14.04.2014 Lämmönsiirtolaskelmat Päivitys 15.4.-14 Tiilipiipun palonkestävyysanalyysi Simulointi välipohjan paksuudella 600 mm Läpivienti täysin eristetty ja osittain tuuletettu rakenne Kokkola 14.04.2014 Rauli Koistinen, DI Femcalc Oy Insinööritoimisto Femcalc Oy Talonpojankatu 15 D 67100 KOKKOLA Puh. 040-5776381 femcalc@regionline.fi
2 Sisältö 1. Johdanto 2. Piipun mitat, materiaalit ja eristys 3. Simulointi 4. Simuloinnin tulokset ja yhteenveto 5. Lisätarkastelu, puu läpiviennin keskellä Liitteet 1. Simulointimallien materiaalien lämpötekniset ominaisuudet
3 1. Johdanto Tässä raportissa esitetään lämpösimulointien tulokset tiilipiipulle, joka lävistää 600 mm paksun, eristetyn läpivientirakenteen (rakennusten yläpohjat). Simulointilaskelmat on tilannut Tiiliteollisuus ry. Simulointien tarkoituksena on ollut tutkia lämpötilojen kehittymistä 600 mm paksun läpiviennin sisällä olevassa puurakenteessa, eristeissä ja tiilipiipun pinnassa sekä piipun pintaa vasten olevassa verhoilulevyssä. Simulointilämpötilana oli 700 ºC lämpötilaluokan T600 mukaisesti. Simuloinnit tehtiin kahdella eri läpivientiratkaisulla, joista toisessa koko läpivienti oli suojattu kahdella 50 mm paksuilla läpimenevillä suojaeristeillä (palovillalevyt). Toisessa simuloidussa rakenteessa sisin suojaeriste oli korkeudeltaan 200 mm ja toinen korkeudeltaan 700 mm, jolloin niiden väliin muodostuu 50 mm:n leveä yläpäästään avoin tuuletettu rako. 2. Piipun mitat, materiaalit ja eristys Simuloidun piipun mitat, materiaalit ja eristeet simulointimalleissa olivat seuraavat: - piippu muurattu yhden kiven hormi - tiili: reikätiili 257x123, sauma 12 mm - hormin sisämitat: 147x281 - hormin ulkomitat: 392x527 - läpivientipaksuus 600 mm, alaverhoilulevy 12 mm:n vaneri - läpiviennin kohdalla suojaeristekerroksia seuraavasti: i. täysin eristetty läpivienti: suojaeriste Paroc palovillalevy 140 kg/m 3, paksuus 2x50 mm ja korkeus 700 mm ii. osittain tuuletettu läpivienti: sisin suojaeriste Paroc palovilla 140 kg/m 3, paksuus 50 mm ja korkeus 200 mm, uloin suojaeriste Paroc 140 kg/m 3, paksuus 50 mm ja korkeus 700 mm - läpiviennin eriste: kivivilla 100 kg/m 3 - kuvissa 1 ja 2 on esitetty simuloitujen läpivientirakenteiden mitat ja materiaalit ja tulostuskäyrissä esitetyt lämpötilojen seurantapisteet - liitteessä 1 on esitetty simuloinnissa käytetyt materiaalien lämpötekniset ominaisuudet
Kuva 1. Täysin eristetty läpivientirakenne 4
5 Kuva 2. Osittain tuuletettu läpivientirakenne 3. Simulointi Tarkastellun tiilipiipun lämpötilojen kehittymistä paksussa läpiviennissä on simuloitu Femcalc Oy:n kehittämillä laskentamalleilla. Simulointiparametrit on määritelty piippujen yleisen testausnormin EN 13216-1 mukaisesti. Laskentaohjelmana on käytetty elementtimenetelmään perustuvaa ohjelmistoa Cosmosm ja sen Heat Transfer moduulia. Kuvissa 3 ja 4 on esitetty simulointien laskentamallit, jossa elementtityyppinä on käytetty 8-solmuista tilavuuselementtiä Solid. Simulonnit ajettiin ¼ malleilla simulointiajan pienentämiseksi (voidaan käyttää pystysuuntaisia symmetriatasoja). Testausnormissa EN 13216 ei ole määritelty 200 mm paksumpia läpivientejä. Tässä simuloinnissa välipohjan puupalkki 50x200 sijoitettu normin mukaisesti alavanerin yläpuolelle suojaetäisyydelle 100mm. Suojaetäisyyden määritys on siten tehty puun keskipisteen lämpötilan kehittymisen suhteen (mittauspiste T2).
6 Käyttölämpötilasimuloinnissa on hormin sisäpuolisen savukaasujen lämpötilaksi asetettu 700 C käyttölämpötilaluokan T600 mukaisesti. Sisäpuolen lämmönsiirtokertoimet on määritetty testinormissa määritetyn virtausnopeuden 5,67 m/s ja nestekaasun polton (ilmakerroin 3,82) savukaasujen säteilevien kaasukomponenttien (CO 2 -pit. 3,1 % ja H 2 O-pit. 4,5 %) pohjalta. Piipun ja välipohjien ulkopintojen reunaehdoiksi on asetettu vapaan konvektion ja säteilyn jäähdyttävä vaikutus (mukana myös piipun ulkovaipan ja seinäpintojen välinen säteilylämmönsiirto sekä säteily ympäristöön). Pintojen emissiviteetteinä on käytetty arvoa 0,92. Tuulettuvaan rakoon asetettiin lämpöreunaehdoiksi vastinpintojen välinen säteily ja pintojen vapaa konvektio virtaussimuloinnista saatujen parametrien pohjalta. Käyttölämpötilasimulointi suoritettiin transienttina, jossa lämpötilojen kehittymistä seurattiin 6 h:n ajan iterointivälin ollessa 5 min. Kyseisestä ajasta 6 h:n aikana piipun sisällä vaikutti normin mukainen testilämpötila, jonka jälkeen lämpötila pudotettiin 20 C:een (testinormin mukainen maksimi testausaika 6 h). Laskennassa otettiin myös huomioon eristeiden ja lämmönsiirtokertoimien lämpötilariippuvuus (eristevillan lämmönjohtavuus kasvaa huomattavasti korkeissa lämpötiloissa). Mallissa käytetyt materiaalien lämpötekniset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti ja tiheys) lämpötilan funktiona perustuvat eristemateriaalitoimittajilta saatuun dataan. Puumateriaalien ominaisuuksina käytettiin yleisiä kirjallisuusarvoja. Piipun lämpötekniset ominaisuudet (lämmönjohtavuus, ominaislämpökapasiteetti ja tiheys) sovitettiin kirjallisuusarvojen pohjalta siten, että piipun pintalämpötilan nousukäyrä vastasi aikaisemmissa mittauksissa saatuja tuloksia. Liitteessä 1 on esitetty malleissa käytetyt materiaalien lämpötekniset ominaisuudet. Kuva 3. Simulointimalli, täysin eristetty läpivienti
7 Kuva 4. Simulointimalli, läpivienti osittain tuuletettu rakenne 4. Tulokset Kuvassa 5 ja 6 on esitetty lämpötilajakautumat ajan hetkellä 360 min molemmissa läpivientirakenteissa. Kuvissa 7 11 on esitetty tulostuspisteiden T1 T6 lämpötilakäyrät täysin eristetyssä läpivientirakenteessa ja kuvissa12 15 tulostuspisteiden T2 T6 lämpötilakäyrät osittain tuuletetussa läpivientirakenteessa. Seuraavassa taulukossa on esitetty tarkasteltujen pisteiden maksimilämpötilat. Simulointitilanne Mittauspiste ( C) Maksimilämpötila ( C) A Täysin eristetty läpivientirakenne - piipun pinta vapaa tila (T1) 135 - läpiviennin puu (T2) 40,5 - palovillan ulkopinta (T3) 98,5 - piipun pinta läpiviennin sisällä (T4) 317,5 - vaneri piippua vasten (T5) 168 - vaneri 10 mm päässä 94,5
8 B Osittain tuuletettu läpivientirakenne - läpiviennin puu (T2) 40,8 - palovillan ulkopinta (T3) 88,9 - piipun pinta läpiviennin sisällä (T4) 191 - vaneri piippua vasten (T5) 168 - vaneri 10 mm päässä (T6) 94,5 Tulosten mukaan suojaetäisyys 100 mm palovillaeristeellä riittää molemmilla läpivientirakenteilla puun lämpötilojen suhteen (maksimi sallittu 85 ºC). Puun keskellä lämpötila ehtii nousta vain 40 ºC:een johtuen suuresta suojaetäisyydesta ja palovillan eristävästä vaikutuksesta sekä puun ominaislämpökapasiteetista. Lämpötilakäyrien mukaan puun lämpötila (T2) lähtee nousemaan vasta n. 2 h:n kuluttua. Palovillan ulkopinnan lämpötila läpiviennin keskellä (T3) nousee 6 h:n aikana 98 ºC:een täysin eristetyssä läpivientirakenteessa ja 89 ºC:een osittain tuuletetussa rakenteessa. Siten palavan materiaalin sijoittaminen myös läpiviennin keskelle 100 mm:n suojaetäisyydelle ei aiheuta simuloinnin mukaan palovaaraa. Vanerin lämpötila piipun pintaa vasten nousee 6 h:n aikana n. 170 ºC:een, mikä tulos vastaa aika tarkkaan myös testauksessa saatua lämpötilaa. Vanerin lämpötila 10 mm:n päässä on jo sitä vastoin huomattavasti alhaisempi, simulointituloksen mukaan 95 ºC (myös mittauksissa saatu sama tulos). Kyseisen tuloksen mukaan kattoverhoilun ja tiilipiipun väliin tulisi siten jättää pieni 5 10 mm:n suojarako. Läpiviennin sisällä (keskellä) nousee piipun pintalämpötila täysin eristetyssä rakenteessa 318 ºC:een, kun tuuletetussa raossa siinä kohden se jää 190 ºC:een. Toisaalta myös tuuletetussa rakenteessa nousee piipun pintalämpötila 303 ºC:een sisemmän palovillaeristeen kohdalla (korkeudella 120 mm alavanerista). Piipun pintalämpötila vapaassa tilassa nousee simuloinnin mukaan 6 h:n aikana 135 ºC:een (mittauksissa vastaavassa pisteessä 136 ºC:een).
9 5. Lisätarkastelu, puu läpiviennin keskellä Lisätarkasteluna ajettiin myös tilanne, jossa 50x200 puusoiro oli asetettu läpiviennin keskelle pystysuunnassa täysin eristetyssä läpivientirakenteessa. Kuvassa 16 on esitetty lämpötilajakautuma 6 h:n jälkeen ja kuvassa 17 palovillaa vasten olevan puun keskipisteen lämpötilakäyrä. Tulosten mukaan lämpötila nousee tällöin puussa 46,4 ºC:een, joten ero kuvan 1 mukaiseen sijaintiin nähden on vain 6 ºC. Puun ylänurkassa lämpötila nousee jonkin verran korkeammalle, 59,7 ºC:een.
10 Kuva 5. Lämpötilajakautuma 6 h:n kohdalla, täysin eritetty läpivienti Kuva 6. Lämpötilajakautuma 6 h:n kohdalla, osittain tuuletettu rakenne
11 Kuva 7. Lämpötila, mittauspiste T1, piipun pintalämpötila vapaassa tilassa Kuva 8. Lämpötila, mittauspiste T2, läpiviennin puu, täysin eristetty läpivienti
12 Kuva 9. Lämpötila, mittauspiste T3, palovillan ulkopinta, täysin eristetty läpivienti Kuva 10. Lämpötila, mittauspiste T4, piipun pinta, täysin eristetty läpivienti
Kuva 11. Lämpötila, mittauspisteet T5 ja T6, vanerin pinta, täysin eristetty läpivienti 13
14 Kuva 12. Lämpötila, mittauspiste T2, läpiviennin puu, osittain tuuletettu rakenne Kuva 13. Lämpötila, mittauspiste T3, palovillan ulkopinta, osittain tuuletettu rakenne
15 Kuva 14. Lämpötila, mittauspiste T4, palovillan ulkopinta, osittain tuuletettu rakenne Kuva 15. Lämpötila, mittauspisteet T5 ja T6, palovillan ulkopinta, osittain tuuletettu rakenne
16 Kuva 16. Lämpötilajakautuma, kun puu läpiviennin keskellä Kuva 17. Lämpötila, kun puu sijoitettu läpiviennin keskelle, täysin eristetty rakenne
17 Liite 1. Simulointimallissa käytettyjen materiaalien lämpötekniset ominaisuudet Tiilihormi, reikätiili 257x123, ominaisuudet muurattuna - tiheys 1500 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 900 J/kgK - lämmönjohtavuus 0,55 W/mK Palovilla Paroc 140 - tiheys 140 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 840 J/kgK - lämmönjohtavuus lämpötilasta riippuen seuraavasti T ( C) λ (W/mK) 10 0,037 100 0,047 200 0,065 400 0.12 600 0,18 800 0,2 1000 0,41 Puu, mäntypalkki - tiheys 550 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 1400 J/kgK - lämmönjohtavuus 0,14 W/mK Vaneri - tiheys 550 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 1200 J/kgK - lämmönjohtavuus 0,12 W/mK Välipohjakivivilla - tiheys 100 kg/m 3 - ominaislämpökapasiteetti 840 J/kgK - lämmönjohtavuus lämpötilasta riippuen seuraavasti T ( C) λ (W/mK) 10 0,036 50 0,04 100 0,046 200 0,064 300 0,089 400 0,121 500 0,159