Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin

Tämä artikkeli on kuudes Aurinkoseinä -hankkeen julkaisuista. Tätä artikkelia ja siinä esitettyjä tuloksia on korjattu yhdeksännessä artikkelissa ”Tulosten tarkentava analyysi – Seinärakenteen lämpötilat” esitettyjen tulosten perusteella.

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.

Tarkastelemme 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 kahteenkymmeneen 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, sekä seinän sisäpuolen ja terassinpuolen pinnoilla, 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 seuraavasti: Simulointimallin rakentamisen helpottamiseksi IDA ICE -ohjelmiston materiaalikirjastosta löytyy suuri määrä rakennusmateriaaleja ja rakennusosia, joiden ominaisuudet on valmiiksi määritetty. Seinän puumateriaalin lämmönjohtavuus on valittiin koetalon mallinnuksessa perustuen hirsitoimittajan antamaan U-arvoon. Seinän puumateriaalin lämpökapasiteettina taas on käytetty IDA ICE -ohjelmiston materiaalikirjastosta löytyviä arvoja (materiaali: ”C4 2012 puu”). Ohjelmisto määrittää automaattisesti 270 mm paksulle hirsiseinälle laskentamallin, joka on jaettu seitsemään laskennalliseen rakennekerrokseen, mutta tämä asetus muutettiin siten, että laskennallisia rakennekerroksia on 27 kappaletta (Parameters: NCELLS = 27 ja NSUBLAY = 27). Ohjelmisto määrittää automaattisesti, että laskennalliset kerrospaksuudet ovat ohuempia rakenteen kummankin puolen pintojen läheisyydessä ja paksumpia rakenteen keskellä (Parameters: SUBMODE = 3), mutta tämä asetus on muutettu siten, että laskennalliset rakennekerrokset ovat yhtä paksuja läpi koko rakenteen (Parameters: SUBMODE = 0).

Johtopäätöksenä esitetyistä tuloksista voidaan todeta, että simuloidut lämpötilajakaumat seuraavat varsin tarkasti mitattuja lämpötilajakaumia. Pieniä poikkeamia voidaan havaita tuloksia vertailemalla.

Joitakin huomioita mittaus- ja simulointituloksista

Seurantamittauksista ei ole esitetty tuloksia pintalämpötilasta terassin puolelta, koska, kyseisen lämpötila-anturin asennustavasta johtuen, nämä mittaustulokset eivät ole vertailukelpoisia simulointimallin kanssa. Tämä näkyy erityisesti 18.4. klo 11:00 tilanteessa. Siihen aikaan vuorokaudesta hirsiseinän terassinpuoleinen pinta lämpenee nopeasti. Koska seurantamittauksista pinta-anturin mittaustulos puuttuu, tulee trendiviivasta varsin eri muotoinen kuin simulointitulosten trendiviiva. Vaikka 18.4. klo 11:00 tilanteessa tulosten esityksessä trendiviivan muoto ei ole samanlainen seurantamittausten ja simuloinnin tulokset ovat kuitenkin lähellä toisiaan niissä kohdissa, joissa tulokset saatiin kummastakin.

Seurantamittausten tulokset antavat korkeamman lämpötilan terassille 18.4. klo 17:00 tilanteessa ja hieman korkeampia lämpötiloja seinärakenteen sisätilan puoleisella puoliskolla 18.4. klo 23:00 sekä 19.4. klo 5:00.

Terassin lämpötiloista on lisäksi mainittava, että mitatuissa ja simuloiduissa tuloksissa on eroavaisuuksia. Ne voidaan kuitenkin todennäköisesti 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

Tämän artikkelin alkuperäisessä versiossa tarkasteltiin seinälämpötiloja pidemmältä tarkastelujaksolta. Seuraavana ja viimeisenä vaiheena Aurinkoseinä -hankkeen tulosten analyysissä ja julkaisussa on tarkastella tuloksia energiankulutuksesta koko seurantamittausjakson pituudelta helmikuusta kesäkuulle asti. Samassa yhteydessä tehdään tarkentava analyysi seinärakenteen lämpötiloista pitemmältä tarkastelujaksolta.

Päätelmät

Tämän tarkemman analyysin jälkeen johtopäätökseksi jää, että tarkastelun kohteena olevan vuorokauden osalta simuloidut hirsiseinän rakenteen lämpötilat vastaavat varsin hyvin seurantamittauksissa saatuja tuloksia.