AVOTOIMISTON ILMASTOINNIN SUUNNITTELUNÄKÖKOHTIA

Transkriptio

1 Sisäilmastoseminaari AVOTOIMISTON ILMASTOINNIN SUUNNITTELUNÄKÖKOHTIA Esa Sandberg 1, Hannu Koskela 2 1 Satakunnan ammattikorkeakoulu, Pori 2 Työterveyslaitos, Turku TIIVISTELMÄ Avotoimistojen tilatehokkuuden ja sen seurauksena lämpökuormien kasvun on monissa tapauksissa havaittu heikentävän lämpöoloja lämpötilan nousun tai jäähdytyksen aiheuttaman huoneilman nopeuksien lisääntymisen muodossa. Toisaalta uusien energiatehokkuusvaatimusten takia tavoitteeksi myös avotoimistoissa tullee tarpeenmukaisen ilmanvaihdon toteuttaminen. TOTI-hankkeen tuloksien pohjalta tässä esityksessä tarkastellaan avotoimistojen ilmanvaihdon ilmavirran mitoitusta ja ilmavirran tarpeenmukaista säätöä käyttöaikana ja käyttöajan ulkopuolella, optimaalisen huonelämpötilan tavoitteen saavuttamista eri vuodenaikoina sekä lämpötilan ohjausta säätövyöhykkeittäin. Tarkastelun tuloksena esitetään näkökohtia avotoimistojen ilmastoinnin suunnitteluun. JOHDANTO Avotoimistojen rakentaminen toimitiloihin on yhä yleisempää, koska tavoitellaan suurempaa tilatehokkuutta ja useissa tapauksissa myös työntekijöiden keskinäisen yhteistyön lisäämistä. Tilatehokkuuden ja sen seurauksena lämpökuormien kasvun on monissa tapauksissa havaittu heikentävän lämpöoloja lämpötilan nousun tai jäähdytyksen aiheuttaman huoneilman nopeuksien lisääntymisen muodossa. Toisaalta uusien energiatehokkuusvaatimusten takia tavoitteeksi myös avotoimistoissa tullee myös tarpeenmukaisen ilmanvaihdon toteuttaminen, joka osaltaan aiheuttaa suunnitteluun haasteita. TOTI-hankkeessa /1/ tutkittiin perusteellisesti koettua sisäympäristöä sekä avotoimistolaboratoriossa että kenttäkohteissa ja niiden perusteella laadittiin sisäympäristön suunnitteluohjeet /2/, jotka käsittävät mm. tilojen, ääniympäristön, ilmastoinnin ja valaistuksen suunnittelua. TAVOITTEET JA MENETELMÄT Tämän artikkelin tavoitteena on esittää suunnitteluohjeen pohjalta näkökohtia avotoimistojen ilmanvaihdon ilmavirran mitoitukseen ja ilmavirran tarpeenmukaiseen säätöön käyttöaikana ja käyttöajan ulkopuolella, optimaalisen huonelämpötilan tavoitteen saavuttamista eri vuodenaikoina sekä lämpötilan ohjausta säätövyöhykkeittäin.

2 86 Sisäilmayhdistys raportti 31 Lähtökohtana on Sisäilmaluokituksen 2008 /3/ lähinnä S2-luokan eli hyvän sisäilmaston saavuttaminen. Avotoimistossa luokkaa S1 ei voida pitää tavoitteena yksilöllisen säädettävyyden osalta, koska se on nykytekniikalla mahdollinen vain yhden henkilön huoneissa. Sisäilmaston tavoitteiden saavutettavuutta tutkitaan tarkastelemalla tilatehokkuuden, ilmastointijärjestelmän, ilmanjakomenetelmän, lämpökuormituksen ja säätömenetelmän vaikutusta sekä hyödyntämällä TOTI-hankkeen laboratorio- ja kenttämittauksissa saatuja kokemuksia. Tarkastelussa sivutaan energiatehokkuutta, joka luodaan koko rakennuksen ja ilmastointilaitoksen muulla hyvällä suunnittelulla ja käytöllä. Energiatehokkuustavoitteet eivät saa mennä sisäilmastotavoitteiden edelle. TULOKSET Tarkastelun tulokset esitetään järjestyksessä ilman laatu, lämpöolot, ilmastointijärjestelmät, ilmanjako, säätö ja rakennusautomaatio. Ilman laatu Ilman laadun tavoitearvot ihmisperäiselle hiilidioksidipitoisuudelle, joka siis toimii indikaaattorina kaikille ihmisperäisille epäpuhtauksille, ovat luokassa S2 <900 ppm (pysyvyys 90%) ja luokassa S1 <750 ppm (pysyvyys 95%). Kuvassa 1 on havainnollistettu, miten ilmavirta määrittyy eri tilatehokkuuksilla m 2 /hlö. Rakentamismääräysten osan D2 /4/ minimi ohjearvo on 1.5 l/s/m 2, jolla saavutetaan sisäilmastoluokka S1 tilatehokkuudella 10 m 2 /hlö ja S2 tilatehokkuudella 7 m 2 /hlö. Näitä pienemmillä tilatehokkuuksilla tarvitaan ulkoilmaa yli 1,5 l/s/m 2 ja ilmavirran tarve määräytyy henkilöperustaisesti l/s/hlö. Neuvotteluhuoneen ilmavirtojen pitää olla vähintään 4 l/s/m 2. Materiaaleista peräisin olevien epäpuhtauksien poistamiseksi (M1-luokkaa) edellisissä ohjearvoissa on laskettu ilmavirran tarpeeksi 0,5 l/s/m 2, joka asettaa siis alarajan tarpeenmukaiselle ilmavirralle käyttöaikana, vaikka ihmisiä olisi hyvin vähän paikalla. Käyttöajan ulkopuolella ilmavirran tarve on Sisäilmaluokituksen mukaan 0.2 l/s/m 2. 1 l/s m2 0.5 l/s m2 Kuva 1 Ilmavirran määritys tilatehokkuuden perusteella./2/ Esimerkit, minimi-ilmavirran mitoitus on aina oltava D2 mukaan vähintään 1,5 l/s m 2 : 1. Tilatehokkuus 11 m 2 /hlö, ilmavirta 1,5 l/s m 2, jolloin ilmavirta on 16,5 l/s hlö ja saavutetaan sisäilmastoluokka S1 2. Tilatehokkuus 9,5 m 2 /hlö, ilmavirta 1,5 l/s m 2, jolloin ilmavirta on 14,5 l/s hlö ja saavutetaan sisäilmastoluokka S2 3. Tilatehokkuus 6,5 m 2 /hlö, haluttu sisäilmastoluokka S1, jolloin ilmavirran oltava 13 l/s hlö, joka merkitsee ilmavirtaa 2 l/s m 2 4. Tarpeenmukaista ohjausta käytettäessä ilmavirta 1 l/s m 2 riittää saavuttamaan sisäilmastoluokan S2 tilatehokkuudella 14 m 2 /hlö

3 Sisäilmastoseminaari Lämpöolot Lämpöolojen ohjearvot ja vaatimukset koskevat oleskeluvyöhykkeen arvoja. Huomattavan suuret ikkunapinnat vaikeuttavat yleensä lämpöolojen hallintaa ja tällöin tulee tarkastella myös operatiivista lämpötilaa, joka ottaa huomioon myös säteilyn vaikutuksen. Ihminen säteilee lämpöä kylmään ikkunaan ja lämmin ikkuna ihmiseen. Jos huonepinnat ja huoneilma ovat samassa lämpötilassa, operatiivinen lämpötila on yhtä suuri kuin huoneilman lämpötila. Pinnat vaikuttavat operatiivista lämpötilaa nostavasti (lämpimät pinnat) tai laskevasti (viileät pinnat). Tämä voidaan laskea esim. TTL:n laskurilla /5/. Lämpöolot ja lämpökuormitus tuleekin tarkastella erikseen eri ilmansuuntien ulkovyöhykkeillä, joiden leveys on tapauksesta riippuen yleensä 4 8 m ulkoseinästä ja sisävyöhykkeellä. Sisävyöhykkeen kuormitus on suunnilleen samanlainen kesällä ja talvella, koska sinne ei tule aurinkokuormaa, poikkeuksena, että katto on vesikatto ja lattia maanvarainen tai ulkotilaa vasten. Operatiiviselle lämpötilalle annetaan sisäilmastoluokissa S2 ja S1 oheisen kaavion mukaiset ohjearvot ulkolämpötilasta riippuen. Kuvassa t opt on optimaalinen lämpötila, joka vastaa 95 % tyytyväisyyttä, talvella 21.5 o C ja kesällä 24.5 o C. Avotoimistoissa ilmastointijärjestelmän suunnittelun yhteydessä on tärkeätä huomata huoneilman säätöarvon muuttuminen ulkoilmaolojen mukaan, tarkemmin kohdassa Säätö ja rakennusautomaatio. Optimaalinen lämpötila riippuu myös vaatetuksesta ja suhteellisesta kosteudesta ISO-7730 mukaan /6/. Ohjearvot perustuvat toimistotyölle oletettuihin fyysisen aktiviteetin sekä kesä- ja talviolosuhteita vastaavan vaatetuksen lämmöneristävyyden arvoihin (1.2 met, 0.5/1.0 clo). Todellisen aktiviteetin tai vaatetuksen poiketessa näistä oletuksista on myös optimilämpötila erilainen. Myös ilman suhteellinen kosteus vaikuttaa optimilämpötilaan, korkea kosteus alentaa ja alhainen kosteus nostaa optimilämpötilaa. Ohjearvoissa käytetään oletuksena suhteellista kosteutta 50 %. Kuivassa talvi-ilmassa optimilämpötila on noin yhden asteen korkeampi. Kulloistakin työtä, vaatetusta ja kosteutta vastaava optimilämpötila voidaan laskea esim. TTL:n laskurin avulla tai arvioida ISO-7730 standardin kaavioiden avulla. Kuva 2 Operatiivinen lämpötila eri ulkolämpötiloilla /3/ Lämpöolojen mitoitukseen vaikuttavat ulkoilmaolosuhteet, rakenteet (ulko- ja sisäseinät, ylä- ja alapohjat, ikkunat), aurinkokuorma sekä sisäiset lämpökuormat, joita syntyy ihmisistä, valaistuksesta ja laitteista, kuten tietokoneista, kopiokoneista, dataprojektoreista jne. Tärkeimpiä kuormitustekijöitä sisäilman lämpöolojen kannalta ovat aurinkokuorma ja

4 88 Sisäilmayhdistys raportti 31 sisäiset kuormat. Vaikka energiatehokkuusvaatimukset rakenteille (U-arvot, tiiviys jne) uudiskohteissa ovat korkeat, tulee talvella ikkunoiden aiheuttamaan konvektiovirtaukseen ja säteilyyn kiinnittää huomiota, yleensä alapuolelle tarvitaan lämmitystä. Ikkunoiden aurinkosuojaus on kesäajan lämpöolojen ratkaiseva tekijä. Ikkuna- ja aurinkosuojausvalinnoilla voidaan aurinkokuorman aiheuttamaa jäähdytystarvetta vähentää ulkoseinävyöhykkeellä arvoon W/lattia-m 2, mutta se voi olla jopa W/lattiam 2. Ihmisten aiheuttama lämpökuorma 75 W/hlö (tuntuva teho) aiheuttaa avotoimistossa lämpökuorman 6 10 W/m 2. Valaistuksen aiheuttama kuorma on luokkaa W/m 2 sekä laitekuorma W/m 2, jolloin kokonaiskuormaksi tulee W/m 2 sisävyöhykkeillä ja W/m 2 ulkovyöhykkeillä. Kuormitus tulee siis laskea huolella tarpeiden mukaan. Myös yöjäähdytyksen, siis käyttöajan ulkopuolisella käytöllä voidaan pienentää huomattavasti ilmastointilaitoksen mitoitusta. Ilman liikkeen tavoitearvot ovat sisäilman lämpötilasta riippuvia siten, että korkeammassa lämpötilassa sallitaan suuremmat nopeudet kuin alhaisemmassa. Luokassa S2 maksiminopeus 0.25 m/s (kesä +25 o C) ja 0.17 m/s (talvi +21 o C). Useinkaan tilan ilmanjaon ominaisuudet eivät noudata kyseistä riippuvuutta ilman lämpötilasta, vaan näiden mitoitus tulee tarkistaa eri olosuhteissa eri vuodenaikoina. Ilman suhteelliselle kosteudelle ei sisäilmaluokituksessa ole erityisiä ohjearvoja. Kesällä tuloilmakoneessa ilmaa pitää kuivata riittävästi, jotta esim. ilma/vesijärjestelmissä jäähdytyspinnoille ei synny kondensointia. Talvella huoneilman kosteus on luonnostaan hyvin alhainen, mutta varustamalla keskuskone hygroskooppisella regeneraattorilla, voidaan poistoilman kosteudesta osa siirtää tuloilmaan ja siten nostaa sisäilman kosteutta energiatehokkaasti. Ilmastointijärjestelmät Avotoimistoissa käytetään joko ilmajärjestelmää tai ilma/vesijärjestelmää. Ilmajärjestelmistä tavallisin on ilmavirtasäätöinen järjestelmä (VAV, IVS, IMS, kaikki tarkoittavat samaa). Ilma/vesijärjestelmistä yleisin on jäähdytyspalkkijärjestelmä, mutta myös jäähdytyskatto-, puhallinkonvektori- ja suutinkonvektorijärjestelmiä käytetään. Ilmajärjestelmässä jäähdytetään pelkästään tuloilmalla ja maksimi-ilmavirta mitoitetaan jäähdytystarpeen mukaan kesäajan mitoitusolosuhteissa, jolloin erillisiä huoneilman jäähdytyslaitteita ei tarvita. Jäähdytystehoa ja/tai ilmanvaihdon määrää säädetään ilmavirtaa säätämällä. Järjestelmällä pystytään jäähdyttämään ulkoilmalla pidempään ilman koneellista jäähdytystä, mutta kanavat ja koneet on mitoitettava suuremmiksi kuin ilma/vesijärjestelmillä. Järjestelmä on ollut paljon käytetty 1980-luvulla ja yleistynee uudelleen jatkossa, kun tilojen sisäisiä ja ulkoisia lämpökuormia pystytään pienentämään. Ilma-vesijärjestelmistä jäähdytyspalkkijärjestelmä on ollut suosituin järjestelmä luvulta lähtien, kun lämpökuormat kasvoivat tietokoneiden yleistymisen vuoksi. Järjestelmällä voidaan avotoimiston ilmavirta mitoittaa ilmanvaihdon ohjeiden mukaan. Järjestelmä vaatii jäähdytysvesiverkoston ja tuloilma tehokkaan kuivauksen kondensoitumisen estämiseksi viileille pinnoille. Puhallin- ja suutinkonvektorijärjestelmät ovat mitoitusperiaatteiltaan samanlaisia, mutta tulevat kysymykseen lähinnä ulkovyöhykkeellä.

5 Sisäilmastoseminaari Ilmanjakomenetelmät Päätelaitteet, tulo- ja poistoilmalaitteet, ovat ilmastointilaitoksen osista lähimpänä avotoimistossa työskenteleviä henkilöitä. Tuloilmalaitteet ovat selvästi merkityksellisempiä sisäilman lämpöolojen kannalta, koska tuloilmasuihkuilla vaikutetaan huonevirtauksiin. Sekoittavalla ilmanjaolla pyritään siihen, että tuloilmasuihkut hallitsevat huonevirtauksia. Suuret lämpökuormat, kuten aurinkokuorma tai merkittävä laitekuorma, kuitenkin saattavat dominoida virtauksia ja aiheuttaa kiertovirtauksia, joissa ilman liikenopeudet kasvavat huomattavasti. Avotoimiston sermien alareunan tulee olla enintään 5 10 cm lattiasta, jotta kiertovirtausta voidaan estää /7/. Sekoittavalla ilmanjakomenetelmällä pyritään yleensä puhaltamaan ilmasuihku pitkin kattopintaa, jotta se ei putoa oleskeluvyöhykkeelle liian aikaisin. Tuloilma voi olla noin 8 10 astetta alilämpöistä huoneilmaan nähden. Suihkun virtauksen tulee edetä esteettömästi, mihin tulee kiinnittää huomiota. Kun ilmanvaihdon ilmavirtaa ohjataan tarpeenmukaisesti, ilmanjaon vedottomuus pitää toteutua pienemmilläkin ilmavirroilla eri käyttötilanteissa. Tämä vältetään käyttämällä aktiivisia tuloilmalaitteita, joissa heittopituus pidetään suunnilleen vakiona ilmavirran muutoksista huolimatta. Piennopeusilmanjaolla (syrjäytysilmanjako) tuloilma puhalletaan läheltä lattiaa alhaisella nopeudella, jolloin myös tuloilman alilämpöisyyden tulee olla pieni, noin 2 3 astetta. Matalissa tiloissa, joissa konvektiovirtaukset ovat heikkoja, ilmanjakomenetelmä ei ole erityisen käyttökelpoinen, koska riittävää lämpötilakerrostumista ei voida saavuttaa. Säätö ja rakennusautomaatio Avotoimiston lämpötilan säätö pyritään suunnittelemaan vyöhykekohtaisesti siten, että kuormitukseltaan eriarvoiset vyöhykkeet ovat eri säätöpiirissä, kuten esim. ulkovyöhyke ja sisävyöhyke. Kullakin vyöhykkeellä on yhteinen anturi, jonka mittauksen perusteella lämpötilaa säädetään. Vyöhyke tulee valita sopivan kokoiseksi pinta-alaltaan. Jos alue on liian suuri, kuormituserot saattavat aiheuttaa vyöhykkeen sisällä eroja. Jos alue on liian pieni, vierekkäiset vyöhykkeet saattavat vaikuttaa toisiinsa. Kun päätelaitteita voidaan liittää helposti eri anturien ohjaamiksi, saavutetaan muuntojoustavuutta. Tällöin myös muutokset yksittäiseksi huoneiksi ja päinvastoin ovat ilmastoinnin säädön osalta helppoja. Huonelämpötilan säädön asettelu tulisi suorittaa keskusvalvonnassa, jotta tilan käyttäjät eivät tee asetusarvomuutoksia siten, että eri vyöhykkeet vaikuttavat toisiinsa. Tämä etenkin siksi, kun halutaan noudattaa optimilämpötilan ohjearvoja ulkolämpötilasta riippuvana. Yksittäisissä huoneissa toki henkilökohtainen säätö mahdollistetaan. Ulkovyöhykkeen lämmityksen säädön tulisi olla energiatehokkuussyistä sarjassa jäähdytyksen kanssa, mutta tarvittaessa, jos ikkunavetoa havaitaan, lämmitys voi toimia osittain päällekkäin jäähdytyksen kanssa. Tuloilmakoneen tuloilman lämpötilan asettelussa tulee ottaa huomioon eri vyöhykkeiden (ja neuvottelutilojen) tarpeet eri vuodenaikoina. Tarvittaessa on käytettävä kanavapattereita paikalliseen tuloilman lämpötilan hallintaan. Valvontaa varten lämpötila-antureita tulee suunnitella riittävästi vyöhykkeisiin. Niitä voidaan myös ottaa säätökäyttöön muuntojoustavuuden saavuttamiseksi.

6 90 Sisäilmayhdistys raportti 31 YHTEENVETO JA POHDINTA Tämän esityksen tuloksissa on käsitelty avotoimistojen hyvän sisäilmaston saavutettavuutta tarkastelemalla ilman laatua, lämpöoloja, ilmastointijärjestelmiä, ilmanjakoa sekä säätöä ja rakennusautomaatiota. Ilman laadun todettiin luokan S2 toteutuvan rakentamismääräysten mukaisilla ilmavirroilla tilatehokkuuteen 7 m 2 /hlö asti. Lämpöolojen osalta huomiota tulee kiinnittää optimilämpötilan saavuttamiseen erikseen sisä- ja ulkovyöhykkeellä eri vuodenaikoina ja eri kuormitustilanteissa ja siten muodostaa säätövyöhykkeet. Lämpötilan ohjaus toteutetaan kollektiivisesti tavoitellen optimilämpötilaa rakennusautomaation kautta siten, etteivät yksittäiset henkilöt pääse muuttamaan asetusarvoja ja aiheuttamaan vierekkäisten vyöhykkeiden säädön ristiriitaisuutta. Tarpeenmukainen ilmanvaihdon ohjaus lisää energiatehokkuutta, mutta asettaa erityisvaatimuksia ilmanjaolle. Rakennusaikainen toteutus ja etenkin tilojen ja ilmastointilaitoksen käyttö ja huolto merkitsevät lopputuloksessa eli käytön aikaisissa lämpöoloissa ja sisäilman laadussa vähintään yhtä paljon kuin suunnittelu. Vastaanottotarkastus ja siihen liittyvä koekäyttö sekä vastaanottomittaukset tulee suorittaa ajoissa ja huolella, koska keskeneräinen ilmastointilaitos epäkohtineen muistetaan pitkään ja se joutuu usein erityistarkkailuun. Käyttö on ehkä merkityksellisin osa toteutunutta ja koettua sisäilmastoa. Ilman laadun ja lämpöolojen seuranta, asetusarvojen tarkistaminen, suodattimien vaihto, laitteiden puhtauden valvonta, avotoimistossa työskentelevien henkilöiden kuuleminen ja epäkohtiin puuttuminen jne. ovat käytön tärkeimpiä asioita. LÄHDELUETTELO 1. Valtteri Hongisto, Annu Haapakangas, Hannu Koskela, Jukka Keränen, Henna Maula, Riikka Helenius, Suvi Nenonen, Ursula Hyrkkänen, Heidi Rasila, Esa Sandberg ja Jukka Hyönä: Käyttäjälähtöiset toimistotilat, tilaratkaisut, sisäympäristö ja tuottavuus. TOTI-hankkeen loppuraportti. Työterveyslaitos Helsinki Nenonen Suvi, Hyrkkänen Ursula, Rasila Heidi, Hongisto Valtteri, Koskela Hannu, Sandberg Esa: Monitilatoimisto, ohjeita käyttöön ja suunnitteluun. Työterveyslaitos Sisäilmastoluokitus Sisäympäristön tavoitearvot, suunnitteluohjeet ja tuotevaatimukset. Sisäilmayhdistys ry, Rakennustietosäätiö RTS, Asunto-, toimitila- ja rakennuttajaliitto RAKLI, Suomen Arkkitehtiliitto SAFA, Suunnittelu- ja konsulttitoimistojen liitto SKOL. Helsinki, RakMK osa D2 (2012), Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto, määräykset ja ohjeet 5. Sisäympäristön verkkotyökalut, lämpöoloindeksien laskenta. Työterveyslaitos. Viitattu ISO Ergonomics of the thermal environment - Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria Koskela H, Haapakangas A, Hongisto V, Häggblom H, Koskinen V, Heinonen J, Järvenpää M, Sandberg E: Avotoimiston ilmastointi, lämpöolot ja ilman laatu Totikenttäkohteissa. Sisäilmastoseminaari 2012, Espoo Sisäilmayhdistys raportti 30, Espoo, 2012.