Tuulettuvan alapohjan rakennusfysikaalinen tarkastelu ja ryömintätilan olosuhdesimulointi

Tämä kirjoitus syntyi vanhan kansakoulun muutos– ja korjaustyön suunnitteluun liittyvän toimeksiannon yhteydessä. Kirjoituksessa on esitelty rakennusfysikaalisten tarkastelujen päävaiheet tässä kohteessa tuulettuvan alapohjan osalta. Esittelyn tarkoitus on tuoda esille olosuhde-, lämpö– ja kosteusteknisten analyysien tärkeyttä erityisesti korjausrakentamisessa. 

Kohteen kuvaus ja suunnittelun lähtötilanne

Suunnittelun kohteena on 1900 -luvun alussa rakennetun entisen kansakoulun asuintilojen osittainen käyttötarkoituksen muutos, johon sisältyy huoneiston sisätilojen muutostöitä. Nykyisin kylätalona toimiva rakennus on hirsirunkoinen puuverhottu rakennus, jonka runko lepää luonnonkivistä muuratun sokkelin päällä. Muutostöiden yhteydessä uusitaan asuinhuoneiston tuulettuva alapohjarakenne kattovuodon seurauksena osittain kosteusvaurioituneiden sisäpintojen takia. Alapohja on rakentamisajankohdan mukaisesti eristetty pääosin sekalaisella puru-, hiekka- ja sammalseoksella. Muutosalueen lattiarakenne uusitaan ja ryömintätilan maanpinta puhdistetaan sekä eristetään korjaustyön yhteydessä 100-200 mm:n paksuisella kevytsorakerroksella. Maanpinnan eristäminen tehdään niin että tuuletustilan korkeus ei pienene alkuperäisestä. Lopullinen eristepaksuus määräytyy maapinnan puhdistuksen yhteydessä poistettavan maa-aineksen määrästä.

Kosteuslähteet ja purkuvaiheen havainnot

Ryömintätilan ulkopuolisia kosteuslähteitä poistettiin syksyllä ennen sisätöiden aloittamista. Tehtyjä toimenpiteitä olivat mm. kasvillisuuden poistaminen sokkelin vierustoilta sekä tarpeellisilta osin salaojituksen asennus / maamassojen vaihto ja maapintojen muotoilu viettäväksi poispäin sokkelista.

Lattian purkuvaiheessa silmämääräisesti hyväkuntoisiksi todetut lattiaa kannattelevat ja rakennusta jäykistävät vanhat ryömintätilan puolella sijaitsevat hirsipalkit päätettiin jättää paikoilleen ja noudattaa alkuperäistä rakennemallia rakentamalla uusi lattia niiden päälle. Tämän vuoksi päätavoitteeksi alapohjan rakennusfysikaalisessa tarkastelussa muodostui varmistaa että lattian uusimisen yhteydessä ryömintätilan olosuhteita ei heikennetä alkuperäiseen, ilmeisen hyvin kosteusteknisesti toimineeseen alapohjaratkaisuun verrattuna.

Kuva 1. Lattia purkuvaiheessa ja purkutyön yhteydessä tehdyn materiaalikartoituksen perusteella laadittu rakenneleikkaus alkuperäisestä rakenteesta. Lattian yläosan materiaaleja on vaihdettu tai eristettä lisätty 1980 –luvun alkupuolella tehtyjen sisätilakorjausten yhteydessä.

Rakennemallit

Uuden lattiarakenteen suunnittelussa lähtökohtana oli pitää rakennepaksuus alkuperäisen mukaisena, jolloin vältytään rakennepaksuuden muutoksesta aiheutuvilta sisätilan muutostöiltä. Lattiarakenteessa haettiin optimiratkaisua energiatehokkuuden parantamiseksi niin, että ryömintätilan kosteus– ja lämpöolosuhteet eivät muuttuisi otollisemmaksi lahovaurioiden syntymiselle tai mikrobikasvustolle. Tehokkailla nykyeristeillä koko lattiapaksuuden eristekerros muuttaisi lattian ulko-osien ja ryömintätilan lämpötilaa selkeästi lähtötilannetta viileämmäksi ja kosteusteknisesti huonompaan suuntaan. Tästä syystä höyrynsulun sisäpuolelle sijoitettiin alkuperäisen ja uuden rakenteen välisen korkoeron tasaava ilmarako ristikoolauksella.

Ryömintätilan puolelta lattiarakenteesta poistettiin kaikki mahdollinen puumateriaali pois lukien kantavat ja jäykistävät vanhat hirsipalkit. Poistetut aluslaudoitukset korvattiin kosteudenkestävämmällä, vesihöyryä läpäisevämmällä ja lämmöneristävämmällä tuulensuojamateriaalilla. Lattian sisällä kantavissa puuosissa käytettiin höylättyä kuusilankkua.

Kuva 2. Lähtötilanteen rakennemalli (AP0 vasemmalla) ja suunnitteluratkaisun rakennemalli (AP1 oikealla).

Laskennan lähtötiedot ja tulokset

Olosuhteiden simuloinnissa on lattian yläpuolisten sisätilojen lämpötilana käytetty +21. Simuloinnin säätieto ei ole kohteen sijainnin mukainen tarkka säätieto. Säätiedoksi valittiin laskentaohjelmistoon saatavilla olevista ilmaisista säätietokannoista säätieto, joka kuvaisi ilmastoennusteiden valossa mahdollisimman hyvin lähitulevaisuuden ilmastoa sijaintipaikkakunnalla.

Kohteen maaperä on hienon hiekan ja sora/moreenikerroksen alla kalliota, joka on paikoin pinnassa. Maaperän lämpöarvoina olosuhdesimuloinneissa on käytetty kalliomaaperän lämpöarvoja.

Ilmanvaihtokertoimena olosuhdesimuloinneissa on käytetty ilmanvaihtuvuutta 0,5 1/h niin ryömintätilassa kuin myös rakennuksen sisätiloissa.

Materiaalien laskentatietoina on käytetty uudessa rakenteessa tuotevalmistajien ilmoittamia teknisiä arvoja ja alkuperäisen rakenteen osalta kirjallisuudesta löytyvien tietojen pohjalta arvioituja teknisiä arvoja.

Seuraavissa kuvissa on esitelty kohteesta muodostettujen tila– ja rakennemallien perusteella tulokset rakenteiden lämpölaskennasta, ryömintätilan olosuhteista ja rakenteen kosteuden diffuusiolaskennasta.

Kuva 3. Rakenteen läpi siirtyvän lämpövirran laskenta lämpölaskennan ohjelmistolla (AP0 = Lähtötilanteen rakenne, AP1 = Suunnitteluratkaisu).

Kuva 4. Lämpötilat ryömintätilan puolella sijaitsevien alkuperäisten hirsipalkkien kohdalta yläpuolisten kantavien puupalkkien alapinnassa (AP0 vasemmalla, AP1 oikealla).

Kuva 5. Lämpötilat ehjien eristekerrosten kohdalta aluslaudoituksen (AP0 vasemmalla) ja tuulensuojan (AP1 oikealla) yläpinnassa.

Kuva 6. Lähtötilanteen ja suunnitteluratkaisun lämpötilavertailu ryömintätilassa (viikkokeskiarvot).

Kuva 7. Lähtötilanteen ja suunnitteluratkaisun kosteusolosuhteiden vertailu ryömintätilassa (viikkokeskiarvot).

Kuva 8. Suunnitteluratkaisun ja korjausratkaisun ilman maanpinnan kevytsorakerrosta lämpötilavertailu (viikkokeskiarvot). Maanpinnan eristämisen vaikutus.

Kuva 9. Suunnitteluratkaisun ja korjausratkaisun ilman maanpinnan kevytsorakerrosta kosteusolosuhteiden vertailu (viikkokeskiarvot). Maanpinnan eristämisen vaikutus.

Kuva 10. Tässä tutkimuksessa kriittiseksi määriteltyjen olosuhteiden tuntimäärät ryömintätilassa laskentatapauksittain.

Kuva 11. Lähtötilanteen ja suunnitteluratkaisun olosuhteiden (kuukausikeskiarvo) mukainen rakenteen diffuusiotarkastelu sekä kestoltaan kriittisen ajanjakson olosuhteiden (ajanjakson keskiarvo) mukainen rakenteen diffuusiotarkastelu.

Kuva 12. Lähtötilanteen ja suunnitteluratkaisun kosteusolosuhteiden (kuukausikeskiarvo) vertailu ryömintätilassa ja lattian sisällä materiaalikerrosten rajapinnassa.

Pohdinta

Tehtyjen tarkastelujen perusteella suunnitteluratkaisu vähentää vuoden mittaisella tarkastelujaksolla kriittiseksi vertailussa määriteltyjen olosuhteiden kokonaismäärää. Maapohjan eristäminen parantaa ryömintätilan olosuhteita kosteusteknisen toimivuuden osalta suunnitteluratkaisussa keväällä ja kesällä, joka näkyy vuoden aikana kriittisten olosuhteiden tuntimäärän vähenemisenä alkuperäiseen rakenteeseen verrattuna.

Kriittinen ajanjakso laskennassa muodostui käytetyllä säätiedolla loppusyksyyn, ulkoilman äkillisen pakkasjakson jälkeen. Lattian läpi ryömintätilaan siirtyvän lämpövirran pienentyminen pidentää yhtämittaista kriittisten olosuhteiden jaksoa lähtötilanteeseen verrattuna. Kriittisen ajanjakson kestoa nostaa lattian paremman lämmöneristävyyden lisäksi jonkin verran myös maapohjan eristäminen, koska kesän aikana lämmennyt maaperä ei eristyksen vuoksi lämmitä viilentynyttä ryömintätilaa. Mikrobien vaatimien kasvuolosuhteiden kannalta alhainen lämpötila hidastaa kehitystä, joten loppusyksyyn sijoittuva pidentynyt yhtäjaksoinen kosteampi olosuhde ei todennäköisesti nosta merkittävästi mikrobiriskiä ryömintätilassa lähtötilanteeseen verrattuna. Lattiarakenteen diffuusiotarkastelussa suunnitteluratkaisun suhteellinen kosteus oli lattian sisällä korkeimman suhteellisen kosteuden mukaisessa rajapinnassa kaikissa tarkasteluissa alkuperäistä rakennetta alhaisempi.

Kun uusitaan vanhoja rakenteita on alkuperäisen rakenteen rakennusfysikaalisen toiminnan selvittäminen tärkeää. Tällöin uusi rakenne voidaan suunnitella ja optimoida tavoitteiden mukaisesti minimoiden korjaustyön riskit rakenteen lämpö– ja kosteusteknisessä toiminnassa. Olennaista on myös seurata korjaustyön jälkeen rakenteen toimintaa käyttötilanteessa, jolloin mm. tuuletuksen säätöjen tai kosteudenlähteiden poistamisen osalta voidaan tehdä tarvittavia toimenpiteitä.

Tarkastelut ovat suuntaa-antavia ja ne tulee tehdä tapauskohtaisesti suunnittelukohteeseen soveltuvilla laskentatavoilla, menetelmillä ja laskentatiedoilla. Tässä laskentatarkastelussa tulosten epätarkkuutta voivat aiheuttaa mm. Maaperän laskentamitat ja rakenteiden/lämpövyöhykkeiden välinen kosteudensiirtyminen (perustuvat ohjelmiston sisäiseen toimintalogiikkaan); Säätiedon epätarkkuus sijaintipaikkaan nähden; Ryömintätilan tuuletuksen laskenta-arvon mahdolliset poikkeamat todelliseen tilanteeseen; Alkuperäisten materiaalien arvioidut laskentatiedot; Ryömintätilaan ulkopuolelta mahdollisesti siirtyvä kosteus tai maaperästä siirtyvä kosteus.

Energiatehokkuusvertailussa ulkoseinät

Tämä kirjoitus perustuu Lakan Betoni Oy:n toimeksiannosta tehtyyn talomallin energiasimulointiin, jonka tavoitteena oli vertailla eri ulkoseinävaihtoehtojen vaikutuksia rakennuksen lämmitys- ja jäähdytysenergian tarpeeseen. 

Tausta

Energiasimuloinnin kohteeksi valikoitui Lakka kivitalojen mallistosta Haukansilmä 204 -talomalli, joka edustaa melko tyypillistä kivirakenteista pientalokohdetta. Talomalli on kaksikerroksinen, jonka tunnusomaisena piirteenä on ensimmäisessä kerroksessa sijaitseva, ylös toiseen kerrokseen asti auki oleva olohuone. Korkean tilan ulkoseinä on pääosin ikkunapintaa. Energiasimuloinnissa tämä ikkunaseinä valittiin rakennuksen eteläsivuksi ja rakennuksen sijaintipaikkakunnaksi Jyväskylä. Säätietona käytettiin laskentaohjelmiston tietokantaa, jossa säätieto on tietyn vuoden mittauksesta interpoloitu säätieto valitulle sijainnille. Tätä säätietoa päädyttiin käyttämään toimeksiannon sisällön sekä säätietokannan saatavuuden ja laajuuden vuoksi. Käytetty säätieto ja laskennan lähtötiedot soveltuvat rakennushankkeen alkuvaiheen tarkasteluihin ja tulokset ovat valitulle sijainnille suuntaa antavia. 

Tutkimusasetelma muodostettiin niin, että se vastaisi mahdollisimman hyvin rakennushankkeen rakennussuunnitteluvaihetta, jossa rakentamisen ratkaisuja ei ole vielä lopullisesti päätetty ja niihin voidaan vaikuttaa. Talopakettirakentajalla tämä tarkoittaa yleensä tilannetta, jossa rakennuspaikka on olemassa ja talomalli rakennussuunnittelun pohjaksi on valittu.

Kuva 1. Rakennuksen energiamalli, johon mallinnettiin pelkästään lämmitettyä sisätilaa rajaavat ulkovaipan rakenneosat sekä sisätiloja rajaavat väliseinät ja välipohja. Rakennuksen tilat mallinnettiin kuuluvaksi yhteen termodynaamiseen tilaan ja käyttöprofiiliin. Mallinnuksessa tehtiin simuloinnin toimivuuden kannalta tarpeellisia yksinkertaistuksia, joilla ei ole ulkoseinien vertailtavuuden kannalta oleellista merkitystä. Rakennuksen ulokkeista mallinnettiin pelkästään eteläsivun varjostavat vaakatasot eli parveke ja katokset.

Laskentatapaukset

Talomallista muodostettiin mallintamalla kuusi erilaista laskentatapausta, joista laskentatapaukset 1.-4. poikkesivat toisistaan pelkästään ulkoseinärakenteen (1.-3. kivirakenteita, 4. massiivipuu) osalta. Laskentatapauksissa 5. ja 6. myös sisätilojen seinärakenteet ja välipohja mallinnettiin puurakenteisina laskentatapauksen ulkoseinätyypin (5. massiivipuu, 6. puuranka ulkoseinä) rakennustavan mukaisesti.

Rakennuksen ulko- ja poistoilmavirtoina, lämmitysrajana sekä vakioidun käytön lähtötietoina käytettiin ympäristöministeriön asetuksessa 1010/2017 käyttötarkoitusluokalle annettuja arvoja. Jäähdytysrajaksi asetettiin sisäilmaviihtyvyyden perusteella +24 astetta. Rakennuksen ikkunoiden kokonaisläpäisyksi asetettiin 50 %:a ilman sälekaihtimia tai muita erillisiä auringonsuojauskeinoja. Ilmanvaihtolaitteistona laskennassa käytettiin koneellista tulo- ja poistoilmanvaihtoa lämmöntalteenotolla (55 %), tuloilman esilämmityksellä (+18) ja ominaissähköteholla (n. 1,8 kWh/(m3s). Lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmää ei laskennassa määritetty ja laskenta niiden osalta perustuu Ashrae 90.1 -standardin arvoihin. 

Tulokset

Energiasimuloinnin tulokset talomallin lämmitys- ja jäähdytysenergiasta eri laskentatapauksille on esitetty kuvassa 2 ja erot sekä laskentatapausten selitteet pylväskaaviokuvassa 3. 

Kuva 2. Energiasimuloinnin tulokset (ilman käyttöveden lämmitystä) laskentatapauksittain, kWh/v.

Kuva 3. Lämmitys- ja jäähdytysenergian erot laskentatapauksittain vertailtuna laskentatapaukseen 1.

Pohdinta

Tuloksista voidaan tämän talomallin osalta todeta, että lämmöneristävyyden lisäys ulkoseinässä paitsi vähentää lämmitysenergian tarvetta myös lisää rakennuksen jäähdytystarvetta kesäaikana. Laskentatapausten perusteella lämmöneristävyyden lisäys ulkoseinässä näyttäisi kuitenkin lisäävän jäähdytyksen tarvetta enemmän kevytrakenteisissa ratkaisuissa. Rakenteiden lämpöä varaavan ja tasaavan massan lisäyksellä näyttäisi olevan myönteinen vaikutus käytön aikaiseen energiankulutukseen pienentäen sekä lämmitys- että jäähdytysenergian tarvetta.

Rakenneratkaisuilla ja rakennuksen sijainnilla on merkitystä myös siihen, kuinka suuren osan rakennuksen elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista käytön aikainen energiankulutus muodostaa. Olennaista on, että suunnitteluvaiheessa tunnistetaan kohteeseen valittujen rakenneratkaisujen perusteella keskeiset ja kustannustehokkaat ympäristövaikutusten vähentämiseen johtavat keinot. Edistysaskeleita suunnitteluvaiheen ohjauksessa ovat esimerkiksi ympäristöministeriön vähähiiliseen rakentamiseen tähtäävät toimenpiteet. Lisäresurssien ja panostusten ohjaaminen hankkeen alkuvaiheessa suunnitteluun ja ratkaisujen optimointiin luovat mahdollisuuksia kestävän kehityksen mukaiselle, laadukkaalle ja kustannustehokkaalle rakentamiselle. 

Tutkitun talomallin osalta mielenkiintoisia lisätutkimuksen aiheita olisivat esimerkiksi rakennuksen suuntauksen ja erilaisten aurinkosuojauskeinojen vaikutukset talomallin energiatehokkuuteen. Ehkä niistä lisää myöhemmissä kirjoituksissa.

Asiantuntijapalveluiden myyminen

Toimin tällä hetkellä yrittäjänä rakennusalan suunnittelutoimistossa. Työkokemusta on vuosien saatossa kertynyt niin fyysisten tuotteiden kuin myös palveluiden myymisestä. Monessa suhteessa asiantuntijapalveluiden myyminen hankaloituu usein konkretian puutteeseen, jota ei yleensä esiinny jonkin fyysisen tuotteen myymisessä. Tämän vuoksi palveluiden kiteyttäminen, esimerkit ja havainnollistaminen niiden myymisessä korostuu. Tässä kirjoituksessa esittelen miten yritykseni toiminta-ajatukseen - punaiseen lankaan - pohjautuvat palvelut keriytyvät yhtenäiseksi lankakeräksi.

Kaavio 1. Yrityksen (greenfoot / Insinööritoimisto Huovinen) palveluissa hyödynnetään kehittyvää ohjelmistoteknologiaa. Palveluiden avulla voidaan tutkia ja vähentää tuotteen tai rakentamisen aiheuttamia ympäristökuormituksia. Palvelut tuotteesta valmiiseen rakennukseen keriytyvät yhtenäiseksi lankakeräksi.

Palvelutarjoaman esittäminen insinöörimäisen prosessikaavion avulla paitsi helpottaa myyjän työtä, toimii myös konkreettisena listauksena asiakkaalle siitä minkälaisiin tarpeisiin palveluntarjoaja voi tuoda ratkaisuja. Palveluiden esittäminen prosessikaaviossa tulisikin vastata ainakin kysymyksiin mitä myydään, miksi, miten ja mihin hintaan. Myös käytettyjen menetelmien ja yrityksen vahvuuksien esittäminen voivat olla hyödyllisiä ainakin silloin kun markkinoilla on muitakin samantyyppisten palveluiden tarjoajia. Yleensä juuri työkalut, menetelmät ja osaaminen ovat niitä tekijöitä joiden pitäisi mielestäni vaikuttaa asiantuntijapalveluiden ostopäätökseen hintaa enemmän. 

Alla on esimerkkeinä yritykseni keskeisimmät palvelut esitettyinä prosessikaavioissa. Asiakaskunta koostuu pääosin rakennusalan tuotevalmistajista, arkkitehdeistä, talotehtaista, rakennusliikkeistä, kiinteistönvälittäjistä ja yksityisistä kuluttajista. Palvelut voidaan jakaa kolmeen pääryhmään, joita ovat tuotekehitys, rakennussimulointi ja suunnittelu. Näistä palveluprosessikaaviot on alla esitetty tuotekehityksen ja rakennussimuloinnin osalta, jotka ovat toimistoni erikoistumisen ydintä. 

Kaavio 2. Tuotekehityksen keskeiset palvelut. Ensisijaisena kohderyhmänä palveluissa ovat rakennusalan tuotevalmistajat. Kaavion PDF -tiedosto

Kaavio 3. Rakennussimuloinnin keskeiset palvelut. Ensisijaisina kohderyhminä palveluissa ovat arkkitehtitoimistot, rakennusliikkeet, rakennuttajat, kiinteistönvälittäjät ja talotehtaat. Kaavion PDF -tiedosto

Yrityksen toiminnan tulee myös tukea palvelutarjoaman ideologiaa. Omassa toiminnassani se tarkoittaa toimintojen suunnittelua siten, että toiminta on tehokasta ja synnyttää mahdollisimman vähän ympäristökuormituksia. 

Vaikka toiminta ja yhteinen tavoite yrityksen sisällä loistaisikin kirkkaana ei tekemisen pohdinnalla ja kirjaamisella varmasti haittaa ole. Nykymaailmassa tilanteet muuttuvat nopeasti eikä vähiten digitalisaation etenemisen seurauksena. Kuljetaanko oikeaan suuntaan, pysymmekö vauhdissa ja onko viestimme selkeä? 

Olosuhdesimuloinnilla hallitumpaan sisäilmastoon -esimerkkinä kasvihuone

Johdanto

Näin kesän kynnyksellä moni innokas viherpeukalo haaveilee varmasti jälleen omasta kasvihuoneesta. Olisihan se hienoa kasvattaa kurkut, tomaatit, salaatit ja miksei vähän eksoottisempiakin vihanneksia jatkamalla kesäistä kasvukautta kasvihuoneen avulla. Omasta kasvihuoneesta aamupalapöytään haettavat tuoreet vihannekset ovat todellista lähituotantoa.

Vaikka en olekaan varsinaisesti hyötyviljelyn asiantuntija innostuin aiheesta rakennustekniikan näkökulmasta ja erityisesti kasvihuoneen mielenkiintoisten sisätilan olosuhdevaatimusten johdosta. Eikä käy kieltäminen, että olen itsekin jo pitkään haaveillut omasta toimivasta kasvihuoneesta. Niinpä päätin suunnitella kasvihuoneen, tutkia tarkemmin olosuhteita ja koostaa asennuksesta työvaiheanimaation.

Päätin suunnitella kasvihuoneen, joka kokonsa puolesta voitaisiin rakentaa useimmissa kaupungeissa ilman rakennuslupaa. Kasvihuoneen enimmäiskoko määritellään kaupunkien rakennusjärjestyksissä ja rakentamistapaohjeistuksissa. Muita suunnittelun lähtökohtia olivat riittävä huonekorkeus, ergonominen kasvien viljelykorkeus ja läpikulkumahdollisuus kottikärryjen kanssa. Halusin myös, että sijoitettaessa kasvihuone harjalinjaltaan itä-länsisuuntaan voidaan etelälappeelle sijoittaa aurinkopaneelit mahdollista kasvihuoneen sähköistystä varten. Samalla aurinkopaneelit alustoineen varjostavat kasvihuonetta kuumimpana kesäaikana. Toki kasvihuoneen tulee olla myös viihtyisä ja esteettistä silmää miellyttävä.

Kuva 1. Puurunkoinen läpikuljettava kasvihuone, jossa betonimuurikivistä muodostettu sokkeli ja kasvatusallas.

Asennusanimaatio suunnitelman mukaisen kasvihuoneen työvaiheista.

Olosuhdesimulaatio

Kasvihuoneessa vallitseviin lämpöolosuhteisiin on luonnollisesti suuri merkitys paitsi kasvihuoneen koolla, niin myös lasipinta-alalla, rakenteilla sekä suuntauksella ja ympäristön varjostuksilla. Näiden seikkojen vaikutusta voidaan tutkia olosuhdesimulaatiolla. Tässä simulaatiossa malli on luotu siten, että tarkastelu on tehty ilmatiiviille ja tuulettumattomalle sisätilalle. Tällä menettelyllä saadaan tarkempi käsitys yllä esitettyjen seikkojen vaikutuksista sisätilan olosuhteisiin ja voidaan arvioida lämmittämisen ja tuuletuksen tarpeita eri ajanjaksoina kasvihuoneessa. Kasvihuoneen sijoittelu tontille on esitetty kuvassa 2 ja simulointitulokset käytetyllä säätiedolla ja tontille sijoittelulla on esitetty kuvassa 3.

Kuva 2. Olosuhdesimulaatiossa kasvihuone sijoitetaan haluttuun paikkaan tontilla. Kasvihuonetta varjostava puusto ja viereiset rakennukset mallinnetaan simulointiin mukaan.

Kuva 3. Olosuhdesimulaatiossa voidaan tarkastella haluttujen päivien lämpöprofiilia. Tulokset osoittavat että mikäli kasvihuoneen käyttö halutaan aloittaa toukokuun alusta, joudutaan kasvihuonetta tuolloin ajoittain lämmittämään. Keskikesällä kasvihuonetta joudutaan todennäköisesti tuulettamaan aurinkoisina päivinä iltapäivällä ja alkuillasta, mikäli tuuletuksen lämpötilan raja-arvona pidetään +30 astetta. Tuuletus on yleensä tarpeellinen myös suuren ilmankosteuden takia. Kasvihuoneen sisällä olevat massiiviset betonimuurikivistä ja kasvualustan maatäytöstä tehdyt kasvatusaltaat toimivat lämpötilan vaihteluita tasaavina elementteinä. Lämpöä varaavan massansa ansiosta niihin päivällä varastoitunut lämpö vapautuu yöllä sisätilaan ja toisaalta niiden massa toimii päivällä sisätilaa jäähdyttävänä elementtinä.

Lopuksi

Vaikka kyseessä on mittaluokaltaan pieni rakennus kannattaa kirjoitusta pohtia laajempana kokonaisuutena, kuten minkälaisia mahdollisuuksia olosuhdesimulaatio voi tarjota rakennushankkeiden suunnittelussa. Kasvihuone toimii oivana esimerkkinä miten olosuhdesimulaatiota voidaan käyttää alkuvaiheen suunnittelun ohjauksessa ja laadunvarmistuksessa. Olosuhdesimulaatiolla voidaan optimoida ja hyödyntää tehokkaasti esimerkiksi rakennuksen massaa, sijoittelua sekä passiivisia ja rakenteellisia auringonsuojauskeinoja, jotka vähentävät koneellisten energiaa kuluttavien ratkaisujen käyttöä.

Rakennussimuloinnin mahdollisuudet energiatehokkuuden optimoinnissa, osa 2.

Rakennuksessa on monia yksityiskohtia, joilla on merkitystä rakennuksen energiankulutukseen ja sisätilojen viihtyisyyteen. Se kuinka rakennuksen sisäilmasto koetaan on kovin yksilöllistä. Monelle tuttuja ilmiöitä ovat ainakin talvella asunnossa tuntuva vetoisuus tai työpaikan ylilämpeneminen kesähelteellä. Molemmissa tapauksissa tilanteeseen reagoidaan energiankulutusta lisäävällä tavalla, nostamalla asunnon lämpötilaa tai lisäämällä työtilan koneellista jäähdytystä.

Suunnitteluvaiheessa voidaan näihin asioihin vaikuttaa kustannustehokkaasti optimoimalla rakenteet, rakenteiden väliset liitokset ja käytettävät auringonsuojauskeinot. Tässä blogikirjoituksessa on esimerkkejä erilaisten tapausten tarkasteluista käyttämällä Archicad / Ecodesigner Star -ohjelmiston aurinkoanalyysia ja rakenteiden välisten liitosten kylmäsilta-analyysia.

Aurinkoanalyysi

Esimerkin aurinkoanalyysissa on tarkasteltu kolmea eri tapausta. Kaikissa tapauksissa on rakennuksen eteläsivulla sijaitsevan ikkunan tyyppi, mitat ja tekniset arvot sekä laskennan ilmastotiedot pidetty vakioina. Esimerkissä on tutkittu ikkunan rakenteellisen sijainnin ja ulkopuolisen auringonsuojauksen merkitystä auringonsäteilyyn, joka tulee lasipintojen läpi tilaan lämpökuormaksi. Lämpökuormalla on merkitystä varsinkin kesällä tilan ylilämpenemiseen ja sitä kautta jäähdytysenergian tarpeeseen.

Tapaus a) Ikkunan lasipintojen läpi tilaan tuleva lämpökuorma on simulointikohteessa vuodessa 971 kWh kun ikkuna sijaitsee julkisivupinnan kanssa samassa tasossa.

Tapaus b) Kun sama ikkuna sijaitsee keskellä rakennetta vähentää aukkopielien varjostus lasipintojen läpi tilaan tulevaa lämpökuormaa noin 7 %:a. 

Tapaus c) Kun ikkuna sijaitsee keskellä rakennetta ja lisäksi käytetään ulkopuolista markiisia vähentävät varjostavat elementit lasipintojen läpi tilaan tulevaa lämpökuormaa noin 54 %:a verrattuna alkuperäiseen tapaukseen (tapaus a). Markiisin käyttöaste, mitat, kulma ja sijainti vaikuttavat luonnollisesti merkittävästi tuloksiin. Aurinkosuojauksen vaatimukset, tekniset arvot ja käyttöprofiili tulisikin tulosten oikeellisuuden takia määrittää aina tarkasti valitun auringonsuojauksen mukaisesti.

Kylmäsilta-analyysi

Esimerkin kylmäsilta-analyysissa on tarkasteltu edellä aurinkoanalyyseissa olleita tapauksia a ja b. Esimerkissä on tutkittu ikkunan rakenteellisen sijainnin vaikutusta ulkoseinän ja ikkunan väliseen kylmäsiltaan ja liitoksen pintalämpötiloihin.

Ulkoseinärakenteena esimerkissä on betonisandwich-elementti, johon ikkuna on kiinnitetty apukarmikiinnityksellä. Laskennat on tehty yksinkertaistetulla menetelmällä, jossa on huomioitu seinärakenne, ikkunakiinnityksen apukarmi ja tiivistyskaista. Ikkunan laskennallisena karmileveytenä ja siten liitoksen syvyytenä on käytetty 150 millimetriä.

Tilanne muuttuu olennaisesti esimerkiksi, jos ikkunan kiinnitys voidaan tehdä ulkoseinän betonirunkoon niin, että apukarmia ei liitoksessa tarvita. Myös käytettävän apukarmin mitoilla ja sijainnilla eristekerroksessa on merkitystä. Muissa kuin apukarmikiinnityksissä on yleensä luotettavampaa käyttää yksityiskohtaisempaa 3-ulotteista kylmäsiltasimulointia.

Tapaus a) Ikkunan sijaitessa julkisivutasossa on apukarmiliitoksen viivamainen lisäkonduktanssi 0,069 W/mK ja liitoksen sisäpinnan lämpötila noin +13,3 ^oC

asetetuilla reunaehdoilla. Aurinkoanalyysissa tutkitun ikkunan ja laskennassa käytetyn ilmastotiedoston mukainen liitoksen kylmäsillan aiheuttama lämpöhäviö on tällöin 81,1 kWh / vuosi.

Tapaus b) Ikkunan sijaitessa ulkoseinän keskellä on apukarmiliitoksen viivamainen lisäkonduktanssi 0,045 W/mK ja liitoksen sisäpinnan lämpötila noin +18,7 ^oC

asetetuilla reunaehdoilla. Aurinkoanalyysissa tutkitun ikkunan ja laskennassa käytetyn ilmastotiedoston mukainen liitoksen kylmäsillan aiheuttama lämpöhäviö on tällöin 52,9 kWh / vuosi.

Lopuksi

Rakennus muodostuu yksityiskohdista ja yksityiskohtien hallinta niin suunnittelussa kuin työmaalla parantaa rakentamisen laatua. Blogikirjoituksen esimerkit on tarkoitettu kuvaamaan rakennussimuloinnin ja suunnitteluvaiheessa tehtävien yksityiskohtaisten tarkastelujen mahdollisuuksia.

Rakennussimuloinnin mahdollisuudet energiatehokkuuden optimoinnissa, osa 1.

Osa 1. Vuonna 2002 rakennetun omakotitalon energiatehokkuuden parantaminen

Nykytilanne

Rakennus on vuonna 2002 valmistunut omakotitalo, joka sijaitsee Joensuussa. Lämmitysmuotona on sähköinen lattialämmitys, jota tukee varaava takka ja ilmalämpöpumppu. Talossa on koneellinen ilmanvaihto lämmöntalteenotolla, jonka vuosihyötysuhde on 43 %. Kohteen lämmitettävät tilat voidaan jakaa toiminnoiltaan kolmeen osaan: Oleskelutilat, kosteat tilat ja makuuhuoneet. Näiden tilojen käyttöprofiilit poikkeavat toisistaan ja mallinnetaan sen vuoksi erillisiksi termodynaamisiksi tiloiksi. Näin tilojen lähtötiedot vastaavat käyttöä ja rakennussimulointi kuvaa mahdollisimman tarkasti rakennuksen energiatehokkuuden nykytilannetta. Rakennussimuloinnin lähtötietojen määrittäminen on esitetty kuvissa 1.-4.

Kuva 1. Simuloinnissa tarkasteltavan kohteen sijaintikoordinaatit voidaan hakea Google Mapsin avulla. Säätietoina laskennassa käytetään sijaintipaikkakunnan mukaisia tai sijaintipaikkakuntaa mahdollisimman hyvin kuvaavia säätietoja.

Kuva 2. Rakennus mallinnetaan suunnitelmien tai kohteessa tehtyjen mittausten perusteella. Lämmitettävät tilat jaetaan käyttötarkoituksiensa mukaisesti termodynaamisiksi tiloiksi ja niille luodaan todellista käyttöä tarkasti kuvaavat käyttöprofiilit.

Kuva 3. Rakenteille määritellään rakennusfysikaaliset ominaisuudet, tiiveys ja rakenteiden sekä liitosten kylmäsillat.

Kuva 4. Jokaiselle termodynaamiselle tilalle määritellään siihen vaikuttava talotekniikka ja käytettävä energialähde.

Rakennussimuloinnin tuloksena saadaan kohteen energiankulutukseksi yhteensä 25 679 kWh/vuosi. Tästä rakennuksen energiankäytöstä tuotetaan uusiutuvilla energialähteillä noin 7900 kWh/v, joka on 30,8 prosenttia rakennuksen käyttämästä energian määrästä.

Rakennuksen varaavassa takassa poltetaan vuosittain noin 6,5 irto-m3:ta koivupilkettä. Polttopuista saatavan lämmitystuoton laskennassa on varaavan takan kokonaishyötysuhteena käytetty 60 prosenttia. Tulosraportissa ilmoitettu puun energiankulutus on tässä laskelmassa takan energiantuotto tilaan (6,5 i-m3 x 1010 kWh/i-m3 x 0,6). Puun primäärienergiakertoimessa on huomioitu takan hyötysuhde jakamalla primäärienergiakerroin takan hyötysuhteella. Näin puun primäärienergian määrä vastaa kohteessa vuodessa käytettävää polttopuun määrää. Ilmalämpöpumpun lämpötuoton ja sähkönkäytön simuloinnissa on käytetty kohteessa olevan laitteen valmistajan ilmoittamia teknisiä arvoja.

Laskennassa käytetyt primäärienergian kertoimet energialähteille ovat ulkoilma 1,0, puu 1,67 (1/0,6) ja sähkö 2,2. Primäärienergiakertoimia ei tule sekoittaa rakentamismääräysten energiamuotojen kertoimiin, joita käytetään energiatodistuslaskennassa. Hiilidioksidipäästöjen osalta on laskelmassa uusiutuvat energiat oletettu päästöttömiksi yhdenmukaisesti EU:n energiapolitiikan kanssa ja sähkön hiilidioksidipäästöinä on käytetty sähkölaitoksen ilmoittamaa hiilidioksidipäästöä 264 g CO2/kWh.

Simuloinnin tarkoituksena on ollut tuottaa nykytilannetta mahdollisimman tarkasti kuvaava rakennuksen energiamalli, jota voidaan hyödyntää tulevien energiatehokkuustoimenpiteiden suunnittelussa. Tämän vuoksi simuloinnissa on käytetty energiatodistuslaskentaa yksilöidympää käyttöprofiilia ja säätietoja eikä se vastaa energiatodistuslaskennan standardikäytön arvoja. Tämän energiasimuloinnin tulosta ei voida käyttää sellaisenaan rakennuksen energiatodistuksessa.

Kohteen mallinnukseen perustuvan energiasimuloinnin tulokset vastaavat hyvin rakennuksen keskimääräistä ostoenergiankulutusta, kun simuloinnin tuloksia verrataan toteutuneisiin kulutustietoihin. Energiasimuloinnin tuloksia on esitetty kuvissa 5.-7 ja raportti on kokonaisuudessaan luettavissa linkissä Nykytilanne esimerkkiraportti.

Kuva 5. Kohteen kuukausittainen energiatase.                                                                                                          

Kuva 6. Simuloidun energiakulutuksen, kustannusten ja hiilidioksidipäästöjen jakautuminen käyttökohteittain.       

Kuva 7. Energiankulutuksen, kustannusten ja hiilidioksidipäästöjen jakautuminen energialähteittäin.                      

Toimenpiteet

Rakennuksen energiatehokkuuden parantamiseen tähtäävissä toimenpiteissä voidaan asettaa tavoitteiksi esimerkiksi energiantarpeen pienentäminen, uusiutuvien energialähteiden osuuden kasvattaminen energian käytössä, luonnonvarojen säästäminen pienentämällä primäärienergian käyttöä sekä hiilidioksidipäästöjen ja energiankäytön kustannusten alentaminen.

Rakenteellisen energiatehokkuuden parantaminen

Tässä kohteessa helpoin tapa parantaa rakenteellista energiatehokkuutta on lisätä yläpohjaan eristettä ja varmistaa rakenneosien liitosten tiiveys.

Rakennuksen yläpohja on harjaristikkorakenteinen yläpohja. Yläpohjan eristeenä on puhallusvilla (selluvilla), jonka keskipaksuus on noin 350 millimetriä. Eristetilan ja kattorakenteen välinen tuuletustila mahdollistaa yläpohjan lisäeristämisen. Tavoitetasoksi asetetaan uudisrakennuksen lämmöneristävyydelle asetettu rakentamismääräyksen taso, johon päästään puhaltamalla yläpohjaan lisää 150 millimetriä selluvillaa. Rakennuksen energiankulutus yksittäisenä toimenpiteenä tehdyn yläpohjan lisäeristämisen jälkeen on esitetty kuvassa 8.

Kuva 8. Yläpohjan lisäeristäminen vähentää tilojen lämmityksen tarvetta ja toimenpiteen vuotuinen vaikutus on energiankulutukseen -687 kWh, primäärienergiaan -1251 kWh ja hiilidioksidipäästöihin -124 kg. Toimenpide pienentää energiakustannuksia 61 €/vuosi (Vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Ilmanvaihtokoneen uusiminen

Rakennuksessa on koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto lämmöntalteenotolla. Ilmanvaihtolaitteisto on alkuperäinen ja sen uusiminen tehokkaammaksi kannattaa tehdä silloin, kun laitteisto vaatii kustannuksiltaan merkittävää korjausta tai huoltoa. Rakennuksen energiankulutus yksittäisenä toimenpiteenä tehdyn ilmanvaihtokoneen uusimisen jälkeen on esitetty kuvassa 9.

Kuva 9. Vähemmän sähköä kuluttavan ja tehokkaamman ilmanvaihtokoneen (LTO:n vuosihyötysuhde 67 %)vuotuinen vaikutus on energiankulutukseen -2271 kWh, primäärienergiaan -5016 kWh ja hiilidioksidipäästöihin -609 kg. Toimenpide pienentää energiakustannuksia 297 €/vuosi (Vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Aurinkoenergian hyödyntäminen käyttöveden lämmityksessä

Kohteessa käyttöveden lämmityksen osuus kokonaisenergian kulutuksesta on noin 20 prosenttia. Asentamalla katon etelälappeelle 6 neliömetriä tyhjiöputkikeräimiä voidaan aurinkoenergialla tuottaa noin 43 prosenttia käyttöveden lämmitykseen kuluvasta energiasta. Aurinkoenergian hyödyntäminen käyttöveden lämmityksessä nostaa uusiutuvien energialähteiden osuutta rakennuksen kokonaisenergiankulutuksessa. Energiankulutus lähteittäin yksittäisenä toimenpiteenä tehdyn aurinkokeräimien asennuksen jälkeen on esitetty kuvassa 10.

Kuva 10. Käyttöveden lämmitys aurinkoenergialla vähentää vuotuista primäärienergian määrää -2608 kWh ja hiilidioksidipäästöjä -580 kg. Toimenpide pienentää energiakustannuksia 286 €/vuosi (vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Suunniteltujen toimenpiteiden yhteisvaikutus

Kuvissa 11-13 on esitetty keskeiset tulokset, kun kohteessa suoritetaan kaikki yllä esitetyt toimenpiteet ja valaisimina käytetään pelkästään LED-valaisimia. Energiasimuloinnin raportti energiatehokkuustoimenpiteiden jälkeen on luettavissa linkissä Suunnitelma esimerkkiraportti. 

Kuva 11. Kohteen kuukausittainen energiatase energiatehokkuustoimenpiteiden jälkeen.                                       

Kuva 12. Kohteen energiankulutuksen, kustannusten ja hiilidioksidipäästöjen jakautuminen kohteittain energiatehokkuustoimenpiteiden jälkeen.

Kuva 13. Suunniteltujen toimenpiteiden vuotuinen yhteisvaikutus on energiankulutukseen -3068 kWh, primäärienergiaan -9294 kWh ja hiilidioksidipäästöihin -1421 kg. Toimenpiteet pienentävät energiakustannuksia 674 €/vuosi (Vuoden 2017 hintatasolla kohteessa).

Yhteenveto

Mikäli suunniteltujen toimenpiteiden takaisinmaksuajaksi valitaan 15 vuotta voi kokonaisinvestoinnin hinta olla vuotuisen säästön perusteella enintään 10 000 euroa, kun takaisinmaksuajassa ei huomioida jäännösarvoa, korkoa eikä sähkön hinnan nousuja (10 000 € : 674 €/v = 15 vuotta). Kustannussäästön avulla muodostettua investointibudjettia voidaan hyödyntää energiatehokkuustoimenpiteiden jatkosuunnittelussa ja hankintojen kilpailutuksessa.  

Rakennuksen energiatehokkuuden parantamiseksi on valittu keinoja, jotka ovat mahdollista toteuttaa ilman massiivisia muutos- ja korjaustöitä. Toimenpiteet vähentävät kohteen energiankulutuksen vuotuisia päästöjä yli 30 prosenttia. Toimenpiteiden jälkeisen sähkönkulutuksen aiheuttamia hiilidioksidipäästöjä voitaisiin vähentää siirtymällä uusiutuvilla energialähteillä tuotetun vihreän sähkön käyttöön.

Tässä kirjoituksessa kuvattu esimerkki kuvastaa hyvin mahdollisuuksia, joita yksityiskohtainen rakennussimulointi voi tarjota energiatehokkuuden suunnitteluun korjausrakentamisessa. Uudisrakennuksissa kustannustehokkaiden toimenpiteiden valikoima on laajempi. Energiatehokkuuden tarkastelut tulisikin tehdä mahdollisimman aikaisessa vaiheessa kohteen suunnittelua, jolloin ratkaisuihin voidaan vaikuttaa pienin kustannuksin. Uudisrakentamisen suunnitteluvaiheen mahdollisuuksista kerron lisää tulevissa blogikirjoituksissa.