466111S Rakennusfysiikka (aik. 460160S) RAKENTEIDEN LÄMMÖNERISTÄVYYDEN SUUNNITTELU Raimo Hannila / (Professori Mikko Malaska) Oulun yliopisto
LÄHDEKIRJALLISUUTTA Suomen rakentamismääräyskokoelma, osat C ja D, http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=394585&lan=fi SFS 5907:2004 Rakennusten akustinen luokitus Rakennusten energiatehokkuusdirektiivi EPBD (2002/91/EY)
SUUNNITTELUN TAVOITTEET Rakennuksen ja rakenteiden hyvä lämpötekninen toimivuus tarkoittaa, että Rakennuksen energiatehokkuus on hyvä, Rakenteet ovat sekä kestävyyden että terveellisyyden ja turvallisuuden kannalta oikeita, Sisäilmaston laatu voidaan pitää hyvänä.
SUUNNITTELUPROSESSI Vaipparakenteiden lämmöneristävyyden ja siihen liittyvän tiiviyden suunnittelu etenee rakennesuunnittelutehtävänä lämpöhallinnan suunnittelun osana yhteistyössä taloteknisen ja arkkitehtisuunnittelun kanssa. 1. Suunnitteluprosessin alkuvaiheessa: Sovitaan tavoitteellinen energiatehokkuusluokka RakMk: mukainen normitalo, matalaenergiatalo, passiivitalo Määritellään alustavat vaipparakenteen ratkaisuvaihtoehdot Määritetään tilojen lämmityksen ja jäähdytyksen energiatarpeen ominaisarvot.
ENERGIATEHOKKUUSLUOKAT Rakennukset voidaan jakaa energiatehokkuuden perusteella kolmeen luokkaan käyttäen kahta ominaisarvoa: Tilojen lämmityksen ja jäähdytyksen nettoenergian ominaistarve Tilojen lämmityksen ja jäähdytyksen ostoenergian ominaiskulutus Luokat: Normitalo: Vuoden 2010 RakMk:n määräysten mukaisesti toteutettava rakennus. Matalaenergiatalo (M): Tilojen lämmityksen ja jäähdytyksen ominaisarvot ovat välillä 26-50 kwh/(m 2 a). Passiivienergiatalo (P): Tilojen lämmityksen ja jäähdytyksen ominaisarvot ovat enintään 25 kwh/(m 2 a). Luokittelua voidaan tarkentaa nettoenergian osalta liittämällä energiatehokkuusluokkaan tarkennettu nettoenergian tarve, esim. M-30 tai P-20.
LÄMMITYKSEN JA JÄÄHDYTYKSEN ENERGIATARPEEN OMINAISARVOT (RIL 249-2009)
SUUNNITTELUPROSESSI 2. Määritellään eri vaipparakenteen ratkaisuvaihtoehdoille rakennuksen energiantarpeen edellyttämät alustavat tekniset suunnitteluarvot: Lämmöneristävyys Lämmönläpäisykerroin U (W/m 2 K) ilmoittaa lämpömäärän, joka jatkuvuustilassa läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen rakenneosan, kun lämpötilaero rakenneosan eri puolilla olevien ilmatilojen välillä on yksikön suuruinen. Ilmatiiviys Vaipan ilmanvuotoluku n 50 (1/h) kertoo kuinka monta kertaa rakennuksen sisätilavuus ilmaa vaihtuu tunnin aikana vaipan vuotokohdista, kun rakennuksessa vallitsee 50 Pa ali- tai ylipaine ulkoilmaan verrattuna. Ilmanvaihdon lämmön talteenoton vuosihyötysuhde.
VAIPAN LÄMMÖNERISTÄVYYSVAATIMUKSET Normitalolle sallitut rakennuksen vaipan lämpöhäviön ja vaipanosien lämmönläpäisykertoimien enimmäisarvot on määritelty Suomen rakentamismääräyskokoelman osassa C3 Rakennusten lämmöneristys, Määräykset 2010. Matalaenergia- ja passiivitalojen ohjeellisia suunnitteluarvoja voidaan arvioida toteutettujen rakennusten kokemusten perusteella ja energiankulutuksen tietokoneohjelmilla tehdyillä laskelmilla. Ohjeellisia suunnitteluarvoja Lähde: RIL 249-2009
SUUNNITTELUPROSESSI 3. Valitaan kunkin vaihtoehdon avainrakenteiden alustavat rakenneratkaisut käytettävissä olevista vaipparakenteen vaihtoehdoista. Alapohja Ulkoseinät Yläpohja ja katto 4. Määritellään valitun ratkaisun ulkovaipan rakenteiden lämmöneristyskerrosten paksuudet, ikkunoiden lämmöneristävyysarvot sekä tiiviysvaatimukset. 5. Tarvittaessa tehdään rakenne- ja talotekniikkaratkaisuihin muutoksia ja tarkennuksia, jotta saavutetaan vaaditut toiminnalliset ominaisuudet ja vaadittu energiatehokkuus.
LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOIMEN MÄÄRITYS Lämmönläpäisykerroin voidaan määrittää Suomen rakentamismääräyskokoelman osan C4 esittämällä menetelmällä tai standardin EN ISO 6946 mukaisesti. Tässä luennossa käytetään osan C4 menetelmää. EN ISO 6946 mukainen menetelmä tullaan esittämään myöhemmin. Lämmönläpäisykerroin eli U-arvo lasketaan kaavalla: U 1/ R T jossa R T on rakennusosan kokonaislämmönvastus ympäristöstä ympäristöön. -20 C Ulkolämpötila +20 C Sisälämpötila Lämpövirta
RAKENNUSOSAN KOKONAISLÄMMÖNVASTUS Kun rakennusosan ainekerrokset ovat tasapaksuja ja tasa-aineisia ja lämpö siirtyy ainekerroksiin nähden kohtisuoraan, lasketaan rakennusosan kokonaislämmönvastus R T kaavalla: R si R se R i R g R b R qi m m RT Rsi R i i Rg Rb R 1 i 1 qi R se rakenteen sisäpuolinen pintavastus, joka ilmoittaa rakennusosan pinnan ja sisäpuolisen ympäristön välisen rajakerroksen lämmönvastuksen. Pintavastus riippuu lämpövirran suunnasta. Vaakasuoralle lämpövirralle RakMk:n osassa C4 annetaan arvo 0,13m 2 K/W (ylöspäin 0,10 ja alaspäin 0,17). rakenteen ulkopuolinen pintavastus, joka ilmoittaa rakennusosan pinnan ja ulkopuolisen ympäristön välisen rajakerroksen lämmönvastuksen. Vaakasuoralle lämpövirralle vastuksen arvoksi annetaan 0,04m 2 K/W (ylöspäin 0,04 ja alaspäin 0,04). ainekerroksen i lämmönvastus. rakennusosassa olevan ilmakerroksen lämmönvastus. maan lämmönvastus. ohuen ainekerroksen lämmönvastus.
AINEKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS Ainekerroksen lämmönvastus voidaan voidaan määrittää kun tiedetään ainekerroksen paksuus d ja lämmönjohtavuus λ: R i di i λ lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo. Suomen rakentamismääräyskokoelman mukaisissa laskelmissa lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoina käytetään RakMK C4:ssä taulukoituja normaalisen lämmönjohtavuuden λ n -arvoja. EN-standardien mukaan määritettyjä λ design -arvoja ei voida käyttää RakMK:ssa esitettyihin laskelmiin, sillä arvot poikkeavat λ n - arvoista sekä määritysperusteiltaan että yleensä myös lukuarvoltaan.
LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOIMEN ARVOJA (RakMK Osa C4)
ILMAKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS (RakMK C4) Tuulettumaton ilmakerros on rakennusosassa oleva suljettu ilmaväli, johon ei johda ulkopuolelta ilmavirtausaukkoa. Tuulettuva ilmakerros on rakennusosassa oleva ilmaväli, jonka kautta kulkee tuulettava ilmavirtaus rakennusosan reunalta toiselle. Tuulettuvan ilmakerroksen sekä ilmakerroksen ulkopuolisen rakenteen osan lämmönvastus otetaan huomioon rakenteen kokonaislämmönvastuksen arvossa riippuen tuuletuksen asteesta.
MAAN JA SALAOJITUSKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS (RakMK C4) Maanvaraisen alapohjan aluejako.
OHUEN AINEKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS (RakMK C4) Ohuita verraten tiiviitä ainekerroksia ovat mm. muovikalvot, rakennuspaperit, huopa- ja pahvikerrokset, joiden ilmanläpäisykerroin on enintään 10 10-6 m 3 /(m 2 s Pa).
KYLMÄSILTOJEN HALLINTA Kylmäsillalla tarkoitetaan rakenteen ympäristöään huomattavasti paremmin lämpöä johtavaa rakenneosaa, joka ulottuu yleensä lämpöeristeen läpi. Merkittäviä kylmäsiltojen aiheuttajia ovat: Eri rakennekerroksia yhdistävät metallisiteet ja kannakkeet, Tuki- ja runkorakenteet, jotka ovat rakenteelle tyypillisiä koko sen edustamalla vaipan alueella, Ikkunoiden pieliin sijoitettavat runkorakenteet. Kylmäsilloista aiheutuvat alentuneet pintalämpötilat tuntuvat herkästi viihtyvyyden alentumisena ja aiheuttavat energiahukkaa ja johtavat helposti kosteuden tiivistymiseen ja homeen muodostumiseen rakenteisiin. Kylmäsiltojen aiheuttama lisäkonduktanssi voi aiheuttaa U-arvojen laskelmiin merkittäviä virheitä, jos niitä ei huomioida. Yksittäistä kylmäsiltaa ei kuitenkaan tarvitse ottaa huomioon laskelmissa.
KYLMÄSILTOJEN HALLINTA Metalliset jäykisteet ja siteet kasvattavat U-arvoa: 0,006 W/(m 2 K) kun käytetään läpimitaltaan 4 mm ruostumattomia terässiteitä 4kpl/m 2. 0,05 W/(m 2 K) kun käytetään läpimitaltaan 4 mm kuparisiteitä 4kpl/m 2. Muuten: Kun kylmäsillan aineen lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo poikkeaa viereisen aineen vastaavasta suunnitteluarvosta enemmän kuin 5- kertaisesti, lasketaan kylmäsilloista aiheutuva rakennusosan lämmönläpäisykertoimen lisäys kaavalla: l n k j U X k X j A A Viivamaisten ja pistemäisten kylmäsiltojen lisäkonduktanssi (Ψ k ja Χ k ) lasketaan tarkoitukseen soveltuvalla laskentamenetelmällä tai määritetään kokeellisesti. l k ja n j ovat kylmäsiltojen yhteispituus ja lukumäärä rakennusosassa, jonka pinta-ala on A.
ESIMERKKI 1: Arvioi kuvan mukaisen seinärakenteen U-arvo Betonisandwich-seinäelementin rakenne ulkoapäin: Ulkokuori ja pintakäsittely 90 mm, betoni Eriste 200 mm, polyuretaanieriste, ansastus 5 mm ruostumaton teräs 4 kpl/m 2 Sisäkuori ja pinnoite 150 mm, betoni Kerros Paksuus λ n R Ulkop. pintav. 0,040 Ulkokuori 0,090 m 1,70 0,053 Eriste 0,200 m 0,033 6,061 Sisäkuori 0,150 m 1,70 0,088 Sisäp. pintav. 0,130 R T = 6,37 U = 1/R T + ansastus = 1/6,37 + 0,006 = 0,17 Täyttää RakMK C3 vaatimukset ulkoseinille.
ESIMERKKI 2: Arvioi kuvan mukaisen lattiarakenteen U-arvo rakenuksen sisä-alueella Lattian rakenne: Puuparketti 20 mm Betonilaatta 50 mm Polystyreenieriste 100 mm Salaojituskerros min. paksuus 200 mm (tiiv. sora) Kerros Paksuus λ R Sisäp. pintav. 0,170 Parketti 0,020 m 0,12 0,167 Betonilaatta 0,050 m 1,70 0,029 Eriste 0,100 m 0,033 3,030 Salaojitusker. 0,200 Perusmaa 3,200 R T = 6,80 U = 1/R T = 1 / 6,80 = 0,15 < 0,16 Täyttää RakMK C3 vaatimukset.
EPÄTASA-AINEINEN RAKENNUSOSA Epätasa-aineisessa rakenteessa on pintojen suuntaisia ainekerroksia, joissa on rinnakkain lämmönvastukseltaan erilaisia osa-alueita. Esimerkkinä puurunkoinen ulkoseinä, jossa seinän lämmönjohtavuus runkotolppien kohdalla on korkeampi kuin runkotolppien välissä olevan eristekerroksen kohdalla. Epätasa-aineisen ainekerroksen j lämmönjohtavuus lasketaan kaavalla: 1 R j f R a aj f R b bj f R n nj f a, f b,... Epätasa-aineisessa kerroksessa olevan tasa-aineisen osa-alueen suhteellinen osuus ainekerroksen kokonaispinta-alasta. R aj, R bj,..epätasa-aineisessa kerroksessa olevan tasa-aineisen osa-alueen lämmönvastus. Tässä kerroksessa on vierekkäin mineraalivilla ja pystykoolaus.
EPÄTASA-AINEINEN RAKENNUSOSA LASKENTAMENETELMÄN KÄYTÖN RAJOITUS RakMK C4:ssä esitettya kaavaa epätasa-aineiden lämmönjohtavuudelle ei voida käyttää, mikäli epätasa-aineisen kerroksen eri materiaalien lämmönjohtavuudet poikkeavat toisistaan enemmän kuin viisinkertaisesti. Jos poikkeama on suurempi, suuremman lämmönjohtavuuden aine ja osa-alue käsitellään kylmäsiltana.
ESIMERKKI 3: Puurunkoisen seinän lämmönläpäisykertoimen määrittäminen epätasa-aine (Siikanen, Rakennusfysiikka) Seinän rakenne on sisältäpäin lukien: Epätasa-aineinen kerros: a) Runkotolpat ja rimat (125+50 mm) R aj = 0,175/0,12 = 1,46 f a = 50/600 b) Mineraalivilla (125+50 mm) R bj = 0,175/0,045 = 3,89 f b = 550/600 1/R j = 50/(600 1,46)+550/(600 3,89) => R j = 3,42 = 0,293 125+50
ESIMERKKI 3: Puurunkoisen seinän lämmönläpäisykertoimen määrittäminen epätasa-aine (Siikanen, Rakennusfysiikka) Kerros Paksuus λ R Sisäp. pintav. 0,13 Lastulevy 0,012m 0,12 0,10 Runko + eriste 3,42 Höyrynsulku 0,04 Tuulensuojalevy 0,012m 0,065 0,185 Ulkop. pintav. 0,04 R T = 3,915 U = 1/R T = 1 / 3,915 = 0,26