4. LÄMPÖ JA LÄMMÖN SIIRTYMINEN

Transkriptio

1 RIL LÄMPÖ JA LÄMMÖN SIIRYMINEN 4. LÄMPÖ Lämpö on aineen molekyylien liike-energiaa, joka kasvaa lämpötilan noustessa kaasuissa molekyylit liikkuvat ja törmäävät toisiin molekyyleihin. Lämpötilan kohotessa molekyylien nopeudet kasvavat nesteissä molekyylien liike on rajoitetumpaa kuin kaasuissa, mutta myös lämpötilasta riippuvaa kiinteissä aineissa lämpö on atomien ja molekyylien värähtelyä, joka siirtyy aaltoliikkeenä ja johteissa lisäksi vapaiden elektronien liikkeenä lämpö siirtyy aina korkeammasta lämpötilasta alempaan faasimuutoslämmöt (sulamis- ja höyrystymislämpö): energiaa tarvitaan vapauttamaan molekyylien väliset sidosvoimat Lämpömäärä eli lämpöenergia ilmaisee tarkastelun kohteena olevan kappaleen kaikkien molekyylien liikeenergian summan. Lämpöenergia riippuu siis kappaleen massasta. Lämpöenergia, Q (J, kwh), lasketaan kaavasta: (Julius Mayer, Saksa, 84 ja James Joule, Englanti, 843) Q t (4.) t lämpövirta, W aika, s 4. LÄMMÖN SIIRYMISMUODO Lämmön siirtymismuotoja ovat: johtuminen konvektio säteily Johtuminen kiinteän aineen läpi > Konvektio pinnasta virtaavaan aineeseen S > Virtaava aine, Nettosäteily kahden pinnan välillä Pinta, q q q Pinta, S q Kuva 4.. Lämmön siirtymismuodot (Incropeda & DeWitt ) 4.3 JOHUMINEN 4.3. Lämmön johtuminen aineessa Johtumisessa lämpöenergia siirtyy materiaalin molekyyleissä tapahtuvan sisäisen värähtelyn vaikutuksesta ilman, että molekyylien paikat vaihtuisivat. Lämpöenergia siirtyy aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan.

2 RIL 55- Homogeenisessa ja isotrooppisessa ainekerroksessa johtumalla siirtyvä lämpövirran tiheys, q (W/m ), voidaan laskea Fourierin lain avulla: (Joseph Fourier, Ranska, 8) q (,, ) (4.) x y z aineen lämmönjohtavuus, W/(m K) lämpötila, K x, y, z lämpövirran suuntakoordinaatit, m Yksidimensioisessa tapauksessa lämpövirran tiheys saadaan kaavasta: q (4.3) x Jatkuvuustilassa lämpötilajakauman ollessa lineaarinen materiaalikerroksen läpi siirtyvä lämpövirran tiheys saadaan kaavasta (ks. kuva 4.): q d d (4.4) d, materiaalikerroksen paksuus, m lämpötila materiaalikerroksen eri puolilla, C, K q d Kuva 4.. Lämmön johtuminen ainekerroksen läpi. Pinta-alaltaan tietyn suuruisen ainekerroksen läpi siirtyvä lämpövirta, (W), lasketaan kaavasta: qa A d (4.5) Aineen lämmönsiirtokerroin, (W/(m K)), lasketaan kaavasta: d q ( ) (4.6) Aineen lämmönvastus, R (m K/W), on lämmönsiirtokertoimen käänteisarvo:

3 RIL 55-3 d R q (4.7) R Ohuiden materiaalikerrosten paksuutta ei voida määrittää tarkasti, jolloin niille annetaan yleensä suoraan lämmönvastusarvot. Suljetuille ilmaväleille annetaan myös tyypillisesti lämmönvastusarvoja (ks. taulukko 4.3). Johtumisen lisäksi lämmönsiirto tapahtuu ilmavälissä myös konvektion ja säteilyn avulla Materiaalien lämmönjohtavuus Yleistä Materiaalien lämmönjohtavuuteen vaikuttaa monet eri tekijät kuten aineen tai materiaalin rakenne, olomuoto, tiheys, huokoisuus, hygroskooppisuus, kosteuspitoisuus ja lämpötila. Kuvassa 4.3 on esitetty eri aineiden lämmönjohtavuuksia logaritmisella asteikolla. -Arvoja (W/(m K)) Kupari (38-4) Seostettu alumiini (5 - ) Messinki ( - ) Hiiliteräs (4-6) Valurauta (3-4) Ruostumaton teräs (5 - ) Graniitti, gneissi (3,5) Sora (, -,) Betoni (, -,5) Ikkunalasi (,6-,) iilimuuri (,45 -,6) Polyeteeni HD (,5) Polyeteeni LD (,3) PVC-muovi (,5 -,) Puu (, -,5) Sahanpuru (,7 -,) Kevytsora (,8 -,9) Bitumoitu puukuitulevy (,55 -,6) Huokoinen puukuitulevy (,45 -,6) Kaasuja C:ssa Ilma (,4) Argon (,6) CO (,4) R (,8) "Freon" Xenon (,5) 7, 5, 4, 3,,,,7,5,4,3,,,7,5,4,3,,,5 Kuva 4.3. Aineiden lämmönjohtavuuksia. Jää (,) Savi (,9 -,4) Lumi (,) Kalkkisementtilaasti (,) Kalkkilaasti (,9) Lumi (,74) (5 kg/m 3 ) Vesi C:ssa (,55) Lumi (,7) (3 kg/m 3 ) Kipsilevy (, -,5) Kevytsorabetoni (,5 -,) (65-8 kg/m 3 ) Kaasubetoni (,8-5) (45-6 kg/m 3 ) Kaasubetoni (,5 -,8) ( - 45 kg/m 3 ) Eristeitä Polystyreenirouhe (,6) Puhallettava mineraalivilla (,4 -,45) Puhallettava selluvilla (,4 -,45) Ureaformaldehydi solumuovi (,3 -,4) Lasivilla (,3 -,4) Kivivilla (,3 -,4) Muottipaisutettu polystyreeni (,3 -,4) Suulakepuristettu polystyreeni (,5) PU-solumuovi (,7 -,) PVC-solumuovi (,7 -,)

4 Lämmönjohtavuus, Lämmönjohtavuus, Lämmönjohtavuus, Lämmönjohtavuus, Lämmönjohtavuus, Lämmönjohtavuus, Lämmönjohtavuus, RIL 55-4 Kuvissa 4.4 ja 4.5 on kuvattu lämpötilan, suhteellisen kosteuden ja kosteuspitoisuuden muutoksen vaikutusta materiaalin lämmönjohtavuuteen. Hygroskooppisen alueen ulkopuolella materiaalin hygroskooppisuudella W/(m K) ei ole suurta vaikutusta sen lämmönjohtavuuteen. W/(m K) C C C C C - C C C C - C materiaalin käyttöolosuhteet vaipparakenteissa 5 % RH Suhteellinen kosteus, 5 % RH Suhteellinen kosteus, materiaalin käyttöolosuhteet vaipparakenteissa Lämmönjohtavuuden muutos lämmöneristeillä, kosteuspitoisuuden funktiona Lämmönjohtavuuden muutos lämmöneristeillä, kosteuspitoisuuden funktiona Kuva 4.4. Periaatekuva lämpötilan ja suhteellisen kosteuden muutoksien vaikutuksista materiaalin lämmönjohtavuuteen. W/(m K) W/(m K) W/(m K) vesi W/(m K) vesi Hygroskooppinen Hygroskooppinenmateriaali materiaali Ei hygroskooppinen Ei hygroskooppinen materiaali materiaali 5 5 % % kg/m 3 kg/m 3 Suhteellinen kosteus, Suhteellinen kosteus, Kosteuspitoisuus, wkosteuspitoisuus, w Kuva 4.5. Periaatekuva suhteellisen kosteuden ja kosteuspitoisuuden muutoksen vaikutuksista materiaalin lämmönjohtavuuteen. Kuvissa on esitetty tiheyden ja kosteuspitoisuuden vaikutuksia materiaalien lämmönjohtavuuteen.,8 n (W/(mK)),4, Kevytbetoni,6 Lastuvillalevy,,8,4 Aaltolevy Lasivilla Puukuitulevy, pahvi ja paperi Vuorivilla Kuivatiheys, o (kg/m3 ) Kuva 4.6. Kevyiden rakennusmateriaalien lämmönjohtavuuden riippuvuus kuivatiheydestä..

5 Lämmönjohtavuus (W/mK) Lämmönjohtavuus, (W/(mK)) Lämmönjohtavuus, n (W/(mK)) RIL 55-5,6 Betoni,,8,4 Sementtitiili Kalkkihiekkatiili Koksikuonabetoni Poltettu savitiili Kennotiili Kevytbetoni Kevytsorabetoni 8 6 Kuivatiheys, o (kg/m3 ) Kuva 4.7. Kivipohjaisten rakennusmateriaalien lämmönjohtavuuden riippuvuus kuivatiheydestä., = kg/m 3,5, = = 8 = 6,5 = = 4, Kosteuspitoisuus (tilavuus-%) Kuva 4.8. Periaatekuva rakennusmateriaalien lämmönjohtavuuden riippuvuudesta kosteuspitoisuudesta ja tiheydestä.,8 Sora (55 kg/m3 )Hiekkainen sora (95 kg/m 3 ),4,,6,,8,4 Moreeni (9 kg/m 3 ) Sorainen hiekka (7 kg/m 3 ) Hiekka (57 kg/m 3 ) Hieta (766 kg/m 3 ) Somero (55 kg/m 3 ) Hiesu (5 kg/m 3 ) Jäykkä savi (35 kg/m 3 ) Savi (35 kg/m 3 ) Kosteuspitoisuus, u (paino-%) Kuva 4.9. Eri tiheyden omaavien maalajien lämmönjohtavuuden riippuvuus maan kosteuspitoisuudesta.

6 RIL Lämmönjohtavuus huokoisessa materiaalissa Paksuissa avohuokoisissa lämmöneristekerroksissa voi tapahtua kuitenkin sisäistä konvektiota, riippuen mm. eristeen ilmanläpäisevyydestä ja eristekerroksen yli vallitsevasta lämpötilaerosta. Eristetilan sisäisen konvektion vaikutus on arvioitava tarvittaessa erikseen, ellei sitä ole estetty eristekerrosten väliin asetettujen konvektiokatkojen avulla. Sisäisen konvektion vaikutusta eristetilassa voidaan arvioida lämmön konvektion yhteydessä esitetyn laskentamenetelmän avulla. (ks. luku 4.4.6). Rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa huokoisen materiaalin lämmönjohtavuudessa on siis käytännössä mukana kaikkien kolmen lämmön siirtymismuodon vaikutusta, vaikka lämmönjohtavuus onkin tarkkaan ottaen vain johtumalla siirtyvää lämpöä kuvaava materiaaliominaisuus. Materiaalin tiheyden muuttuessa eri siirtymismuotojen suhteellinen osuus vaihtelee materiaalissa. iheyden kasvaessa myös johtumisella lämmöneristeen kuiduissa alkaa olla merkittävä vaikutus. Kuvassa 4. on esitetty esimerkki eri lämmönsiirtomuotojen vaikutuksesta lasivillan kokonaislämmönjohtavuuteen. Lämmönjohtavuus W/(mK),45,4,35 Lasivilla m = C D = 5 x -6 m Huokoisissa materiaaleissa tapahtuu lämmönsiirtoa johtumisen lisäksi myös konvektiolla ja säteilyllä huokostilassa. Suljetuilla ilmahuokosilla varustetuissa lämmöneristeissä tai avohuokoisissa lämmöneristeissä, joiden ilmanläpäisevyys on riittävän pieni, ei lämpöä siirry konvektiolla käytännössä lainkaan. Säteilyn osuus kokonaislämmönsiirrosta on myös yleensä pieni, johtuen siitä, että ilmahuokosten pintojen väliset lämpötilaerot ovat pieniä. Säteilyn osuus on otettu huomioon materiaalin lämmönjohtavuusarvossa. Kokonaislämmönjohtavuus,3,5 Johtuminen ja konvektio huokosilmassa,,5,,5 Säteily Johtuminen kuiduissa Huokoisuus kg/m 3 iheys Kuva 4.. Lämmönjohtavuuden osakomponentit lasivillassa. (Bankvall 97). Kuvassa D on lasivillakuitujen keskimääräinen halkaisija. Perinteisten lämmöneristeiden pieni kokonaislämmönjohtavuus perustuu siihen, että suurin osa eristeen tilavuudesta on ilmaa, jolla on alhainen lämmönjohtavuus (ks. kuva 4.3). Eristeen pienistä ilmahuokosista koostuva rakenne pyrkii pitämään ilman paikallaan ja vähentämään huokosten pintojen välisiä lämpötilaeroja, jolloin ilmahuokosissa tapahtuvan säteilyn ja konvektion vaikutus saadaan mahdollisimman hyvin eliminoitua eristeestä. Perinteisiä huokoisia lämmöneristeitä on esitelty luvussa 8.8 ja lämmöneristeiden ominaisuuksia on taulukoitu mm. kirjan lopussa olevissa liitteissä Nano- ja tyhjöeristeet eksti puuttuu

7 RIL 55-7 Nano- ja tyhjöeristeitä on esitelty tarkemmin luvussa 8.8 ja lämmöneristeiden ominaisuuksia on taulukoitu mm. kirjan lopussa olevissa liitteissä Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo Yleistä Rakennusosan U-arvo lasketaan käyttäen materiaalien lämmönjohtavuuksina lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoja, U (W/(m K)). Suunnitteluarvo on keskimääräistä mitattua lämmönjohtavuutta suurempi arvo, jossa otetaan huomioon lämpötilan ja suhteellisen kosteuden muutosten sekä materiaalin ikääntymisen vaikutukset lämmönjohtavuuteen. Aikaisemmin Suomessa käytössä ollut kansallinen lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo, n (W/(m K)), eli ns. normaalinen lämmönjohtavuus poistuu käytöstä v. alusta. Normaalisen lämmönjohtavuuden määrittämisen perusteet on esitetty mm. oppaassa Lämmöneristysmääräysten 3 täyttäminen (3) Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvon määrittäminen Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoa, luokkaan: U (W/(m K)), määritettäessä lämmöneristeet jaetaan kolmeen. lämmöneristeet, joiden ilmoitettu lämmönjohtavuus on valvottu erillisen EN -tuotestandardin tai EAhyväksynnän vaatimusten mukaisesti. muut rakennusaineet ja -tuotteet, joiden lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo on määritetty ja valvottu EN -tuotestandardin tai eurooppalaisen teknisen hyväksynnän vaatimusten mukaisesti 3. rakennusaineet ja -tuotteet, joilla ei ole eurooppalaista teknistä hyväksyntää tai joiden tekninen hyväksyntä ei kata lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoa Ryhmä. Lämmöneristeen lämmönjohtavuuden suunnitteluarvon määrittämisen lähtökohtana on aina ilmoitettu lämmönjohtavuus, D (lämmönjohtavuuden CE-hyväksyntä). Ryhmä. Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoksi valitaan teknisen hyväksynnän mukainen U arvo. Ryhmä 3. Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoksi valitaan standardin SFS-EN ISO 456 (8) tai RakMK C4 () mukainen taulukoitu U arvo. Ilmoitettu lämmönjohtavuus D on kaavasta 4.8 saatava 9/9 -arvo, joka lämmöneristeillä pyöristetään lähinnä suurempaan tarkkuudella, W/(m K) esitettävään arvoon. 9 / 9 k S (4.8) 9/9 lämmönjohtavuuden raja-arvo, johon verrattuna 9 % tuotannosta on 9 % todennäköisyydellä lämmönjohtavuudeltaan pienempi tai enintään yhtä suuri, W/(m K) materiaalin keskimääräinen mitattu lämmönjohtavuus C keskilämpötilassa, W/(m K) k mittaustulosten määrästä riippuva kerroin S lämmönjohtavuuden mittaustulosten normaalihajonta Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo voidaan laskea SFS-EN ISO 456 (8) -standardissa esitetyn laskentamenettelyn avulla seuraavasti: U D F F F (4.9) m a

8 RIL 55-8 F lämpötilan muuntotekijä F m kosteuden muuntotekijä, kun suunnittelulämpötila C F a vanhenemisen muuntotekijä Lämpötilan muuntotekijä lasketaan kaavalla: F exp f( ) (4.) f lämpötilan muuntokerroin, /K keskilämpötila, jota sovelletaan ilmoitettuun lämmönjohtavuuteen, C lämmöneristyksen suunnittelulämpötila, yleensä C (routasuojaus ja perusmuurin eristykset -5 C) Lämpötilan muuntokertoimen arvoja on annettu SFS-EN ISO 456 (8) -standardissa. Kosteuden vaikutuksen huomioon ottaminen lämmönjohtavuuden suunnitteluarvossa on erityisen tärkeää, jos rakenteet ovat alttiina saderasitukselle tai ne sijaitsevat maanpinnan alapuolella tai maata vasten tai ovat kokonaan tai osittain veden alla. Kosteuden muuntotekijä lasketaan kaavalla 4. tai 4.: F m exp fu(u u ) (4.) f u kosteuden muuntokerroin, kun kosteuspitoisuuden yksikkö on kg/kg u eristeen kosteuspitoisuus, jossa ilmoitettu lämmönjohtavuus on määritetty, kg/kg (vastaa 4 6 % suhteellista kosteutta) eristeen suunnittelukosteus, kg/kg u Fm exp f ( ) (4.) f kosteuden muuntokerroin, kun kosteuspitoisuuden yksikkö on m 3 /m 3 eristeen kosteuspitoisuus, jossa ilmoitettu lämmönjohtavuus on määritetty, m 3 /m 3 (vastaa 4 6 % suhteellista kosteutta) eristeen suunnittelukosteus, m 3 /m 3 Kosteuden muuntokertoimen arvoja on annettu SFS-EN ISO 456 (8) -standardissa. Osalle materiaaleista muuntokerroin on annettu kosteuspitoisuuden paino-osille (f u ) ja osalle tilavuusosille (f ). Laskennassa tulee käyttää kaavaa 4. tai 4. riippuen siitä kumpaa muuntokerrointa käytetään. Ponnekaasutäytteisillä solumuovieristeillä (PUR, XPS ja PF) tapahtuu vanhenemisesta johtuvaa lämmönjohtavuuden lisääntymistä ponnekaasun korvautuessa ajan mittaan ilmalla eristeen huokosissa. ämä tekijä otetaan yleensä huomioon jo näiden eristeiden D -arvoja määritettäessä. ästä syystä vanhenemista ei oteta enää huomioon vanhenemisen muuntotekijässä F a Rakennusosan lämmönläpäisykertoimen laskenta Kerroksellisen rakenteen U-arvo Rakenteessa olevien materiaalikerrosten muodostama kokonaislämmönvastus, R (m K/W), saadaan laskemalla niiden lämmönvastukset yhteen: R R R R... R R (4.3) si n se

9 RIL 55-9 R, R, R n R si, R se tasa-aineisten materiaalikerrostenlämmönvastus, m K/W rakenteen sisä- ja ulkopinnan pintavastukset, m K/W Kerroksellisen rakenteen lämmönläpäisykerroin, U (W/(m K)), saadaan rakenteen kokonaislämmönvastuksen käänteisarvona. U q U( ) R (4.4) Kerroksellisessa rakenteessa lämpövirran tiheys on sama kaikissa rakenteen kerroksissa. Rakenneosien U-arvoja määritettäessä materiaalien lämmönjohtavuuden arvoina tulee käyttää suunnitteluarvoja (ks. luku 4.3.3). Laskennassa saatu U-arvo pyöristetään kahden merkitsevän numeron tarkkuuteen normaaleja pyöristyssääntöjä käyttäen (esim. U-arvo,4 W/(m K) pyöristetään arvoon, W/(m K)). Kylmäsiltoja sisältävän rakenteen U-arvon laskentaa ja muita U-arvoon tehtäviä korjauksia on käsitelty tarkemmin luvuissa Rakenneosan lämpökonduktanssi eli ominaislämpöhäviö, K (W/K) voidaan laskea kaavasta: K UA K( ) (4.5) Lämmön siirtyessä johtumalla vaipparakenteen läpi voidaan lämpötilat määrittää stationääritilanteessa eri kohdissa rakennetta. Rakenteen/ materiaalin lämpötila kohdassa x saadaan tällöin kaavasta: x Rn n i x i (i e ) (4.6) R tot x R n n i i e rakenteen lämmönvastusten summa sisäilmasta kohtaan x, s/m sisäilman lämpötila, C, K ulkoilman lämpötila, C, K Kaavan 4.6 käytössä on oletuksena, että lämpötilat eivät muutu ajan kuluessa ja lämpövirta kulkee kohtisuoraan rakenteen läpi. arkasteltaessa esim. kolmikerroksisen rakenteen lämpötilakenttää (kuva 4.) voidaan muodostaa seuraavat lausekkeet: i d d d 3 q e Kuva 4.. Kolmikerroksisen rakenteen lämpötilakenttä. Lämpövirta jokaisen materiaalikerroksen läpi on sama: q = d

10 RIL 55- q = d 3 q = 3 d3 3 4 Materiaalikerrosten pintojen lämpötilaerot: = q d = q R 3 = 3 4 = q d q d 3 3 = q R = q R3 Rakenteen pinnoilla: q = si ( i ) = q = se ( 4 e ) = (i ) R si (4 e ) R se Lämpötilan muutos on verrannollinen kerroksen tai pinnan lämmönvastukseen Pintavastukset Pintavastus kuvaa rakenteen pinnan lähelle muodostuvan ohuen hitaasti liikkuvan ilmakerroksen muodostamaa lämmönvastusta. Pintavastukset rakenteiden ulko- ja sisäpinnoilla tai ilmaväleissä riippuvat mm: ilman liikkeestä pinnoilla (tuuli, pinnan mitat, suuntaus, muoto, esteet ym.) muista säteilevistä pinnoista ja säteilylähteistä (aurinko, muut seinäpinnat) Pintavastuksen arvoja eri tapauksille on annettu mm. standardissa SFS-EN ISO 6946 (8) ja RakMK C4:ssä (). Pintavastukset voidaan määrittää pinnan lämmönsiirtokertoimen avulla, jotka koostuvat konvektion, säteilyn ja johtumisen lämmönsiirtokertoimista. Johtumisen lämmönsiirtokerroin on kuitenkin niin pieni verrattuna konvektion ja säteilyn lämmönsiirtokertoimiin, että sitä ei tarvitse ottaa pintavastuksien laskennassa huomioon. Sisä- ja ulkopinnan pintavastukset voidaan näin ollen laskea yhtälöistä: R (4.7) si si si,conv si,rad R (4.8) se se se,conv se,rad conv konvektion lämmönsiirtokerroin, W/(m K) rad säteilyn lämmönsiirtokerroin, W/(m K) Rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa pintavastuksille voidaan yleensä käyttää likiarvoja, jotka riippuvat pinnan suunnasta (lämpötilaeron aiheuttama kerrostuminen tai nostevirtaus vaikuttavat konvektioon) (taulukko 4.).

11 RIL 55- aulukko 4.. Pintavastuksien likiarvoja rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa (SFS-EN ISO ). Pintavastus, Lämpövirran suunta m K/W ylöspäin vaakasuora alaspäin Sisäpuolen,,3,7 pintavastus R si Ulkopuolen pintavastus R se,4,4,4 Ulkopinnan pintavastuksen riippuvuus pinnan suuntaisesta tuulen nopeudesta on esitetty taulukossa 4.. avanomaisissa tarkasteluissa riittää, että tuulen keskimääräiseksi nopeudeksi oletetaan 4 m/s. aulukko 4.. Ulkopinnan pintavastuksen riippuvuus pinnan suuntaisesta tuulen nopeudesta (SFS-EN ISO ). uulen nopeus Ulkopinnan m/s pintavastus R se, m K/W,8,6 3,5 4,4 5,4 7,3, Ilmavälin lämmönvastukset uulettumattomille ilmaväleille on myös määritetty lämmönvastuksia, joissa on otettu huomioon kaikkien lämmön siirtymismuotojen vaikutukset (taulukko 4.3). Ilmavälin lämmönvastus ei enää juurikaan kasva sen jälkeen, kun ilmaväliin muodostuu sisäinen konvektiovirtaus, vaikka ilmavälin leveyttä kasvatettaisiinkin. Säteilyllä siirtyvään lämpövirtaan vaikuttaa ilmavälin rajoittavien pintojen emissiviteetti. Yleensä rakennusaineiden pintojen emissivitetti on,85,95, jolloin ilmavälin pintojen yhdistetyksi emissiviteetiksi saadaan,8 (ks. kaava 4.5). Jos ilmakerrosta rajoittaa toisella puolella pinta, jonka emissiviteetti on pieni (esim. puhdas ja kuiva alumiinipinta), on ilmavälin lämmönvastus suurempi, koska säteilyn lämmönsiirtokerroin, rad, on pienempi. Lämmön siirtymistä ilmavälissä säteilyn ja konvektion avulla on tarkasteltu lähemmin luvuissa 4.4 ja 4.5. aulukko 4.3. uulettumattoman ilmavälin lämmönvastuksia R g (SFS-EN ISO ). Rajoittavien pintojen yhdistetty Ilmaraon paksuus d g, mm Lämmönvastus R g, m K/W Lämpövirran suunta emissiviteetti ε ylöspäin vaakasuora alaspäin yleinen tapaus: ei heijastavia pintoja ε >,8 toinen pinta heijastava ε <, ,,5,6,6,6,6,6,7,9,34,34,34,34,34,,5,7,8,8,8,8,7,9,38,44,44,44,44,,5,7,8,,,3,7,9,38,44,67,75,83

12 RIL 55- Ilmakerros, jonka ulkopuolisessa rakenteen osassa ei ole lämmöneristystä ja johon johtaa ulkopuolelta pieniä aukkoja, voidaan lämmönvastukseltaan ottaa huomioon kuten tuulettumaton ilmakerros. ällöin aukot eivät saa sijaita niin, että ne sallivat tuuletusvirtauksen ilmakerroksen kautta sen reunalta toiselle. Lisäksi edellytetään, ettei ilmakerrokseen johtavien aukkojen yhteenlaskettu pinta-ala (A v ) ylitä seuraavia raja-arvoja. 5 mm /m pystysuorassa rakenteessa olevan pystysuoran ilmakerroksen pituusyksikköä kohti 5 mm /m vaakasuoran ilmakerroksen pinta-alayksikköä kohti uulettuvan ilmakerroksen lämmönvastus on pienempi kuin tuulettumattoman ilmakerroksen. uulettuva ilmakerros on joko lievästi tuulettuva tai hyvin tuulettuva riippuen ilmaväliin johtavien aukkojen suuruudesta. Ilmakerros on lievästi tuulettava, kun ilmakerrokseen johtavien aukkojen yhteenlaskettu pinta-ala, A v, on seuraavissa rajoissa: enemmän kuin 5 mm /m, mutta enintään 5 mm /m pystysuorassa rakenteessa olevan pystysuoran ilmakerroksen pituusyksikköä kohti enemmän kuin 5 mm /m, mutta enintään 5 mm /m vaakasuoran ilmakerroksen pintaalayksikköä kohti Rakennusosan, jossa on lievästi tuulettuva ilmakerros, kokonaislämmönvastus (R ) lasketaan kaavalla: 5 - A A - 5 v v R R,u R,v (4.9) A v ilmakerrokseen johtavien aukkojen yhteenlaskettu pinta-ala, m R,u rakennusosan kokonaislämmönvastus, kun ilmakerroksen lämmönvastus lasketaan tuulettumattomana, m K/W R,v rakennusosan kokonaislämmönvastus, kun ilmakerroksen lämmönvastus siten, että ilmakerroksen oletetaan olevan hyvin tuulettuva, m K/W Ilmakerros on hyvin tuulettuva, kun ilmakerrokseen johtavien aukkojen yhteenlaskettu pinta-ala (A v ) on suurempi kuin 5 mm /m (pystyrakenteet) tai 5 mm /m (vaakasuorat rakenteet). Jos rakenteessa on hyvin tuulettuva ilmakerros, ei sen eikä ilmakerroksen ulkopuolisen rakenteen osan lämmönvastusta saa ottaa huomioon laskettaessa rakenteen kokonaislämmönvastusta. ällöin kuitenkin sisäpuolisen rakenteen osan ilmakerrokseen rajoittuvan pinnan pintavastuksena voidaan käyttää taulukon 4. sisäpuolen pintavastuksen (R si ) arvoja. Kattorakenteessa, jossa lämmöneristetyn, yleensä vaakasuoran yläpohjan ja kallistetun vesikaton väliin jää ilmatila, voidaan ilmatila katsoa termisesti homogeeniseksi kerrokseksi, jonka lämmönvastus on taulukon 4.4 mukainen. aulukko 4.4. Katon ilmatilan lämmönvastus R u. Katon rakennetyyppi. tiilikatto, peltikatto tai vastaava aluskatteella tai sitä vastaavalla ainekerroksella. kuten kohta, mutta matalaemissiviteettipinta kuten alumiinikerros aluskatteen alapinnassa 3. yhtenäinen huopakate alusrakenteineen tai vastaava raoton vesikate Lämmönvastus R u, m K/W,,3,3

13 RIL 55-3 Laskuesimerkkejä Esimerkki 4.. Määritä esimerkissä kuvatun ulkoseinärakenteen lämpöhäviö m sisälämpötila on C ja ulkolämpötila - C. ulkoseinän läpi, kun i = o C iilimuuri, U =,7 W/(mK) Mineraalivilla, U =,4 W/(mK) 4 e = - o C Sisäpinnan vastus R si =,3 m K/W Ulkopinnan vastus R se =,4 m K/W,3,5,3 R =,3 + +,4 = 4, m K/W,7,4,7 U =,4 W/(m K) Lämpötilat: = -,3 4, 4 =,7 C,3,3,7 = - 4 = 8,8 C 4,,3,5,3,7,4 3 = - 4 = -7,7 C 4,,3,5,3,3,7,4,7 4 = - 4 = -9,6 C 4,,4 tai: 4 = = -9,6 C 4, Lämpövirran tiheys: q = R = U =,4 4 =, W/m Lämpöhäviö m ulkoseinän läpi: =, W/m m = W Esimerkki 4.. Määritä materiaalin B lämmönjohtavuus esimerkin mukaisessa rakenteessa, kun rakenteen toisella puolella on tulipalo, joka on nostanut ilman lämpötilan 8 C:een. Rakenteen tulipalon puoleisen pinnan lämpötila on 6 C ja toisella puolella olevan pinnan lämpötila on C. ulipalon puoleisen pinnan lämmönsiirtokerroin on 5 W/(m K). i i si A B C se Johtumisvastukset L A L B L C

14 RIL 55-4 i = 5 W/(m K) A = W/(mK) L A =,3 m si = 6 C i = 8 C B =? L B =,5 m se = C C = 5 W/(mK) L C =,5 m Lämpövirran tiheys rakenteen läpi: q = i ( i si ) = 5 (8 6) = 5 W/m q = A si L = si - q = C A C L = se + q = B B = L B ql A A se qlb ql C C = = 6 - = ,3 5,5 5 = 55 C = 35 C,5 =,53 W/(mK) 35 Esimerkki 4.3. Määritä jäähdytysteho, joka tarvitaan pakkasvaraston seinien läpi tulevan lämmön poistamiseksi, kun varaston sivumitat ovat 5 x m ja korkeus 3 m. Pakkasvaraston seinät on tehty esimerkin mukaisella rakenteella. Määritä myös seinän pintalämpötilat. Pakkasvaraston lämpötila on -8 C ja siihen rajoittuvan sisätilan lämpötila on C. Seinäpintojen lämmönsiirtokertoimet ovat W/(m K). si i i 3 q x se e e L L L 3 L L L 3 =,5 m =, m =,75 m =,5 W/(mK) =,4 W/(mK) 3 =,7 W/(mK) i = e = W/(m K) i ja e sisältävät konvektion ja säteilyn lämmönsiirtokertoimet. i = -8 C e = C A = 5 m Jäähdytysteho: = UA ( e i )

15 RIL 55-5 R = = U L i,5,5 L,,4 L 3 3 e,75,7 =,87 m K/W U =,356 W/(m K) =,356 5 ( + 8) = 3,4 W Pintalämpötilat si ja se : = i A ( si i ) si = i A i 3,4 5 8 = -7,3 C = e A ( e se ) se = e A e 3,4 5 = 9,3 C Laskuesimerkkejä rakenteiden U-arvon määrittämisestä on esitetty myös RIL-5 ():ssa Epähomogeenisia rakennekerroksia sisältävän rakenteen U-arvo Rakenteen kokonaislämmönvastus voidaan laskea käyttäen yläraja alaraja -menetelmää Standardin SFS- EN ISO 6946 (8) mukaisesti, kun samassa rakennekerroksessa on rinnakkain erilaisen lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja. Menetelmää voidaan käyttää, jos samassa rakennekerroksessa olevien materiaalien lämmönjohtavuudet eivät eroa toisistaan yli 5-kertaisesti. Jos materiaalien lämmönjohtavuuksissa on suurempi kuin 5-kertainen ero, U-arvoon lisätään näitä kylmäsiltoja vastaavat erilliset lisäkonduktanssit (ks. luku ). Ylärajamenetelmässä kaikki x-akselin suuntaiset tasot oletetaan adiabaattisiksi eli lämmön virtausta tapahtuu vain x-akselin suunnassa. Alarajamenetelmässä kaikki x-akselia vastaan kohtisuoraan olevat tasot oletetaan isotermisiksi eli lämpötila muuttuu vain x-akselin suunnassa. Ylärajamenetelmä antaa kerroksellisen rakenteen lämmönvastukselle ylälikiarvon ja alarajamenetelmä alalikiarvon. Muita laskennassa tehtäviä oletuksia ovat: lämmön johtumista tarkastellaan stationääritilassa materiaalien lämmönjohtavuudet pysyvät vakioina Yläraja-arvo Rakenteen kokonaislämmönvastuksen yläraja-arvo, R R' fa Ra fb Rb... fn Rn (4.) f a, f b, f n tasa-aineisia ainekerroksia sisältävän osa-alueen a, b, n suhteellinen osuus rakenteen kokonaispinta-alasta, f a = A a /A, f b = A b /A, f n = A n /A R a, R b, R n tasa-aineisia ainekerroksia sisältävän osa-alueen a, b, n kokonaislämmönvastus, m K/W, esim.: R R R R... R R a Pinta-alojen avulla esitettynä: si a a an se

16 RIL 55-6 A R ' (4.) Aa Ab A... n Ra Rb Rn Alaraja-arvo Lasketaan ensin kunkin epätasa-aineisen ainekerroksen kokonaislämmönvastus: Rj faj Raj fbj Rbj... fnj Rnj (4.) f aj, f bj, f nj epätasa-aineisessa ainekerroksessa j olevan tasa-aineisen osa-alueen aj, bj, nj suhteellinen osuus ainekerroksen kokonaispinta-alasta, f aj = A aj /A, f bj = A bj /A, f nj = A nj /A R aj, R bj, R nj epätasa-aineisessa ainekerroksessa j olevan tasa-aineisen osa-alueen aj, bj, nj lämmönvastus, m K/W, jossa R aj = d j / aj, R bj = d j / bj, R nj = d j / nj Pinta-alojen avulla esitettynä: j Aaj Raj A Abj... Rbj R (4.3) Anj Rnj Rakenteen kokonaislämmönvastuksen alaraja-arvo, R R '' Rsi R R... Rn R Rse (4.4) R, R, R n epätasa-aineisten ainekerrosten,, n lämmönvastus, m K/W R tasa-aineisten ainekerrosten, ilmakerrosten, ohuiden ainekerrosten ja maan lämmönvastuksen summa, m K/W Rakenteen kokonaislämmönvastus ja U-arvo voidaan laskea standardin SFS-EN ISO 6946 (8) mukaan kaavalla: R' R' ', U R R (4.5) Kokonaislämmönvastuksen maksimivirhe voidaan laskea kaavasta: e R ' R'' (4.6) R Vähän tarkempi maksimivirhe saadaan, kun käytetään kaavaa: R ' R '' R (4.7) 3 Kuvassa 4. on esitetty periaatekuva epähomogeenisen rakenteen osa-alueista.

17 Osa-alueet RIL 55-7 Esim. kerros j 3 Lämpövirta A d A c A b A a a b c d a j b j A A aj A bj d d d 3 Ainekerrokset Kuva 4.. Epähomogeenisen rakenteen osa-alueet (SFS-EN ISO ). Edellä kuvatussa epähomogeenisen rakenteen U-arvon laskennassa sovelletaan ns. sähköanalogiaa (Ohmin laki) (taulukko 4.5). aulukko 4.5. Sähköanalogia lämpövirran tarkastelussa. U U I sähkövirta, A Re U U jännite-ero,v L Re sähkövastus, A e R A lämpövirta, W lämpötilaero, K L R A lämmönjohtumisvastus, K/W A Eri materiaaleista koostuvia rakennekerroksia (lämmönvastuksia) voi olla sekä rinnan että sarjassa, kuten sähkövastuksia sähköpiireissä. Laskennassa oletetaan, että lämmön johtumista tapahtuu vain yksiulotteisesti eli kohtisuoraan rakenteen läpi (= x-akseli). ämän yksinkertaistuksen vuoksi laskennassa käytetään kahta erilaista lämmönvastuspiiriä, joiden tuloksena saadaan rakenteen lämmönvastukselle yläja alarajaratkaisut. Sähköanalogia sopii myös tiettyihin kosteuden ja ilman siirtymistarkasteluihin materiaalikerroksen läpi Korjatun U-arvon laskenta Rakennusosan korjattu lämmönläpäisykerroin, U c (W/(m K)), saadaan lisäämällä lämmönläpäisykertoimen arvoon lämmönläpäisykertoimen korjaustermi U: U c U U (4.8) U rakennusosan (korjaamaton) lämmönläpäisykerroin, W/(m K) U U-arvon korjaustermi (W/(m K)) U-arvon korjaustermi ( U) lasketaan kaavalla: U U U U U U (4.9) c f g a r U viivamaisten kylmäsiltojen korjaustekijä, W/(m K) U f pistemäisten kylmäsiltojen korjaustekijä, W/(m K) U g lämmöneristeen ilmarakojen korjaustekijä, W/(m K) U a lämmöneristeen ilmanläpäisevyyden korjaustekijä, W/(m K)

18 RIL 55-8 U r käännettyjen kattojen korjaustekijä, W/(m K) Jos kokonaiskorjaus ( U) on vähemmän kuin 3 % lämmönläpäisykertoimen lasketusta arvosta (U), korjauksia ei tarvitse ottaa huomioon. Korjattu lämmönläpäisykerroin on rakennusosan lopullinen lämmönläpäisykerroin, jota käytetään rakennuksen määräystenmukaisuutta osoitettaessa sekä energiankulutuslaskelmissa. Koko rakennuksen lämpöhäviötä laskettaessa otetaan rakennusosien lämmönläpäisykertoimien lisäksi huomioon myös yksittäisten kylmäsiltojen sekä rakennusosien välisten liitosten vaikutus. Kylmäsillat Rakennusosassa olevat säännölliset kylmäsillat, joiden lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo poikkeaa viereisen aineen vastaavasta suunnitteluarvosta enemmän kuin viisinkertaisesti (lämpötilaisotermien suunnassa), otetaan huomioon rakennusosan lämmönläpäisykertoimen laskennassa erikseen viivamaisten ja pistemäisten kylmäsiltojen korjaustekijöiden avulla. ämä koskee muun muassa siteitä, kannaksia sekä tuki- ja runkorakenteita, jotka ovat rakenteelle tyypillisiä koko sen edustamalla vaipan alueella. Viivamaisten säännöllisten kylmäsiltojen aiheuttama lämmönläpäisykertoimen lisäys ( U ) lasketaan kaavalla: U lk k (4.3) A k rakennusosassa olevien keskenään samanlaisten viivamaisten kylmäsiltojen k viivamainen lisäkonduktanssi, W/(m K) l k samanlaisten viivamaisten kylmäsiltojen yhteispituus rakennusosassa, m A rakennusosan pinta-ala, m Pistemäisten säännöllisten kylmäsiltojen aiheuttama lämmönläpäisykertoimen lisäys ( U f ) lasketaan kaavalla: nj Uf K j (4.3) A K j rakennusosassa olevien keskenään samanlaisten pistemäisten kylmäsiltojen aiheuttama pistemäinen lisäkonduktanssi (esim. ansaat ja siteet), W/K n j samanlaisten pistemäisten kylmäsiltojen lukumäärä rakennusosassa A rakennusosan pinta-ala, m Ellei tarkempaa laskentamenetelmää käytetä, voidaan pistemäisten säännöllisten kylmäsiltojen aiheuttama lämmönläpäisykertoimen lisäys laskea kaavasta: f Af nf R U f (4.3) d R kerroin, m - f pistemäisen kylmäsillan lämmönjohtavuus, W/(m K) A f pistemäisen kylmäsillan poikkipinta-ala, m n f pistemäisten kylmäsiltojen lukumäärä neliömetrillä (n f = n j / A) d lämmöneristekerroksen paksuus, jonka läpi pistemäiset kylmäsillat on asennettu, m d pistemäisen kylmäsillan pituus, m R lämmöneristekerroksen lämmönvastus, jonka läpi pistemäiset kylmäsillat on asennettu, m K/W rakennusosan kokonaislämmönvastus ilman korjaustekijöitä, m K/W R

19 RIL 55-9 Kerroin on,8, jos pistemäisen kylmäsillan pituus on sama kuin eristekerroksen paksuus, jonka pistemäinen kylmäsilta lävistää. Vinojen tai lämmöneristekerrokseen osittain upotettujen kylmäsiltojen tapauksissa kertoimen arvo voidaan laskea kaavasta =,8(d /d ). Pistemäisten kylmäsiltojen aiheuttamaa korjausta ei tarvitse tehdä, jos kylmäsillat lävistävät ainoastaan tyhjän välitilan tai jos kiinnikkeen lämmönjohtavuus on pienempi kuin W/(m K). Kaavaa 4.3 ei voida käyttää, jos pistemäinen kylmäsilta yhdistää kahta metallilevyä. ällaisen tapauksen laskemiseksi on esitetty tarkempia ohjeita standardissa SFS-EN ISO (8). Monissa tapauksissa lisäkonduktanssien arvoja ei löydy valmiina, vaan ne joudutaan määrittämään erikseen D- tai 3D-laskentaohjelman avulla. Lämmöneristyksessä tapahtuvat ilmavirtaukset Lämmönjohtavuuden suunnitteluarvossa ei oteta huomioon lämmöneristekerroksen ilmarakojen ja epäideaalisen asennuksen vaikutusta tai ilmaa läpäisevissä eristeissä mahdollisesti tapahtuvan luonnollisen konvektion vaikutusta. Näiden tekijöiden vaikutus otetaan tarvittaessa erikseen huomioon lämmönläpäisykerrointa laskettaessa. Lämmöneristyksessä mahdollisesti olevien ilmarakojen ja epäideaalisen asennuksen vaikutus lämmönläpäisykertoimeen lasketaan kaavalla: R U g U'' (4.33) R U ilmarakojen korjauskerroin, W/(m K) R ilmarakoja sisältävän kerroksen lämmönvastus, m K/W rakennusosan kokonaislämmönvastus ilman korjaustekijöitä, m K/W R Ellei tarkempia tietoja ole käytettävissä, voidaan ilmarakojen korjauskerroin ( U ) valita taulukosta 4.6 eri korjaustasoille. aulukko 4.6. Eristeessä olevien ilmarakojen korjaustekijät (SFS-EN ISO ). aso U Ilmaraon kuvaus W/(m K), Lämmöneristeessä ei ole ilmarakoja tai on vain vähäisiä ilmarakoja, joilla ei ole merkittävää vaikutusta lämmönläpäisykertoimeen., Lämmöneristeen läpäiseviä ilmarakoja esiintyy, mutta ne eivät aiheuta ilman kiertokulkua lämmöneristeen lämpimän ja kylmän puolen välillä.,4 Lämmöneristeen läpäiseviä ilmarakoja esiintyy ja ne aiheuttavat ilman kiertokulkua lämmöneristeen lämpimän ja kylmän puolen välillä. Eristekerrosta läpäisevillä ilmaraoilla tarkoitetaan tässä yhteydessä esim. runkopuun ja lämmöneristeen väliin jääviä rakoja tai lämmöneristeen painumisen aiheuttamia rakoja ja onkaloita. Eri korjaustasojen mukaisia esimerkkirakenteita on kuvattu mm. RIL 5- ():ssa. Lämmöneristeissä tapahtuvien ilmavirtausten vaikutusta rakenteen lämmönläpäisykertoimeen voidaan arvioida modifioidun Rayleighin luvun avulla kaavalla: 6 d a a Ra 3 (4.34) m U d a yhtenäisen lämmöneristekerroksen paksuus, m lämmöneristeen ilmanläpäisevyys, m 3 /(m s Pa)

20 RIL 55- a ilman dynaaminen viskositeetti,,7-3 N s/m ilman lämpötilassa C lämmöneristekerroksen sisä- ja ulkopinnan välinen lämpötilaero, K U lämmöneristeen lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo, W/(m K) arkastelussa käytetään sisä- ja ulkoilman välisenä lämpötilaerona 5 C. Seinärakenteessa tapahtuvaa sisäistä konvektiota arvioitaessa tulee ilmanläpäisevyytenä käyttää levyn suuntaista ilmanläpäisevyyttä. Jos seinärakenteessa käytettävän lämmöneristeen ilmanläpäisevyys on levyn suunnassa suurempi kuin levyä vastaan kohtisuorassa suunnassa eikä levyn suuntaista ilmanläpäisevyyttä tiedetä, voidaan levyn suuntainen ilmanläpäisevyys arvioida kaavalla: a, 4 a,x (4.35) a,x eristelevyä vastaan kohtisuorassa suunnassa mitattu ilmanläpäisevyys, m 3 /(m s Pa) Kaavaa 4.35 voidaan käyttää jos levyä vastaan kohtisuorassa suunnassa mitattu ilmanläpäisevyys on -6 m 3 /(m s Pa). Lämmöneristeen ilmanläpäisevyyden korjaustekijän U a arvo määritetään taulukosta 4.7 riippuen modifioidun Rayleighin luvun arvosta. Lämmöneristeen sisäistä konvektiota on tarkasteltu tarkemmin luvussa aulukon 4.7 arvot pohjautuvat tässä luvussa esitettyihin käyrästöihin. aulukko 4.7. Modifioidun Rayleighin luvun raja-arvot, Ra m, eri ilmanläpäisevyyden korjaustekijän arvoilla katto- ja seinärakenteille. Lämmöneristeen Modifioidun rayleighin luvun raja-arvo Ra m ilmanläpäisevyyden korjaustekijä U a, W/(m K) Lämpövirran suunta vaakasuora ylöspäin, eristeen yläpinta avoin ylöspäin, eristeen yläpinnassa tuulensuoja,,5 5 3,5,,5, Kalteville katto- ja seinärakenteille modifioitu Rayleighin luku voidaan määrittää interpoloimalla cos ( = rakenteen kaltevuuskulma). Vaakatason kaltevuuskulma on. mukaan Käännetyt katot Käännetyissä katoissa lämmöneriste sijaitsee vedeneristeen yläpuolella, joten se pääsee kastumaan sadeveden vaikutuksesta. ässä tapauksessa lämmönläpäisykertoimen lisäys, joka aiheutuu sadeveden virtauksesta lämmöneristeen saumojen kautta vedeneristyksen pinnalle, lasketaan kaavalla: R U g p f x (4.36) R p f x R R lämmityskauden keskimääräinen sateen intensiteetti tarkasteltavalla paikkakunnalla, mm/vrk korjauskerroin, joka kuvaa sitä sadeveden osuutta, joka pääsee vedeneristyksen pinnalle korjauskerroin, joka kuvaa sadeveden virtauksesta vedeneristyksen pinnalle aiheutunutta kasvanutta lämpöhäviötä, W vrk/(m K mm) vedeneristyksen yläpuolella olevan lämmöneristyskerroksen lämmönvastus, m K/W rakennusosan kokonaislämmönvastus ilman korjaustekijöitä, m K/W Sateen intensiteettitietoja eri paikkakunnilla on esitetty kirjan liitteenä olevassa taulukossa.

21 RIL 55- Suurin lämmönläpäisykertoimen lisäys on rakenteella, jossa vedeneristeen yläpuolella on yksi puskusaumoin toteutettu lämmöneristekerros, jonka yläpinta on avoin (esim. sorapinnoitus). ällaisella toteutustavalla tehdylle rakenteelle voidaan käyttää yhdistetyn korjauskertoimen f x arvona,4. Myös muissa rakenteissa, joissa lämmöneristeiden kosteuspitoisuus on käyttötilanteessa keskimäärin suurempi kuin lämmönjohtavuuden määritysolosuhteissa (4 6 % suhteellista kosteutta vastaava kosteuspitoisuus), on kosteuspitoisuuden lisäyksen vaikutus otettava huomioon. Näissä tapauksissa korjaus tehdään ilmoitetun lämmönjohtavuuden arvoon kohdassa esitetyllä tavalla. Laskuesimerkki eksti puuttuu Maanvastaisten rakenteiden U-arvo RakMK C4:ssä () on esitetty yksinkertaistettu laskentatapa maanvastaisten rakenteiden U-arvon laskemiseksi. Laskentatapa ottaa huomioon lämmön siirtymisen rakennuksen reuna-alueella. Maan lämmönvastus otetaan myös huomioon laskelmissa. Maata vasten olevien rakennusosien kokonaislämmönvastuksen arvot lasketaan taulukossa 4.8 esitetyillä laskentakaavoilla. Laskelmissa edellytetään, että perustukset ja alapohja ovat pysyvästi kuivatettu käyttäen tarkoituksenmukaisia ratkaisuja salaojitukseen ja pintavesien pois johtamiseen. Myös salaojan tarkastusputket ja -kaivot tulee peittää tiiviillä kannella, maakerroksella, lämmöneristekerroksella yms. ulkoilman pääsyn ja routimisen estämiseksi. aulukon 4.8 arvoja voidaan käyttää, jos lattiarakenteen alapinta on enintään 3 mm viereistä maanpintaa ylempänä ja salaojituskerroksen alla oleva maakerros on vähintään m paksu. Lattiarakenteen alapinnaksi katsotaan salaojituskerroksen yläpintaa vasten oleva rakenteen pinta. aulukon 4.8 sarakkeiden ja maanvastaisen alapohjan kokonaislämmönvastuksen laskentakaavoissa maanvastaisen alapohjan reuna-alueen lämmöneristyksen lämmönvastuksena R e (m K/W) käytetään sokkelieristyksen tai laatan reuna-alueen lisälämmöneristyksen suurinta arvoa, ei lämmönvastusten summaa. aulukon 4.8 kaavoilla lasketaan maanvastaisille rakenteille kokonaislämmönvastuksen keskimääräinen arvo, joka riippuu rakennuksen muodosta karakteristisen mitan B (m) mukaan. Karakteristinen mitta lasketaan kaavalla: A B ' (4.37),5P A maanvastaisen alapohjan pinta-ala sisäpintojen mukaan, m P alapohjan piiri, eli ulkoilmaa vasten olevan sokkelin pituus, m Pientalossa alapohjan piiri P on maanvastaisen laatan sivujen summa, rivitalon päätyasunnossa kolmen laatan sivun summa ja keskimmäisessä asunnossa kahden laatan sivun summa. Kellarin seinälle lasketaan taulukon 4.8 sarakkeen 3 kaavoilla keskimääräinen kokonaislämmönvastus koko maata vasten olevalle seinän korkeudelle z (m). Maanvastaisen alapohjan lämmönvastus, R f (m K/W), ja maanvastaisen seinän lämmönvastus, R w (m K/W), lasketaan ilman pintavastuksia. Laskettaessa lattiarakenteen ja perusmaan lämmönvastusta otaksutaan perusmaan alkavan salaojituskerroksen alapuolelta, kuitenkin enintään mm lattiarakenteen alapinnan alta.

22 RIL 55- Jos kellarin alapohja sijaitsee vähintään m maanpinnan alapuolella, kellarin alapohjan kokonaislämmönvastuksena käytetään taulukon 4.8 sarakkeen 4 kaavoilla laskettuja arvoja. Korkeammalla ' A sijaitsevalle B kellarin alapohjalle B (m) käytetään samoja arvoja kuin maanpinnan tasossa olevalle maanvastaiselle alapohjalle.,5 P A maanvastaisen alapohjan pinta-ala (m ) P alapohjalaatan piiri, sokkelin pituus (m) R f R w R n z (m) R n R e = max (R n, R n ) (m K/W) R f R e (m K/W) reuna-alueen lämmönvastuksen laskennassa käytettävä arvo R n (m K/W) sokkelin lämmönvastus R n (m K/W) laatan reuna-alueen lisälämmöneristyksen lämmönvastus R w (m K/W) kellarin seinän lämmönvastus R f (m K/W) kellarin lattian lämmönvastus Kuva 4.3. Maanvastaisten rakenteiden kokonaislämmönvastuksen määrittämisessä tarvittavat suureet (RakMK C4 ). aulukko 4.8. Maanvastaisten alapohjien ja seinien kokonaislämmönvastukset, R (m K/W), perustusten ja alapohjan ollessa pysyvästi kuivatettuja. Laskentakaavoissa esitetyt muuttujat on esitetty kuvassa 4.3. (RakMK C4 ). Maa-aines Savi Hiekka ja sora, salaojitettu Hiesu ja hieta Hiekka ja sora, salaojittamaton Lämmönjohtavuus, W/(m K) Rakenteen kokonaislämmönvastus R, m K/W 3 4 Maanvastainen Maanvastainen alapohja, seinä lämpöeristämätön Maanvastainen alapohja, lämpöeristetty,5,8 B +,8 R e + R f +,7,, B +,7 R e + R f +,55 Moreeni Kallio 3,5, B +,5 R e + R f +,35,3 B +,3 R e +,76, z +,33 R w +,4,8 B +,8 R e +,87,5 z +,33 R w +,,9 B +,69 R e +,7,73 z +,33 R w +,3 Kellarin alapohja,3 B +,8 z +,37 R f,3 B +, z +,7 R f,3 B +, z +, R f Kun maanvastaisen rakenteen kokonaislämmönvastus on määritetty, voidaan rakenteen U-arvo laskea kaavan 4.4 avulla. arkempi laskentamenetelmä maanvastaisten rakenteiden U-arvon laskemiseksi on esitetty standardissa SFS-EN ISO 337 (8). Edellä kuvattu laskentamenetelmä perustuu tähän standardiin. Laskuesimerkki eksti puuttuu

23 RIL 55-3 Laskuesimerkkejä maanvastaisten rakenteiden U-arvon määrittämisestä on esitetty myös RIL-5 ():ssa Ryömintätilaisen alapohjarakenteen U-arvo RakMK C4:ssä () on esitetty yksinkertaistettu laskentatapa myös ryömintätilaisen alapohjarakenteen U- arvon laskemiseksi. Laskentatapa ottaa huomioon lämmön siirtymisen rakennuksen reuna-alueella ja ryömintätilassa tapahtuvan tuuletuksen. Maan lämmönvastus otetaan myös huomioon laskelmissa. Luonnollisesti ulkoilmalla tuuletun ryömintätilaisen alapohjan kokonaislämmönvastus, R (m K/W), lasketaan kaavalla: R R (4.38) f R R g x R f R g R x alapohjan lämmönvastus, m K/W ryömintätilan alapuolisen maan ja ryömintätilan alapohjan mahdollisten lämmöneristeiden yhteinen lämmönvastus, m K/W ryömintätilan ekvivalenttinen lämmönvastus, jossa otetaan huomioon sokkelin lämmönvastus ja ryömintätilan ilmatilan lämmönvastus, m K/W Ryömintätilan alapuolisen maan ja ryömintätilan alapohjan mahdollisten lämmöneristeiden kokonaislämmönvastus (R g ) lasketaan taulukon 4.9 sarakkeen kaavoilla, jos ryömintätila on alle,5 m ympäröivää maanpintaa alempana (z <,5 m, kuvassa 4.4). Muussa tapauksessa R g lasketaan kaavalla: R R z P R bw g bf A (4.39) R bf ryömintätilan alapuolisen maan ja ryömintätilan alapohjan mahdollisten lämmöneristeiden yhteinen lämmönvastus, joka lasketaan taulukon 4.9 sarakkeen 3 kaavoilla, m K/W R bw ryömintätilan viereisen maan ja maata vasten olevan sokkelin yhteinen lämmönvastus, joka lasketaan taulukon 4.9 sarakkeen kaavoilla, m K/W z ryömintätilan syvyys maanpinnasta, m A ryömintätilan alapohjan pinta-ala, m P ryömintätilan alapohjan piiri eli ulkoilmaa vasten olevien laatan sivujen summa (= sokkelin pituus), m Rakennuksen muodosta riippuva karakteristinen mitta, B (m), lasketaan kaavasta Ryömintätilan ekvivalenttinen lämmönvastus (R x ) lasketaan kaavalla: R h R w w x B' ε v f 45 B' (4.4) h R w v f w ryömintätilan maanpinnalla olevan sokkelin korkeus, m maanpinnan yläpuolella olevan sokkelin lämmönvastus, m K/W sokkelissa olevien tuuletusaukkojen pinta-ala sokkelin pituudella, m /m tuulen keskinopeus metrin korkeudella, m/s tuulen suojaisuuskerroin

24 RIL 55-4 Ellei tarkempia arvoja ole tiedossa, tuulen keskinopeutena voidaan käyttää v = 3 m/s ja tuulen suojaisuuskertoimena f w =,5. ällöin kaavan 4.4 viimeinen termi voidaan esittää muodossa 7,5 Jos ryömintätila on tuulettumaton ( Koneellisesti tuuletetun ryömintätilaisen alapohjan kokonaislämmönvastus, R m K/W, lasketaan kaavalla: R R f R g h R B' w V c p A a (4.4) R f ryömintätilaisen alapohjan lämmönvastus, m K/W R g ryömintätilan alapuolisen maan ja ryömintätilan alapohjan mahdollisten lämmöneristeiden yhteinen lämmönvastus, joka lasketaan ryömintätilan syvyydestä riippuen joko taulukon 4.9 sarakkeen kaavoilla tai kaavalla 4.39, kuten painovoimaisesti tuuletetussa alapohjassa, m K/W. R w maanpinnan yläpuolella olevan sokkelin lämmönvastus, m K/W h ryömintätilan maanpinnalla olevan sokkelin korkeus, m A ryömintätilan alapohjan pinta-ala, m P ryömintätilan alapohjan piiri eli ulkoilmaa vasten olevien laatan sivujen summa (= sokkelin pituus), m V koneellisen ilmanvaihdon määrä, m 3 /s c p ilman ominaislämpökapasiteetti, J/(kg K) a ilman tiheys,, kg/m 3 R w R f R gf h R w R f h ' B A,5 P B (m) A ryömintätilan alapohjan pinta-ala (m ) P alapohjan piiri, sokkelin pituus (m) R gw (m K/W) sokkelin maanpinnan alapuolella olevan R w (m K/W) sokkelin maanpinnalla olevan osan osan lämmönvastus lämmönvastus z (m) sokkelin maanpinnan alla olevan osan h (m) sokkelin maanpinnalla olevan osan korkeus korkeus R f (m K/W) alapohjan lämmönvastus R gf (m K/W) ryömintätilan pohjalla maanpinnalla olevien rakennekerrosten lämmönvastus R gw R gf z Kuva 4.4. Ryömintätilaisen alapohjan kokonaislämmönvastuksen määrittämisessä tarvittavat suureet (RakMK C4 ).

25 RIL 55-5 aulukko 4.9. Ryömintätilaan rajoittuvan maan ja maata vasten olevien rakenteiden yhdistetyt lämmönvastukset. Laskentakaavoissa esitetyt muuttujat on esitetty kuvassa 4.4 (RakMK C4 ). Maa-aines Lämmönjohtavuus Ryömintätilaan rajoittuvan maan ja maata vasten olevien rakenteiden yhdistetty lämmönvastus R, m K/W, W/(m K) 3 Savi Hiekka ja sora, salaojitettu Hiesu ja hieta Hiekka ja sora, salaojittamaton Matalan (h <,5 m) ryömintätilan alapuolinen maa R g,5, B +, R gf +,78,,5 B +, R gf +,64 Moreeni Kallio 3,5,9 B +, R gf +,45 Syvän (h >,5 m) ryömintätilan viereinen maa R bw, z +,43 R gw +,87,6 z +,38 R gw +,78,9 z +,55 R gw +,47 Syvän (h >,5 m) ryömintätilan alapuolinen maa R bf, B +, z +, R gf +,99,7 B +, z +,5 R gf +,77,98 B +,8 z +, R gf +,5 Kun ryömintätilaisen alapohjarakenteen kokonaislämmönvastus on määritetty, voidaan rakenteen U-arvo laskea kaavan 4.4 avulla. arkempi laskentamenetelmä ryömintätilaisten alapohjarakenteiden U-arvon laskemiseksi on esitetty standardissa SFS-EN ISO 337 (8). Edellä kuvattu laskentamenetelmä perustuu tähän standardiin. Laskuesimerkki eksti puuttuu Laskuesimerkkejä ryömintätilaisten alapohjarakenteiden U-arvon määrittämisestä on esitetty myös RIL-5 ():ssa Ikkunan, oven ja huolto-/ tuuletusluukun U-arvo Ikkuna Ikkunan lämmönläpäisykerroin, U W (W/(m K)), muodostuu valoaukon ja puitteen U-arvoista. Valoaukon lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla: U g (4.4) dj Rsi Rse Rsj j j j d j lasin tai läpinäkyvän ainekerroksen j paksuus, m j lasin tai läpinäkyvän ainekerroksen j lämmönjohtavuus, W/(m K) R sj lasivälin j lämmönvastus, m K/W Ikkunan valoaukon U-arvoja ja yhden lasivälin lämmönvastuksia eri täytekaasuilla on annettu RakMK C4 ():stä. Puurakenteisen ikkunan kehän lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla: U f (4.43) d R R si se U

26 RIL 55-6 d U karmi- ja puiteosan keskimääräinen paksuus, m puun lämmönjohtavuus, m K/W todellisuudessa moniulotteisen lämpövirtauksen huomioon ottava korjauskerroin,,7 Jos ikkunan kehämateriaalina käytetään muuta kuin puuta tai kehään on laitettu erillinen lämmöneristys, tulee puitteen U-arvo laskea tarkemmin rakennusfysikaalisen laskentaohjelman avulla. Laskentaperiaatteet on esitetty standardeissa SFS-EN ISO 77- (6) ja SFS-EN ISO 77- (3). Ikkunan keskimääräinen lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla: w AgUg AfUf Ag Af lg g U (4.44) A g valoaukon pinta-ala, m U g valoaukon lämmönläpäisykerroin, W/(m K) A f karmi- ja puiteosan projektiopinta-ala ikkunan lasituksen tasossa, m U f karmi- ja puiteosan lämmönläpäisykerroin, W/(m K) l g valoaukon reunaan muodostuvan viivamaisen kylmäsillan pituus, m g valoaukon reunan viivamainen lisäkonduktanssi, W/(m K) Viivamaisen lisäkonduktanssin arvoja on esitetty RakMK C4 ():ssä. Ovi ja huolto-/ tuuletusluukku Ovilevyn umpiosan ja huolto- ja tuuletusluukun luukkuosan keskimääräinen lämmönläpäisykerroin (U p ) lasketaan kohtien ja mukaisesti. Jos samassa oviaukossa on kaksi ovilevyä ja näiden välissä ilmarako, käytetään ilmaraon lämmönvastuksena taulukon 4.3 mukaista arvoa. ällöin edellytetään, että ainakin toisen ovilevyn sekä karmin välisessä raossa on tiiviste. Oven karmiosan lämmönläpäisykerroin (U f ) lasketaan kaavalla Ovessa mahdollisesti olevan ikkunan valoaukon lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla 4.4. Ovilevyn valoaukon reunojen viivamaiselle lisäkonduktanssille on annettu arvoja RakMK C4 ():ssä. Jos samassa oviaukossa on kaksi ikkunallista ovilevyä, katsotaan ikkunat laskettaessa yhdeksi rakenteeksi ja niiden välisen ilmaraon lämmönvastuksena käytetään taulukon 4.3 mukaista arvoa edellyttäen, että ainakin toinen ovilevy on varustettu tiivistein. Jos ovilevyn umpiosassa tai huolto- ja tuuletusluukussa on kylmäsiltoja, otetaan viivamaisten ja pistemäisten kylmäsiltojen vaikutus huomioon umpiosan ja luukun keskimääräisessä lämmönläpäisykertoimessa (U p ) kohdan mukaisesti. Oven sekä huolto- ja tuuletusluukun lämmönläpäisykerroin, U D (W/(m K)), lasketaan kaavalla: A gug ApUp A fuf lg g U D (4.45) A A A g p f A g valoaukon pinta-ala, m U g valoaukon lämmönläpäisykerroin, W/(m K) A p ovilevyn umpiosan pinta-ala, m U p ovilevyn umpiosan keskimääräinen lämmönläpäisykerroin, W/(m K) A f karmin projektiopinta-ala ovilevyn tasoon, m U f karmin lämmönläpäisykerroin, W/(m K) l g valoaukon reunaan muodostuvan viivamaisen kylmäsillan pituus, m g valoaukon reunan viivamainen lisäkonduktanssi, W/(m K)

27 RIL 55-7 Myös ovien ja huolto-/ tuuletusluukkujen U-arvon määrittämiseksi annetaan yksityiskohtaisempia ohjeita standardissa SFS-EN ISO 77- (6) ja SFS-EN ISO 77- (3) Rakennusosien väliset kylmäsillat ja yksittäiset kylmäsillat Rakennusosien välisten liitosten aiheuttamat kylmäsillat otetaan huomioon liitoskohtien viivamaisen lisäkonduktanssin avulla laskettaessa koko rakennuksen lämpöhäviötä. Näitä liitoksia ovat ala-, väli- ja yläpohjan liitokset ulkoseinään, ulkoseinien väliset liitokset sekä ikkunoiden, ovien ja huolto- ja tuuletusluukkujen liitokset. Liitoskohta muodostaa kylmäsillan riippumatta siitä ovatko rakennusosat homogeenisia vai sisältävätkö liitokset ylimääräisiä kylmäsiltaosia kuten esim. rankarakenteita. Homogeeninen seinänurkka Seinänurkka vaikuttaa rakenteen läpi siirtyvään lämpövirtaan, vaikka rakenne olisi tehty homogeenisesta materiaalista. Ulospäin oleva seinänurkka lisää ulospäin tapahtuvaa lämpövirtaa ja sisäänpäin oleva seinänurkka vähentää sitä. Kaksidimensioisessa tapauksessa ulospäin olevan homogeenisen seinänurkan läpi siirtyvä lämpövirta voidaan laskea kaavasta: L (si se)(,555) (4.46) d H H L seinän korkeus, m nurkkakohdan leveys, m Kaava pätee silloin, kun L >> d (kuva 4.5). Sisäänpäin olevan seinänurkan läpi siirtyvä lämpövirta saadaan muuttamalla vakiotermin,555 etumerkki negatiiviseksi. se d L / si L / Kuva 4.5. Homogeenisen seinänurkan läpi siirtyvä lämpövirta. Epäsäännöllisten kylmäsiltojen huomioon ottaminen rakennuksen energiankulutustarkasteluissa Rakennusosien väliset liitoskohdat otetaan huomioon epäsäännöllisten kylmäsiltojen johtumislämpöhäviökertoimessa H D W/K, joka lasketaan kaavalla: H l K (4.47) D k k k j j l k rakennusosien välisten liitosten aiheuttaman viivamainen kylmäsillan pituus, m k rakennusosien välisten liitosten aiheuttaman viivamaisen kylmäsillan lisäkonduktanssi, W/(m K) K j rakennusosassa olevien pistemäisten kylmäsiltojen j aiheuttama pistemäinen lisäkonduktanssi, W/K Ellei tarkempia tietoja ole käytettävissä, voidaan rakennusosien välisten liitosten viivamaiset lisäkonduktanssit laskea taulukon 4. arvoilla. Sisänurkkien tapauksessa lisäkonduktanssien arvot ovat negatiivisia.

28 U-ARVO, W/(m K) RIL 55-8 aulukko 4.. Ohjearvoja viivamaisen kylmäsillan lisäkonduktanssille, joka ottaa huomioon rakennusosien välisten liitosten ja niiden epäsäännöllisten kylmäsiltojen aiheuttaman lisälämpöhäviön, W/(m K). Liitos Lisäkonduktanssi k, W/(m K) Runkomateriaali betoni puu höyrykark. tiili kevytbetoni Ulkoseinän ja maanvastaisen alapohjan,9,5,7,4 liitos Ulkoseinän ja ryömintätilaisen alapohjan,4,5,,6 liitos Ulkoseinän ja yläpohjan liitos,8,5,6,7 Ulkoseinän ja välipohjan liitos,5 Ulkoseinien välinen liitos, ulkonurkka,6,4,5,5 Ulkoseinien välinen liitos, sisänurkka -,6 -,4 -,5 -,5 Ikkuna- ja oviliitos, lämmöneristeen,4,4,4,4 kohdalla *) Ikkuna- ja oviliitos muussa tapauksessa,5,7,7, *) Karmi peittää vähintään 4 % lämmöneristeen kokonaispaksuudesta aulukon 4. arvot ovat suuntaa antavia. odelliset rakennusosien välisten liitosten lisäkonduktanssit vaihtelevat jonkin verran riippuen rakenteen yksityiskohtaisesta toteutuksesta. arvittaessa lisäkonduktanssit voidaan määrittää tarkemmin laskentaohjelman avulla. Rakennuosien välisiä viivamaisia lisäkonduktanssien arvoja on annettu myös mm. standardissa SFS-EN ISO 4683 (8). Rakennuksen vaippaan eri syistä tehtäviä yksittäisiä kylmäsiltoja ei tarvitse ottaa huomioon laskettaessa rakenteen lämmönläpäisykerrointa. Yksittäiset kylmäsillat, joilla on merkittävä vaikutus rakennuksen lämpöhäviöihin, otetaan myös huomioon viivamaisen tai pistemäisen lisäkonduktanssin avulla laskettaessa koko rakennuksen lämpöhäviökerrointa kaavalla Yksittäisen kylmäsillan voi muodostaa esimerkiksi läpivienti, parvekkeen kannatus, alapohjan läpäisevä pilari, rakenteeseen sijoitettu talotekniikan komponentti tai muu erikseen suunniteltu ja toteutettu yksittäinen ratkaisu Rakennusosan U-arvon muutoksen vaikutukset rakenteen lämpötekniseen toimintaan Pienennettäessä rakennusosan U-arvoa, lämmöneristyskerroksen paksuus kasvaa (kuva 4.6).,5,4,3,, =,5 W/(mK),4 W/(mK),3 W/(mK), W/(mK) RakMK C3 vaatimukset: Ulkoseinät ja maanvarainen alapohja (,4 W/(mK)) Ryömintätilainen alapohja (,9 W/(mK)) Yläpohja (,5 W/(mK)) ERISYSPAKSUUS, mm Kuva 4.6. Lämmöneristyspaksuuden likimääräinen vaikutus rakennusosan U-arvoon. lämmönjohtavuus (W/(mK)). on eristemateriaalin Vaadittavan lämmöneristyksen paksuus kasvaa voimakkaasti pyrittäessä alhaisiin U-arvoihin. Mitä pienempi lämmöneristeen lämmönjohtavuus on sitä pienemmällä lämmöneristepaksuudella sama U-arvo saavutetaan. Kuvassa 4.7 on kuvattu U-arvon muutoksen vaikutusta rakennusosan sisäpinnan lämpötilaan.

29 Pintalämpötila, o C RIL U =, W/m K U =,5 W/m K U =, W/m K U =,3 W/m K U =,5 W/m K Oletus: m K R si + R se =,5 W U =, W/m K Ulkolämpötila, o C Sisäilma S = + o C Kuva 4.7. Rakennusosan sisäpinnan lämpötilan riippuvuus U-arvosta. Kun vaipparakenne on huonosti lämpöä eristävä, pintavastusten osuus koko rakenteen lämmönvastuksesta on suuri. ällöin rakenteen sisäpinnan lämpötila on selvästi alhaisempi kuin sisäilman lämpötila. U-arvojen ollessa pienempiä kuin, W/(m K) ei U-arvon pienentäminen vaikuta enää merkittävästi rakenteen pintalämpötilaan Putkien ja kanaalien lämmöneristys Yleistä eksti puuttuu Putken lämmöneristeen laskennallinen mitoitus eksti puuttuu Rakennuksen routasuojaus Yleistä Maan lämpötilan laskiessa alle C alkaa maan huokosissa oleva vesi jäätyä eli maa alkaa routaantua. Routa on maassa olevan veden jäätymisen johdosta kovettunut maakerros. Routaantumisen seurauksena voi tietyin edellytyksin maakerroksen tilavuus muuttua eli maa routia. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7) Maan routimisen edellytyksenä on, että maakerros (maalaji) on routivaa jäätymisrintamassa on tai siihen voi kulkeutua vettä maakerroksen lämpötila alittaa jäätymislämpötilan. Maalajin routivuutta arvioidaan yleensä sen rakeisuuden perusteella (kuva 4.8).

30 Läpäisy % RIL 55-3 Geo-maalajiluokitus Savi, Siltti,6 Hiekka Sora L ,6,,6,,74,5,5, Raekoko mm Kuva 4.8. Routivuuden määrittäminen rakeisuuden perusteella. Maalajit, joiden rakeisuuskäyrät sijaitsevat alueella, ovat routivia. Maalajit, joiden rakeisuuskäyrät sijaitsevat alueella, 3 tai 4, ovat routimattomia, elleivät käyrien alapäät pääty vasemmanpuoleisen rajakäyrän yläpuolelle. Maalajit, joiden rakeisuuskäyrät sijaitsevat alueella L, ovat lievästi routivia. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7) Routivien ja routimattomien maalajien raja-alueella voidaan routivuuden tai routimattomuuden arviota tarkistaa laboratoriossa mitattavan maalajin kapillaarisen nousukorkeuden perusteella. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7). Maalajien routivuusryhmät kapillaarisuuden perusteella on esitetty taulukossa 4.. aulukko 4.. Maalajien routivuusryhmät. Maalaji ja kapillaarisuus on määriteltävä laboratoriossa. (talonrakennuksen routasuojausohjeet 7) Routivuusryhmä Maalaji (Geo) Huom. Yleensä routiva Routiva, jos jäätymisrintamaan voi kulkeutua riittävästi vettä Yleensä routimaton Sa, Si SaSi HkSi, SiMr SaSiMr HkSiMr Mr HkMr SrMr SiHk HkMr SrMr HkSrMr SrHkMr SrHk, HkSr Hk, Sr Siltti muodostaa edulliset olosuhteet veden virtaukselle jäätymisrintamaan. Kapillaarisuus > m Kapillaarisuus m Kapillaarisuus < m Jos rakennus on perustettu routivan maalajin päälle ja rakennuksen anturat sijaitsevat lähempänä maan pintaa kuin ko. maalajin routimaton perustamissyvyys, on routaeristyksen tarve tarkistettava. Routaeristeen mitoitukseen vaikuttaa perustamissyvyyden lisäksi pakkasmäärä, rakennuksen sisältä maahan siirtyvä lämpö ja maan pinnalla oleva lumikerroksen paksuus. Rakennuksen nurkka-alueilla routaeristyksen paksuuden tulee olla suurempi kuin seinälinjoilla. Maalajien routimaton perustamissyvyys ja lumikerroksen paksuuden vaikutus roudan syvyyteen on esitetty kuvassa 4.9.

31 Roudan syvyys, m RIL ,,5,,5 KÄYRÄ MAALAJI I Sr Hk SrMr II III Si sihk SiMr Sa sasi Lumeton maa Luonnontilainen lumipeitteen keskimääräinen paksuus koko talven aikana,5 m I II III,,5 II II,5m,m II II II II II II, m,3 m,4 m,5 m,6 m Pakkasmäärä F, Kh Kuva 4.9. Pakkasmäärän ja lumikerroksen paksuuden vaikutus roudan syvyyteen. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7) Pakkasmäärä, F (Kh), lasketaan kaavasta: F = 4 f day,j ( f day,j ) (4.48) j jäätymispiste, C vuorokauden keskilämpötila päivälle j, C Pakkasmäärä on koko talvikauden summa. Pakkasmääriä on tilastoitu alueittain ja esiintymistiheyksittäin. yypillisesti routasuojauksen mitoituksessa käytetään kerran 5 vuodessa esiintyvää pakkasmäärää F 5 (kuva 4.). e)f5 Kilpisjärvi 4 Kh 35 Kh 75 Kh 4 Kh 7 Kh Inari Sodankylä 65 Kh Rovaniemi Kuusamo 6 Kh Kemi 65 Kh 55 Kh Oulu Kajaani 6 Kh 5 Kh Kokkola 65 Kh 7 Kh 75 Kh 7 Kh 55 Kh Vaasa Kuopio Joensuu Seinäjoki Jyväskylä 5 Kh Pori ampere 45 Kh Lappeenranta Lahti 4 Kh urku Helsinki Kotka 35 Kh -4 Kilpisjärvi Inari Sodankylä Rovaniemi - Kuusamo Kemi Oulu Kajaani Kokkola Vaasa Seinäjoki Jyväskylä Kuopio Joensuu Pori ampere Lappeenranta Lahti urku Helsinki Kotka Kuva 4.. Kerran 5 vuodessa toistuva pakkasmäärä F5 (Kh) Suomessa. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7). -3 3

32 RIL 55-3 Routaeristys valitaan lämmönvastukseltaan ja leveydeltään sellaiseksi, että jäätymisrintama (roudan syvyys) ei talvikausina riittävällä todennäköisyydellä tunkeudu perustusten alapuoliseen routivaan maahan. Routasuojauksen mitoituksesta eri tilanteissa on annettu tarkemmat ohjeet alonrakennuksen routasuojausohjeissa (7). Routaeristyksen tarvetta lisää: matala perustamissyvyys alhainen huonelämpötila suuri alapohjan lämmönvastus pieni perusmuurin lämmönvastus suuri sokkelikorkeus ohut sorakerros routaeristyksen alla suuri pakkasmäärä nurkat: lämpö siirtyy kahteen suuntaan Roudan syvyyden kasvu Roudan syvyyden kasvua voidaan arvioida laskennallisesti esim. Watzingerin, Kindemin ja Michelsenin esittämällä menetelmällä. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7) Kun routa on tunkeutunut syvyyteen Z ajassa t on lämpötilakenttä kuvan 4. mukainen. c j = C m Roudan syvyys Z Q Q Q + m vuoden keskilämpötila, C c pakkaskauden keskilämpötila, C j C syvyydellä Z Kuva 4.. Lämpötilan jakautuminen maan jäätyessä Watzingerin, Kindemin ja Michelsenin mukaan. (alonrakennuksen routasuojausohjeet 7) Kuvassa 4. oikealla oleva suorakaide edustaa maan jäähtymisestä vapautuvaa lämpöenergiaa, kun maa jäähtyy lähtöhetken lämpötilasta m (vuoden keskilämpötila) C:een. Kuvan keskellä oleva tummempi alue kuvaa veden jäätymisen seurauksena vapautuvaa lämpöenergiaa (latentti lämpö). Vasemmalla oleva kolmio esittää maan jäähtymisestä vapautuvaa lämpöenergiaa lämpötilan laskiessa C:sta c :hen (pakkaskauden keskilämpötila). Kun routa on tunkeutunut syvyydelle Z (m), maasta poistunut lämpöenergia neliötä kohden Q (Wh/m ) lasketaan kaavasta: Q Q Q Q (4.49) Lämpöenergian osakomponentit voidaan laskea kaavoista: Q Cu (m j )Z (4.5) Q u,soil hm Z (4.5) Q,5 Cf (j c )Z (4.5) C u C f sulan maan tilavuuslämpökapasiteetti, Wh/(m 3 K) jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetti, Wh/(m 3 K) o, soil maan kuivairtotiheys, kg/m 3 veden jäätymislämpö, 9,8 Wh/kg h m u kosteuspitoisuus, paino-% Sulan ja jäätyneen maan tilavuuslämpökapasiteetit lasketaan kaavoista:

33 RIL 55-33,soil w C u (,8, ) Cw (4.53) w,soil w C f (,8,5 ) Cw (4.54) w C w veden tilavuuslämpökapasiteetti, 63 Wh/(m 3 K) w veden tiheys, kg/m 3 Poistuva lämpöenergia tilavuusyksikköä kohti, q (Wh/m 3 ), saadaan kaavasta: Q q Cu m w,soil hm,5 Cf c (4.55) Z Aikayksikössä dt vapautuvalle lämpömäärälle, dq (Wh) saadaan yhtälö: dq q dz soil Z ( j ) c dt (4.56) ja tästä edelleen integroimalla yhtälö: Z soil q c t (4.57) Kun merkitään c t = F (= pakkasmäärä, Kh) saadaan roudan syvyyden Z ja pakkasmäärän välille yhteys: Z soil q F (4.58) Kaavalla 4.58 voidaan roudan syvyys laskea myös kerroksellisessa maaperässä osittaispakkasmäärämenetelmää käyttämällä. Kunkin kerroksen jäätymiseen tarvittava pakkasmäärä lasketaan erikseen kaavasta: d d dn F qn dn... (4.59) n n ällöin n:nen kerroksen jäädyttämiseen käytettävissä oleva pakkasmäärä on: n F F (4.6) n F k k ja roudan syvyydelle alimmassa laskettavassa kerroksessa saadaan yhtälö: n k k n n k k n dk dk n d n Fn (4.6) q n Epästatiönäärinen johtuminen Johtumisen energiatase Epästationäärisessä tapauksessa lämpötilojen ja lämpövirran tiheyden määrittämistä varten eri ajanhetkinä tarvitaan energiataseyhtälö.

34 RIL Johtumisen energiataseyhtälö on muotoa: c ( ) ( ) ( ) q' t x x y y z z (4.6) materiaalin tiheys, kg/m 3 c materiaalin ominaislämpökapasiteetti, J/(kg K) t aika, s q lämmönkehitys/ lämpöhäviö, W/m 3 Johtumisen energiataseyhtälö voidaan esittää sanallisessa muodossa seuraavasti: Varastoitu energia (sisäenergian muutos) = tarkasteltavaan pisteeseen tulevan ja siitä lähtevän lämpövirran erotus + lämmönkehitys/ lämpöhäviö tarkasteltavassa pisteessä Jos lämmönjohtavuus pysyy lämpötilan muuttuessa vakiona, energiataseyhtälö voidaan kirjoittaa muotoon: c t ( x y ) z q' (4.63) ällöin yhtälölle saadaan lineaarinen ratkaisu. Monissa rakennusfysikaalisissa laskentaohjelmissa käytetään lämpötaseesta tätä muotoa, jolloin materiaaliominaisuuksia ei voi syöttää ohjelmaan lämpötilariippuvaisina. Yksidimensioisessa tapauksessa lämpö kulkee johtumalla suunnassa x tilavuusosan, dv, kokoisen partikkelin läpi (kuva 4.). Partikkelin energiataseyhtälö voidaan kirjoittaa tällöin seuraavasti: c t ( x ) x q' ( ) x q' (4.64) q' dv q' in c dx q' out Kuva 4.. Partikkelin energiatase. ermiä c (J/m 3 K) kutsutaan tilavuuslämpökapasiteetiksi. Jos partikkeli on stationääritilassa, lämpövirta partikkelin läpi ei muutu ajan kuluessa. ällöin partikkelin varastoima lämpöenergia on vakio ja yhtälö 4.64 muuttuu muotoon: ( ) x q' (4.65) Rakennusfysiikan sovelluksissa lämmön kehitystä tai häviötä (source, sink), q, tapahtuu materiaalissa esim. seuraavissa tapauksissa: Materiaalissa tapahtuu kemiallinen reaktio, joka sitoo tai luovuttaa lämpöä (esim. betonin hydratoituminen) Sähköllä toimiva lämmityskaapeli lämmittää materiaalia.

35 RIL Myös vesi- tai kylmäainejohdot sekä ilmaraot voivat lämmittää tai jäähdyttää rakennetta tietystä kohdasta, mutta yleensä nämä mallinnetaan laskentaohjelmissa erikseen omina materiaaleinaan. Lämmön varastoituminen materiaaliin Materiaalin/ aineen ominaislämpökapasiteetti kuvaa sen kykyä varastoida lämpöä itseensä. Ominaislämpökapasiteetti, c (J/(kg K)), määritetään kaavalla: c Q C m m (4.66) C materiaalin lämpökapasiteetti, J/K Kiinteillä aineilla ja nesteillä on voimassa yhtälö: c c p c v (4.67) c p materiaalin ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa, J/(kg K) c v materiaalin ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa, J/(kg K) Ilman ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa lasketaan kaavalla: R c va cpa (4.68) Ma R yleinen kaasuvakio, 834,3 J/(kmol K) M a ilman molekyylimassa, 8,96 kg/kmol Rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa ilman ominaislämpökapasiteetille vakiopaineessa voidaan usein käyttää vakioarvoa: J c pa C C kg K ästä voidaan määrittää ilman ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa kaavalla 4.68: c va 834,3 8,96 J 73 kg K Rakennusfysiikassa käytetään laskentatarkasteluissa yleensä c pa arvoa, koska ilman tilavuus voi muuttua vapaasti. Materiaalin ominaislämpökapasiteetti muuttuu jonkin verran materiaalin kostuessa. Materiaalin/ aineen energiasisältö (entalpia), h (J/kg), lasketaan kaavasta: Q h cp (4.69) m Veden entalpia on oleellinen suure LVI-teknisissä tarkasteluissa. Veden faasimuutosenergiat, h (J/kg) Veden sulamislämpö h m = 334 kj/kg Veden höyrystymislämpö ( C) h = 5 kj/kg ( C) h = 45 kj/kg

36 RIL Veden sublimoitumislämpö ( C) h = 6 kj/kg h s = 834 kj/kg Jos veden faasimuutoslämpöä merkitään yleisesti termillä, h w, voidaan energiataseyhtälö kirjoittaa muotoon: p cp ( ) hw p( ) q' (4.7) t x x p p vesihöyrynläpäisevyys, kg/(m s Pa) vesihöyryn osapaine, Pa Yleensä laskentaohjelmissa energiataseyhtälössä otetaan huomioon ainoastaan höyrystymislämpö h, koska sen vaikutus on hallitseva ja koska veden jäätymispistettä on yleensä vaikea määrittää materiaalin sisällä. Materiaalin huokosissa veden jäätymispiste voi olla merkittävästi alhaisempi kuin C, johtuen huokosissa vaikuttavasta kapillaari-imuvoimasta (ks. luku 6). Lämpöteknisiä tarkasteluja varten on tarvetta määrittää yleensä myös terminen diffusiviteetti, a (m /s), joka kertoo, kuinka nopeasti lämpötilamuutokset tapahtuvat materiaalissa. erminen diffusiviteetti määritetään kaavalla: a c (4.7) p materiaalin kuivatiheys, kg/m 3 ermistä diffusiviteettia käyttämällä johtumisen energiataseyhtälö voidaan esittää myös seuraavissa muodoissa (lämmönjohtuminen on vakio lämpötilan suhteen): a t ( ) x q' t a( ) x q' cp (4.7) aulukossa 4. on esitetty joidenkin rakennusmateriaalien termisiä diffusiviteetteja sekä niiden lämmönjohtavuuksia ja tilavuuslämpökapasitteetteja. aulukko 4.. Joidenkin rakennusmateriaalien lämpöteknisiä ominaisuuksia. Materiaali, W/(m K) c p, J/(m 3 K) a, m /s tiili,6,35 6,44-6 betoni,7,8 6, -6 graniitti 3,5, 6,6-6 kipsi,,7 6,3-6 rauta 84 3, kevytbetoni,4,5 6,8-6 mineraalivilla,4, 6,3-6 puu,4,75 6,9-6 Materiaaliarvot voivat vaihdella huomattavasti eri lähteissä. iheys, lämpötila ja suhteellinen kosteus vaikuttavat materiaaliarvoihin. Oikean laskentatuloksen saamiseksi on tiedettävä ko. materiaalin ominaisuudet mahdollisimman tarkasti Error-funktioiden käyttö epästationäärisissä laskentatarkasteluissa Epästationääristen lämmönjohtumistapausten analyyttisissä tarkasteluissa käytetään usein apuna ns. errorfunktiota erf(s) ja sen käänteisfunktiota erfc(s). Error-funktiot saavat arvoja ja välillä.

37 RIL Error-funktiolle on voimassa yhtälö: erf ( s) erf(s) (4.73) Käänteinen error-funktio voidaan laskea error-funktiosta kaavalla: erfc (s) erf(s) (4.74) Error-funktiot on esitetty kuvassa 4.3 muuttujan s funktiona erf(s) e s *erfc(s) erfc(s) s Kuva 4.3. Error-funktiot muuttujan s funktiona. Error-funktio ja käänteinen error-funktio määritetään seuraavasti: erf(s) s e u du (4.75) erfc(s) s e u du (4.76) Likiarvoratkaisu funktioille voidaan laskea kaavoista: erf(s) s (4.77) s 4 e [ ( ) s s ] erfc(s) s (4.78) s 4 e [ ( ) s s ] Error-funktioiden arvoja muuttujan s arvoilla on myös valmiiksi taulukoituna kirjan liitteissä. Seuraavissa luvuissa on esitetty analyyttisiä ratkaisuja joillekin epästationäärisille johtumistapauksille Kahden materiaalipinnan välinen lämpötila ilanteessa, jossa kaksi eri lämpötilassa olevaa ja eri lämpötekniset ominaisuudet omaavaa materiaalia asetetaan vastakkain (kuva 4.4), voidaan kosketuspinnan lämpötila tasapainotilanteessa laskea kaavasta: b b (4.79) b b b = materiaalin lämpenemiskerroin (W s½/(m K))

38 RIL (x,) = (x,) = a a b b x d d Kuva 4.4. Lämpötila kahden materiaalin välisessä rajapinnassa. Lämpötilan tunkeutumissyvyys, at (m), tarkoittaa matkaa, jossa puolet pinnalla tapahtuvasta lämpötilamuutoksesta on tapahtunut materiaalissa. Kaavaa 4.79 voidaan käyttää, jos lämpötilan tunkeutumissyvyys a t d ja a t d. Materiaalin lämpenemiskerroin, b (W s½/(m K)), voidaan laskea kaavasta: b cp (4.8) a Mitä pienempi materiaalin lämpenemiskerroin on, sitä enemmän pinnan lämpötila muuttuu pinnasta lähtevän tai siihen tulevan lämpövirran muuttuessa. aulukossa 4.3 on esitetty joidenkin rakennusmateriaalien lämpenemiskertoimia, b. aulukko 4.3. Joidenkin rakennusmateriaalien lämpenemiskertoimia. Materiaali b (W s,5 /(m K)) kupari 37 graniitti 8 betoni 8 vesi 6 tiili 9 puu 3 kevytbetoni 3 mineraalivilla Syklinen lämpötilavaihtelu materiaalin pinnalla arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila vaihtelee syklisesti homogeenisen materiaalin pinnalla kuvan 4.5 mukaisesti. t A sin( ) t (x,) = p x Kuva 4.5. Syklinen lämpötilavaihtelu materiaalin pinnalla. Pinnan lämpötila tietyllä ajan hetkellä voidaan tällöin laskea kaavalla: (t) t A sin( ) (4.8) tp

39 (x, t) RIL t p A yhden vaihtelujakson kokonaisaika, s lämpötilan amplitudi vaihtelujaksolla materiaalin pinnalla C, K (amplitudi tarkoittaa lämpötilaeroa ääriarvon ja keskiarvon välillä) Kaikissa epästationäärisissä johtumistarkasteluissa ajan yksikkönä käytetään sekuntia ja trigonometristen funktioiden arvot määritetään radiaaneina. Lämpötila materiaalissa tietyllä ajanhetkellä ja tietyllä syvyydellä (kuva 4.6) saadaan kaavasta: (x,t) d p x t x A exp( ) sin( ) (4.8) dp tp dp lämpötilan keskiarvo vaihtelujaksolla, C, K jaksollinen tunkeutumissyvyys, m.6 e -x/d p e -x/d p x/d p Kuva 4.6. Eristämättömän materiaalin pinnalla tapahtuvan syklisen lämpötilavaihtelun vaikutus materiaalin lämpötilakenttään, kun lämpötilavaihtelun amplitudi A = K. Jaksollinen tunkeutumissyvyys d p voidaan laskea kaavasta: p atp d (4.83) Kaavaa 4.76 voidaan käyttää, jos materiaalikerroksen paksuus d > d p. Kun materiaalikerroksen paksuus d > 5d p, lämpötilan vaihtelu materiaalissa on alle % materiaalin pinnalla tapahtuvasta lämpötilavaihtelusta A. Joidenkin rakennusmateriaalien jaksollisia tunkeutumissyvyyksiä, d p, kun t p = 4 h on esitetty taulukossa 4.7. aulukko 4.4. Joidenkin rakennusmateriaalien jaksollisia tunkeutumissyvyyksiä. Materiaali d p (m) teräs,65 graniitti, mineraalivilla (5 kg/m 3 ),6 betoni,5 lasi,4 tiili, kevytbetoni,9 puu,7

40 ehollinen paksuus, d eff (m) RIL 55-4 Lämpövirta pinnalta materiaalin sisään voidaan laskea kaavalla: (,t) A d p A t sin( t p ) 4 (4.84) Lämpövirran suunnan ollessa pinnasta rakenteen sisään kaava 4.84 antaa positiivisen tuloksen. ehollinen paksuus, d eff (m), tarkoittaa sitä rakennusmateriaalin paksuutta, joka varastoi lämpöä vuorokausivaihtelun mukaan tapahtuvan jaksollisen lämpötilavaihtelun aikana. Eri materiaalien tehollisia paksuuksia on esitetty kuvassa 4.7. aulukossa 4.5 on esitetty näiden materiaalien lämpöteknisiä ominaisuuksia Paksuus, d (m) Kuva 4.7. Eräiden rakennusmateriaalien tehollinen paksuus, d eff, todellisen paksuuden funktiona. Materiaalien lämpötekniset ominaisuudet on esitetty taulukossa 4.5. aulukko 4.5. Kuvassa 4.7 esitettyjen rakennusmateriaalien lämpöteknisiä ominaisuuksia., W/(m K), kg/m 3 c p, J/(kg K) b (W s,5 /(m K)).puu.kevytbetoni 3.tiili 4.betoni 5.polystyreeni 6.mineraalivilla,4,,6,,4, Kuvasta 4.6 nähdään että materiaalien tehollinen paksuus nousee aluksi hieman korkeammalle kuin mihin se asettuu materiaalikerroksen todellisen paksuuden kasvaessa. ämä johtuu siitä, että materiaalikerroksen paksuuden ollessa riittävän ohut, materiaalin taustapinnan puolella oleva lämpötila vaikuttaa materiaalissa tapahtuvaan lämpötilavaihteluun. austapinnan puolella olevan lämpötilan ollessa vakio, syklisen lämpötilavaihtelun aiheuttama lämpötilakentän muoto muuttuu kuvassa 4.5 esitetystä tapauksesta. Laskuesimerkki eksti puuttuu Lämpötilan muutos materiaalin pinnalla arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila muuttuu materiaalin pinnalla arvosta arvoon (kuva 4.8). arkastelussa oletetaan, että materiaalikerros on niin paksu, että materiaalin toisen pinnan lämpötila ei vaikuta materiaalissa tapahtuviin lämpötilamuutoksiin.

41 RIL 55-4 (,t) = (x,) = x Kuva 4.8. Lämpötilan muutos materiaalin pinnalla. Kun lämpötila muuttuu arvosta arvoon materiaalin pinnalla, saadaan lämpötila materiaalissa tietyllä ajanhetkellä ja tietyllä syvyydellä laskettua kaavasta: x (x,t) ( ) erfc( ) (4.85) 4at Lämpövirta pinnalta materiaalin sisään voidaan laskea kaavalla: A ( ) (,t) (4.86) at Lämpötilan muutos pinnaltaan lämpöeristetyn materiaalin pinnalla arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila muuttuu lämpöeristetyn materiaalin pinnalla arvosta arvoon (kuva 4.9). ässäkin tapauksessa oletetaan, että materiaalikerros on niin paksu, että materiaalin toisen pinnan lämpötila ei vaikuta materiaalissa tapahtuviin lämpötilamuutoksiin. (,t) = (x,) = x Kuva 4.9. Lämpötilan muutos pinnaltaan lämpöeristetyn materiaalin pinnalla. Lämpötilan muutos materiaalissa tietyllä ajanhetkellä ja tietyllä syvyydellä lasketaan kaavalla: (x,t) ( ) u(x,t) (4.87) ermi u(x,t) on dimensioton lämpötila, joka lasketaan kaavalla: u(x,t) erfc( x ) 4at exp( x d ekv d at ekv ) erfc( x 4at at ) d ekv (4.88) Dimensioton lämpötila saa lukuarvoja ja välillä. Kuvassa 4.3 on esitetty dimensiottoman lämpötilan x u(x,t) muutos termien ja 4at at d ekv funktiona. Ekvivalentti paksuus, d ekv (m), saadaan kaavasta:

42 u(x,t) RIL 55-4 d d ekv mat mat Rins mat ins (4.89) ins ins mat materiaalikerroksen lämmönjohtavuus, W/(m K) ins eristekerroksen lämmönsiirtokerroin, W/(m K) R ins eristekerroksen lämmönvastus, m K/W ins eristekerroksen lämmönjohtavuus, W/(m K) d ins eristekerroksen paksuus, m Lämpövirta materiaalin pinnalta materiaalin sisään voidaan laskea kaavalla: at (,t) A ins( ) exp(s ) erfc(s) s dekv (4.9) at = d ekv x/ 4at Kuva 4.3. Lämpöeristetyn materiaalin pinnalla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus dimensiottomaan lämpötilaan. Laskuesimerkki eksti puuttuu Lämpötilan muutos materiaalin pinnalla lämmöneristeen reuna-alueella arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila muuttuu materiaalin pinnalla arvosta arvoon kohdassa, jossa pinnalla oleva lämmöneriste päättyy (kuva 4.3). (x,,t) = x z (x,z,) = Kuva 4.3. Lämpötilan muutos materiaalin pinnalla lämmöneristeen reuna-alueella. Lämpötila lämmöneristeen alla tietyllä ajanhetkellä saadaan kaavasta 4.9, kun eristeen lämmönsiirtokerroin oletetaan :ksi. er (x,,t) luku kuvaa etäisyyttä pinnasta syvyyssuunnassa z.

43 u(x,, t) RIL (x,,t) ( ) u(x,,t) (4.9) ässä tapauksessa dimensiottomalle lämpötilalle u(x,,t) lämmöneristeen alla saadaan tarkka ratkaisu kaavasta: u(x,,t) erfc (s )x at s (4.9) x Dimensiottoman lämpötilan u(x,,t) arvot termin funktiona on esitetty kuvassa at ietyissä tapauksissa yhtälölle 4.9 saadaan likiarvoratkaisu kaavoilla: x x u (x,,t),9,3 (4.93) at at u(x,,t) x exp( ) 4at at x x at 3 (4.94) Yhtälöillä saatavat arvot on esitetty myös kuvassa x/ at Kuva 4.3. Lämpöeristetyn materiaalin pinnalla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus dimensiottomaan lämpötilaan.tarkasteltaessa lämmöneristeen reuna-aluetta eristeen alapinnassa Lämpötilan muutos materiaalikerroksen toisella pinnalla arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila muuttuu materiaalikerroksen toisella pinnalla arvosta arvoon (kuva 4.33). oisella puolella materiaalia lämpötila pysyy arvossa. (,t) = (x,) = x Kuva Lämpötilan muutos materiaalikerroksen toisella pinnalla. ässä tapauksessa materiaalikerroksen toisella puolella oleva vakiolämpötila vaikuttaa materiaalikerroksessa tapahtuvaan lämpötilan muutoksiin. Lämpötilan muutos materiaalikerroksessa tietyllä ajanhetkellä ja tietyllä syvyydellä lasketaan kaavalla:

44 RIL x (x,t) ( )( ) ( ) u(x,t) (4.95) L L materiaalikerroksen paksuus, m Dimensioton lämpötila tietyllä ajanhetkellä ja tietyllä syvyydellä materiaalikerroksessa voidaan laskea Fourierin sarjan avulla: at n n x L u (x,t) sin( ) e (4.96) n n L Sarjassa oleva termiä at/l kutsutaan Fourierin luvuksi, Fo (dimensioton aika). at Fo (4.97) L Fourierin luku kuvaa sitä, kuinka paljon lämpötila on muuttunut tarkasteltavassa syvyydessä tietyn ajan kuluttua. Mitä suurempi Fourierin luku on sitä suurempi lämpötilan muutos on. Kaavan 4.96 sarja suppenee nopeasti paitsi silloin, jos Fourierin luku on pieni. Kaava 4.95 voidaan esittää myös muodossa: (x,t) ( ) um(x,t) (4.98) Modifioidulle dimensiottomalle lämpötilalle on esitetty käyrästö termien x/l ja Fo funktiona kuvassa Lämpövirta materiaalikerroksen pinnalta materiaalin sisään (pinta, jossa lämpötilamuutos tapahtui, ) lasketaan kaavoista: A ( at, 5 (,t) (4.99) at ) at A ( ) L at, 5 (,t) ( e ) (4.) L L L Lämpövirta materiaalikerroksen toiselta pinnalta tilaan, jossa lämpötila on vakio,, lasketaan kaavoista: L A ( ) 4at at, 5 ( L,t) e (4.) at at A ( ) L at, 5 ( L,t) ( e ) (4.) L L L

45 RIL curve =.3 at L = Fo x/l Kuva Materiaalikerroksen toisella pinnalla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus modifioituun dimensiottomaan lämpötilaan. Laskuesimerkki eksti puuttuu Lämpötilan muutos materiaalikerroksen kummallakin pinnalla arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila muuttuu materiaalikerroksen kummallakin pinnalla arvosta arvoon (kuva 4.35). (,t) = (x,) = (x,t) = x Kuva Lämpötilan muutos materiaalikerroksen kummallakin pinnalla. Lämpötila tietyllä ajanhetkellä ja tietyllä syvyydellä materiaalikerroksessa voidaan laskea myös tässä tapauksessa Fourierin sarjan avulla: (x,t) ( ) u(x,t) (4.3) at (n ) 4 (n ) x L u (x,t) sin e (4.4) n n L Sarja suppenee nopeasti paitsi silloin, jos Fo on pieni. Sarjasta saatava dimensioton lämpötila voidaan esittää myös seuraavien kaavojen avulla riippuen tarkasteltavasta ajanhetkestä t: u(x, t) 4 x sin( ) L e at L 3 x sin( ) 3 L e 9 at L t L 36a (4.5) u(x,t) erf( x ) 4at L x erf( ) 4at t L 36a (4.6)

46 u(x, t) RIL Lämpövirta rakenteen pinnalta rakenteen sisään voidaan laskea kaavoilla: (,t) (,t) A A ( ) L at ( e ) (4.7) at 4at L 3 at ( ) at e L (4.8) L L 3 Kuvassa 4.36 on esitetty dimensiottoman lämpötilan muutos termien x/l ja Fo funktiona Bi =.4..3 Fo = x/l Kuva Materiaalikerroksen kummallakin pinnalla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus dimensiottomaan lämpötilaan Lämpötilan muutos pinnoiltaan lämpöeristetyn materiaalikerroksen kummallakin puolella arkastellaan tilannetta, jossa lämpötila muuttuu pinnoiltaan lämpöeristetyn materiaalikerroksen kummallakin pinnalla arvosta arvoon (kuva 4.37). (,t) = (x,) = (x,t) = x Kuva Lämpötilan muutos pinnoiltaan lämpöeristetyn materiaalikerroksen kummallakin pinnalla. Jos materiaalikerros on pinnoiltaan eristetty tai materiaalikerroksen pintavastukset ovat suuret, lämpötilan muutosprofiili materiaalin sisällä muuttuu. ällöin lämpötilan muutokselle voikin tulla rajoittavaksi tekijäksi se, kuinka nopeasti lämpö pääsee pintakerroksesta ulkoilmaan. ätä ilmiötä kuvataan Biotin luvulla, joka määritetään seuraavasti: L Bi (4.9) d ekv Ekvivalentti paksuus, d ekv (m), saadaan kaavasta 4.89.

47 u(x, t) RIL Kuvassa 4.38 on esitetty dimensiottoman lämpötilan muutos termien x/l ja jossa Biotin luku on.. Fo funktiona tapauksessa,.8.6 Bi = Fo = x/l Kuva Lämpöeristetyn materiaalikerroksen kummallakin pinnalla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus dimensiottomaan lämpötilaan. Mitä pienempi Biotin luku on sitä tasaisemmin lämpötilakenttä muuttuu materiaalikerroksen sisällä. Lämpötilan muutos lämpöeristetyssä materiaalikerroksessa riippuu siis sekä Fourierin että Biotin luvusta. Kun Bi,, materiaalikerroksen pintalämpötilan (lämmöneristeen sisäpuolella) ja keskikohdan lämpötilan voidaan katsoa muuttuvan lähes yhtä nopeasti. ällöin rakenteen pinnan ja keskiosan dimensioton lämpötila voidaan laskea likimäärin kaavasta: u (x,t) exp( Fo Bi) (4.) Dimensiottoman lämpötilan arvoja lämpöeristetyn materiaalikerroksen keskellä ja pinnalla (lämmöneristeen sisäpuolella) on esitetty kuvissa 4.39 ja 4.4. Käyrästöissä ovat muuttujina sekä Biotin luku että Fourierin luku. Kuvissa on esitetty myös kaavalla 4. saadut lasketatulokset. u keskikohta.8.6 exp(-fobi). Bi = Fo Kuva Rakenteen molemmilla pinnoilla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus rakenteen keskikohdan lämpötilaan.

48 RIL exp(-fobi).5. u pinta Bi = Fo Kuva 4.4. Rakenteen molemmilla pinnoilla tapahtuvan lämpötilamuutoksen vaikutus rakenteen pintojen dimensiottomaan lämpötilaan lämmöneristeen sisäpuolella. Laskuesimerkki eksti puuttuu Maanvastaisen alapohjan lämpöhäviö vuodenaikojen mukaan Seuraavassa on tarkasteltu maanvastaisen alapohjan lämpöhäviöitä vuodenaikojen mukaan Hagentoftin () esittämällä menetelmällä. arkastelussa käytettäviä termejä on esitetty kuvassa 4.4. L i B (t) q x e R ins e Kuva 4.4. Maanvastaisen alapohjan vuodenaikojen mukaan tapahtuvan lämpöhäviön määrittämisessä käytettäviä termejä. (Hagentoft ). Menetelmässä maanvaraisen alapohjan jaksollinen lämpöhäviö (t) lasketaan kaavasta: ( t) s p(t) (4.) s p(t) keskimääräisestä lämpötilaerosta syntyvä lämpövirta, W vuodenaikaisesta lämpötilavaihtelusta syntyvä lämpövirta, W Keskimääräisestä lämpötilaerosta syntyvä lämpövirta, s, lasketaan kaavalla: s soil( i e )L hs(l/b,d ekv /B) (4.) soil maan lämmönjohtavuus, W/(m K) i sisäilman lämpötila, C, K e ulkoilman keskilämpötila, C, K h s (L/B,d ekv /B) lämpöhäviökerroin L rakennuksen pituus, m

49 RIL B d ekv rakennuksen leveys, m ekvivalentti paksuus, m Lämpöhäviökertoimen, h s, arvo saadaan kuvasta 4.4 suhteiden L/B ja d ekv /B avulla. Ekvivalentti paksuus, d ekv, saadaan kaavasta Vuodenaikaisesta lämpötilavaihtelusta syntyvä lämpövirta, p(t), lasketaan kaavalla: p (t) e(l B) hp sin[ ((tday 3,5) / 365 p )] (4.3) e ulkolämpötilan vuotuinen amplitudi C, K t day vuoden päivä numerojärjestyksessä (esim. t day =. tammikuuta) e :n arvossa ei oteta yksittäisiä lämpötilahyppyjä huomioon. h p :n ja p :n arvot saadaan kuvasta 4.43 suhteen d ekv /d p avulla. d p on jaksollinen tunkeutumissyvyys (m), joka lasketaan kaavasta Lämpövirran maksimiarvo, max, voidaan laskea yhtälöstä: max ( )L h (L / B,d / B) (L B) h (4.4) i e s ekv e p Lämpövirran maksimiarvon viive, t delay (s), kylmimpään ulkolämpötilan arvoon saadaan kaavasta: delay 365 p t (4.5) h s 4,5 B i, d i L d ekv = d i i L/B = L/B = s = ( i - o ) L h s (L/B, d ekv /B) d ekv /B Kuva 4.4. Lämpöhäviökertoimen h s määrittäminen.

50 RIL 55-5 o h o p p.75.5 o p / (In( )) + ( /) d ekv /d p In((d ekv /d p ) / ) d ekv /d p o h p d ekv /d p Kuva Kertoimien h p ja p määrittäminen: Laskuesimerkki eksti puuttuu

51 RIL LÄMMÖN KONVEKIO 4.4. Konvektiovirtauksen tyypit Konvektiolla tarkoitetaan kaasun tai nesteen virtausta paine-eron vaikutuksesta. Virtaus tapahtuu ulkoisen voiman vaikutuksesta (pakotettu konvektio, esim. tuuli, puhallin tai pumppu) tai lämpötilaerojen aiheuttamien tiheyserojen seurauksena (luonnollinen konvektio, noste). Lämpöenergia siirtyy virtaavan aineen mukana. oisinaan konvektioon liittyy myös faasimuutosten aiheuttamaa lämmön siirtymistä. arkasteltaessa lämmönsiirtoa konvektio määritellään virtaavassa aineessa tapahtuvan molekyylien diffuusion ja makroskooppisen aineensiirron eli advektion summana. Kun aineen virtausnopeus on pieni (esim. materiaalipinnan lähellä) lämmönsiirto tapahtuu pääasiassa molekyylien diffuusion vaikutuksesta. Aineen virtausnopeuden kasvaessa advektion osuus tulee virtauksessa määrääväksi. Rakennusfysiikassa tarkastellaan tyypillisesti ilman konvektiota. Erilaisia konvektiotapauksia on esitetty kuvassa 4.44 ja rakenteissa tapahtuvia konvektiovirtauksen tyyppeja on esitetty kuvassa Puhallus Ilma q Nostevirtaus Lämpimiä kappaleita q Aineen lämpeneminen Keveneminen Nostevirtaus (a) Pakkokonvektio Ilma (b) Luonnollinen konvektio q Vesi Kuuma levy Kylmä vesi Kostea ilma Höyrykuplia Vesitippoja Lisänä faasimuutoslämmön siirtyminen (c) Kiehuminen (d) Kondenssi Kuva Erilaisia konvektiotapauksia (Incropeda & DeWitt ) Rakenteen läpi tapahtuva konvekstio Aiheutuu sisä- ja ulkoilman välisestä paine-erosta, kun sisäpinnan ilmansulku ei ole tiivis uulensuojan läpi tapahtuva konvektio Aiheutuu tuulen vaikutuksesta, kun tuulensuoja on liian harva tai virheellisesti asennettu Kuva Rakenteissa tapahtuvia konvektiovirtauksia. Rakenteen sisäinen konvektio Aiheutuu rakenteen pintojen välisistä lämpötilaeroista, kun eristekerros on paksu ja siinä on yhtenäinen huokosverkosto

52 RIL Konvektio pinnasta ilmaan Konvektiivinen lämpövirran tiheys, q conv (W/m ), materiaalin pinnasta ilmaan voidaan laskea Newtonin lain avulla: qconv conv(s a ) (4.6) conv konvektiivinen lämmönsiirtokerroin, W/(m K) materiaalin pintalämpötila, K ympäröivän ilman lämpötila, K s a Konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen arvo riippuu pinnan geometriasta ja karheudesta, virtauksen luonteesta (laminaarinen tai turbulenttinen) ja virtaavan aineen virtausominaisuuksista sekä termodynaamisista ominaisuuksista. Konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen likimääräistä arviointia varten on olemassa monenlaisia kaavoja. Seuraavassa on esitetty joitakin näistä. y u Ainevirtaus y Nopeusjakauma u(y) q Lämpötilajakauma (y) Rajakerros S u(y) Lämmin pinta (y) Kuva Pinnan suuntaisesti tapahtuvan konvektion nopeus- ja lämpötilajakaumat (Incropeda & DeWitt ). Pakotettu konvektio, virtaus pintaa pitkin: conv 6 4 ra ra 5 m/ s (4.7),78 conv 7,4 ra ra 5 m / s (4.8) r a ilmavirran nopeus, m/s Pakotettu konvektio, tuulen vaikutus pintaa vasten: uulen puoli conv 5 4,5 ra,4 ra ra m/ s (4.9) Suojan puoli conv 5,5 ra ra 8 m/ s (4.) Luonnollinen konvektio:

53 RIL conv,5 a s (4.) Kerrostuneella ilmalla pystypinnan vieressä lämmönsiirtokertoimen arvo vaihtelee välillä,3 conv,8 W/(m K). Virtaustekniikassa ilman konvektiivinen lämmönsiirtokerroin lasketaan dimensiottoman Nusseltin luvun, Nu, avulla: Nu conv L Nu a conv (4.) L a L etäisyys tasopinnan reunasta (ilmavirran tulosuunnasta) eli ns. karakteristinen pituus, m a ilman lämmönjohtavuus,,5 W/(m K), kun = C r r r urbulenttinen alue x Laminaarinen urbulenttinen Rajakerros Laminaarinen kerros Siirtymävaihe Kuva Ilmavirtauksen tyypin muuttuminen pinnan lähellä (Incropeda & DeWitt ). Pakotetussa konvektiossa Nusseltin luku lasketaan Prantlin luvun, Pr, ja Reynoldsin luvun, Re, korrelaationa. Korrelaatiokaavat ovat erilaisia laminaariselle ja turbulenttiselle virtaukselle. Nu f(pr,re) (4.3) Prantlin luku ilmoittaa virtaavan aineen nopeus- ja lämpötilarajakerrosta säätelevien ominaisuuksien suhteen ja se määritellään kaavalla: Pr cpa a a a a (4.4) a ilman dynaaminen viskositeetti, N s/m a ilman kinemaattinen viskositeetti, m /s Ilman Prantlin luku annetaan taulukoissa valmiina eri lämpötiloissa. Ilman kinemaattisen ja dynaamisen viskositeetin välille saadaan yhtälö: a a (4.5) a a ilman tiheys,, kg/m 3, kun = C Reynoldsin luku määritetään kaavalla:

54 RIL r a L Re (4.6) a Reynoldsin luku kuvaa ilmavirtauksen tyyppiä (laminaarinen tai turbulenttinen). Ilmavirtaus muuttuu tasopinnalla turbulenttiseksi, kun Reynoldsin luku on suurempi kuin x 5 3 x 6. Luonnollisessa konvektiossa Nusseltin luku lasketaan Prantlin luvun ja Grashofin luvun, Gr, korrelaationa. Myös tässä tapauksessa korrelaatiokaavat ovat erilaisia laminaariselle ja turbulenttiselle virtaukselle. Nu f(pr,gr) (4.7) Grashofin luku vastaa pakotetussa konvektiossa käytettävää Reynoldsin lukua. Grashofin luku lasketaan kaavasta: 3 g L a Gr (4.8) ilman tilavuuden lämpölaajenemiskerroin, /K g putoamiskiihtyvyys, 9,8 m/s pinnan ja ilman välinen lämpötilaero, K Ilman tilavuuden lämpölaajenemiskerroin,, voidaan laskea kaavasta, joka pätee ideaalikaasuilla: p ar (4.9) p ilmanpaine, Pa R yleinen kaasuvakio, 834,3 J/(kmol K) Luonnollinen konvektio muuttuu tasopinnalla turbulentiksi, kun Prandtlin ja Grashofin luvun tulo eli ns. Rayleighin luku, Ra, on suurempi kuin x 7 x 9. Kun Ra < x 3, lämmönsiirto tapahtuu johtumalla. Rayleighin luku saadaan siis kaavoista 9 ja 3: Ra g L a a 3 (4.3) Rakennusfysiikassa rakenteiden ulkopintoja tarkasteltaessa on suurempi painoarvo pakotetulla konvektiolla ja sisäpintoja tarkasteltaessa luonnollisella konvektiolla. Pintojen konvektio-ominaisuudet otetaan kuitenkin käytännössä huomioon pinnan lämmönsiirtokertoimen/ pintavastuksen arvossa, joten tarkempaa analyysia ei yleensä tarvita. aulukko 4.6. Konvektion lämmönsiirtokertoimen arvoja Prosessi conv (W/(m K)) Luonnollinen konvektio kaasut 5 nesteet 5 - Pakotettu konvektio kaasut 5 5 nesteet - Konvektio yhdistettynä faasimuutokseen kiehumien tai kondensoituminen 5 -

55 RIL Konvektio ilmavälissä Konvektio ulkoilmaan avoimessa ilmavälissä Hyvin tuulettuvassa ilmakerroksessa konvektion vaikutus on niin suuri, että ilmavälin ja sen ulkopuolella olevien rakennekerrosten vaikutus rakenteen lämmöneristykseen on pieni. RakMK C4:ssä on annettu ohje, jonka mukaan tuuletusvälin sisäpuolisen rakenneosan pintavastuksena saa tällöin kuitenkin käyttää rakenteen sisäpinnan lämmönvastuksen arvoa. Ilmakerros on hyvin tuulettuva, kun ulkoilmaan rajoittuvien aukkojen pinta-ala on pystyrakenteissa yli 5 cm /m ja vaakarakenteissa yli 5 cm /m. Lievästi tuulettuvan ilmakerroksen lämmönvastus voi olla puolet sitä vastaavan tuulettumattoman ilmakerroksen lämmönvastuksesta. Ilmakerros on lievästi tuulettuva, kun ulkoilmaan rajoittuvien aukkojen pinta-ala on pystyrakenteissa välillä 5 5 cm /m ja vaakarakenteissa 5 5 cm /m. Konvektion vaikutus ilmavälin lämpötilaan Ilmavälin ilma voi olla ulkoilmaa lämpimämpää (esim. auringon säteilyn nostaessa ulkoverhouksen lämpötilaa) tai kylmempää (esim. yöaikaisen vastasäteilyn aiheuttaman jäähtymisen johdosta). ällöin ulkoa tuleva ilmavirtaus voi tilanteesta riippuen jäähdyttää tai lämmittää tuuletusvälin ilmaa. Ilmavirtauksen ollessa vakio voidaan ilmavälin lämpötila eri etäisyyksillä x (m) tuloilmakohdasta eteenpäin laskea kaavasta: (x) in l c x (in ) exp( ) (4.3) l c ilmaväliin tulevan ilman lämpötila, K ilmavälin keskimääräinen lämpötila kaukana ilmavirtauksen sisääntulokohdasta tai, kun ilmavälissä ei ole ilmavirtausta, K karakteristinen pituus, m L B + in x R a Kuva Ilman virtaus ilmavälissä. Ilmavälin keskimääräinen lämpötila voidaan laskea kaavasta: (4.3) + ilmavälin lämpimämmän pinnan lämmönsiirtokerroin, W/(m K) - ilmavälin kylmemmän pinnan lämmönsiirtokerroin, W/(m K) ilmavälin lämpimämmän pinnan lämpötila, C, K ilmavälin kylmemmän pinnan lämpötila, C, K + - Konvektion lämmönsiirtokerroin pinnoille voidaan laskea kaavoilla, 3 tai 6 riippuen ilmavirtauksen nopeudesta ilmavälissä. Säteilyn lämmönsiirtokerroin saadaan laskettua säteilyn yhteydessä esitetyllä kaavalla 9. Johtumisen lämmönsiirtokerroin voidaan unohtaa tarkastelussa.

56 RIL Karakteristinen pituus l c lasketaan kaavasta: acpara lc (4.33) B( ) R a ilman tilavuusvirta tuuletusvälissä, m 3 /s B tuuletusvälin leveys sivusuunnassa, m (ks. kuva 4.49) ermi L/l c, L on ilmavälin pituus, kuvaa etäisyyttä tuloilmakohdasta, jossa ilmavirtaus ei enää vaikuta ilmavälin keskimääräiseen lämpötilaan. Käytännössä, jos ilman tilavuusvirta tuuletusvälissä muuttuu ajan funktiona, myös tuuletusvälin pintalämpötilat ja pintojen lämmönsiirtokertoimet muuttuvat. ällöin tuuletusvälin lämpötilakentän tarkastelu tulee tehdä virtauslaskentaohjelman avulla. Lämpötila vesikatteen alapinnassa erminen poistoilmanvaihto Sula alue Jäätynyt alue C Lumi jää räystäille Mekaaninen tuloilmanvaihto Sula alue Jäätynyt alue Lumi jää harjalle C Kuva 4.5. Lumen sulaminen katolla riippuu katon tuuletusilman virtaussuunnasta Konvektio suljetussa ilmavälissä Suljetussa ilmavälissä ilma liikkuu luonnollisen konvektion vaikutuksesta, kun ilmavälin yli vallitsee lämpötilaero. Pystyrakenteissa, jossa lämpövirran suunta on vaakasuora, ilmavälin alaosassa oleva ilma lämpenee ja kevenee kohdatessaan ilmavälin lämpimämmän pinnan ja alkaa nousta lämmintä pintaa pitkin ylöspäin. Ilmavälin yläosassa ilma kohtaa kylmemmän pinnan, jolloin se alkaa jäähtyä ja vajota kylmää pintaa pitkin alaspäin. Lopputuloksena syntyy ilmavälin pintoja pitkin kiertävä konvektiovirtaus, joka on sitä voimakkaampi mitä suurempi lämpötilaero pintojen välillä on. Konvektiovirtaus heikentää ilmavälin lämmöneristävyyttä ja lisää rakenteen läpi siirtyvää lämpövirtaa. Vaakarakenteissa lämpövirran suunnan ollessa alhaalta ylöspäin (kattorakenteet) ilman lämpötilaeron aiheuttama paine-ero ilmavälin ala- ja yläpinnan välillä on yleensä pieni johtuen ilmavälin pienestä

57 uulettamattoman ilmavälin ekvivalentti lämmönjohtavuus, ekv (W/(mK)) RIL paksuudesta pystysuunnassa. oisaalta ilman liike tapahtuu lyhyellä matkalla kohtisuoraan ilmakerroksen läpi, joka lisää konvektiolla siirtyvää lämpövirtaa. Kun lämpövirran suunta on ylhäältä alaspäin (alapohjarakenteet), lämpö ei juurikaan siirry konvektiolla, koska ilmavälin alapinnalla oleva kylmempi ilma ei pyri ylöspäin. q cd + q conv Sisäinen konvektio Kylmempi pinta Lämpimämpi pinta > Kuva 4.5. Yhdistetty lämmön johtuminen ja konvektio ilmavälissä. Suljetun ilmavälin lämmönsiirtokerroin voidaan myös määrittää Nusseltin luvun avulla. ässä tapauksessa Nusseltin luku kuvaa sitä, kuinka paljon konvektion mukana siirtyvä lämpövirta lisää ilmavälin läpi siirtyvää kokonaislämpövirtaa: q q Nu cd conv qcd (4.34) q cd johtumalla siirtyvä lämpövirta. W/m q conv konvektiolla siirtyvä lämpövirta, W/m,36,3 4,8,4,,6, 3,8, Ilmavälin paksuus, d (mm). Pystysuora kerros, keskilämpötila C, pintojen välinen lämpötilaero C. Pystysuora kerros, keskilämpötila C, pintojen välinen lämpötilaero 5 C 3. Vaakasuora kerros, lämpövirran suunta ylöspäin, pintojen välinen lämpötilaero C 4. Vaakasuora kerros, lämpövirran suunta ylöspäin, pintojen välinen lämpötilaero 5 C Kuva 4.5. uulettumattoman ilmavälin ekvivalentti lämmönjohtavuus.

58 RIL Seinä- ja ikkunarakenteisiin soveltuvia korrelaatiokaavoja on olemassa melko vähän, johtuen siitä,että niissä olevat ilmavälit ovat tyypillisesti korkeita. Näihin rakenteisiin soveltuvia käyttökelpoisia korrelaatioita ovat esittäneet mm. ElSherbiny et al. (98). ässä tapauksessa ilmavälin Nusseltin luvuksi valitaan seuraavista kaavoista saatava maksimiarvo:,33 Nu,65 (4.35) Ra,33 3,93,4 Ra Nu (4.36),36 (63 /Ra),7 Ra Nu 3,4 (4.37) A Nu (Nu,Nu,Nu3) max (4.38) A = ilmavälin korkeuden ja paksuuden suhde (H/d) Kaavat ovat päteviä, kun Pr,7, A = 5 ja Ra = 8. Rayleighin luku, Ra, lasketaan käyttämällä kaavassa 5 karakteristisen pituuden, L, tilalla ilmavälin paksuutta d ja lämpötilaerona pintojen välistä lämpötilaeroa. Suljetun ilmavälin johtumisen ja konvektion yhdistetty lämmönsiirtokerroin, cd+conv, lasketaan kaavalla 7. ässäkin kaavassa käytetään karakteristisen pituuden, L, tilalla ilmavälin paksuutta d. Hagentoft () on tarkastellut johtumisen ja konvektion yhdistetyn lämmönsiirtokertoimen muuttumista pystysuorassa ilmavälissä myös graafisesti ilmavälin leveyden funktiona alla olevassa kuvassa. cd+conv (W/(m K)) K K K air 5.5 K d d (mm) Kuva Yhdistetty lämmön johtuminen ja konvektio pystysuorassa ilmavälissä (Hagentoft ). Käytännössä ilmavälin lämmönsiirtokertoimeen vaikuttaa oleellisesti myös säteilyn lämmönsiirtokerroin, jos lämpötilaero pintojen välillä on suuri. Eräs kattorakenteille soveltuva korrelaatiokaava on: Nu kun Ra 78 (4.39) Nu,537 d L,5 kun Ra 78 (4.4) L ilmavälin pituus vaakasuunnassa, m

59 RIL Rayleighin luku sekä johtumisen ja konvektion yhdistetty lämmönsiirtokerroin lasketaan samalla tavoin kuin pystyrakenteita tarkasteltaessa Konvektio rakenteessa olevan raon tai reiän läpi Raon tai reiän läpi konvektiolla siirtyvä absoluuttinen lämpövirran tiheys, q conv,abs (W/m ), lasketaan kaavalla: q conv,abs a c r pa a m c (4.4) a pa r a ilmavirran tiheys, m 3 /(m s) raon läpi virtaavan ilman lämpötila, K m a ilman massavirran tiheys, kg/(m s) Ilman virratessa raon läpi tilasta tilaan ilman paine-ero raon päiden välillä kasvaa, ellei tilaan virtaa sama määrä korvausilmaa. Jos korvausilma otetaan tilasta, kuten rakennuksen vaipan yli tapahtuvia konvektiovirtauksia tarkasteltaessa, saadaan raon läpi konvektiolla siirtyvän lämpövirran tiheyden nettoarvo, q conv, kaavalla: q c r ( ) m conv a pa a ac pa ( ) (4.4), lämpötilat raon päissä, C, K Kaavassa 43 ilman tiheys ja ominaislämpökapasiteetti määritetään lämpötilojen ja keskilämpötilassa. Kaavaan 4 sijoitetaan lämpötilat Kelvin asteina, joten konvektiolla siirtyvät absoluuttiset lämpövirran tiheydet ovat tyypillisesti moninkertaisia verrattuna rakenteen läpi konvektiolla siirtyvän lämpövirran tiheyden nettoarvoon. odellisuudessa pieni osa konvektiolla siirtyvästä lämpövirrasta johtuu raon/ reiän seinämien kautta rakenteeseen ja poistuu rakenteen läpi johtumalla. Myös raossa/ reiässä virtaavassa ilmassa lämpöä siirtyy jonkin verran johtumalla. Näiden tekijöiden vaikutus on kuitenkin yleensä niin pieni, että ne voidaan unohtaa tarkasteluissa. Konvektiolla siirtyvä lämpövirta, conv, voidaan laskea kaavasta conv c R ( ) c M ( ) C a pa a pa a a( ) (4.4) M a ilman massavirta, kg/s C a ilman lämpökapasiteettivirta, W/K A a c pa R a conv L Kuva Raon läpi tapahtuva lämmön konvektio. Ilman tilavuusvirta erityyppisissä raoissa ja rei issä voidaan määrittää luvussa 5 esitetyillä tavoilla.

60 RIL Konvektio huokoisen materiaalin läpi Lämmön konvektio materiaalin läpi Materiaalin läpi konvektiolla siirtyvä lämpöenergia voidaan laskea kaavasta: conv acpara (4.43) Yhdistetty lämmön johtuminen ja konvektio materiaalin läpi arkasteltaessa huokoisen materiaalin läpi tapahtuvaa lämmön konvektiota on tarkastelussa otettava aina huomioon myös samaan aikaan tapahtuva lämmön johtuminen materiaalin läpi. Ilmavirtaus voi tapahtua tilanteesta riippuen samaan suuntaan tai eri suuntaan kuin lämmön johtuminen. Yksidimensioisessa tapauksessa konvektion ja johtumisen yhdistetty lämpövirta materiaalikerroksen läpi voidaan laskea kaavalla: d cd conv A acpara (4.44) dx Ilman tilavuusvirta huokoisen materiaalin läpi lasketaan luvussa 5 esitetyllä tavalla. Lämmönjohtavuuden ollessa vakio kaava 48 voidaan kirjoittaa muodossa: L / l e cd conv acpara (4.45) L / l e HUOM! Lämpötilat ja syötetään kaavaan 49 celsius-asteina. M a L Kuva Yhdistetty lämmön johtuminen ja konvektio huokoisen materiaalin läpi. Konvektion ja johtumisen yhdistetty lämpövirta on vakio materiaalikerroksen yli, mutta niiden keskinäinen osuus muuttuu. Materiaalikerroksen lämpötilamuutokset paksuuden funktiona saadaan dimensiottoman lämpötilan avulla, joka lasketaan kaavalla: '(x) (x) x /l e x L (4.46) L /l e Parametri L/l on modifioitu Pecletin luku, Pe*. Modifioitu Pecletin luku voidaan laskea seuraavasti: Pe* L l l A c pa M a (4.47)

61 '(x) RIL 55-6 Pecletin luku on negatiivinen jos ilman massavirta on negatiivinen = L l - - = Pe* x/l Kuva Materiaalikerroksen läpi tapahtuvan johtumisen ja konvektion synnyttämä dimensioton lämpötilakenttä Yhdistetty lämmön konvektio ja johtuminen kerroksellisen rakenteen läpi Kaava 49 voidaan kirjoittaa yleisessä muodossa seuraavasti: cd conv p(l) e c M pa a (4.48) p(l) e Kun konvektion ja johtumisen yhdistetty lämpövirta kulkee kerroksellisen läpi, termi p(l) voidaan laskea kaavasta: p(l) c pa M R a A tot c pa M A a N L n n n (4.49) L n kerrosten,,..,n paksuus, m n kerrosten,,..,n lämmönjohtavuus, W/(m K) Rakenteen sisäinen konvektio Sisäisen konvektion aiheuttama lämmönsiirto eristekerroksessa voidaan arvioida samalla periaatteella kuin ilmavälissä. Eristekerrokselle määritetään Nusseltin luku kaavalla 9, joka kuvaa yhdistettyä johtumisen ja konvektion avulla eristekerroksen läpi siirtyvää lämpövirtaa (ks. kaava 9).

62 RIL 55-6 A B Kuva Pystyrakenteissa tapahtuvia konvektiovirtauksia. Kuvassa tapaus A kuvaa lämpötilaerojen aiheuttamaa sisäistä konvektiota pystyrakenteessa ja tapaus B kuvaa lämpötilaerojen + tuulen aiheuttamaa sisäistä konvektiota pystyrakenteessa. Jos sisäinen konvektio tapahtuu pelkästään lämpötilaerojen vaikutuksesta, voidaan Nusseltin lukua arvioida modifioidun Rayleighin luvun, Ra m (-) avulla. Modifioitu Rayleighin luku lasketaan kaavasta: a cpa g d ka,ins ( ) Ra m (4.5) a ins ilman tilavuuden lämpölaajenemiskerroin, /K (ks. kaava 4) k a,ins lämmöneristeen permeabiliteetti ilmalle, m ins lämmöneristeen lämmönjohtavuus, W/(m K) Rakenteille voidaan määrittää Nusseltin luku modifioidun Rayleighin luvun funktiona. Käyrästöjä on sekä katto- että seinärakenteille. Alapohjarakenteissa sisäistä konvektiota ei juurikaan tapahdu, koska rakenteen lämpimämpi pinta on rakenteen yläpinta.

63 Nu Nu RIL Katto, avoin yläpinta Katto, tuulensuoja yläpinnassa Ra m 7 Kuva Nusseltin luvun muutos modifioidun Rayleighin luvun funktiona kattorakenteissa Seinä h/d = Seinä h/d = Ra m Kuva Nusseltin luvun muutos modifioidun Rayleighin luvun funktiona seinärakenteissa. Kattorakenteissa sisäisen konvektion vaikutus loppuu avoimilla rakenteilla, kun Ra m < 7, ja tuulensuojatuilla rakenteilla, kun Ra m < 4. Kerroksen korkuisissa ja sitä korkeammissa seinärakenteissa sisäisen konvektion vaikutus pienenee merkityksettömäksi, kun Ra m <. Kuvista huomataan, että seinärakenteissa sisäisen konvektion vaikutus alkaa aikaisemmin, mutta kattorakenteissa konvektiolla tapahtuva lämmönsiirto kasvaa nopeammin, kun Ra m kasvaa. Kaavalla 4.5 saatu laskentatulos kuvaa ideaalisesti asennetussa eristekerroksessa tapahtuvaa sisäistä konvektiota. Käytännössä lämmöneristekerroksen reunoille jää usein rakoja, joilla on suuri vaikutus sisäiseen konvektioon. Rakojen vaikutus otetaan huomioon rakenneosan U-arvoa laskettaessa korjauskertoimella, U g (ks. kaava 4.33).

64 Violet Blue Green Yellow Red RIL SÄEILY 4.5. Yleistä Säteilyllä tarkoitetaan lämpöenergian siirtymistä sähkömagneettisina aaltoina (tai fotoneina) kahden eri lämpötilassa olevan pinnan välillä. Säteilyä syntyy, kun aineen atomeissa ja molekyyleissä olevien elektronien paikat muuttuvat. Kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, säteilevät lämpöenergiaa ympäristöönsä. Säteilyn eteneminen ei vaadi väliainetta kuten johtumisessa ja konvektiossa, vaan väliaine voi päinvastoin hidastaa säteilyn etenemistä pintojen välillä. Auringon tai kappaleen pinnasta lähtevä säteily jakaantuu eri aallonpituuksille. Säteilyn aallonpituus voidaan määrittää kaavasta: c f (4.5) c f valon nopeus,,998 x 8 m/s säteilyn taajuus, Hz Lämpösäteily käsittää aallonpituusalueen - m. ästä näkyvän valon osuus on välillä,4,7 m. Mitä korkeampi säteilevän pinnan lämpötila on sitä suurempi osa siitä lähtevästä säteilystä on lyhytaaltoista (< 3 m). Rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa säteily voidaan jakaa lyhytaaltoiseen auringonsäteilyyn ja pitkäaaltoiseen lämpösäteilyyn. Lyhytaaltoista säteilyä on suoran auringonsäteilyn lisäksi ilmakehästä ja pilvistä heijastunut diffuusi säteily. Diffuusi säteily syntyy, kun auringonsäteily heijastuu ilmakehässä olevista hiukkasista ja molekyyleistä tasaisesti eri suuntiin. Säteily heijastuu diffuusina säteilynä myös maan pinnalta ja rakennuksista. ällöin heijastunut säteily on kuitenkin pitkäaaltoista lämpösäteilyä. Myös eri kappaleiden ja pintojen emittoima lämpösäteily on pitkäaaltoista säteilyä huonelämpötila-alueella. Näkyvä valo Gamma rays X rays Ultraviolet Infrared hermal radiation Microwave ( m) 3 4 Lämpösäteily Kuva 4.6. Sähkömagneettisen säteilyn spektri.

65 RIL Pinnan emittoimasta säteilytehosta jollakin tietyllä aallonpituusalueella käytetään nimitystä spektrinen säteilyteho (spectral emissive power), E (W/(m m). Aallonpituus, max ( m), jolla spektrisen säteilytehon maksimiarvo, E,max, esiintyy, voidaan laskea ns. Wienin siirtymälaista: max 897,6 m K (4.5) Pintaan tulevan säteilyn spektrisestä säteilytehosta (spectral irradiation) käytetään merkintää spektrinen säteilyteho, I (W/(m m). Pinnan emittoima säteilyteho (emissive power), E (W/m ), saadaan spektrisestä säteilytehosta integroimalla se koko aallonpituusalueen yli: E E ( )d (4.53) Vastaavasti pintaan tuleva säteilyteho (irradiation), I (W/m ), voidaan laskea spektrisestä säteilytehosta kaavalla: I I ( )d (4.54) Pinnasta lähtevä kokonaissäteilyteho (radiosity), J (W/m ), saadaan kaavasta: J E I (4.55) = pinnan heijastuskerroin (-) Pinnan emittoima säteily (Emissive power) Pintaan tuleva W kokonaissäteily E ( m ) (Irradiation) W I ( m ) Pinnasta lähtevä kokonaissäteily (Radiosity) W J ( m ) Heijastunut osuus tulevasta säteilystä Kuva 4.6. Pinnasta lähtevä kokonaissäteily (Incropeda & DeWitt ). Pinnan emittoimalla säteilyteholla, E, on yläraja, joka voidaan laskea Stefan-Bolzmannin lain avulla: 4 E b s (4.56) s Stefan-Bolzmannin vakio, 5,67 x -8 W/(m K 4 ) säteilyä lähettävän pinnan lämpötila, K

66 Emissiviteetti, RIL ämä säteilytehon arvo vastaa ideaalisen mustan kappaleen (blackbody) lähettämää säteilytehoa, E b (Planck 9). Käytännön rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa ainoastaan auringon lähettämä säteilyteho vastaa mustan kappaleen lähettämää säteilytehoa. Kaava 4.56 voidaan esittää myös kätevämmässä muodossa kaavalla: 4 E s b 5,67 (4.57) Muilla pinnoilla todellisen säteilytehon ja ideaalisen mustan kappaleen välisen säteilytehon ilmoittaa pinnan emissiviteetti, (-), joka vaihtelee välillä -. E E b (4.58) odellisen pinnan lähettämä säteilyteho saadaan näin ollen kaavojen 4.56 ja 4.58 avulla seuraavasti: 4 E s (4.59) odellisuudessa pinnasta lähtevä säteily ei ole täysin diffuusia eikä aallonpituusjakauma vastaa täysin mustan kappaleen lähettämää aallonpituusjakaumaa. Lisäksi pinnan emissivitetti riippuu sekä säteilyn aallonpituudesta että säteilyn lähtökulmasta pintaan nähden. Aallonpituusriippuvuudesta johtuen emissiviteetti riippuu myös pinnan lämpötilasta. ietyllä kapealla lämpötila-alueella emissiviteetin arvoja voidaan pitää kuitenkin vakiona. Joillakin materiaaleilla pinnan emissiviteetti pienenee merkittävästi, jos pinta lähettää lyhytaaltoista säteilyä. ämä edellyttää kuitenkin sitä, että pinnan lämpötila on suuri (> 8 K). Suurimmalla osalla rakennusmateriaaleista pinnan emissiviteetti on huonelämpötila-alueella välillä,8,95. Poikkeuksen tekevät lähinnä kiiltävät metallipinnat. Rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa pintoja voidaan käsitellä ns. harmaina pintoina, joista säteilyn oletetaan emittoituvan diffuusina säteilynä tasaisesti kaikkiin suuntiin. Harmaan pinnan emissiviteetin oletetaan myös olevan riippumaton säteilyn aallonpituudesta.,,5 Valkoinen kaakeli Betoni Kiilloitettu alumiini Näkyvä alue Aallonpituus, ( m) Kuva 4.6. Esimerkkejä pinnan emissiviteetin spektrisestä jakautumasta (RIL ).

67 RIL aulukko 4.7. Esimerkkejä eri materiaalien pintojen emissiviteeteistä huonelämpötila-alueella. Pinta Emissiiviteetti Alumiini - kirkas - oksidoitunut Betoni, karkea Huurre Kattohuopa Lasi maalit, lakat - alumiiniväri - emalilakka - musta maali - valkoinen maali Puu Poltettu savi (tiili) Karkea tiilikivi Kalkkihiekkakivi,9,,33,94,985,9,94,94,7,6,85,95,8,97,9,97,8,9,9,93,9 ietystä suunnasta pintaan tulevaa tai siitä lähtevää säteilytehoa nimitetään säteilyn intensiteetiksi, (W/m ). Säteilyn intensiteetillä suuntaan (, ) tarkoitetaan pinnan emissiovoimakkuutta emittoivan pinnan tarkastelusuunnan (, ) projektion yksikköpinta-alaa ja tarkastelusuunnan yksikköavaruuskulmaa kohti. (Vastaava määritelmä koskee myös pinnalle tulevaa säteilyä). Seuraavalla sivulla olevan kuvan merkinnöin säteilyn intensiteetti mustasta pinnasta A voidaan laskea kaavasta: da r deb (4.6) (da cos ) de b pinnan da läpi menevä säteilyteho, W/m d da r r sin r d d r d r sin da d d Suurennos yksityiskohdasta Kuva 4.6. Partikkelista da emittoituva säteily puolipallon muotoisella pinnalla olevalle pinta-alalle da. (Incropeda & DeWitt ).

68 E RIL Ideaalisen mustan pinnan tapauksessa eri suuntiin lähtevän säteilyn intensiteetti, b, voidaan laskea pinnan lähettämästä kokonaissäteilytehosta, E b, kaavalla: b E b (4.6) Diffuusista pinnasta lähtevän säteilyn Intensiteetti on vakio kaikissa suunnissa (Lambertin laki). Säteilyn aallonpituus Musta pinta, odellinen pinta, E,b (,) E (,) = E,b (,) Säteilyjakauma eri suunnissa Musta pinta,,b (Blackbody) odellinen pinta, (,, ) =,b (, ) Kuva Mustan pinnan ja todellisen pinnan emittoiman säteilyn vertailu (Incropeda & DeWitt ). Vain teoreettisessa mustasta pinnasta lähtevä säteily on tasaisesti jakaantunutta diffuusia säteilyä. Säteilyn kohdatessa materiaalin pinnan osa siitä heijastuu, osa absorboituu pintaan ja osa tunkeutuu materiaalin läpi. q rad q rad q rad q rad Kuva Säteilyn jakautuminen materiaalin pinnassa. Eri säteilykomponenttien osuutta kokonaissäteilystä kuvataan seuraavilla kertoimilla: heijastuskerroin absorptiokerroin läpäisykerroin Näiden kesken on voimassa yhtälö: (4.6)

69 RIL Absorptiokerroin on erilainen lyhyt- ja pitkäaaltoiselle säteilylle (ks. luku ). arkasteltaessa harmaiden pintojen välistä pitkäaaltoista säteilyä voidaan pinnan absorptiokertoimen ja emissiviteetin välille johtaa Kirchoffin lakina tunnettu yhtälö: (4.63) Lyhytaaltoisen säteilyn absorptiokerroin, sol, voi erota merkittävästikin pitkäaaltoisen säteilyn absorptiokertoimesta, ja emissiviteetistä. Lyhytaaltoisen säteilyn absorptiokerroin pienenee tyypillisesti pinnan vaalentuessa. Auringon säteilyn absorptiokertoimella voidaan antaa likimain seuraavia arvoja: tummat pinnat sol,9 harmaat pinnat sol,7 vaaleat pinnat sol,5 Rakennusfysiikassa tarkastellaan yleensä materiaaleja (lasia lukuunottamatta), joilla ei ole merkittävää läpäisykerrointa. Näin ollen pinnan heijastuskerroin voidaan laskea yleensä kaavasta: (4.64) 4.5. Auringon säteily Yleistä Auringon säteilyllä on keskeinen vaikutus maapallon lämpötaseeseen. Kuvassa 4.65 on esitetty maapallolle tulevien ja lähtevien lämpövirtojen suhteelliset osuudet. Heij. 33% Auringosta % I sol, 47% Sironn. 9% Absorptio 5% Absorptio 5% Ilmakehä % Diff.sät. I D Konv. 4% Suora sät. I sol Haiht. 3% Ulossät. % Vastasät. 7% Lyhytaaltoinen säteily Pitkäaaltoinen säteily Kuva Maapallon lämpötase ja siihen vaikuttavat tärkeimmät lämpövirrat. Auringon pinnalta lähtevä säteilyteho, E sol (W/m ), on moninkertainen siihen nähden mikä osa siitä tulee maanpinnalle. Säteilyn aallonpituusjakauma on kuitenkin aina samanmuotoinen. Auringosta maahan tulevan säteilyn aallonpituus, vaihtelee välillä, 3 m. ätä aallonpituusaluetta kutsutaan lyhytaaltoiseksi. Ilmakehän ulkopuolella säteilyn spektri noudattaa mustan kappaleen aallonpituusjakaumaa. Säteilyn sironta ilmakehässä olevista hiukkasista ja molekyyleistä sekä säteilyn absorptio niihin muuttaa kuitenkin maan pinnalle tulevan auringonsäteilyn aallonpituusjakaumaa.

70 Auringosta lähtevä spektrinen säteilyteho (Spectral emissive power), E sol (W/(m m)) Auringon spektrinen säteilyteho ilmakehän yläosaan (Spectral Irradiation), I (W/(m m)) Spektrinen säteilyteho RIL 55-7 (Spectral emissive power), b (W/m m) K Näkyvän valon alue max = 898 m K Auringon säteily K K 8K 3K K -3 5K Aallonpituus, ( m) Kuva Lämpötilan vaikutus auringosta lähtevän säteilytehon aallonpituusjakaumaan. Lämpötilan noustessa: säteilyteho kasvaa (kaikilla :n arvoilla) pienten aallonpituuksien osuus kasvaa Pinnan lämpötilan tulee olla vähintään n. 8 K, jotta se voisi emittoida näkyvää valoa. Ilmakehän ulko-osiin tuleva auringon säteilyteho, I sol, (W/m ) (solar irradiation), on keskimäärin 34 W/m. ätä säteilytehoa kutsutaan myös aurinkovakioksi. odellisuudessa se ei ole kuitenkaan vakio, vaan vaihtelee välillä 8 37 W/m riippuen auringon ja maan välisestä etäisyydestä E,b, Emissive power Säteilyn aallonpituus, ( m) I,b, Irradiation, musta pinta Kuva Auringosta lähtevän säteilyn ja ilmakehän yläosaan tulevan säteilyn aallonpituusjakauma.

71 Spektrinen säteilyteho (Irradiation), I (W/(m m)) Spektrinen säteilyteho (Irradiation), I (W/(m m)) RIL Ultravioletti Näkyvä Infrapuna 8 4,3,5,,5,,5 Aallonpituus, m Kuva Maahan tulevan auringonsäteilyn jakaantuminen eri aallonpituusalueille Maan pintaan tuleva auringon säteily Edettyään ilmakehän lävitse tulee auringon säteitä vastaan kohtisuoralle pinnalle säteilyteho I sol,n. sol,n Isol, m I (4.65) m ilmakehän läpäisykerroin, W/m suhteellinen läpäisymassa eli säteen ilmassa kulkeman matkan suhde lyhimpään mahdolliseen matkaan Suhteellinen läpäisymassa lasketaan kaavasta: m sec Z (4.66) cos Z cos(9 ) Ilmakehän läpäisykerroin,, vaihtelee arvojen,6 (pilvinen sää) ja,8 (kirkas sää) välillä keskiarvon ollessa n., K musta kappale Auringonsäteily 5 Ilmakehän ulkopuolella O 3 O H O Maan pinnalla 5 O 3 H O H O H O CO Aallonpituus, ( m) Kuva Maan pinnalle tuleva auringonsäteily. Ilmakehässä olevat kaasut absorboivat tiettyjen aallonpituusalueiden säteilyä enemmän.

72 RIL 55-7 Ilmakehän kautta pintaan tuleva säteilyteho, I atm (W/m ) (irradiation), voidaan laskea kaavasta: Iatm Isol ID I (4.67) I sol pintaan tuleva auringon suora säteily, W/m I D pintaan tuleva diffuusi säteily(hajasät.), W/m I pintaan tuleva ilmakehän vastasäteily, W/m Ilmakehän vastasäteily I Läpi tullut Suora auringonsäteily.3 -. m - 5 W/m I D = Korkeuskulma I sol aivaan hajasäteily.3 -. m 3-3 W/m ABSORPIOEKIJÄ PÖLY, OSONI, VESIHÖYRY, CO ILMAKERROKSEN PAKSUUS I sol Auringonsäteily ilmakehän ulkopuolella.3 - m 3 W/m Pilvi DIFFUUSI I HEIJASUNU D Läheiset rakennukset Lasi Heijastunut Absorboitunut Heijastunut Heijastus vedestä ja ikkunoista Maa Diffuusi ja heijastunut = Lyhytaaltoinen säteily = Pitkäaaltoinen säteily Kuva 4.7. Auringon säteilyn eri komponentit. Ilmakehästä tulevan säteilyn lisäksi tarkasteltavaan pintaan tulee maasta ja muista kohteista heijastunut ja emittoitunut lämpösäteily. Näiden summana saadaan pintaan tuleva kokonaissäteily, I tot (total irradiation) Rakennuksen pintaan tuleva auringon säteily Kun auringon säteilyteho kohtisuoraan tiettyä pintaa vastaan tunnetaan, voidaan se mielivaltaisessa asennossa olevalle pinnalle laskea kaavasta: Isol I cos (4.68) sol, N tarkasteltavan pinnan normaalin ja säteitä vastaan kohtisuoran pinnan normaalin välinen kulma,

73 RIL I sol,n Kuva 4.7. Auringon säteilyn kohdistuminen mielivaltaisessa asennossa olevalle pinnalle. Z I sol,n N P I sol Z N N' P S Vaakataso Kuva 4.7. Auringon säteilykulmat. Kuvassa 4.7 olevien merkintöjen selitykset ovat seuraavat: Z auringon etäisyys zeniitistä aurinkoatsimuutti auringon korkeuskulma säteilynalaisen pinnan kaltevuuskulma säteilynalaisen pinnan aurinkoatsimuutti säteilynalaisen pinnan normaalitason poikkeama eteläsuunnasta säteen lankeamiskulma pinnalle Aurinko Lankeasmiskulma 9 - I sol I' sol,n P L I N E Kuva 4.7. Auringonsäteiden suuntakulmat rakennuksen pinnoilla. Kuvassa 4.7 olevien merkintöjen selitykset ovat seuraavat: aurinkoatsimuutti

74 7 III 7 III IX IX RIL seinän aurinkoatsimuutti auringon korkeuskulma lankeamiskulma seinän normaalin n poikkeama eteläsuunnasta Auringon säteilyteho, joka kohtaa rakennuksen pinnan, riippuu pinnan kaltevuuden lisäksi paikan leveysasteesta, ilmansuunnasta, vuodenajasta ja kellonajasta. Auringon asema taivaalla määritetään atsimuuttikulman ja korkeuskulman avulla. Kuvissa on esitetty nomogrammit atsimuuttikulman ja korkeuskulman määrittämiseksi Suomen leveysasteilla. N 35 KUUKA VI 8 6 IV 3 Korkeuskulma Vuorokaudenaika VIII S Kuva Nomogrammi auringon atsimuutin ja korkeuskulman määrittämiseksi 6. leveysasteella kunkin kuukauden. päivänä. N 35 KUU 8 3 Korkeuskulma Vuorokaudenaika 9 7 S Kuva Nomogrammi auringon atsimuutin ja korkeuskulman määrittämiseksi 64. leveysasteella kunkin kuukauden. päivänä.

75 7 III IX RIL N KUU A KORKEUS- 5 KULMA VUOROKAUDEN- AIKA 9 7 S Kuva Nomogrammi auringon atsimuutin ja korkeuskulman määrittämiseksi 68. leveysasteella kunkin kuukauden. päivänä. Atsimuuttikulma voidaan laskea kaavasta: 8 (4.69) aurinkoatsimuutti, seinämän normaalin poikkeama eteläsuunnasta, Seinämälle pinnan normaalin suunnassa tuleva auringon säteilyteho saadaan kaavasta: ISN Isol,N cos cos Isol, N cos (4.7) säteilyn lankeamiskulma seinämän pinnalle, Vaakasuoralle pinnalle tuleva säteilyteho riippuu pelkästään auringon korkeuskulmasta I' SN I' sol, N sin (4.7) Diffuusin säteilyn aiheuttama säteilyteho, I D, voidaan arvioida kuvasta Pinnalle tuleva säteilyteho W/m Diffuusi säteily vaakasuoralle pinnalle kirkkaana päivänä. Suora säteily vaakasuoralle pinnalle kirkkaana päivänä 3. Kokonaissäteily vaakasuoralle pinnalle kirkkaana päivänä ''

76 RIL Suora säteily pystysuoralle pinnalle kirkkaana päivänä 5. Kokonaissäteily pystysuoralle pinnalle kirkkaana päivänä 6. Diffuusi säteily vaakasuoralle pinnalle pilvisenä päivänä Kuva Auringon säteily vaaka- ja pystypinnoille auringon korkeuskulman funktiona. Ilmakehän vastasäteily, I, voidaan laskea kaavasta: 4 I 5,67 e f(p ) kclouds (4.7) e = ulkoilman lämpötila (K) k clouds = pilvisyyskerroin (-) Funktiolle f(p ) saadaan arvo kaavasta: cp f (p ) a b (4.73) Funktion arvo riippuu vesihöyryn osapaineesta p, joten se ottaa huomioon ilman vesihöyrypitoisuuden. Kertoimille a, b ja c on kokeellisesti määritetty arvot: a =,79 b =,54 c =,5 Pilvisyyskertoimen, k clouds, arvo saadaan seuraavasta taulukosta: aulukko 4.8. Pilvisyyskertoimet. Pilvisyys Stratus korkeus % 6 m,,,5,4 4,7, 6,68,58 8,38,7,4,99 Cumulus korkeus 6 m Ulkoilman lämpötila, e, voidaan laskea Suomen olosuhteisiin sopivalla ilman lämpötilan laskentakaavalla (ks. ulkoilman lämpötila, kaavat..3, luku ) Kokonaissäteily, W / m 3.3 Kevät Kaakko Itä Etelä Lounas Länsi Kokonaissäteily, W / m 3.6 Kesä Itä Kaakko Etelä Lounas Länsi Aurinkoaika Aurinkoaika Kuva Auringon kokonaissäteily eri suuntaisille pinnoille kirkkaalla säällä.

77 Säteilyenergia kwh RIL m 8 Suora, 449 kwh/(m a) Diffuusi, 43 kwh/(m a) Yhteensä 88 kwh/(m a) Kuukausi Kuva Esimerkki vaakatasolle tulevasta kokonaissäteilystä Keski-Suomessa kuukausittain Pintojen välinen lämpösäteily Pintojen välisen nettosäteilyn lämpövirran tiheys, q rad (W/m ) lasketaan kaavasta: qrad rad(s sur ) (4.74) rad tarkasteltavan pinnan säteilyn lämmönsiirtokerroin, W/(m K) pinnan lämpötila, C, K ympäröivien pintojen lämpötila, C, K s sur ietyn kokoisesta pinnasta, A, lähtevä nettosäteilylämpövirta saadaan kaavalla: rad qa rada(s sur ) (4.75) Kahden suuren yhdensuuntaisen pinnan välinen nettosäteily voidaan laskea pinnasta pintaan lähtevän ja pinnasta pintaan lähtevän säteilyn erotuksena (kaavat 4.56 ja 4.58): 4 4 qrad E E E b, Eb, ( ) (4.76), pintojen ja emissiviteetit pintojen ja yhdistetty emissiviteetti Pintojen ja yhdistetty (tehollinen) emissiviteetti voidaan laskea kaavasta: (4.77) Jos pintojen ja lämpötilat ovat samaa kertaluokkaa voidaan kaavalle 4.76 käyttää likiarvokaavaa: q rad ( ) 4, ( ) (4.78) = pintojen ja välinen keskilämpötila (K), Kaavojen 4.74 ja 4.78 avulla saadaan säteilyn lämmönsiirtokertoimelle, pinnan välillä kaava: rad, kahden yhdensuuntaisen

78 RIL rad 3 4, (4.79) oinen käyttökelpoinen kaava on kolmionmuotoiselle ilmatilalle johdettu kaava, jota voidaan käyttää harjakaton ja yläpohjan välisen säteilylämmönsiirron tarkasteluissa. Kuva Säteilylämmönsiirto kolmion muotoisessa ilmatilassa. ässä tapauksessa pintojen välisen nettosäteilyn lämmönsiirtokerroin saadaan kaavasta: 3 4, rad (4.8) cos Kokonaislämmönsiirto pinnasta ilmaan s sur q conv conv cd rad q cd q rad a Kuva 4.8. Kokonaislämmönsiirto pinnasta ilmaan. Pinnan kokonaislämmönsiirtokerroin voidaan esittää kaavalla: cd conv rad (4.8) Käytännössä johtumalla siirtyvän lämpövirran osuus on usein marginaalinen verrattuna konvektion ja säteilyn lämmönsiirtokertoimiin, joten se jätetään yleensä tarkasteluista pois. ällöin pinnan pintavastus voidaan laskea kaavasta: R s (4.8) conv rad Johtumisen osuus on kuitenkin otettava huomioon, kun lasketaan rakenteissa olevien ilmavälien kokonaislämmönvastusta. Ilmaväleille annetut lämmönvastukset sisältävätkin kaikilla kolmella lämmön siirtymistavalla tapahtuvan lämpövirran siirtymisen. Lämpövirran kokonaistiheys ilmavälin pinnasta pintaan (kuva 4.8) voidaan laskea kaavasta: q a tot qcd qconv qrad, conv, rad, (4.83) d

79 RIL Konvektio Johtuminen Säteily d Kuva 4.8. Kokonaislämmönsiirto ilmavälissä Pintojen väliset näkyvyyskertoimet oisiinsa nähden eri suunnissa olevien pintojen välinen nettolämpösäteily voidaan laskea ns. näkyvyyskertoimien Fij avulla. Normaali Normaali A j i A i i r j da j j da i Kuva 4.8. Pintojen välinen lämpösäteily. Pinnan i ja j välinen näkyvyyskerroin määritellään seuraavasti: rad,i j F i,j (4.84) AiJi rad,i j pinnasta i lähtevä säteilylämpövirta pintaan j, W J i pinnasta i lähtevä kokonaissäteilyteho, W/m Näkyvyyskertoimille on voimassa seuraava vastavuoroisuusperiaate: A (4.85) ifi,j A jfj,i Pinnan i näkyvyyskertoimien summa muihin pintoihin nähden tulee olla aina. N Fi,j (4.86) j Pinnasta i lähtevä nettolämpövirta pintaan j saadaan kaavasta: 4 4 i,j i j j i AiFi,j ( i j ) (4.87) Kaavan 4.78 avulla edellä oleva yhtälö voidaan kirjoittaa muotoon:

80 RIL r i,j AiFi,j rad(i j) AiFi,j 4 i, j ( i j ) K i, j (i j) (4.88) K r i,j = pinnan i ja j välinen säteilykonduktanssi (W/K) Pintojen välisten näkyvyyskertoimien arvoja saadaan eri tapauksia varten laadituista taulukoista ja käyrästöistä. Rakenteen pinnan lämpötase muodostetaan siten, että pintaan tulevat ja siitä lähtevät lämpövirrat ovat yhtä suuret. arkasteltaessa pelkästään rakenteen pintaa ei lämmön varastoitumista tarvitse ottaa huomioon. Lämpötase kuvaa pintaan tulevia ja siitä lähteviä lämpövirtoja stationääritilanteessa. Esim. ulkoseinän sisäpinnan lämpötase saadaan yhtälöstä (ks. kuva4.83): * N wall (si e ) conv,i(i si ) rad,i Fsi,n(n si ) n U (4.89) HUOM! ässä tapauksessa alaindeksi i tarkoittaa sisäilmaa. * U wall si n e q cd,wall q rad,i i q conv,i Kuva Ulkoseinän sisäpinnan lämpötase. Lattian lämpöteho, W/m 5 5 Sisäilman ja muiden pintojen lämpötilat 8 C C C Lattian pintalämpötila, C Kuva Lattian lämpöteho pintalämpötilan funktiona. Parametrina sisäilman ja -pintojen lämpötila Ekvivalentti ulkolämpötila Rakennuksen vaipan ulkopinnan lämpötilaan vaikuttaa ulkoilman konvektio, lyhyt- ja pitkäaaltoinen säteily ja pinnassa tapahtuvat kosteuden faasimuutokset. Näiden kaikkien tekijöiden yhteinen vaikutus voidaan ottaa huomioon määrittämällä vaipan ulkopinnan lähellä olevalle ilmalle ns. ekvivalentti ulkolämpötila, ekv ( C, K). Ekvivalentti ulkolämpötila stationääritilassa voidaan laskea kaavasta: r ekv e ( sol Isol g h ( e ) rad, e) (4.9) e D

81 Ympäröivän avaruuden lämpötila, r ( C) RIL 55-8 e ulkopinnan lämmönsiirtokerroin (säteilyn ja konvektion lämmönsiirtokertoimien summa), W/(m K) I sol+d ulkopintaan absorboitunut auringon suoran ja diffuusin säteilyn summa, W/m sol lyhytaaltoisen auringonsäteilyn absorptiokerroin g ulkoilmasta pintaan kondensoituvan kosteusvirran tiheys, kg/(m s) h veden höyrystymislämpö,,5 6 J/kg r ympäröivän avaruuden lämpötila, C, K e ulkoilman lämpötila, C, K rad,e ulkopinnan säteilyn lämmönsiirtokerroin, W/(m K) Ympäröivän avaruuden lämpötila voidaan laskea eri tilanteissa seuraavista kaavoista: Pystypinnat, kirkas yö: r, e 5 (4.9) Vaakapinnat, kirkas yö: r, e 4 (4.9) Pysty- ja vaakapinnat, päivä tai pilvinen yö: r e (4.93) Kaavoissa 4.9 ja 4.9 ulkoilman lämpötilana, e, tulee käyttää celsius-asteita. + Pystypinnat Vaakapinnat Ulkolämpötila, e ( C) Kuva Ympäröivän avaruuden lämpötila kirkkaana yönä. Rakennuksen ulkopinnan säteilyn lämmönsiirto-kertoimen laskennassa voidaan soveltaa riittävällä tarkkuudella kaavaa 9. ässä tapauksessa pintojen lämpötiloina käytetään rakennuksen vaipan ulkopinnan lämpötilaa, se (K), ja ympäröivän avaruuden lämpötilaa, r (K). rad,e 3 r se 4 (4.94)

82 RIL 55-8 Koska vaipan ulkopinnan lämpötilaa ei tiedetä, voidaan sen tilalla käyttää kaavassa 44 ensin ulkolämpötilaa ja sen jälkeen kaavan 4 avulla saatua ekvivalenttia ulkolämpötilaa. ällöin säteilyn lämmönsiirtokertoimelle saadaan jo riittävän tarkka arvo rakennusfysikaalisia laskelmia varten. Säteilyn lämmönsiirtokertoimen arvo vaihtelee ulkoilmassa tyypillisesti arvojen 3 6 W/(m K) välillä ja sisäilmassa arvojen 4,5 5,5 W/(m K) välillä. Saunassa (lämpötila n. C) säteilyn lämmönsiirtokerroin on n. W/(m K). Vaipan ulkopinnan tarkka lämpötila stationääritilassa voidaan määrittää ekvivalentin ulkolämpötilan avulla, kun tiedetään sisälämpötila ja rakennekerrosten sekä sisä- ja ulkopinnan lämmönvastukset. Auringon paistaessa päivällä ympäröivän avaruuden lämpötilaa ei tarvitse ottaa huomioon. ällöin ulkopinnan lämpötila tasapainotilanteessa voidaan laskea kaavasta 45, joka ottaa huomioon myös rakenteen läpi sisältä ulos siirtyvän lämpövirran. se sol Isol D i Rsi Rstr Rsi Rstr Rse e Rse (4.95) R si, R se R str rakenteen sisä- ja ulkopinnan pintavastukset, m K/W rakenteen lämmönvastus, m K/W Kaava saadaan yhdistämällä ekvivalentin ulkolämpötilan laskentakaava 4 ja johtumisen yhteydessä luvussa esitetty kerroksellisen rakenteen lämpötilojen laskentakaava Rakenteen pintalämpötilan muutos auringonsäteilyn vaikutuksesta Säteilyn yhteydessä tarkastellaan usein myös sitä, kuinka paljon pintaan tuleva säteily muuttaa pinnan lämpötilaa tietyn ajan kuluessa. Pintalämpötilan muutos ajan funktiona auringonsäteilyn vaikutuksesta voidaan laskea kaavalla: I t sol sol D exp( e se e ) (4.96) e layercp,layerdlayer t säteilyn vaikutusaika, s layer rakenteen lämmöneristeen ulkopuolella olevan kerroksen (kerrosten) tiheys, kg/m 3 c p,layer ko. kerroksen ominaislämpökapasiteetti, J/(kg K) d layer ko. kerroksen paksuus, m Pidempikestoisissa säteilytarkasteluissa pinnalle tuleva auringonsäteily vaihtelee ajan kuluessa, jolloin tarkastelu edellyttää numeerista laskentaa. Kun tarkastellaan pintalämpötilan nousun vaikutusta rakenteen sisäosan lämpötiloihin, tarvitaan myös tässä tapauksessa tarkan ratkaisun saamiseksi numeerista laskentaa. Likiarvo auringon säteilyn lämpötilavaikutukselle rakenteen sisäosissa saadaan, jos oletetaan, että auringonsäteily nostaa pinnan lämpötilan suhteellisen nopeasti lähelle tarkasteltavaa tasapainotilaa vastaavaa arvoa. ällöin rakenteen lämpötilamuutokset saadaan laskettua luvussa esitettyjen kaavojen 59 tai 79 ja 8 avulla.

83 Lämpötila, (W) RIL Ohut seinä =,6 h Eteläseinän ulkopinnalle lankeava säteilyteho Aika, t (h) Sisäpinnalle tuleva lämpöteho = h Paksu seinä Kuva Lämpöaallon läpikulku ohuessa ja paksussa seinässä, maksimin vaihesiirto Ikkunan läpi siirtyvä säteily Pitkäaaltoinen lämpösäteily Ikkunapintojen väliset lämpötilaerot ovat usein suuria, jolloin tavallisessa ikkunassa merkittävä osa lämpöenergiasta siirtyy säteilyn vaikutuksesta ikkunan ilmavälissä. Säteilyllä siirtyvän lämpöenergian määrää voidaan pienentää oleellisesti lasipinnan emissiviteettiä pienentämällä, jolloin pinta emittoi vähemmän lämpösäteilyä. ällöin kaavassa 33 esitetty säteilykomponentin osuus pienenee. Normaalin pinnoittamattoman ikkunalasin emissiviteetti on,837. Ikkunapintojen emissiviteettiä voidaan pienentää selektiivipinnoitteiden (matalaemissiviteetti-pinnoitteiden) avulla. Selektiivipinnoitteet jaetaan koviin ja pehmeisiin pinnoitteisiin valmistusmenetelmästä riippuen Sisäpuoli Ulkopuoli Kova/pehmeä selektiivipinnoite -lasinen umpiolasielementti Absorptio I sol Heijastus Läpäisy,4 -,7 Avattava ulkopuite äytekaasu Kova selektiivipinnoite Kuva Ikkunaan kohdistuva auringon säteily. Kova selektiivipinnoite saadaan aikaan sekoittamalla metallioksideja (esim. hopea tai tina) lasimassan pintaan lasin tekovaiheessa. ätä menetelmää kutsutaan ns. online-menetelmäksi. Kovan selektiivipinnoitteen emissiviteetti on,6.

84 U-arvo, W/(m K) RIL Pehmeä selektiivipinnoite saadaan aikaan sputteroimalla metallioksideja valmiin lasin pintaan. Menetelmää kutsutaan offline-menetelmäksi. Vuosien mittaan pehmeiden selektiivipinnoitteiden valmistustekniikka on kehittynyt siten, että silläkin saadaan aikaan jo varsin kovia selektiivipintoja. Pehmeän selektiivipinnoitteen emissiviteetti on,4. Selektiivipinnoite laitetaan yleensä kiinteän lasielementin sisäpuolelle sisempään lasiin, jotta pinnoite ei pölyynny ja emissiviteetti pysyisi muuttumattomana ajan kuluessa. Kovat selektiivipinnoitteet kestävät myös pyyhkimistä, joten niitä voidaan laittaa myös avattavien ikkunoiden pintoihin. Yleensä ikkunassa on joko yksi tai kaksi selektiivipinnoitetta. Selektiivipinnoitteet vaikuttavat myös ikkunan näkyvän valon läpäisyyn jonkin verran. ätä ikkunan ominaisuutta voidaan kuvata valonläpäisykertoimella, v. Pinnoittamattoman ikkunan valonläpäisykerroin on n.,75, yhdellä selektiivipinnoitteella varustetun ikkunan n.,7 ja kahdella selektiivipinnoitteella varustetun ikkunan n.,65. Valonläpäisykertoimen tulisi olla vähintään,6, koska pienemmällä arvolla valonläpäisy ei tunnu enää miellyttävältä käyttäjän kannalta. Ikkunan lämmöneristävyyttä voidaan parantaa selektiivikalvojen lisäksi myös laittamalla lasiväliin täytekaasu, jonka lämmönjohtavuus on pienempi kuin ilmalla. yypillisiä täytekaasuja ovat jalokaasut kuten, argon ja krypton. Ikkunan U-arvo muuttuu ulkolämpötilan muuttuessa, koska lasivälien lämmönvastukset eivät pysy vakiona. Näin ollen ikkunan U-arvo voi olla todellisuudessa myös suurempi kuin mitä U-arvolaskelmissa saadaan. Selektiivipintaa,95 Lasituksen 4S--4--S4 U g -arvo.94,9.9,85,8,75, uulen nopeus (m/s) Ulkolämpötila: - C Ulkolämpötila: - C Ulkolämpötila: -5 C Ulkolämpötila: C Ulkolämpötila: C Kuva uulen nopeuden ja ulkolämpötilan vaikutus kolmilasisen eristyslasin (4S--4--S4) U g -arvoon. ulkopinnan pintavastus alenee, kun tuulen nopeus kasvaa ilman lämmönjohtavuus alenee, kun ulkoilma kylmenee ilmaväleissä ei tapahdu konvektiota

85 U-arvo, W/(m K) RIL Argontäyte + selektiivipintaa,4 Lasituksen 4S-5Ar-S4 U g -arvo,35,3,5,,5,,5,95.5.9, uulen nopeus (m/s) Ulkolämpötila: - C Ulkolämpötila: - C Ulkolämpötila: -5 C Ulkolämpötila: C Ulkolämpötila: C Kuva uulen nopeuden ja ulkolämpötilan vaikutus kaksilasisen eristyslasin (4S-Ar-S4) U g -arvoon ulkopinnan pintavastus alenee, kun tuulen nopeus kasvaa ilman lämmönjohtavuus alenee, kun ulkoilma kylmenee konvektio alkaa ilmavälissä, koska pintojen välinen lämpötilaero on suurempi Lyhytaaltoinen lämpösäteily Kohdatessaan ikkunapinnan osa auringon säteilystä siirtyy ikkunan läpi, osa absorboituu ja osa heijastuu. Auringonsäteilyn jakautuminen näiden osakomponenttien kesken riippuu auringonsäteilyn tulokulmasta sekä ikkunalasin ja sen pinnan ominaisuuksista. Ikkunalasin säteilyominaisuuksia voidaan kuvata lasin vaimenemiskertoimen, a, ja taitekertoimen, n, avulla. Ikkunalasin absorptiokerroin voidaan laskea kaavasta: a d e (4.97) d = ikkunalasin paksuus (m) Lasin heijastuskerroin,, riippuu puolestaan taitekertoimesta, n.

86 Läpäisy, % Absorptio, % RIL Säteilyn läpäisykerroin, r Lasien lukumäärä ulokulma I tot Kuva 4.9. Lasien lukumäärän vaikutus säteilyn läpäisykertoimeen, kirkas lasi. 8 6 Absorptio Heijastus Läpäisy ULOKULMA Kirkas lasi: a d =,7, n =,5 I tot Kuva 4.9. Lasien absorptio, heijastus ja läpäisy säteilyn tulokulman funktiona, kirkas lasi.

87 Läpäisy, % Absorptio, % RIL Absorptio 6 Heijastus 4 4 Läpäisy ulokulma Absorboiva lasi: a d =,4, n =,5 I tot Kuva 4.9. Lasien absorptio, heijastus ja läpäisy säteilyn tulokulman funktiona, absorboiva lasi (auringonsuojalasi). Ikkunan läpi tuleva auringonsäteily lämmittää huonetiloja yleensä liikaa kesäaikaan, jolloin etelään suunnattujen suurten ikkunoiden tulisi vähentää auringonsäteilyn tunkeutumista huonetilaan. Auringonsäteilyn tunkeutumista lasituksen läpi kuvataan auringonsäteilyn kokonaisläpäisykertoimella, g. Selektiivipinnoitteella voidaan pienentää myös lasin läpi menevää auringonsäteilyä. ällaisella pinnoitteella varustettuja laseja kutsutaan monitoimilaseiksi. Pinnoittamattomassa kolmilasisessa ikkunassa auringonsäteilyn kokonaisläpäisykertoimen arvo on n.,7. Yhden kovan selektiivipinnoitteen sisältävässä lasituksessa kertoimen arvo on,63 ja pehmeällä pinnoitteella vastaavasti,53. Kahden kovan selektiivipinnoitteen sisältävässä lasituksessa kertoimen arvo on,56 ja pehmeällä pinnoitteella vastaavasti,4. Monitoimilasin selektiivipinta asetetaan yleensä umpiolasielementin ulkopintaan (ns. ikkunan välitilaan), joka on viileä. ällöin selektiivikalvon absorboima lämpöenergia ei lämmitä lasia liian lämpimäksi. Auringonsäteilyn tunkeutumista ikkunan läpi voidaan vähentää käyttämällä myös ns. auringonsuojalaseja, jotka absorboivat normaalia suuremman osan auringon säteilystä lasiin. Nämä lasit pienentävät usein vielä enemmän lasien läpi tulevan näkyvän valon osuutta kuin selektiivipinnoitteet ja ne näyttävät auringonvalossa värillisiltä. Auringon säteilyn vaikutusta voidaan lisäksi pienentää lisäämällä lasin heijastusominaisuuksia. ällöin ikkunalasi näyttää ulkoa päin peilimäiseltä. ätä vaihtoehtoa käytetään kuitenkin vähemmän, koska ihmiset vierastavat peilimäisen lasipinnan ulkonäköä. Ikkunan läpäisyominaisuuksien suhteen on tavoitteena saavuttaa ikkuna, jossa on hyvä valonläpäisy ja kohtuullinen suojaus auringon lämpösäteilyltä. ällöin samalla päästään riittävään auringon säteilyenergian hyödyntämiseen talvella ja kohtuulliseen kesäajan viihtyisyyteen Lämmönsiirron kokonaistase

88 RIL HAM -laskentaohjelmissa (Heat, Air and Moisture ransfer Programs) lämmönsiirron taseyhtälössä ei oteta yleensä erikseen huomioon säteilyn ja rakenteen sisäisen konvektion vaikutusta, vaan ne huomioidaan materiaalien lämmönjohtavuuksissa ja ilmaväleille annetuissa lämmönvastuksissa. Faasimuutoksen aiheuttama höyrystymislämpö otetaan erikseen huomioon. Osassa ohjelmia on myös erikseen mukana rakenteen läpi tapahtuva laminaarinen konvektio. Kokonaislämpötase voidaan kirjoittaa siis muodossa: cp ( ) (ra cp) h ( ) q' (4.98) t x x x x x Kaavan termit kuvaavat seuraavia asioita: Varastoitunut energia = johtumalla siirtyvä nettoenergia + laminaarisella konvektiolla siirtyvä nettoenergia + veden faasimuutosenergia + energian tuotto/ häviö Rakokonvektion ja rakenteen sisäisten konvektiovirtausten huomioon ottaminen edellyttää virtauslaskentaohjelmien (Computational Fluid Dynamics Programs, CFD) käyttöä.