Lämpö. Rakennusfysiikkaa rakennusinsinöörille. Rafnet-oppimateriaalin teoriaosan osio L (Lämpö) Copyright Rafnet-ryhmä LUONNOSVERSIO 27.9.

Transkriptio

1 akennusfysiikkaa rakennusinsinöörille Lämpö afnet-oppimateriaalin teoriaosan osio L (Lämpö) Copyright afnet-ryhmä LUONNOSVESIO akennusteollisuuden koulutuskeskus ATEKO Etelä-Karjalan ammattikorkeakoulu Oulun ammattikorkeakoulu Seinäjoen ammattikorkeakoulu Tampereen ammattikorkeakoulu Turun ammattikorkeakoulu

2 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä (54) Alkusanat Tämä oppimateriaali on osa AFNET-projektin tuottamaa rakennusfysiikan oppimateriaalia, joka on suunnattu lähinnä ammattikorkeakoulujen rakennusinsinööriopiskelijoille ja jo alalla toimiville rakennusinsinööreille. Tavoitteena on antaa pohja rakenteiden rakennusfysikaaliseen suunnitteluun ja toimivaan rakenteiden toteutukseen. AFNET-oppimateriaali koostuu kirjallisesta teoriaosasta ja oheismateriaalista. Teoriaosa jakautuu kuuteen osioon: L Lämpö K Kosteus V Virtaukset A Akustiikka S Sisäilma akenteiden rakennusfysikaalinen toiminta ja suunnittelu M akennusfysikaaliset mittaukset Teoriaosan osioissa L, K, V ja A tarkastellaan eri rakenneosien rakennusfysikaalista toimintaa ja niihin liittyviä fysiikan perusilmiöitä. Apuna käytetään runsaasti kuvia ja laskentaesimerkkejä.. Sisäilma-osiossa annetaan perustieto rakennuksen sisäilmaan vaikuttavista tekijöistä ja sisäilmaston laatukriteereistä. akenteiden rakennusfysikaalinen toiminta ja suunnittelu- osiossa on esitetty eri rakenneosien lämpö-, kosteus-, virtaus-, ja äänitekninen toiminta ja perusteet rakennusfysikaaliselle suunnittelulle. akennusfysikaaliset mittaukset osiossa käydään läpi rakennusfysikaalisten mittausten pääperiaatteet ja tyypilliset mittalaitteet sekä mittausten suorittaminen ja tulosten tulkinta. Teoriaosan sisältö ja vaatimustaso on suunniteltu vastaamaan ympäristöministeriön Suomen akentamismääräyskokoelman vaativuusluokan A mukaista rakennusfysiikan oppimäärää (3 ov). Vaadittava laajuus saavutetaan teoriaosaan ja siihen liittyvään oheismateriaaliin pohjautuvilla harjoitustehtävillä. Oheismateriaali koostuu esimerkkilaskelmista, harjoitustyöesimerkeistä, kuvamateriaalista ja koetehtävistä. AFNET-materiaali on laadittu siten, että sitä voi käyttää myös verkkopohjaisten rakennusfysiikan kurssien ja opintojaksojen oppimateriaalina. Sitä voidaan soveltaa myös rakennusfysiikan täydennyskoulutuksessa. AFNET-materiaali ei ole varsinainen suunnitteluohje eikä määräyskokoelma. Se pyrkii auttamaan opiskelijaa ymmärtämään rakennusfysiikkaa ja soveltamaan sitä rakennusfysikaalisessa suunnittelussa ja rakenteiden toteutuksessa hyödyntäen Suomessa käytössä olevia rakennusfysiikkaan liittyviä määräyksiä ja ohjeita. Tässä lämpöosiossa tarkastellaan keskeisiä rakenteiden lämpötekniseen toimintaan liittyviä tekijöitä. Laskentaesimerkeissä rajoitutaan pitkälti jatkuvuustilatarkasteluihin ja niillä pyritään valaisemaan eri tekijöiden vaikutusta rakenteiden lämpötekniseen toimintaan. Osion on kirjoittanut Heikki Ylihärsilä. Osion lopussa esitetyt laskentaesimerkit on tuottanut Timo Lehtoviita ja Sanna Alitalo. Tekijät

3 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 3(54) SISÄLLYSLUETTELO Alkusanat... Merkinnät, tunnukset ja yksiköt... 4 L. Johdanto... 6 L. Peruskäsitteet... 8 L.3 Lämmön siirtymismuodot... L.3. Johtuminen, conduction... L.3. Säteily, radiation... 3 L.3.3 Konvektio, convection... 4 L.4. U-arvon määritys... 5 L.4. Yleistä... 5 L.4. U-arvon laskenta... 5 L.4.3 Kylmäsillat... 3 L.5 Lämmöneristyksen suunnittelu ja eristäminen /5/... 4 L.5. Lämmöneristyksen suunnittelu ja eristystyön suorittaminen... 4 L.5. Suojaaminen tuulelta ja ilmavirtauksilta... 5 L.5.3 Suojaaminen kosteudelta... 6 L.6 akennusaineiden lämmönjohtavuudet... 6 L.6. akennustuotteiden lämmönjohtavuuksien erilaiset valintamahdollisuudet... 6 L.6. Tyyppihyväksymättömien rakennustuotteiden lämmönjohtavuuksia... 6 L.7 Lämmönvastuksia ja lisäkonduktansseja /5/... 7 L.7. Pintavastukset... 7 L.7. Ilmakerroksen lämmönvastus... 7 L.7.3 Ohuen ainekerroksen lämmönvastus... 9 L.7.4 Maanvastaiset rakenteet L.7.5 Lisäkonduktansseja... 3 L.8 Ikkunan, oven ja tuuletusluukun U-arvo L.8. Ikkunan valoaukon lämmönläpäisykerroin U g L.8. Ikkunan kehän (karmi- ja puiteosan) lämmönläpäisykerroin U f L.8.3 Oven ja tuuletusluukun lämmönläpäisykerroin U D L.9 akennuksen vaipan lämmöneristys L.9. Olennainen vaatimus L.9. akennusosakohtaiset U-arvot L.9.3 Vaipan keskimääräinen lämmönläpäisykerroin, kompensaatioperiaate L.9.4 Lämmityksen nettoenergiantarve ja tilojen lämmitystehontarve... 4 L.9.5 Lämmöntalteenotto... 4 L.0 Kerroksellisen rakenteen lämpötilajakauma... 4 L. Laskentaesimerkit... 4 Kirjallisuutta:... 54

4 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 4(54) Merkinnät, tunnukset ja yksiköt Suure Tunnus Yksikkö Lämpö; Lämpömäärä (heat; quantity of heat) Q J Lämpövirta (heat flow rate) Φ W Lämpövirran tiheys (density of heat flow rate) q dφ / da W / m Lämmönjohtavuus (thermal conductivity) λ W / (mk) Keskimääräinen lämmönjohtavuus λ 0 W / (mk) Normaalinen lämmönjohtavuus λ n W / (mk) Lämmönvastus (thermal resistance) (m K) / W Sisäpuolinen pintavastus si (m K) / W Ulkopuolinen pintavastus se (m K) / W Kokonaislämmönvastus T (m K) / W Kokonaislämmönvastuksen ylälikiarvo T (m K) / W Kokonaislämmönvastuksen alalikiarvo T (m K) / W Lämmittämättömän tilan lämmönvastus u (m K) / W Lämmönläpäisykerroin U W / (m K) Pistemäinen lisäkonduktanssi X W / K Viivamainen lisäkonduktanssi Ψ W / (mk) Lämmönsiirtymiskerroin h W / (m K) Lämpökapasiteetti (heat capasity) C J / K Ominaislämpökapasiteetti (specific heat capasity)c J / (kgk) Ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa c p J / (kgk) Ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa c V J / (kgk) Termodynaaminen lämpötila T K Celsiuslämpötila t Paksuus d m Pituus l m Leveys b m Pinta-ala A m Tilavuus V m 3 Halkaisija D m Aika t s Massa m kg Tiheys ρ kg / m 3 o C

5 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 5(54) Alaindeksit sisäpuoli (interior) i ulkopuoli (exterior) e pinta (surface) s sisäpinta (interior surface) si ulkopinta (exterior surface) se johtuminen (conduction) cd konvektio (convection) cv säteily (radiation) r kosketus (contact) c kaasu (gas (air) space) g ympäristö (ambient) a

6 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 6(54) L. Johdanto Suomessa vuoden aikojen sisällä ilman lämpötilavaihtelut eri vuodenaikoina ovat erittäin selväpiirteisiä mutta epäsäännöllisiä. Lämpötilaan vaikuttaa ensisijassa auringon säteily, mutta myös monet paikalliset tekijät, kuten maanpinnan peitteen laatu, esimerkiksi lumi, ruoho tai hiekka, maaston muodot ja vesistöt, vaikuttavat alueen lämpötilaan. Kylmät tai lämpimät ilmavirtaukset aiheuttavat lisäksi lämpötilaan satunnaisia muutoksia, jotka varsinkin talvella saattavat olla suuria. Lämpöolot vaikuttavat myös rakentamiseen. Asuin-, liike- ja julkiset rakennukset on lämmöneristettävä. akennusten perustusten routasuojaustarpeen määrää mm. alueen suurin havaittu pakkasmäärä. akenteiden suunnittelussa ja mitoituksessa on muistettava lämpötilavaihteluista aiheutuvat rakennustarvikkeiden erilaiset lämpöliikkeet. akentamisen aikataulua suunniteltaessa otetaan huomioon myös vuodenajan lämpötilan aiheuttamat vaikutukset työn suoritukseen. /7/ Maankäyttö- ja rakennuslain mukaan (Suomen säädöskokoelma 3/999) rakentamiselle asetetaan seuraavat vaatimukset: 7 akentamiselle asetettavat vaatimukset akennuksen tulee soveltua rakennettuun ympäristöön ja maisemaan sekä täyttää kauneuden ja sopusuhtaisuuden vaatimukset. akennuksen tulee sen käyttötarkoituksen edellyttämällä tavalla täyttää rakenteiden lujuuden ja vakauden, paloturvallisuuden, hygienian, terveyden ja ympäristön, käyttöturvallisuuden, meluntorjunnan sekä energiatalouden ja lämmöneristyksen perusvaatimukset (olennaiset tekniset vaatimukset). akennuksen tulee olla tarkoitustaan vastaava, korjattavissa, huollettavissa ja muunneltavissa sekä, sen mukaan kuin rakennuksen käyttö edellyttää, soveltua myös sellaisten henkilöiden käyttöön, joiden kyky liikkua tai toimia on rajoittunut. Korjaus- ja muutostyössä tulee ottaa huomioon rakennuksen ominaisuudet ja erityispiirteet sekä rakennuksen soveltuvuus aiottuun käyttöön. Muutosten johdosta rakennuksen käyttäjien turvallisuus ei saa vaarantua eivätkä heidän terveydelliset olonsa heikentyä. akentamisessa tulee lisäksi muutoinkin noudattaa hyvää rakennustapaa. Maankäyttö- ja rakennusasetus (Suomen säädöskokoelma 895/999) täsmentää rakennuksen olennaiset vaatimukset seuraavasti: 50 akennuksen olennaiset tekniset vaatimukset akennus on suunniteltava ja rakennettava siten, että sen olennaiset tekniset vaatimukset täytetään ja voidaan tavanomaisella kunnossapidolla säilyttää rakennuksen suunnitellun käyttöiän ajan.

7 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 7(54) akennusta koskevat olennaiset tekniset vaatimukset ovat seuraavat: ) akenteiden lujuus ja vakaus. akennukseen rakentamisen ja käytön aikana kohdistuvat kuormitukset eivät saa aiheuttaa sortumista eivätkä lujuutta tai vakautta haittaavia muodonmuutoksia. Kuormitukset eivät myöskään saa vaurioittaa rakennuksen muita osia tai rakennukseen asennettuja laitteita tai kiinteitä varusteita. akenteisiin ulkoisesta syystä johtuva vaurio ei saa olla suhteeton sen aiheuttaneeseen tapahtumaan verrattuna. ) Paloturvallisuus. akennuksen kantavien rakenteiden tulee palon sattuessa kestää niille asetetun vähimmäisajan. Palon ja savun kehittymisen ja leviämisen rakennuksessa tulee olla rajoitettua. Myös palon leviämistä lähistöllä oleviin rakennuksiin tulee rajoittaa. akennuksessa olevien henkilöiden on voitava palon sattuessa päästä poistumaan rakennuksesta tai heidät on voitava pelastaa muulla tavoin. Myös pelastushenkilöstön turvallisuus on rakentamisessa otettava huomioon. 3) Hygienia, terveys ja ympäristö. akennuksesta ei saa aiheutua hygienian tai terveyden vaarantumista syistä, jotka liittyvät erityisesti myrkyllisiä kaasuja sisältäviin päästöihin, ilmassa oleviin vaarallisiin hiukkasiin tai kaasuihin, vaaralliseen säteilyyn, veden tai maapohjan saastumiseen tai myrkyttymiseen, jäteveden, savun taikka kiinteän tai nestemäisen jätteen puutteelliseen käsittelyyn taikka rakennuksen osien tai sisäpintojen kosteuteen. 4) Käyttöturvallisuus. akennuksen käyttöön ja huoltoon ei saa liittyä sellaista onnettomuuden uhkaa, kuten liukastumis-, putoamis-, törmäys-, palo-, sähkö- tai räjähdystapaturman vaaraa, jota ei voida pitää hyväksyttävänä. 5) Meluntorjunta. Melu, jolle rakennuksessa tai sen lähellä olevat altistuvat, tulee rajoittaa tasolle, joka ei vaaranna terveyttä ja antaa mahdollisuuden nukkua, levätä ja työskennellä hyväksyttävissä olosuhteissa. 6) Energiatalous ja lämmöneristys. akennuksen ja sen lämmitys-, jäähdytys- ja ilmanvaihtolaitteiden tulee ilmasto-olot ja rakennuksen käyttäjät huomioon ottaen olla sellaisia, että energiankulutustaso rakennusta ja mainittuja laitteita käytettäessä jää alhaiseksi. Edellä momentissa säädetyt vaatimukset koskevat yleisesti ennakoitavissa olevia kuormituksia ja vaikutuksia. akentamisen olennaisista teknisistä vaatimuksista talonrakentamisessa annetaan tarkempia säännöksiä Suomen rakentamismääräyskokoelmassa. akennuksessa harjoitettavan toiminnan ympäristönsuojelullisista edellytyksistä on voimassa, mitä niistä erikseen säädetään.

8 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 8(54) L. Peruskäsitteet akennusosa akennuksen merkittävä osa, kuten seinä, katto tai lattia. akennuskomponentti akennusosa tai sen osa. Lämmöneriste akennusaine tai tarvike, jota käytetään pääasiallisesti tai muun käyttötarkoituksen ohella olennaisesti lämmöneristystarkoitukseen. Lämmöneristys Yhdestä tai useammasta lämmöneristeestä rakennusosaan tehty eristekokonaisuus. Höyrynsulku akennusosassa oleva ainekerros, jonka pääasiallinen tehtävä on estää haitallinen vesihöyryn diffusoituminen lämpimältä puolelta kylmemmällä puolella olevaan rakenteen osaan. Tuulensuoja akennusosassa oleva ainekerros, jonka pääasiallinen tehtävä on estää haitallinen ilmavirtaus ulkopuolelta sisäpuoliseen rakenteen osaan ja takaisin. Ilmansulku akennusosassa oleva ainekerros, joka estää haitallisen ilmavirtauksen rakennusosan läpi puolelta toiselle. Kylmäsilta akennusosassa oleva, viereisiin aineisiin verrattuna hyvin lämpöä johtavasta aineesta tehty rakenneosa, jonka kohdalla lämpötilaeron vallitessa rakennusosan pintojen läpi kulkevan lämpövirran tiheys on jatkuvuustilassa viereiseen alueeseen verrattuna suurempi. Viivamainen kylmäsilta Kylmäsilta, jonka poikkileikkaus on rakenteen pinnan suuntaan jatkuvana samanlainen. Pistemäinen kylmäsilta Kylmäsilta, joka on rakenteessa paikallinen ja jolla ei ole rakenteen pinnan suunnassa jatkuvaa samanlaisena pysyvää poikkileikkausta. Jatkuvuustila (stationääritila) Jatkuvuustilassa olevaan systeemiin tuodaan ja sieltä poistuu vakiomäärä ainetta ja lämpöenergiaa samassa ajassa. Jatkuvuustilassa lämpötilat ja eri aineiden pitoisuudet ovat saavuttaneet tasapainotilan eivätkä muutu ajan kuluessa. Lämmönsiirtyminen Energian siirtyminen lämmönjohtumisen, -konvektion, -säteilyn tai näiden yhdistelmien muodossa.

9 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 9(54) Lämpövirta, Φ [W] Lämpömäärä, joka tuodaan tai joka poistuu systeemistä, jaettuna ajalla. dq Φ dt Lämpövirran tiheys, q [W/m ] Lämpövirta jaettuna pinta-alalla (pituudella). dφ q, (viivamainen lämpövirta da q l dφ [W/m] ) dl Lämmönjohtavuus, [W/(mK)] Lämmönjohtavuus ilmoittaa lämpövirran tiheyden jatkuvuustilassa (stationääritilassa) lämpötilan alenemissuuntaan aineen kohdassa, jossa lämpötilan muutos pituusyksikköä kohti (lämpötilagradientti) on yksikön suuruinen. Määritelmä perustuu lämmönjohtumisen yleiseen lausekkeeseen q λ grad T Keskimääräinen lämmönjohtavuus, λ 0 [W/(mK)] Keskimääräinen lämmönjohtavuus ilmoittaa aineen lämmönjohtavuuden yksittäisten mittaustulosten aritmeettisen keskiarvon, kun aine on ilmastoitu tasapainokosteuteen lämpötilassa 3 C ± C ja suhteellisessa kosteudessa 50 % ± 5 % ja koekappaleiden keskilämpötila mittauksissa on 0 C. Keskimääräinen lämmönjohtavuus voidaan ilmoittaa myös kuivatun aineen lämmönjohtavuuden mittaustulosten keskiarvona, jos aineeseen hygroskooppisesti sitoutuneen kosteuden muutokset haittaavat jatkuvuustilan saavuttamista lämmönjohtavuuden mittauksessa. Tällöin hygroskooppisen kosteuden merkitys ainekerroksen käytännön lämpövirtaan on arvioitava erikseen. Normaalinen lämmönjohtavuus, λ n [W/(mK)] (lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo) akennusaineen normaalisella lämmönjohtavuudella tarkoitetaan käytännön rakennustoiminnan laskelmissa käytettävää lämmönjohtavuuden laskenta-arvoa. Lämmönvastus, [(m K)/W] Ainekerroksen lämmönvastus ilmoittaa tasomaisen, tasapaksun ja tasa-aineisen ainekerroksen eri puolilla, eri lämpötiloissa olevien isotermisten pintojen lämpötilaeron ja ainekerroksen läpi kulkevan lämpövirran tiheyden suhteen, kun ainekerros on jatkuvuustilassa. T Ts s, q T s ja T s ovat tasomaisen ja tasapaksun ainekerroksen isotermisten pintojen ja lämpötilat (T s > T s ), K. Kun rakennusosan ainekerros on tasapaksu ja tasa-aineinen ja lämpö siirtyy ainekerrokseen nähden kohtisuoraan, lasketaan ainekerroksen lämmönvastus kaavasta

10 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 0(54) d. λ Sisä- ja ulkopuolinen pintavastus, si ja se [(m K)/W] Ilmoittaa rakennusosan pinnan ja sisä- tai ulkopuolisen ilmatilan välisen rajakerroksen lämmönvastuksen. Ti Tsi Tse Te si ja se q q T i ja T e pinnan lämpimällä ja kylmällä puolella olevan ympäristön lämpötila, jossa on otettu huomioon sekä konvektio- että säteilyreunaehdot, K T si ja T se lämpimällä ja kylmällä puolella olevan pinnan lämpötila, K q pinnan läpi kulkevan lämpövirran tiheys, W/m. Lämmönläpäisykerroin, U [W/(m K)] Lämmönläpäisykerroin ilmoittaa lämpövirran, joka jatkuvuustilassa (stationääritilassa) läpäisee pintayksikön suuruisen rakennusosan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla olevien ilmatilojen välillä on yksikön suuruinen. U ( T T ) A i Φ e Φ lämpövirta jatkuvuustilassa rakennusosan läpi, W A rakennusosan pinta-ala, m. Määritelmä pätee vain, jos rakennusosan pinnat lämpimällä ja kylmällä puolella ovat kohdakkain sekä yhtä suuret ja että sama lämpövirta kulkee kummankin pinnan läpi eikä lämpöä siirry sivusuunnassa rakennusosasta toiseen (adiabaattinen reunaehto). Keskimääräinen lämmönläpäisykerroin Keskimääräinen lämmönläpäisykerroin saadaan laskemalla yhteen lämmönläpäisykertoimillaan kerrotut vaipan osapintojen alat sekä jakamalla näin saatu luku koko vaipan alalla. Osapinta-alat lasketaan Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D5 mukaan. Pistemäinen lisäkonduktanssi, X [W/K] Pistemäinen lisäkonduktanssi ilmoittaa pistemäisestä kylmäsillasta (esim. terässide) aiheutuvan lisäyksen jatkuvuustilassa rakennusosan läpi kulkevaan lämpövirtaan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla olevien ympäristöjen välillä on yksikön suuruinen. Φ X T i T e Φ on kylmäsillasta jatkuvuustilassa aiheutuva lämpövirran lisäys verrattuna kylmäsillattomaan rakennusosaan, W. Viivamainen lisäkonduktanssi, Ψ [W/(mK)] Viivamainen lisäkonduktanssi ilmoittaa rakennusosassa olevan, pituusyksikön mittaisen viivamaisen kylmäsillan (esim. palkki) aiheuttaman lisäyksen jatkuvuustilassa rakennusosan läpi kulkevaan lämpövirtaan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla olevien ympäristöjen välillä on yksikön suuruinen. Φ Ψ l ( T i T e ) l on jatkuvan kylmäsillan pituus, m.

11 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä (54) Erityisen lämmin tila Erityisen lämmin tila on sellainen tila, jossa käyttötarkoituksesta johtuen sisälämpötila on jatkuvasti tai ajoittain korkea verrattuna tavanomaiseen lämpimään tilaan. Tällainen tila voi olla esimerkiksi saunan löylyhuone. Lämmin tila Lämmin tila on sellainen tila, jonka mitoittavaksi huonelämpötilaksi lämmityskaudella oleskelu tai muista syistä valitaan +7 o C tai sitä korkeampi lämpötila. Puolilämmin tila Puolilämmin tila on sellainen tila, joka ei ole tarkoitettu jatkuvaan oleskeluun pelkästään normaalia sisävaatetusta käyttäen. Tilan lämpötilana pidetään lämmityskaudella keskimäärin vähintään +5 o C mutta alle +7 o C tai tilan lämpötila olisi näissä rajoissa ilman tuotantoprosessin luovuttamaa lämpöä. Lämmöneristysvaatimusten suhteen puolilämpimiä tiloja voivat olla esimerkiksi talvella satunnaisesti lämmitettävät lomaasunnot. Jäähdytettävä kylmä tila Jäähdytettävä kylmä tila on sellainen tila, jossa jäähdytys- ja mahdollisen lämmitysjärjestelmän avulla ympärivuotisesti ylläpidetään käyttötarkoituksen mukaista alle 7 o C lämpötilaa. Tällaisia tiloja voivat olla esimerkiksi viileät kellari- ja varastotilat. Lämmittämätön tila Lämmittämätön tila on sellainen tila, jota ei ole tarkoitettu lämmityskaudella jatkuvaan oleskeluun ja jota ei ole tarkoituksellisesti lämmitetty. Lämmittämättömän tilan lämpötila seuraa lämmityskaudella yleensä ulkoilman lämpötilaa. Lämmöneristysvaatimukset eivät koske lämmittämätöntä tilaa eikä niitä oteta huomioon rakennuksen vaipan lämpöhäviöitä laskettaessa. Lämmittämättömiä tiloja ovat esimerkiksi lasitetut parvekkeet, ulkonevat kuistit, lämmittämättömät autotallit sekä rakennuksen yhteydessä olevat lämmittämättömät viherhuoneet. akennuksen vaippa akennuksen vaippaan sisältyvät ne rakennusosat, jotka erottavat lämpimän, puolilämpimän, erityisen lämpimän tai jäähdytettävän kylmän tilan ulkoilmasta, maaperästä tai lämmittämättömästä tilasta. Vaippaan eivät kuulu rakennuksen sisäiset erilaisia tiloja toisistaan erottavat rakennusosat Mitoittava lämpötila Mitoittavalla lämpötilalla tarkoitetaan niitä sisä- ja ulkoilman lämpötiloja, joiden perusteella rakennuksen lämmitys- ja jäähdytystehontarve on määritetty. akennuksen lämmityksen lämpöenergiantarve akennuksen lämmityksen lämpöenergiantarve on se lämpömäärä, joka rakennuksen lämmitysjärjestelmän tulee rakennuksen lämmitettäviin tiloihin luovuttaa, jotta vaaditut lämpöolosuhteet ylläpidetään.

12 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä (54) L.3 Lämmön siirtymismuodot Lämpö voi siirtyä johtumalla, säteilemällä tai konvektiona. L.3. Johtuminen, conduction Johtumisessa (konduktiossa) molekyylien liike-energiaa siirtyy molekyylistä toiseen. Siirtymisen vuoksi voidaan puhua lämmön virtauksesta. Lämpö pyrkii tasoittumaan väliaineessa eli virtaamaan lämpimästä kylmempään päin. Lämmön johtumista esiintyy kiinteissä aineissa ja nesteissä. Tasoittumisnopeus eli lämpövirta voidaan laskea kaavoista (L.3.) ja (L.3.). q cd Ts Ts Ts T λ d s lämpövirran tiheys yksidimensionaalisessa stationääritilassa, yksikerrosrakenne (L.3.) λ lämmönjohtavuus [W/(mK)] d ainepaksuus [m] T s ja T s tasomaisen ja tasapaksun ainekerroksen isotermisten pintojen ja lämpötilat (T s > T s ), [K tai o C]. d / λ materiaalin lämmönvastus [(m K)/W] q cd T s T T s lämpövirran tiheys yksidimensionaalisessa stationääritilassa, monikerrosrakenne (L.3.) T kokonaislämmönvastus Lämpömäärä, Esimerkki L.3.. Miten suuri lämpömäärä jatkuvuustilassa virtaa neliömetrin suuruisen ainekerroksen läpi tunnissa, jos ainekerroksen pintalämpötilat ovat + o C ja - 8 o C. Määritä lämpömäärä seuraaville ainekerroksille: Paksuus (mm) Materiaali λ n (W/(mK) 00,0 betoni,700 00,0 puu 0,40 00,0 min.villa 0,04 atkaisu: T si T si A Q λ n T se T se Q d x 0 x d K konduktanssi T si T se Q x

13 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 3(54) q T λ T λ x yksiulotteinen lämpövirta homogeenisessa, isotrooppisessa materiaalissa T(0) T si T(d) T se T(x) T si - x/d (T si -T se ) Lämpötila muuttuu suoraviivaisesti ainekerroksen läpi mentäessä. Sijoitetaan T(x) lämpövirran yhtälöön jolloin saadaan Tsi Tse q qx λ Φ q A d λn A Q Φ t d ( T T ) si se t K Kaavan mukaan lämpömäärä pysyy vakiona virratessaan ainekerroksen läpi. Q ( T T ) t si se Φ t Paksuus (mm) Materiaali λ n (W/(mK) K (W/K) Q (kj tunnissa) Q (kwh) 00,00 betoni,700 7,00 836,00 0,50 00,00 puu 0,40,40 5,0 0,04 00,00 min.villa 0,04 0,4 44,8 0,0 L.3. Säteily, radiation Säteilyssä (emissiossa) energiaa siirtyy sähkömagneettisen aaltoliikkeen välityksellä valon nopeudella. Kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, lähettävät eli emittoivat säteilyä. Eniten lämpösäteilyä emittoi musta kappale. akennustekniikassa säteilylämpö esiintyy lyhytaaltoisena auringonsäteilynä ja pitkäaaltoisena kappaleiden säteilemänä lämpönä. Säteilyn aallonpituudella on merkitystä mm. tarkasteltaessa ikkunan lämmönläpäisyä. Ikkunalasi läpäisee hyvin auringon lähettämän lyhytaaltoisen lämpösäteilyn mutta huonosti sisältä ulos pyrkivää pitkäaaltoista säteilyä (kasvihuoneilmiö). Ikkunarakenteissa lämpö siirtyy myös johtumalla ja konvektion avulla (kuva L.3.). Emissiviteetillä (ε) tarkoitetaan pinnan säteilytehon q r suhdetta mustan pinnan säteilytehoon q m. Mustan kappaleen kokonaissäteily on q m σ T 4 [ W/m 8 W σ 5, 67 0 [ 4 m K ] ] Stefan Boltzmannin säteilyvakio (L.3.3) Todellisten pintojen säteilyteho Q s on pienempi kuin mustan pinnan säteilyteho. akennusmateriaalien emissiviteetti on noin 0,8 0,95.

14 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 4(54) q r 4 ε qm ε σ T (L.3.4) Kun säteily osuu johonkin pintaan, se osittain heijastuu () ja osittain absorboituu (). Lasissa osa säteilystä menee pinnan läpi (). α + ρ + τ (L.3.5) Kuva L.3.. Lämmön siirtyminen ikkunassa. Useimmilla rakennusmateriaaleilla τ on noin nolla (poikkeus esim. lasi, jonka τ lyhytaaltoiselle säteilylle on noin yksi ja pitkäaaltoiselle säteilylle noin nolla). L.3.3 Konvektio, convection Konvektiossa (virtauksessa) lämpö siirtyy kaasun tai nesteen virtauksen mukana. Konvektio voi olla: - pakotettua (ilmanvaihto, tuuli yms.) - luonnollista (esim. paksussa eristetilassa) Pakotetussa konvektiossa kaasu tai neste liikkuu jonkin ulkopuolisen voiman vaikutuksesta. Luonnollisessa konvektiossa taas lämpötilaerojen aiheuttama tiheysero saa aikaan liikkeen. Lämpöä siirtyy lisäksi aineen olomuodon muutoksissa (sulamis- ja höyrystymislämpö) lämpötilan muuttumatta. Tätä lämmön muotoa kutsutaan latentiksi eli piileväksi. Lämpövirta Φ, joka virtaa ilman liikkumisessa voidaan laskea kaavasta (L.3.6). Φ c ρ T T ) V [W] (L.3.6) cv (

15 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 5(54) c ilman ominaislämpökapasiteetti [J/(kgK)] [(Ws)/(kgK)] ρ ilman tiheys [kg/m 3 ] T T lämpötilaero [K] V tilavuusvirta [m 3 /s] L.4. U-arvon määritys L.4. Yleistä Lämmönläpäisykerroin soveltuu rakennuskomponenttien ja -osien läpi kulkevan lämpövirran laskemiseen. Lämpövirta voidaan yleensä laskea seuraavista lämpötiloista: sisälämpötila. kuiva resultoiva lämpötila ulkolämpötila: ilman lämpötila. Esitettävä laskentamenetelmä soveltuu rakennuskomponenttien ja osien lämmönvastuksen ja lämmönläpäisykertoimen laskemiseen. Menetelmä soveltuu rakennuskomponentteihin ja osiin, jotka koostuvat lämpöteknisesti tasa-aineisista (homogeenisista) kerroksista, jotka voivat sisältää ilmavälejä. Tässä esitetään myös likimääräismenetelmä, jota voidaan soveltaa epähomogeenisiin ainekerroksiin. Tätä menetelmää ei voi soveltaa rakenteisiin, joissa metalliosa läpäisee lämmöneristekerroksen (/5/, /8/). L.4. U-arvon laskenta akennuskomponentin tai osan lämmönläpäisykerroin (U) lasketaan käyttäen rakennusaineille annettuja normaalisen lämmönjohtavuuden ( n ) arvoja. U-arvo lasketaan kaavan (L.4.) avulla U (L.4.) T T kokonaislämmönvastus (sisältäen pintavastukset) Lämmönläpäisykertoimeen tehdään tarvittaessa esim. kylmäsilloista johtuvat korjaukset. Jos kokonaiskorjaus on vähemmän kuin 3 % U:sta, korjauksia ei huomioida. U-arvon lopputulos pyöristetään kahteen merkitsevään numeroon. Lämpöteknisesti tasa-aineisista (homogeenisista), lämpövirtaan nähden kohtisuoraan olevista tasapaksuista ainekerroksista muodostuvan tasomaisen rakennusosan kokonaislämmönvastus lasketaan kaavasta (L.4.). T si g b q q se (L.4.) si sisäpuolinen pintavastus

16 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 6(54),, tasa-aineisen ainekerroksen,, lämmönvastus, jossa i d λ i (L.4.3) ni d, d, ainekerroksen,, paksuus metreinä, λ n, λ n, ainekerroksen,, normaalinen lämmönjohtavuus, g rakennusosassa olevan ilmakerroksen lämmönvastus, b maan lämmönvastus, q, q, ohuen ainekerroksen,, lämmönvastus, se ulkopuolinen pintavastus. Esimerkki L.4.. Tasapaksut, tasa-aineiset ainekerrokset. Määritä kuvan ulkoseinän U-arvo. Seinän pituus on 0 m ja korkeus,5 m. Pystysuora 30 mm:n tuulettuva ilmaväli on aikaansaatu jättämällä alimmassa tiilivarvissa joka kolmas pystysauma ilman laastia. Tiilimuuraus on sidottu betoniseinään ruostumattomilla 4 mm:n muuraussiteillä, 4 kpl/m. Tiili on normaalikokoinen kalkkihiekkatiili, saumat 5 mm kh.tiili+ ilmav. + min.villa + betoni

17 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 7(54) atkaisu: Onko ilmaväli hyvin vai lievästi tuulettuva? Pystysuoria rakoja on 0000,5 7,5cm 3 85 cm /,5m 5,6 m Koska rakoja on yli 5 cm /m, on ilmaväli hyvin tuulettuva. Ainekerros d [mm] λ n [W/(mK)] i [ (m K/W)] si 0,3 betoni 00,7 0,059 min.villa 50 0,04 3,659 tuulettuva ilmarako 30 kalkkihiekkatiili 30 0,95 se 0,3 Kaava T 3,9774 Kaava L.4. U / T 0,5 Muuraussiteistä johtuva pistemäinen lisäkonduktanssi X. X 4*0,005 W/K/m 0,006 W/K/m kokonaiskorjaus U:sta on,39 % Mikäli kokonaiskorjaus U:sta on alle 3 %, sitä ei tarvitse huomioida. Lopullinen U-arvo on 0,5 W / (m K) akennusosan ainekerrokset epätasa-aineiset (epähomogeeniset) Seuraavassa esitetty menetelmä on yksinkertaistettu. Tarkempi tulos saadaan käyttämällä numeerista menetelmää /3/. Kun rakennuskomponentti tai osa on epätasa-aineinen ja siinä on pintojen suuntaisessa tasossa rinnakkain alueita, joiden lämmönvastukset poikkeavat toisistaan, lasketaan kokonaislämmönvastukselle ensin ylä- ja alalikiarvot ( T ja T ) ja näiden avulla kaavassa (L.4.) käytettävä T arvo. akmk C4:n mukaan T -arvo on kokonaislämmönvastuksen alalikiarvo ja sen avulla voidaan laskea rakenteen U-arvo, mikäli rinnakkaisten ainekerrosten suuremman ja pienemmän lämmönjohtavuuden ero suhde on enintään 5. Lämmönvastuksen ylälikiarvo T Lämmönvastuksen ylälikiarvon laskemiseksi jaetaan komponentti kuvan L.4.a periaatteen mukaan osa-alueisiin, joissa ainekerrokset ovat tasapaksuja ja tasa-aineisia.

18 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 8(54) lämpövirta Kuva L.4.. Lämpöteknisesti epähomogeeninen komponentti jaettuna osa-alueisiin ja ainekerroksiin /5/. Kokonaislämmönvastuksen ylälikiarvo lasketaan olettaen, että lämpövirta on yksidimensionaalinen ja kohtisuoraan komponentin pintoja vastaan. Se lasketaan osaalueittain (kuva L.4.a) kaavasta (L.4.4). ' T f a b Ta f Tb f a, f b, f n Ta, Tb, Tn f + n Tn (L.4.4) osa-alueen a, b, n suhteellinen pinta-alaosuus komponentin koko pinta-alasta osa-alueen a, b, n kokonaislämmönvastus sisältäen pintavastukset, laskettuna kaavalla (L.4.) Lämmönvastuksen alalikiarvo T Lämmönvastuksen alalikiarvon laskemiseksi jaetaan komponentti sen pintojen suunnassa tasapaksuihin ainekerroksiin kuvan L.4.b periaatteen mukaisesti. Ainekerrokset voivat olla joko tasa-aineisia tai niissä on rinnakkain lämmönvastukseltaan erilaisia alueita. Kaikkien rakenteen sisä- ja ulkopintojen kanssa yhdensuuntaisten tasojen oletetaan olevan isotermisiä tasoja eli lämpövirran kulkusuuntaa vastaan olevien materiaalien kerrosrajojen tasolla lämpötila on aina sama myös yhtenäisten materiaalikerrosten kohdalla. Alalikiarvo lasketaan kaavan (L.4.5) avulla T '' si n + se (L.4.5) + si sisäpuolinen pintavastus

19 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 9(54),, n Σ se epätasa-aineisen ainekerroksen,, n lämmönvastus tasa-aineisten ainekerrosten, koko rakennuskomponentin alan peittävän ilmakerroksen, ohuen ainekerroksen ja maan lämmönvastuksen summa ulkopuolinen pintavastus Epätasa-aineisen ainekerroksen lämmönvastus Epätasa-aineisen ainekerroksen j lämmönvastus j lasketaan kaavan (L.4.6) avulla. j f a b ja f jb f + n jn (L.4.6) f a, f b, f n ja, jb, jn epätasa-aineisessa ainekerroksessa j olevan tasa-aineisen osa-alueen a, b, n suhteellinen pinta-alaosuus ainekerroksen kokonaispinta-alasta epätasa-aineisessa kerroksessa j olevan tasa-aineisen osa- alueen a, b, n lämmönvastus, jossa ja d j, λ nja jb d j jne. λ njb Epätasa-aineisessa ainekerroksessa j voi jollakin osa-alueella A j olla tuulettumaton tai lievästi tuulettuva ilmaväli, jonka lämmönvastus j, tai muu rakenne, jonka lämmönvastus tunnetaan, mutta sen arvoa ei voida laskea paksuuden d j eikä lämmönjohtavuuden λ nj avulla. Tällöin kaavassa (L.4.6) käytetään kerroksen j osa-alueen A j kohdalla lämmönvastuksena tunnettua lämmönvastusta j. Samalla on otettava huomioon tuulettuvan ilmavälin ulkopuolista lämmöneristystä koskevat rajoitukset /5/. Epätasa-aineisia ainekerroksia sisältävän rakennusosan kokonaislämmönvastus T T T ' + T '' (L.4.7) Kaavan (L.4.7) soveltamisesta aiheutuva kokonaislämmönvastuksen menetelmävirheen enimmäisarvo (e m ) lasketaan kaavan (L.4.8) avulla. T ' T '' e m 00 [% ] (L.4.8) T Kokonaislämmönvastuksen enimmäisvirhearvoa tarvitaan kylmäsiltojen tarkastelussa. Jos ylä- ja alalikiarvon suhde on,5 on virheen enimmäisarvo 0 %.

20 afnet-oppimateriaali, teoriaosan osio L (lämpö), afnet-ryhmä 0(54) Esimerkki L.4.. Epätasa-aineiset ainekerrokset. Määritä kuvan ulkoseinän U-arvo akenteet sisältä ulospäin:. Kipsilevy 3 mm. Höyrynsulku, muovik. 0, mm 3. Pystykoolaus 5 x 50 + min.villa 5 mm 4. Vaakakoolaus 50 x 50 k min.villa 50 mm 5. Tuulensuoja, bituliitti mm 6. Pystylauta x 00 k 600, varmistaa tuuletusvälin ilmankierron 7. Vaakalauta, kiinnityslauta 5 x 00 k Sahattu pystylomalauta x 5