Rakennusfysiikkaohjelmat rakenteiden toiminnan analysoinnissa

Transkriptio

1 Rakennusfysiikkaohjelmat rakenteiden toiminnan analysoinnissa Jukka Huttunen Rakennusfysiikan ja laskelmien osa-alueita Lämpö- ja kosteustekniikka Virtaustekniikka Sisäilmasto Radon Akustiikka ja ääneneristys Palotekniikka

2 Milloin laskelmat ovat tarpeellisia? SISÄILMA- TAVOITTEIDEN MÄÄRITTELY RF-SUUNNITTELUN VAATIVUUSLUOKAN JA TARPEEN MÄÄRITTELY KOSTEUSTEKNISET KUNTOTUTKIMUKSET JA MUUT SELVITYKSET (KORJAUSHANKKEET) HANKE- SUUNNITTELU SUUNNITTELU RAKENTAMINEN SUUNNITELMA- TARKASTUKSET KOSTEUDENHALLIN- NAN SUUNNITTELU RAKENNUSFYSIKAA- LINEN SUUNNITTELU LAADUNVARMISTUS- KOKEET JA TARKASTUKSET TYÖNAIKAISET SUUNNITELMATAR- KASTUKSET RAKENNUSTYÖN OHJAUS Rakennusfysikaalisia laskentaohjelmistoja mitä ohjelmia kannattaisi käyttää?

3 Laskemalla ja mallintamalla ei voi selvittää tai tutkia kaikkia rakenteen toimivuuteen vaikuttavia asioita lämmöneristys kosteus vesivuodot? ilmatiiviys? Lämpö- ja kosteustekniset tarkastelut Rakennusosien U-arvojen ja energiankulutuksen laskenta Rakennusosien sisäisen lämpötila- ja kosteusjakauman tarkastelu vesihöyryn tiivistymisriskin kannalta (vrt. perinteiset ajasta riippumattomat diffuusiolaskelmat) Rakenteen sisäisen lämpötila- ja kosteusjakauman tarkastelu eri ajanhetkinä ja muuttuvissa ympäristöolosuhteissa (ajasta riippuvat laskelmat) Kylmäsiltojen tarkastelut Kuivumisaikalaskelmat Rakenteiden kuivumiskykytarkastelut (riskianalyysi) Märkäaikojen ja homehtumisindeksin laskenta Pakkasrasituksen mallintaminen (jäätymis-sulamissyklit) Routaeristyksen yksityiskohtien suunnittelu Ikkunarakenteiden lämpötekninen detaljisuunnittelu

4 Virtaustekniset tarkastelut Yläpohjien, ryömintätilojen ja ulkoseinärakenteiden tuuletuksen tapauskohtainen analysointi ja suunnittelu Räystäsrakenteiden, tuuletusrakojen yms. rakenneyksityiskohtien virtaustekninen suunnittelu Rakennuksen painesuhteiden ja kosteuskonvektion analysointi Huonetilan sisäisten ilmavirtausten ja lämpöolosuhteiden mallintaminen Epäpuhtauksien kulkeutumisen mallintaminen Pakotetun ja luonnollisen konvektion vaikutus rakennusosan lämmöneristävyyteen Tuulikuormien tapauskohtainen analysointi (vrt. tuulitunnelikokeet) Sovellusesimerkki ulkoseinä- ja välipohjaliitoksen kylmäsillan tarkastelusta Esimerkkikohteen 1. kerroksen asuntojen päätyulkoseinien sisäpinnat sekä niiden viereiset lattiapinnat on koettu talviaikaan normaalia kylmemmiksi. Päätyulkoseinän lämmönläpäisykerroin (U-arvo) on noin 0,41 W/m 2 K. Päätyulkoseinän ja 1. kerroksen välipohjarakenteen liitoksen mallinnus HEAT2-ohjelmalla. Ulkoilman lämpötilana on käytetty arvoa -20 C ja sisäilman lämpötila on +22 C.

5 Sovellusesimerkki ulkoseinä- ja välipohjaliitoksen kylmäsillan tarkastelusta Lämpövirran tiheys (W/m 2 ) välipohjaja ulkoseinärakenteen liitoskohdassa. Ulkoilman lämpötila on -20 C ja sisäilman lämpötila on +22 C. Rakenteen lämpötilajakauma. Seinä- ja lattiarakenteen liitoskohdan alhaisin pintalämpötila on +15,7 C. Sovellusesimerkki ulkoseinä- ja välipohjaliitoksen kylmäsillan tarkastelusta Lattiarakenteeseen on asennettu lämmityskaapelit, joiden yhteenlaskettu teho on 50 W/jm. Seinä- ja lattiarakenteen liitoskohdan alhaisin pintalämpötila on +19,8 C.

6 HEAT2 HEAT3

7 Sovellusesimerkki kylmäsillan tarkastelusta Sovellusesimerkki kylmäsillan tarkastelusta Seinän sisäpinnan lämpötila on yleisesti noin 20,2 20,4 C ja seinän lävistävien teräsosien alhaisin pintalämpötila on noin 11,0 C, joka vastaa lämpötilaindeksiä (TI) 68 %. Ulkoilman lämpötila on -10 C ja sisäilman +21 C. Pistemäisen kylmäsillan aiheuttama lisäkonduktanssi on 0,26 W/K.

8 HEAT-ohjelmien sovellusmahdollisuudet kylmäsiltojen tarkastelut pintalämpötilojen tarkastelu vesihöyryn tiivistymisriskin ja huonetilan lämpöviihtyvyyden kannalta ajasta riippuvat lämpötekniset tarkastelut yleisesti U-arvojen laskenta (monimutkaiset rakenteet) lisälämmöneristyksen suunnittelu routaeristyksen yksityiskohtien suunnittelu lattialämmityksen yms. rakenteisiin upotettujen lämmitysjärjestelmien suunnittelu ikkunarakenteiden lämpötekninen detaljisuunnittelu Kosteuden siirtymismuodot Kosteuden siirtyminen diffuusiolla Kosteuden siirtyminen konvektiolla ilmavirtausten mukana (ns. kosteuskonvektio) Veden kapillaarinen siirtyminen Veden painovoimainen siirtyminen Kosteuden sitoutuminen rakennusaineisiin Hygroskooppinen kosteustasapaino Kapillaarinen kosteustasapaino

9 Kastepistelaskelmissa lasketaan sekä lämpötila- että osapainejakaumat laskelmat kannattaa tehdä taulukkomuodossa Suhteellinen kosteus ei voi olla yli 100 % -> mineraalivillan ja ulkokuoren väliseen rajapintaan tiivistyy kosteutta Diffuusiolaskelmissa ja materiaalien ominaisuuksien vertailussa tarvittavia muunnoskertoimia ja -kaavoja

10 Helsinki,Tammikuu Helsinki,Helmikuu Helsinki,Maalis kuu Helsinki,Huhtikuu Helsinki,Toukokuu Helsinki,Kes äkuu Helsinki,Heinäkuu Helsinki,Elokuu Helsinki,Syyskuu Helsinki,Lokakuu Helsinki,Marraskuu Helsinki,Joulukuu 0 0, ,816 1,185 1, ,266 Energian kulutus : kwh 3 2,98 3,437 3, ,613 4, ,904 5,328 Kastepistelaskelmat on käytännössä paras ja helpoin tehdä tietokoneohjelmilla DOF-Lämpö versio 2.2 Tietokoneohjelmat laskevat samalla U-arvon ja kuukausittaisen energiankulutuksen Klinkkerilaattapintaisen julkisivurakenteen pitkäaikaista jatkuvuustilaa vastaava lämpö- ja kosteusjakauma sekä energiankulutus kuukausittain. Laskenta on tehty DOFLÄMPÖ-ohjelmalla.

11 DOFLÄMPÖ-ohjelman sovellusmahdollisuudet U-arvojen laskenta ulkovaipparakenteiden sisäisen lämpötila- ja kosteusjakauman tarkastelu vesihöyryn tiivistymisriskin kannalta (vrt. perinteiset ajasta riippumattomat diffuusiolaskelmat) maanvastaisten alapohjarakenteiden kosteustekniset tarkastelut lisälämmöneristyksen suunnittelu rakennusosien energiankulutus kuukausittain Vaikka materiaalin RH on ~100 %, niin se ei vielä tarkoita sitä, etteikö siihen mahtuisi vielä runsaasti lisää kosteutta Esimerkkinä vanha poltettu savitiili Materiaalin kosteuspitoisuuden ollessa tällä alueella on sen määrittäminen mahdollista tehdä RHmittauksella muutoin tarvitaan kuivatuspunnituskoe

12 Hygroskooppinen tasapaino Kosteuspitoisuus kg/m 3 RH% Kapillaarinen kosteustasapaino Lähde: Tutkimusraportti 129, TTY 2005

13 Kapillaarisen kosteuden siirtymisen ja kosteuskapasiteetin huomioiminen edellyttää ajasta riippuvaa tietokonelaskentaa WUFI Pro-ohjelma Sovellusesimerkki vanhan tuulettumattoman sandwich-elementin eristerappauksesta Vanhan maalaamattoman betonisandwich-elementin ulkokuoren kuivuminen ohutlaastieristerappauksen jälkeen. Eristemateriaalina on 50 mm:n solupolystyreenilevy (EPS). Lähtötilanteessa ulkokuoren kosteuspitoisuudeksi on oletettu 100 kg/m 3. Ulkokuoren paksuus on 60 mm. Käynnistä animaatio tästä

14 Sovellusesimerkki vanhan tuulettumattoman sandwich-elementin eristerappauksesta Kosteuspitoisuus kg/m EPS 70 mm Mineraalivilla 70 mm Ohutlaastieristerappauksella päällystetyn vanhan tuulettumattoman sw-elementin betoniulkokuoren kuivuminen eristerappauksen ( ) jälkeen erilaisten lisälämmöneristysvaihtoehtojen (EPS/MW) tapauksissa. Vanhan elementin ulkopintana on paljas betonipinta. Lähtötilanteen kosteus on peräisin normaalissa säärasituksessa kostuneesta vanhasta betoniulkokuoresta. Laskenta on tehty WUFI-ohjelmalla. Säätiedot: Helsinki Sisäilman RH 40 % vuodenajasta riippumatta. Sovellusesimerkki vanhan tuulettumattoman sandwich-elementin eristerappauksesta o C Suhteelinen kosteus RH % / Lämpötila Eristerappaus Homeindeksi (0-6) 0 RH Lämpötila Homeindeksi Ohutlaastieristerappauksen (EPS 70 mm) vaikutus tuulettumattoman sw-elementin vanhan lämmöneristekerroksen ulko-osien suhteelliseen kosteuteen ja lämpötilaan. Kuvassa on lisäksi esitetty lämpötilan- ja suhteellisen kosteuden perusteella laskettu puumateriaalin pinnalla tapahtuvaa mikrobikasvua kuvaava homeindeksi. Lähtötilanteen kosteus on peräisin normaalissa säärasituksessa kostuneesta vanhasta betoniulkokuoresta. Laskenta on tehty WUFI-ohjelmalla. Säätiedot: Helsinki Sisäilman RH 40 % vuodenajasta riippumatta.

15 WUFI 2D Esimerkki kapillaarisesta noususta Kapillaarikatko ja molemmin puolin suolankeräyslaastilla rapattu seinärakenne, kts. animaatio WUFI-ohjelmien sovellusmahdollisuudet rakenteen sisäisen lämpötila- ja kosteusjakauman tarkastelu eri ajanhetkinä ja erilaisissa ilmastoolosuhteissa (mkl. vesisateen ja auringon säteilyn vaikutukset) kuivumisaikalaskelmat rakenteiden kuivumiskykytarkastelut (riskianalyysi) märkäaikojen ja homehtumisindeksin laskenta erilaisten pinnoituskorjausten sekä lisälämmöneristysten suunnittelu ja vaikutusten arviointi maanvastaisten rakenteiden kosteustekninen tarkastelu rakenteen energiankulutuksen ja ns. todellisten U- arvojen laskenta, kun auringon säteilystä ja veden faasimuutoksista saatavat ilmaisenergiat hyödynnetään kosteudensiirtymiseen liittyvien laboratoriokokeiden simulointi ja tulosten varmennus

16 Tunnista riskirakenteet! Esimerkki kuivumiskykytarkastelusta Ruotsissa havaittiin laajamittaisia ongelmia jo 2000-luvun alussa Suomeen tieto ongelmista ei ole kulkeutunut kunnolla vieläkään

17 Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinien kosteusvauriot Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinien kosteusvauriot

18 Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinien kosteusvauriot ovat seurausta rakenteen huonosta kuivumiskyvystä Eristerappauksessa ja sen yksityiskohdissa on aina halkeamia, saumoja ja muita yksityiskohtia, joiden kautta rakenteeseen pääsee sadevettä

19 Tyypillisiä vesivuotokohtia ovat ikkuna- ja parvekeliittymät, valaisimien ja muiden julkisivuvarusteiden kiinnityskohdat Sadetakkiperiaate varmistaa vesitiiviyden

20 Esimerkki ajankohtaisista kosteusvaurioista Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinien kosteusvauriot Esimerkki ajankohtaisista kosteusvaurioista Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinien kosteusvauriot

21 Esimerkki ajankohtaisista kosteusvaurioista Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinien kosteusvauriot SILMIN HAVAITTAVAN HOMEKASVUN RAJA Rakenteen kuivumiskyky on velvoittava määräys pelkkä kastumisen estäminen ei ole riittävä toimenpide Rakentamismääräysten vastainen rakenne?

22 Virtaustekniset tarkastelut CFD-laskentaohjelmistoja Fluent STAR-CD FLOVENT Comsol Multiphysics ANSYS Microflo TAS SCI Sovellusesimerkkejä CFD-laskennasta

23 Sovellusesimerkkejä CFD-laskennasta CRAWL - ryömintätilojen kosteusolosuhteet

24 Esimerkki ryömintätilan laskennallisesta tarkastelusta - alapohjan kautta tapahtuvalla lämpövuodolla on ryömintätilan kosteusolosuhteita parantava vaikutus Alapohjan U-arvo: 0,4 W/m 2 K Alapohjan U-arvo: 0,1 W/m 2 K Temperature [ C] RH [%] Temperature [ C] RH [%] Ulkoilman lämpötila Ryömintätilan lämpötila Ulkoilman RH Ryömintätilan RH Ryömintätilan RH, dvgr=0 Ulkoilman lämpötila Ryömintätilan lämpötila Ulkoilman RH Ryömintätilan RH Ryömintätilan RH, dvgr=0 Ryömintätilan ilmanvaihtuvuus on molemmissa laskentatapauksissa 2 1/h. Laskenta on tehty Crawlohjelmalla käyttäen Oulun säätietoja. TorkaS betonirakenteiden kuivuminen

25 Pilkington Spectrum / Glass IDA Indoor Climate and Energy

26 Rakennusfysiikkalaskelmien lähtötiedot Lämpö- ja kosteusteknisissä laskelmissa tarvitaan yleensä vähintään seuraavat lähtötiedot: rakenteen geometria materiaalien lämmönjohtavuus materiaalien vesihöyrynläpäisevyys ulko- ja sisäilman keskimääräinen suhteellinen kosteus ja lämpötila Ajasta riippuvissa lämpö- ja kosteusteknisissä laskelmissa tarvitaan lisäksi: materiaalien ominaislämpökapasiteetti ja tiheys materiaalien sorptioisotermit ulko- ja sisäilman suhteellinen kosteus ja lämpötila 1 24 tunnin välein mitattuna tai arvioituna Lämpö- ja kosteusteknisissä laskelmissa tarvitaan yleensä vähintään seuraavat lähtötiedot: Laskentatehtävästä riippuen tarvitaan materiaalien kapillaarinen kosteudenjohtavuus, pinnan vedenimukerroin, huokoisuus, pintojen säteilyominaisuudet, vesihöyrynläpäisevyys ja lämmönjohtavuus kosteuspitoisuuden funktiona, sademäärä, auringon säteilyteho, tuulen nopeus jne. Laskelmien luotettavuus Laskentatulosten oikeellisuus riippuu valituista lähtöarvoista Lähtöarvojen valinta edellyttää rakennusmateriaalien lämpö- ja kosteusteknisiin ominaisuuksiin liittyvää erikoisosaamista pelkkä ohjelmien tietotekninen hallinta ei riitä Laskentatulosten ei tarvitse aina täysin vastata todellisen rakenteen käyttäytymistä kiinnostavaa on yleensä jonkin rakenne- tai olosuhdemuutoksen vaikutussuunta sekä sen merkitys rakenteen toiminnan kannalta Jatkuvuustilan eli ajasta riippumattomat lämpö- ja kosteustekniset laskelmat antavat yleensä tarpeettoman epäedullisen eli virheellisen kuvan rakenteen toimivuudesta Rakenteiden vaurioselvityksissä on pyrittävä mallintamaan vanha rakenne ja ympäristöolosuhteet mahdollisimman tarkasti todellisten olosuhteiden mukaan varmuuskerroin-ajattelu kuuluu suunnitteluun