Tämä artikkeli on kahdeksas Aurinkoseinä -hankkeen julkaisuista.
Artikkelissa Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin havaittiin, että mitattujen tulosten ja simulointitulosten välillä näyttäisi olevan eroa. Tuloksia tarkasteltiin mittausjaksolta 14.4.-24.4.2024. On syytä selvittää, miten simulointimallissa käytettävät asetukset ja materiaaliominaisuudet vaikuttavat simulointien tuloksiin. Herkkyystarkastelulla voidaan selvittää, minkälainen vaikutus eri asetusten muuttamisella on. Sitä kautta voidaan arvioida, onko tuloksiin mahdollisesti vaikuttanut asetusten virhe. Kysymys kuuluu siis, voidaanko simulointimallin tarkkuutta parantaa sen asetuksia muuttamalla?
Simulointimallin perusasetukset
Herkkyystarkasteluissa vertailu tehdään simulointimallin perusasetuksilla ajettuun simulaatioon. Perusasetukset ovat seuraavat: Seinän puumateriaalin lämmönjohtavuus on määritetty perustuen hirsitoimittajan antamaan U-arvoon ja se on 0,119 W/(m K). Seinän puumateriaalin ominaislämpökapasiteettina taas on käytetty IDA ICE -ohjelmiston materiaalikirjastosta löytyviä arvoja (materiaali: ”C4 2012 puu”). Puun ominaislämpökapasiteetti on 1600 J/(kg K). Ohjelmisto määrittää automaattisesti 270 mm paksulle hirsiseinälle laskentamallin, joka on jaettu seitsemään laskennalliseen rakennekerrokseen.
Simulointimallin asetuksista
Simulointimallin asetuksista tarkasteltiin sitä, miten moneen laskennalliseen kerrokseen hirsiseinän rakenne jaetaan. Lähtötilanteessa simulointimallin perusasetuksilla hirsiseinä mallinnetaan seitsemällä kerroksella. Tämä tarkoittaa sitä, että seinän matemaattisessa mallissa on syvyyssuunnassa seitsemän lämpökapasiteettia, joiden välillä vaikuttaa lämpövastus. Vertailua varten simuloinnit suoritettiin seinän mallilla, joka on jaettu kahteenkymmeneen seitsemään laskennalliseen kerrokseen. Simulointien tulokset olivat käytännössä identtiset seitsemällä ja kahdellakymmenellä seitsemällä laskennallisella kerroksella. Koska laskennallisten kerrosten lukumäärällä ei näyttäisi olevan vaikutusta simuloinnin tuloksiin ja koska kahdellakymmenellä seitsemällä laskennallisella kerroksella saadaan tarkemmin tulokset juuri niiltä syvyyksiltä, jolta seurantamittaukset on mitattu, päätettiin tässä kuvattavat simuloinnit suorittaa kahdenkymmenen seitsemän laskennallisen kerroksen seinämallilla.
Hirren ominaislämpökapasiteetin vaikutus
Simulointimallin lähtötiedoista tutkittiin hirren ominaislämpökapasiteetin vaikutusta tuloksiin, koska tämä ominaisuus saattaa puun osalta vaihdella. Arvoon voi vaikuttaa käytetyn puumateriaalin lisäksi puun kosteuspitoisuus. IDA ICE -ohjelmistossa puun ominaislämpökapasiteetiksi on annettu arvo 1600 J/(kg K), mutta esimerkiksi puuinfo.fi -sivustolla annetaan tieto: ”Männyn ja kuusen keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti välillä +0-100 °C on 2300 J/(kg K)”. Käyrästössä ”Hirsiseinä_mitattu ja simuloitu_140424-240424_Lämpökapasiteetin vaikutus” käyrät ”SIMULOITU NC27_c2.2k” esittävät tulokset, jotka simulointimalli antaa, kun hirren ominaislämpökapasiteetiksi asetetaan 2240 J/(kg K). Käyrästössä esitetään myös mitatut lämpötilat sekä perusasetuksilla simuloinnista saadut lämpötilatulokset. Ominaislämpökapasiteetin arvolla 2240 J/(kg K) simulointimallin antamat tulokset eivät ole juurikaan lähempänä mitattuja tuloksia kuin simuloinnin tulokset silloin, kun ominaislämpökapasiteetiksi asetetaan 1600 J/(kg K). Mitattua lämpötilan vaihtelua simulointimallin tulokset seuraavat tällöin huonommin.
Hirren lämmönjohtavuuden vaikutus
Simulointimallin lähtötiedoista tutkittiin myös hirren lämmönjohtavuuden vaikutusta tuloksiin, vaikka voitaisiin olettaa, että sen arvo on hirsivalmistajan tarkasti määrittämä, koska sitä käytetään energialaskennassa tärkeänä lähtötietona. Vertailua varten tehtiin simuloinnit pienemmällä ja suuremmalla hirren lämmönjohtavuuden arvolla ja nämä olivat 0,095 W/(m K) sekä 0,143 W/(m K) vastaavasti. Käyrästössä ”Hirsiseinä_mitattu ja simuloitu_140424-240424_Lämmönjohtavuuden vaikutus” esitetään vertailun tulokset. Käyrät ”SIMULOITU L0.09_NC27” näyttävät tulokset pienemmällä lämmönjohtavuuden arvolla, kun taas käyrät ”SIMULOITU L0.14_NC27” näyttävät tulokset suuremmalla lämmönjohtavuuden arvolla. Käyrästössä esitetään myös mitatut lämpötilat sekä perusasetuksilla simuloinnista saadut lämpötilatulokset. Voidaan havaita, että lämmönjohtavuuden muuttaminen vaikuttaa simuloinnin tuloksiin vain vähän. Vertailusimulointien tulokset eivät seuraa mittaustuloksia paremmin kuin perusasetuksilla tehty simulointi.
Päätelmät
Simulointimallin asetusten tai valittujen materiaaliominaisuuksien muuttaminen ei vaikuttanut merkittävästi simulointituloksiin hirsiseinän rakenteen lämpötilojen osalta. Simulointimallin tulokset eivät seuraa kovin tarkasti seinän sisältä mitattuja lämpötiloja.
Tulosten luotettavuuden arvioimiseksi, on tarpeellista arvioida hirsiseinän rakenteen lämpötilamittausten mahdollista virhettä. Saadaanko mittausjärjestelyllä todella mitattua lämpötila rakenteen siitä kohdasta, johon anturi on sijoitettu, vai aiheuttaako mittausjärjestely itsessään virhettä mittaustuloksiin? Johtuuko lämpöä anturia varten poratun reiän kautta, vaikka anturireikä onkin täytetty solumuovieristeellä ja tiivistetty? Mittausten luotettavuutta voidaan arvioida vertailemalla simulointituloksia mittaustuloksiin kylmän sään stationaaritilanteessa, jossa ulko- ja sisälämpötilat säilyvät vakioina. Lämpötilat seinän rakenteessa asettuvat silloin tiettyyn pysyvään lämpötilaan ja tuloksia vertailemalla voidaan tarkistaa antaako lämpötila anturi oikean lämpötilan, joka vastaa sen sijoitussyvyyttä rakenteessa.
Jos oletetaan, että nämä tulokset ovat paikkansa pitävät, eli simulointimalli ei ole tarkka kuvaamaan hirsiseinän rakenteen sisälämpötiloja, silloin voitaisiin olettaa, että myös tuloksissa energiankulutuksesta voi olla eroja simuloidun ja mitatun välillä. Lämmitysenergian kulutus -tulosten vertailussa oli viitettä siihen suuntaan, että simulointimalli aliarvioi sitä, miten paljon auringon lämpöä sitoutuu rakenteisiin. Ilmiö ei ollut kuitenkaan selkeä melko lyhyellä 14.4.-24.4.2024 tarkastelujaksolla. On syytä tehdä vastaava tarkastelu pidemmälle mittausjaksolle, jotta saadaan varmempia johtopäätöksiä.
Näiden tarkentavien tarkastelujen tulokset julkaistaan lähiaikoina.