Ihmisen lämpöaistimuksen uusi arviointimenetelmä

Transkriptio

1 Ihmisen lämpöaistimuksen uusi arviointimenetelmä Pekka Tuomaala, TkT Johtava tutkija, VTT Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Viime vuosina yksi rakennussektorin vahvistuneimmista trendeistä on energiatehokkuuden parantaminen, ja tätä ympäristömyönteistä kehitystä ollaan nopeuttamassa muun muassa viranomaismääräyksiä tiukentamalla. Esimerkiksi vuosituhannen vaihteen määräystasoon verrattuna uudisrakennusten lämmitysenergian ja -tehon tarpeet ovat pienentymässä kymmenillä prosenteilla. Viranomaisvalmistelussa on parhaillaan myös uusia energiatehokkuuteen liittyviä määräyksiä, jotka tulevat koskemaan ainakin joissakin tapauksissa myös korjausrakennushankkeita. Kun samaan aikaan lukuisissa tutkimushankkeissa on voitu osoittaa, että sisäympäristön lämpöolosuhteilla on merkittävä vaikutus ihmisten terveyteen ja tuottavuuteen, ei ole lainkaan yhdentekevää millaisilla suunnitteluja mitoitusperusteilla energiatehokkaiden rakennusten rakenne- ja talotekniikkaratkaisut tulevaisuudessa valitaan. Tässä artikkelissa tarkastellaan erilaisia ihmisen lämpöaistimuksen arviointimenetelmiä, joita hyödyntämällä voidaan arvioida erilaisten energiatehokkuutta parantavien toimenpiteiden ja tätä kautta erilaisten sisäolosuhteiden reunaehtojen vaikutuksia tilojen loppukäyttäjien lämpöaistimuksiin. Suhteellinen työn tuottavuus [%] Johdanto Ilmastonmuutoksen myötä myös kiinteistö- ja rakennussektori tulee kohtaamaan jo lähitulevaisuudessa täysin uusia haasteita. Jo tällä hetkellä Euroopan unionin jäsenvaltioiden yhteisesti päätettynä tavoitteena on vähentää kasvihuonekaasupäästöjä vähintään 20 prosenttia vuoden 1990 tasosta vuoteen 2020 mennessä. EU:n tavoitteena on myös nostaa uusiutuvien energianlähteiden osuus keskimäärin 20 prosenttiin loppukulutuksesta vuoteen 2020 mennessä ja Suomen osalta tämä tavoite on 38 prosenttia. Näiden varsin kunnianhimoisten tavoitteiden lisäksi EU:n parlamentti on ehdottanut, että vuoden 2020 lopusta alkaen kaikki uudet rakennukset ovat ns. lähes nollaenergiataloja mikä tarkoittaa, että taloudellisen optimin kautta suunniteltavan talon energiantarpeesta merkittävä osa katetaan talossa tai sen läheisyydessä tuotettavalla uusiutuvalla energialla. Julkisia rakennuksia tämä koskee jo vuoden 2019 alusta alkaen. Suomen uudisrakentamisen energiatehokkuusvaatimuksia on tiukennettu vuoden 2010 alussa noin 30 prosenttia. Seuraavan energiamääräysten tiukennuksen on suunniteltu tulevan voimaan 94 Lan et al. (2011b) Jensen et al. (2009) Roelofsen (2001) 92-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 Hieman viileä Neutraali Hieman lämmin Lämpöviihtyvyysindeksi Kuva 1. Eri tutkimusryhmien esittämiä arvioita lämpöolosuhteiden ja työn tuottavuuden välisistä kytkennöistä. (Lämpöviihtyvyysindeksin skaala: 3 kylmä, 2 viileä, 1 hieman viileä, 0 neutraali, 1 hieman lämmin, 2 lämmin, 3 kuuma) [1]. I II III 105

2 2012, jolloin uusien rakennusten kokonaisenergian tarve pienenisi noin 20 %. Rakennusten määräystenmukaisuuden osoittaminen voi nykyisen tasauslaskennan ohella perustua kokonaisenergiatarkasteluun, mikä antaa suunnittelulle enemmän vapausasteita. Eri energiantuotantovaihtoehtojen energiakertoimien avulla pyritään arvioimaan ympäristökuormituksia, ja tämän uuden lähestymisen avulla pyritään kannustamaan rakentajia valitsemaan mahdollisimman vähän ympäristöä kuormittavia energiavaihtoehtoja. Myös kansallisella tasolla on odotettavissa jatkossa huomattavan suuria muutoksia rakennusten energiatehokkuuteen, sillä Suomen hallitus on asettanut tavoitteeksi pienentää kasvihuonekaasupäästöjä 80 prosenttia vuoden 1990 tasosta vuoteen 2050 mennessä, mikä vastaa 1950-luvun päästötasoa. Suomi pyrkii lisäämään uusiutuvan energian osuuden 60 prosenttiin kaikesta käytettävästä energiasta vuoteen 2050 mennessä. Rakennuskannan energiatehokkuutta parannettaessa yksittäisten energiatehokkaiden rakennusten lämmitysenergian- ja lämmitystehontarve tulee pienenemään kymmenillä prosenteilla verrattuna nykyisin vallitseviin ratkaisuihin. Käytännössä tämä muutos tulee asettamaan huomattavia paineita tulevaisuuden rakenne- ja talotekniikkaratkaisujen valintaan, sillä perinteiset suunnittelu- ja mitoitusperusteet eivät enää välttämättä johda tilojen loppukäyttäjien kannalta optimaalisiin sisäympäristön lämpöolosuhteisiin. Esimerkiksi oikeat ulkovaipan lasirakenteet sekä tuloilman ja lämmitysratkaisujen menoveden lämpötilatasot on syytä varmistaa, ei pelkästään energiatekniikan vaan myös lämpöviihtyvyyden näkökulmasta. Näin erityisesti siksi, että jo pienten poikkeamien optimaalisista lämpöolosuhteista on todettu vaikuttavan voimakkaasti työn tuottavuuteen ja asumisviihtyvyyteen. Ulkoiset parametrit Sisäiset parametrit Lämpöolosuhteiden arviointimenetelmät Sisäolosuhteiden vaikutuksia tilojen loppukäyttäjien lämpöaistimuksiin on arvioitu erilaisilla laskennallisilla menetelmillä jo vuosikymmenten ajan. Lämpöaistimusten arviointitarkkuus riippuu luonnollisesti sekä arviointimenetelmien rajoituksista että kulloinkin käytettävissä olevien lähtötietojen saatavuudesta ja luotettavuudesta. Yhteistä näille kaikille arviointimenetelmille on se, että ne pyrkivät huomioimaan ihmisen lämpöaistimukseen kussakin tapauksessa merkittävimmin vaikuttavat tekijät. Lämpöolosuhteiden arviointityöskentelyssä onkin tärkeää tunnistaa vaihtoehtoisten menetelmien perusperiaatteet tarkkuustasoltaan ja käytettävyydeltään sopivimman menetelmän valitsemiseksi. Ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavat tekijät Ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavat tekijät on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 2. Lämpöaistimuksen ulkoisia reunaehtoja ovat ympäröivän tilan suureet: ilman ja pintojen lämpötilasta määräytyvä operatiivinen lämpötila, sisäilman paikallinen liike ja ilman suhteellinen kosteus. Näiden ulkoisten parametrien perusteella määräytyy ihmisen lämpötekninen vuorovaikutus lähiympäristön kanssa: konvektiivinen lämmönsiirto ihmisen ihon/vaatetuksen pintalämpötilan ja paikallisen ilman lämpötilaeron perusteella, säteilylämmönsiirto ihmisen ihon/vaatetuksen pintalämpötilan ja tilan eri pintojen lämpötilojen perusteella sekä kostea lämmönsiirto ihon ja paikallisen ilman vesihöyryn osapaine-eron perusteella. Lämpöviihtyvyyden keskeiset sisäiset parametrit ovat ihmisen vaatetus (paikallinen kehon ja sisäympäristön välinen lämpövastus) ja kehon oma metabolia eli lämmöntuotto. Metabolia puolestaan riippuu sekä tarkasteltavan henkilön yksilöllisestä anatomiasta (eri kudostyyppien määrät) että aktiivisuustasosta. Operatiivinen lämpötila Sisäilman liike Ilman suhteellinen kosteus Metabolia Vaatetus Ilman lämpötila Pintojen lämpötilat Anatomia (kudosjakauma) Aktiivisuus Kuva 2. Ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavat sisäiset ja ulkoiset parametrit. 106

3 Ihmisen anatomia ja fysiologia Kuten edellä jo todettiin, niin sisäisistä parametreista metabolialla on keskeinen vaikutus ihmisen lämpöaistimukseen. Metabolia esitetään alan kirjallisuudessa yleensä yksikössä (1 on SI-yksiköissä esitettynä 58 W/m 2 ). Se siis kuvaa ihmisen sisäistä aineenvaihdunnan lämmöntuottoa, ja taulukossa 1 on esitetty joitakin kirjallisuudesta saatavia viitteellisiä lämmöntuottoarvoja erilaisilla aktiivisuustasoilla. Tarkoissa ihmismalleissa metabolia määritetään yksilöllisesti siten, että nämä menetelmät huomioivat kehon eri kudostyyppien (tyypillisesti lihas-, rasva- ja ihokudos) lämmöntuoton eri aktiivisuustasoilla. Lämpöviihtyvyyden näkökulmasta tarkasteltuna ihmisen fysiologiset mekanismit pyrkivät pitämään aivojen ja sisäelinten lämpötilan varsin tarkasti arvossa +37 C. Mikäli tämä kehon sisälämpötila alkaa nousta (esimerkiksi kohonneen metabolian, lisääntyneen vaatetuksen tai kohonneiden tilan sisälämpötilojen takia), elimistö kasvattaa ihokudoksiin menevää verivirtaa (s.o. kohottaakseen ihon paikallista lämpötilatasoa ja lisätäkseen lämmönsiirtoa kehosta ympäristöön). Mikäli ihokudosten verenkierron kasvattaminen maksimiarvoonkaan ei riitä, alkaa ihminen hikoilla. Hikoilulla on oma maksimimääränsä, ja jos tämäkään ei riitä pitämään kehon sisälämpötilaa riittävän alhaisena, niin ihminen menee hypertermiatilaan. Mikäli kehon sisälämpötila puolestaan alkaa laskea (esimerkiksi alentuneen metabolian, vähentyneen vaatetuksen tai laskeneen operatiivisen lämpötilan takia), elimistö pienentää ihokudoksiin menevää verivirtaa (s.o. laskeakseen ihon lämpötilatasoa ja pienentääkseen lämmönsiirtoa kehosta ympäristöön). Mikäli ihokudosten verenkierron pienentäminen minimiarvoonkaan ei vielä riitä, alkaa ihminen tuottaa lisälämpöä vilunväristyksillä. Mikäli kehon sisälämpötila edelleen laskee, vaipuu ihminen hypotermiaan. Yksinkertaistetut lämpöaistimusten arviointimenetelmät Fangerin alun perin vuonna 1970 esittämä menetelmä [3] on yleisin ja laajimmin käytetty yksinkertaistettu lämpöaistimuksen arviointimenetelmä. Tällä menetelmällä määritetään PMV-indeksi (Predicted Mean Vote), missä arvo 0 on termisesti neutraali, positiiviset indeksin arvot ennustavat lämpimiä olosuhteita ja negatiiviset indeksin arvot ennustavat kylmiä sisäolosuhteita. PMV-indeksi määritetään kaavalla ( ) 0, 036 M PVM= 0, 303 e + 0, 028 (1) 3 ( M W) 30510, 5733, 0 6, 99( M W) ρ a 042, ( M W) 5815, 5 17, 10 M ( 5867, 0 ρ a ) 0, 0014 M ( 34, 0 T ilma ) , ( T + 273) ( T vaatteet vaatteet MRT ) ( h T T vaatteet vaatteet vaatteet ilma ) missä M on ihmisen metabolia, W on ihmisen tekemä työ, p a on ilman vesihöyryn osapaine, T ilma on ilman lämpötila, T vaatteet on vaatteiden keskimääräinen lämpötila, T MRT on tilan pintojen keskimääräinen säteilylämpötila (Mean Radiant Temperature), f vaatteet on suure joka kertoo vaatetuksen aiheuttaman lämmönsiirtopinta-alan kasvun ja h vaatteet on vaatetuksen keskimääräinen lämmönsiirtokerroin. Sinänsä tämä yksinkertaistettu menetelmä perustuu fysikaalisiin lämmönsiirtoilmiöihin. Yllä esitetyn kaavan toinen rivi estimoi vesihöyryn diffuusiota ihosta, kolmas rivi arvioi hikoilua, neljäs ja viides rivi estimoivat latenttia ja kuivaa hengityshäviötä sekä kuudes ja seitsemäs rivi ennustavat säteily- ja konvektiolämmönsiirtoa ihmisen ja ympäristön välillä. Fangerin PMV-menetelmän suurimpina puutteina pidetään yleisesti, että sillä ei voida arvioida ajasta eikä paikasta riippuvia ilmiöitä. Ajasta Taulukko 1. Ihmisen metabolia ja lämmöntuotto (metabolian yksikkö ja tätä vastaava lämmöntuoton yksikkö on wattia ihon pinta-alaa kohti; aikuisen ihmisen keskimääräinen ihon pinta-ala on 1,8 m 2 ) eri aktiivisuustasoilla [2]. Aktiivisuus Metabolia [] Lämmöntuotto [W/m 2 ] Lepo maaten 0,8 46 Lepo istuen 1,0 58 Kevyt istumatyö (toimisto, koulu) 1,2 70 Kevyt seisontatyö (kauppa, kevyt teollisuustyö) 1,6 93 Keskiraskas seisontatyö (kauppa-apulainen, kotityöt) 2,

4 riippuvia ilmiöitä ei voida tarkastella siksi, että tämä menetelmä ei huomioi ihmisen lämpöfysiologista käyttäytymistä lainkaan. Paikasta riippuvia ilmiöitä puolestaan ei voida arvioida siksi, että Fangerin menetelmä olettaa vaatetuksen tasan jakautuneeksi ympäri kehoa (yksittäisen vaatekappaleen lisääminen tai poistaminen muuttaa keskimääräistä ei paikallista vaatetuksen lämpövastusta), ja menetelmä ei huomioi lainkaan suunnasta riippuvaa säteilylämmönsiirtoa kehon eri osien ja ympäristön välillä. Fangerin menetelmällä voidaan kuitenkin sen sisäisistä oletuksista huolimatta arvioida lämpöviihtyvyyttä sellaisissa tapauksissa, joissa merkittäviä ajasta-, paikasta- ja suunnasta riippuvia lämmönsiirtoilmiöitä ei esiinny. Yksinkertaisuutensa lisäksi yksi Fangerin menetelmän vahvuuksista on se, että tällä perimmältään tilastolliseen koejärjestelyyn perustuvalla menetelmällä voidaan arvioida myös tyytymättömien suhteellinen osuus (PPD, Predicted Percentage of Dissatisfied) kaavalla ( 0, PMV PMV ) PPD = e 4, 2 Toinen varsin yleisesti käytetty, erityisesti veto-olosuhteiden arviointiin yksinkertaistettu lämpöolosuhteiden arviointimenetelmä on Draught Rating (DR) [4]. Tämä menetelmä ennustaa tyytymättömien suhteellista osuutta paikallisiin veto-olosuhteisiin kaavalla 062, ( )( ) ( + ) DR = 34 T ν 005, 37 I ν 314,, a a missä T a on ilman paikallinen lämpötila, v 0 on ilman paikallinen liikenopeus ja I 0 on ilman paikallinen DR-menetelmän ennustamat tyytymättömien osuudet [%] (2) (3) Koehenkilöiden metabolia W/m W/m W/m Koejärjestelyissä havaitut tyytymättömien osuudet [%] turbulenssiaste. Tällä menetelmällä saadaan erityisesti tilan virtauskenttien laskentaan (CFD) yhdistettynä varsin suoraviivaisia arvioita veto-olosuhteista. Menetelmän suurimpana puutteena on se, että sisäisiä parametrejä (ihmisen vaatetus ja metabolia) ei huomioida lainkaan. Myöskään ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavista ulkoisista parametreista ei huomioida säteilylämmönsiirtoa, ja laskentakaavan perusteella koko kehon ihon keskimääräiseksi lämpötilaksi oletetaan +34 C. Kuvassa 3 on esitetty vaaka-akselilla koejärjestelyissä todetut ja pystyakselilla DR-menetelmän ennustamat tyytymättömien suhteelliset osuudet erilaisissa lämpöolosuhteissa ja erilaisilla koehenkilöiden aktiivisuustasoilla [3]. Ainakaan tämän tutkimuksen tulosten perusteella DR-menetelmä ei ennusta kaikissa tapauksissa erityisen hyvin tyytymättömien suhteellista osuutta veto-olosuhteisiin. Yksittäisissä tapauksissa koejärjestelyissä havaitut ja mallin ennustamat tyytymättömien osuudet poikkeavat toisistaan jopa kymmeniä prosentteja, ja DR-menetelmä näyttää yleisesti ottaen aliarvioivan tyytymättömien osuuksia erityisesti korkeammilla metaboliatasoilla. Ihmisen lämpöaistimuksen uusi arviointimenetelmä: Human Thermal Model Ihmisen anatomian ja fysiologian todelliseen mallintamiseen perustuvia lämpöviihtyvyyden malleja on kehitetty varsin pitkään eri tutkimuslaitoksissa [5]. Yksi uusimmista tarkoista ihmisen lämpöaistimuksen arviointimenetelmistä on kehitetty Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä [6]. Tämä VTT:n Hu Kuva 3. Koejärjestelyissä todetut ja Draught Rating -menetelmän antamat estimaatit tyytymättömien suhteellisesta osuudesta.[3] 108

5 man Thermal Model (HTM) huomioi ensimmäisessä vaiheessa ihmisen anatomian ja fysiologisen käyttäytymisen sekä fysikaalisen vuorovaikutuksen ihmisen ja sisäympäristön välillä. Tuloksena saadaan ihmisen kehon eri osien kudosten ajasta- ja paikasta riippuvat lämpötilatiedot. Lämpöolosuhteiden arvioinnin toisessa vaiheessa näitä saatuja lämpötilatietoja käytetään arvioitaessa kehon paikallisia lämpöaistimuksia Zhang Huin esittämällä menetelmällä [5]. Ihmisen kudosten lämpötilojen arviointi tehdään HTM:ssä mallintamalla ihmisen anatomia (passive model) ja fysiologinen käyttäytyminen (control model) sopivalla tarkkuudella. Tässä yhteydessä riittävä tarkkuus saavutetaan kuvaamalla ihmiskeho 16 kehon osalla (pää, kaula, ylä- ja alavartalo, olka- ja kyynärvarret, kämmenet, reidet, sääret ja jalkaterät), jotka kukin jaetaan vielä eri kudoskerroksiin. Pää on kuvattu tässä mallissa pallona, ja muut kehon osat sylintereinä joiden kudoskerrokset sisältä ulospäin ovat luu-, lihas-, rasva- ja ihokudos. Ihmisen fysiologia (tässä yhteydessä kehon eri osien välinen lämmönsiirto) on mallinnettu kuvaamalla kehon osien välinen valtimo- ja laskimoverenkierto sekä kunkin kehon osan paikallinen kudosten hiusverisuonten verenkierto. Ihmismallin ja sisäympäristön välisessä lämmönsiirron arvioinnissa huomioidaan kehon eri osien (pää, kaula, ylä- ja alavartalo, olka- ja kyynärvarret, kämmenet, reidet, sääret ja jalkaterät) paikallinen konvektiivinen lämmönsiirto huoneilman kanssa sekä säteilylämmönsiirto tilan eri pintojen välillä. Lisäksi HTM-mallissa huomioidaan kehon eri osien kostea lämmönsiirto (ajavana voimana ihon ja huoneilman välinen vesihöyryn osapaine-ero). HTM:n Kuva 4. Ihmisen kehon anatomian (passive model) kuvaaminen 16 kehon osalla, jotka kukin on edelleen jaettu luu-, lihas-, rasva- ja ihokudokseen. antamana ensimmäisen vaiheen tuloksena saadaan kehon eri osien paikalliset pintalämpötilat sekä aivojen ja sisäelinten lämpötilat. Ihmismallin antamien paikallisten kudoslämpötilojen avulla arvioidaan toisessa vaiheessa kehon osille lämpöaistimus- ja lämpöviihtyvyysindeksit (Local Thermal Sensation ja Local Thermal Comfort) Zhang Huin [5] esittämällä menetelmällä. Kehon eri osien paikallisten indeksien avulla määritetään ihmisen lämpöaistimus- ja lämpöviihtyvyysindeksit (overall thermal sensation ja overall thermal comfort). Positiiviset lämpöaistimusindeksin arvot kuvaavat lämpimiä ja negatiiviset arvot kylmiksi aistittuja lämpöolosuhteita. Tilastollisen tyytymättömien suhteellisen osuuden arvioimiseksi voidaan käyttää esimerkiksi Fangerin menetelmän PPD -kaavaa (2) korvaamalla PMV-indeksi lämpöaistimusindeksillä. Tällä kaavalla arvioituna eri lämpöaistimusindeksien arvoilla seuraavat tyytymättömien suhteelliset osuudet on esitetty kuvassa 5, ja esimerkiksi lämpöaistimusindeksin arvolla 1,5 tyytymättömien suhteelliseksi osuudeksi saadaan 51 %. Kokonaisuutena HTM mahdollistaa yksinkertaistettuja menetelmiä merkittävästi luotettavampien ihmisen lämpöaistimusanalyysien tekemisen erilaisilla lämpö- ja virtausteknisillä reunaehdoilla. Tämän tekee mahdolliseksi ihmisen todelliseen anatomiaan ja fysiologiseen käyttäytymiseen sekä ympäröivän tilan kanssa tapahtuvaan fysikaaliseen vuorovaikutukseen perustuva mallinnus. Realististen lämpöolosuhteita kuvaavien indeksien määritys mahdollistaa jatkossa myös tilojen terveellisyyden ja työn tuottavuuden aikaisempaa luotettavamman estimoinnin. +4 erittäin kuuma (100 %) +3 kuuma (99 %) +2 lämmin (77 %) +1 hieman lämmin (26 %) 0 neutraali (5 %) 1 viileä (26 %) 2 hieman viileä (77 %) 3 kylmä (99 %) 4 erittäin kylmä (100 %) Kuva 5. Yleisesti käytetyn 7-portaisen lämpöaistimusindeksin (Thermal Sensation) skaalaus sekä suluissa tyytymättömien suhteellinen osuus Fangerin kaavalla (2) arvioituna. 109

6 Integroitu laskentaympäristö Human Thermal Model Anatomia (Passive Model) Fysiologia (Control Model) Kudosten lämpötilat Zhang Hui (2003) Tilamalli Lämmönsiirto Verkostovirtaus (neste/ilma) Building Information Model Lämpöaistimus- ja lämpöviihtyvyysindeksit Työn tuottavuus Kuva 6. Human Thermal Model (HTM): ihmisen lämpöviihtyvyyden arviointi integroidussa laskentaympäristössä. Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Tulokset ja tulosten hyödyntäminen Eri reunaehtojen vaikutus ja merkitys VTT:n kehittämän HTM-ihmismallin avulla on tehty erilaisia simulointeja kuvassa 2 esitettyjen ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavien sisäisten ja ulkoisten reunaehtojen vaikutuksen ja merkityksen arvioimiseksi. Näiden simulointien yhteenvetona voidaan todeta, että [6] operatiivisella lämpötilalla on huomattavasti suurempi vaikutus lämpöaistimukseen kuin sisäilman suhteellisella kosteudella ihmisen aktiivisuus (metabolia) yhdessä operatiivisen lämpötilan kanssa määrittelee selkeästi tason lämpöaistimusindeksille, ja vaatetuksen määrä skaalaa lopullisen lämpöaistimusindeksin arvon Lämpöaistimusindeksi 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2, Metabolia [] 1.6 operatiivinen lämpötila asettaa selkeät rajat metabolian ja vaatetuksen yhdistelmille, kun haetaan termisesti neutraaleja olosuhteita metabolian kasvattaminen yhdellä -yksiköllä nostaa lämpöaistimusindeksin arvoa 0,8 1,5 yksiköllä, ja tämä ilmiö voimistuu silloin kun vaatetuksen eristystaso kasvaa operatiivisen lämpötilan 1 C:n nousu kasvattaa lämpöaistimusindeksin arvoa keskimäärin 0,1 0,2 yksikköä 10 % lisäys suhteellisessa kosteudessa nostaa lämpöaistimusindeksin arvoa keskimäärin 0,015 yksikköä ilman virtausnopeuden 0,05 m/s:n kasvu nostaa lämpöaistimusindeksin arvoa keskimäärin 0,04 yksikköä C 20 C 18 C 28 C 26 C 24 C 0,5 1,0 0,0 0,5-0,5 0,0-1,0-0,5-1,5-1,0-2,0-1,5 Operatiivinen lämpötila [ C] Kuva 7. Metabolian ja operatiivisen lämpötilan vaikutus ihmisen lämpöaistimusindeksin arvoon (vaatetuksena shortsit 0,19 clo). 110

7 1,0 Lämpöaistimusindeksi 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5-2, Metabolia [] C 20 C 18 C 28 C 26 C 24 C 0,5 1,0 0,0 0,5-0,5 0,0-1,0-0,5-1,5-1,0-2,0-1,5 Operatiivinen lämpötila [ C] Kuva 8. Metabolian ja operatiivisen lämpötilan vaikutus ihmisen lämpöaistimusindeksin arvoon (kevyt vaatetus 0,47 clo). 1,0 Rakentajain kalenteri 2013 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Lämpöaistimusindeksi -0,5-1,0-1,5-2,0 Kuvissa 7, 8 ja 9 on esitetty metabolian ja operatiivisen lämpötilan yhteisvaikutuksia ihmisen lämpöaistimusindeksin arvoon erilaisilla vaatetuksilla. Tulokset osoittavat selkeästi, miten eri reunaehtojen vaikutuksia voidaan arvioida kehittyneillä lämpöolosuhteiden arviointimenetelmillä. Näiden analyysien avulla saadaan selkeitä numeerisia arvioita lämpöaistimuksista erilaisilla sisäisten (metabolia ja vaatetus) sekä ulkoisten (operatiivinen lämpötila, ilman liike ja suhteellinen kosteus) reunaehtojen yhdistelmillä. 0,5 0, Metabolia [] C 20 C 18 C 28 C 26 C 24 C 0,5 1,0 0,0 0,5-0,5 0,0-1,0-0,5-1,5-1,0-2,0-1,5 Operatiivinen lämpötila [ C] Kuva 9. Metabolian ja operatiivisen lämpötilan vaikutus ihmisen lämpöaistimusindeksin arvoon (normaali sisävaatetus 0,86 clo). Lämpöviihtyvyyden huomioiminen uudis- ja korjausrakentamisessa Sekä uudis- että korjausrakentamisen yksi selkeästi voimistumassa oleva kehityssuunta näyttää olevan energiatehokkuuden jatkuva korostuminen. Erityisesti uudisrakentamisessa energiatehokkuus tulee paranemaan merkittävästi, ja lämmitystehon tarpeiden on arvioitu pienenevän jo lähitulevaisuudessa kymmenillä prosenteilla vuosituhannen vaihteen määräystasoon verrattuna. Tämän takia tulevaisuuden energiatehokkaiden rakennusten lämmitys- ja mahdollisten jäähdytysratkaisujen suunnittelu- ja mitoitusperusteet on syytä varmistaa tilojen loppukäyttäjien lämpöviihtyvyyden 111

8 takaamiseksi. Esimerkiksi radiaattoreiden ja lattialämmitysjärjestelmien menoveden lämpötilatasojen sekä ilmanvaihdon sisäänpuhalluslämpötilojen sopivuus tulisi varmistaa erilaisilla ulkovaipan rakenneratkaisuilla ja eristystasoilla (erityisesti lasirakenteet). Korjausrakentamisessa vaihtoehtoisten energiatehokkuutta parantavien toimenpiteiden (esimerkiksi ikkunoiden vaihtaminen tai kunnostaminen, ulkovaipan lisäeristys, lämmitysjärjestelmän perusparantaminen tai uusiminen) välisissä vertailuissa tulisi jatkossa huomioida kunkin teknisen ratkaisuvaihtoehdon vaikutukset myös tilojen loppukäyttäjien lämpöviihtyvyyteen. Toinen varsin selkeä kiinteistöalan kehitystrendi näyttää olevan sisäolosuhteiden vaatimustason kasvu. Erilaisten sisäympäristöongelmien lisääntymisen myötä ihmisten yleinen tietoisuus sisäolosuhteista on parantumassa, ja useissa tutkimushankkeissa ollaan parhaillaan keräämässä uutta tietoa sisäolosuhteiden vaikutuksista tilojen loppukäyttäjien terveyteen ja työn tuottavuuteen. Lämpöolosuhteilla on siis sekä eettisiä että taloudellisia vaikutuksia koko yhteiskunnan tasolla, ja nämä näkökohdat tulisi huomioida rakennus- ja kiinteistösektorilla nykyistä paremmin. Yksi erityinen hyvien lämpöolosuhteiden suunnittelun, toteutuksen ja ylläpidon näkökulma on tilojen olosuhteiden tarpeen mukainen toteutus. Perinteisesti tilojen lämpötilatasot on suunniteltu ja mitoitettu yleisten sekä vakiintuneiden käytäntöjen mukaan, vaikka tilojen lämpöolosuhteiden tarpeissa esiintyy huomattavaa vaihtelua tiloissa tapahtuvista toiminnoista (päiväkoti, koulu, sairaala, vanhainkoti, toimisto, varasto, kauppa, jne.) riippuen. Näissä kaikissa erilaisissa rakennuskohteissa voidaan löytää kuhunkin tapaukseen parhaiten sopivat rakenne- ja talotekniset ratkaisut, kun eri tekijöiden vaikutuksia arvioidaan sellaisella menetelmällä, joka huomioi kaikki keskeiset lämpöolosuhteiden sisäiset ja ulkoiset reunaehdot. Yhteenveto Energiatehokas rakentaminen tulee asettamaan uusien rakenne- ja talotekniikkaratkaisujen käyttöönottoon uusia haasteita hyvien lämpöolosuhteiden saavuttamiseksi. Kun samaan aikaan sisäolosuhteiden vaatimustaso on nousemassa, tulee yksilöllisten lämpöolosuhteiden toteutus korostumaan rakennus- ja kiinteistöliiketoiminnassa jo lähitulevaisuudessa. Yksinkertaistetuilla lämpöolosuhteiden arviointimenetelmillä voidaan saavuttaa joissakin tapauksissa suuntaa antavia tuloksia, mutta uusia ja yksilöllisiä rakenne- ja talotekniikkaratkaisuja arvioitaessa on syytä käyttää sellaisia menetelmiä, jotka huomioivat riittävän hyvin kaikki keskeiset ihmisen lämpöaistimukseen vaikuttavat reunaehdot. Yksi tällainen ihmisen termisen aistimuksen arviointimalli (Human Thermal Model) on kehitetty VTT:llä. Lähteet [1] Lan, L, Wargocki, P, Lian, Z. Optimal Thermal Environment Improves Performance of Office Work. REHVA Journal (January 2012) [2] ISO Moderate Thermal Environments - Determination of the PMV and PPD Indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort, International Standard ISO 7730, International Organisation for Standardization. [3] Fanger, P O Thermal Comfort. McGraw- Hill, New York, USA. [4] Griefahn, B, Künemund, C, Gehring, U. The Impact of Draught Related to Air Velocity, Air Temperature and Workload. Applied Ergonomics 32 (2001) [5] Zhang, H Human Thermal Sensation and Comfort in Transient and Non-Uniform Thermal Environments. Doctoral Dissertation. University of California, Berkeley, USA. [6] Holopainen, R, Tuomaala, P, Piira, K. Significance of Both Internal and External Boundary Conditions on Human Thermal Sensation. Building Simulation Sydney, Australia, Nov