Tulosten tarkentava analyysi – Seinärakenteen lämpötilat

Tämä on yhdeksäs Aurinkoseinä -hankkeen julkaisuista. Tämä artikkeli aloittaa tulosten tarkastelun toisen vaiheen, jossa tavoitteena on tulosten tarkentava analysointi.

Kuudennessa artikkelissa ”Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin” esitettiin tuloksia seurantamittausten ja simulointien vertailusta. Ja esitettyjen tulosten perusteella vaikutti siltä, että mitatut ja simuloidut tulokset eivät vastanneet kovin hyvin toisiaan. Mittausten ja simulointitulosten eroavaisuuksien syyt haluttiin selvittää. Tässä artikkelissa käydään läpi niitä seikkoja, jotka vaikuttivat tulosten taustalla.

Hirsiseinän rakenteen lämpötiloja mitattiin antureilla, jotka asennettiin hirsiseinään porattuihin reikiin. Asennusreiät olivat läpimitaltaan 12 mm. Anturit olivat liitettyinä mittalaitteeseen tiedonsiirtokaapelilla. Anturin ja kaapelin asennuksen yhteydessä asennusreikä täytettiin mahdollisimman tiiviisti solumuovieristeellä ja asennusreiän pää tulpattiin epoksikitillä. Kaikki asennusreiät porattiin lämpimän tilan puolelta. Poikkeuksena tästä oli kuitenkin ulkopuolen pinta-anturi, joka asennettiin anturin kokoiseen syvennykseen seinän pinnassa ja varustettiin puisella anturisuojalla, joka varjosti anturin suoralta auringonsäteilyltä.

Tavoitteena oli selvittää, mittaavatko seurantamittausten lämpötilamittaukset tarkasti lämpötilaa siitä hirsiseinän rakenteen kohdasta, mihin ne oli pyritty asentamaan? Asiaa lähdettiin tutkimaan vertailemalla mittaustuloksia ja simulointituloksia sellaisena ajanhetkenä, jollaisena lämpötilajakauma seinässä pystytään ennustamaan teoreettisesti. Lämpötilajakauma seinässä pystytään ennustamaan teoreettisesti, kun ulkolämpötila pysyy pitkään mahdollisimman kylmänä ja tasaisena ja auringon säteilymäärä on mahdollisimman pieni. Näillä perusteilla tarkastelujaksoksi valikoitu 1.-4.3. ja tarkasteluhetkeksi 3.3. klo 6:00. Aamun tunteina seinärakenne on ehtinyt viilentyä edellisen päivän pienen lämpötilannousun jäljiltä. Kun ulkolämpötila säilyy pitkään lähes vakiona, voidaan olettaa, että saadut mittaus- ja simulointitulokset ovat lähellä teoreettista lämpötilajakaumaa, joka on laskettu vastaavassa sisätilan ja terassin vakiolämpötilaerossa.

Alla kuvaajassa ”Seinän lämpötilajakaumat_Versio 1” on esitetty mitatut ja simuloidut lämpötilajakaumat analyysin lähtötilanteessa. Kuvaajassa 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. Sinisillä pisteillä esitetään seurantamittausten lämpötila-anturien mittaustulokset. Näiden anturien sijaintitietona käytetään anturien asennussyvyyttä. (Asennussyvyys on se syvyys, jolle anturit pyrittiin asentamaan ja käytännössä asennusreiät porattiin näin syviksi.) Oransseilla pisteillä esitetään simulointitulokset ja niiden sijaintitietona käytetään laskennallisen rakennekerroksen keskikohdan sijaintia rakenteessa, sillä oletuksella, että laskennalliset rakennekerrokset ovat yhtä paksut. Harmaalla käyrällä ja pisteillä esitetään teoreettinen lämpötilajakauma seinärakenteessa, joka toteutuisi sisälämpötilan ja terassin lämpötilan säilyessä pitkään vakioina. Teoreettinen lämpötilajakauma on määritetty www.laskentapalvelut.fi -sivuston DOF-LÄMPÖ-laskimella sekä seurantamittauksien toteutuneilla sisälämpötilalla ja terassin lämpötilalla. (Tarkastelujaksolla terassin olosuhteet seurantamittausten tuloksissa tarkasteluhetkeä edeltävältä jaksolta 29.2.-2.3.: keskilämpötila oli 2,5 °C, minimi lämpötila oli 1,5  °C hetkellä 2.3. klo 5:00 ja maksimilämpötila 4,7 °C hetkellä 29.2. klo 12:00)

Ensimmäinen huomio tarkastelusta oli simulointitulosten lämpötilajakauman S-muoto, joka poikkeaa selvästi teoreettisesta lämpötilajakaumasta. Tämä havainnon pohjalta tutkittiin seinän simulointimallin asetuksia ja löydettiin asetus, jolla pystytään muuttamaan mallin laskennallisten rakennekerrosten paksuuksia. Perusasetuksilla mallin laskennalliset rakennekerrokset ovat ohuempia lähellä seinän ulko- ja sisäpintoja ja keskellä seinän rakennetta ne taas ovat suhteellisesti paksumpia. Seinämallin perusasetuksilla siis oletus siitä, että laskennalliset rakennekerrokset ovat yhtä paksut läpi seinän ei pidä paikkaansa.

Toinen huomio tarkastelusta oli, että seurantamittausten tulokset seinän lämpötilajakaumasta antavat siististi lineaarisen lämpötilajakauman. Seurantamittausten lämpötilajakauma on kuitenkin kauttaaltaan korkeammassa lämpötilassa kuin, missä teoreettinen lämpötilajakauma on samassa kohdassa seinää. Näistä seikoista pääteltiin, että todennäköisesti lämpötila-anturien mittaustulos kuvaa lämpötilaa hieman lähempänä seinän sisäpintaa, kuin anturien asennussyvyys. (Asennussyvyys on se syvyys, jolle anturit pyrittiin asentamaan ja käytännössä asennusreiät porattiin näin syviksi.) Tämä ilmiö saattaa johtua esimerkiksi siitä, että asennusreiän vaahtomuovitäyttöä ei ole saatu ulottumaan aivan anturille asti. On myös mahdollista, että anturin johto johtaa hieman lämpöä seinän sisäpinnan suunnasta.

Tarkempaa tulosten analyysiä varten tehtiin seuraavat korjaukset:

1. Seinän simulointimallin asetukset muutettiin siten, että laskennalliset rakennekerrokset ovat yhtä paksuja läpi seinän. Seinän simulointimallissa käytettiin lähtötilanteessa ja myös parannetussa versiossa mallia, jossa oli 27 laskennallista rakennekerrosta ja mallin tarkkuus olisi näin ollen riittävä, vaikka rakennekerrokset eivät olisi suhteellisesti tiheämmässä seinän ulko- ja sisäpintojen läheisyydessä. Perusasetuksillaan IDA ICE -mallintaa tämän kaltaisen seinän vain seitsemällä laskennallisella rakennekerroksella.
2. Jotta seurantamittaustuloksia voitaisiin hyödyntää, pyrittiin määrittämään lämpötila-antureille se syvyys, jonka lämpötilaa anturin mittaus parhaiten kuvaa. Seurantamittausten lämpötila-antureille määritettiin korjattu sijaintitieto, jota käytettiin mittaustulosten tulkinnassa asennussyvyyden sijaan.

Kun nämä korjaukset oli tehty simulointimenetelmään ja mittaustulosten analysointiin saatiin tulokset tarkasteluhetken 3.3. klo 6:00 lämpötilajakaumista tulokset, jotka on esitetty kuvaajassa ”Seinän lämpötilajaukaumat_Versio 2 Korjattu”. Mittausten ja simulointitulosten sijainnit on esitetty samalla periaattella kuin ”Versio 1” -kuvaajassa. Kuten aiemminkin sinisillä pisteillä esitetään seurantamittausten lämpötila-anturien mittaustulokset. Näiden anturien sijaintitietona käytetään anturien korjattua mittaussyvyyttä. Oransseilla pisteillä esitetään simulointitulokset ja niiden sijaintitietona käytetään laskennallisen rakennekerroksen keskikohdan sijaintia rakenteessa, sillä oletuksella, että laskennalliset rakennekerrokset ovat yhtä paksut. Oletus on nyt myös varmistettu oikeaksi. Harmaalla käyrällä ja pisteillä esitetään teoreettinen lämpötilajakauma seinärakenteessa, joka toteutuisi sisälämpötilan ja terassin lämpötilan säilyessä pitkään vakioina.

Sekä seurantamittausten että simuloinnin tuloksissa havaitaan edelleen pieniä poikkeamia teoreettiseen stationääritilanteen lämpötilajakaumaan verrattuna. Simulointituloksissa hirsiseinän sisäpinnan lämpötila on hieman matalampi kuin teoreettisessa tilanteessa. Tämä viittaisi siihen, että simuloinnissa pintavastuksen arvo seinäpinnasta sisäilmaan on hieman suurempi kuin teoreettisen lämpötilajakauman laskennassa käytetty vastaava arvo. Simulointituloksissa terassin ilman lämpötila on matalampi kuin seurantamittauksissa saatu tulos. Tarkastelujaksolla simuloinnin ja seurantamittausten terassin ilman lämpötilan tulokset eroavat jatkuvasti noin 1 °C siten, että simulointi antaa kylmemmän lukeman. Näistä eroavaisuuksista johtuen, simulointituloksista saatu seinärakenteen lämpötilajakauma jää kauttaaltaan hieman matalampaan lämpötilaan kuin seurantamittauksista saatu lämpötilajakauma.  Määritettäessä seurantamittausten lämpötila-antureille korjattuja sijaintitietoja yllä kuvattu ero tuloksissa hyväksyttiin, jotta seurantamittausten antama seinärakenteen lämpötilajakauma pysyisi oikeassa suhteessa rakenteen mitattuihin pintalämpötiloihin.

Toinen poikkeama verrattuna teoreettiseen stationääritilanteen lämpötilajakaumaan on, että sekä seurantamittausten että simuloinnin antamat seinärakenteen lämpötilajakaumat ovat hieman korkeammassa lämpötilassa seinärakenteen keskivaiheilla verrattuna rakenteen pintalämpötiloihin. Määritettäessä seurantamittausten lämpötila-antureille korjattuja sijaintitietoja myös tämä ero tuloksissa hyväksyttiin. Tämä ilmiö näkyy simulointituloksissa ja oletetaan, että seinärakenne toimii todellisuudessa simulointia vastaavasti. Ilmiö selittyy sillä, että päiväaikaan seinärakenteeseen johtuu hieman lämpöenergiaa, ulkolämpötilan kohoamisen ja terassille osuvan säteilyenergian vaikutuksesta. Auringon säteilyenergian määrä tarkastelujaksolla on vähäinen, mutta sillä on kuitenkin pieni vaikutus seinärakenteen lämpötilaan ja siitä johtuu hienoinen ero verrattuna teoreettiseen stationääritilanteen lämpötilajakaumaan.

”Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin” artikkelin analyysi suoritettiin uudelleen tällä parannetulla analyysimenetelmällä. Seinärakenteen simulointimallin asetukset korjattiin siten, että rakennekerrosten sama paksuus läpi rakenteen varmistettiin. Seurantamittausantureille käytettiin korjattua sijaintitietoa tulosten analyysissa. Nämä tulokset on julkaistu korjatussa versiossa kyseisestä artikkelista.