Sisäilmastoseminaari 2008 1 PIENTALOJEN VUOTOILMANVAIHTUVUUDEN ARVIOINTIMENETELMÄ SUOMEN OLOSUHTEISIIN Juha Jokisalo¹, Jarek Kurnitski¹, Targo Kalamees¹, Lari Eskola¹, Kai Jokiranta¹, Minna Korpi², Juha Vinha² ¹ Teknillinen korkeakoulu, LVI-tekniikan laboratorio ² Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennustekniikan laitos TIIVISTELMÄ Tämän tutkimuksen tavoitteena on esittää yksinkertainen laskentamalli suomalaisten pientalojen keskimääräisen vuotoilmanvaihtuvuuden arvioimiseksi ottaen huomioon vuotoilmanvaihtoon keskeisesti vaikuttavat tekijät kuten rakennuksen ilmanpitävyys, rakennuksen korkeus, vuotojakauma, suomalaiset ilmasto- sekä tuuliolot. Vuotoilmanvaihdon ja tutkittavien tekijöiden välinen yhteys määritettiin tyypillisen suomalaisen pientalon IDA-ICE simulointimallilla, jonka tulosten pohjalta yksinkertainen laskentamalli on kehitettiin. Kaikkiaan 70 tapausta sisältävän tutkimusaineiston perusteella yksinkertaisen vuotoilmanvaihtuvuuden laskentamallin virhe IDA-ICE simulointituloksiin verrattuna on keskimäärin 8%, joten kehitettyä laskentamallia voidaan käyttää pientalojen keskimääräisen vuotoilmanvaihtuvuuden karkeaan arviointiin suomalaisissa ilmastooloissa. JOHDANTO Tämä tutkimus on osa Tampereen Teknillisen Yliopiston Talonrakennustekniikan laboratorion ja Teknillisen korkeakoulun LVI-tekniikan laboratorion yhteistyöhanketta Asuinrakennusten ilmanpitävyys, sisäilmasto ja energiatalous (AISE). Tässä artikkelissa keskitytään pientalojen ilmanpitävyyden ja keskimääräisen vuotoilmanvaihtuvuuden välisen yhteyden ja siihen vaikuttavien tekijöiden tutkimiseen Suomen olosuhteissa. Hankkeen alustavia mallinnustuloksia on esitetty aikaisemmin mm. /1/. Tässä artikkelissa on esillä tärkeimmät simulointitulokset joiden pohjalta kehitettiin yksinkertainen laskentamalli pientalojen vuotoilmanvaihtuvuuden karkeaan arviointiin. MENETELMÄT Mallinnushohde Mallinnuskohde kuvaa tyypillistä kaksikerroksista suomalaista pientaloa (kuva 1). Kohde on vuonna 2000 rakennettu puurunkoinen höyrynsulkumuovilla varustettu talopakettitalo, jossa on koneellinen tulo-poisto ilmanvaihtojärjestelmä. Mallinnuskohde vastaa mm. rakennustavan, ilmanvaihtojärjestelmän ja ilmanvaihtuvuuden sekä ilmanpitävyyden osalta
2 Sisäilmayhdistys raportti 2008 vuonna 2004 päättyneessä Kosteusvarma terve pientalo hankkeessa tutkitun sadan puurunkoisen pientalon perusteella valittua keskivertopientaloa /2/ Kuva 1. Vuotoilmanvaihdon mallinnuksessa käytetty tutkimuskohde. Dynaaminen simulointimalli Kohteesta tehtiin dynaaminen monivyöhykemalli IDA-ICE 3.0 simulointiohjelmalla /3/. Tehdyn mallin soveltuvuutta vuotoilmanvaihdon simulointiin on tutkittu vertaamalla mallin ennustamia painesuhteita mallinnuskohteesta mitattuihin painesuhteisiin ja vertailun perusteella mallin on todettu soveltuvan hyvin vuotoilmanvaihtuvuuden laskentaan /4/. TULOKSET Tutkitut tapaukset Tarkasteluissa ilmavuotoluvulle n 50 annettiin kolme eri vaihtoehtoa (5, 3.9 tai 10 1/h), joista 5 1/h kuvaa lähes täysin ilmanpitävää taloa, 3.9 1/h keskiverto puurunkoista pientaloa /2/ ja 10 1/h hataraa taloa. Vuotoilmanvaihtuvuutta tutkittiin erityyppisissä ilmasto-oloissa, jotka edustavat Suomessa rakennusten energialaskentaan määriteltyjä ilmastovyöhykkeitä: I (Helsinki), III (Jyväskylä) ja IV (Sodankylä). Tuuliolojen vaikutusta tutkittiin simuloimalla rakennus suojattomassa tuuliympäristössä, tyypillisessä maaseudun tuuliympäristössä, jossa hiukan suojaavia puita tai rakennuksia, suojaisessa taajamaympäristössä tai täysin tuulettomassa ympäristössä. Ilmanvaihdon tasapainotuksen merkitystä tutkittiin täysin tasapainoisella ilmanvaihtojärjestelmällä sekä yli- että alipaineisella järjestelmällä rakennuksen ilmanvaihtokertoimen ollessa noin 1/h. Pientalon korkeuden vaikutusta tutkittiin myös 1-kerroksisen tapauksen avulla. Vuotojakauman vaikutusta tutkittiin 2-kerroksisen pientalon tapauksessa neljällä eri vuotojakaumalla /5/, joista tyypillinen-jakauma vastaa mallinnuskohteen mitattua vuotojakaumaa. Vuotoyhtälön exponentin /6/ osalta simuloinnit suoritettiin pääosin käyttäen Kosteusvarma terve pientalo hankkeessa sekä AISE-hankkeessa kerätyn 170 pientalon mittausaineiston keskiarvoa 0.73 /5/, joten tulokset pätevät yleisemmin suomalaisille pientaloille kuin aikaisemmin /1/ julkaistut tulokset, jotka perustuivat mallinnuskohteen mitattuun exponenttiin. Tutkittuihin tapauksiin otettiin mukaan myös vuotoyhtälön exponentin tyypillinen vaihteluväli (0.63-0.83) mittausaineiston perusteella. IDA-ICE simulointitulokset
Sisäilmastoseminaari 2008 3 Keskimääräinen vuotuinen vuotoilmanvaihtuvuus kasvaa lähes lineaarisesti ilmavuotoluvun n 50 kasvaessa. Vuotoilmanvaihtuvuudessa on jonkin verran eroja riippuen ilmasto-oloista: Sodankylässä vuotoilmanvaihtuvuus on noin 10% suurempi kuin Helsingissä, mutta Jyväskylässä vuotoilmanvaihtuvuus on vain 1% suurempi verrattuna Helsinkiin (kuva 2). Vuotoilmanvaihtuvuus on lähes yhtä suuri Helsingissä ja Jyväskylässä, koska Jyväskylän kylmemmän ulkolämpötilan vaikutus lähes kompensoituu Helsinkiä heikoimmilla tuulioloilla. Kuvan 2 perusteella tuulen osuus vuotoilmanvaihtuvuudesta on alle 10% 2-kerroksisen pientalon vuotoilmanvaihdosta suojaisessa tuuliympäristössä Helsingissä. Vastaavasti tuulen osuus on noin 35% maaseudun tuulioloissa tai hieman yli 50% suojattomassa tuuliympäristössä. Sodankylä (IV) Jyväskylä (III) Helsinki (I) 0.8 0.7 0.6 Suojaton Maaseutu Suojainen Ei tuulta Kuva 2. Suomalaisten ilmasto-olojen (vasen) ja tuuliympäristön (oikea) vaikutus 2- kerroksisen pientalon vuotoilmanvaihtuvuuteen. Kuvan (3) perusteella erilaisista vuotojakaumista aiheutuu jopa 50% ero tutkitun pientalon vuotoilmanvaihtuvuudessa suojaisessa tuuliympäristössä. Suurimman vuotoilmanvaihtuvuuden aiheuttaa YP/AP-vetoinen vuotojakauma, jossa vuotoreittien välinen korkeusero on suurimmillaan. Tänä vuotojakauma aiheuttaa noin 25% suuremman vuotoilmanvaihtuvuuden kuin tyypillinen vuotojakauma, kun YP-vetoinen ja AP-vetoinen vuotojakauma johtaa 10-20% pienempään vuotoilmanvaihtuvuuteen. Koska mallinnetussa pientalossa ei ole erillisiä korvausilmaventtiileitä, joiden kautta ilmanvaihtojärjestelmän epätasapainosta johtuva korvausilma voisi virrata vaipan läpi, katsotaan myös korvausilman kuuluvan vuotoilmavirtoihin. Tällä tavoin määritelty vuotoilmanvaihtuvuus kasvaa ilmanvaihtojärjestelmän epätasapainosta johtuen. Mikäli korvausilmaa ei katsota kuuluvaksi vuotoilmavirtoihin, ilmanvaihtojärjestelmän epätasapaino hieman pienentää tuulesta ja lämpötilaeroista johtuvaa vuotoilmanvaihtuvuutta. YP/AP-vetoinen Tyypillinen YP-vetoinen AP-vetoinen Tulo/poisto = 0.85 Tulo/poisto = 1 Tulo/poisto = 1.15 Kuva 3. Vuotojakauman (vasen) ja ilmanvaihdon tasapainon (oikea) vaikutus 2- kerroksisen pientalon vuotoilmanvaihtuvuuteen.
4 Sisäilmayhdistys raportti 2008 Rakennuksen korkeudella on merkittävä vaikutus vuotoilmanvaihtuvuuteen. Kun ilma rakennuksen sisällä pääsee virtaamaan vapaasti kerrosten välillä, on 2-kerroksisen pientalon vuotoilmanvaihtuvuus keskimäärin noin 60% suurempi kuin 1-kerroksisen pientalon (kuva 4). Vuotoyhtälön exponentilla on myös merkittävä vaikutus vuotoilmanvaihtuvuuteen (kuva 4). Tulos osoittaa, että mikäli rakennuksen vaipassa on keskimäärin suurempia rakoja, on vuotoilmanvaihtuvuus merkittävästi suurempi kuin rakennuksessa, jonka vuotoreitit ovat keskimäärin pienempiä, vaikka painekoneen antama ilmavuotoluku olisi molemmille rakennuksille sama. 2 krs. 1 krs. n = 0.63 n = 0.73 n = 0.83 Kuva 4. Rakennuksen korkeuden (vasen) ja vuotoyhtälön exponentin (vuotoraon koko) vaikutus pientalon vuotoilmanvaihtuvuuteen. Yksinkertainen laskentamalli Rakennuksen keskimääräistä vuotoilmanvaihtokerrointa n v voidaan arvioida jakamalla rakennuksen ilmavuotoluku n 50 ns. ilmavuotokertoimella x oheisen kaavan mukaisesti. n v = (1) x n 50 Kun simuloidut pientalon vuotoilmanvaihtuvuudet sijoitetaan kaavaan (1), saa ilmavuotokerroin x arvoja riippuen olosuhteista ja muista tekijöistä. Kaavan (1) mukaista laskentamallia voidaan soveltaa tasapainoisella ilmanvaihtojärjestelmällä varustettuun taloon vaipan ilmanpitävyydestä riippumatta, mutta epätasapainoisen ilmanvaihtojärjestelmän tapauksessa menetelmä soveltuu ainoastaan ilmanpitävyydeltään normaaleihin (n 50 = 3.9 1/h) tai sitä hatarampiin rakennuksiin. Mikäli rakennuksen ilmanpitävyys on normaalia parempi, voi rakennuksen vuotoilmavirrat aiheutua pääosin ilmanvaihtojärjestelmän aiheuttamista paine-eroista, eikä kaavan (1) mukaista yksinkertaista laskentamallia voida käyttää. Pientalon simulointitulosten perusteella kaavan (1) ilmavuotokertoimelle x voidaan johtaa laskentakaava, joka koostuu vuoilmanvaihtoon liittyvien tekijöiden korjauskertoimista. Tällöin kaava (1) esitetään seuraavassa muodossa. n v = n 50 L W D H E B (2)
Sisäilmastoseminaari 2008 5 missä L on ilmasto-oloista riippuva korjauskerroin, W on tuulioloista riippuva korjauskerroin, D on rakennuksen vuotojakaumasta riippuva korjauskerroin, H on rakennuksen korkeudesta riippuva korjauskerroin, E on vuotoyhtälön exponentista riippuva korjauskerroin ja B on ilmanvaihdon tasapainosta riippuva korjauskerroin. Taulukko 1. Korjauskertoimet suomalaisen pientalon keskimääräisen vuotoilmanvaihtuvuuden (kaava 2) laskentamalliin. Ilmastovyöhyke I-III IV L 27 25 Tuuliolot suojaton maaseutu suojainen W 0.7 1 Vuotojakauma YP/AP-vetoinen tyypillinen YP-vetoinen AP-vetoinen D 0.8 1 1.1 1.2 Kerrosten lkm. 1 2 H 1.6 1 Vuotoyhtälön exponentti suurempia rakoja tyypillinen pienempiä rakoja E 0.7 1 1.4 Ilmanvaihdon tasapaino tasapainoinen yli-tai alipaineinen B 1 0.8 Kaavan (2) ja taulukon (1) perusteella tyypillisen ilmastovyöhykkeillä (I-III) suojaisissa tuulioloissa tasapainoisella ilmanvaihtojärjestelmällä varustetun 1-kerroksisen pientalon keskimääräinen vuotoilmanvaihtuvuus voidaan laskea kaavalla n 50 /43 ja 2-kerroksisen vastaavasti n 50 /27. Mikäli vuotoilmanvaihtuvuutta käytetään rakennuksen lämmitysenergian laskentaan, kerrotaan ilmavuotokerroin x korjauskertoimella 0.9 /5/. Tällöin keskimääräinen vuotoilmanvaihtuvuus energialaskentaan voidaan laskea e.m. 1- kerroksiselle pientalolle kaavalla n 50 /39 ja 2-kerroksiselle n 50 /24. Sovellettaessa kaavan (2) laskentamallia taulukon (1) korjauskertoimilla kaikkiaan 70 eri tapaukseen, jotka koostuvat mm. kuvissa (2-4) esitetyistä tapauksista, poikkeaa yksinkertaistetun laskentamallin tulokset -10% - 46% IDA-ICE simulointituloksista ja keskimääräinen ero on 8%. Yksinkertaistetun mallin tuloksia on verrattu tarkemmin IDA- ICE simulointituloksiin sekä muihin tunnettuihin vuotoilmanvaihdon yksinkertaisiin laskentamalleihin /5/. Kaikkiaan voidaan todeta, että yksinkertaistettu malli soveltuu riittävällä tarkkuudella pientalojen vuotoilmanvaihtuvuuden karkeaan arviointiin. YHTEENVETO Simulointitutkimuksen perusteella rakennuksen vuotoilmanvaihtuvuus kasvaa lähes lineaarisesti ilmavuotoluvun n 50 kasvaessa. Tulosten perusteella Suomi voidaan karkeasti jakaa kahteen osaan pientalon vuotoilmavaihtuvuuden perusteella: Ilmastovyöhykkeistä (I- III) muodostuvaan alueeseen sekä ilmastovyöhykkeeseen (IV), jossa vuotoilmanvaihtuvuus on hieman voimakkaampaa. Suomessa lämpötilaeroista aiheutuva vuotoilmanvaihtuvuus (savupiippuvaikutus) on tyypillisesti voimakkaampaa pientaloissa ilmastovyöhykkeistä riippumatta kuin tuulen aiheuttama vuotoilmanvaihtuvuus. Simulointituloksista johdettu yksinkertaistettua vuotoilmavaihtuvuuden laskentamallia voidaan käyttää pientalojen keskimääräisen vuotoilmanvaihtuvuuden karkeaan arviointiin Suomessa. Kun vuotoilmanvaihtuvuuden korjaus energialaskentaan tehdään jakamalla keskimääräinen vuotoilmavaihtuvuus korjauskertoimella 0.9, on vuotoilmanvaihtuvuuden
6 Sisäilmayhdistys raportti 2008 laskentakaava energialaskentaan tyypilliselle ilmastovyöhykkeillä (I-III) suojaisissa tuulioloissa tasapainoisella ilmanvaihtojärjestelmällä varustetulle 1-kerroksiselle pientalolle n 50 /39 ja 2-kerroksiselle n 50 /24. KIITOKSET Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia, TEKES sekä Asuinrakennusten ilmanpitävyys, sisäilmasto ja energiatalous hankkeeseen osallistuneet yritykset. Kiitämme tutkimukseen osallistuneita henkilöitä ja rahoittajia heidän panoksestaan tutkimuksen toteuttamisessa. LÄHDELUETTELO 1. Jokisalo, J., Kurnitski, J., Kalamees, T., Eskola, L. & Jokiranta, K. (2007). Ilmanpitävyyden vaikutus vuotoilmanvaihtoon ja energiankulutukseen pientaloissa. Sisäilmastoseminaari 2007, SIY raportti 25, s. 241-246. 2. Vinha, J., Korpi, M., Kalamees, M., Eskola, L., Palonen, J., Kurnitski, J., Valovirta, I., Mikkilä, A., Jokisalo, J. (2005). Puurunkoisten pientalojen kosteus- ja lämpötilaolosuhteet, ilmanvaihto ja ilmatiiviys. Tutkimusraportti 131. Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennetekniikan laitos. 3. Vuolle, M., and Sahlin, P. (2000). IDA indoor climate and energy - a new-generation simulation tool. Proceedings of Healthy Buildings 2000, Vol. 2, s. 523-528. 4. Jokisalo, J., Kalamees, T., Kurnitski, J., Eskola, L., Jokiranta, K., Vinha, J. (2007). A comparison of measured and simulated air pressure conditions of a detached house in a cold climate. (Hyväksytty julkaistavaksi Journal of Building Physics-lehdessä.) 5. Jokisalo, J., Kurnitski, J., Korpi, M., Kalamees, T., Vinha, J. Building Leakage, Infiltration and Energy Performance Analyses for Finnish Detached Houses. (Lähetetty julkaistavaksi Building and Environment-lehteen 2007.) 6. Liddament, M. Air infiltration calculation techniques an application guide, Air Infiltration and Ventilation Centre, UK. 1986.