460160S Rakennusfysiikka RAKENTEEN LÄMPÖTILAN MÄÄRITTÄMINEN Raimo Hannila / (Luentomateriaali: Professori Mikko Malaska) Oulun yliopisto
LÄHDEKIRJALLISUUTTA Suomen rakentamismääräyskokoelma, osat C ja D, http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=394585&lan=fi RIL 249-2009 Matalaenergiarakentaminen, Asuinrakennukset Rakennusfysiikka. Perusteet ja sovellukset-moniste, Unto Siikanen
MIHIN RAKENTEEN LÄMPÖTILOJA TARVITAAN? Suunnittelijan tulee osata määrittää rakenteen lämpötilat eri materiaalikerrosten rajapinnoissa seuraavista syistä: Rakenteen lämpötekninen toiminta, Vesihöyryn kulun ja mahdollisten kosteuden tiivistymispaikkojen selvittäminen.
AINEKERROKSEN SISÄLLÄ TAPAHTUVA LÄMPÖTILANMUUTOS Lämpötilalaskelmien lähtöarvoina on tiedettävä: Rakennetta rajaavien tilojen lämpötilat (sisäpuolen lämpötila t s ja ulkopuolen lämpötila t u ) Rakenteen eri kerrosten lämmönvastukset Lämpötiloja määriteltäessä oletetaan, että ainekerroksen sisällä tapahtuva lämpötilanmuutos on suoraan verrannollinen ainekerroksen lämmönvastukseen. Ainekerroksen i sisä- ja ulkopuolisen pinnan välinen lämpötilaero voidaan laskea kaavalla: t n Ri R T t s t u R i R T ainekerroksen i lämmönvastus. rakennusosan kokonaislämmönvastus.
LÄMPÖTILAN LASKEMINEN RAKENNEKERROKSEN ULKOPINNALLA (KYLMEMPI PINTA) Edellä esitetyn perusteella voidaan rakenteen ainekerroksen n ulkopinnan (kylmempi pinta) lämpötila laskea kaavalla: t n t s R si R R T n t s t u t u R 2 R 4 t s R si R T R n n R 1 i rakenteen sisäpuolinen pintavastus. rakennusosan kokonaislämmönvastus. R 1 R 3 rakenteen lämmönvastus tarkasteltavaan kerrokseen n asti. t s t u on sisälämpötila. on ulkolämpötila.
ULKOLÄMPÖTILAN ARVIOIMINEN Ilman keskimääräistä lämpötilaa voidaan arvioida RakMK osan D5 liiteen 1 avulla. Suomi on jaettu neljään säävyöhykkeeseen ja näille vyöhykkeille on liitteessä 1 annettu kuukausittaiset ulkoilman keskilämpötilat.
ESIMERKKI: Määritä kuvan mukaisen ulkoseinärakenteen lämpötilajakaumat kolmessa pisteessä: villan (A), pystyrungon (B) ja vaakakoolauksen kohdalla (C) Rakenne ulkoa sisällepäin: Laudoitus ja tuuletusväli (>40 mm) Tuulensuojamineraalivilla 50 mm 50x200 k600 pystyrunko, mineraalivilla 200 mm Ilman- ja höyrynsulku 50x50 k600 vaakakoolaus, mineraalivilla 50 mm Sisäverhouslevy 12 mm ja pinnoite t u = -20 ⁰C t s = +20 ⁰C! Tässä ajatellaan lämpövirta 1D virtaukseksi. 50x200 k600 runko A B C 50x50 k600 koolaus
ESIMERKKI: Määritä kuvan mukaisen ulkoseinärakenteen lämpötilajakaumat kolmessa pisteessä. Ainekerrosten lämmönvastukset (R=d/λ): Kerros Paksuus d λ n R Sisäp. pintav. 0,130 Kipsilevy 0,013m 0,21 0,062 Eriste 50 mm 0,050m 0,055 0,910 Eriste 200 mm 0,200m 0,055 3,636 50x200 runko 0,200m 0,12 1,667 50x50 koolaus 0,050m 0,12 0,417 Tuulensuojalevy 0,050m 0,060 0,833 Ulkop. pintav. 0,040
ESIMERKKI: Määritä kuvan mukaisen ulkoseinärakenteen lämpötilajakaumat kolmessa pisteessä. Piste A: t s -t u = 40 ⁰C Kerros Lämmönvastus R R i / R T kerroksen osalla Läpötilan lasku Sisäp. pintav. 0,130 0,023 0,9 Lämpötila kerroksen rajassa +20,0 ⁰C +19,1 ⁰C Kipsilevy 0,062 0,011 0,4 +18,6 ⁰C Eristys 4,546 0,810 32,4-13,8 ⁰C Tuulensuojalevy 0,833 0,150 6,0-19,8 ⁰C Ulkop. Pintav 0,04 0,006 0,2 R T = 5,611 = 1,000 = 40,00-20,0 ⁰C
ESIMERKKI: Määritä kuvan mukaisen ulkoseinärakenteen lämpötilajakaumat kolmessa pisteessä. Piste B: t s -t u = 40 ⁰C Kerros Lämmönvastus R i / R T kerroksen osalla Läpötilan lasku Sisäp. pintav. 0,130 0,036 1,4 Lämpötila kerroksen rajassa +20,0 ⁰C +18,6 ⁰C Kipsilevy 0,062 0,017 0,7 +17,9 ⁰C Eriste 50 mm 0,910 0,250 10,0 +7,9 ⁰C Runko 200 mm 1,667 0,458 18,3-10,4 ⁰C Tuulensuojalevy 0,833 0,229 9,2-19,6 ⁰C Ulkop. pintav. 0,04 0,010 0,4 R T = 3,642 = 1,000 = 40,00-20,0 ⁰C
ESIMERKKI: Määritä kuvan mukaisen ulkoseinärakenteen lämpötilajakaumat kolmessa pisteessä. Piste C: t s -t u = 40 ⁰C Kerros Lämmönvastus R i / R T kerroksen osalla Läpötilan lasku Sisäp. pintav. 0,130 0,025 1,0 Lämpötila kerroksen rajassa +20,0 ⁰C +19,0 ⁰C Kipsilevy 0,062 0,012 0,5 +18,5 ⁰C Koolaus 50 mm 0,417 0,081 3,2 +15,3 ⁰C Eriste 200 mm 3,636 0,710 28,4-13,1 ⁰C Tuulensuojalevy 0,833 0,163 6,5-19,6 ⁰C Ulkop. pintav. 0,04 0,009 0,4 R T = 5,118 = 1,000 = 40,00-20,0 ⁰C
ESIMERKKI: Määritä kuvan mukaisen ulkoseinärakenteen lämpötilajakaumat kolmessa pisteessä. +20 ⁰C +10 ⁰C 0 ⁰C -10 ⁰C -20 ⁰C 50x200 k600 runko Piste A: Piste B: C B A Piste C: 50x50 k600 koolaus
IKKUNOIDEN JA OVIEN LÄMMÖNLÄPÄISYKERROIN Ikkunat ovat rakennuksen vaipan heikoimmin lämmöneristettyjä osia ja niiden U-arvot ovat n. 10-kertaiset rakennusvaipan muuhun osaan nähden. Ulkoilmaa vastaan olevat ovet asettuvat U-arvoltaan yleensä ikkunoiden ja muiden rakenteiden välimaastoon. Rakentamismääräyskokoelman osassa C3 asetettaan ikkunoille ja oville seuraavat vaatimukset: Ikkunan ja oven liittyminen ympäröiviin rakenteisiin tulee olla ilmanpitävä Ikkunan lämmönläpäisykerroin saa olla enintään (C3/2010) 1,0 W/(m 2 K) lämmin tila 1,4 W/(m 2 K) - puolilämmin tila
IKKUNOIDEN JA OVIEN MÄÄRITELMÄT Ikkuna: Ikkunan valoaukolla tarkoitetaan lasi- tai vastaavien ainekerrosten muodostamaa läpinäkyvää aluetta. Ikkunan kehällä tarkoitetaan ikkuna-aukon pieliin rajoittuvaa ikkunan avautumatonta karmirakennetta ja siihen saranoin kiinnitettyjä avautuvia puiteosia. Ovi: Ovi ja tuuletusluukku käsittää yleensä karmiosan, johon on saranoitu yksi tai kaksi avautuvaa ovilevyä tai tuuletusluukun luukkuosa. Ovilevy voi sisältää läpinäkymättömän umpiosan runko- ja kehysrakenteineen ja lasituksella varustetun valoaukon.
IKKUNAN KESKIMÄÄRÄINEN LÄMMÖNLÄPÄISYKERROIN Ikkunan keskimääräinen lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla (RakMK osan C4 kaava 8):
IKKUNAN VALOAUKON LÄMMÖNLÄPÄISYKERROIN Ikkunan valoaukon lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla (RakMK osan C4 kaava 6): Taulukon lähde: RakMK osan C4 Taulukko 2.
LASIVÄLIN LÄMMÖNJOHTAVUUS (RakMK osan C4 Taulukko 7) Mustan täysin heijastamattoman pinnan emissiviteetti on 1. Kirkkaan täysin heijastavan pinnan emissiviteetti on 0. Ilmaväliä rajoittavat pinnat voivat olla tavanomasia lasipintoja, joiden emissiviteetti on 0,837, tai toinen pinnoista on päällystetty pienen emissiviteetin pinnoitteella. RakMK osa C4 kohta 5.2.2: Ilmakerros, jonka ulkopuolisessa rakenteen osassa ei ole lämmöneristystä ja johon johtaa ulkopuolelta pieniä aukkoja, voidaan lämmönvastukseltaan ottaa huomioon kuten tuulettamaton ilmakerros. Aukkojen yhteenlaskettu koko < 5 cm 2 /m pystysuorassa rakenteessa olevan pystysuoran ilmakerroksen pituusyksikköä kohden. Ikkunan tapauksessa voitaneen olettaa että ilmaväli on tuulettumaton.
VALMIIKSI LASKETTUJA LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOIMIA (RakMK osa C4)
IKKUNAN KEHÄN LÄMMÖNLÄPÄISYKERROIN Homogeenisen karmi- ja puiteosan U-arvo lasketaan kaavalla (RakMK osan C4 kaava 7):
VALOAUKON REUNAAN MUODOSTUVA KYLMÄSILTA (lisäkonduktanssi) Ikkunan kehärakenteen ja lasituksen termisestä vuorovaikutuksesta syntyy valoaukon reunoille lämpöhäviön lisäys, joka otetaan huomioon liittymärakenteen viivamaisena lisäkonduktanssina (Ψ g ). Puu- tai muovipuitteiseen asennetun erillislasin liittymän lisäkonduktanssille voidaan käyttää arvoa 0 W/(mK). Ellei tarkempia laskelmia suoriteta, voidaan umpiolasin metallisesta reunalistasta aiheutuvina viivamaisen lisäkonduktanssin arvoina käyttää alla esitetyn taulukon mukaisia arvoja (RakMK osan C4 Taulukko 10).
YLEISIMPIÄ IKKUNARAKENTEITA JA NIIDEN U-ARVOJA *** MSU Sisään/ulosaukeava kaksipuitteinen kaksilasinen ikkuna. MSK Sisäänaukeava kolmipuitteinen kolmilasinen ikkuna. Hyvin yleinen 1970- ja 1980-luvuilla. MSE Sisäänaukeava kaksipuitteinen kolmilasinen ikkuna. Sisemmässä puitteessa kaksilasinen umpiolasielementti. Puitteet yleensä kytketty aukipitolaitteella yhteen. Yleinen.
ALUMIINISELLA ULKOPUITTEELLA VARUSTETUN MSE- IKKUNAN KESKIMÄÄRÄINEN LÄMMÖNLÄPÄISYKERROIN ERILAISILLA SELEKTIIVILASEILLA (koko 1,2*1,2 m 2 ) Kuvan lähde: Eristelasin täytekaasun ja lasien toimivuus ja toteaminen, Hemilä K & Heimonen I, VTT Rakennustekniikka, 1999
OVEN JA TUULETUSLUUKUN LÄMMÖNLÄPÄISYKERROIN Oven ja tuuletusluukun keskimääräinen lämmönläpäisykerroin lasketaan kaavalla (RakMK osan C4 kaava 9):
ESIMERKKI: Laske ikkunan U-arvo sekä sisäpinnan lämpötila Laske oheisen avattavan kaksilasisen puuikkunan keskimääräinen lämmönläpäisykerroin. Karmin ulkoreunan mitat: 1390 x 1390 mm 2 Karmin mitat: 50 x 130 mm 2 Puiteosien mitat: 40 x 45 mm 2 Ikkunalasin paksuus: 3 mm T u = -25⁰C 80 T s = +20⁰C Mikä on ikkunan sisäpinnan lämpötila? Jäätyykö lasin pintaan kondensoitunut vesi? 40 50
ESIMERKKI: Laske ikkunan U-arvo sekä sisäpinnan lämpötila A) Valoaukon U-arvo R si + R se = 0,13 + 0,04 = 0,17 m 2 K/W R s = 0,174 m 2 K/W T u = -25⁰C 80 T s = +20⁰C d lasi = 0,003 m λ lasi = 1,0 W/(mK) 1 U 2,86 W/(m g 2 K) 2 0,003 0,17 0,174 1,0 40 50
ESIMERKKI: Laske ikkunan U-arvo sekä sisäpinnan lämpötila B) Karmi- ja piuteosan U-arvo R si + R se = 0,13 + 0,04 = 0,17 m 2 K/W Puite- ja karmiosan keskimääräinen paksuus: T u = -25⁰C 80 T s = +20⁰C 50130 2 40 45 d 50 40 β = 0,7 112 mm λ n = 0,12 W/(mK) [puukarmit] 1 U f 1,21 W/(m 2 K) 0,7 0,112 0,17 0,12 40 50
ESIMERKKI: Laske ikkunan U-arvo sekä sisäpinnan lämpötila A+B) Ikkunan keskimääräinen U-arvo Valoaukon pinta-ala: 1,39 2 0,09 2 1, 46 A m 2 g Ikkunan kehän pinta-ala: T u = -25⁰C 80 T s = +20⁰C A 1,39 1,46 0,47 m 2 f 2 U w 1,46 2,86 0,47 1,21 0 1,46 0,47 2,5 W/(m 2 K) 40 50
ESIMERKKI: Laske ikkunan U-arvo sekä sisäpinnan lämpötila Ikkunan sisäpinnan lämpötila: t lasi t s R R si T t s t u Ikkunan kokonaislämmönvastus 1 1 RT 0,4 m 2 K/W U 2,5 w T u = -25⁰C 80 T s = +20⁰C t 0,13 0,4 o 20 25 5, C lasi 20 4 => Kondensoitunut vesi ei jäädy lasiin. 40 50
IKKUNOIDEN ENERGIALUOKITUS Ikkunoiden energiataloudellisuuden vertailua varten on Puuteollisuus ry kehittänyt energialuokituksen, joka jakaa ikkunat luokkiin A G. Luokituksessa ikkunalle lasketaan E-arvo (kwh/m 2 ), joka kertoo kuinka paljon ikkunarakenne aiheuttaa lämmitystarvetta vuodessa. Vertailulukuun vaikuttavat seuraavat tekijät: U-arvo, Auringonsäteilyn kokonaisläpäisykerroin (g-arvo), joka kertoo kuinka hyvin ikkuna hyödyntää auringon säteilyenergiaa, Karmien ilmatiiviys (ilmanvuotoluku). Luokka A (E < 85 kwh/m 2 ) on vähän energiaa kuluttava kun taas luokassa G (E >1 85 kwh/m 2 ) lämmitystarve on suuri.
IKKUNOIDEN ENERGIALUOKITUS Luokitelluista ikkunoista julkaistaan valmistajakohtaiset listat Motiva Oy:n verkkosivuilla. Oheisessa taulukossa on esimerkkinä luokkaan A kuuluvien ikkunoiden arvoja (Lähde: Domus-ikkunat, //ikkunat.domus.fi).