Kattolämmityksen opas

Transkriptio

1 TUOTTAVA SISÄILMASTO Kattolämmityksen opas Kattolämmitystä koskevia kysymyksiä ja vastauksiasekä syventymisjakso ja mitoitusavain.

2 Sisällysluettelo Johdanto Kysymyksiä ja vastauksia Sivu Viittaus syven tymisjaksoon 1. Mikä vaikuttaa termisen sisäilmaston kokemiseen? 5 I 2. Miten kattolämmitys toimii? 6 II 3. Milloin kattolämmitystä voidaan käyttää? 8 III 4. Milloin kattolämmitystä ei voida käyttää Mille korkeudelle kattolämmitys voidaan asentaa? 10 II, VI 6. Vaikuttaako kattolämmitys ilmanvaihtoon? 11 V 7. Kuumeneeko pää? 11 I, VI 8. Tuleeko pöydän alla kylmä? 12 II 9. Tuleeko ikkunoiden kohdalle kylmälaskeuma? 12 II 10. Miten pitkäikäisiä Lindab Climatein kattolämmittimet ovat? 13 IV 11. Voidaanko kattolämmitysjärjestelmää muuttaa toiminnan muuttuessa? Kuinka tehokasta järjestelmää tarvitaan? 14 VII 13. Säästääkö kattolämmitys energiaa? 15 VII 14. Mitä se maksaa? Sopivatko Lindab Climatein tuotteet kierrätykseen? 17 VIII Syventymisjakso I. Miten ihminen kokee termisen ilmaston? 18 II. Kattolämmityksen toimintaperiaatteet 20 III. Missä kattolämmitys toimii hyvin? 24 IV. Kattolämmittimen rakennevaatimukset 25 V. Kattolämmittimen sijainti 30 VI. Lämpötila ja tarvittava asennuskorkeus 32 VII. Teho ja energia 35 VIII. Ympäristö ja kierrätys 38 Mitoitusavain Tietoja Paneelien sijoitus 41 Asennuskorkeus ja lämpötila 42 Tietoja kattolämmitys pähkinänkuoressa 43 Kattolämmityksenopas 2

3 Johdanto Lindab Climateille esitetään usein kysymyksiä, jotka eivät koske vain tuotteitamme vaan myös kattolämmitysjärjestelmää yleensä ja sen lämmitysperiaatteita. Kattolämmitys on erittäin hyvä lämmitysmuoto, mutta monella on siitä vielä valitettavasti vääränlainen käsitys. Olemme laatineet tämän oppaan voidaksemme tarjota asiakkaillemme ja muille asiasta kiinnostuneille lisää tietoa kattolämmityksestä. Toivomme tästä olevan hyötyä sekä tietoa nopeasti tarvitseville projektinvetäjille ja tilaajille että myös rakentajille, jotka haluavat perehtyä asiaan paremmin. Oppaassa on käytetty lukuisia ruotsalaisia ja muita ulkolaisia lähteitä, tilaajien ja konsulttien kokemuksia ja mittauksia sekä omia laskelmiamme ja mittauksiamme. Toteamme mm. seuraavat kattolämmitystä koskevat seikat: Kattolämmitys lämmittää huoneen pintoja lämpösäteilyllä. Pinnat vuorostaan lämmittävät huoneilmaa. Kattolämmityksella saadaan sen vuoksi aikaan erittäin hyvä terminen sisäilmasto. Kattolämmitys ei jätä pöydän alapuolta kylmäksi, kuumenna päätä tai aiheuta kylmälaskeumaa ikkunoista, kuten monet luulevat. Kattolämmitys toimii melkein kaikentyyppisissä ja -kokoisissa tiloissa. Kattolämmitysjärjestelmää on helppo muuttaa tilojen toiminnan muuttuessa. Seiniin ja lattioihin kohdistuvat muutokset eivät vaikuta lämmitysjärjestelmään. Kattolämmitys voidaan yhdistää vapaavalintaiseen ilmastointijärjestelmään. Kattolämmitys on taloudellisimpia lämmitysjärjestelmiä. Kattolämmityksen investointikustannukset ovat muihin järjestelmiin verrattuna alhaiset. Yhdessä alhaisen energiankulutuksen kanssa tämä tekee järjestelmästä taloudellisen sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä. Lindab Climatein kattolämmittimet voidaan kierrättää kokonaan, mikä on erittäin hyvä myös tulevia sukupolvia ajatellen. Millä muilla lämmitysjärjestelmillä on samat edut? Kattolämmityksen opas koostuu kolmesta jaksosta: Kysymyksiä ja vastauksia antaa lyhyitä ja usein yksinkertaistettuja vastauksia ytimekkäisiin kysymyksiin. Jakso antaa hyödyllisiä tietoja sille, joka haluaa aiheesta yleistä tietoa. Syventymisjakso käsittelee asioita perusteellisemmin. Tässä tarvitaan toisinaan alan asiantuntemusta. Mitoitusavain sisältää yksinkertaisia ja tehokkaita apuvälineitä kattolämmitysjärjestelmän projektointiin. Kattolämmityksenopas 3

4 Kattolämmityksenopas 4

5 Kysymyksiä ja vastauksia Jakso 1 Mikä vaikuttaa termisen sisäilmaston kokemiseen? Termisen sisäilmaston kokeminen riippuu pääasiassa kehomme ja ympäristön välisestä lämmönvaihdosta. Lämmönvaihtoon vaikuttaa fyysinen toiminta, vaatteet ja huoneessa vallitseva terminen ilmasto. Terminen ilmasto koostuu ilman lämpötilasta, nopeudesta ja kosteudesta sekä lämpösäteilynvaihdosta ympäröivien pintojen kanssa. Lämpöä siirtyy aina, kun kahden kappaleen välillä on lämpötilaero. Ihmisen keho esimerkiksi säteilee lämpöä koko ajan ympäristöönsä. Kädestä tai kasvoista (noin +33 C) säteilee koko ajan lämpöä huoneen seiniin ja sisustukseen (noin +22 C) ilman, että se tuntuu juuri miltään. Lämpöä siirtyy myös konvektion kautta, kun ilma lähinnä ihoa lämpenee ja nousee ylös. Fyysinen toiminta Vaatteet Keho tuottaa aina lämpöä. Ulkolämpötila Ilman nopeus Ilman lämpötila Ilman kosteus Terminen tasapaino Terminen tasapaino on olotila, jossa henkilö kokee lämpötilan tasapainoisena, eli hänellä ei ole liian kylmä tai liian kuuma. Yksittäisiin kehonosiin ei saa tällöin kohdistua tahatonta lämmitystä (esim. liian kuuma lattia) tai jäähdytystä (esim. vetoa). Huoneen termiseen ilmastoon vaikuttavat tekijät. Lämmönsiirto Lämmöllä on neljä erilaista siirtotapaa: säteily, johtuminen, konvektio ja olomuodon muutos. Lämpösäteilyä on mm. auringon ja lieden keittolevyn aiheuttama lämpö. Johtumisen voi tuntea seisomalla paljain jaloin kylmällä kivilattialla. Konvektiota esiintyy mm. silloin, kun kävellään ulkona paljain päin kylmällä ja tuulisellä säällä. Olomuodon muutos on mm. sitä, kun kosteus haihtuu keholta, eli muuttuu nesteestä kaasuksi ja iho jäähtyy. Säteily Konvektio Johtuminen +33 C +10 C Olomuodon muutos Ihmisen lämpötasapainoon ja sisäilmaston mukavuuden kokemiseen vaikuttavat lähinnä: konvektio suoraan ympäröivään ilmaan ihon ja keuhkojen kautta säteilynvaihto ympäröivien pintojen kanssa. Nämä kaksi lämmönsiirtotapaa ovat suurin piirtein yhtä suuret huoneessa, jossa ilma liikkuu normaalisti. Sen vuoksi huonepintojen lämpötilalla on meihin yhtä suuri vaikutus kuin ilman lämpötilalla. Jos huonepintojen lämpötilaa nostetaan kokonaan tai osittain, ilman lämpötilaa voidaan laskea yhtä paljon kuin huonelämpötilojen keskilämpötilaa nostettiin. Kattolämmitys esimerkiksi nostaa huonepintojen keskilämpötilaa, jolloin ihmisestä lähtevän lämpösäteilyn osuus laskee. Jotta kehon lämpötila ei nousisi liian korkeaksi, se lisää konvektiivista lämmönsiirtoa kylmempään huoneilmaan. Sen vuoksi ilman lämpötila voidaan pitää kattolämmitystä käytettäessä alhaisempana perinteiseen lämmitykseen verrattuna, ja samalla saada aikaan terminen tasapaino. (Aihetta käsitellään perusteellisemmin luvussa I) Lämpö voi siirtyä neljällä eri tavalla. Kattolämmityksenopas 5

6 Kysymyksiä ja vastauksia Lämpötila Ilmalämmitin Kattolämmitys Koettu lämpötila (operatiivinenlämpötila) Lämpösäteilyä voidaan verrata tavalliseen valoon. Se leviää ja heijastuu suurin piirtein samalla tavalla. Lämpö säteilee kattolämmittimestä suoraan kaikille pinnoille, jotka ovat sen "näköetäisyydellä". Myös "varjoon" jäävät pinnat lämpiävät, koska osa lämpösäteilystä heijastuu näkyvän valon tavoin kaikista pinnoista. Lisäksi lämpösäteilyä esiintyy myös lämpötiloiltaan erilaisten pintojen välillä. Huoneessa ja sen eri pinnoilla vallitsevat lämpötilaerot pyrkivät sen vuoksi koko ajan tasoittumaan. Lämpötila jakautuu katon ja lattian välillä sen vuoksi erittäin tasaisesti. Huonepinnat Ilma Koska kattolämmitys lämmittää huonepinnat, ilman lämpötila voi olla alhaisempi. Pintalämpötila maks. 80 C. 40 % konvektiota. Jakso 2 Miten kattolämmitys toimii? Lämmin ilmahan nousee ylöspäin; miksi lämmityslaite pitäisi asentaa kattoon? Kattolämmityksen tehokkuutta epäilevät ihmiset esittävät usein tämän kysymyksen. Kerromme tässä luvussa kattolämmityksen toiminnasta ja siitä, miten lämpö leviää koko huoneeseen. Lämmitysjärjestelmä tuottaa lämpöä sekä konvektion että lämpösäteilyn avulla. Konvektio lämmittää ilman lämmittimen lähellä, kun taas lämpösäteily leviää eri puolelle huonetta. Konvektiivisesti lämmennyt ilma nousee huoneessa ylöspäin ja lämpösäteet kulkevat suoraan lämmittimestä huonepintoihin. Kattolämmitysjärjestelmässä on enemmän lämpösäteilyä ja vähemmän konvektiota. Arvot ovat tavallisesti noin 60 % säteilyä ja noin 40 % konvektiota. Lindab Climatein kattolämmitysjärjestelmä on vesikiertoinen ja perustuu lämpösäteilyyn alhaisissa lämpötiloissa (30-80 C). Lämpösäteily ei tunnu sen vuoksi yhtä voimakkaalta kuin esim. auringosta tai infrapunalämmittimistä tuleva säteily. Konvektion osuus kattolämmitysjärjestelmässä vastaa suunnilleen katon kautta tapahtuvien lämpöhäviöiden osuutta rakennuksen kokonaislämpöhäviöistä. Loput energiasta eli kattolämmittimen lämpösäteily kohdistuu suoraan huoneen muihin osiin. 60 % lämpösäteilyä. Säteilyn ja konvektion jakautuminen Lindab Climatein kattolämmittimessä. Pinnat, joihin lämpösäteily kohdistuu, lämpenevät tehokkaammin kuin perinteisellä lämmitysjärjestelmällä. Sisäseinien pintalämpötila esimerkiksi on yleensä korkeampi kuin huonelämpötila. Katosta tuleva lämpösäteily lämmittää lisäksi myös lattiat, mikä jää monta kertaa huomioimatta! Lattian lämpötila on nilkan korkeudella normaalisti noin 2 3 C huonelämpötilaa korkeampi. Kattolämmityksen avulla on siis helppoa pitää vuokralaiset tyytyväisinä! Kattolämmityksen aikaansaama ja henkilön kokema lämpö tulee siis suureksi osaksi epäsuorana lämpönä ympäröiviltä pinnoilta. Vain hyvin pieni osa tulee suoraan kattolämmityspaneelista. Termisen ilmaston kokemiseen vaikuttaa se, että kehosta haihtuu vähemmän lämpöä, kun ympäröivät pinnat ovat lämpimämmät. Ei siis yksin riitä, että ympärillämme oleva ilma on lämmintä. Katso myös lukua 1. Kattolämmityksenopas 6

7 Kysymyksiä ja vastauksia Lämpösäteilyssä on hyvää mm. se, että mitä kylmempi pinta, sitä enemmän lämpöenergiaa se "imee". Lämpösäteilyä kohdistuu sen vuoksi auto- maattisesti enemmän kylmempiin pintoihin, esim. ikkunoihin tai huonosti eristettyihin seiniin. (Katso lisää aiheesta luvussa II.) Ilma +20 C Lattia +22 C Lämpösäteily kohdistuu sinne, missä sitä eniten tarvitaan. Jakso 3 Milloin kattolämmitystä voidaan käyttää? Kattolämmityksen käyttöalue on laajempi kuin useimpien muiden lämmitysjärjestelmien. Kattolämmitystä voidaan käyttää lähes kaikentyyppisten kiinteistöjen lämmitykseen. Eniten sitä käytetään erilaisissa hallitiloissa kuten urheilu- ja teollisuushalleissa, verstaissa, varastoissa ja ostoskeskuksissa. Se sopii kuitenkin myös erinomaisesti mm. päiväkoteihin, hoitohuoneistoihin, asuntoihin, kouluihin ja laboratorioihin. Kattolämmittimen tehosta noin 40 % on konvektiivista (lämpö kattoon) ja noin 60 % säteilylämpöä (katosta alaspäin). Rakennuksen lämpöhäviöt jakautuvat yleensä samalla tavalla, eli noin 40 % lämmöstä poistuu katon kautta ja 60 % rakennuksen muiden osien kautta. Kattolämmitys on sen vuoksi muiden etujen lisäksi erittäin sopiva kaikenlaisten rakennusten lämmitykseen. Kattolämmitystä asennetaan harvoin asuinrakennuksiin. Tähän lienevät syynä asuntojen lämmityksen vahvat perinteet. Tutkimustulokset ovat kuitenkin osoittaneet, että kattolämmityspaneelit, joissa poistoilmajärjestelmään on yhdistetty ulkoilman sisäänotto, tuottavat erittäin hyvän sisäilmaston perinteisiin patterijärjestelmiin verrattuna. Kattolämmityspaneelit asennettiin kokeessa makuuhuoneen kattoon suo Kattolämmitys pitää lattiat lämpiminä. raan ikkunan yläpuolelle. Ulkoilman sisäänotto sijoitettiin ulkoseinään säleikön alle, ja ulkoilma esilämmitettiin katon ja kattopaneelin välissä. Kokeessa todettiin seuraavaa: Tuloilma lämmitettiin keskimäärin 15,5 C:seen ulkolämpötilan ollessa -2 C. Operatiivinen lämpötila oli keskimäärin noin 1,1 C:tta korkeampi kuin pattereilla varustetussa vertailuhuoneessa. Kylmälaskeumaa ei havaittu (kattolämmitin lämmitti myös ikkunat, katso myös jaksoa 9). noin 40 % konvektiota lämpöhäviö katon kautta noin 40 % noin 60 % lämpösäteilyä Lämmön jakautuminen kattolämmittimestä ja rakennuksesta. lämpöhäviö ulkoseinän ja lattian kautta noin 60 % Kattolämmityksenopas 7

8 Kysymyksiä ja vastauksia Kattolämmitys toimii yhtä hyvin tiloissa, joissa tehdään istumatyötä kuin myös tiloissa, joissa työntekijät seisovat tai liikkuvat. Huonekorkeudella ei ole käytännöllisesti katsoen mitään merkitystä oleskelualueen lämmölle (katso myös jaksoja 5 ja 7). Aluekohtainen lämmitys Kattolämmitys toimii myös erinomaisesti silloin, kun tiloista halutaan lämmittää vain osa. Kyseessä saattaa olla kiinteä työpiste tiloissa, joissa harjoitettu toiminta edellyttää alhaisia lämpötiloja. Lämpösäteilyllä voidaan kohottaa koettua lämpötilaa (nk. operatiivista lämpötilaa) nostamalla paikallisesti ympäröivien pintojen lämpötiloja ja tietyssä määrin myös ilman lämpötilaa, jolloin työympäristöstä saadaan siedettävämpi. Muita kattolämmityksen etuja: Kattolämmityksen lämmittimet eivät ole kenenkään tiellä. Niitä ei tarvitse ottaa huomioon sisustuksen, koneiden ja muiden laitteiden sijoittamisessa, eivätkä ne vie tilaa seinillä tai lattialla. Kattolämmityspaneelit ja lämmityskatot ovat myös melko helppoja siirtää, jos tilat tarvitaan muuhun tarkoitukseen, tai jos seiniä aiotaan siirtää. Esimerkiksi kouluissa ja julkisissa tiloissa lämmittimet ovat myös ilkivallan ulottumattomissa. (Katso lisää aiheesta syvennysjakson luvuista III ja IV.) Operatiivinen lämpötila on noin 2 6 C ilman lämpötilaa korkeampi Aluekohtainen lämmitys nostaa operatiivista lämpötilaa osassa huonetta. Luku 4 Milloin kattolämmitystä ei voida käyttää? On harvoja tilanteita, joissa kattolämmitys ei toimi, mutta jokaisella tekniikalla on omat rajoituksensa. Seuraava esimerkki kertoo kattolämmityksen rajoituksista: Avoimissa porteissa kattolämmitys ei estä ilman vuotoa sen paremmin kuin muutkaan lämmitysjärjestelmät. Lattia, seinät ja mahdollinen sisustus portin vieressä lämpenee, mutta kattolämmitys ei estä ilman virtausta avoimen portin läpi. Sen sijaan kattolämmityksellä saadaan aikaan mahdollisimman hyvä terminen ilmasto porttia ympäröivällä alueella, koska pinnat pysyvät lämpiminä, vaikka kylmä ilma virtaakin sisälle portin ollessa avoimena. Kattolämmitys ei toimi kovinkaan hyvin korkeissa torneissa, esimerkiksi majakoissa, koska vain pieni osa säteilylämmöstä saavuttaa lattian ja oleskelualueen. Tämä ei johdu pitkästä välimatkasta lattiaan, vaan siitä, että lattiapinta-alan osuus on pieni kattolämmittimen "näköetäisyydellä" olevasta alueesta. Suurin osa lämpösäteilystä kohdistuu tornin seiniin. Kattolämmitys toimii huonosti korkeissa ja kapeissa tiloissa. Kattolämmityksenopas 8

9 Kysymyksiä ja vastauksia Luku 5 Mille korkeudelle kattolämmitys voidaan asentaa? Niin kauan kuin huoneen ilma on normaalipuhdasta, kattopaneelien asennuskorkeudelle ei ole muita rajoituksia kuin rakennuksen oma korkeus. Ilma ei estä lämpösäteilyn kulkua, ja säteily jakautuu lattialle, seinille ja sisustukseen kattolämmittimien asennuskorkeudesta ja ulkolämpötilasta riippumatta. Sen sijaan kattolämmittimiä ei voida asentaa miten matalalle tahansa. Matalin asennuskorkeus määräytyy ennen kaikkea kattolämmittimen pintalämpötilan mukaan. Lisäksi siihen vaikuttavat lämmittimen koko ja se, tehdäänkö huoneessa töitä seisten vai istuen. Mitä lämpimämpi pinta, sitä korkeammalle kattopaneeli on asennettava, jotta sen alapuolella oleva henkilö ei koe tilannetta epämukavana. Asennuksen alarajat ovat kuitenkin kohtuulliset, katso jaksoa 7. Tarkastelemme tätä esimerkin avulla: Kattolämmityspaneeli, jonka mitat ovat 3,6 x 0,6 m ja pintalämpötila enintään 50 C (55/45 C järjestelmä) voidaan asentaa vähintään 2,1 m korkeudelle. Jos pintalämpötilaa lisätään 70 C:en (80/60 C järjestelmä), alhaisin asennuskorkeus on 2,8 m. Tässä yhteydessä on tärkeää huomauttaa, että puhumme mitoitetuista lämpötiloista, jotka tilastollisesti vallitsevat muutamana päivänä vuodessa. Järjestelmän lämpötila on alhaisempi suurimman osan vuodesta. (Katso lisää syvennysjakson luvuissa II ja IV) Jakso 6 Vaikuttaako kattolämmitys ilmanvaihtoon? Kattolämmitys ei sinänsä aiheuta ilmanvaihtoon vaikuttavia ilmavirtauksia. Kattolämmitys on sen vuoksi ihanteellinen vaihtoehto tiloihin, joissa ilmavirtauksille asetetaan tiukat vaatimukset. Kiinteistöjen ja huoneistojen rakennus- ja korjaustöiden projektoinnissa tämä merkitsee sitä, että ilmanvaihtojärjestelmä voidaan kattolämmityksen yhteydessä valita täysin vapaasti. (Syvennysjakson luku V). Jakso 7 Kuumeneeko pää? Lämpösäteilynasymmetria (STA) on käsite, jolla ilmaistaan miten suuria lämpötilaeroja ihminen sietää ympäröivillä pinnoilla ilman, että se tuntuu epämiellyttävältä. STA:n huomaa esimerkiksi silloin, kun käännetään kasvojen toinen puoli kuumaa ja toinen kylmää ikkunaa kohti. STA mitataan pienellä alueella joko 0,6 m:n korkeudessa (istuva henkilö) tai 1,1 m:n korkeudessa (seisova henkilö). STA on lämpösäteilyn ero mittapinnan eri puolilla. Kuten luvussa 2 mainittiin, kattolämmittimen lämpösäteily lämmittää ympäröivät pinnat ja erityisesti lattian. Tämä merkitsee sitä, että STA tasoittuu. Kattolämmittimen on kuitenkin oltava oikein mitoitettu maksimilämpötilaansa nähden, jotta STA pysyisi hyväksyttävissä rajoissa. Jos tämä ehto on täytetty, STA pysyy Ruotsin sisäilmastoinstituutin (Svenska Inneklimatinstitutet) antamien suuntaviivojen (R1) ja kansainvälisen sisäilmastostandardin ISO 7730:n määrittämissä miellyttävän sisäilmaston rajoissa. +50 C +24 C +50 C +21 C +21 C Mittapinta +23 C 1,1 m tai 0,6 m Kattokorkeudella ei ole väliä, kaikki säteilylämpö siirtyy seiniin ja lattiaan. Vain intensiteetti vähenee etäisyyden kasvaessa. Esimerkki lämpösäteilynasymmetrian (STA) mittauksesta. STA on lämpösäteilyn ero mittapinnan eri puolilla. Lämpötilat ovat vain esimerkkejä. Kattolämmityksenopas 9

10 Kysymyksiä ja vastauksia Esimerkki: Kattolämmityspaneeli, jonka mitat ovat 3,6 x 0,6 m ja pintalämpötila enintään 50 C (55/45 C järjestelmä) voidaan asentaa vähintään 2,1 m korkeudelle tilaan, jossa työskentelee yksi istuva henkilö (mittaustaso 0,6 m lattiasta ISO 7730:n mukaan). Pää ei todellakaan kuumene! (Syvennysjakson luvut I ja IV.) Jakso 8 Tuleeko pöydän alla kylmä? Vallalla on yleinen väärinkäsitys siitä, että pöydän ja muiden vaakatasossa olevien pintojen alapuolella tulee kylmä, jos huoneessa on kattolämmitysjärjestelmä. Pöydän alla ei ole kylmä; yhtä vähän kuin siellä on säkkipimeää silloin, kun kattolampussa on valo. Katosta tulevat lämpösäteet leviävät valonsäteiden tavoin ympäröiville pinnoille. Pinnat imevät suurimman osan lämpöenergiasta, josta osa kuitenkin heijastuu edelleen. Heijastunut lämpösäteily "poukkoilee" huoneen eri pinnoille ja lämmittää niitä sekä pöydän alla olevaa lattiapintaa. Pöydän pinta lämpenee sekä ala- että yläpuolelta suoran ja epäsuoran lämpösäteilyn kautta. Ilman lämpötilan ja säteilyn lämpötilaerot ovat hyvin pienet pöydän alapuolella verrattuna sen vieressä olevaan tilaan. (Syvennysjakso luku II.) Jakso 9 Tuleeko ikkunoiden kohdalle kylmälaskeuma? 2- ja 3-kerroksisten ikkunoiden kohdalle saattaa muodostua kylmälaskeuma (eli kylmää pintaa vasten jäähtyvän ilman aiheuttama ilmavirtaus), jos ikkunan luona ei ole alaspäin virtaavaa ilmaa vastustavaa lämmönlähdettä. Lämmönlähteen ei kuitenkaan tarvitse olla ikkunan alapuolella. Ikkunan alle sijoitettu patteri saa aikaan ylöspäin kulkevan lämpimän ilmavirtauksen, joka ehkäisee ikkunassa mahdollisesti esiintyvää kylmälaskeumaa. Kattoläm mitys sen sijaan estää kylmälaskeumaa muodostumasta lämmittämällä ikkunan pintaa. Kattolämmitys lämmittää kylmät pinnat suoraan säteilyn avulla. Kuten mainitsimme luvussa 2, lämpösäteily jakautuu huoneen pinnoille suhteessa sen pintalämpötiloihin. Kylmät pinnat imevät näin enemmän lämpösäteilyä. Katosta tuleva lämpösäteily lämmittää sen vuoksi sekä ikkunan pinnan, ikkunasyvennyksen että ikkunalaudan, minkä ansiosta kylmälaskeuman muodostuminen voidaan ehkäistä. Suurin kylmälaskeuman vaara on istumatyötä tekevällä henkilöllä, joka on pukeutunut kevyisiin sisävaatteisiin ja jonka työpiste sijaitsee lähellä ikkunaa lämmitysjärjestelmän ollessa sellainen, että se ei estä mahdollisen kylmälaskeuman syntymistä. Riskiä ei juurikaan esiinny liikkuvassa tai seisten tehdyssä työssä huoneen sisäosissa, varsinkaan uusissa rakennuksissa, joissa on 3-lasiset ikkunat. (Syventymisjakso luku II.) Osa lämpösäteilystä heijastuu ympäröiville pinnoille tasoittaen lämpötilaeroa. Kattolämmitys estää kylmälaskeumaa muodostumasta lämmittämällä ikkunan pintaa. Kattolämmityksenopas 10

11 Kysymyksiä ja vastauksia Jakso 10 Miten pitkäikäisiä Lindab Climatein kattolämmittimet ovat? Lindab Climatein kansainvälisesti patentoitua peruselementtiä käytetään lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmissä sekä aurinkopaneeleissa eri puolilla maailmaa. Lämpötilat saattavat nousta jopa 250 C:seen. Ruotsin testaus- ja tutkimuslaitoksessa (Statens Provnings- och Forskningsinstitut) elementtien pintoja on lämmitetty yli 200 C:seen, jonka jälkeen ne on valeltu 10-asteisella vedellä. Pintamateriaaleja on myös säilytetty ulkona useita vuosia, jonka jälkeen ne on tarkastettu. Pintoja on koepaineistettu barin paineella kertaa. Näistä testeistä ei yksikään ole vaikuttanut tuotteen laatuun tai tehokkuuteen. Lindab Climatein tuotteet ovat tietojemme mukaan markkinoiden perusteellisimmin testatut. Sen vuoksi uskallamme väittää, että Lindab Climatein kattolämmittimet toimivat yhtä kauan kuin rakennus, johon ne asennetaan. (Syventymisjakso, luku IV.) Lindab Climatein kattolämmittimen vesikanavan poikkileikkaus. Jakso 11 Voidaanko kattolämmitysjärjestelmää muuttaa toiminnan muuttuessa? Nykyään on tavallista, että rakennukseen ja sen huonejakoon tehdään vuosien varrella suuriakin muutoksia. Sen vuoksi on tärkeää, että sekä seiniä että laitteistoja voidaan siirtää ilman suuria kustannuksia. Kattolämmitys on tässä suhteessa erinomainen. Putkijärjestelmät asennetaan tavallisesti näkyville tai helposti purettavaan alakattoon, minkä vuoksi ne on helppo irrottaa tai asentaa uudelleen. Jos kattolämmittimet on asennettu kaseteista koostuvaan alakattoon, ne voivat helposti vaihtaa paikkaa alakattoka settien kanssa niissä paikoissa, joissa kattolämmittimiä tarvitaan. Myös kannatustankoihin asennetut lämmittimet ovat helppoja irrottaa ja siirtää toiseen paikkaan. Lindab Climatein kattolämmitystuotteet ovat markkinoiden keveimmät, mikä helpottaa varsinkin korkeissa huoneissa tehtäviä asennustöitä. Kiinteistönomistaja ei ole enää sidoksissa tietyntyyppiseen vuokralaiseen. Tiloja voidaan vuokrata nyt esim. valmistavalle teollisuudelle, tanssistudion käyttöön tai vaikkapa varastotiloiksi. Lämmitysjärjestelmää ei tarvitse ottaa huomioon lattioiden tai seinien korjaus- ja rakennustöissä. Jakso 12 Kuinka tehokasta järjestelmää tarvitaan? Mitoitetun lämpötehon tarpeen laskemisessa arvioidaan ensin rakennuksen eri osien pinta-ala ja lämmönläpäisykerroin (U-arvo). Tämä tehdään vallitsevien rakennussäädösten ja ruotsalaisen standardin mukaan. Lisäksi määritetään haluttu sisälämpötila ja mitoitettu ulkolämpötila, DUT. Viimeksimainittu lasketaan ruotsalaisen standardin mukaan. Sen jälkeen voidaan laskea rakennuksen mitoitettu lämpöteho. Laskelmissa on kuitenkin otettava huomioon katon ja lattian välinen lämpötilaero (lämpötilan kerrostuminen). Lämpötilan kerrostuminen saattaa aiheuttaa korkeissa tiloissa suuria eroja katon ja lattian lämpötiloissa. Lämpötilan kerrostuminen on kattolämmityksessä muihin lämmitysjärjestelmiin verrattuna pieni, vain noin 0,5 C/m. Lämpötilaerot katon ja lattian välillä pysyvät sen vuoksi pieninä. Esimerkiksi lämminilmapuhaltimen aiheuttama lämpötilan kerrostuminen on noin 2 C/m. Pieni kerrostuma merkitsee alhaisempaa lämmityksen tehontarvetta, koska sisälämpötila katossa jää alhaisemmaksi. 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Huonekorkeus (m) Kattolämmitys Ilmalämmitys Esimerkki lämpötilan jakautumisesta eri lämmitysjärjestelmiä käyttävissä huoneissa. Ilman lämpötila ( C) Kattolämmityksenopas 11

12 Kysymyksiä ja vastauksia Sen lisäksi, että lämpötilan kerrostuminen on alhainen, kattolämmitysjärjestelmää käytettäessä uudisrakentamisessa sisälämpötilaa voidaan normaalisti laskea 1-2 astetta, koska osa säteilystä heijastuu ympäröivistä pinnoista (kts. jaksoja 1 ja 2), minkä ansiosta asennettavaa lämmitystehoa voidaan vähentää. Rakennuksen korjaustöissä on kuitenkin tehtävä huolellinen analyysi, jossa arvioidaan, onko rakennuksen standardi toimenpiteiden jälkeen ja toiminnan laatu huomioiden sellainen, että huonelämpötilaa voidaan laskea. Lämpötila Ilmalämmitin Kattolämmitys lämmittää myös huonepintoja, minkä vuoksi ilman lämpötilaa voidaan laskea. Lämmityksen tehontarve on sen vuoksi alhaisempi. Selitämme alhaisemman huonelämpötilan ja pienemmän lämpötilan kerrostuman aiheuttamaa alhaisempaa tehontarvetta esimerkin avulla. Laskemme lämmitystehon uudelle, 1000 m 2 :n suuruiselle hallirakennukselle, jonka huonekorkeus on 5 m ja seinissä, katoissa ja lattioissa on normaalirakenteet. Ikkunoiden pinta-ala on 10 % lattiapinta-alasta. Energian siirtymisen ja tahattoman ilmanvaihdon vaatima lämmitysteho on eri lämmitysjärjestelmillä seuraava (ei sisällä ilmanvaihdon lämmitystehoa): Lämmitysjärjestelmä Lämpötila oleskelua-lueella/kerrostuma Lämminilmapuhallin Huonepinnat Kattolämmitys Ilma Koettu lämpötila (operatiivinenlämpötila) Lämmitysteho 20 C / 2 C/m 71,3 kw Kattolämmitys 18 C / 0,5 C/m 58,5 kw Kattolämmitysjärjestelmä vaatii tässä esimerkissä vain 82 % lämmitystehosta lämminilmapuhaltimeen verrattuna. On syytä korostaa, että ero on pienempi huonekorkeuden ollessa alhaisempi. (Syvennysjakso luku VII) Jakso 13 Säästääkö kattolämmitys energiaa? Perinteisiin järjestelmiin verrattuna kattolämmitys säästää energiaa melkein kaikissa tilanteissa. Tämä johtuu osittain siitä, että oleskelualueen lämpötila voi olla alhaisempi (noin 1 2 C) ilman, että koettu (operatiivinen) lämpötila laskee, ja osittain siitä, että katon ja lattian välinen lämpötilaero (lämpötilan kerrostuminen) on pienempi (kts. jaksot 1 ja 12). Viimeksimainittu merkitsee sitä, että kattoon ei muodostu suuria lämpöhäviöitä aiheuttavaa lämminilmavyöhykettä. Energiasäästön suuruus riippuu kiinteistön tyypistä ja aikaisemmin käytetyistä lämmitysjärjestelmistä. Säästö on yleensä 2 7 % kiinteistöissä, joiden huonekorkeus on 2-3 m. Jos kiinteistön huoneet ovat korkeammat, säästö saattaa olla vieläkin suurempi; varsinkin, jos rakennus on vanha, huonosti tiivistetty, tai jos siinä on paljon ilmaa läpäiseviä suuria portteja tai aukkoja (tahaton ilmanvaihto). Sekä ruotsalaisissa että muissa ulkomaisissa tutkimusraporteissa on päästy jopa 30 % säästöihin. (Syvennysjakso luku VII) Jakso 14 Mitä se maksaa? Kustannusten suuruus riippuu siitä, miten pitkälle aikavälille ne halutaan jakaa ja mitä kaikkea laskelmiin otetaan mukaan. Olemme valinneet pitkän aikavälin, esimerkissä 15 vuotta, koska kiinteistön omistajaa kiinnostavat useimmiten eniten kokonaiskustannukset. Investointikustannuksiltaan kattolämmitys on esimerkissä toiseksi edullisin. Esimerkissä selvitetään neljän eri lämmitysjärjestelmän kokonaiskustannukset. Järjestelmät ovat kattolämmitys, lattialämmitys, lämminilmapuhallus ja ilmalämmitys. Laskelmat perustuvat juuri rakennetun teollisuushallin lämmitykseen, koko 60 x 40 m, huonekorkeus 8 m. Halli sijaitsee Göteborgissa, ja sen oletetaan olevan yhteydessä Göteborgin kaukolämpöverkkoon. Investointikustannuksiin sisältyvät materiaalit ja työkustannukset kaukolämpöliittymämaksu mukaan lukien sekä kunkin lämmitysjärjestelmän säätötyöt. Eri lämmitysjärjestelmien, myös kattolämmityksen, investointikustannukset ovat puolueettoman konsulttitoimiston laskemia. Kattolämmityksenopas 12

13 Kysymyksiä ja vastauksia Vuosittaiset käyttö- ja ylläpitokustannukset (K&Y) lasketaan prosenteissa investoinnin suuruudesta, ja niihin sisältyvät sähkö-, huolto- ja korjauskustannukset. Katto- ja lattialämmityksellä osuuden arvioidaan olevan 0,5 % ja lämminilmapuhaltimella ja ilmalämmityksellä 2 % investointikustannuksista. Eri lämmitysjärjestelmien energiankulutus energian siirtymisen ja tahattoman ilmanvaihdon lämpöenergiatarve mukaan lukien on laskettu alla olevien edellytysten mukaan. Ilmanvaihdon energiatarvetta ei ole otettu mukaan, koska sen arvioidaan olevan sama kaikissa lämmitysjärjestelmissä. Järjestelmien kokonaiskustannuksiin kuuluvat investointikustannukset, käyttö- ja huoltokustannukset sekä energiakustannukset. Kokonaiskustannukset esitetään sekä nykyarvona että annuiteettina. Yhteiset tekijät: Laskukorko: 10% Taloudellinen käyttöikä: 15 vuotta Energian hinta: 250 kr/mwh Energian hinnannousu: 2% vuodessa Kokonaiskustannus Lämmitysjärjestelmä Investointi (kr) K&Y (Kr/vuosi) Energiankulutus (MWh/vuosi) Nykyarvo (kr) Annuiteetti (kr/vuosi) Kattolämmitys Lattialämmitys Lämminilmapuhallus Ilmalämmitys Eri lämmitysjärjestelmien kustannus. Investointikustannus on puolueettoman konsulttitoimiston laskema. Nuvarande totalkostnad (kr) Kattolämmitys Takvärme Lattialämmitys Golvvärme Lämminilmapuhallus Fläktluftvärmare Central Ilmalämmitys luftvärme Neljän eri lämmitysjärjestelmän kokonaiskustannusten nykyarvo. Kattolämmityksenopas 13

14 Kysymyksiä ja vastauksia Laskelman edellytykset: U-arvo katto: 0,2 W/m 2, C seinät: 0,2 W/m 2, C lattia sisäalue: 0,3 W/m 2, C lattia ulkoalue: 0,3 W/m 2, C ikkuna: 2,0 W/m 2, C Pinta-ala katto: 2400 m 2 seinät: 1400 m 2 lattia sisäalue: 1000 m 2 lattia ulkoalue: 200 m 2 ikkuna: 200 m 2 Huonekorkeus: Tahaton ilmanvaihto: Sisälämpötila oleskelualue ( C) Lämpötilan kerrostuma ( C/m 2 ) 8 m 0,3 oms/h Muita edellytyksiä: 1) Katto-ja lattialämmitys vaativat alhaisempia ilmalämpötiloja, 19 C, pystyäkseen ylläpitämään tietyn operatiivisen lämpötilan, tässä 20 C. 2) Ilmoitettu lämpötilan kerrostuma on voimassa mitoitetuissa ulkolämpötiloissa. Muissa ulkoilmalämpötiloissa sen oletetaan laskevan lineaarisesti, ja olevan nolla, kun lämmöntarvetta ei esiinny lainkaan 3) Ilmalämmityksen lämpötilakerrostuma on voimassa silloin, kun on asennettu nk. tropiikkituulettimet. Kattolämmitys Lattialämmitys Lämminilmapuhallus Ilmalämmitys 19 1) 19 1) ,7 0,5 2,0 1,0 3) Jakso 15 Sopivatko Lindab Climatein tuotteet kierrätykseen? Alumiinituotteille tehdyissä elinkaariarvioinneissa (LCA) on paljon yhteisiä piirteitä. Materiaalin valmistus (louhinta, rikastus ja tuotanto) kuluttaa runsaasti energiaa ja kuormittaa ympäristöä suhteellisen paljon. Käytössä alumiinituotteet ovat sen sijaan muihin tuotteisiin verrattuna ympäristöystävällisiä, mikä korvaa monin kerroin alumiinituotteiden valmistuksesta aiheutuneen kuormituksen. Jos alumiinia lisäksi kierrätetään, valmistusvaiheen ympäristökuormitus vähenee vastaavasti. Lindab Climatein kattolämmitysjärjestelmissä on käytetty kuparia, alumiinia, laajennetusta polystyreenista valmistettu eristettä ja vähän tinajuotetta. Käytetyt materiaalit ovat eristyslevyä lukuunottamatta täysin kierrätettäviä. Kaikki tuotannosta syntyneet jätteet viedään jo nyt kierrätykseen. Kun puretaan rakennuksia, joissa on käytetty Lindab Climatein kattolämmitystuotteita, niiden metalliosat voidaan kierrättää kokonaan. Valmistusvaiheessa metallurgisesti yhteen liitettyä alumiinia ja kupari ei voida irrottaa, mutta ne voidaan silti kierrättää. Kattolämmittimet puristetaan 20 x 20 cm:n suuruisiksi paketeiksi, joita käytetään metalliteollisuudessa eri alumiinilaatujen sekoittamiseen. Kuparin määrä tiedetään tarkasti, koska paneelin jokainen cm sisältää yhtä paljon kuparia. (Syventymisjakso, luku VIII) Kattolämmityksenopas 14

15 Luku I Miten ihminen kokee termisen ilmaston? Lämmönvaihto Lämmönvaihto ihmisen ja ympäristön välillä riippuu fyysisestä aktiviteetista, vaatetuksesta ja siitä, miten paljon lämpöä siirtyy ympäristöön lähinnä konvektion ja säteilyn kautta. Osa lämmöstä siirtyy latenttina lämpönä kuten esim. vesihöyrynä. Normaalisti tämä lämpö ei siirry sisätiloissa, vaan ulkona kondensaation kautta. Fyysinen aktiviteetti Fyysinen aktiviteetti eli aineenvaihdunta (metabolismi) määrää, miten paljon lämpöä keho tuottaa, ja se ilmaistaan met-yksiköllä (1 met = 58 W/m 2 ). Aktiviteettiaste vaihtelee sisätiloissa 0,8 (uni) 7 met-yksikköä (raskas ruumiillinen työ). Tavallinen arvo toimistotyössä on 1,1 2,2 met. Aktiviteettiasteeseen vaikuttaa myös henkilökohtaiset ominaisuudet kuten ikä, paino, sukupuoli ja terveydentila. Vaatetusaste Vaatetusaste on ihmiskehon lämpöeristyksen mitta, ja se ilmaistaan yksiköllä clo (1 clo = 0,155 C m2 /W). Arvon äärirajat ovat 0 clo alasti ja noin 3 clo paksujen peitteiden alla. Tavallisten sisävaatteiden arvo on 0,7 1,2 clo. Ihmisen lämmönvaihto Ihmisen lämmönvaihto tapahtuu normaalisti konvektion ja säteilyn kautta. Niiden osuus on suurin piirtein yhtä suuri pienillä ilmavirtauksilla. Kun ilma virtaa ihon ohi nopeammin kuin 0,1 m/s, konvektiivinen lämmönsiirto kasvaa vähitellen. Kun ihmisen tulee kuuma ja hän alkaa hikoilla, hänestä erittyy runsaasti lämpöä kosteuden haihtuessa iholta (olomuodon muutos). Termisen tasapainon vallitessa ei juurikaan esiinny hikoilua, ja iholta haihtuva vähäinen kosteus lasketaan konvektiiviseen lämmöneritykseen. Ilman kosteus vaikuttaa iholta ja limakalvoilta haihtuvan kosteuden määrään. Mitä kuivempi ilma, sitä enemmän iholta ja limakalvoilta haihtuu kosteutta. Konvektio Henkilöön kohdistuva konvektio koostuu osaksi omakonvektiosta, jolloin ihon lämmittämä ilma nousee ylös aiheuttaen ilmavirtauksen, ja osaksi esim. ilmastoinnin tai vedon aiheuttamasta tahattomasta konvektiosta. Epämiellyttävien ilmavirtausten raja riippuu ympäröivästä lämpötilasta, ja normaaliraja on sisätiloissa talvella 0,15 m/s ja kesällä [8] 0,2 0,4 m/s, kts. sivu 4:35. Huonelämpötila on useimmiten korkeampi kesällä, jolloin ilma voi virrata jonkin verran nopeammin tuntumatta silti epämiellyttävältä. Säteily Säteily on lämmön vaihtumista kahden kappaleen/ pinnan välillä, ja suunta on useimmiten ihmisestä viileämpään ympäristöön. Säteilyn aiheuttaman lämmön vaihtumisen suuruus riippuu henkilön aktiviteetista ja vaatetusasteesta sekä ympäristön ulkolämpötiloista. Lämpötila Ihmiseen vaikuttavia ilman ja ympäröivien pintojen lämpötiloja voidaan määritellä monia erilaisia. Esittelemme seuraavassa kaikkein tavallisimmat. Ilmalämpötilan lisäksi esiintyy: Lämpötilan kerrostuma pystysuunnassa ( C/m): tällä mitataan sitä, miten paljon ilman lämpötila muuttuu eri korkeuksilla lattiasta. Määritellään normaalisti korkeuksien 0,1 ja 1,1 m välisenä lämpötilaerona. Lämpötilan kerrostuman tulee olla alle 2 3 C/m, jotta se ei tuntuisi epämukavalta. Alhaisempaa arvoa käytetään istumatyöskentelyssä. On kuitenkin tähdennettävä, että 2 3 C/m merkitsee huomattavaa ilman kerrostumista, mistä on myös seurauksena suuri energiahäviö katossa. TeknoTemin kattolämmittimien lämpötilakerrostuma on normaalisti noin 0,4 0,5 C/m, mikä pienentää energianhäviöitä katossa tuntuvasti. Katso myös lukua VII. Tasainen säteilylämpötila ( C): käytetään pienen tasaisen, tiettyyn suuntaan viettävän pinnan (ihoalueen) säteilynvaihdon määrittämiseen. Säteilynvaihdon osuus riippuu pintalämpötilasta ja kunkin tasaiselta pinnalta "nähtävän" osapinnan kulmakertoimesta. Tasainen säteilylämpötila lasketaan mitattujen pintalämpötilojen ja kulmakerrointen avulla tai mitataan säteilylämpömittarilla. Lämpösäteilynasymmetria ( C): Lämpösäteilynasymmetria (STA) on pienen tasaisen pinnan molemmilla puolilla vallitsevien tasaisten säteilylämpötilojen ero. STA mitataan 0,6 m:n (istumatyö) tai 1,1 m:n korkeudella lattiasta (seisomatyö). STA:n tulee olla korkeintaan 5 C tapauksissa, joissa lämpösäteily tulee katosta. Katso myös lukua VI. Keskisäteilylämpötila ( C): mitta, jolla määritetään kehon kokonaissäteilynvaihto ympäröivien pintojen kanssa. Keskisäteilylämpötilalla ilmoitetaan kaikkiin suuntiin kohdistuvan säteilynvaihdon keskiarvo. Kattolämmityksenopas 15

16 Luku I Kattolämmityksenopas 16 Operatiivinen lämpötila ( C): kuvailee ilman lämpötilan ja keskisäteilylämpötilan yhteisvaikutusta ihmisen lämpötasapainoon. Operatiivisella lämpötilalla tarkoitetaan usein ilman lämpötilan ja keskisäteilylämpötilan keskiarvoa. Suunnattu operatiivinen lämpötila ( C): ruotsalaisten rakennussäädösten käyttämä käsite, jolla kuvataan pienen ihonosan lämmönvaihtoa. Määritetään tietyssä mittauspisteessä ja tiettyyn suuntaan huoneessa ilman lämpötilan ja tasaisen säteilylämpötilan keskiarvona. Ekvivalentti lämpötila ( C): kuvailee ilman lämpötilan, säteilylämpötilan ja ilman nopeuden vaikutusta ihmisen lämpötasapainoon. Tähän vaikuttavat myös ihmisen fyysinen aktiviteetti ja vaatetus. Terminen tasapaino Termisen tasapainon sisäilmastolliset edellytykset eroavat eri yksilöiden välillä. Professori P O Fangerin [21] tekemissä kokeissa, joissa suuriin ihmisryhmiin kohdistettiin erilaisia ilmastovaikutuksia, saadut tulokset osoittavat kuitenkin, että monet ihmiset reagoivat sisäilmastoon samalla tavalla. Kokeiden perusteella on laadittu termisen tasapainon kriteerejä. Ne perustuvat ilmastollisiin edellytyksiin, joita suurin osa koehenkilöistä piti neutraaleina. Yllämainittujen ilmastotekijöiden avulla terminen tasapaino voidaan laskea PMV-indeksinä (Predicted Mean Vote). Arvolla ilmaistaan tilastollisesti perusteltu ennuste siitä, miten suuri ryhmä ihmisiä arvioi tietyn ilmaston mukavuuden tietyllä aktiviteettiasteella ja vaatetuksella. PMV-indeksin perusteella voidaan sitten laskea PPD-indeksi (Predicted Percentage of Dissatisfied), joka kertoo, miten suuri osa ryhmästä kokee tietyn sisäilmaston epämiellyttävänä. PMV = (0,303 * e -0,0036M + 0,028) [(M-W) - 3,05 * 10 3 {5733-6,99(M-W) - p a } - 0,42{(M-W) - 58,15} - 1,7 * 10-5 * M(5867-p a ) - 0,0014 M (34 - t a ) - 3,96 * 10-8 f cl {(t cl + 273) 4 - (t r + 273) 4 } - f cl h c (t cl - t a ) jossa: t cl = 35,7-0,028(M-W) - 0,155I cl [3,96 * 10-8 f cl {(t cl + 273) 4 - (tr + 273) 4 } - f cl h c (t cl - t a )] h c = f cl = 2,38(t cl - t a ) 0,25 för 2,38(t cl - t a ) 0,25 > 12,1(v r )0,5 12,1(v r ) 0,5 för 2,38(t cl - t a ) 0,25 < 12,1(v r ) 0,5 1,00 + 0,2I cl för I cl < 0,5 clo 1,05 + 0,1I cl för I cl > 0,5 clo Selityksiä: M = Metabolismi (W) W = Ulkoinen työ (W) I cl = Vaatetusaste (clo) pa = Vesihöyryn osapaine (Pa) f cl = Vaatetuksen pintakerroin, eli paljaan javaatetetun ihon suhde t cl = Vaatetuksen pintalämpötila ( C) h c = Konvektiivinen lämmönsiirtoluku (W/m 2 C) t r = Keskisäteilylämpötila ( C) t a = Huonelämpötila ( C) v r = Suhteellinen ilmannopeus (m/s) = v + 0,005(M-58) v = Huoneilman keskinopeus Kun PMV-indeksi tunnetaan, PPD-indeksi voidaan laskea seuraavasti: PPD = * e -(0,03553PMV 4 + 0,02179PMV 2 ) PPD-indeksin arvo on erittäin monimutkaista laskea näillä kaavoilla käsin. Se on huomattavasti yksinkertaisempaa ilmastonsimulointiohjelmilla, joissa huonetilan simuloinnilla saadaan esiin sen PPD-indeksi tai muut ilmastoindeksit. Lindab Climatein omalla simulointiohjelmalla TeknoSim saadaan esiin mm. ilman lämpötila, operatiivinen lämpötila ja PPDindeksi. Fangersin kaavan mukaan korkeintaan 95 % voi olla tyytyväisiä tiettyyn sisäilmastoon, eli vähintään 5 % tulee aina olemaan tiettyyn sisäilmastoon tyytymättömiä (PPD=5 % ja PMV = 0 ilmaisevat mahdollisimman hyvää termistä tasapainoa). Ruotsin sisäilmastoinstituutin (Svenska Inneklimatinstitutet) julkaisussa R1 [8] annetut termisen sisäilmaston luokat perustuvat PPD-indeksiin, joka on korkeimmassa luokassa <10 % tyytymättömiä ja alhaisimmassa luokassa 20 % tyytymättömiä.

17 Luku II Kattolämmityksen toimintaperiaatteet Lindab Climatein kattolämmitystuotteet siirtävät lämpöä pääasiassa säteilyn avulla (noin 60 % kokonaislämpötehosta). Tässä luvussa käsittelemme lämpösäteilyn perusteita. Lämpösäteily Lämpösäteily on elektromagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on noin 9 15 mm pintalämpötiloilla noin C. Aallonpituus on sitä lyhyempi mitä lämpimämpi pinta on, ja sitä pitempi, mitä kylmempi pinta on. Näissä lämpötiloissa tapahtuva lämpösäteily on näkymätöntä, vasta C:en pintalämpötiloissa lämpösäteily alkaa erottua valona. Lämpösäteilyä esiintyy kaikista kappaleista, joiden lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella (-273,16 C). Kappaleen absoluuttinen lämpösäteily ei kuitenkaan ole tärkeää, vaan teknisissä yhteyksissä tarkastellaan usein kahden kappaleen tai pinnan välisen säteilyenergian nettovaihtumista. Lämmönsiirto säteilyn avulla Lämmönsiirto (nettovaihtuminen) säteilyn vaikutuksesta johtuu pintojen välisestä lämpötilaerosta, niiden geometrisestä suhteesta ja pintojen laadusta. Kahden pinnan välinen lämpövirtaama PS lasketaan seuraavalla kaavalla: P s = F 12 A 1 ( T T ) (W) jossa F 12 = f A F 12 on pintojen A1 ja A2 välinen geometrinen suhde, ja sitä kutsutaan nimellä kulmakerroin. Kulmakerroin voidaan laskea tai noutaa lämmönsiirron käsikirjan kaaviosta. Lämpösäteilyn laskemisessa käytetään aina pinnan heijastettua aluetta. Lämpösäteilyn nettovaihtuminen ei sen vuoksi ole suurempi laskostetulta tai uurteiselta pinnalta kuin sileältä pinnalta. A 2 s = 5,67*10-8 W/m 2 K4 (Stefan-Bolzmannin vakio) e 1 = Lämpöä säteilevän pinnan emissioluku e 2 = Vastaanottavan pinnan emissioluku A 1 = Lämpöä säteilevän pinnan heijastava alue (m 2 ) A 2 = Vastaanottavan pinnan heijastettu alue (m 2 ) T 1 = Lämpöä säteilevän pinnan lämpötila (K = Kelvin joka on T C +273) T 2 = Vastaanottavan pinnan lämpötila (K) On tärkeää muistaa, että kahden pinnan välinen säteilynvaihto (esim. kattolämmittimen ja lattian) ei vähene etäisyyden kasvaessa, niin kauan kuin ilma on normaalipuhdasta. Tämä johtuu siitä, että ilma ei juurikaan ime lämpösäteilyä, katso alla. Säteilyintensiteetti (teho pintayksikköä kohti) sen sijaan vähenee, ja sen mukana myös tietylle pinnalle siirretyn energian määrä, jos etäisyyttä lisätään tai pintaa käännetään. Tämä vaikuttaa faktoriin F 12 sisältyvään kulmakertoimeen, ja johtuu pintojen välisestä etäisyydestä ja kulmasta sekä pintojen koosta ja lämpötilasta. Tuttu esimerkki säteilyintensiteetin vaihtelusta on auringonsäteiden intensiteetti eri vuorokauden- ja vuodenaikoina. Maahan kohdistuva auringonsäteily vaihtelee auringon ja maan etäisyyden ja kulman mukaan. Lämpösäteilyn nettovaihto kohdistuu pintaan, jonka lämpötila on alhaisempi. Kattolämmityksessä lämpösäteily kohdistuu aina ympäröiviin huonepintoihin. Aina kun käytetään säteilylämmitystä, lämpösäteily imeytyy pintoihin, joiden lämpötila on alhaisempi kuin säteilylämmittimen, ja joiden lämpötila nousee tämän ansiosta muutamaa astetta huonelämpötilaa korkeammalle. Ilman merkitys Lämpösäteilystä ei imeydy ilmaan juuri mitään. Kaasut hiilidioksidi (CO 2 ) ja vesihöyry (H 2 O) imevät ja emittoivat lämpösäteilyä, kun taas nk. alkeiskaasut (joissa on yhdenlaisia atomeja) esim. O 2, N 2 ja H 2 ovat läpinäkyviä lämpösäteilylle. Jos ilman koostumuksessa on vain vähän CO 2 :ta (0,05 paino%) ja H 2 O:ta (0,7 paino%) ja runsaasti O 2 :ta (21 til%) ja N 2 :ta (79 til%), ilmaa voidaan pitää täysin läpinäkyvänä lämpösäteilylle normaaleissa ilmakerrostumissa (< 20 m). Ilman epänormaalilla hiukkaspitoisuudella saattaa kuitenkin olla vaikutus kattolämmittimen ja ympäröivien pintojen lämmönvaihtoon. Kattolämmityksenopas 17

18 Luku II Emissioluku Emissioluku e ilmaisee, miten paljon energiaa pinta säteilee verrattuna täydelliseen säteilypintaan eli nk. mustaan kappaleeseen. Mustan kappaleen emissioluku on 1 ja kaikissa muissa materiaaleissa 0 1. Mitä suurempi emissioluku sitä paremmin pinta säteilee ja vastaanottaa lämpöä. Alla on muutamien materiaalien emissiolukuja suorassa kulmassa pinnasta normaalissa huonelämpötilassa: Alumiini, kiiltäväksi valssattu: 0,04 Kupari, kiillotettu: 0,03 Lasi: 0,94 Puu (pyökki): 0,94 Tiili rapattu: 0,93 Betoni: 0,88 Valkoinen maali: 0,95 (Lindab Climatein kattolämmittimet) Mattapintainen musta maali: 0,97 Kuten taulukosta ilmenee, kaikki muut paitsi metallit ovat hyviä lämpösäteilijöitä/lämmön vastaanottajia. Valkoiseksi maalattu pinta on melkein yhtä hyvä kuin mustaksi maalattu mattapinta. Se on yksi syy siihen, miksi Lindab Climatein kattolämmitystuotteet on maalattu vain alapuolelta. Kattolämmittimien yläpuoli on tavallista hapetettua alumiinia, jolla sinänsä on korkeampi emissioluku kuin kiiltäväksi valssatulla alumiinilla, mutta paljon alhaisempi kuin valkoiseksi maalatulla pinnalla. Säteilyenergia voidaan tällä tavalla ohjata lämmittimen alapuolelle, missä sitä tarvitaan eniten. Lämmittimen yläpuolelle asennettu eristys auttaa myös osaltaan ohjaamaan lämpöä huoneeseen. Mielenkiintoista on, että lasilla on myös suhteellisen korkea emissioluku, joka on samaa luokkaa kuin muutamien tavallisimpien rakennus- ja sisustusmateriaalien emissioluku. Lasi ei läpäise minkäänlaista alhaisen lämpötilan säteilyä, vaan kaikki säteily imeytyy (noin 88 %) tai heijastuu (noin 12 %). Auringon säteily, jonka lämpötila on huomattavasti korkeampi ja aallonpituus siten lyhyempi, pääsee kuitenkin läpi. Tästä johtuu mm. käsite "kasvihuoneilmiö" juuri kasvihuoneissa ja muissa, suurista lasipinnoista koostuvissa rakennuksissa. Terminen tasapaino ja lämpösäteily Ihmisen keho on ympäristöönsä nähden lämmin ja säteilee osan ylimääräisestä lämmöstä ympäristöön. Kun ympäröivien pintojen lämpötila on tavallista korkeampi, kuten säteilylämmitystä käytettäessä on, keho säteilee vähemmän lämpöä. Henkilö kokee ympäristön sen vuoksi lämpimämpänä, koska hänestä lähtevä säteily on samassa ilmalämpötilassa alhaisempi kuin perinteisellä lämmityksellä. Käytettäessä säteilylämmitystä ilman lämpötilaa voidaan tämän vuoksi laskea operatiivisen lämpötilan pysyessä silti samana. Ilman lämpötilaa voidaan laskea normaalisti 1 2 C [4] operatiivisen lämpötilan pysyessä silti vaadituissa rajoissa. Huoneessa lämpösäteily joko imeytyy tai heijastuu. Lämpösäteilyn imeytyminen nostaa pinnan lämpötilaa. Sisustus- ja rakennusmateriaaleista heijastuu normaalisti vain noin 5 10 %, eli suurin osa säteilystä imeytyy pintoihin. Tämä on ensisijainen selitys sille, että pöydän alapuolisten [1] pintojen lämpötila on muutamaa astetta ilman lämpötilaa korkeampi. Kaikki pinnat, myös sisustuksen ja huonekalujen pintamateriaalit, imevät lämpösäteilyä, jolloin niiden lämpötila nousee ilman ympäröivää lämpötilaa korkeammaksi. Sekä ilman lämpötila että operatiivinen lämpötila tasoittuvat näin myös niissä osissa, joihin kattolämmityksellä ei ole "suoraa näköyhteyttä". Viitteessä [1] ilmoitetaan pöydän alapuolen ja sivujen ilman lämpötilan eroksi 0 0,9 C mittauskohteesta riippuen. Merkittävää on, että pöydän alapuolen pintalämpötilat olivat 0,7 3,2 C ilman lämpötilaa korkeammat. Katosta tuleva säteilylämpö lämmittää näin siis myös pöydän alapuolen. Viitteessä [2] selvitetään, miten koulupulpetin sivujen ja alapuolen lämpötilaerot ovat korkeintaan 0,3 C. Säteilylämpötilan eroavuudeksi ilmoitetaan korkeintaan 1,6 C. Esimerkiksi lastentarhassa, toimistoissa, kouluissa ja teollisuudessa tekemiemme mittausten mukaan operatiivisen lämpötilan eroavuus pöytien alapuolten ja sivujen välillä on noin 0,2 0,4 C. Kylmälaskeuma Ikkunasta mahdollisesti tulevan kylmälaskeuman kokeminen riippuu monista tekijöistä. Tärkeimpiä ovat mm. ikkunan U-arvo, ikkunasyvennyksen muoto, ilmastointi, ilman hajottajan sijainti ja ominaisuudet, lämmitysjärjestelmä, henkilön vaatetus ja fyysinen aktiviteetti, huoneen geometria ja kalustus, imeytyminen ja ulkolämpötila [5] [6] [7]. Ei siis ole kysymys ainoastaan siitä, sijaitseeko lämmitin ikkunan alla vai katossa. Takareunasta sisäänpu- Kattolämmityksenopas 18

19 Luku II haltava tuloilmalaite, jonka heittopituus on liian pitkä ja puhalluslämpötila alhainen, saattaa olla syynä kylmälaskeuman muodostumiseen. Ikkunoiden alapuolelle sijoitetut patterit saattavat myös olla syynä kylmälaskeumalle, jos ikkunan lähellä on esimerkiksi pöytä. Patterista nouseva lämmin ilma jää pöydän alle, ja kylmä ilma laskeutuu pöydälle ja siitä edelleen lattialle [7]. Viitteissä [1] [2] ja [3] on todettu ikkunan sisäpinnan lämpötilan kohonneen sen vuoksi, että lasipinnat ovat imeneet lämpösäteilyä. Tutkimuksille on yhteistä se, että lämpösäteilyn on todettu jakautuvan eri tavoin ikkunan pinnalle. Ikkunan lämpötila on yläosassa jonkin verran alaosaa korkeampi; noin 2 10 C mittauspisteestä ja tapauksesta riippuen. Ikkuna oli kaikissa kokeissa kaksilasinen. Nykyaikaisissa taloissa, joissa on kolmilasiset ikkunat, lämpötila kohoaa vieläkin enemmän. Omat mittauksemme, joissa olemme tutkineet kattolämmittimen lämmittämän ikkunan pintalämpötiloja, ovat antaneet tuloksia, joissa kaksilasisen ikkunan pintalämpötila on C ja kolmilasisen ikkunan C ulkolämpötilan ollessa 0-5 C. Viitteessä [2] todettiin, että ikkunalaudoilla on kylmälaskeumaa ehkäisevä vaikutus. Tämä johtuu siitä, että kattolämmitys lämmittää ikkunalaudan ja että ikkunalauta keskeyttää alas kulkevan ilmavirtauksen ja sekoittaa siihen lämpimämpää huoneilmaa. Laskuesimerkki Säteilylämmön siirtokaavan mukaan kahden pinnan välinen lämpötilaero on suhteellisen merkittävä, varsinkin kun lämpötila ilmaistaan Kelvin-asteilla ja korotetaan neljään. Kaavan mukaan suurin osa lämpösäteilystä kohdistuu automaattisesti kylmille pinnoille, mikä on lämmitysjärjestelmän kannalta ihanteellista. Kaaviossa selvitetään lämpösäteilyn jakautumista seinäpinnalle (ulkoseinä). Kattolämmittimien ja seinän välinen lämmönvaihto on laskettu jokaiselle seinädesimetrille luvussa II olevien kaavojen ja kulmakertoimien kaavojen avulla. Kattoon on asennettu kaksi lämmitintä seinän suuntaisesti 1,7 ja 5,25 m:n etäisyydelle seinästä. Mitat on otettu kattolämmittimien sijaintia käsittelevästä kaaviosta luvussa V. Oletetut olosuhteet vallitsevat kylmänä talvipäivänä. On mielenkiintoista huomata, että paneelien lämpösäteily on maksimissaan eri osissa seiniä. Tämä 5 m 1,7 m 1 m 1 m 5,25 m Laskuesimerkin oletettu huone. johtuu siitä, että kulmakerroin on erilainen seinään nähden. On myös ilmeistä, että ikkunaan kohdistuu enemmän lämpösäteilyä kuin ikkunan viereiseen seinään. Syy tähän on, kuten yllä mainittiin, ikkunan pinnan alhaisempi lämpötila, minkä vuoksi se imee enemmän lämpösäteilyä. Ikkunan pinta lämpenee sen vuoksi huomattavasti enemmän, kuin jos huoneen lämmönlähde olisi täysin konvektiivinen, esim. lämminilmapuhallin. Ikkunan lämpeneminen noin 15 C:seen vähentää huomattavasti kylmälaskeuman vaaraa. Seuraavassa on yhteenveto kattolämmityksen käytöstä: Sisätiloissa olevien pintojen emissioluvut ovat melko samat, noin 0,88 0,95. Huonekorkeus ei vaikuta lämpösäteilyn siirtymiseen kattolämmittimestä muihin pintoihin. Lämpösäteilyä imeytyy automaattisesti enemmän kylmemmille pinnoille. Ilman lämpötilaa voidaan normaalisti laskea 1 2 C operatiivisen lämpötilan pysyessä muuttumattomana, koska ympäröivät pinnat lämpenevät lämpösäteilyn vaikutuksesta. Ilman lämpötilan ja operatiivisen lämpötilan välillä ei juurikaan esiinny eroa pöydän alla ja sen sivuilla. Kattolämmittimen säteilemä lämpö lämmittää ikkunan sisäpuolen, jolloin kylmälaskeuman vaara pienenee. Kattolämmityksenopas 19

20 Luku II Etäisyys lattiasta (m) 5,0 4,5 4,0 3,5 Paneeli 1,7 m seinästä Paneeli 5,25 m seinästä 3,0 2,5 Lämpösäteily molemmista paneeleista 2,0 1,5 Ikkuna 1,0 0, Säteilyteho (W) Kuva kertoo, miten kahden paneelin lämpöteho jakautuu ikkunalla varustetulle ulkoseinälle. Seuraavat seikat ovat voimassa: Seinä: Ikkuna: - korkeus: 5 m - leveys: 10 m - emissioluku: 0,9 - ulkolämpötila: 22 C - ikkunanalustan korkeus: 1 m - ikkunan korkeus: 1 m - leveys: 10 m - emissioluku: 0,94 - pintalämpötila: 15 C Kattolämmitin: - leveys: 1 m - pituus: 10 m - emissioluku 0,95 - pintalämpötila: 40 C - asennuskorkeus: 5 m Kattolämmityksenopas 20