V u o t o i l m a v i r r a n r i i p p u v u u s y l ä p o h j a n t i i v i y d e s t ä ( r a k e n n u k s e n k o k o n a i s t i i v i y s p y s y y s a m a n a )
!
"
#
$
%
&
'
! " #
Y l ä p o h j a v u o t o j e n o s u u s k a i k i s t a v u o d o i s t a , %
Vuotoilmavirta, l/s
H I R S I R A K E N N U K S E N Y L Ä P O H J A N T I I V I Y S - v a i k u t u s l ä m p ö e n e r g i a n k u l u t u k s e e n
T a m p e r e 2 0 0 3
R a k e n n u s t e k n i i k a n o s a s t o
V i r p i L e i v o
H I R S I R A K E N N U K S E N Y L Ä P O H J A N T I I V I Y S - v a i k u t u s l ä m p ö e n e r g i a n k u l u t u k s e e n
T a m p e r e 2 0 0 3
R a k e n n u s t e k n i i k a n o s a s t o
V i r p i L e i v o
U D K I S B N I S S N
6 9 4 6 9 7
9 5 2 - 1 5 - 1 1 0 5 - 2 1 4 5 9 - 4 1 0 2
ISBN 978-952-15-2748-7 (PDF) (nid.)
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
x
f V
V
V& = & + & (1.3)
missä V&f on koneellisen ilmanvaihdon tilavuusvirta (m3/s) ja V&x vuotoilman tilavuusvirta (m3/s), joka lasketaan kaavasta 1.8. V&f määritellään ilmanvaihtolaitteistosta riippuen kaavoilla 1.4…1.7.
a. Koneellinen poistoilmanvaihto ilman koneellista tuloilmaa (tai koneellinen tuloilmanvaihto ilman koneellista poistoa)
ex
f V
V& = & tai V&f =V&sup (1.4)
missä V&ex on koneellisesti tuotettu poistoilmavirta (m3/s) ja V&sup koneellisesti tuotettu tuloilmavirta (m3/s).
b. Jatkuvasti päällä olevalle koneelliselle tulo- ja poistoilmanvaihdolle V&f on suurempi arvoista
V&ex ja V&sup.
c. Mikäli jatkuvasti päällä olevan koneellisen tulo- ja poistoilmanvaihdon ilmavirta ei ole vakio,
V&f on keskimääräinen ilmavirta käyttöaikana.
d. Mikäli ilmanvaihtolaitteisto on välillä poissa päältä V&f lasketaan kaavalla 1.5.
(
x) (
β) (
f x)
βf V V V V
V& = &0+ ' 1− + & + & (1.5)
missä V&0 on painovoimaisen ilmanvaihdon tilavuusvirta kun puhaltimet eivät ole käynnissä ja Vx' on vuotoilmavirta, lasketaan kaavasta 1.6. b on se osuus ajasta, jolloin ilmanvaihtolaitteet ovat poissa päältä (h/24h).
e n V
V&x' = 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.
(
v)
xf V
V
V& = & 1−η + & (1.7)
missä ηv on lämmöntalteenoton kokonaishyötysuhde.
Vuotoilman tilavuusvirta V&x lasketaan kaavalla 1.8.
2
50 sup
50
1
−
+
=
n V
V V e f
e n V V
ex
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
2
1C v
pw = p 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 h10 v
v= 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
Tuulensuunta
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 u s s
T T hT g
p =−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).
2 1 2 2
1 1 2 2
V V V
V P P V
a − ⋅
∆
⋅
−
= ∆
1 2 1 1
V V a
b=∆P − ⋅ (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 Pa
DP=50 Pa
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
Ilmanvaihtuvuus, 1/h
n50=1 n50=3 n50=7.5 n50=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
Koneellinen poisto (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 Koneellinen
poisto 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
Ilmanvaihtuvuus, 1/h
n50=1 n50=3 n50=7.5 n50=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 Koneellinen
poisto (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 Koneellinen
poisto 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 r r
C q p 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
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Rakennuksen tiiviys, n50 (1/h)
Rakennuksen alipaine, 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 ,m3/h
n50=1 n50=3 n50=5 n50=7
n50=10 D
r r
C q p L
5 , 0
2
∆
=
ρ qr painekäyrästä P= 4 Pa=∆pr
Cd=1
n50=1 n50=3 n50=5 n50=7 n50=10 L, (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.
2 2
w
s Q
Q
Q= + , (3.3)
missä Qs on termisestä paine-erosta ja Qw tuulenpaineesta aiheutuva vuotoilmanvaihtuvuus, jotka lasketaan kaavoilla 3.4 ja 3.7.
T h T g L f
Qs = s 0 2 ∆ (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.
9 2 R
fs = + (3.5)
L0
L R Lc+ f
= (3.6)
missä Lc on yläpohjan vuotopinta-ala ja Lf alapohjan vuotopinta-ala. L0 on koko vaipan vuotopinta-ala.
v L f
Qw = w 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 v
v (3.8)
jos tuulennopeus mitattu 10m korkeudella kaava supistuu muotoon:
=
γ
α 10
' h
v v
9 3 R fw −
= (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.
(
A t Bv2)
0,5L
Q= ∆ + , (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
tammi kuu
helmikuu maaliskuu
huhtikuu touk
okuu
elok uu
syyskuu loka
kuu marraskuu
joulukuu
Vuotoilmanvaihtuvuus, 1/h
n50=1 n50=4 n50=7 n50=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 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Seinien pinta-ala/ yläpohjan pinta-ala Tiiviin vuotoluku/ tasaisen vuotoluku
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=4 N.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, %
Vuotoilmanvaihtuvuus, 1/h
n50=1 n50=3 n50=5 n50=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
12.2.2002 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
Aika Lämpötila, oC
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
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
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 Lämpötilaero, oC
Honka_ero Äijä_ero
Himoksen koemökkien paineet mittausjaksolla
-15 -10 -5 0 5 10 15 20
12.2.2002 10:22
12.2.2002 22:22
13.2.2002 10:22
13.2.2002 22:22
14.2.2002 10:22
14.2.2002 22:22
Sisä- ja ulko-olosuhteiden paine-ero, Pa
Honka_paine Äijä_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
Paine-ero 0,82 m korkeudella
-20 -15 -10 -5 0 5 10
Neutraaliakseli, m lattiatasosta
Paine-ero Neutraaliakseli
Hongan mitattu paine-ero ja laskettu neutraaliakseli
-14 -10 -6 -2 2 6 10 14 18 22
Paine-ero 0,71 m korkeudella
-20 -15 -10 -5 0 5 10
Neutraaliakseli, m lattiatasosta
Paine-ero Neutraaliakseli
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
12.2.2002 7:12
12.2.2002 19:12
13.2.2002 7:12
13.2.2002 19:12
14.2.2002 7:12
14.2.2002 19:12
15.2.2002 Paine-ero katonrajassa, Pa 7:12
Paine Hongan katonrajassa Paine Äijän katonrajassa
+3,32
-2,11
NA=1,82
Honka H=4,68 m Kaakkoisseinällä
+1,39
-3,82
NA=3,52
Äijä H=4,80 m Lounaisseinällä
