1. No category

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)
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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/(m2a).
Passiivienergiatalo (P): Tilojen lämmityksen ja jäähdytyksen ominaisarvot
ovat enintään 25 kWh/(m2a).
Luokittelua voidaan tarkentaa nettoenergian osalta liittämällä
energiatehokkuusluokkaan tarkennettu nettoenergian tarve, esim. M-30 tai
P-20.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
LÄMMITYKSEN JA JÄÄHDYTYKSEN ENERGIATARPEEN
OMINAISARVOT (RIL 249-2009)
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
SUUNNITTELUPROSESSI
2. Määritellään eri vaipparakenteen ratkaisuvaihtoehdoille rakennuksen
energiantarpeen edellyttämät alustavat tekniset suunnitteluarvot:
 Lämmöneristävyys
Lämmönläpäisykerroin U (W/m2K) ilmoittaa lämpömäärän, joka
jatkuvuustilassa läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen
rakenneosan, kun lämpötilaero rakenneosan eri puolilla olevien
ilmatilojen välillä on yksikön suuruinen.
 Ilmatiiviys
Vaipan ilmanvuotoluku n50 (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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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 / RT
jossa RT on rakennusosan
kokonaislämmönvastus ympäristöstä
ympäristöön.
-20◦C
Ulkolämpötila
+20◦C
Sisälämpötila
Lämpövirta
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
RAKENNUSOSAN KOKONAISLÄMMÖNVASTUS
Kun rakennusosan ainekerrokset ovat tasapaksuja ja tasa-aineisia ja
lämpö siirtyy ainekerroksiin nähden kohtisuoraan, lasketaan
rakennusosan kokonaislämmönvastus RT kaavalla:
RT  Rsi  i 1 Ri  Rg  Rb  i 1 Rqi Rse
m
m
Rsi
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
0,13m2K/W (ylöspäin 0,10 ja alaspäin 0,17).
Rse
rakenteen ulkopuolinen pintavastus, joka ilmoittaa
rakennusosan pinnan ja ulkopuolisen ympäristön välisen rajakerroksen
lämmönvastuksen. Vaakasuoralle lämpövirralle vastuksen arvoksi
annetaan 0,04m2K/W (ylöspäin 0,04 ja alaspäin 0,04).
Ri
ainekerroksen i lämmönvastus.
Rg
rakennusosassa olevan ilmakerroksen lämmönvastus.
Rb
maan lämmönvastus.
Rqi
ohuen ainekerroksen lämmönvastus.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
AINEKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS
Ainekerroksen lämmönvastus voidaan voidaan määrittää kun tiedetään
ainekerroksen paksuus d ja lämmönjohtavuus λ:
Ri 
λ
di
i
lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo.
Suomen rakentamismääräyskokoelman mukaisissa laskelmissa
lämmönjohtavuuden suunnitteluarvoina käytetään RakMK C4:ssä
taulukoituja normaalisen lämmönjohtavuuden λn-arvoja.
EN-standardien mukaan määritettyjä λdesign-arvoja ei voida käyttää
RakMK:ssa esitettyihin laskelmiin, sillä arvot poikkeavat λnarvoista sekä määritysperusteiltaan että yleensä myös
lukuarvoltaan.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
LÄMMÖNLÄPÄISYKERTOIMEN ARVOJA (RakMK Osa C4)
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
MAAN JA SALAOJITUSKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS
(RakMK C4)
Maanvaraisen alapohjan aluejako.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
OHUEN AINEKERROKSEN LÄMMÖNVASTUS (RakMK C4)
Ohuita verraten tiiviitä ainekerroksia ovat mm. muovikalvot, rakennuspaperit, huopa- ja pahvikerrokset, joiden ilmanläpäisykerroin on enintään
10∙10-6 m3/(m2 ∙ s ∙ Pa).
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
KYLMÄSILTOJEN HALLINTA
Metalliset jäykisteet ja siteet kasvattavat U-arvoa:
 0,006 W/(m2K) kun käytetään läpimitaltaan 4 mm ruostumattomia
terässiteitä 4kpl/m2 .
 0,05 W/(m2K) kun käytetään läpimitaltaan 4 mm kuparisiteitä 4kpl/m2 .
Muuten:
Kun kylmäsillan aineen lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo poikkeaa
viereisen aineen vastaavasta suunnitteluarvosta enemmän kuin 5kertaisesti, lasketaan kylmäsilloista aiheutuva rakennusosan
lämmönläpäisykertoimen lisäys kaavalla:
 nj 
 lk 
U X   k      X j  
 A
 A
Viivamaisten ja pistemäisten kylmäsiltojen lisäkonduktanssi (Ψk ja Χk)
lasketaan tarkoitukseen soveltuvalla laskentamenetelmällä tai määritetään
kokeellisesti.
lk ja nj ovat kylmäsiltojen yhteispituus ja lukumäärä rakennusosassa, jonka
pinta-ala on A.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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/m2
• Sisäkuori ja pinnoite 150 mm, betoni
Kerros
λn
Paksuus
Ulkop. pintav.
R
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
RT = ∑
6,37
U = 1/RT + ansastus = 1/6,37 + 0,006 = 0,17
Täyttää RakMK C3 vaatimukset ulkoseinille.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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
λ
Paksuus
Sisäp. pintav.
R
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
RT = ∑
6,80
U = 1/RT = 1 / 6,80 = 0,15 < 0,16 Täyttää RakMK C3 vaatimukset.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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
f
f
f
 a  b  n
R j Raj Rbj
Rnj
fa, fb,... Epätasa-aineisessa kerroksessa
olevan tasa-aineisen osa-alueen
suhteellinen osuus ainekerroksen
kokonaispinta-alasta.
Raj, Rbj,..Epätasa-aineisessa kerroksessa
olevan tasa-aineisen osa-alueen
lämmönvastus.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
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.
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
ESIMERKKI 3: Puurunkoisen seinän lämmönläpäisykertoimen
määrittäminen – epätasa-aine (Siikanen, Rakennusfysiikka)
Seinän rakenne on sisältäpäin lukien:
125+50
Epätasa-aineinen kerros:
a) Runkotolpat ja rimat (125+50 mm)
Raj = 0,175/0,12 = 1,46
fa = 50/600
b) Mineraalivilla (125+50 mm)
Rbj = 0,175/0,045 = 3,89
fb = 550/600
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
1/Rj = 50/(600∙1,46)+550/(600∙3,89)
= 0,293
=> Rj = 3,42
ESIMERKKI 3: Puurunkoisen seinän lämmönläpäisykertoimen
määrittäminen – epätasa-aine (Siikanen, Rakennusfysiikka)
Kerros
λ
Paksuus
Sisäp. pintav.
Lastulevy
R
0,13
0,012m
0,12
0,10
Runko + eriste
3,42
Höyrynsulku
0,04
Tuulensuojalevy
0,012m
0,065
Ulkop. pintav.
0,185
0,04
RT = ∑
U = 1/RT = 1 / 3,915 = 0,26
Rakennusfysiikka – Lämmöneristävyyden suunnittelu
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
3,915