TUTKIMUSRAPORTTI RTE2183/02. Matalaenergiaharkkotalo Ratkaisumallit VTT RAKENNUS- JA YHDYSKUNTATEKNIIKKA

Transkriptio

1 ESPOO 2002 TUTKIMUSRAPORTTI RTE2183/02 Matalaenergiaharkkotalo Ratkaisumallit VTT RAKENNUS- JA YHDYSKUNTATEKNIIKKA

2 TUTKIMUSRAPORTTI NRO RTE2183/02 Matalaenergiaharkkotalo Ratkaisumallit Juhani Laine, Mikael Salonvaara & Mikko Saari VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

3 Copyright VTT 2002 JULKAISIJA VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka, Lämpömiehenkuja 3, PL 1804, VTT puh. vaihde (09) 4561, faksi (09) RAPORTIN JAKELU Suomen Betonitieto Oy PL 11, (Unioninkatu 14), HELSINKI puh. (09) faksi (09) Toimitus Auli Rautakivi Espoo 2002

4 Tiivistelmä Matalaenergiapientalo voidaan rakentaa kevytsoraharkkorakenteisena tässä selvityksessä esitettyjen ratkaisumallien ja suositusratkaisujen mukaan. Matalaenergiatalo määriteltiin seuraavasti: "matalaenergiatalon lämmittämiseen kuluu alle puolet voimassa olevien normien mukaisen talon kulutuksesta ja ulkoseinän lämmönläpäisykerroin on alle 0.20 W/m²K". Suunnittelun lähtökohtana on puhdas sisäilma, vedoton ja lämmin talo sekä tutkitusti toimivat ja kestävät rakenneratkaisut. Nykyisten normien mukaan rakennetun pientalon lämmittämiseen kuluu 160 kwh/m² energiaa vuodessa. Pientalot rakennetaan usein normeja paremmin ja tyypillinen lämmitysenergiankulutus on noin 120 kwh/m² vuodessa. Matalaenergiaharkkotalon lämmittämiseen kuluu energiaa vain 60 kwh/m² tai 40 kwh/m² vuodessa ratkaisumallista riippuen. Suositusratkaisuissa matalaenergiatalon harkkorakenteisten ulkoseinän lämmönläpäisykerroin (U-arvo) voi olla W/m²K, jos muiden rakenteiden lämpöhäviöitä vastaavasti pienennetään. Suositusratkaisuissa parannettiin myös ikkunoiden ja muiden rakenteiden lämmöneristävyyttä tasapuolisesti niin, että ratkaisut olivat teknisesti ja taloudellisesti järkeviä. Lisäksi esimerkiksi ikkunan ja harkkoseinän liitoskohdan lämpöteknistä toimivuutta parannettiin. Ilmanvaihtojärjestelmä oli koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihtojärjestelmä, jonka poistoilman lämmöntalteenoton hyötysuhde oli 50 % tai 65 %. 3

5 Alkusanat Selvityksen tilaaja oli Suomen Betonitieto Oy. Projektin johtoryhmään kuuluivat Seppo Petrow, Suomen Betonitieto Oy:stä, puheenjohtaja, Heikki Korhonen, Reikäbetoni Oy:stä, Tuomo Kovanen, Rakennusbetoni ja elementti Oy:stä, Jouko Partanen ja Mikko Pöysti, Optiroc Oy:stä, Jukka Parviainen ja Pekka Tikkanen, HB-Betoniteollisuus Oy:stä sekä Tuomo Sahlsten, Lakan betoni Oy:stä. VTT:n tutkimusryhmään kuuluivat Juhani Laine, vastuualueenaan matalaenergiarakentamisen kokonaisvaltainen kehittäminen, Mikael Salonvaara, vastuualueenaan harkkorakenteiden lämpö- ja kosteustekniset analyysit ja Mikko Saari, vastuualueenaan energiankulutuksen määrittäminen ja raportointi sekä johtoryhmän sihteerinä toimiminen. 4

6 Sisällysluettelo Tiivistelmä...3 Alkusanat Johdanto Mallipientalot Mallitalojen energiankulutustasot Nykyiset harkkorakenteet Eristeharkko Ikkunan ylityspalkki Ikkunan ylitys eristeharkolla Matalaenergiaharkkorakenteet Harkon lämmönläpäisykertoimen parantaminen Matalaenergiaharkon lämpötekninen toiminta Harkko paikalla paisutetulla eristeellä Matalaenergiapalkkiharkko Ikkunan alapuolinen liitos Välipohjan liitos Rakennusmassan lämpötekninen hyödyntäminen Matalaenergiaratkaisuvaihtoehtojen vertailu Perusteita vaihtoehtoisille lämmitysjärjestelmille Ilmanvaihtolämmitys Rakennelämmitys Varaava lämmitys Tulisijalämmitys Vaihtoehtoisten ilmanvaihtojärjestelmien soveltuvuus Poistoilmanvaihto Tulo- ja poistoilmanvaihtojärjestelmä lämmöntalteenotolla Matalaenergiaharkkotalon suositusratkaisut...48 Lähdeluettelo

7 1. Johdanto Työssä määriteltiin kevytsoraharkkorakenteisen matalaenergiatalon ratkaisumallit. Tavoitteena oli kehittää harkkorakenteinen pientalo, jonka lämmittämiseen kuluu ostettua lämmitysenergiaa parhaimmillaan vain 25 % nykytasosta tinkimättä hyvästä sisäilmastosta. Matalaenergiatalon määrittely yleisellä tasolla mielletään helpoksi ja yksinkertaiseksi tehtäväksi, mutta taitamaton suunnittelu voi tuoda mukanaan ongelmia. Kun talon lämmöntarve pienenee, niin erityisesti detaljit ja käytännön ratkaisut, mm. kylmäsiltojen eliminointi sekä tiiviit liitos- ja läpivientiratkaisut tulevat merkittäviksi. Lisäksi usein unohdetaan talotekniikan putkistojen ja kanavistojen lämmöneristys ja reitityssuunnittelu sekä talotekniikan ja rakenteiden yhteensovitus. Harkkorakenteisen matalaenergiatalon määrittely eri energiankulutustasoille on tärkeää harkkorakenteisten pientalojen kehittämisen kannalta. Ratkaisuvaihtoehdot määriteltiin sekä harkkojen eritasoisille lämmöneristyskyvyille että talon eri energiankulutustasoille. Tulokseksi saatiin konkreettisia vaihtoehtoja ja suunnittelun lähtötietoja, joiden pohjalta eri suunnittelijat voivat helposti määritellä toimivat käytännön ratkaisut. Selvitys pohjautuu laskennallisiin tarkasteluihin ja runsaisiin tutkimus-, kehitys- ja koerakentamistuloksiin. 6

8 2. Mallipientalot Kehitystyössä ja energiankulutuslaskelmissa käytettiin esimerkkeinä kolmea mallitaloa, jotka esitetään kuvassa 1. Talot vastaavat kooltaan keskimääräistä nykyisin rakennettavaa pientaloa. Kaikkien talojen huoneistoala on 140 m², kerrosala on 165 m² ja rakennustilavuus 500 m³ m 10 m pohja 1-kerroksinen pientalo 10.3 m 8 m pohja 2-kerroksinen pientalo 10.3 m 8 m pohja kellarillinen pientalo (rinneratkaisu) Kuva 1. Kehitystyössä käsiteltävät mallipientalot. 7

9 3. Mallitalojen energiankulutustasot Mallitalojen energiankulutustasot määritettiin siten, että rakennuksen lämmityksen mitoituslämmitystehontarvetta eli lämpöhäviöitä pienennettiin 100 %:sta 75 %:iin, 50 %:iin ja 25 %:iin. Perustapaus (Normitalo 100 %) vastaa voimassa olevia rakennusten energiamääräyksiä (Suomen rakentamismääräyskokoelma. Osa C ). Omaan käyttöön tulevat pientalot rakennetaan usein selvästi minimivaatimuksia paremmiksi. Normitalo 75 % vastaa uusien, kesällä 2001 lausunnolla olleiden energiamääräysten tasoa. Matalaenergiatalo 50 % ja matalaenergiatalo 25 % ovat jo huomattavasti normitaloja parempia. Kolmen mallipientalon lämmitysenergiankulutukset ovat kuvissa 2-4. Tarkemmat laskentatiedot esitetään taulukoissa kerroksinen pientalo Lämmitysenergia, kwh/m² vuodessa Normitalo 100% Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 50 % Matalaenergiatalo 25 % Kuva 2. 1-kerroksisten harkkopientalojen ratkaisuvaihtoehtojen lämmitysenergiankulutukset. 8

10 2-kerroksinen pientalo Lämmitysenergia, kwh/m² vuodessa Normitalo 100% Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 50 % Matalaenergiatalo 25 % Kuva 3. 2-kerroksisten harkkopientalojen ratkaisuvaihtoehtojen lämmitysenergiankulutukset. Kellarillinen pientalo 180 Lämmitysenergia, kwh/m² vuodessa Normitalo 100% Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 50 % Matalaenergiatalo 25 % Kuva 4. Kellarillisten harkkopientalojen ratkaisuvaihtoehtojen lämmitysenergiankulutukset. 9

11 Taulukko 1. 1-kerroksisen harkkopientalon laskennallinen energiankulutus vuodessa. 1-kerroksinen pientalo Normitalo 100% Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 50 % Matalaenergiatalo 25 % Rakennustilavuus rak-m³ Kerrosala krs-m² Lämmin huoneala m² Kerroskorkeus m Huonekorkeus m Lämmin ilmatilavuus m³ Rakenneosien pinta-alat - ulkoseinät m² maanvastaiset ulkoseinät m² tuuletetut alapohjat m² maanvastaiset alapohjat m² yläpohjat m² ikkunat m² etelä (40 %) m² pohjoinen (20 %) m² itä (20 %) m² länsi (20 %) m² ulko-ovet m² Rakenneosien U-arvot - ulkoseinät W/m²K maanvastaiset ulkoseinät W/m²K tuuletetut alapohjat W/m²K maanvastaiset alapohjat W/m²K yläpohjat W/m²K ikkunat W/m²K ulko-ovet W/m²K Ikkunan auringon säteilyn läpäisykerroin Tehollinen lämpökapasiteetti kwh/k Ulkovaipan ilmanpitävyys n 50 -luku, 1/h Vuotoilmanvaihtokerroin 1/h Ilmanvaihdon ilmavirta m³/s ilmanvaihtokerroin 1/h ilmanvaihtokerroin dm³/s/m² ilmanvaihdon käyttöaika jatkuva käyttö jatkuva käyttö jatkuva käyttö jatkuva käyttö Ilmanvaihdon LTO:n hyötysuhde % 0 % 25 % 50 % 75 % Puhallinsähköteho W/(dm³/s) Valaistussähköluokka D D D D Laitesähköluokka D D D D Veden kulutus dm³/henk/vrk veden kulutus m³/rak-m³/a lämpimän veden osuus % 40 % 40 % 40 % 40 % Asukkaiden lukumäärä henkilökuorma kwh/rak-m³/kk Huoneistojen lukumäärä Kerrosten lukumäärä Sisälämpötila C Mitoitusulkolämpötila (vyöh. I) C Mitoitusulkolämpötila (vyöh. IV) C Talojen rakenteiden ja ilmanvaihdon lämpöhäviöt Rakenneosien konduktanssit W/K Ilmanvaihdon lämpökapasiteettivirta W/K Vuotoilman lämpökapasiteettivirta W/K Yhteensä W/K Lämpöhäviöiden vertailu % 100 % 73 % 47 % 26 % Rakennuksen aikavakio h Tilojen lämmitysenergiankulutus kwh/a (vyöhyke I, Helsinki) kwh/m³/a kwh/m²/a Lämmitystarpeen vertailu % 100 % 66 % 34 % 11 % Lämpimän käyttöveden energia kwh/a kwh/m³/a kwh/m²/a Sähkönkulutus kwh/a kwh/m³/a #VALUE! kwh/m²/a Lämmitystehontarve kw (vyöhyke I, Helsinki) W/m³ W/m² Tilojen lämmitysenergia kwh/a (vyöhyke IV, Sodankylä) kwh/m³/a kwh/m²/a Lämmitystehontarve kw (vyöhyke IV, Sodankylä) W/m³ W/m²

12 Taulukko 2. 2-kerroksisen harkkopientalon laskennallinen energiankulutus vuodessa. 2-kerroksinen pientalo Normitalo 100% Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 50 % Matalaenergiatalo 25 % Rakennustilavuus rak-m³ Kerrosala krs-m² Lämmin huoneala m² Kerroskorkeus m Huonekorkeus m Lämmin ilmatilavuus m³ Rakenneosien pinta-alat - ulkoseinät m² maanvastaiset ulkoseinät m² tuuletetut alapohjat m² maanvastaiset alapohjat m² yläpohjat m² ikkunat m² etelä (40 %) m² pohjoinen (20 %) m² itä (20 %) m² länsi (20 %) m² ulko-ovet m² Rakenneosien U-arvot - ulkoseinät W/m²K maanvastaiset ulkoseinät W/m²K tuuletetut alapohjat W/m²K maanvastaiset alapohjat W/m²K yläpohjat W/m²K ikkunat W/m²K ulko-ovet W/m²K Ikkunan auringon säteilyn läpäisykerroin Tehollinen lämpökapasiteetti kwh/k Ulkovaipan ilmanpitävyys n 50 -luku, 1/h Vuotoilmanvaihtokerroin 1/h Ilmanvaihdon ilmavirta m³/s ilmanvaihtokerroin 1/h ilmanvaihtokerroin dm³/s/m² ilmanvaihdon käyttöaika jatkuva käyttö jatkuva käyttö jatkuva käyttö jatkuva käyttö Ilmanvaihdon LTO:n hyötysuhde % 0 % 25 % 50 % 75 % Puhallinsähköteho W/(dm³/s) Valaistussähköluokka D D D D Laitesähköluokka D D D D Veden kulutus dm³/henk/vrk veden kulutus m³/rak-m³/a lämpimän veden osuus % 40 % 40 % 40 % 40 % Asukkaiden lukumäärä henkilökuorma kwh/rak-m³/kk Huoneistojen lukumäärä Kerrosten lukumäärä Sisälämpötila C Mitoitusulkolämpötila (vyöh. I) C Mitoitusulkolämpötila (vyöh. IV) C Talojen rakenteiden ja ilmanvaihdon lämpöhäviöt Rakenneosien konduktanssit W/K Ilmanvaihdon lämpökapasiteettivirta W/K Vuotoilman lämpökapasiteettivirta W/K Yhteensä W/K Lämpöhäviöiden vertailu % 100 % 74 % 48 % 25 % Rakennuksen aikavakio h Tilojen lämmitysenergiankulutus kwh/a (vyöhyke I, Helsinki) kwh/m³/a kwh/m²/a Lämmitystarpeen vertailu % 100 % 65 % 33 % 10 % Lämpimän käyttöveden energia kwh/a kwh/m³/a kwh/m²/a Sähkönkulutus kwh/a kwh/m³/a #VALUE! kwh/m²/a Lämmitystehontarve kw (vyöhyke I, Helsinki) W/m³ W/m² Tilojen lämmitysenergia kwh/a (vyöhyke IV, Sodankylä) kwh/m³/a kwh/m²/a Lämmitystehontarve kw (vyöhyke IV, Sodankylä) W/m³ W/m²

13 Taulukko 3. Kellarillisen harkkopientalon laskennallinen energiankulutus vuodessa. Kellarillinen rinnepientalo Normitalo 100% Normitalo 75 % Matalaenergiatalo 50 % Matalaenergiatalo 25 % Rakennustilavuus rak-m³ Kerrosala krs-m² Lämmin huoneala m² Kerroskorkeus m Huonekorkeus m Lämmin ilmatilavuus m³ Rakenneosien pinta-alat - ulkoseinät m² maanvastaiset ulkoseinät m² tuuletetut alapohjat m² maanvastaiset alapohjat m² yläpohjat m² ikkunat m² etelä (40 %) m² pohjoinen (20 %) m² itä (20 %) m² länsi (20 %) m² ulko-ovet m² Rakenneosien U-arvot - ulkoseinät W/m²K maanvastaiset ulkoseinät W/m²K tuuletetut alapohjat W/m²K maanvastaiset alapohjat W/m²K yläpohjat W/m²K ikkunat W/m²K ulko-ovet W/m²K Ikkunan auringon säteilyn läpäisykerroin Tehollinen lämpökapasiteetti kwh/k Ulkovaipan ilmanpitävyys n 50 -luku, 1/h Vuotoilmanvaihtokerroin 1/h Ilmanvaihdon ilmavirta m³/s ilmanvaihtokerroin 1/h ilmanvaihtokerroin dm³/s/m² ilmanvaihdon käyttöaika jatkuva käyttö jatkuva käyttö jatkuva käyttö jatkuva käyttö Ilmanvaihdon LTO:n hyötysuhde % 0 % 25 % 50 % 75 % Puhallinsähköteho W/(dm³/s) Valaistussähköluokka D D D D Laitesähköluokka D D D D Veden kulutus dm³/henk/vrk veden kulutus m³/rak-m³/a lämpimän veden osuus % 40 % 40 % 40 % 40 % Asukkaiden lukumäärä henkilökuorma kwh/rak-m³/kk Huoneistojen lukumäärä Kerrosten lukumäärä Sisälämpötila C Mitoitusulkolämpötila (vyöh. I) C Mitoitusulkolämpötila (vyöh. IV) C Talojen rakenteiden ja ilmanvaihdon lämpöhäviöt Rakenneosien konduktanssit W/K Ilmanvaihdon lämpökapasiteettivirta W/K Vuotoilman lämpökapasiteettivirta W/K Yhteensä W/K Lämpöhäviöiden vertailu % 100 % 73 % 47 % 25 % Rakennuksen aikavakio h Tilojen lämmitysenergiankulutus kwh/a (vyöhyke I, Helsinki) kwh/m³/a kwh/m²/a Lämmitystarpeen vertailu % 100 % 65 % 33 % 9 % Lämpimän käyttöveden energia kwh/a kwh/m³/a kwh/m²/a Sähkönkulutus kwh/a kwh/m³/a #VALUE! kwh/m²/a Lämmitystehontarve kw (vyöhyke I, Helsinki) W/m³ W/m² Tilojen lämmitysenergia kwh/a (vyöhyke IV, Sodankylä) kwh/m³/a kwh/m²/a Lämmitystehontarve kw (vyöhyke IV, Sodankylä) W/m³ W/m²

14 4. Nykyiset harkkorakenteet Nykyisten harkkorakenteiden lämpötekninen toiminta ja lämmönläpäisykertoimet laskettiin kaksiulotteisen lämpötilakentän ratkaisuun perustuvalla laskentamallilla. Laskelmat tehtiin nykytapaan eristetylle harkkoseinälle. Lisäksi laskettiin ikkunan päälle asennettavan palkkiharkon vaikutus seinän U-arvoon. Vertailutapauksena oli tavanomaisesta eristeharkosta tehty palkki. Lähtötiedot perustuvat (mm. harkkojen rakenne ja mitat) Optiroc Oy:n Lecaterm-harkko-esitteisiin. Kuvissa 5, 6 ja 7 ovat laskettujen rakennevaihtoehtojen lämpötilakentät. Nykyisen harkon mitat ja rakenne: Paksuus Korkeus 300 mm 190 mm Vaakasaumassa oli 10 mm kerros laastia ja eristeen kohdalla oli mineraalivillaa 10 mm. Pystysaumoja ei ole otettu huomioon (kaksiulotteinen laskenta). Ulko- ja sisäpinnassa oli 15 mm laastia. Puukarmisen MSE-ikkunan U-arvo oli 1.4 W/m²K. Materiaalien lämmönjohtavuudet, W/mK (arvoja käytetään kaikissa esitetyissä laskelmissa ellei toisin mainita) Betoni 1.7 Polyuretaani Puu 0.12 Kevytsoraharkko 0.21 Laasti (kiinnitys/tasoitus) 1.0 Mineraalivilla Laskentatilanteen lämpötilat: (arvoja käytetään kaikissa esitetyissä laskelmissa ellei toisin mainita) Ulkoilma -20 C Sisäilma +20 C Sisäpinnan lämmönvastus on 0.13 m 2 K/W ja ulkopinnan 0.07 m 2 K/W. Eristeharkon tutkimustulokset: Eristeharkkoseinän U-arvo on 0.23 W/m²K Ikkunan ylityspalkin tutkimustulokset: - Ikkunan yläpuolella oleva palkkiharkko vastaa lämpöhäviöltään 3.4 eristeharkkoriviä - Ikkunan yläpuolella olevan palkkiharkon U-arvo on 0.56 W/m²K 13

15 - Palkkiharkon yläpuolella olevan harkon U-arvo on 0.39 W/m²K Palkkiharkon häiriö näkyy vielä kolmannessakin yläpuolisessa harkkorivissä, U-arvo lienee siinä noin 0.3 W/m²K (kolmatta riviä ei ollut mukana laskennassa). Tästä ylöspäin häiriötä ei tarvinne ottaa huomioon. Ikkunan ylitys eristeharkon tutkimustulokset: - Ikkunan yläpuolella oleva eristeharkko vastaa lämpöhäviöltään 1.7 eristeharkkoriviä - Ikkunan yläpuolella olevan eristeharkon U-arvo on 0.37 W/m²K Eristeharkon yläpuolella olevan harkon U-arvo on 0.25 W/m²K 4.1 Eristeharkko Eristeharkon rakennekerrokset ulkopinnasta sisäpintaan: laasti 15 mm, harkko 105 mm, polyuretaani 90 mm, harkko 105 mm ja laasti 15 mm. -20 C +20 C U-arvo on 0.23 W/m²K Kuva 5. Eristeharkkoseinän lasketut lämpötilakentät pystyleikkauksessa. U-arvo on 0.23 W/m²K. 14

16 4.2 Ikkunan ylityspalkki Eristeharkkorakenteisen ikkunan ylityspalkin rakennekerrokset ulkopinnasta sisäpintaan: laasti 15 mm, harkko n. 105 mm, polyuretaani 50 mm, betoni n. 80 mm, harkko n. 60 mm ja laasti 15 mm. Alareunassa oli 50 mm eristämätöntä harkkoa läpi seinän. Kolmannen harkon U-arvo on n W/m²K U-arvo on 0.39 W/m²K -20 C +20 C U-arvo on 0.56 W/m²K Kuva 6. Ikkunan yläpuolisen palkkiharkon lasketut lämpötilakentät (pystyleikkaus). Ikkunan yläpuolella oleva palkkiharkko vastaa lämpöhäviöltään 3.4 eristeharkkoriviä. Ikkunan yläpuolella olevan palkkiharkon U-arvo on 0.56 W/m²K ja sen yläpuolella olevan harkon U-arvo on 0.39 W/m²K. Palkkiharkon häiriö näkyy vielä kolmannessakin yläpuolisessa harkkorivissä, U-arvo lienee siinä noin 0.3 W/m²K. Kolmas harkkorivi ei ollut mukana laskennassa. Tästä ylöspäin häiriötä ei tarvinne ottaa huomioon. 15

17 4.3 Ikkunan ylitys eristeharkolla Eristeharkon rakennekerrokset ulkopinnasta sisäpintaan: laasti 15 mm, harkko 105 mm, polyuretaani 90 mm, harkko 105 mm ja laasti 15 mm. U-arvo on 0.25 W/m²K -20 C +20 C U-arvo on 0.37 W/m²K Kuva 7. Ikkunan yläpuolisen harkon lasketut lämpötilakentät. Palkkiharkko on korvattu tavanomaisesti eristetyllä harkolla. Ikkunan yläpuolella oleva eristeharkko vastaa lämpöhäviöltään 1.7 eristeharkkoriviä. Ikkunan yläpuolella olevan eristeharkon U-arvo on 0.37 W/m²K ja sen yläpuolella olevan harkon U-arvo on 0.25 W/m²K. Läpimenevä laastikerros ikkunan vastaisessa pinnassa heikentää lämmöneristävyyttä merkittävästi. 16

18 5. Matalaenergiaharkkorakenteet 5.1 Harkon lämmönläpäisykertoimen parantaminen Harkkoseinän eristepaksuuden lisääminen ja paremmin lämpöä eristävän eristemateriaalin käytön vaikutus seinän lämmönläpäisykertoimeen (U-arvo) esitetään kuvassa 8. Harkkoseinän U-arvo, W/m²K Harkkoseinän eristyspaksuuden lisääminen (laskenta C4:n mukaan) Harkkoseinän kokonaispaksuus, mm Normitalo 100 % Eristeen lämmönjohtavuus W/mK 0.25 Normitalo 75 % Eristeen lämmönjohtavuus W/mK Eristeen lämmönjohtavuus W/mK Matalaenergiatalo 50 % 0.10 Matalaenergiatalo 25 % Eristyspaksuus, mm Kuva 8. Energialaskentatapauksia vastaavat harkkoratkaisuesimerkit (yksinkertaistettu laskentamenetelmä). Matalaenergiatasoisen harkkoseinän eristyspaksuus on yli kaksinkertainen nykyisiin eristeharkkoihin verrattuna. 17

19 5.2 Matalaenergiaharkon lämpötekninen toiminta Uuden matalaenergiaharkon U-arvo laskettiin. Lisäksi arvioitiin eristeen lohenpyrstöliitosten vaikutus U-arvoon sekä erilaisten vaakasaumaratkaisujen vaikutusta. Uuden matalaenergiaharkon lämpötekninen toiminta ikkunaliitoksessa ja välipohjaliitoksessa selvitettiin. Laskelmien tulokset ovat taulukossa 4 ja kuvissa 9 ja 10. Matalaenergiaharkon mitat ja rakenne: - paksuus 380 mm - korkeus 190 mm Matalaenergiaharkon rakennekerrokset ulkopinnasta sisäpintaan: laasti 15 mm, harkko 100 mm, polyuretaani 160 mm, harkko 120 mm ja laasti 15 mm. Vaakasaumassa oli 10 mm kerros laastia ja eristeen kohdalla oli mineraalivillaa 10 mm. Pystysaumoja ei otettu huomioon (kaksiulotteinen laskenta). Puukarmisen matalaenergiaikkunan U-arvo oli 0.6 W/m²K. Ulkopuolisessa harkossa lohenpyrstöt harkon sisällä, eristeen tehollinen paksuus 160 mm, sisäpuolinen harkko mm (lohenpyrstöt harkon pinnassa). Päätulokset: - matalaenergiaharkkoseinän U-arvo on 0.14 W/m²K (kuva 9) - läpimuuraus heikentää U-arvoa merkittävästi (taulukko 4 ja kuva 10) - uusi matalaenergiaikkuna ei lisää merkittävästi harkkoseinän lämmönläpäisyä - välipohjaliitokseen ei synny kylmäsiltaa Taulukko 4. Läpimuuratun laastisauman vaikutus seinän U-arvoon. Läpimuuratut laastisaumat U-arvo, W/m 2 K 1 m:n korkuiselle seinän osalle, saumoja läpi eristeen 1 kpl / m (joka viides sauma) ,6 m:n korkuiselle seinän osalle, saumoja läpi eristeen 1 kpl / 0,6 m (joka kolmas sauma) ei laastisaumoja läpi eristeen

20 Kuva 9. Matalaenergiaharkkoseinän lasketut lämpötilakentät. U-arvo on W/m²K. HUOM. ilman lohenpyrstöjä matalaenergiaharkon U-arvo on W/m²K eli lohenpyrstöt heikentävät U-arvoa n. 3 %. Vastakkaisten lohenpyrstöjen sijainti vaikuttaa keskimääräiseen eristyspaksuuteen ja siten myös U-arvoon. Pienillä eristyspaksuuksilla lohenpyrstöjen vaikutus korostuu. Lohenpyrstöt sijaitsevat kuvassa optimaalisesti. 19

21 -20 C +20 C Kuva 10. Matalaenergiaharkkoseinän lasketut lämpötilakentät. Keskimmäisessä vaakasaumassa kiinnityslaastia on pursonnut läpi sauman eristeen kohdallekin. Laasti heikentää koko seinän U-arvoa jopa %. 20

22 5.3 Harkko paikalla paisutetulla eristeellä Eristeharkkoja valmistetaan myös paisuttamalla polyuretaani valmistusvaiheessa ulkoja sisäpuolisen kevytsoraharkon väliin. Polyuretaani liimautuu tiukasti kiinni harkkojen pintaan. Lohenpyrstöliitoksia ei tarvita. Paikalla paisutetun polyuretaanin lämmönjohtavuus voi olla pienempi kuin polyuretaanin normaali suunnitteluarvo. Eristeharkon parempi lämmöneristävyys on kuitenkin osoitettava esim. tyyppihyväksyntämittauksilla ja siihen liittyvällä laadunvalvonnalla. Näissä laskelmissa käytettiin paikalla paisutetun polyuretaanin lämmönjohtavuutena (λ) arvoja W/mK ja W/mK. Polyuretaanin λ:n parantaminen W/m²K -> W/mK vastaa noin 20 mm PUeristekerroksen lisäystä. Paikalla paisutetun eristeharkon mitat ja rakenne: - paksuus 320 mm (tuotetta ei ole julkaisuhetkellä tuotannossa) - korkeus 190 mm Perustapauksessa matalaenergiaharkon rakennekerrokset ulkopinnasta sisäpintaan: laasti 5 mm, harkko 100 mm, polyuretaani 120 mm, harkko 100 mm ja laasti 5 mm. Vaihtoehtoisessa harkossa ulkoharkkoa oli ohennettu (80 mm) ja eristekerrosta paksunnettu (140 mm). Vaakasaumassa oli 10 mm kerros laastia ja eristeen kohdalla oli mineraalivillaa 10 mm. Pystysaumoja ei otettu huomioon (kaksiulotteinen laskenta). Kuvissa 11 ja 12 esitetään matalaenergiaharkon lämpötilakentät ja lämpövuon tiheydet, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/mK. Kuvissa 13 ja 14 on vastaavat tulokset, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/mK. Kuvissa 15 ja 16 on tulokset, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/mK ja laastia pursuaa 20 mm eristeen päälle heikentäen lämmöneristävyyttä. Tilanne saattaa syntyä huolimattomasti muurattaessa. Kuvissa 17 ja 18 on tulokset vaihtoehtoisen matalaenergiaharkon laskelmista (eristeen paksuus 140 mm), kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/mK. Kuvissa 19 ja 20 on vastaavat tulokset, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/mK. Laskelmien tulosten yhteenveto on taulukossa 5. Matalaenergiatalo voidaan toteuttaa myös 320 mm paksulla harkolla. Taulukko 5. HB:n matalaenergiaharkon lasketut U-arvot (harkon paksuus 320 mm). Muuttujana on eristepaksuuden lisäksi polyuretaanin lämmönjohtavuus, λ. Harkon rakenne (ulkoharkko/pu/sisäharkko) λ, W/mK U-arvo, W/m²K 100 mm / 120 mm / 100 mm " " - laasti pursuaa molemmin puolin 20 mm eristeen päälle Vaihtoehtoinen harkko 80 mm / 140 mm / 100 mm "

23 Kuva 11. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpötilakentät, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/m²K. U-arvo on W/m 2 K. Kuva 12. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpövuon tiheys kuvan 11 tilanteessa. 22

24 Kuva 13. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpötilakentät, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/m²K. U-arvo on W/m 2 K. Kuva 14. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpövuon tiheys kuvan 13 tilanteessa. 23

25 Kuva 15. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpötilakentät, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/m²K ja laasti pursuaa saumassa 20 mm eristeen päälle kummallakin puolella. U-arvo on W/m 2 K eli laasti huonontaa U-arvoa 7 %. Kuva 16. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpövuon tiheys kuvan 15 tilanteessa. 24

26 Kuva 17. Paikalla paisutetun vaihtoehtoisen (PU = 140 mm) eristeharkon lämpötilakentät, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/m²K. U-arvo on W/m 2 K. Kuva 18. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpövuon tiheys kuvan 17 tilanteessa. 25

27 Kuva 19. Paikalla paisutetun vaihtoehtoisen (PU = 140 mm) eristeharkon lämpötilakentät, kun polyuretaanin lämmönjohtavuus on W/m²K. U-arvo on W/m 2 K. Kuva 20. Paikalla paisutetun eristeharkon lämpövuon tiheys kuvan 19 tilanteessa. 26

28 5.4 Matalaenergiapalkkiharkko Kappaleessa 4.2 osoitettiin, että nykyisin käytössä olevat ikkunanylityspalkit toimivat lämpöteknisesti huonosti. Tämän vuoksi matalaenergiataloa varten kehitettiin uusi palkkiharkko, jonka eristyskyky on oleellisesti nykyistä parempi. Kyseessä ei ole mitättömästä lämpöhäviöstä, koska ikkunoiden määrä lisääntyy ja moniulotteinen arkkitehtuuri yleistyy. Suoraa ja lämpöteknisesti ehyttä seinää on pientaloissa vähän. Uudesta matalaenergiapalkkiharkosta (lohenpyrstöllinen) laskettiin U-arvo. Lisäksi laskettiin matalaenergiaikkunan, uuden palkkiharkon ja matalaenergiaharkkoseinän rakennekokonaisuuden lämpötekninen toiminta. Lisäksi laskettiin. Kuvissa ovat laskelmien tulokset Matalaenergiapalkkiharkon mitat ja rakenne: - paksuus 380 mm - korkeus 190 mm Matalaenergiapalkkiharkon rakennekerrokset ulkopinnasta sisäpintaan: laasti 5 mm, betoni 140 mm, polyuretaani keskimäärin 85 mm ( mm), betoni 140 mm ja laasti 5 mm. Vaakasaumassa oli 10 mm kerros laastia ja eristeen kohdalla oli mineraalivillaa 10 mm. Pystysaumoja ei ole otettu huomioon (kaksiulotteinen laskenta). Puukarmisen matalaenergiaikkunan U-arvo oli 0.6 W/m²K. Päätulokset: - uuden palkkiharkon U-arvo on U = 0.32 W/m²K. - ikkunan yläpuolella: - palkkiharkon U-arvo on U = 0.32 W/m²K matalaenergiaharkkorivin U = W/m²K puoli. -harkkorivin U = 0.15 W/m²K 27

29 Kuva 21. Matalaenergiapalkkiharkon lasketut lämpötilakentät vaakaleikkauksessa. U-arvo on 0.32 W/m²K. 28

30 Kuva 22. Matalaenergiapalkkiharkon lämpövuon tiheys vaakaleikkauksessa kuvan 21 tilanteessa. 29

31 Kuva 23. Ikkunan yläpuolisen matalaenergiapalkkiharkon lasketut lämpötilakentät (pystyleikkaus). Ikkunan yläpuolella oleva palkkiharkko toimii lämpöteknisesti hyvin eikä juurikaan heikennä yläpuolella olevien harkkojen lämmöneristävyyttä. 30

32 Kuva 24. Ikkunan yläpuolisen matalaenergiapalkkiharkon (pystyleikkaus) lämpövuon tiheys kuvan 23 tilanteessa. 31

33 5.5 Ikkunan alapuolinen liitos Laskelmilla varmistettiin myös matalaenergiaikkunan ja sen alapuolisen matalaenergiaharkkoseinän liitos (taulukko 6 ja kuvat 25 ja 26). Liitos toimii hyvin. Taulukko 6. Lasketut paikalliset U-arvot matalaenergiaikkunan ja sen alapuolisen matalaenergiaharkkoseinän liitoksessa. Rakennekohta Projektion korkeus U-arvo, W/m²K H mm H mm H mm H häiriötön ala Lasi 163 mm 0.74 Karmi 83 mm 1.48 Lasi Karmi H1 H2 H3 Kuva 25. Ikkunan alapuolisen matalaenergiaharkkoseinän lasketut lämpötilakentät. 32

34 Kuva 26. Ikkunan alapuolisen matalaenergiaharkkoseinän lämpövuon tiheydet. 33

35 5.6 Välipohjan liitos Laskelmilla varmistettiin massiivisen välipohjan ja matalaenergiaharkkoseinän liitos (taulukko 7 ja kuva 27). Välipohjarakenteena oli kantava betonilaatta 200 mm, jonka päällä oli 20 mm lautaparketti (puuta) ja alla 12 mm kattopaneeli (puuta). Liitos toimii lämpöteknisesti hyvin. Taulukko 7. Lasketut paikalliset matalaenergiaharkkoseinän U-arvot välipohjan liitoksessa (kuva 27). Rakennekohta Projektion korkeus U-arvo, W/m²K (harkkorivi välipohjaan nähden) 2. harkko päällä 200 mm harkko päällä 200 mm koko seinä 1000 mm harkko alla 200 mm harkko alla 200 mm Kuva 27. Välipohjan liitoksen lasketut lämpötilakentät. 34