

Lastulevy 22 mmPolyuretaanilevy 100 mm

Polyuretaanilevy 100 mm

Kevytsoraharkko RUH-150

Ruodelaudat 100x38 mmProfiilipelti

Aluskate

2600

Ilmavuotoreitti

163

125x50 k600

150 x50 k600

Koerakenne 2600x1210

18

Kevytsoraharkko RUH-200


Jotta koerakennuksen seinien ja yläpohjan suhde vastaisi tavanomaisen rakennuksen pinta-alasuhdetta, koerakennuksessa tulisi olla yläpohjaa 25,1 m2. Tätä käytetään laskelmissa normeerattuna yläpohjan pinta-alana.

5.1 Mittausjärjestelmä Rakenteiden ja reikien läpi rakennukseen luonnollisesti termisestä paine-erosta ja tuulenpaineesta aiheutuvat ilmavirrat on niin pieniä, että ilmamäärämittareiden mittaustarkkuus ei ole riittävä. Tästä syystä tutkimuksessa jouduttiin kehittämään erityinen mittausjärjestelmä ilmamäärien mittaamiseen. Mittausjärjestelmän pääperiaatteena on, että mitattavasta seinän osasta johdetaan vuotoilma 1 m3:n kokoiseen kammioon, johon lisätään CO2:ta. Kammion CO2-pitoisuuden alenemisesta ajan kuluessa voidaan määritellä kammioon tuleva ilmamäärä, joka on sama kuin seinän läpi tuleva ilmavirta. Mittausjärjestelmä koostuu lämpötila- ja kosteusantureista, paineantureista ja CO2-pitoisuusmittarista sekä mittaus- ja säätöohjelmasta ja tietokoneesta (Kuva 5.3).

Kuva 5.3 Koerakennuksen mittauslaitteisto. Mittauslaitteisto mittaa jatkuvasti sisä- ja ulkoilman olosuhteita (lämpötilaa ja suhteellista kosteutta), paine-eroa mitattavan vaipan kohdan eri puolien välillä sekä ulkoilman, sisäilman, keräyskammion ja mittauskuution (m3) CO2-pitoisuutta. CO2-pitoisuuden mittauksessa ovat seuraavat mittausvaiheet:

1. Ulkoilman CO2-pitoisuus, mittausvaiheen kesto 30 min.

2. Sisäilman CO2-pitoisuus, mittausvaiheen kesto 20 min.


3. Keräyskammion ilman CO2-pitoisuus, mittausvaiheen kesto 20 min.

4. Mittauskuution ilman CO2-pitoisuus, mittausvaiheen kesto 20 min.

CO2-lisäys mittauskuutioon

5. Mittauskuution ilman CO2-pitoisuus, mittausvaiheen kesto 100 min. Mittausjaksot (yhden jakson kokonaispituus 3 h 10 min) toistuvat automaattisesti ja mittaustulokset tallentuvat tietokoneelle. Vaiheen 5 mittaustuloksista lasketaan CO2-pitoisuuden alenema, joka on sama kuin mitattavan vaipan osan läpi tapahtuva ilmavirta. Periaatekuva CO2-pitoisuuden aleneman laskemisesta on esitetty kuvassa 5.4.

Kuva 5.4 Vaipan läpi tapahtuvan ilmavirran laskenta CO2-pitoisuuden aleneman perusteella, periaatekuva.

5.2 Koerakennuksen painekokeet Koerakennuksessa tehtiin samalla ns. Blower Door-laitteistolla painekoe kuin kenttäkohteissa Himoksella. Painekokeessa määriteltiin vuotoluku n50 tiiviille rakennukselle sekä 3 eri tapaukselle, joissa Ø16 mm reikä oli seinän eri paikoissa (seinän alareunassa, keskellä tai yläreunassa). Painekokeen tulokset on esitetty kuvassa 5.5. Koerakennuksessa rakennuksen tilavuuden suhde vaipan alaa on pienempi (n. 0,43) kuin tavanomaisessa rakennuksessa (suhde n. 1,0). Tästä syystä painekokeen tulokset on normeerattu vastaamaan tavanomaisen rakennuksen arvoja (Kuva 5.4). Koerakennuksen painekokeen mukaan rakennuksen tiiviys oli yllättävän huono. Painekoelaitteisto on suunniteltu normaalinkokoisten pientalojen ilmatiiviyden mittaamiseen ja on todennäköisesti epätarkka tilavuudeltaan näin pienen ja tiiviin rakennuksen mittaamiseen. Painekokeessa oveen asennettava kangaskehikko ei saada täysin tiivistettyä oven karmiin ja todennäköisesti suurin osa mitatuista ilmavuodoista tapahtui tätä kautta. Kuvasta voidaan kuitenkin todeta, että rakennuksen epätiiviyskohdan (reiän) sijainnilla ei ole merkitystä rakennuksen vuotolukuun.

Virtaaman mittaus

583,7443

666,4795

550,6876

550,7276

540

560

580

600

620

640

660

680

28.1.20031:19

28.1.20031:48

28.1.20032:16

28.1.20032:45

28.1.20033:14

CO

2-pi

tois

uus

m3

550,5

551

551,5

552

CO

2-pi

tois

uus

ulko

ilmam3 CO2-pit

ulkoilma CO2

Ulkoilma ka. 550,7076

Virtaaman laskenta:Virtausyhtälö:V*666,4795+X*550,7076-X*666,4795=V*583,7443(V=1000 l)X=(1000*666,4795-1000*583,7443)/(550,7076-666,4795) = 714,64 lMittausaika= (1:44-3:05)=82 minVirtaama=714,64/82 =8,7 l/min


Kuva 5.4 Koerakennuksen painekokeet.

5.3 Paine- ja ilmavirtaustarkasteluja tiiviillä rakennuksella

Paine-ero ja neutraaliakselin paikka Kuvassa 5.5 on esitetty tyypillinen mitattu lämpötila- ja paine-erokuvaaja 2 vuorokauden mittausjaksolla, kun rakennus on tiivis. Kuvassa 5.6 on esitetty mitatuista lämpötila- ja paine-eroarvoista laskettu neutraaliakselin sijainti 9 vuorokauden mittausjaksolla. Kuva 5.5 Mitattu lämpötila- ja paine-ero 2 vuorokauden mittausjaksolla.

Koekopin painekokeet

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

1 (tiivis) 2 (reikä seinänalaos.)

3 (reikä seinänyläos.)

4 (reikäyläpohjassa)

n 50,

1/h

n50(V/Avaippa=0.43)

n50_normeerattu(V/Avaippa=1)

Mitattu lämpötila- ja paine-ero

0

5

10

15

20

25

30

Läm

pötil

aero

, oC

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Pain

e-er

o 1,

2 m

kor

keud

ella

, Pa

LämpötilaeroPaine-ero


Kuva 5.6 Neutraaliakselin paikka 9 vuorokauden mittausjaksolla. Tiiviin rakennuksen neutraaliakselin paikka on keskimäärin rakennuksen korkeuden puolivälissä. Tiiviissä rakennuksessa testattiin yläpohjaan tehdyn reiän vaikutusta neutraaliakselin paikkaan. Tehtyjen reikien koot on määritelty luvussa 3 esitellyllä vuotopinta-alan perusteella (kuva 5.7). Yläpohjaan tehtyjen reikien koot: n. 60 cm2 ja n. 110 cm2 vastaavat likimäärin vuotolukuja n50=5 ja n50=10. Kuvassa 5.8 esitetään mittauskorkeudella (1,2 m lattiatasosta) mitattu paine-ero sekä paine-erosta ja ulko- ja sisälämpötilaerosta laskettu neutraaliakselin paikka tiiviissä rakennuksessa ja yläpohjaan tehdyn 60 cm2 reiän tekemisen jälkeen. Reikä nostaa kyseissä tapauksessa (sisälämpötila keskiarvo n. +19 ºC ja ulkolämpötila n. –0,9 ºC) neutraaliakselin keskimäärin rakennuksen yläpohjan tasolle. Vastaavasti kuvassa 6.9 esitetään mittauskorkeudella mitattu paine-ero ja laskettu neutraaliakselin paikka, tapauksessa, jossa yläpohjassa on 110 cm2 ja sisälämpötilan keskiarvo mittausjaksolla on n. +18,7 ºC ja ulkolämpötila n. –0,4 ºC. Tässä tapauksessa neutraaliakseli oli keskimäärin myös yläpohjan tasolla. Kuva 5.7 Koerakennuksen vuoto-alat eri tiiviyksillä.

D

rr

Cpq

L

5,0

2

∆=

ρ q r painekäyrästä P= 4 Pa=∆ p r

Esimerkkirakennuksen (V=15,1 m3) painekäyrät

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

3500,00

0 10 20 30 40 50

Paine, Pa

R,m

3 /h

n50=1n50=3n50=5n50=7n50=10

n50=1 n50=3 n50=5 n50=7 n50=10L, (cm2) 11,09 33,27 55,45 77,63 110,90

Neutraaliakselin paikka(keskiarvo 0,4 m, lämpötilaero keskimäärin 20,2 oC)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Neut

raal

iaks

eli,

m la

ttiat

asos

ta

Tiiviit seinät NA


Kuva 5.8 Yläpohjaan tehdyn 60 cm2 reiän vaikutus paine-eroon mittauskohdalla ja

laskennalliseen neutraaliakselin paikkaan. Kuva 5.9 Paine-ero mittauskohdalla ja laskennallinen neutraaliakselin paikka, kun

yläpohjassa on 110 cm2 reikä.

Ilmavirtaus reiästä Tiiviiseen rakennukseen tehtiin 1200 mm lattiatasosta Ø20 mm reikä. CO2-pitoisuusmittausten avulla pyrittiin määrittämään reiän ilmavirtaus. Kuvassa 5.10 on esitetty yhden mittausjakson CO2-pitoisuusalenema ja mitattu paine-ero. Kuvasta voidaan todeta, että yhden mittausjakson aikana paine-ero vaihtelee suuresti (tässä tapauksessa välillä 7,46…-8,97 Pa). Siten seinässä olevaan reikään vaikuttaa välillä alipaine ja välillä ylipaine, virtaus reiässä on siis myös välillä sisäänpäin ja välillä ulospäin.

Neutraaliakselin paikka ja mitattu paine-ero, yläpohjassa 110 cm2 reikä

-5

-4,5

-4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

Pain

e-er

o m

ittau

stas

olla

, Pa

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Neut

raal

iaks

eli,

m

latti

atas

osta

Paine-eroNA (lattiatasosta)

Yläpohjaan tehdyn reiän (60 cm2) vaikutus neutraaliakselin paikkaan

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Pain

e 1,

2 m

kor

keud

ella

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Neu

traa

liaks

eli,

m

latt

iata

sost

a

Paine-eroNA (lattiatasosta)

Reikä


Kuva 5.10 CO2-pitoisuusalenema ja mitattu paine-ero yhden mittausjakson aikana. Jotta paine-olosuhteet saatiin tasaisemmiksi, rakennukseen asennettiin kanavapuhallin, jolla voidaan aikaansaada halutun suuruinen alipaine tarkastelun kohteena olevan vaipan osan eri puolien välille. Kuvassa 5.11 on esitetty lämpötila- ja painekäyrät n. 2,5 vuorokauden mittausjaksolla. Kuva 5.11 Lämpötila- ja paine-ero mittausjaksolla. Mittausjaksolla tehtyjen virtausmittausten keskivirtaama oli 10,1 l/min ja paine-ero keskimäärin –20,0 Pa. Eri virtausmittauksilla paine-ero vaihteli välillä –19,2…–20,6 Pa ja lasketut virtaamat välillä 7,2…11,5 l/min.

CO2-pitoisuus ja mitattu paine-ero 100 min mittausjaksolla

955960965970975980985990995

100010051010101510201025

CO2-p

itois

uus,

ppm

-10

-5

0

5

10

15

20

Pain

e-er

o, P

a

CO2-pitoisuusPaine-ero

Lämpötilaero ja paine-ero mittausjaksolla

-5

0

5

10

15

20

25

30

Läm

pötil

aero

, o C

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

Pain

e-er

o m

ittau

skor

keud

ella

, Pa

lämpötilaeroPaine-ero


5.4 Virtaus- ja painemittaukset hirsiseinillä

Tutkitut hirsiseinärakenteet Tutkittuja hirsiseiniä oli 3:

• Tutkimusseinä 1: 182 mm lamellihirsiseinä, jossa polypropeenitiiviste. Tiiviste ei muodosta ilmasulkua.

• Tutkimusseinä 2: 182 mm lamellihirsiseinä, jossa Protech-tiiviste. Tiiviste muodostaa ilmasulun.

• Tutkimusseinä 3 = 182 mm lamellihirsiseinä, johon keskellä on tehty ristiliitos.

Tutkimusseinäelementit (Kuva 5.11) oli koottu valmiiksi hirsitalotehtaalla filmivanerikehikon sisään. Elementit asennettiin tutkimusaukkoihin ja asennusvälit tiivistettiin polyuretaanilla. Keräyskammion koko oli suunniteltu siten, että se keräsi vuotovirtaukset vain hirsiseinän leveydeltä.

Kuva 5.11 Tutkimusseinät, suora hirsiseinä ja ristinurkallinen hirsiseinä.

Hirsiseinien läpi virtaamat ilmamäärät Tutkituille hirsiseinille määriteltiin vuotokäyrät n. 10…50 Pa:n alipaineella (kuvat 5.12 ja 5.13). Kuvassa 5.12 esitetään eri vuotovirtausmittausten keskiarvot kullakin painetasolla ja kuvassa 5.13 esitetään yksittäisten virtausmittausten tulokset. Eri virtausmittausten ero on ollut enintään ±1,9 l/h, paineen vaihdellessa enintään ±3,1 Pa. Eri seinien vuotovirtoja on esitelty tarkemmin kuvissa 5.14…5.19.


Kuva 5.12 Hirsiseinäelementeille tehdyt vuotokäyrät, eri mittausten keskiarvot.

Kuva 5.13 Hirsiseinäelementeille tehdyt vuotokäyrät, eri virtausmittaustulokset.

Hirsiseinien virtausmittaukset

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40 50 60

Alipaine, Pa

Virta

ama,

l/m

in

Virtaama_hirsi2Virtaama_hirsi1Virtaama_hirsi3

Hirsiseinien painekäyrät

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 10 20 30 40 50 60

Alipaine, Pa

Ilmav

irta,

m3 /m

2 h

Virtaama_hirsi1Virtaama_hirsi2Virtaama_hirsi3


Seinä 1 Kuvassa 5.14 on hirsiseinän 1 vuotokäyrä. Kuvassa 5.15 on mitattuja vuotokäyrän arvoja verrattu teoreettiseen vuotokäyrään. Yleisellä vuotokaavalla on määritelty kaksi vuotokäyrää, joista toisessa vertailupaineena (∆P) ja –virtaamana (Vn) on käytetty pienimmällä paineella mitattuja arvoja ja toisessa suurimmalla paineella mitattuja. Mitatut vuotokäyrän arvot vastaavat hyvin yleistä vuotokäyrää. Yleisen vuotokäyrän mukaan hirsiseinän 1 vuotoilmavirta 50 Pa paineessa on noin 0,33 m3/m2 h.

Kuva 5.14 Hirsiseinän 1 (suora seinä, ei ilmansulkua) vuotoilmavirta.

Kuva 5.15 Hirsiseinän vuotokäyrän vertailu yleiseen vuotokäyrään.


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 10 20 30 40 50 60

Alipaine, Pa

Ilmav

irta,

m3 /m

2 h Virtaama_hirsi1

Teoreettinen painekäyrä ja mitattu painekäyrä

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50

Alipaine, Pa

Virt

aam

a, l/

min

0,33 m3/m2 h

0,33 m3/m2 hV=Vn*(∆P/Pn)0,7

MitattuLaskettu minLaskettu max




Seinä 2 Kuvassa 5.16 on hirsiseinän 2 vuotokäyrä. Kuvassa 5.17 on mitattuja vuotokäyrän arvoja verrattu teoreettiseen vuotokäyrään. Mitatut vuotokäyrän arvot vastaavat melko heikosti yleistä vuotokäyrää. Yleisen vuotokäyrän mukaan hirsiseinän 2 vuotoilmavirta 50 Pa paineessa on noin 0,14 m3/m2 h (0,09…0,18 m3/m2 h).

Kuva 5.16 Hirsiseinän 2 (suora seinä, ilmansulku) vuotoilmavirta.

Kuva 5.17 Hirsiseinän vuotokäyrän vertailu yleiseen vuotokäyrään.


0,0660,0680,07

0,0720,0740,0760,0780,08

0,082

0 10 20 30 40 50

Alipaine, Pa

Ilmav

irta,

m3 /m

2 h

Virtaama_hirsi2

Teoreettinen ja mitattu painekäyrä

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 10 20 30 40 50

Alipaine, Pa

Virt

aam

a, l/

min

V=Vn*(∆P/Pn)0,70,18 m3/m2 h

0,09 m3/m2 h





Seinä 3 Kuvassa 5.18 on hirsiseinän 3 vuotokäyrä. Kuvassa 5.19 on mitattuja vuotokäyrän arvoja verrattu teoreettiseen vuotokäyrään. Mitatut vuotokäyrän arvot vastaavat melko hyvin yleistä vuotokäyrää. Yleisen vuotokäyrän mukaan hirsiseinän 3 vuotoilmavirta 50 Pa paineessa on noin 0,61 m3/m2 h (0,53…0,68 m3/m2 h). Kuva 5.18 Hirsiseinän 3 (ristinurkallinen seinä, ilmasulku) vuotoilmavirta. Kuva 5.19 Hirsiseinän vuotokäyrän vertailu yleiseen vuotokäyrään.


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0 5 10 15 20 25 30 35

Alipaine, Pa

Ilmav

irta,

m3 /m

2 h

Virtaama_hirsi3

Teoreettinen painekäyrä ja mitattu painekäyrä

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50Alipaine, Pa

Virt

aam

a, l/

min

V=Vn*(∆P/Pn)0,7

0,68 m3/m2 h

0,53 m3/m2 h


Hirsiseinien vuotomalli Edelle esitettyjen hirsiseinille mitattujen vuotokäyrien avulla voidaan määritellä erityyppisille hirsiseinille keskimääräinen vuotoilmavirta 50 Pa paineessa:

• Hirsiseinä, jossa tiivisteenä polypropeeni, joka ei muodosta ilmansulkua

o Vuotoilmavirta noin 0,33 m3/m2 h

• Hirsiseinä, jossa Protech-tiiviste, joka muodostaa ilmansulun

o Vuotoilmavirta noin 0,14 m3/m2 h

• Ristinurkka hirsiseinässä

o Vuotoilmavirta noin 0,47 m3/m2 h (0,61-0,14=0,47) eli noin 0,47 m3/m h Jos näiden vuotoilmavirtojen avulla lasketaan esimerkkinä Himoksen kenttämittauskohteen Honka (tilavuus 167,9 m3) hirsiseinien ja nurkkien vuotoilmamäärät:

• Hirsiseiniä 51,3 m2 (ikkunat vähennetty) hirsiseinistä vuotaa n. 16,9 m3/h

• Hirsinurkkia n. 20 jm hirsinurkista vuotaa n. 9,4 m3/h

yhteensä: 26,3 m3/h Vastaavasti jos rakennuksen hirsiseinissä käytettäisiin ilmansulun muodostavaa tiivistettä, hirsiseinistä ja –nurkista vuotaisi n. 16,6 m3/h. Mikäli rakennuksessa kaikki vuodot tapahtuisivat hirsiseinien ja –nurkkien kautta, rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus epätiiviimmillä seinillä olisi 0,2 1/h eli n50=0,2. Kuitenkin Himoksen rakennuksen mitattu vuotoilmanvaihtuvuus oli 4,5 1/h. Tästä voidaan tehdä johtopäätös, että suurin osa hirsirakennuksen vuodoista tapahtuu rakennusosien liitoksissa ja erilaisissa läpivienneissä.


6 Hirsirakennuksen vuotomalli Rakennuksen ilmavuotoja aiheuttavat tuulenpaine, sisä- ja ulkolämpötilan ero (terminen paine-ero) ja ilmanvaihto. Tuulenpaineen voidaan olettaa olevan riippumaton rakennuksen tiiviydestä ja epätiiviyskohtien sijainnista. Termisen paine-eron neutraaliakselin paikka riippuu voimakkaasti rakennusosien tiiviyksien suhteesta ja epätiiviskohtien sijainnista. Seuraavassa tarkastellaan vain termisen paine-eron muutoksia tiiviyden muuttuessa. Myös ilmanvaihdon aiheuttama paine-ero riippuu voimakkaasti rakennuksen tiiviydestä, mutta sen vaikutus on seuraavassa tarkastelussa jätetty huomiotta, koska yleistä vuotomallia ei voida kehittää ja ratkaista analyyttisesti. Tarkastelussa on oletettu, että alapohja on täysin tiivis.

6.1 Vuotomallin kehittäminen

Kuva 6.1 Termisen paine-eron aiheuttama painekuvio ja vuotomallissa käytetyt termit. Vaihe 1 (painekuvion määrittäminen) Määritellään termisestä paine-erosta aiheutuvat painerasitukset (kuva 6.1).

u

usn T

TThgP −∆−= ρ (6.1)

missä ρ on ilman tiheys (1,2 kg/m3), g gravitaatiovakio (9,81 m/s2), ∆h etäisyys neutraaliakselista, Ts on sisälämpötila ja Tu ulkolämpötila (Kelvin-asteina).

Vaihe 2 (neutraaliakselin paikka) Neutraaliakselin paikka riippuu rakenneosien tiiviyksien suhteesta. Tasapainoehto: ilmavirtausten summa = ΣVn= 0. Lasketaan P1….P9 ja A1…A9. Jos kaikilla rakenneosilla on sama tiiviys, ilmavuodot rakenneosissa tapahtuvat pinta-alojen suhteessa. Tuolloin yläpohjan osuus kaikista vuodoista on sama kuin sen osuus vaipan (seinät ja yläpohja) alasta. Suhteelliset ilmavirtaukset = Vn= An*1. Määritellään tasapainoyhtälö: ΣVn= 0, josta ratkaistaan ∆h.

+ +

--

-

P1

P2

P3

P4

P5

A1

A2

A3

A4

A5

∆h

Vastakkaisilla seinillä P6…P9 ja A6…A9 V1


Vaihe 3 (suhteellinen vuotoilmavirta) Rakennuksesta poistuva ilmamäärä, joka on sama kuin rakennukseen tuleva ilmamäärä voidaan tämän jälkeen laskea = V2+ V3 + V4 + V7 + V8. Jos yläpohja on täysin tiivis, yläpohjassa tapahtuvat ilmavuodot V3= 0. Ratkaistaan tasapainoyhtälöstä uudelleen ∆h ja sen jälkeen lasketaan rakennuksesta poistuva ilmamäärä. Tämän jälkeen voidaan verrata tasaisen tiiviin ja tapauksen, jossa yläpohja tiivis suhteellisia ilmavuotoja toisiinsa. Kahden ääritapauksen lisäksi voidaan samalla tavalla määritellä suhteellinen ilmavuoto erilaisilla yläpohjan tiiviyksille. Laskentaesimerkki. Määritellään termisestä paine-erosta aiheutuvan painekuvion neutraaliakselin ja suhteellisen ilmavuodon riippuvuus yläpohjan tiiviydestä. Yläpohjan tiiviys vaihtelee tasaisen tiiviistä (kaikki rakenneosat yhtä tiiviitä) täysin tiiviiseen. Rakennuksen koko on 10x10x3 m ja sisä- ja ulkolämpötilan eroksi oletetaan 20 ºC. Tasaisen tiiviissä tapauksessa yläpohjan osuus kaikista ilmavuodoista on sama kuin sen pinta-alan osuus vaipan alasta eli (10*10)/((10*10)+4*(10*3))= 45,5%. Lasketaan neutraaliakselin paikka ja suhteellinen ilmavuoto tapauksissa, joissa yläpohjavuotojen osuus kaikista vuodoista on: 45,5%, 30%, 25%, 15% ja 0%. Kuvaan 6.2 on koottu tulokset. Kuvasta voidaan todeta, että neutraaliakselin paikka, samoin kuin vuotoilmavirran suuruus riippuu lineaarisesti yläpohjan tiiviydestä. Suhteellinen vuotoilmavirta on esimerkin tapauksessa täysin tiiviillä yläpohjalla noin 47% sellaisen tapauksen vuodoista, jossa seinät ja yläpohja ovat yhtä läpäiseviä. Kuva 6.2 Neutraaliakselin paikan ja vuotoilmavirran riippuvuus yläpohjan tiiviydestä,

laskentaesimerkki.

6.2 Tarkasteluja vuotomallilla

Termisen paine-eron vaikutus Tarkasteltaessa kuinka termisen paine-eron muutokset vaikuttavat neutraaliakselin paikkaan ja vuotoilmavirtaan (kuva 6.3), voidaan todeta, että rakennuksen neutraaliakselin paikka pysyy samana termisen paine-eron muuttuessa. Painekuviossa käyrän kulmakerroin suurenee ja ääripisteiden paine kasvaa termisen paine-eron kasvaessa. Verrattaessa suhteellisen vuotoilmavirran suuruutta termisen paine-eron muuttuessa kahdessa tiiviystapauksessa: vaippa tasaisen läpäisevä tai yläpohja täysin tiivis, voidaan kuvasta 6.3 todeta, että vuotovirtojen prosentuaalinen ero eri tiiviystapausten kesken pysyy yhtä suurena (n. 47%) termisen paine-eron muuttuessa.

Neutraaliakselin riippuvuus yläpohjan tiiviydestä(10x10x3 m rakennus, ∆T=20oC)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40 50

Yläpohjavuotojen osuus kaikista vuodoista,%

Neut

raal

iaks

eli,

n la

ttiat

asos

ta

Ilmavuotovirran riippuvuus yläpohjan tiiviydestä(10x10x3 m rakennus, ∆T=20oC)

0102030405060708090

0 10 20 30 40 50

Yläpohjavuotojen osuus kaikista vuodoista,%

Suht

eelli

nen

ilmav

irta


Kuva 6.3 Vuotoilmavirran riippuvuus termisestä paine-erosta.

Rakennuksen korkeuden vaikutus Tarkastellaan rakennuksen korkeuden vaikutusta neutraaliakselin paikkaan ja suhteellisiin vuotoilmavirtoihin. Kuvassa 6.4 on määritelty suhteellinen vuotoilmavirta kahdessa tiiviystapauksessa (tiivis yläpohja, tasaisen läpäisevä vaippa) rakennuksen korkeuden muuttuessa 2…6 m, rakennuksen pinta-alan pysyessä samana. Kuvasta 6.4 voidaan todeta, että vuodon vertailukerroin (= tiiviin yläpohjan vuodot/ tasaisesti läpäisevän vuodot) riippuu rakennuksen korkeudesta eli yläpohjan ja seinien pinta-alojen suhteesta (kuva 6.5). Vuotokerroin voidaan määritellä kun tiedetään yläpohjan ja seinien pinta-alojen suhde (kuva 6.6). Kuva 6.4 Vuotoilmavirran riippuvuus rakennuksen korkeudesta.

Vuotoilmavirran riippuvuus termisestä paine-erosta

020406080

100120140160180200

0 10 20 30 40

Terminen paine-ero, ∆T oC

Suht

eelli

nen

ilmav

irta

Tasainen vaippaTiivis yläpohja

Vuotoilmavirran riippuvuus rakennuksen korkeudesta

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8

Rakennuksen korkeus, m

Suht

eelli

nen

ilmav

irta



Kuva 6.5 Vuotoilmavirran riippuvuus seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta. Kuva 6.6 Vuotokertoimen riippuvuus seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta. Kuvasta 6.6 voidaan todeta vuotokertoimen riippuvuus seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta on lähes lineaarinen.

6.3 Yläpohjan tiiviyden vaikutus rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen vuotomallin mukaan

Rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuden yksinkertaisimmat laskentakaavat (luku 3.2), kuten likiarvokaava (n50/20), EN ISO 13789-standardin laskentamenettely ja yksinkertaistettu LBL-malli eivät ota huomioon rakennuksen vaipan osien erilaista tiiviyttä. Laskentamenettelyissä oletetaan, että vaipan kaikilla rakennusosilla on sama tiiviys. Tapauksessa, jossa yläpohja on täysin tiivis, vuotoilmanvaihtuvuutta voidaan pienentää edelle esitetyllä vuotomallin mukaisella vuotokertoimella. Luvussa 6.2 määriteltiin vuotomallilla, että vuotokerroin riippuu seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta (kuva 6.6). Riippuvuus voidaan olettaa lineaariseksi tavanomaisilla seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteilla (kuva 6.7). Vuotokerroin voidaan määritellä kaavalla 6.2.

Vuotokerroin= 0,33 + 0,1144*(Aseinät / Ayläpohja) (6.2)

Vuotoilmavirran riippuvuus seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta

0

50

100

150

200

250

300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Seinien ala/ yläpohjan ala

Suht

eelli

nen

vuot

ovirt

a


Tasaisen tiiviin ja tiivis yläpohjaisen rakennuksen vuotoilmavirtojen suhteen riippuvuus seinien ja

yläpohjan pinta-alaojen suhteesta

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,5 1 1,5 2 2,5


Vuot

oker

roin


Kuva 6.7 Vuotokertoimen määrittely seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteen avulla. Edellä kehitetyssä vuotomallissa tarkasteltiin vain termisen paine-eron aiheuttamia ilmavuotoja. Yläpohjan tiivistäminen vähentää lähinnä vain termisestä paine-erosta aiheutuvia ilmavuotoja. Tällöin yläpohjan tiiviyden vaikutus voidaan ottaa huomioon rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuutta määriteltäessä pienentämällä termisen paine-eron aiheuttamaa vuotoilmanvaihtuvuutta vuotomallin mukaisella vuotokertoimella. Vuotoilmanvaihtuvuuden laskentamalleista yksinkertaistettu LBL-malli (luku 3.2) määrittelee erikseen termisestä paine-erosta ja tuulenpaineesta aiheutuvat vuotoilmanvaihtuvuudet. Ottamalla laskentamallissa huomioon yläpohjan tiiviys, vuotovirran laskentakaava 6.3 (= kaava 3.10) muuttuu muotoon 6.4.

( ) 5,02vBtALQ +∆= (6.3)

( ) 5,02vBtACLQ +∆= (6.4) missä L on tehokas vuotoluku 4 Pa:ssa, A on terminen kerroin ((l/s)2 cm-4 °C-1), ∆t sisä- ja ulkolämpötilan ero laskentajaksolla, B tuulenpainekerroin ((l/s)2 cm-4(m/s)-2) ja v keskimääräinen tuulen nopeus laskentajaksolla ja C on vuotomallista saatava vuotokerroin. Kuvaan 6.8 on määritelty vuotoilmanvaihtuvuus 10x10x3 m kokoiselle rakennuksella, jonka tiiviys on 1, 3, 5 tai 7 tapauksessa, jossa vaippa on tasaisen läpäisevä (kaava 6.3) tai yläpohja on täysin (kaava 6.4). Kaavan 6.2 mukaan vuotokerroin C on 0,467 (=0,33+0,1144*(120/100)), vuotomallin mukaan tarkka kerroin ko. tapauksessa olisi 0,473. Ulkolämpötilan vuotuiseksi keskiarvoksi oletetaan +4ºC ja sisälämpötilan +20 ºC ja keskimääräiseksi tuulennopeudeksi 2,2 m/s. Kuvan laskentaolettamuksilla rakennuksen, jossa on tiivis yläpohja vuotoilmanvaihtuvuus on noin 66% sellaisen rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuudesta, jossa yläpohja ja seinät ovat yhtä läpäiseviä.

Tasaisen tiiviin ja tiivis yläpohjaisen rakennuksen vuotoilmavirtojen suhteen riippuvuus seinien ja

yläpohjan pinta-alaojen suhteesta

y = 0,1144x + 0,3304

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,5 1 1,5 2 2,5


Vuot

oker

roin


Kuva 6.8 Yläpohjan tiiviyden vaikutus vuotoilmanvaihtuvuuteen vuotomallin mukaan. Mikäli edellä esitetyillä laskentaolettamuksilla määritellään kuukausittainen vuotoilmanvaihtuvuus tasaisen läpäisevässä rakennuksessa ja rakennuksessa, jossa on tiivis yläpohja, saadaan kuvan 6.9 mukainen kuvaaja. Kuukausittaisena ulkolämpötilana ja tuulennopeutena on käytetty Tampereen seudun pitkäaikaisia keskiarvoja. Koko rakennuksen vuotoluvuksi on oletettu n50=3. Koko vuoden keskimääräisten vuotoilmanvaihtuvuuksien mukaan laskettuna kyseisessä tapauksessa tiivis yläpohjaisen rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus on noin 68% tasaisesti läpäisevän rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuudesta, vertailusuhteen ollessa pienin talvella (61%) ja suurin (85%) kesällä. Vastaavasti lämmityskauden keskiarvojen mukaan ero on noin 65%. Kuva 6.9 Yläpohjan tiiviyden vaikutus kuukausittaiseen vuotoilmanvaihtuvuuteen

vuotomallin mukaan.

Yläpohjan tiiviyden vaikutus vuotoilmanvaihtuvuuteen

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

n50=1 n50=3 n50=5 n50=7

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h

LBL-malli, tasainen tiiviys

LBL-malli, yläpohja tiivis(vuotokerroin)

Yläpohjan tiiviyden vaikutus vuotoilmanvaihtuvuuteen, rakennuksen kokonaistiiviys n50=3

00,020,040,060,080,1

0,120,140,160,18

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Kuukausi

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/

h

LBL-malli, tasainentiiviysLBL-malli, tiivisyläpohja (vuotokerroin)

n50/20


7. Tulokset

7.1 Hirsitalossa (jossa tiivis yläpohja) tapahtuva vuotoilmanvaihtuvuus Viimeisimpien tutkimusten mukaan /Korpi, 2003/ rakennuksen tiiviyteen (vuotolukuun, n50) vaikuttaa eniten rakennustyön huolellisuus. Mitatuissa uudehkoissa pientaloissa vuotoluku (kuva 7.1) oli keskimäärin n50=3,8 (0,57 … 7,46). Kohteet olivat kaikki puurunkoisia (ei mukana hirsitaloja). Lämmöneristeenä oli käytetty erilaisia eristeitä ja osa kohteista oli höyrynsulullisia ja osa höyrynsuluttomia. Mitään selvää korrelointia ei löydetty vuotoluvun ja rakenteiden tai rakentamistavan välillä. Rakennuksen hyvä tiiviys saavutetaan kiinnittämällä rakentamisessa erityistä huomiota tiiviyteen, erityisesti rakenneosien liitoksissa. Kuva 7.1 Mitattujen pientalojen vuotoluvun jakauma /Korpi, 2003/. Tässä tutkimuksessa hirsirakennuksille tehtyjen painekokeiden mukaan hirsirakennuksen, jossa oli tiivis yläpohja vuotoluku on n50=4,1…4,5 , viimeisimmissä mittauksissa on saatu jopa lähellä n50=1 olevia tiiviyskokeen tuloksia. Aiemmissa tutkimuksissa hirsirakennuksen vuotoluvuiksi on saatu huomattavasti suurempia, lähempänä n50=10 olevia arvoja. Osa tiiviyden paranemisesta johtuu rakenteiden yksityiskohtien, kuten hirsinurkkien ja hirsisaumarakenteiden ja tiivistemateriaalien kehittymisestä, samoin kuin työtekniikan kehittymisestä. Osa tiiviyden paranemisesta johtuu yläpohjan tiivistämisestä. Yläpohjan tiivistäminen pienentää rakennuksen kokonaistiiviyttä teoreettisesti luvun 3.2 mukaan rakennuksen vaipan osien (seinät ja yläpohja) pinta-alojen suhteesta riippuen keskimäärin 29…56%. Edellä esitetyn vuotomallin mukaan rakennuksen, jossa on tiivis yläpohja vuotoluvun n50 perusteella määriteltyä vuotoilmanvaihtuvuutta voidaan pienentää vuotokertoimella, jonka suuruus riippuu seinien ja yläpohjan pinta-alojen suhteesta. Yläpohjan tiiviys vaikuttaa vain termisestä paine-erosta aiheutuviin ilmavuotoihin vähentävästi. Sen lisäksi tulee ottaa huomioon, että rakennukseen ei koskaan pystyä tekemään täysin tiivistä yläpohjaa. Olettamalla, että yläpohjasta voidaan tehdä 90%:n tiivis, edellä esitettyä vuotomallista saatua vuotokertoimen kaava jaetaan luvulla 0,9.

Mitattujen pientalojen vuotoluvun jakauma

0

1

2

3

4

5

6

7

8

<1 1…2 2…3 3…4 4…5 5…6 6…7 >7

kpl


Hirsirakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuden laskenta

Vuotokerroin C = ( 0,33 + 0,1144*(Aseinät / Ayläpohja))/0,9

= 0,37 + 0,13*(Aseinät / Ayläpohja) (7.1)

( ) 5,02vBtACLQ +∆= (7.2)

missä L on tehokas vuotoluku 4 Pa:ssa (kaava 7.3), A on terminen kerroin ((l/s)2 cm-4 °C-1) (taulukosta 7.1), ∆t sisä- ja ulkolämpötilan ero laskentajaksolla, B tuulenpainekerroin ((l/s)2 cm-4(m/s)-2) (taulukosta 7.2) ja v keskimääräinen tuulen nopeus laskentajaksolla ja C on vuotomallista saatava vuotokerroin (kaava 7.1).

= 8

ρr

qL , (7.3)

missä qr on painekoekäyrästä arvioitu ilmavirta (m3/s) mitoittavalla 4 Pa:n paineella. Taulukko 7.1 Terminen kerroin A [(l/s)2 cm –4 ºC -1]. Rakennuksen kerrosten lukumäärä 1 2 3 Kerroin A 0,000145 0,000290 0,000435 Taulukko 7.2 Tuulenpainekerroin B [(l/s)2 cm –4 (m/s)2]. Kerroin B Rakennuksen kerrosten lukumäärä Suojausluokka 1 2 3

1 0,000319 0,000420 0,000494 2 0,000246 0,000325 0,000382 3 0,000174 0,000231 0,000271 4 0,000104 0,000137 0,000161 5 0,000032 0,000042 0,000049

Suojausluokka 1 Ei esteitä tai paikallista suojausta. Suojausluokka 2 Kevyt paikallinen suojaus: muutama este, puu tai pieni suoja. Suojausluokka 3 Kohtalainen paikallinen suojaus: esteitä 2*rakennuksen korkeuden etäisyydellä, tiivis aita, yksi

naapuritalo. Suojausluokka 4 Raskas suojaus: esteitä joka puolella, rakennuksia ja puita useilla suunnilla 10 m etäisyydellä,

tyypillinen taajamasuojaus. Suojausluokka 5 Erittäin raskas suojaus: suuria esteitä rakennuksen ympärillä 2*rakennuksen korkeuden

etäisyydellä, tyypillinen kaupungin keskustan suojaus. Laskentaesimerkki. Lasketaan edellä esitetyillä kaavoilla vuotoilmanvaihtuvuus 10x10x3 m kokoiselle rakennukselle, jonka tiiviys n50=4,5. Ulkolämpötilaksi (vuotuinen keskiarvo) oletetaan –4 ºC ja sisälämpötilaksi +20 ºC ja keskimääräiseksi tuulennopeudeksi 2,2 m/s. Rakennus on 1-kerroksinen ja suojausluokka on 3. Kaavojen 7.1 … 7.3 mukaan rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus on 0,15 1/h. Jos yläpohja ei ole tiivis (kaavassa 7.2, C=1), vuotoilmavaihtuvuus olisi noin 0,2 1/h eli yläpohjan tiiviys pienentää vuotoilmanvaihtuvuutta 21%. Tässä esimerkin tapauksessa rakennuksen (n50=4,5), jossa on tiivis yläpohja vuotoilmanvaihtuvuus on yhtä paljon kuin sellaisen rakennuksen, jossa ei ole tiivistä yläpohjaa ja n50-luku on noin 3,5.


Kuva 7.2 Vuotoilmanvaihtuvuuden riippuvuus rakennuksen kerrosten lukumäärästä,

laskentaesimerkki. Lasketaan kuinka paljon rakennuksen kerrosten lukumäärä vaikuttaa vuotoilmanvaihtuvuuteen (kuva 7.2). Kuvasta voidaan todeta, että korkeammissa rakennuksissa yläpohjan tiiviys vähentää vuotoilmanvaihtuvuutta enemmän kuin matalammissa rakennuksissa (3-kerroksisessa 25% ja 1-kerroksisessa 21%), koska korkeammissa termisestä paine-erosta aiheutuva vuoto on vallitseva. Lasketaan kuinka paljon suojausluokka vaikuttaa vuotoilmanvaihtuvuuteen 1-kerroksissa rakennuksessa (kuva 7.3) ja 3-kerroksisessa rakennuksessa (kuva 7.4). Kuvista voidaan todeta, että hyvin suojaisissa rakennuksissa yläpohjan tiiviys vähentää vuotoilmavaihtuvuutta enemmän (26…27%) kuin suojattomissa rakennuksissa (18…22%), koska suojaisissa rakennuksissa tuulenpainevaikutus on vähäisempi ja terminen vallitsevampi. Kuva 7.3 Vuotoilmanvaihtuvuuden riippuvuus suojausluokasta 1-kerroksissa

rakennuksessa, laskentaesimerkki.

Vuotoilmanvaihtuvuuskerrosmäärältään erilaisissa rakennuksissa

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

kerroksia 1 kerroksia 2 kerroksia 3

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h Yläpohja tiivis

Yläpohja läpäisevä

79%

75%

76%

Vuotoilmanvaihtuvuus eri suojausluokissa,1-kerroksinen rakennus

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

Suojau

sluok

ka 1

Suojau

sluok

ka 2

Suojau

sluok

ka 3

Suojau

sluok

ka 4

Suojau

sluok

ka 5Vu

otoi

lman

vaih

tuvu

us, 1

/h Yläpohja tiivisYläpohja läpäisevä

82%74%77%78%80%


Kuva 7.4 Vuotoilmanvaihtuvuuden riippuvuus suojausluokasta 3-kerroksissa

rakennuksessa, laskentaesimerkki. Tarkastellaan sisä- ja ulkolämpötilaeron vaikutusta vuotoilmanvaihtuvuuteen laskemalla kuukausittainen vuotoilmanvaihtuvuus käyttäen Tampereen seudun kuukausittaista keskiulkolämpötilaa. Rakennus on 1-kerroksinen ja suojausluokka on 3. Kuva 7.5 mukaan yläpohjan tiiviys vähentää vuotoilmanvaihtuvuutta vähiten kesällä ja eniten talvella, jolloin terminen paine-ero on suurimmillaan. Esimerkkilaskennassa yläpohjan tiiviys vähensi vuotoilmanvaihtuvuutta vuodessa keskimäärin 18% ja lämmityskaudessa 20%. Kuva 7.5 Vuotoilmanvaihtuvuus kuukausittain, laskentaesimerkki.

Vuotoilmanvaihtuvuus eri suojausluokissa,3-kerroksinen rakennus

00,05

0,1

0,150,2

0,250,3

0,350,4

Suojau

sluok

ka 1

Suojau

sluok

ka 2

Suojau

sluok

ka 3

Suojau

sluok

ka 4

Suojau

sluok

ka 5

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h

Yläpohja tiivisYläpohja läpäisevä

78%73%75%76%77%

Vuotoilmanvaihtuvuus, kuukausittainen tarkastelu

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vuot

oilm

anva

ihtu

vuus

, 1/h Yläpohja läpäisevä

Yläpohja tiivis


7.2 Rakennuksen lämmitysenergiankulutus, laskentamenettely Rakennuksen lämmitysenergiakulutuksen laskenta voidaan tehdä joko Suomen Rakentamismääräyskokoelman osan D5 tai EN ISO 13789-standardin mukaan käyttäen vuotoilmanvaihtuvuutena edellä luvussa 7.1 esitetyillä kaavoilla määriteltyä vuotoilmanvaihtuvuutta. Uudet lämmöneristysmääräykset (Suomen RakMK osa C3) astuvat voimaan lokakuun 2003 alusta. Uudessa C3:ssa on kiristetty rakennusosien lämmönläpäisykerroin (U-arvo) vaatimuksia taulukon 7.3 mukaisesti. Taulukko 7.3 Uudet lämmönläpäisykerroinvaatimukset (U-arvo). Rakennusosa Uusi U-arvovaatimus (W/m2K) Vanha U-arvovaatimus (W/m2K) Seinä 0,25 0,28 Yläpohja ja ulkoilmaan rajoittuva alapohja

0,16 0,28

Ryömintätilaan rajoittuva alapohja (tuuletusaukkoja enintään 8 promillea alapohjan pinta-alasta)

0,20 0,28

Maata vasten oleva rakennusosa 0,25 0,36 Ikkuna, ovi 1,4 2,1 (ikkuna) 0,7 (ovi) Kattoikkuna 1,5 Edellä esitetyt lämmöneristysvaatimustasot voidaan täyttää kolmella tavalla C3:n mukaan:

1. Käyttämällä suoraan rakennusosien lämmönläpäisykertoimen enimmäisarvoja.

2. Osoittamalla laskelmin, että rakennusosan vaipan lämpöhäviöt tai vaipan ja ilmanvaihdon lämpöhäviöt yhteensä eivät ylitä enimmäisarvojen avulla esitettyä vertailutasoa.

3. Osoitetaan laskelmin, että rakennuksen lämmityksen lämpöenergiantarve ei ylitä vaipaltaan lämmöneristysvaatimukset (C3) täyttävän ja ilmanvaihdoltaan D2-ilmanvaihto ja LTO-määräykset täyttävän rakennuksen laskettua vertailutasoa.

C3-määräysten mukaan edelle esitetty rakennuksen lämmitysenergiantarpeen laskenta tehdään rakentamismääräyskokoelman osissa C4 ja D5 esitettyjä menetelmiä tai muilla vastaavilla yleisesti hyväksytyillä laskentamenetelmillä. Tällainen muu yleisesti hyväksytty laskentamenetelmä on eurooppalaisen standardin EN ISO 13789:n esittämä menetelmä, joka on esitetty ns. REL-ohjeessa /Kalema et al. 2003/. C3:ssa ei esitetä mitä rakennuksen tiiviyslukua (tai vuotoilmanvaihtuvuutta) käytetään lämmityksen lämpöenergiatarpeen laskelmissa vertailutasona. REL-ohjeessa tiiviysluvun vertailutasoksi on määritelty n50=4.


8. Kehitystarpeet Hirsirakennuksen, jossa on tiivis yläpohja kokonaistiiviyden eli vuotoluvun (n50) perusarvo tulee määritellä. Määrittelyä varten tarvitaan riittävän laaja mittaussarja rakennuksen painekokeita. Koska tiiviys riippuu rakennustyön huolellisuudesta, mitattavissa kohteissa tulisi tiiviyden kannalta kriittiset työvaiheet dokumentoida mahdollisimman tarkasti. Näiden perusteella tulisi samaan aikaan kehittää rakennus- ja työohjeita, joissa olisi mahdollisimman yksityiskohtaisesti esitetty miten tiiviyden kannalta kriittiset työvaiheet tulisi suorittaa. Kriittisiä rakenteita ja työvaiheita ovat mm. seuraavat:

• hirsiseinän liittyminen alapohjarakenteeseen

• ikkunoiden ja ovien liitos seinään, erityisesti yläreunaan jätettävä painumavara

• seinän ja yläpohjan liitos, painumavara ja yläpohjan höyrynsulun liitokset

• yläpohjan läpiviennit (hormit, IV-putket)

• seinien läpiviennit

• alapohjan läpiviennit (viemäriputket) Painekoemittauksia ja työohjeiden kehittämistä tulee jatkaa niin kauan, että voidaan tietyllä varmuudella ennakoida, että noudattamalla tarkasti rakennus- ja työohjeita hirsirakennuksessa saavutetaan tietty tiiviystaso (n50-luku). Tämän jälkeen pistokoeluonteisesti mitataan muutamassa kohteessa vuodessa n50-luku, jotta voidaan varmistua, että haluttu hirsirakennuksen tiiviystaso säilyy.


Lähteet ASHRAE Fundamentals handbook. 1989. Binamu, A., Lindberg, R. 2001. The impact of air tightness of the building envelope on the efficiency of ventilation systems with heat recovery. Tampereen teknillinen korkeakoulu, Talonrakennustekniikka, Julkaisu 107. 62 s. + 7 liites. EN ISO 13789. Thermal performance of buildings – Transmission heat loss coefficient - Calculation method. Hagentoft, Carl-Eric. 2001. Introduction to building physics. Studentlitteratur. 422 s. Kalema, T. et al. 2003. Rakennusten lämmöntarpeen laskentaohje. Rakennusteollisuus RT ry. 112 s. + 73 liites. Korpi, Minna. 2003. Rakennuksen vaipan ilmatiiviyden mittaaminen painekoemenetelmällä. Tampereen teknillinen yliopisto, rakennustekniikan osasto. Diplomityö. 70 s.+11 liites. Orme, Malcolm. 1999. Applicable Models for Air Infiltration and Ventilation Calculation. AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre). 66 s. Saarnio, Pekka. 1983. Rakennusten tiiviyden ja ilmanvaihdon laskentamalli. VTT Tutkimuksia 242. 82 s. + 6 liites. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa C3. Lämmöneristys, määräykset. 1985. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa C3. Lämmöneristys, määräykset. 2003. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa C4. Lämmöneristys, ohjeet. 1978. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa C4. Lämmöneristys, ohjeet. 2003. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D2. Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto, määräykset ja ohjeet. 2003. Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa D5. Rakennuksen lämmityksen tehon – ja energiatarpeen laskenta, ohjeet. 1985. Tuomaala, Pekka. 2002. Implementation and evaluation of air flow and heat transfer routines for building simulation tools. VTT Publications 471. 45 s. + 52 liites.


Liite 1: Himoksen kenttämittauskohteiden energiankulutuksen laskentataulukot

Hon

ka

Mitt

ausj

akso

, vrk

2,85

Aste

päiv

äluk

u77

,203

5(M

ittau

sjak

son

sisä

- ja

ulko

läm

pötil

oist

a, k

eski

arvo

)As

tepä

iväl

uku,

maa

han

42,7

5(V

araa

va la

ttial

ämm

itys,

ole

tus:

laat

an lä

mpö

tila

+27

o C, m

aan

läm

pötil

a +1

2 o C

)

Joht

umin

en v

aipa

n lä

piVu

otoi

lman

läm

mity

ksen

ene

rgia

nkul

utus

Rak

enne

osa

Pint

a-al

a, m

2U

-arv

oAi

*Ui

Kulu

tus,

kW

hau

kko-

%hi

rsis

einä

51,2

90,

5930

,261

156

,070

3080

10,

1959

55n 5

0n v

=n50

/20

Kulu

tus,

kW

hpu

usei

nä14

,21

0,3

4,26

37,

8988

4449

20,

1953

574,

50,

225

23,3

3244

yläp

ohja

50,7

70,

2512

,692

523

,517

7301

70,

0411

71al

apoh

ja43

,39

0,35

15,1

865

15,5

8134

9EK

, ikk

una,

3-k

ert e

risty

slas

i8,

561,

210

,272

19,0

3282

445

MSE

ikku

na, e

risty

slas

i+1

lasi

3,97

1,65

6,55

0512

,137

3166

4ka

tto-ik

kuna

2,18

1,2

2,61

64,

8471

4454

4ul

ko-o

vi1,

710,

71,

197

2,21

7902

148

parv

ekke

en o

vi3,

420,

72,

394

4,43

5804

296

179,

5Su

mm

a85

,432

614

5,73

9223

8

kWh

Läm

mity

sene

rgia

n ku

lutu

sLa

sket

tuM

itattu

erot

us16

916

6-3

,071

666

kWh/

m3 a

kWh/

m3

aLä

mm

ityse

nerg

ian

kulu

tus

127

125

Ene

rgia

nkul

utuk

sen

lask

enta

Qjo

ht =

(Ai*

Ui)*

24*S

/100

0S

mita

tuis

ta lä

mpö

tiloi

sta

Qvu

otoi

v =

1,2

*1,

0 *n

v *

V *2

4 *S

/360

0

nv=

n50

/20

Äijä

Mitt

ausj

akso

, vrk

2,92

Aste

päiv

äluk

u71

,923

5(M

ittau

sjak

son

sisä

- ja

ulko

läm

pötil

oist

a, k

eski

arvo

)As

tepä

iväl

uku,

maa

han

8,76

(Suo

ra s

ähkö

läm

mity

s, o

letu

s: la

atan

läm

pötil

a +1

9 o C

, maa

n lä

mpö

tila

+16

o C)

Joht

umin

en v

aipa

n lä

piVu

otoi

lman

läm

mity

ksen

ene

rgia

nkul

utus

Rak

enne

osa

Pint

a-al

a, m

2U

-arv

oAi

*Ui

Kulu

tus

aukk

o-%

hirs

isei

nä63

,84

0,59

37,6

656

65,0

170,

1310

74n 5

0n v

=n50

/20

Kulu

tus,

kW

hpu

usei

nä20

,57

0,3

6,17

110

,652

160,

1393

3113

,50,

675

65,2

1016

yläp

ohja

64,8

60,

2516

,215

27,9

8975

0al

apoh

ja57

,25

0,35

20,0

375

4,21

2684

EK, i

kkun

a, 3

-ker

t eris

tysl

asi

1,98

1,2

2,37

64,

1013

66M

SE ik

kuna

, eris

tysl

asi+

1 la

si9,

271,

6515

,295

526

,402

54ul

ko-o

vi1,

710,

71,

197

2,06

6218

219,

48Su

mm

a98

,957

614

0,44

1711

2,35

34

kWh

Läm

mity

sene

rgia

n ku

lutu

sLa

sket

tuM

itattu

erot

us20

617

3-3

2,65

188

kWh/

m3 a

kWh/

m3 a

Läm

mity

sene

rgia

n ku

lutu

s11

899

Ene

rgia

nkul

utuk

sen

lask

enta

Qjo

ht =

(Ai*

Ui)*

24*S

/100

0S

mita

tuis

ta lä

mpö

tiloi

sta

Qvu

otoi

v =

1,2

*1,

0 *n

v *

V *2

4 *S

/360

0

nv=

n50

/20

Myynti: Tietokirjakauppa Juvenes/Julkaisumyynti, PL 553, 33101 Tampere, puh. (03) 3115 2351, faksi (03) 3115 2191

Korkeakoulunkatu 5, PL 600, 33101 Tampere

Puh. (03) 3115 4804 Faksi (03) 3115 2811

Sähköposti [email protected] www.ce.tut.fi

Talonrakennustekniikka

HIRSIRAKENNUKSEN YLÄPOHJAN TIIVIYS

- vaikutus lämpöenergiankulutukseen Tämä julkaisu ”Hirsirakennuksen yläpohjan tiiviys– vaikutus lämpöenergian-kulutukseen” on tutkimushankkeen ”Yläpohjan tiiviyden vaikutus hirsirakennuksen lämmitysenergiankulutukseen 1.4.2002–31.8.2003” loppuraportti. Tutkimuksessa tarkasteltiin teoreettisesti ja erilaisten kenttämittausten avulla yläpohjan tiiviyden vaikutusta hirsirakennuksen kokonaistiiviyteen eli ilmanpitävyyteen ja vuotoilmanvaihtuvuuden kautta lämmitysenergiankulutukseen. Tutkimuksessa kehitettiin vuotomalli, jolla voitiin määritellä yläpohjan tiiviyden eli ilmanpitävyyden vaikutus rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuuteen verrattuna tapaukseen, jossa rakennuksen vaippa (seinät ja yläpohja) on tasaisen läpäisevä. Vuotomallin pohjalta kehitettiin laskentamenettely, jolla voidaan määritellä rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus kun yläpohja on tiivis.

micrografx designer 7 - kansi126 - tuni · rakenteiden läpi ilmaan ja maahan johtuva energia,...

Documents