Rakennusfysiikkaohjelmat rakenteidentoiminnan analysoinnissa

Jukka Huttunen

• Lämpö- ja kosteustekniikka• Virtaustekniikka• Sisäilmasto• Radon• Akustiikka ja ääneneristys• Palotekniikka

Rakennusfysiikan ja laskelmien osa-alueita

LAADUNVARMISTUS-KOKEET JA

TARKASTUKSET

TYÖNAIKAISETSUUNNITELMATAR-

KASTUKSET

RAKENNUSTYÖNOHJAUS

SUUNNITELMA-TARKASTUKSET

KOSTEUDENHALLIN-NAN SUUNNITTELU

RAKENNUSFYSIKAA-LINEN SUUNNITTELU

SISÄILMA-TAVOITTEIDENMÄÄRITTELY

RF-SUUNNITTELUNVAATIVUUSLUOKAN JATARPEEN MÄÄRITTELY

KOSTEUSTEKNISETKUNTOTUTKIMUKSET

JA MUUT SELVITYKSET(KORJAUSHANKKEET)

RAKENTAMINENSUUNNITTELUHANKE-SUUNNITTELU

LAADUNVARMISTUS-KOKEET JA

TARKASTUKSET

TYÖNAIKAISETSUUNNITELMATAR-

KASTUKSET

RAKENNUSTYÖNOHJAUS

SUUNNITELMA-TARKASTUKSET

KOSTEUDENHALLIN-NAN SUUNNITTELU

RAKENNUSFYSIKAA-LINEN SUUNNITTELU

SISÄILMA-TAVOITTEIDENMÄÄRITTELY

RF-SUUNNITTELUNVAATIVUUSLUOKAN JATARPEEN MÄÄRITTELY

KOSTEUSTEKNISETKUNTOTUTKIMUKSET

JA MUUT SELVITYKSET(KORJAUSHANKKEET)

RAKENTAMINENSUUNNITTELUHANKE-SUUNNITTELU

Milloin laskelmat ovat tarpeellisia?

Rakennusfysikaalisia laskentaohjelmistoja– mitä ohjelmia kannattaisi käyttää?

• lämmöneristys• kosteus• vesivuodot?• ilmatiiviys?

Laskemalla ja mallintamalla ei voi selvittäätai tutkia kaikkia rakenteen toimivuuteenvaikuttavia asioita

Lämpö- ja kosteustekniset tarkastelut

• Rakennusosien U-arvojen ja energiankulutuksen laskenta• Rakennusosien sisäisen lämpötila- ja kosteusjakauman

tarkastelu vesihöyryn tiivistymisriskin kannalta (vrt.perinteiset ajasta riippumattomat diffuusiolaskelmat)

• Rakenteen sisäisen lämpötila- ja kosteusjakaumantarkastelu eri ajanhetkinä ja muuttuvissaympäristöolosuhteissa (ajasta riippuvat laskelmat)

• Kylmäsiltojen tarkastelut• Kuivumisaikalaskelmat• Rakenteiden kuivumiskykytarkastelut (riskianalyysi)• Märkäaikojen ja homehtumisindeksin laskenta• Pakkasrasituksen mallintaminen (jäätymis-sulamissyklit)• Routaeristyksen yksityiskohtien suunnittelu• Ikkunarakenteiden lämpötekninen detaljisuunnittelu

Virtaustekniset tarkastelut

• Yläpohjien, ryömintätilojen ja ulkoseinärakenteidentuuletuksen tapauskohtainen analysointi jasuunnittelu

• Räystäsrakenteiden, tuuletusrakojen yms.rakenneyksityiskohtien virtaustekninen suunnittelu

• Rakennuksen painesuhteiden ja kosteuskonvektionanalysointi

• Huonetilan sisäisten ilmavirtausten jalämpöolosuhteiden mallintaminen

• Epäpuhtauksien kulkeutumisen mallintaminen• Pakotetun ja luonnollisen konvektion vaikutus

rakennusosan lämmöneristävyyteen• Tuulikuormien tapauskohtainen analysointi (vrt.

tuulitunnelikokeet)

Sovellusesimerkki ulkoseinä- javälipohjaliitoksen kylmäsillan tarkastelusta

Esimerkkikohteen 1. kerroksenasuntojen päätyulkoseinien sisäpinnatsekä niiden viereiset lattiapinnat onkoettu talviaikaan normaaliakylmemmiksi. Päätyulkoseinänlämmönläpäisykerroin (U-arvo) onnoin 0,41 W/m2K.

Päätyulkoseinän ja 1. kerroksenvälipohjarakenteen liitoksenmallinnus HEAT2-ohjelmalla.Ulkoilman lämpötilana on käytettyarvoa -20 °C ja sisäilmanlämpötila on +22 °C.

Lämpövirran tiheys (W/m2) välipohja-ja ulkoseinärakenteen liitoskohdassa.Ulkoilman lämpötila on -20 °C jasisäilman lämpötila on +22 °C.

Rakenteen lämpötilajakauma.Seinä- ja lattiarakenteenliitoskohdan alhaisin pintalämpötilaon +15,7 °C.

Sovellusesimerkki ulkoseinä- javälipohjaliitoksen kylmäsillan tarkastelusta

Lattiarakenteeseen on asennettu lämmityskaapelit, joiden yhteenlaskettu teho on50 W/jm. Seinä- ja lattiarakenteen liitoskohdan alhaisin pintalämpötila on +19,8 °C.

Sovellusesimerkki ulkoseinä- javälipohjaliitoksen kylmäsillan tarkastelusta

HEAT2

HEAT3

Sovellusesimerkki kylmäsillan tarkastelusta

Sovellusesimerkki kylmäsillan tarkastelusta

Seinän sisäpinnan lämpötila onyleisesti noin 20,2…20,4 °C ja seinänlävistävien teräsosien alhaisinpintalämpötila on noin 11,0°C, jokavastaa lämpötilaindeksiä (TI) 68 %.Ulkoilman lämpötila on -10 °C jasisäilman +21 °C. Pistemäisenkylmäsillan aiheuttamalisäkonduktanssi on 0,26 W/K.

HEAT-ohjelmien sovellusmahdollisuudet

• kylmäsiltojen tarkastelut• pintalämpötilojen tarkastelu vesihöyryn tiivistymisriskin

ja huonetilan lämpöviihtyvyyden kannalta• ajasta riippuvat lämpötekniset tarkastelut yleisesti• U-arvojen laskenta (monimutkaiset rakenteet)• lisälämmöneristyksen suunnittelu• routaeristyksen yksityiskohtien suunnittelu• lattialämmityksen yms. rakenteisiin upotettujen

lämmitysjärjestelmien suunnittelu• ikkunarakenteiden lämpötekninen detaljisuunnittelu

Kosteuden siirtymismuodot

• Kosteuden siirtyminen diffuusiolla• Kosteuden siirtyminen konvektiolla

ilmavirtausten mukana (ns. kosteuskonvektio)• Veden kapillaarinen siirtyminen• Veden painovoimainen siirtyminen

Kosteuden sitoutuminen rakennusaineisiin

• Hygroskooppinen kosteustasapaino• Kapillaarinen kosteustasapaino

Kastepistelaskelmissa lasketaan sekälämpötila- että osapainejakaumat– laskelmat kannattaa tehdä taulukkomuodossa

Suhteellinen kosteus ei voi olla yli 100 %-> mineraalivillan ja ulkokuoren väliseenrajapintaan tiivistyy kosteutta

Diffuusiolaskelmissa ja materiaalienominaisuuksien vertailussa tarvittaviamuunnoskertoimia ja -kaavoja

Kastepistelaskelmat on käytännössä paras jahelpoin tehdä tietokoneohjelmilla

DOF-Lämpö versio 2.2

Energian kulutus : 36.409 kW h543210

Helsinki,Joulukuu

Helsinki,Marraskuu

Helsinki,Lokakuu

Helsinki,Syy skuu

Helsinki,Elokuu

Helsinki,Heinäkuu

Helsinki,Kes äkuu

Helsinki,Toukokuu

Helsinki,Huhtikuu

Helsinki,Maalis kuu

Helsinki,Helmikuu

Helsinki,Tammikuu

4,613

3,753

2,98

1,758

0,816

0,572

1,185

2,266

3,437

4,797

4,904

5,328

Klinkkerilaattapintaisen julkisivurakenteen pitkäaikaista jatkuvuustilaa vastaava lämpö- jakosteusjakauma sekä energiankulutus kuukausittain. Laskenta on tehty DOFLÄMPÖ-ohjelmalla.

Tietokoneohjelmat laskevat samalla U-arvonja kuukausittaisen energiankulutuksen

• U-arvojen laskenta• ulkovaipparakenteiden sisäisen lämpötila- ja

kosteusjakauman tarkastelu vesihöyryntiivistymisriskin kannalta (vrt. perinteisetajasta riippumattomat diffuusiolaskelmat)

• maanvastaisten alapohjarakenteidenkosteustekniset tarkastelut

• lisälämmöneristyksen suunnittelu• rakennusosien energiankulutus kuukausittain

DOFLÄMPÖ-ohjelman sovellusmahdollisuudet

Vaikka materiaalin RH on ~100 %, niin se eivielä tarkoita sitä, etteikö siihen mahtuisivielä runsaasti lisää kosteutta

Esimerkkinä vanha poltettu savitiili

Materiaalin kosteus-pitoisuuden ollessatällä alueella on senmäärittäminenmahdollista tehdä RH-mittauksella – muutointarvitaan kuivatus-punnituskoe

Hygroskooppinen tasapaino

RH%

Kosteuspitoisuus kg/m3

Kapillaarinen kosteustasapaino

Lähde: Tutkimusraportti 129, TTY 2005

Kapillaarisen kosteuden siirtymisen jakosteuskapasiteetin huomioiminen edellyttääajasta riippuvaa tietokonelaskentaa

WUFI Pro-ohjelma

Vanhan maalaamattoman betonisandwich-elementin ulkokuoren kuivuminenohutlaastieristerappauksen jälkeen. Eristemateriaalina on 50 mm:n solupolystyreenilevy (EPS).Lähtötilanteessa ulkokuoren kosteuspitoisuudeksi on oletettu 100 kg/m3. Ulkokuoren paksuus on60 mm. Käynnistä animaatio tästä…

Sovellusesimerkki vanhan tuulettumattomansandwich-elementin eristerappauksesta

Ohutlaastieristerappauksella päällystetyn vanhan tuulettumattoman sw-elementin betoniulkokuoren kuivumineneristerappauksen (1.6.2004) jälkeen erilaisten lisälämmöneristysvaihtoehtojen (EPS/MW) tapauksissa. Vanhan elementinulkopintana on paljas betonipinta. Lähtötilanteen kosteus on peräisin normaalissa säärasituksessa kostuneesta vanhastabetoniulkokuoresta. Laskenta on tehty WUFI-ohjelmalla. Säätiedot: Helsinki 1979. Sisäilman RH 40 % vuodenajasta riippumatta.

50

55

60

65

70

75

80

85

1.6.

04

1.6.

05

1.6.

06

1.6.

07

1.6.

08

1.6.

09

1.6.

10

1.6.

11

1.6.

12

1.6.

13

1.6.

14

Kos

teus

pito

isuu

skg

/m3

EPS 70 mm Mineraalivilla 70 mm

Sovellusesimerkki vanhan tuulettumattomansandwich-elementin eristerappauksesta

Ohutlaastieristerappauksen (EPS 70 mm) vaikutus tuulettumattoman sw-elementin vanhan lämmöneristekerroksen ulko-osiensuhteelliseen kosteuteen ja lämpötilaan. Kuvassa on lisäksi esitetty lämpötilan- ja suhteellisen kosteuden perusteella laskettupuumateriaalin pinnalla tapahtuvaa mikrobikasvua kuvaava homeindeksi. Lähtötilanteen kosteus on peräisin normaalissasäärasituksessa kostuneesta vanhasta betoniulkokuoresta. Laskenta on tehty WUFI-ohjelmalla. Säätiedot: Helsinki 1979.Sisäilman RH 40 % vuodenajasta riippumatta.

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1.6.

01

1.6.

02

1.6.

03

31.5

.04

31.5

.05

1.6.

06

1.6.

07

31.5

.08

31.5

.09

1.6.

10

1.6.

11

31.5

.12

31.5

.13

1.6.

14

Suht

eelin

enko

steu

sRH

%/L

ämpö

tila

o C

0

1

2

3

4

5

6H

omei

ndek

si(0

-6)

RH Lämpötila Homeindeksi

Eristerappaus1.6.2004

Sovellusesimerkki vanhan tuulettumattomansandwich-elementin eristerappauksesta

WUFI 2DEsimerkki kapillaarisesta noususta

Kapillaarikatko ja molemmin puolinsuolankeräyslaastilla rapattuseinärakenne, kts. animaatio

WUFI-ohjelmien sovellusmahdollisuudet

• rakenteen sisäisen lämpötila- ja kosteusjakaumantarkastelu eri ajanhetkinä ja erilaisissa ilmasto-olosuhteissa (mkl. vesisateen ja auringon säteilynvaikutukset)

• kuivumisaikalaskelmat• rakenteiden kuivumiskykytarkastelut (riskianalyysi)• märkäaikojen ja homehtumisindeksin laskenta• erilaisten pinnoituskorjausten sekä lisälämmöneristysten

suunnittelu ja vaikutusten arviointi• maanvastaisten rakenteiden kosteustekninen tarkastelu• rakenteen energiankulutuksen ja ns. ”todellisten U-

arvojen” laskenta, kun auringon säteilystä ja vedenfaasimuutoksista saatavat ilmaisenergiat hyödynnetään

• kosteudensiirtymiseen liittyvien laboratoriokokeidensimulointi ja tulosten varmennus

Tunnista riskirakenteet!Esimerkki kuivumiskykytarkastelusta

Ruotsissa havaittiin laajamittaisia ongelmia jo2000-luvun alussa – Suomeen tieto ongelmistaei ole kulkeutunut kunnolla vieläkään

Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinienkosteusvauriot

Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinienkosteusvauriot

Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinienkosteusvauriot ovat seurausta rakenteenhuonosta kuivumiskyvystä

Eristerappauksessa ja sen yksityiskohdissa on ainahalkeamia, saumoja ja muita yksityiskohtia, joidenkautta rakenteeseen pääsee sadevettä

Tyypillisiä vesivuotokohtia ovat ikkuna- japarvekeliittymät, valaisimien ja muidenjulkisivuvarusteiden kiinnityskohdat

”Sadetakkiperiaate” varmistaa vesitiiviyden

Esimerkki ajankohtaisista kosteusvaurioista –Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinienkosteusvauriot

Esimerkki ajankohtaisista kosteusvaurioista –Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinienkosteusvauriot

SILMIN HAVAITTAVAN HOMEKASVUN RAJA

Esimerkki ajankohtaisista kosteusvaurioista –Eristerapattujen puu- ja teräsrankaseinienkosteusvauriot

Rakenteen kuivumiskyky on velvoittavamääräys – pelkkä kastumisen estäminen eiole riittävä toimenpide

Rakentamismääräystenvastainen rakenne?

• Fluent• STAR-CD• FLOVENT• Comsol

Multiphysics• ANSYS• Microflo• TAS• SCI

Virtaustekniset tarkastelut –CFD-laskentaohjelmistoja

Sovellusesimerkkejä CFD-laskennasta

Sovellusesimerkkejä CFD-laskennasta

CRAWL - ryömintätilojen kosteusolosuhteet

Ulkoilman lämpötila Ryömintätilan lämpötila Ulkoilman RHRyömintätilan RH Ryömintätilan RH, dVgr=0

50454035302520151050

Tem

pera

ture

[°C]

16

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

-10

RH

[%]

10095908580757065605550454035302520151050

Ulkoilman lämpötila Ryömintätilan lämpötila Ulkoilman RHRyömintätilan RH Ryömintätilan RH, dVgr=0

50454035302520151050Te

mpe

ratu

re[°C

]

16

14

12

10

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

-10

RH

[%]

10095908580757065605550454035302520151050

Ryömintätilan ilmanvaihtuvuus on molemmissa laskentatapauksissa 2 1/h. Laskenta on tehty Crawl-ohjelmalla käyttäen Oulun säätietoja.

Alapohjan U-arvo: 0,4 W/m2K Alapohjan U-arvo: 0,1 W/m2K

Esimerkki ryömintätilan laskennallisestatarkastelusta - alapohjan kautta tapahtuvallalämpövuodolla on ryömintätilankosteusolosuhteita parantava vaikutus

TorkaS – betonirakenteiden kuivuminen

Pilkington Spectrum / Glass

IDA Indoor Climate and Energy

• Lämpö- ja kosteusteknisissä laskelmissa tarvitaan yleensävähintään seuraavat lähtötiedot:▪ rakenteen geometria▪ materiaalien lämmönjohtavuus▪ materiaalien vesihöyrynläpäisevyys▪ ulko- ja sisäilman keskimääräinen suhteellinen kosteus ja lämpötila

• Ajasta riippuvissa lämpö- ja kosteusteknisissä laskelmissatarvitaan lisäksi:▪ materiaalien ominaislämpökapasiteetti ja tiheys▪ materiaalien sorptioisotermit▪ ulko- ja sisäilman suhteellinen kosteus ja lämpötila 1…24 tunnin välein

mitattuna tai arvioituna▪ Lämpö- ja kosteusteknisissä laskelmissa tarvitaan yleensä vähintään

seuraavat lähtötiedot:• Laskentatehtävästä riippuen tarvitaan materiaalien kapillaarinen

kosteudenjohtavuus, pinnan vedenimukerroin, huokoisuus,pintojen säteilyominaisuudet, vesihöyrynläpäisevyys jalämmönjohtavuus kosteuspitoisuuden funktiona, sademäärä,auringon säteilyteho, tuulen nopeus jne.

Rakennusfysiikkalaskelmien lähtötiedot

• Laskentatulosten ”oikeellisuus” riippuu valituistalähtöarvoista

• Lähtöarvojen valinta edellyttää rakennusmateriaalienlämpö- ja kosteusteknisiin ominaisuuksiin liittyvääerikoisosaamista – pelkkä ohjelmien tietotekninen hallintaei riitä

• Laskentatulosten ei tarvitse aina täysin vastata todellisenrakenteen käyttäytymistä – kiinnostavaa on yleensä jonkinrakenne- tai olosuhdemuutoksen vaikutussuunta sekä senmerkitys rakenteen toiminnan kannalta

• Jatkuvuustilan eli ajasta riippumattomat lämpö- jakosteustekniset laskelmat antavat yleensä tarpeettomanepäedullisen eli virheellisen kuvan rakenteentoimivuudesta

• Rakenteiden vaurioselvityksissä on pyrittävä mallintamaanvanha rakenne ja ympäristöolosuhteet mahdollisimmantarkasti todellisten olosuhteiden mukaan –”varmuuskerroin-ajattelu” kuuluu suunnitteluun

Laskelmien luotettavuus