TUOTANTOELÄINRAKENNUSTEN ILMANVAIHTO: ILMANVAIHTO- JA LÄMMITYSENERGIALASKURIT Käyttöohjeet HELSINGIN YLIOPISTO/MAATALOUSTIETEIDEN LAITOS/AGROTEKNOLOGIA 2010 Tapani Viita, Berit Mannfors, Mikko Hautala mikko.hautala@helsinki.fi
ESIPUHE Tässä raportissa esitetyt ilmanvaihto- ja lämmitysenergialaskurit on kehitetty siipi-, sika- ja nautakarjarakennusten (osastojen) ilmanvaihdon arvioimiseen ja mitoittamiseen sekä rakennuksen (osaston) lämmityskustannusten arviointiin ja jakautumiseen eri tekijöiden kesken. Laskurit ovat olemassa seuraaville tuotantolinjoille: siipikarjan osalta broilerit ja munivat kanat, sikaeläinten osalta porsaat ja lihotussiat, joutilaat kantavat emakot ja porsineet imettävät emakot, sekä nautaeläinten osalta vasikat ja hiehot, lypsylehmät ja lihanaudat. Laskurit ovat osa Helsingin yliopiston Maataloustieteiden laitoksen Agroteknologian osaston projektia koskien tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihtoa ja eläinten hyvinvointia, jota Maa- ja metsätalousministeriö (MMM) rahoitti vuoden 2010. Laskurit perustuvat rakennuksessa (osastossa) erittyviin lämmön ja kaasujen (hiilidioksidi ja vesihöyry) tuottoihin. Lämmöntuotossa on otettu huomioon eläinten metaboliallaan tuottama lämpö sekä rakennuksen läpi poistuva lämpö. Kaasujen tuottoon osallistuvat eläimet hengityksellään. Rakennuksessa tuottaa kaasuja myös eläinten erittämä lanta ja virtsa sekä rakennuksen märät pinnat. Laskurien perustana on Commission Internationale du Génie Rural (CIGR) järjestön vuonna 1984 julkaisema raportti Report of Working Group on Climatization of Animal Houses, johon on koottu työryhmän ehdotukset lämmön, hiilidioksidin ja vesihöyryn tuotoille rakennustasolla eri tuotantosuunnille talvi- ja kesäolosuhteissa. Eläinten geneettisen kehittämisen myötä niiden erittämä lämpö ja kaasut eivät välttämättä seuraa täysin CIGR raportin lausekkeita. Laskurit perustuvat myös oletukseen, että rakennuksen (osaston) ilma on täysin sekoittunut. Edellä olevat oletukset huomioon ottaen laskurien laskemat arvot ovat suuntaa antavia. Laskurien tarkoituksena on olla apuna tilallisille rakennustensa (osastojensa) ilmanvaihdon tarkistamiseksi ja suunnitteluksi sekä apuna päättäjille ja tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihdon suunnittelijoille. Lämmön ja kaasujen tuottoihin ei laskurien käyttäjä pääse vaikuttamaan. Sen sijaan käyttäjä syöttää laskureille oman rakennuksensa (osastonsa) tiedot (eläinmäärä, mitat, eristys, kesäolosuhteissa myös sisäilman lämpötila) sekä ulkoilman olosuhteet (lämpötila ja suhteellinen kosteus). Talviolosuhteiden sisäilman lämpötilaa ja suhteellista kosteutta käyttäjä ei myöskään voi muuttaa niiden kytkeytyessä eläimille tyypillisiin pito-olosuhteisiin eri ikäkausina. Ikä on laskureissa sidottu sille tyypilliseen eläimen elopainoon. Seuraavat henkilöt ovat olleet osallisena projektissa: Tapani Viita (maataloustieteiden ylioppilas), joka kesätyönään kirjoitti laskurien ohjelmat, Berit Mannfors (fil.tri ja fysiikan dos.), joka toimi projektin tutkijana, sekä Mikko Hautala (fil.tri ja fysiikan dos.), joka toimi projektin vastuullisena johtajana. Mahdolliset yhteydenotot tulee osoittaa projektin vastuulliselle johtajalle: Mikko Hautala Maataloustieteiden laitos/agroteknologia PL 28 (Koetilantie 3) 00014 Helsingin yliopisto Sähköposti: mikko.hautala@helsinki.fi Viikissä 3.9.2010 Berit Mannfors 1
SISÄLLYSLUETTELO 1. Yleistä 3 2. Ilmanvaihtolaskuri 4 2.1. Syöttöarvot 4 2.2. Laskurin laskemat suureet 8 2.2.1. Yleiset suureet 9 2.2.2. Ilmanvaihdot 12 Minimi-ilmanvaihto 14 Mitoitusilmanvaihto 16 Maksimi-ilmanvaihto 18 3. Lämmitysenergialaskuri 19 LIITE A: Ilmanvaihdon teoria 22 LIITE B: Eläinrakennuksessa tuotettu lämpö 26 B.1. Suora lämmöntuotto/luovutus 28 B.2. Latentti lämmöntuotto/luovutus 29 B.3. Lämmöntuotto rakennustasolla 29 LIITE C: Hiilidioksidin tuotto rakennustasolla 31 LIITE D: Kosteuden tuotto rakennustasolla 32 LIITE E: Rajakerrosten merkitys ilmanvaihtoon: Esimerkkinä verhoseinät ja tuplaverhoseinät 2
1. Yleistä Laskurit on kehitetty Helsingin yliopiston Maataloustieteiden laitoksella Maa- ja metsätalousministeriön rahoittamassa tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihtoa ja eläinten hyvinvointia käsittelevässä projektissa. Laskurien käyttö edellyttää Windows käyttöympäristöä sekä Office Excel 2003 tai sitä uudemman Microsoft Office Excel- ohjelman käyttömahdollisuutta. Laskurien funktiot (lausekkeet) on kirjoitettu Microsoft Excel Visual Basic ohjelmalla, joten laskurit on säilöttävä omalle tietokoneelle kyseisiä funktioita hyödyntävinä versioina (esim.broileri.xlsm). Ohjeet funktioiden sallimiseksi löytyvät Excel ohjelman Help:stä näpäyttämällä Excel-tiedoston oikeassa ylälaidassa olevaa kysymysmerkkiä ja antamalla hakusanaksi makrot. Laskurin käyttö vaatii käyttäjältä ohjelman asentamisen lisäksi muutaman syöttötiedon liittyen käyttäjän eläinrakennuksen (tai tarkastellun ilmasuljetun osaston) olosuhteisiin (eläinmäärä, rakennuksen (osaston) mitat ja rakennuksen (osaston) lämpöeristys) sekä ulkoilman olosuhteisiin (lämpötila ja suhteellinen kosteus). Laskettaessa maksimi-ilmanvaihdon tarvetta kesäolosuhteissa käyttäjä syöttää ohjelmalle myös rakennuksessa (osastossa) vallitsevan sisäilman lämpötilan. Käyttäjä voi laskurien avulla arvioida rakennuksensa tarvitsemaa ilmanvaihtoa talvi- ja kesäolosuhteissa sekä odotettavia lämmitysenergiakustannuksia ja kustannusten jakautumista eri tekijöiden kesken. Laskurit on tarkoitettu käyttäjän eläinrakennuksen ilmanvaihdon hallintaan sekä uusien rakennusten vaatimien ilmanvaihtojen ja lämmitysenergiakustannusten arviointiin. Tutkimustietojen (rakennuksessa erittyvien lämmön ja kaasujen määrät sekä eläinten pito-olosuhteiden lämpötilat) päivittämistä varten käyttäjä voi halutessaan muokata eläinten lämmön ja kaasujen tuottoihin liittyviä lausekkeita, joihin laskurien laskemat ilmanvaihdot ja lämmitysenergiatehot perustuvat. Tätä varten käyttäjän on haettava käyttöönsä myös Developer työkalu. Laskureita on eri tuotantosuunnille. Laskurit ovat samanlaiset lukuun ottamatta erilaisia lämmön ja kaasujen tuottoja sekä erilaisia olosuhteita (eläinmäärät, sisälämpötilat, ulkolämpötilat, rakennuksen eristys) eri tuotantosuuntien rakennuksissa. Laskurit ovat olemassa seuraaville tuotantosuunnille: siipikarja (broilerit, munivat kanat), sika (porsaat ja lihotussiat, emakot (joutilaat kantavat ja porsineet imettävät emakot) sekä nauta (vasikat ja hiehot, lypsylehmät, lihanaudat). Laskurien käyttöön liittyvät lyhyet ohjeet löytyvät laskurien Ohjeita välilehdeltä. Seuraavassa on laskurien yksityiskohtaisemmat käyttöohjeet sekä laskurien suureisiin liittyvää tietoa. 3
2. Ilmanvaihtolaskuri Ilmanvaihtolaskuri laskee minimi-ilmanvaihdon eläimen pitoon liittyvillä (minimi)lämpötiloilla (talviolosuhteet), maksimi-ilmanvaihdon käyttäjän syöttämillä rakennuksen (osaston) sisälämpötiloilla (kesäolosuhteet) sekä mitoitusilmanvaihdon eli ilmanvaihdon enimmäismäärän ilmanvaihtolaitteiston maksimitehon arvioimiseksi rakennuksen sisälämpötilassa +30 C. Ilmanvaihto lasketaan yksiköissä kuutiometri/tunti (m 3 /h). Ilmanvaihdot tulee laskea erikseen kullekin rakennuksen suljetulle ilmatilalle (suljetut erilliset osastot). 2.1. Syöttöarvot Oheiseen taulukkoon on kerätty syöttösuureet ja yksiköt, joissa suureet syötetään ohjelmalle, sekä Excel tiedoston välilehti, jolla kukin syöttösuure annetaan. Termi Yksikkö Välilehti Minimi- ja mitoitusilmanvaihdon laskut: Olosuhteet Eläinmäärä tarkastellussa tilassa kpl Syöttöarvot Ulkolämpötila C Syöttöarvot Ulkoilman suhteellinen kosteus % Syöttöarvot Rakennus (tarkasteltu osasto) Sisäpituus m Syöttöarvot Sisäleveys m Syöttöarvot Sisäkorkeus m Syöttöarvot Ikkunoiden kokonaispinta-ala * m 2 Syöttöarvot U-arvot Ulkoseinät W/(m 2 C) Syöttöarvot Väliseinät W/(m 2 C) Syöttöarvot Aukot: ikkunat, ovet, verhoseinät W/(m 2 C) Syöttöarvot Katto W/(m 2 C) Syöttöarvot Lattia W/(m 2 C) Syöttöarvot Märän pinta-alan osuus lattiasta % Syöttöarvot Maksimi-ilmanvaihdon lasku: Rakennuksen (osaston) sisälämpötila C Maksimi-ilmanvaihto Eläinten massa (elopaino) kg Maksimi-ilmanvaihto * Ikkunoiden (ja aukkojen) kokonaispinta-ala lasketaan seuraavasti: lasketaan kunkin ikkunan (aukon) pinta-ala kertomalla ikkunan (aukon) leveys sen korkeudella ja lasketaan yhteen näin saadut pintaalat. Mitat annetaan metreinä (lyhenne m). Muunnoskertoimet Suomessa käytettyjen mittayksikköjen välillä ovat seuraavat: 1 m = 10 dm = 100 cm = 1000 mm. Senttimetrimitat jaetaan siis sadalla ja millimetrimitat tuhannella muunnettaessa metreiksi; esimerkiksi 125 400 125cm m 1,25m tai 400mm m 0, 4m 100 1000 4
Minimi- ja mitoitusilmanvaihdon laskuja varten käyttäjä siis syöttää ohjelmalle eläinrakennuksensa olosuhteisiin, mittoihin ja rakennuksen lämpöeristykseen liittyvät tiedot Syöttöarvot välilehdellä oleviin valkoisiin soluihin (kuva 2.1). Syöttöarvot: Olosuhteet: Rakennus: Eläinmäärä, kpl T out, lämpötila ulkona 200 kpl 0 C RH out, ilman suhteellinen kosteus ulkona 50% Pituus Leveys 20m 120 m Pinta-ala 2400 m 2 Korkeus 3,3m Ikkunoiden pinta-ala 0 m 2 Märän pinta-alan osuus lattiasta 100 % U-arvot: Ulkoseinät Ikkunat Katto Lattia Rakennuksen U-arvo 0,4 W/m2/K 3 W/m2/K 0,26 W/m2/K 0,6 W/m2/K 0,32 W/m2/K Lasketut arvot: Seinäpinta-ala 924 m2 Ikkunoiden pinta-ala 0 m2 Sisäkaton pinta-ala 2400 m2 Lattia 276 m2 Yhteensä 3600 m2 Kuva 2.1. Esimerkki Syöttöarvot välilehdestä. Arvot värillisissä soluissa ovat ohjelman syöttöarvoista laskemia arvoja, ja ne selitetään kappaleessa 2.2.1 (Yleiset suureet) sivulla 9. 5
Maksimi-ilmanvaihdon laskua varten käyttäjä syöttää vielä rakennuksessa vallitsevan sisälämpötilan ja eläinten sen hetkisen keskimääräisen massan (elopainon) Maksimi-ilmanvaihto välilehdeltä löytyviin valkoisiin soluihin (kuva 2.2). Muut maksimi-ilmanvaihdon laskemiseen tarvittavat tiedot ohjelma lukee automaattisesti Syöttöarvot välilehdeltä ja listaa Maksimi-ilmanvaihto välilehdelle. Syöttöarvot: Olosuhteet: Eläinmäärä, kpl broileria 40000 Ulkolämpötila 20 Sisälämpötila 22 Massa 1 kg Rakennus: Pituus 20 Leveys 120 Pinta-ala 2400 Korkeus 3,3 U-arvot: Yhteensä 0,32 W/m2/K Seinäpinta-ala 924 m2 Ikkunoiden pinta-ala 0 m2 Sisäkaton pinta-ala 2400 m2 Lattia 276 m2 Yhteensä 3600 m2 Kuva 2.2. Esimerkki Maksimi-ilmanvaihto välilehdestä. Syöttöarvot välilehdeltä lukemien syöttöarvojen lisäksi ohjelma listaa syöttöarvoista lasketun rakennuksen U-arvon sekä syötetyistä mitoista lasketut rakennuksen rakenteiden pinta-alat. Laskurille annettavien suureiden syöttämisessä pitää ottaa huomioon seuraavat seikat: a) Ilmanvaihdot lasketaan kullekin ilmaeristetylle osastolle erikseen (esim. joutilaat emakot yhtenä ja porsineet emakot toisena osastona). Laskurille syötettävien suureiden on vastattava tarkasteltavalle tilalle (koko rakennus, yksittäinen osasto) tyypillisiä suureita. b) Ulkoilman lämpötila ja suhteellinen kosteus saadaan joko omilla mittareilla, lähiseudun säätiedotuksesta tai läheiseltä sääasemalta. c) Rakennuksen (osaston) mitat voivat olla joko sisä- tai ulkomittoja. Seinän paksuuden vaikutus osaston mittaan on pieni. 6
d) Rakennuksen (osaston) eristykselle (rakenteiden U-arvot ja eristyspaksuudet) on olemassa suositukset Maa- ja metsätalousministeriön (MMM) rakennus-ohjeissa (MMM-RMO, C2.2) Suomen eri ilmastoalueille. Taulukko 5 ja siihen liittyvä kuva laskurin Ohjeita välilehdellä on kopioitu kyseisistä MMM:n ohjeista. Rakennusohjeet ovat myös tämän raportin kuvassa 2.3. e) Laskurin kosteuteen ja hiilidioksidi(co 2 )pitoisuuteen liittyvät ilmanvaihtolausekkeet sisältävät eläinten hengityksen vuoksi rakennukseen (osastoon) erittyvien vesihöyry- ja hiilidioksidipitoisuuksien lisäksi arvion rakennuksessa (osastossa) erittyvistä pitoisuuksista johtuen muun muassa märän lannan ja virtsan peittämästä lattiasta. Antamalla märän lattian osuudeksi 100 % käyttäjä näkee arvion täysin märän (otsikolla Märät pinnat ) ja kuivan lattian (otsikolla Kuivat pinnat ) erosta ilmanvaihtoon. Sen sijaan 100 % märän lattian antama ilmanvaihto itsessään ei ole realistinen. Esimerkiksi eläinten suihkutukset kesäkuumilla lisäävät märän pinnan osuutta ja siten myös ilmanvaihdon tarvetta eläinrakennuksen sisäilman kostuessa. Kate taas vähentää märän pinnan osuutta, ja pinta, joka on täysin peitetty 10 mm:n paksuisella katteella (olki, turve tms.), käsitellään laskurissa kuivana pintana (märän pinnan osuus = 0 %). f) Minimi-ilmanvaihdon lasku vastaa talviolosuhteita, kun eläimiä pidetään niille tyypillisissä (tässä GIGR 1984 raportin mukaisissa) sisälämpötiloissa. Eläimen ikä, joka on sidottu laskurissa eläimen keskimääräiseen, iän edellyttämään elopainoon, on kytköksissä rakennuksen (osaston) sisälämpötilaan. Minimi-ilmanvaihdon laskuri toimii parhaiten, kun ulkoilman lämpötila on alle +10 C. g) Mitoitusilmanvaihdon laskun perusteena on rakennuksen (osaston) maksimaalinen sisälämpötila, joksi on valittu Suomessa useimpiin kesiin soveltuva +30 C. Muilta osin mitoitusilmanvaihdon lasku hyödyntää Syöttötiedot välilehdellä annettuja suureita. h) Maksimi-ilmanvaihdon lasku vastaa kesäolosuhteita sisäilman lämpötilan ollessa ilmanvaihdon määräävä tekijä. Laskua varten syötetään erikseen rakennuksen (osaston) vallitseva sisälämpötila ja eläinten sen hetkinen keskimääräinen elopaino Maksimi-ilmanvaihto välilehdellä. Muut laskurin tarvitsemat arvot ohjelma lukee automaattisesti Syöttötiedot välilehdeltä ja listaa Maksimiilmanvaihto välilehdelle, jolta ne voi tarkistaa. Käyttäjä voi muuttaa tarvitessaan Syöttöarvot välilehdellä esiintyviä syöttöarvoja tilannetta vastaaviksi. Laskuri toimii parhaiten, kun sisäilman lämpötila on välillä +10 +30 C. i) Laskurin tarvitsemat ulko- ja sisäilman olosuhteet syöttöarvoja lukuun ottamatta selitetään laskettujen suureiden kohdalla luvussa 2.2. 7
2.2. Laskurin laskemat suureet Oheiseen taulukkoon on kerätty ilmanvaihtolaskurin laskemat suureet, niiden yksiköt sekä välilehdet, miltä kukin suure löytyy. Termi Yksikkö Välilehti Rakennus: Pohjan pinta-ala m 2 Syöttöarvot Eläintiheys kpl/m 2 Syöttöarvot U-arvot: Rakennuksen U-arvo W/(m 2 C) Syöttöarvot Pinta-alat (U-arvoa varten): Seinäpinta-ala m 2 Syöttöarvot Ikkunoiden kokonaispinta-ala m 2 Syöttöarvot Sisäkaton pinta-ala m 2 Syöttöarvot Lattian pinta-ala m 2 Syöttöarvot Kokonaispinta-ala (yhteensä) m 2 Syöttöarvot Minimi-ilmanvaihdon lasku: CO2: Ilmanvaihto hiilidioksidin tuotosta m 3 /h Minimi-ilmanvaihto a Lämpö: Ilmanvaihto lämmöntuotosta m 3 /h Minimi-ilmanvaihto a Kosteus: Ilmanvaihto kosteudentuotosta m 3 /h Minimi-ilmanvaihto a Märät pinnat: Ilmanvaihto kosteuden tuotosta, kun koko lattia on märkä m 3 /h Syöttöarvot ja/tai Minimi-ilmanvaihto Minimi-ilmanvaihto m 3 /h Minimi-ilmanvaihto a Ammoniakkiemissio g/m 2 /h Syöttöarvot Maksimiammoniakkipitoisuus (kun koko lattia on märän lannan peitossa) ppm Syöttöarvot Nykyinen raja-arvo ammoniakille ppm Syöttöarvot ja/tai Minimi-ilmanvaihto Tekijä (=minimi-ilmanvaihdon määräävä tekijä) Mitoitusilmanvaihdon lasku: Minimi-ilmanvaihto a Mitoitusilmanvaihto: sisäilman lämpötila = +30C m 3 /h Mitoitusilmanvaihto Maksimi-ilmanvaihdon lasku: Rakennuksen ilmanvaihto m 3 /h Maksimi-ilmanvaihto Ilmanvaihto/eläin m 3 /h Maksimi-ilmanvaihto Ptot: kokonaislämmöntuottoteho/elopainokilo W Maksimi-ilmanvaihto Korjattu Ptot: lämpötilakorjattu Ptot/elopainokilo W Maksimi-ilmanvaihto Psens: eläimen tuottama suora lämpö(teho)/elopainokilo W ja Wh Maksimi-ilmanvaihto Phukka: rakennuksen hukkalämpö/elopainokilo Wh Maksimi-ilmanvaihto Psens-Phukka: nettolämpö/elopainokilo Wh Maksimi-ilmanvaihto a Arvot myös Syöttöarvot -välilehdellä 8
Laskuri näyttää eläinrakennukseen liittyvät laskut (pinta-alat, rakennuksen keskimääräinen U-arvo (lämpöeristys) ja eläintiheys) Syöttöarvot välilehdellä. Ilmanvaihtolaskuihin liittyvät tulokset näkyvät kyseisillä Ilmanvaihto välilehdillä (minimi, mitoitus ja maksimi) numeroineen sekä osa myös kuvin. Funktioiden (lausekkeiden) muokkaamiseksi käyttäjän tarvitsee kullakin välilehdellä näpäyttää Visual Basic näppäintä. Seuraavassa käsitellään yksityiskohtaisemmin laskurin laskemat suureet ja suureiden laskemisessa tarvittavat tiedot ja lausekkeet. 2.2.1. Yleiset suureet Syöttöarvot välilehdellä lasketaan ensin eläintiheys ja rakennuksen (osaston) lämpöeristys (U-arvo). Osastolla tarkoitetaan muusta rakennuksesta ilmaeristettyä tilaa (esim. poikimaosasto) eli tilaa, joka tarvitsee muusta rakennuksesta poikkeavaa ilmanvaihtoa. Eläintiheys (Sisä)pohjan pinta-ala = pituus sisäleveys sisä (2.2.1) Pohjalla tarkoitetaan koko rakennuksen tai tarkastellun osaston pohjaa. Pinta-alan yksikkö = neliömetri (m 2 ). Eläintiheys = Eläinten lukumäärä (Sisä)pohjan pinta - ala (2.2.2) Eläintiheyden yksikkö = kappale/neliömetri (kpl/m 2 ). Eläintiheys on laskettu rakennuksessa (osastossa) pidettävien eläinten määränä rakennuksen (osaston) pohjapinta-alaa kohden. Pohjan pinta-alasta ei ole poistettu käytäviä ja muita alueita, jotka eivät ole eläinten käytössä mutta kuuluvat samaan ilmatilaan. Laskettu eläintiheys on siis tiheys koko rakennusta tai koko osastoa kohden. Rakennuksen U-arvo U rakennus = U seinä seinäpinta - ala U ikkuna ikkunapinta - ala U katto kokonaispinta - ala sisäkaton pinta - ala U lattia lattiapinta - ala (2.2.3) U-arvon yksikkö on watti/neliömetri/aste (W/m 2 /C = W/m 2 /K; K = lämpötilaero Kelvineissä). Rakennuksen (osaston) seinien, katon ja lattian U-arvoina voidaan käyttää keskimääräisiä U-arvoja (suositukset maksimieristyksiksi on annettu Maa- ja metsätalousministeriön rakennusohjeissa MMM-RMO C2.2). Alla on kopio nykyisistä ministeriön suosituksista. 9
Kuva 2.3. Kopio Maa- ja metsätalousministeriön suosituksista (MMM-RMO C2.2) tuotantoeläinrakennusten maksimieristyksiksi Suomen eri ilmastoalueilla. Tarkemmissa laskuissa voidaan ottaa huomioon rakenteen eri kerrokset (materiaalit ja ilma). Kunkin kerroksen U-arvon laskemista tarvitaan kerroksen paksuus ja materiaalin lämmönjohtumiskerroin (yksikkö = W/m/K = W/m/C). Esimerkiksi seinien koostuessa kahdesta lautakerroksesta ja niiden välisestä eristevillakerroksesta (peräkkäiset kerrokset), seinän U-arvolle saadaan arvio seuraavasti: 1 U seinä 1 1 1, mistä U U U lauta eristevilla lauta U seinä 1 (2.2.4) 1 1 1 U U U lauta eristevilla lauta Kunkin kerroksen U-arvo voidaan laskea taulukoiduista materiaalien lämmönjohtumiskertoimista (yksiköissä W/m/K tai W/m/C) jakamalla lämmönjohtumiskerroin kerroksen paksuudella (metreissä). Esimerkiksi 22 cm (22 cm = 22/100 m = 0,022 m) paksulle lautakerrokselle, kun laudan lämmönjohtumiskerroin on 0,14 W/m/C, U-arvo on U lauta 0,14W / mc 6,36W /( m 2 ) 0,022m C. Esimerkkejä muun muassa verhoseinien U-arvoista on liitteessä F. 10
Rakennuksen U-arvon määrittämistä varten ohjelma laskee tarvittavat pinta-alat syötetyistä rakennuksen (osaston) mitoista seuraavasti: Seinäpinta-ala = 2 pituus korkeus leveys korkeus 2pituus leveys korkeus (2.2.5) Mitat ovat sisä- tai ulkomittoja, koska seinän paksuuden vaikutus mittoihin eläinrakennuksissa on pieni. Ikkunapinta-ala = syöttöarvo (ikkunoiden kokonaispinta-ala). Ikkunapinta-ala käsittää aukot (ikkunat ja ikkunoiden lämpöeristystä vastaavat rakenteet kuten lämpöä vähän eristävät ovet). Sisäkaton pinta-ala = (sisä)pituus(sisä)leveys (2.2.6) Lattiapinta-ala = 2 pituus 2 (leveys- 4) 2. (2.2.7) Lämpöä läpäisevän lattian pinta-alaksi lasketaan pinta-ala (valkoinen alue kuvassa 2.4), jonka muodostaa 2 m leveä seiniä reunustava alue. Keskilattian lämmönläpäisevyys on pieni ja jätetään yleensä ottamatta huomioon teknisissä laskuissa. Kuva 2.4. Lämpöä läpäisevän lattian osuus (valkoinen alue) Kokonaispinta-ala = seinäpinta-ala + ikkunapinta-ala + sisäkaton pinta-ala + lattiapinta-ala (2.2.8) 11
2.2.2. Ilmanvaihdot Yleispiirteet Ilmanvaihto (yksiköissä kuutiometri/tunti, m 3 /h) perustuu rakennuksessa tuotetun ylimääräisen lämmön (nettolämpö = tuotettu lämpö poistuva lämpö) sekä rakennuksessa tuotettujen kaasujen (hiilidioksidi, vesihöyry ja ammoniakki) poistamiseen sisäilmasta eläinten ja rakennuksen hyvinvointia ajatellen. Ammoniakin tuotto on laskettu hyödyntäen navetoissa mitattuja ammoniakkipäästöjä ja niihin sovitettua lauseketta oletuksella, että koko lattia on märän lannan peitossa. Ammoniakin tuotto vastaa siten maksimituottoa kaikilla eläimillä. Lämmön, hiilidioksidin sekä vesihöyryn tuotot perustuvat maailmalla eri tuotantosuunnille käytettyihin lausekkeisiin (tässä CIGR 1984 raporttiin). Näitä termejä käsitellään seuraavassa enemmän sekä yksityiskohtaisemmin liitteissä A D. Teoreettiset perusteet ilmanvaihdon laskemiseen ovat liitteessä A, ja laskureihin sisällytetyt eläinkohtaiset lämmön ja kaasujen tuotot sekä eläinten pitoon liittyvät minimilämpötilat ovat liitteissä B D. Rajakerrosten merkitystä ilmanvaihtoon (verhoseinät) käsitellään liitteessä E. Ilmanvaihtojen laskemista varten ohjelmaan on sisällytetty eläinten elopainon (massan) kehitykseen (ikäluokkaan) soveltuvat rakennuksen sisälämpötilat kesäolosuhteita (maksimi-ilmanvaihdon laskua) lukuun ottamatta. Maksimi-ilmanvaihdon laskua varten vallitsevat rakennuksen sisälämpötila ja eläimen keskimääräinen elopaino syötetään ohjelmalle itse Maksimi-ilmanvaihto välilehdellä. Eläinten ikävaiheet ovat siis sidoksissa eläinten elopainoihin (massoihin). Eläinrakennuksille tyypilliset sisälämpötilat löytyvät liitteen B taulukosta LB.1. Seuraavassa käsitellään lyhyesti ilmanvaihtoon vaikuttavat tekijät. Lämmön ja kaasujen tuotto Eläinten lämmön ja kaasujen tuotto riippuu eläinten iästä ja tuotantosuunnasta. Nykyiset lausekkeet perustuvat kansainvälisiin, enimmäkseen 1960 1980 luvuilla suoritettuihin mittauksiin. Uudempia mittauksia on tehty satunnaisesti joillekin eläintyypeille useimmiten lämpimissä tai kuumissa ilmastoissa (esimerkiksi tropiikissa). Siten lämmön ja kaasujen tuottolausekkeet saattavat antaa nykyisille tuotantoeläimille liian pienet tuotot sekä tuotoista laskettuina liian pienen lämmön ja kaasujen poistoon tarvittavan ilmanvaihdon, koska lämmön ja kaasujen tuottoihin vaikuttaa eläinten geeniperimä ja siten eläinten koko ja tuotosmäärä (maito, munat, liha, jälkeläiset). Tästä huolimatta maailmalla tehtäviä säädöksiä ja ohjeita varten käytetään edelleen vanhoja kokoelmia (esim. CIGR 1984), miksi myös tässä laskurissa niitä on käytetty. Suomen tilannetta on tutkittu myös Ruotsissa tehtyjen tutkimusten valossa, sillä suurin osa maailmalla suoritetuista lämmöntuoton tutkimuksista koskee Suomea paljon lämpimämpiä alueita, joissa lämmöntuotto on päätekijä ilmanvaihtoa ajatellen. Suomen tuotantoeläinrodut poikkeavat myös osin hyvin kuumien alueiden roduista. Laskuri siis perustuu Commission Internationale du Génie Rural (CIGR) järjestön vuonna 1984 julkaisemaan raporttiin Report of Working Group on Climatization of Animal Houses, johon on koottu työryhmän ehdotukset tuotantoeläinrakennusten lämmön, hiilidioksidin ja vesihöyryn (kosteuden) tuotoille tuotantosuunnittain talvi- ja kesäolosuhteissa. CIGR on julkaissut myös uudemman raportin vuonna 2002, jonka ehdottamia lämmön ja kaasujen tuottolausekkeita ja niistä laskettuja ilmanvaihtomääriä on projektin aikana verrattu CIGR 1984 lausekkeista saatuihin tuloksiin. CIGR 1984 raportissa on annettu eläinten lämmön, hiilidioksidin ja kosteuden tuotot rakennustasolla. Rakennustaso tarkoittaa, että sekä hiilidioksidin että kosteuden (vesihöyryn) tuotot sisältävät eläinten hengityksessä tuottaman hiilidioksidin ja vesihöyryn 12
lisäksi arvion lannasta ja virtsasta sekä märistä pinnoista erittyvistä hiilidioksidin ja kosteuden tuotoista. Sen sijaan raportin mukaisesta eläinten tuottamasta lämmöstä on vähennettävä rakennuksen lämmönhukka. Nykyinen laskuri ei toistaiseksi sisällä eläinten mahdollisesta suihkutuksesta aiheutuvaa eläinten lämmönhukkaa. Raportin kesäolosuhteilla tarkoitetaan rakennuksen sisäilman lämpötilaa +30 C. Laskurissa tämä vastaa mitoitusilmanvaihdon sisälämpötilaa (Mitoitusilmanvaihto välilehdellä), mikä voidaan katsoa Suomen kesäoloissa keskimäärin korkeimmaksi sisäilman lämpötilaksi. Maksimi-ilmanvaihdon laskua varten vallitsevissa kesäolosuhteissa käyttäjä syöttää ohjelmalle Maksimi-ilmanvaihto välilehdellä tilannekohtaisen rakennuksen sisälämpötilan ja eläinten keskimääräisen elopainon (massan) kilogrammoina (kg). Talviolosuhteiden sisälämpötila vaihtelee tuotantosuunnittain eläimen elopainon (massan) funktiona (taulukko LB.1 liitteessä B). Kullekin tuotantosuunnalle sopiva sisäilman lämpötila on siis kytketty eläimen massaan eli ikään. CIGR 1984 ohjeissa annettuihin lämmön ja kaasujen tuottoihin on sovitettu lausekkeet, jotka ovat muotoa tuotto C (elopaino) k (2.2.9) Lausekkeessa C = sovituskerroin ja k = sovituksen eksponentti. Kyseiset lausekkeet on annettu ohjelmalle, ja niiden perusteella laskuri laskee eläinkohtaiset tuotot ja edelleen eläinkohtaisen ilmanvaihdon sekä käyttäjän syöttämän eläinmäärän perusteella rakennuksen (osaston) minimi-, mitoitus- ja maksimiilmanvaihdot. Laskurin laskemat ilmanvaihdot Minimi-ilmanvaihto vastaa talviolosuhteita, kun eläimiä pidetään tuotantovaihetta vastaavissa sisäilman minimilämpötiloissa. Maksimi-ilmanvaihto vastaa vallitsevia kesäolosuhteita ja käyttäjä syöttää ohjelmalle ajanmukaisen sisäilman lämpötilan ja eläinten keskimääräisen elopainon Maksimi-ilmanvaihto välilehdellä. Mitoitusilmanvaihto antaa ilmanvaihtosysteemin hankintaa tai sen riittävyyden arviointia varten laskelman vaadittavasta tehosta. Mitoitusilmanvaihto perustuu kesäolosuhteisiin, joissa sisäilman lämpötila on +30 C, joka voidaan olettaa Suomen oloissa keskimäärin korkeimmaksi sisälämpötilaksi. Laskurin ilmanvaihtojen arviot perustuvat oletukseen, että ilma on tasalaatuista koko rakennuksessa. Tällaisiin olosuhteisiin päästäisiin sekoittamalla rakennuksen ilma puhaltimilla. Hiilidioksidi on ilmaa raskaampi kaasu, joka, jos ilma ei lainkaan liiku, painuu lähelle lattiatasoa pienikokoisten eläinten sekä lepäävien eläinten hengitystasolle. Ammoniakki ilmaa kevyempänä kaasuna nousee täysin liikkumattomassa ilmassa ylöspäin vähentäen ammoniakkipitoisuutta eläinten hengitystasolla. Tällainen tilanne voisi syntyä yöaikaan eläinten levätessä. Sen sijaan tiloissa, joissa eläimet pääsevät suhteellisen vapaasti liikkumaan, ilma liikkuu ja sekoittuu. Tässä projektissa ei kuitenkaan tutkittu, miten tasalaatuista ilma oli projektin koetiloilla. Ilmanvaihtoon voi vaikuttaa monilla tavoin. Esimerkiksi pehkun ja katteen käyttö lannan ja virtsan päällä pienentää rakennuksen hiilidioksidi- ja ammoniakkiemissioita ja vähentää näihin perustuvaa ilmanvaihdon tarvetta. Rakennuksen eristäminen vähentää rakennuksen lämmönhukkaa lisäten lämmön poistoon tarvittavaa ilmanvaihtoa lämpimänä vuodenaikana mutta pienentäen rakennuksen lämmitystarvetta kylmänä vuodenaikana. Lämmöntuotosta laskettu negatiivinen ilmanvaihto (-merkillä varustettu arvo) tarkoittaakin rakennuksen lämmitystarvetta. Seuraavassa on esitetty esimerkkejä ilmanvaihtolaskurin välilehdiltä. 13
Minimi-ilmanvaihto Syöttöarvojen perusteella lasketut minimi-ilmanvaihdon arvot (yksiköissä m 3 /h) näkyvät Minimiilmanvaihto välilehdellä. Tulokset ovat sekä numeroarvoina eläintä kohden (minimi-ilmanvaihto/eläin) että kuvina (eläinkohtainen ilmanvaihto ja rakennuksen kokonaisilmanvaihto). Rakennuksen kokonaisilmanvaihto saadaan kertomalla eläinkohtainen ilmanvaihto eläinten lukumäärällä. Seuraavassa on esimerkki eläinkohtaisesta taulukosta (lihanauta): Sisälämp ötila Massa CO2 Lämpö Ilmanvaihto m 3 /h Ilmanvaihdon määräävä tekijä Märät pinnat Kuivat pinnat Minimiilmanvaihto 7 50,00 8 35 190 16 190 Märät pinnat 3 100,00 16 215 264 46 264 Märät pinnat 3 150,00 23 313 283 65 313 Lämpö 3 200,00 30 407 301 84 407 Lämpö 3 300,00 43 584 336 118 584 Lämpö Kuva 2.5. Esimerkki ilmanvaihtolaskurin eläinkohtaisista minimi-ilmanvaihtotuloksista (Minimiilmanvaihto välilehdellä). Syöttöarvoina on ollut ulkolämpötilan arvo 0C ja ulkoilman suhteellinen kosteus 50 %. Sarakkeissa vasemmalta oikealle esiintyvät rakennuksen (osaston) sisäilman lämpötilat (Sisälämpötila). Sisälämpötilat ovat eläimen pitoon liittyvät sisäilman minimilämpötilat ja vastaavat seuraavassa sarakkeessa olevia eläinten elopainoja (Massa). Nämä ovat CIGR 1984 oppaasta eikä käyttäjä pääse muuttamaan niitä. CO2-sarakkeessa olevat numerot ovat hiilidioksidin tuoton perusteella laskettuja ilmanvaihtoja ja Lämpö-sarakkeessa nettolämmöntuoton perusteella laskettuja ilmanvaihtoarvoja. Kosteuden (vesihöyryn) tuoton perusteella lasketaan kahdet tulokset sarakkeissa Märät pinnat ja Kuivat pinnat. Kuivat pinnat sarakkeen arvot sisältävät eläinten erittämän vesihöyryn lisäksi arvion rakennuksen erittämästä vesihöyrystä. Märät pinnat sarakkeen arvot saadaan olettamalla rakennuksen (osaston) lattia täysin märäksi (märän pinta-alan osuus lattiasta = 100 % Syöttöarvot välilehdellä). Nämä arvot eivät ole realistisia, koska jo Kuivat pinnat sarakkeen arvot sisältävät arvion tyypillisestä rakennuksen kosteudesta. Erotus Märät pinnat Kuivat pinnat antaa kuitenkin arvion, paljonko pintojen kostuminen vaikuttaa ilmanvaihtoon. Minimi-ilmanvaihto sarakkeessa kullekin elopainolle laskettu arvo on suurin lasketuista ilmanvaihtoarvoista (CO2, Lämpö, Märät pinnat ja Kuivat pinnat), mihin minimi-ilmanvaihdon tulee perustua. Viimeisessä sarakkeessa annetaan vielä tekijä (hiilidioksidin tuotto eli CO2, lämmöntuotto eli Lämpö tai kosteuden tuotto eli Märät pinnat tai Kuivat pinnat), joka määrää tarvittavan minimiilmanvaihdon. 14
(a) (b) (c) (d) Kuva 2.6. Esimerkki minimi-ilmanvaihtotulosten kuvista: (a) Lämmön ja kaasujen tuotoista lasketut eläinkohtaiset minimi-ilmanvaihdot; (b) määräävimmän tekijän mukainen eläinkohtainen minimi-ilmanvaihto; (c) lämmön ja kaasujen kokonaistuotoista lasketut rakennuksen (osaston) kokonaisminimi-ilmanvaihdot ja (d) määräävimmän tekijän mukainen rakennuksen (osaston) minimi-ilmanvaihto. Joidenkin laskurien kuvissa saattaa myös olla nykyisten Maaja metsätalousministeriön suositusten mukainen ilmanvaihto (MMM-RMO C2.2). Tulokset vastaavat kuvan 2.5. numeroarvoja, kun syöttöarvoina on ollut ulkolämpötilan arvo 0C ja ulkoilman suhteellinen kosteus 50 %. 15
Mitoitusilmanvaihto Mitoitusilmanvaihto tarkoittaa ilmanvaihtoa, kun rakennuksen (osaston) sisäilman lämpötila on +30 C vastaten keskimäärin korkeinta mahdollista sisälämpötilaa suomalaisessa eläinrakennuksissa. Mitoitusilmanvaihto antaa arvion rakennukselle (osastolle) riittävän ilmanvaihtolaitteiston tehosta. Tulokset annetaan sekä numeroarvoina että kuvina Mitoitusilmanvaihto välilehdellä rakennuksen kokonaisilmanvaihdolle sekä ilmanvaihdolle yhtä eläintä kohden. Lasku hyödyntää Syöttöarvot välilehdellä käyttäjän antamia arvoja, jotka ohjelma listaa Mitoitusilmanvaihto välilehdelle tulosten tulkinnan helpottamiseksi. Ohessa on esimerkki tuloksista. Syöttöarvot: Olosuhteet: Eläinmäärä, kpl Rakennus: Pituus Leveys T out, lämpötila ulkona 200 kpl 0 C RH out, ilman suhteellinen kosteus ulkona 50% 20m 120 m Pinta-ala 2400 m 2 Korkeus 3,3m Ikkunoiden pinta-ala 0 m 2 U-arvot: Ulkoseinät Sisäseinät Ikkunat Katto Rakennuksen U-arvo Kokonaispinta-ala 0,4 W/m2/K 3 W/m2/K 0,26 W/m2/K 0,6 W/m2/K 0,322 W/m2/K 3600 m2 Lasketut arvot: Rakennuksen ilmanvaihto: Sisälämp ötila Massa maksimi ilmanvaihto 30 50-3155 30 100-2328 30 150-1561 30 200-830 30 300 561 30 400 1886 30 500 3164 Ilmanvaihto eläintä kohti: Sisälämp ötila Massa maksimi ilmanvaihto 30 50-16 30 100-12 30 150-8 30 200-4 30 300 3 30 400 9 30 500 16 Kuva 2.7. Esimerkki mitoitusilmanvaihdon tuloksista (Mitoitusilmanvaihto välilehdellä). 16
Vaihtelemalla syöttöarvoja (eläinmäärä, rakennuksen (osaston) mitat sekä rakennuksen eristys) käyttäjä voi halutessaan tutkia eri tekijöiden vaikutusta ilmanvaihdon tarpeeseen. Mitoitusilmanvaihtoon liittyvät tulokset näkyvät myös kuvina. Kuva 2.8. Esimerkki mitoitusilmanvaihtotuloksista kuvina. Negatiivinen mitoitusilmanvaihto tarkoittaa rakennuksen lämmitystarvetta (syöttöarvona on ollut ulkolämpötilan arvo 0C). 17
Maksimi-ilmanvaihto Maksimi-ilmanvaihto on ajankohtaisissa kesäolosuhteissa tarvittava ilmanvaihto, jonka laskemista varten käyttäjä syöttää rakennuksensa (osaston) sisäilman lämpötilan ja eläinten keskimääräisen elopainon Maksimi-ilmanvaihto välilehden valkoisiin soluihin (kuva 2.9). Muut laskun tarvitsemat arvot ohjelma lukee Syöttöarvot välilehden valkoisista soluista, jotka ohjelma listaa laskurin käytön helpottamiseksi vielä Maksimi-ilmanvaihto välilehdellä. Laskettu tulos annetaan vain numeroarvoina (rakennuksen ilmanvaihto ja eläinkohtainen ilmanvaihto). Laskettujen tulosten alla on taulukko laskurin laskemista kokonaislämmöntuotoista, joihin ilmanvaihtotulos perustuu ja jotka selitetään tarkemmin liitteessä A (Ilmanvaihdon teoria). Syöttöarvot: Olosuhteet: Eläinmäärä, kpl 40000 Ulkolämpötila 20 Sisälämpötila 25 Massa 50 kg Rakennus: Pituus 20 Leveys 120 Pinta-ala 2400 Korkeus 3,3 U-arvot: Yhteensä Seinäpinta-ala Ikkunoiden pinta-ala Sisäkaton pinta-ala Lattia Yhteensä 0,32 W/m2/K 924 m2 0 m2 2400 m2 276 m2 3600 m2 Lasketut arvot: Rakennuksen ilmanvaihto: 2953557 m 3 /h Ilmanvaihto/eläin 73,8 m 3 /h F=lämpötilakorjaus 1 Ptot 131 Korjattu Ptot:Ptot*F 131 W Psens 104 W 374991 Wh Psens-Phukka 369195 Wh Phukka 5796 Wh Kuva 2.9. Esimerkki maksimi-ilmanvaihdon tuloksista Maksimi-ilmanvaihto välilehdellä. 18
3. Lämmitysenergialaskuri Lämmitystä tarvitaan, kun rakennuksessa eläinten hyvinvoinnin kannalta riittävän ilmastointitehon ja rakennuksen rakenteiden läpi menevän lämpötehon (lämmönhukka) summa ylittävät rakennuksessa tuotetun lämmön. Laskuri perustuu siten osin samoihin laskuihin ilmanvaihtolaskurin kanssa. Lämmitystä tarvitaan Suomessa vain talviolosuhteissa, joten ilmanvaihtona on talviajan ilmanvaihto (ilmanvaihtolaskurin minimi-ilmanvaihto). Tässä laskurissa ilmanvaihto on suurempi arvoista, jotka saadaan eläinten rakennuksessa tuottaman hiilidioksidin ja vesihöyryn (kosteuden) pitoisuuksista. Rakennuksesta poistuu lämpöä kaikkien rakenteiden (seinät, aukot (ikkunat ja ovet), sisäkatto ja lattia) läpi. Kunkin rakenteen läpi poistuva lämpöteho lasketaan seuraavan lausekkeen mukaisesti käyttäjän ohjelmalle syöttämien rakennuksen mittojen, rakenteiden U-arvojen ja ulkoilman lämpötilan avulla: Hukkalämpöteho = (rakenteenu arvo) (rakenteen pinta ala) (sisälämpötila ulkolämpöt ila) (3.1) Sisäilman lämpötila on luettu tekijöiden toimesta laskuriin, ja ne seuraavat CIGR 1984 raportin suosituksia. Syöttöarvot annetaan laskurin Syöttöarvot välilehdellä oleviin valkoisiin soluihin (kuva 3.1.). Syöttöarvot: Olosuhteet: Eläinmäärä, kpl Rakennus: Pituus Leveys 200 kpl RH out, ilman suhteellinen kosteus ulkona 50% Ilman tiheys Ilman lämpökapasitetti 1,25 kg/m3 1 kj/kg/k 10m 30m Pinta-ala 300 m 2 Korkeus 3,3m Ikkunoiden pinta-ala 0 m 2 U-arvot: Ulkoseinät Ikkunat Katto Lattia Seinäpinta-ala Ikkunoiden pinta-ala Sisäkaton pinta-ala Effective floor area 0,4 W/m2/K 3 W/m2/K 0,26 W/m2/K 0 W/m2/K 264 m2 0 m2 300 m2 76 m2 Kuva 3.1. Esimerkki Lämmitysenergian Syöttöarvot välilehdestä. 19
Lattian lämmönhukka on oletettu mitättömän pieneksi ( 0 W) lämpöä hukkaavan pienen lattiapinta-alan takia (effective floor area kuvassa 3.1). Tämä on käytännössä hoidettu lattian U-arvon avulla asettamalla se nollaksi syöttöarvoissa (kuva 3.1.) Lattian lämpöä hukkaavana pinta-alana on seiniä reunustava 2 metrin alue. Annettujen rakennuksen (osaston) mittojen avulla ohjelma laskee rakenteiden pinta-alat samoin kuin ilmanvaihtolaskurissa. Muut käyttäjän syöttämät arvot (eläinmäärä ja ulkoilman kosteus) tarvitaan eläinten vaatiman ilmanvaihdon sekä eläinten rakennuksessa (osastossa) tuottaman lämmön laskemiseen. Laskurin tulokset näkyvät Kuvaajat välilehdellä kuvina ja numeroina. Laskuri antaa rakennuksen (osaston) lämmitystarpeen yksiköissä kilovatti (kw) ulkoilman lämpötilan funktiona eri painoisille eläimille sekä vuosittaisen lämmitystarpeen yksiköissä kilovattitunti (kwh). Jälkimmäinen suure on saatu kertomalla lämmitystarpeen kw-arvo tekijällä, joka kertoo kunkin ulkolämpötilan keskimääräisen vuosittaisen osuuden tunteina. Eri lämpötilojen vuosittainen osuus riippuu paikkakunnan sijainnista Suomessa. Laskurissa on toistaiseksi hyödynnetty Etelä-Suomen (Vantaa) ilmastotilannetta, missä suhteellisesti useimmiten esiintyvät lämpötilat ovat alueella 0 15 C. Kuva 3.2. Esimerkki lämmitysenergiatarpeen laskusta (Kuvaajat välilehdellä). Esimerkkikuvaajat näyttävät, että lämmitystarve loppuu n. -10 C:n lämpötilassa ja vuotuinen lämmitystarve on suurimmillaan 20 C:n ympäristössä. Laskuri antaa myös kumulatiivisen vuosittaisen lämmitystarpeen eri painoisille eläimille. Kuva 3.3. Esimerkki kumulatiivisesta lämmitystarvetuloksesta. 20
Näiden lisäksi laskuri laskee, miten lämmitysenergia jakautuu eri tekijöiden kesken, kun tekijöinä ovat hukkalämmöt eri rakenteiden läpi sekä korvausilman lämmitys. Kuva 3.4. Esimerkki lämmityksen jakautumisesta hukkalämmön ja korvausilman lämmityksen välillä. Kuva kertoo selvästi, että suurin osa lämmitysenergiasta kuluu korvausilman lämmitykseen. Hukkalämpö rakennuksen läpi on pientä ja lattian ja aukkojen hukkalämpö niin pientä, etteivät ne näy edes kuvassa. 21
LIITE A: Ilmanvaihdon teoria Seuraavassa on esitetty teoria, mihin ilmanvaihto perustuu. Ilmanvaihdon tarkoituksena on poistaa tilaan (tässä eläinrakennukseen tai osastoon) tuotettu liiallinen lämpö ja haitalliset kaasut. Rakennuksen sisäilma kontaminoituu eläinten ja rakennuksen tuottamista kaasuista, joten sisäilma johdetaan ulos ja ulkoilmaa otetaan sisälle. Ilmanvaihtoon on olemassa useita menetelmiä (luonnollinen eli painovoimaan perustuva ja erilaiset koneelliset menetelmät). Ilmanvaihto voidaan yksinkertaisuudessaan kuvata seuraavalla kuvalla: Kuva 1. Ilmanvaihdon periaate Ilmanvaihtoon liittyvä fysiikka voidaan kirjoittaa yleisesti hetkellisellä taseyhtälöllä: dg dt ( in) ( out) P (LA.1) G G G Yhtälössä G on muuttuva suure ja dg/dt sen muutos ajassa. Termit ovat virtoja sisään ja ulos ja P on sisällä tilaan erittyvät nettotuotot. Laskurin ilmanvaihto perustuu oletukseen, että ilma on täydellisesti sekoittunut eli ilma on tasalaatuista, jolloin suure G ei muutu eli dg/dt = 0. Yhtälö (LA.1) voidaan siten kirjoittaa muodossa P G ( in) ( out) (LA.2) G G Tuotantoeläinrakennuksen ilmanvaihdon tapauksessa tuottoina ovat eläinten ja rakennuksen tuottama nettolämpö ja haitallisista kaasuista lähinnä hiilidioksidi, ammoniakki ja vesihöyry. Lämmön tapauksessa muuttuva suure olisi lämpötila ja kaasujen tapauksessa kaasujen pitoisuudet ilmassa, joiden avulla lämmön ja kaasujen tuotot voidaan kirjoittaa seuraavasti: 22
Lämmölle P lämpö q in out q c T T q c T T (LA.3) q m i in out V i i in out ja kaasuista ammoniakille ja hiilidioksidille P kaasu V in out q C C (LA.4) sekä vesihöyrylle (kosteudelle) P vesi V i in out q x x (LA.5) Yhtälöissä (LA.3) (LA.5) q m = ilman massavirta, yksikkö kg/s q V = ilman tilavuusvirta eli ilmanvaihdon suuruus, yksikkö m 3 /s c i = ilman ominaislämpökapasiteetti, yksikkö J/kg/K tai J/kg/C i = ilman tiheys, yksikkö kg/m 3 T = lämpötila, yksikkö C C = pitoisuus, yksikkö ppm = 1/milj. m 3 /m 3 = 110-6 m 3 /m 3 x = absoluuttinen kosteus, vesipitoisuus kuivassa ilmassa, yksikkö kg/kg in = olosuhteet (lämpötila, pitoisuus) sisäilmassa out = olosuhteet (lämpötila, pitoisuus) ulkoilmassa Syy, miksi kosteuden tuotto kirjoitetaan muista kaasuista poikkeavalla tavalla, johtuu kosteuden erilaisesta yksiköstä. Kosteutta mitataan yleensä suhteellisena kosteutena RH (relative humidity) yksiköissä %, eli paljonko kuivassa ilmassa on prosentuaalisesti vettä. RH:n likimääräinen yhteys vesipitoisuuteen (absoluuttiseen kosteuteen) on seuraava: x RH 100 (LA.6) x kylläinen Yhtälössä (LA.6) x on ilmassa vallitseva vesipitoisuus ja x kylläinen on vesipitoisuus kylläisessä ilmassa eli kun ilmassa on niin paljon vettä kuin siihen voi vallitsevissa olosuhteissa sitoutua (eli ilman suhteellinen kosteus RH = 100 %). Tällöin vesihöyryn (osa)paine p vesihöyry ilmassa on yhtä suuri kuin kylläisen höyryn paine p kylläinen. Yhteys absoluuttisen kosteuden x ja vesihöyryn osapaineen p vesihöyry välillä on seuraava: 18p x 29 p p i vesihöyry vesihöyry (LA.7) Termi p i yhtälössä (LA.7) on vallitseva ilmanpaine, jolle on laskurissa käytetty normaalin ilmanpaineen arvoa 1 atm 100 000 Pa. Pienillä ilmanpaineeen vaihteluilla ei ole käytännön merkitystä laskurin arvioimissa ilmanvaihtomäärissä. 23
Kylläisen ilman vesipitoisuus on siten x kylläinen 18 p 29 p p i kylläinen kylläinen (LA.8) Yhtälöissä (LA.7) ja (LA.8) esiintyvät luvut 18 ja 29 ovat veden (H 2 O) ja ilman keskimääräiset molekyylipainot yksiköissä gramma (g), ja termit p ovat paineita yksiköissä pascal (Pa). Yksi pascal tarkoittaa noin 100 gramman painoisen kappaleen aiheuttamaa painetta yhden neliömetrin suuruisella pinnalla. Yhtälöistä (LA.6) ja (LA.8) voidaan ratkaista ohjelman tarvitsema suure x oletuksella (p i p kylläinen ) p i : RH x x 100 kylläinen RH 18 100 29 p kylläinen p i (LA.9) Paineet kuten vesipitoisuudetkin riippuvat ilman lämpötilasta. Lämpimämpi ilma voi sitoa itseensä enemmän vettä kuin viileämpi ilma. Ilman lämpötilan (T) ja kosteuksien (RH ja x) väliset suhteet saadaan Mollierin diagrammin avulla. Kylläisessä ilmassa (RH = 100 %) vesihöyryn paine p kylläinen (yksiköissä Pa) voidaan esittää seuraavalla lausekkeella p 2 3 4 ABT CT DT ET 2 FT GT kylläinen ( Pa) R e (LA.10) Yhtälössä (LA.10) T on ilman lämpötila Kelvineissä (K), joka saadaan Celsius-asteissa (C) annetusta lämpötilasta t seuraavasti: T ( K) t( C) 273,15 (LA.11) Yhtälön (LA.10) kertoimet (yksiköt suluissa) ovat seuraavat: R = 22105649,25 (Pa) A = -27405,526 B = 97,5413 (1/K) C = -0,146244 (1/K 2 ) D = 0,00012558 (1/K 3 ) E = -0,000000048502 (1/K 4 ) F = 4,34903 (1/K) G = 0,0039381 (1/K 2 ) 24
Yhtälöistä (LA.3) (LA.5) saadaan eläinrakennuksen vaatimat ilmanvaihdot ratkaisemalla ilman tilavuusvirta q V. Seuraavassa ovat yksikkömuunnetut lausekkeet: 3 Lämmön poisto: q m / h V P c T i i lämpö in ( W ) T out 3600 (LA.12) 3 Hiilidioksidin poisto: m / h PCO ( l / h) 1 2 q (LA.13) V C C 1000 in out 3 Kosteuden poisto: q m / h V P kosteus i ( g / h) 1 x x 1000 in out (LA.14) Yhtälöissä (LA.12) (LA.14) esitettyjen ilmanvaihtolausekkeiden termeistä sisä- ja ulkoilman lämpötilat (T in ja T out ) ja hiilidioksidipitoisuudet (C in ja C out ) voidaan helposti mitata. MMM:n suositukset myös määräävät tuotantoeläinrakennusten sisäilman hiilidioksidin enimmäispitoisuudeksi (C in ) 3000 ppm = 300010-6 m 3 /m 3. Ulkoilman keskimääräinen hiilidioksidipitoisuus (C out ) on noin 380 ppm = 38010-6 m 3 /m 3. Sisä- ja ulkoilman sitomat vesimäärät (x in ja x out ) voidaan laskea mitatuista sisä- ja ulkoilman suhteellisista kosteuksista (RH in ja RH out ) yhtälöiden (LA.9) ja (LA.10) avulla. Muut ilman olosuhteita kuvaavat termit lausekkeissa ovat ilman ominaislämpökapasiteetti ja ilman tiheys, joille laskurissa on käytetty arvoja c i = 1000 J/kg/K (tai J/kg/C) sekä i = 1,2 kg/m 3. Periaatteessa molemmat suureet vaihtelevat ilman olosuhteiden vaihdellessa, mutta vaihteluilla ei ole käytännön merkitystä laskurin arvioimiin ilmanvaihtoihin. Ilmanvaihdon laskennallisen arvioinnin epävarmin termi on rakennuksessa tuotetut lämpö ja kaasumäärät (P termit), joiden tyypillinen yksikkö on sulkeissa kyseisissä yhtälöissä (LA.12) (LA.14). Tekijät 3600 ja 1/1000 lausekkeissa seuraavat yksikkömuunnoksista: 1 tunti= 3600 sekuntia; 1 litra = 1/1000 kuutiometriä; 1 gramma = 1/1000 kilogrammaa. 25
LIITE B: Eläinrakennuksessa tuotettu lämpö Ilmanvaihdon määräytyessä lämpötaseesta (lauseke LA.12, LIITE A) nettolämmöntuotto P lämpö koostuu useammasta tekijästä. Lämpöä tuottavat eläinten metabolia (perusaineenvaihdunta, kasvu, maidon ja munien tuotanto, imetys, jälkeläisten kanto) mutta myös rakennuksen laitteet ja valaistus. Ulkoilman lämpötilan ollessa sisäilman lämpötilaa matalampi lämpöä poistuu rakennuksen rakenteiden läpi ulkoilmaan. Lämpöä poistuu ilmasta tai pinnasta myös veden haihtuessa, sillä vesihöyryn muodostuminen vaatii energiaa. Aineen olomuodon muutoksen vaatimaa lämpöä kutsutaan latentiksi lämmöksi, joka nestemäisen veden höyrystyessä on veden höyrystymislämpö. Rakenteiden ja eläimen kehon läpi ulkoilmaan siirtyvää lämpöä kutsutaan suoraksi lämmöksi (sensiibeliksi lämmöksi). Lämpö siirtyy aina suunnassa lämmin viileä. Lämpö voi siirtyä kolmella eri tavalla: johtumalla, kulkeutumalla (eli konvektiolla) ja säteilemällä. Siirtyvä lämpö annetaan yleensä lämpövirtana yksiköissä vatti (W), joka tarkoittaa siirtyneen lämpöenergian (lämmön) määrää aikayksikössä (vatti = joule/sekunti eli W = J/s). Johtumisella tarkoitetaan lämmön siirtymistä kiinteiden aineiden (ainekerrosten, rakenteiden) läpi. Johtumista on siten lämmön siirtyminen eläimen kehon n. +40 C:een sisäosasta sen rasva-, iho- ja karva/sulkakerroksen läpi eläimen ympäristöön. Johtumista on myös lämmönhukka rakennuksen rakenteiden (lauta, betoni yms.) läpi. Johtumalla siirtyvä lämpövirta voidaan laskea seuraavalla lausekkeella: dq dt joht q, joht AT k joht AT (LB.1) x missä = lämmönjohtumiskerroin (W/m/K tai W/m/C) x = kerroksen paksuus (m) A = pinta-ala (m 2 ), jonka läpi lämpö johtuu T = lämpötilaero kerroksen molemmin puolin (K tai C) k joht = johtumisen lämmönsiirtymiskerroin (W/m 2 /K tai W/m 2 /C) Kulkeutumisella tarkoitetaan lämmön siirtymistä ainemolekyylien mukana. Aineen on oltava siis kaasua tai nestettä. Teknisesti aine on yleensä ilmaa tai vettä, sillä jokaisen kiinteän kerroksen pinnalla on aina ohut ilmakerros ja jokaisella märällä pinnalla on aina ohut vesikerros, jonka läpi lämmön on myös siirryttävä johtuessaan pinnan läpi. Tämän ns. rajapinnan paksuus vaihtelee ilma- ja vesivirtauksen suuruuden mukaan. Mitä suurempi on ilma- tai vesivirtaus, sitä ohuempi on kyseinen ilma- tai vesirajakerros. Ilman ollessa eriste ilmakerroksen pienentyessä rajakerroksen lämmöneristyskyky laskee, kun taas veden ollessa johde vesirajakerroksen pienentyessä rajakerroksen lämmönjohtokyky laskee. Kulkeutuminen voidaan esittää vastaavalla lausekkeella: dq dt konv q, konv hat AT (LB.2) 26
Lausekkeessa h = konvektion lämmönsiirtymiskerroin (W/m 2 /K tai W/m 2 /C) A = pinta-ala (m 2 ), jonka läpi lämpö kulkeutuu T = lämpötilaero rajakerroksen molemmin puolin (K tai C) = rajakerrosaineen lämmönjohtumiskerroin (W/m/K tai W/m/C) = rajakerroksen paksuus (m) Kaikki lämpimät pinnat säteilevät lämpöä. Lämpimällä pinnalla tarkoitetaan kaikkia pintoja, joiden lämpötila on suurempi kuin absoluuttinen nollapiste, 0K = -273,15 C. Käytännössä siis kaikki pinnat säteilevät lämpöä. Säteilevä lämpövirta voidaan esittää lausekkeella: dq dt sät 4 q sät (LB.3), AT missä = Stefanin vakio = 5,6710-8 W/m 2 /K 4 A = pinta-ala (m 2 ), josta lämpö säteilee T = pinnan lämpötila Kelvin asteissa (K) = lämpötila(c) + 273,15 Esimerkiksi eläimen tapauksessa nettosäteily saadaan ottamalla huomioon sekä eläimen että ympäristön pinnoista säteilemät lämpömäärät. Kun eläimen ja ympäristön lämpötilaero ei ole kovin suuri, eläimen kokema säteilemällä saatu nettolämpövirta on 4 4 3 T T AT T T (LB.4) q, netto, sät A eläin ympäristö 4 ave eläin ympäristö Lausekkeessa T eläin = eläimen pinnan lämpötila (K) T ympäristö = ympäristön keskimääräinen lämpötila (K) T ave = eläimen ja ympäristön keskimääräinen lämpötila (K) Kaikilla tavoilla siirtynyt lämpömäärä voidaan esittää myös yleisellä lausekkeella kat (LB.5) q missä k = lämmönsiirtymiskerroin (W/m 2 /K tai W/m 2 /C) A = kerroksen (rakenteen) pinta-ala (m 2 ), minkä läpi lämpö siirtyy T = lämpötilaero kerroksen (rakenteen) molemmin puolin (K tai C) 27
B.1. Suora lämmöntuotto/luovutus Eläimen sisälämpötila on noin +40 C, joten lämpöä siirtyy aina eläimestä sen ympäristöön. Eläimen rasvakerroksen, ihon ja karva/sulkapeitteen läpi siirtyvää lämpöä kutsutaan suoraksi lämmöksi. Yleisesti kerrosten tai rakenteiden (esim. iho, rasvakerros, lautaseinä, betonilattia) läpi lämpimämmästä viileämpään siirtyvä lämpövirta (lämmöntuotto/luovutus) voidaan esittää yleisellä lausekkeella: kat (LB.6) q Lausekkeessa k = lämmönsiirtymiskerroin (W/m 2 /K tai W/m 2 /C) A = kerroksen (rakenteen) pinta-ala (m 2 ), minkä läpi lämpö siirtyy T = lämpötilaero kerroksen (rakenteen) molemmin puolin (K tai C) Teknisissä sovelluksissa kerrointa k kutsutaan usein materiaalin U-arvoksi. Materiaalin lämpövastuksella tarkoitetaan usein myös tämän käänteisarvoa (1/k tai 1/U), joka on yksiköissä m 2 K/W tai m 2 C/W. Eläimen kerrosrakenne voidaan esittää yksinkertaisena kuvana: Kuva LB.1. Eläimen kehon rakenne lämmönluovutuksessa ympäristöön. Jos tunnettaisiin rasva-, iho- ja karvakerrosten lämmönsiirtymiskertoimet ja eläimen pintojen lämpötilat eläimen ympäristön lämpöolosuhteissa, voitaisiin laskea eläimestä ympäristöön siirtynyt lämpövirta. Käytännössä tämä on kuitenkin osoittautunut hyvin vaikeaksi monestakin syystä. Jokainen eläin on myös yksilö, joka reagoi fysiologisesti eri tavalla ympäristönsä lämpövaihteluihin unohtamatta eläimen sopeutumiskykyä fysiologisten tekijöiden vaikuttaessa lämmönsiirtymiskertoimiin ja kerrosten paksuuksiin: Viileissä ja kylmissä olosuhteissa eläin kasvattaa rasvakerrostaan ja muuntaa karva/sulkapeitettään sekä muuttaa pintaverenkiertoaan, joiden vaikutusta lämmönsiirtymiskertoimiin on käytännössä mahdoton tutkia eläimen eläessä tuotantoympäristössään. Yhtenä ratkaisuna ongelmaan on ollut eristää eläin ympäristöstään ja mitata sen tuottamaa lämmön määrää (eläinkalorimetriset tutkimukset). Näitä tutkimuksia tehtiin useita 1960 1980-luvuilla. Vaikka eläinten rodut, koot ja tuotosmäärät ovat muuttuneet tutkimusten ajoista, nykyiset suositukset ja määräykset koskien eläinrakennusten ilmanvaihtoa perustuvat edelleen näihin mittaustuloksiin. 28
B.2. Latentti lämmöntuotto/luovutus Maailmalla on julkaistu erilaisia arvioita, miten suoran ja latentin lämmön tuotto jakautuvat toisiinsa nähden niin eläimillä kuin erilaisissa rakennuksissa. Latentin lämmön määrä vaihtelee rakennuksesta toiseen johtuen märkien pintojen määrästä, joilta vettä voi haihtua. Eläimiä suihkutettaessa rakennuksessa muodostuu vesihöyryä veden haihtuessa eläimen pinnalta ja kostuneelta lattialta. Rehun vesipitoisuus sekä lattiatyyppi (umpinainen, rakolattia) ja lannan käsittelyjärjestelmä vaikuttavat myös sisäilman kosteuteen. Veden höyrystymiseen vaikuttaa myös rakennuksen sisälämpötila lämpimän ilman sitoessa enemmän vesihöyryä kuin viileämpi ilma. Lämpövirta, joka tarvitaan höyrystämään vettä, voidaan laskea seuraavalla lausekkeella: dq dt lat d ml h lat qmlh (LB.7) dt Lausekkeessa m = höyrystyvän veden massa (kg) l h = veden ominaishöyrystymislämpö (J/kg) q m = höyrystyvän veden massavirta (kg/s) Veden ominaishöyrystymislämpö on ilmanpaineesta ja ilman lämpötilasta riippuva vakio, joka normaalissa ilmanpaineessa (1 atm 100 kpa) on 2260 kj/kg lämpötilassa 100 C ja 2430 kj/kg = 675 Wh lämpötilaalueella 8 12 C. Ottaen huomioon eläinrakennuksille tyypilliset sisälämpötilat CIGR:n raportti vuodelta 1984 käyttää arvoa 680 Wh veden ominaishöyrystymislämmölle. B.3. Lämmöntuotto rakennustasolla Eläimen fysiologian monimutkaisuuden (esimerkiksi rasvakerroksen ja pintaverenkierron muutokset lämpötilan funktiona) takia suoran lämmöntuoton laskeminen edellä esitettyjen lausekkeiden avulla ei ole helppoa käytännössä. Siksi maailmalla on mitattu ympäristöstään eristetyn eläimen luovuttamaa lämpöä kalorimetrisesti. Samoin on arvioitu rakennuksen osuutta lämmöntuottoon. Luovutetun lämmön määrä riippuu kuitenkin eläimen rodusta ja koosta sekä sen tuotannosta (maito, liha, munat, jälkeläiset). Eristetty eläin ei myöskään ole koeolosuhteissa täysin sille tyypillisissä olosuhteissa vuorovaikutusten ja niihin liittyvien toimintojen puuttuessa. Nykyisiä tuotantoeläimiä ajatellen mittaukset koskevat eläimiä, joiden koko ja tuotanto olivat nykyistä pienempiä. Siten mittaustulokset saattavat antaa nykyisille eläimille liian pienen arvion lämmöntuotosta. Mittaustuloksia on kerätty erilaisiin raportteihin, joista yleisimmin käytetyt ovat CIGR:n ja ASABE:n raportit. Tässä laskurissa on hyödynnetty CIGR:n vuonna 1984 julkistamaa raporttia, joka antaa taulukoituna eläimen kokonaislämmöntuoton sekä suoran lämmöntuoton rakennustasolla kesä- ja talviolosuhteissa eri tuotantosuunnille. Kokonaislämmöntuotto sisältää sekä latentin että suoran lämmöntuoton, joten rakennustasolla latentti lämmöntuotto saadaan vähentämällä kokonaislämmöntuotosta suoran lämmöntuoton osuus. Rakennustaso tarkoittaa eläimen kokonaislämmöntuottoon tehtyä rakennuksen sisäilman mukaista lämpötilakorjausta sekä lisäksi rakennusolosuhteiden (lattiatyyppi, pintojen märkyys, 29