LUENTO 3 LÄMPÖ, LÄMMITYS, LÄMMÖN- ERISTÄMINEN, U-ARVON LASKENTA

Transkriptio

1 LUENTO 3 LÄMPÖ, LÄMMITYS, LÄMMÖN- ERISTÄMINEN, U-ARVON LASKENTA RAKENNUSFYSIIKAN PERUSTEET P, 2 op Esa Säkkinen, arkkitehti esa.sakkinen@oulu.fi Jaakko Vänttilä, DI, arkkitehti jaakko.vanttila@oulu.fi

2 Lämpö Lämpö on atomien ja molekyylien liike-energiaa Atomit ja molekyylit värähtelevät tasapainoasemansa suhteen Lämmön siirtymismuodot Johtuminen Konvektio Säteily

3 Lämmön siirtymismuodot

4 Lämmön johtuminen Lämpöliike siirtyy atomista toiseen törmäysten takia Lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan Lämpövirta q = λ t 1 t 2 d W m 2 λ on materiaalin lämmönjohtavuus W m C suuri metalleilla, tiiviisti pakkautuneilla aineilla pieni huokoisilla, keveillä aineilla Seinämän lämmönvastus R = d λ m 2 C W

5 Lämmön konvektio Lämpö konvektoi nesteen tai kaasun virtauksen mukana Ilmanvaihto Rakennuksen seinämien läpi Viemärivedet Jako virtauksen (kaasuvirtaukset) aiheuttajan mukaan Pakotettu konvektio -> paine-ero Koneellinen ilmanvaihto Tuulen paine ja imu Luonnollinen konvektio -> lämpötilaero Ilman lämpötilaerot (lämmin ilma nousee ylös) Huonetiloissa, seinärakenteissa

6

7

8

9 Lämpösäteily Lämpösäteily on sähkömagneettista värähtelyä Lämmin kappale (T > 0 K) lähettää säteilyä, eli emittoi Kohteessa säteily joko heijastuu imeytyy (absorboituu = aiheuttaa värähtelyä = lämmittää kohdetta) läpäisee Kokonaissäteily musta kappale Q m = δ T 4 W m 2 todelliset pinnat Q s = ε Qm = ε δ T 4 ε on emissiviteetti [0-1]

10 Lämmön siirtyminen rakenteessa

11 Lämmön siirtyminen rakenteessa Lämmön siirtymismuodo Johtuminen Konvektio Säteily Heijastumisella ja absorboitumisella suuri merkitys lämmön siirtymisessä Erityisesti kerroksellisessa rakenteessa Myös materiaalin sisällä ρ + α + τ = 1 Heijastuskerroin ρ Absorptiokerroin α Läpäisykerroin τ Rakenteessa aina rinnakkaisia lämmönsiirtymismuotoja Höyrynsulun paikka: < ¼ lämpimästä pinnasta

12 Lämmön siirtyminen rakenteessa Riippuu käytetystä rakennusmateriaalista Massiivisissa rakennusosissa pääasiassa johtumalla Villaeristeissä johtumalla, säteilemällä, konvektoitumalla Ilmaraoissa konvektoitumalla ja säteilemällä Riippuu rakenneosasta Eri rakenneosissa (alapohja, seinä, yläpohja) omat erityispiirteensä Lämmöneristystapa ja materiaali on aina valittava huolella ja työ toteutettava huolella

13 Omakotitalon tyypillinen energiantuotannon ja kulutuksen jakautuma Lämmönkulutuskertoimia maan eri osille. Kertoimet pätevät koko kulutukselle (johtuminen + ilmanvaihto + lämmin vesi)

14 Lämpö ja lämmitys Lämpöä saadaan lämpölaitteista auringonsäteilynä sähkölaitteista lämpimästä vedestä ihmisistä Lämpöä poistuu rakennusosien läpi (seinät, katto, lattia, ikkunat, ovet) tuuletuksen mukana jäteveden mukana

15 Lämmönjohtavuus ja lämmönvastus

16 Monikerrosrakenteen lämmönvastus

17 U-arvon (lämmönläpäisykertoimen) laskenta Laskelma suoritetaan kerroksittain Jokaisen kerroksen R-arvo lasketaan erikseen Kunkin kerroksen R-arvo saadaan jakamalla rakenneosan paksuus siinä käytetyn materiaalin lämmönjohtavuudella U Saadut R-arvot lasketaan yhteen, jolloin saadaan arvo R T Vain tuuletustilan sisäpuoliset rakenteet otetaan huomioon Rakenteen pinnassa oleva seisova ilmakerros toimii yhtenä rakenneosana R T :hen tulee siis ottaa mukaan ulko- ja sisäpuolinen seisovan ilmakerroksen lämmönvastus eli R se + R si U-arvo on yhteenlasketun R-arvon (R T ) käänteisluku U-arvoa verrataan viranomaisen antamaan maksimiarvoon

18 Aineiden lämmönjohtavuuksia ja -vastuksia Kun lasketaan rakenteen lämmönläpäisykerrointa (U-arvoa), käytetään pääasiassa kolmenlaisia lähtöarvoja 1. Paksuuden omaaville rakennekerroksille tarvitaan lämmönjohtavuus ja paksuus (R m = d m λ ), lämmönjohtavuudet m saadaan viereisestä taulukosta 1 2. Sisä- ja ulkopinnalle tarvitaan pintavastukset (R si ja R se ), jotka saadaan viereisestä taulukosta 2 3. Ilmaraoille tarvittavat lämmönvastukset (R g ) saadaan viereisestä taulukosta 3

19 Lämmönjohtavuus

20 Lämmönjohtavuuksia

21 U-arvon (lämmönläpäisykertoimen) laskenta U = 1 R T R T = rakennusosan kokonaislämmönvastus R T = R si + R 1 + R R m + R g + R b + R q1 + R q2 + + R qm + R se R si ja R se ovat sisä- ja ulkopuolen pintavastukset (taulukoitu) R 1 = d1 λ 1, R 2 = d2 λ 2, R m = dm λ m, missä d m = paksuus METREINÄ R g = rakennusosassa olevan ilmakerroksen lämmönvastus R b = maan lämmönvastus R q1 + R qm = ohuiden ainekerrosten lämmönvastukset

22 U-arvon laskentaesimerkki

23 LUENTO 4 LÄMPÖ, LÄMMITYS, LÄMMÖN-ERISTÄMINEN, U-ARVOJEN SOVELTAMINEN SUUNNITTELUSSA RAKENNUSFYSIIKAN PERUSTEET P, 2 op Esa Säkkinen, arkkitehti esa.sakkinen@oulu.fi Jaakko Vänttilä, DI, arkkitehti jaakko.vanttila@oulu.fi

24 Lämpö ja ilmavirtaukset [ = m³ / (m² s Pa) ]

25 Lämpö

26 Lämpö ja ilmavirtaukset

27 Lämpö ja ilmavirtaukset

28 Rakennukselle asetettuja vaatimuksia Suomen rakentamismääräyskokoelma asettaa rakennuksille yleisiä toiminnallisia vaatimuksia Sisäilmaston on oltava turvallinen, miellyttävä, viihtyisä ja terveellinen elää Vaatimuksia valaistukselle, virikkeellisyydelle, akustiikalle, ilmanvaihdolle ja lämpötiloille sekä kosteudelle Lämmöneristämiselle on yksityiskohtaiset vaatimukset Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa C3 (2010) Rakennuksen lämmöneristys, määräykset Suomen rakentamismääräyskokoelma, osa C4 (2003) Lämmöneristys, ohjeet Jonkin osan huonoa lämmöneristystä on mahdollista kompensoida toisen osan paremmalla lämmöneristyksellä Terveydellisistä syistä seinän lämmönläpäisykerroin U saa kuitenkin olla enintään 0,6 W/(m² K) ja ikkunan 1,8 W/m2 K. Puolilämpimälle tilalle vaatimus on enintään 2,8 W/(m² K)

29 Lämmöneristäminen Lämmöneristäminen pyrkii estämään lämmön siirtymisen sisätiloista ulos tai päinvastoin Lämmöneristeillä voidaan Estää lämmönhukka, Estää ylikuumenemista, Suojautua korkeilta lämpötiloilta tulipalotilanteessa, Estää rakenteiden lämpöliikkeitä ja Lämmöneristeet toimivat usein myös osana ääneneristystä Pyritään löytämään energiatehokkaasti käyttötarkoituksen mukainen sisälämpötila yhdessä lämmitys- ja ilmanvaihtoratkaisujen kanssa Kun lämmöneristeen määrää lisätään, niin lisäeristämisen tehokkuus heikkenee koko ajan

30 Lämpö, eristäminen

31 Lämmönläpäisykerroin (U) US: 0,17 YP: 0,09 AP: 0,16 Osat: 1,0

32 Tyypillisiä lämmöneristävyyksiä erilaisille taloille ja rakennusosille

33 Lämmön siirtyminen rakenteissa Lämmön siirtymismuodot Johtuminen Säteily Konvektio Siirtyminen rakenteissa Monta kerrosta Rinnakkaisia lämmönsiirtymismuotoja Vaikea mallintaa toimintaa tarkasti -> käytetään likiarvoja, sekä kokemukseen ja mittaukseen perustuvia tietoja Lisäksi on otettava huomioon Rakennusaineen lämpökapasiteetti ja kosteuskapasiteetti Erilaiset pintavastukset, pintojen fysiikka

34 Johtuminen rakenteen läpi Johtumisessa lämmön virtaus on molekyylien liike-energian siirtymistä molekyylistä toiseen Sieltä, missä liike-energiaa on enemmän sinne, missä sitä on vähemmän, siis lämpimästä kylmempään Johtuminen on tärkeä lämmön siirtymisen muoto, joka esiintyy kiinteissä aineissa ja nesteissä Pyritään estämään lämmöneristyksellä

35 Konvektio rakenteen läpi Konvektiossa lämpö siirtyy ilman liikkeen mukana siis ilmamolekyylien mukana ilman virratessa paikasta toiseen Pakotetussa konvektiossa virtauksen aiheuttaa ulkopuolinen voima (ilmavaihto tai tuuli) Vapaassa, luonnollisessa konvektiossa on kyse lämpötilaerojen (kaasun molekyylien liike-energian erojen) aiheuttamasta liikkeestä Pyritään estämään ilmansululla

36 Säteily pintojen välillä Säteilyssä lämpö virtaa pintojen välillä sähkömagneettisen aaltoliikkeen välityksellä Sieltä, missä pintalämpötila on korkeampi sinne, missä se on matalampi Molemmat pinnat emittoivat ja absorboivat lämpöä Jos lämpötilat ovat korkeita, säteilyllä on suuri merkitys (palotilanteet) Pintojen laatu vaikuttaa merkittävästi säteilyn määrään

37 Tärkeitä lämmöneristysperiaatteita Rakenteet on suunniteltava niin, että rakenteen läpi ei pääse kulkemaan ilmavirtauksia Lämmöneriste on asennettava niin, että se täyttää koko eristystilan eikä sitä ole puristettu kasaan vain kimmoinen, joustava eriste tai tilaan paisuva eriste takaavat ilmaraottoman asennuksen Erityisen varovainen on oltava talotekniikan vaatimien läpivientien kohdalla

38 Tyypillisiä ilmanvuotokohtia

39 Miten nämä rakenteet toimivat?

40 Routaeristäminen Jotta routaeristäminen toimisi, se vaatii sokkelin, alapohjan ja anturan eristämisen Eristeet eivät saa vettyä -> ne on pidettävä kuivana salaojalla Eristeet eivät saa painua -> ei saa jättää ilmarakoja rakenteiden ja eristeiden väliin Eristeet eivät saa puristua kokoon -> kuormituskestävät eristeet rakennuksen vierelle

41 Määritelmiä 1

42 Määritelmiä 2

43 U-arvon laskenta epähomogeeniselle rakenteelle Epähomogeenisille rakenteille U-arvo lasketaan osa-alueiden keskiarvona runkotolpat välipohjat nurkat

44 Ikkunoiden U-arvo Noin 5-10 kertainen seinän U-arvoon verrattuna -> suuri merkitys lämpötaloudessa Voidaan laskea likimääräisesti kaavalla U = 6 lasien lkm. 2 lasia U 3 3 lasia U 2 Käytännössä arvoja on taulukoitu ja ne voidaan ottaa sieltä Esimerkkejä 3-lasinen perusikkuna (väli 30 mm) k = 1,88 W 2-lasinen umpiolasi (väli 12 mm, argon) k = 1,62 W m C m C Karmit heikentävät Kaasutäytteiset umpiolasit Selektiivipinnoitteet Valmistajat ilmoittavat testaut U-arvot Nykyisin useimmiten käytössä 3 lasia (1 umpiolasi (= 2 lasia + kaasutäyte) + 1 erillinen lasi) Ilmansuunitien vaikutus Ikkunapinta-ala < 15% kerrosalasta ja < 70% huoneen ulkoseinän pinta-alasta Kompensaatioperiaate paikallinen heikennys normeihin nähden on sallittua kunhan muualla vastaavasti tehdään parempi eristys

45 RakMK C3 vaatimukset U-arvolle alkaen (W/m2 K) Lämpimän tilan (> 17 C) rajoittuessa ulkoilmaan: seinä 0,17 hirsiseinä 0,40 ylä- tai alapohja 0,09 ryömintätila 0,17 rakenne maata vasten 0,16 ikkuna, kattoikkuna, ovi 1,0 Puolilämpimän tilan (5 17 C) rajoittuessa ulkoilmaan, lämmittämättömään tilaan tai maahan: seinä 0,26 ylä- tai alapohja 0,14 ryömintätila 0,26 rakenne maata vasten 0,24 ikkuna, ovi 1,4

46 Kiitos mielenkiinnosta!