Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin

Tämä artikkeli on kuudes Aurinkoseinä -hankkeen julkaisuista.

Koetalon seurantamittauksista saatua dataa voidaan vertailla IDA ICE -simulointimallin antamiin tuloksiin, ja niin saadaan käsitys siitä, miten hyvin simulointimalli ja rakennuksen todellinen toiminta käyvät yksiin. IDA ICE -ohjelmistolla pystytään mallintamaan rakennusten energiateknistä toimintaa siten, että rakennuksen ja ympäristön olosuhteiden ominaisuudet huomioidaan mallissa varsin tarkasti. Energiankulutuksen lisäksi tuloksina saadaan mm. lämpötilat tiloissa ja rakenteissa ja tuloksia voidaan tarkastella tuntitasolla. Tässä tekstissä pureudutaan tarkemmin IDA ICE -mallin antamiin tuloksiin hirsiseinän rakenteen lämpötiloista.

Tässä tarkastellaan tuloksia koetalon eteläseinän alemmalta mittauspisteeltä. Tämän mittauspisteen sijainti on merkitty koetalon simulointimallin kuvaan punaisella nuolella. Mittauspisteellä on sijoitettu lämpötila-anturit seinän sisään eri syvyyksille. Simulointimallista saadaan vastaavat tulokset seinän rakenteen lämpötiloista. Simulointimallissa hirsiseinä on jaettu seitsemään kerrokseen, joiden lämpötiloja voidaan tarkastella. Mittausjaksolla auringon kulma on sellainen, että mittauspisteen alueelle tulee varjostusta vain talon rakenteista. Terassille sijoitettu anturitelineenä toimiva pieni pöytä ei mainittavasti varjosta tarkasteltavaa seinän aluetta.

Vuorokauden lämpötilajakaumat

Analysoidaan tarkemmin vuorokautta 18.4.2024, jonka mittaustuloksia hirsiseinän lämpötiloista esitettiin jo aiemmassa artikkelissa. Vuorokausi on aurinkoinen, ja terassivyöhykettä hyödynnetään keräämään auringon lämpöä (lasitukset suljettuina). Ulkolämpötila on ollut aiempina päivänä lähellä nollaa ja päivät ovat olleet pilvisiä. Kuvaajissa alla on esitetty hirsiseinän lämpötilajakaumat eteläseinän alemmalta mittauspisteeltä 18.4.2024. Lämpötilajakaumat esitetään vuorokauden ajalta klo 5:00, 11:00, 17:00 ja 23:00 siten, että voidaan hahmottaa hirsiseinän lämpötilojen muutos vuorokauden ajasta riippuvana. Viimeisessä kuvaajassa on esitetty tilanne 19.4. klo 5:00.

Kuvaajissa on esitetty lämpötilamittausten ja simulointitulosten sijainnit seuraavasti: punertavalla pohjalla huonelämpötila, keltaisella pohjalla lämpötilat hirsiseinän sisältä (x-akselilta voidaan lukea havaintopisteen etäisyys seinän sisäpinnasta millimetreissä), vihreällä pohjalla terassivyöhykkeen lämpötila sekä sinisellä pohjalla ulkolämpötila. X-akselin lukemat pätevät vain hirsiseinän sisällä sijaitsevien mittapisteiden osalta. Jokaisessa kuvaajassa on esitetty saman ajankohdan tulokset seurantamittauksista ja simuloinnista. Simuloinnin tulosten käyrän otsikon jäljessä on merkintä ”SIM”. Tulosten kuvaajissa on piirretty trendiviivat havaintopisteiden välillä havainnollistamaan lämpötilajakauman luonnetta. Trendiviiva ei kuitenkaan kaikissa olosuhteissa kuvaa sitä, mikä on todellinen lämpötilajakauma. Vain havaintopisteet esittävät suoraan saatuja tuloksia.

Simulointimallin seinärakenteen asetukset on määritetty niin, miten IDA ICE ohjelmiston käyttäjä ne yleensä määrittelisi. Simuloinnit suoritettiin IDA ICE versiolla 5.0.0.1 Standard. Simulointimallin rakentamisen helpottamiseksi ohjelmiston materiaalikirjastosta löytyy suuri määrä rakennusmateriaaleja ja rakennusosia, joiden ominaisuudet on määritetty. Näitä valmiiksi määritettyjä materiaaleja ja komponentteja käyttäen simulointimallin rakentaminen on nopeaa ja siksi simulointimalli rakennetaan yleensä niiden avulla. Seinän puumateriaalin lämmönjohtavuus on määritetty perustuen hirsitoimittajan antamaan U-arvoon. Seinän puumateriaalin lämpökapasiteettina taas on käytetty IDA ICE ohjelmiston materiaalikirjastosta löytyviä arvoja (materiaali: ”C4 2012 puu”). Seinän simulointimallin asetuksina käytetään muuten IDA ICE ohjelmiston perusasetuksia. Ohjelmisto määrittää automaattisesti 270 mm paksulle hirsiseinälle laskentamallin, joka on jaettu seitsemään laskennalliseen rakennekerrokseen.

Johtopäätöksenä esitetyistä tuloksista voidaan todeta, että simuloidut lämpötilajakaumat eivät seuraa kovin tarkasti mitattuja lämpötilajakaumia. Erityisesti seinärakenteen terassin puoleisella puoliskolla eroa simuloitujen ja mitattujen tulosten välillä on paljon. Simulointimallissa seinärakenteen lämpötilat reagoivat nopeammin olosuhteiden muutoksiin. Seinän keskikohdassa simulointimalli antaa koko vuorokauden ajalta alemman lämpötilan verrattuna mitattuun. Huoneen puoleisella seinän puoliskolla simulointi antaa hienoisesti alempia lämpötiloja kuin mittaukset.

Joitakin huomioita mittaus- ja simulointituloksista

On huomion arvoista, että seurantamittausten lämpötila-anturit mittaavat suoraan ympäristönsä lämpötilaa, kun taas simulointituloksina saadaan hirsiseinän sisältä vastaavan rakennekerroksen keskimääräinen lämpötila. Erityisesti lähellä seinärakenteen terassin puoleista ulkopintaa, yksittäisiä mittauspisteitä verrattaessa, tästä lämpötilojen määritystapojen erosta tulee, tietyissä olosuhteissa, eroa saatuihin tuloksiin. Esimerkiksi, kun aurinko lämmittää seinän pintarakenteen nopeasti, ei lämpötilan nousu näy välittömästi seurantamittausanturilla, joka sijaitsee 25 mm ulkopinnasta sisään päin. Toisaalta simulointitulokset laskevat rakennekerroksen keskimääräistä lämpötilaa, jossa seinän ulkopintaan sitoutuva energia näkyy suoraan rakennekerroksen keskimääräisessä lämpötilassa. Tämä ilmiö selittää osittain 18.4. klo 11:00 havaittua suurta eroa mitatun ja simuloidun lämpötilajakauman välillä.

Terassin lämpötiloista on lisäksi mainittava, että mitatuissa ja simuloiduissa tuloksissa on eroavaisuuksia. Ne voidaan kuitenkin selittää suurelta osin sillä, miten simulointimallin antama lämpötila määritetään. Seurantamittauksen lämpötila terassilta mitattiin noin 1,5 metrin korkeudelta ja melko keskeltä terassin eteläistä osaa. Lämpötila-anturi on suojattu auringon säteilyltä, mutta se mittaa paikallista lämpötilaa. Simulointimalli taas antaa tuloksena koko terassin ilmatilan keskimääräisen lämpötilan.

Pidemmän tarkastelujakson tulokset

Mitattuja lämpötiloja ja simuloinnin tuloksia esitetään seuraavaksi pidemmältä jaksolta. Tarkasteltavaksi otetaan lämpötila hirsiseinän keskellä eli 135 mm sisäpinnasta ulospäin. Lisäksi tarkastellaan lämpötilaa hirsiseinän terassinpuolen pintakerroksessa. Oheisessa käyrästössä on esitetty mitatut lämpötilat ja simuloidut lämpötilat eteläseinän alemman mittauspisteen kohdalta jaksolle 14.4.-24.4.2024. Käyrästössä esitetään myös säätietoja sekä terassin ja huoneen mitatut ja simuloidut lämpötilat kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Huomataan, että mitattu lämpötila seinän keskeltä (MITATTU Seinä 135mm E.A.) ja simuloitu lämpötila (SIMULOITU Seinä 135mm E.A.) antavat eroavia tuloksia ja tulosten ero näyttää kasvavan tarkastelujaksolla. Huomataan myös, että seinän terassin puolen pintakerroksen tulokset, mitattu lämpötila (MITATTU Seinä 245mm E.A.) ja simuloitu lämpötila (SIMULOITU Seinä 251mm E.A.), eroavat toisistaan paljon. Lämpötilan vaihteluväli vuorokauden aikana on simuloinnin tuloksissa paljon suurempi ja simuloitu lämpötila reagoi olosuhteiden muutoksiin nopeammin, kuin mitattu lämpötila.

Tuloskäyrästö: Hirsiseinä_etelä alempi_mitattu ja simuloitu data_IDA perusaset_140424-240424

Päätelmät

Mittaustulosten ja simulointitulosten vertailun perusteella vaikuttaisi siltä, että kyseisillä simulointimallin perusasetuksilla mallin tulokset eivät seuraa kovin tarkasti seinän sisältä mitattuja lämpötiloja. Onkin syytä tutkia minkälainen vaikutus tuloksiin on sillä, että materiaaliominaisuuksia ja asetuksia simulointimallissa muutetaan.

Aurinkoseinä-tyyppisessä julkisivussa aurinkoenergian sitoutumisella seinärakenteeseen saattaa olla suuri vaikutus rakennuksen energiankulutukseen. Siksi seinärakenteen mallinnuksen yksityiskohdat voivat vaikuttaa merkittävästi myös simuloituun lämmitysenergiantarpeeseen. Simulointimallin toiminnan varmentamiseksi on syytä vertailla koerakennuksessa mitattua ja simuloitua lämmitysenergian kulutusta.

Näitä teemoja tullaan käsittelemään seuraavissa artikkeleissa.