Lämmitysenergian kulutus ja hirsiseinän lämpötilat – tulokset ja johtopäätökset

Tämä artikkeli on kymmenes ja viimeinen Aurinkoseinä -hankkeen julkaisuista.

Artikkelin sisältö:

1. Johdanto
     1.1 Koetalon terassin lasitukset, kaihtimet ja verhot
2. Tuloskäyrästöt
3. Analyysi energiankulutusten vertailusta
     3.1 Koetalon olosuhteet simuloinneissa
     3.2 Säteilydata simuloinneissa
     3.3 Koetalon rakenteiden U-arvot simuloinneissa
4. Tulokset seinärakenteen lämpötiloista pidemmältä tarkastelujaksolta
5. Yhteenveto johtopäätöksistä

1. Johdanto

Tässä artikkelissa esitetään tulokset koetalon mitatun lämmitysenergiankulutuksen ja simuloidun lämmitysenergiankulutuksen vertailusta. Lämmitysenergiankulutuksen lisäksi vertailtiin toteutuvia sisälämpötiloja. Nämä tulokset täydentävät seitsemännessä artikkelissa ”Lämmitysenergian kulutus – alustavat tulokset” esitettyjä tuloksia. Koetalolta mitattua säädataa on analysoitu tarkemmin ja koetalon rakenteiden simuloinnissa käytettäviä U-arvoja on tarkennettu. Artikkelin lopussa käydään läpi niitä menetelmiä, jota on käytetty tulosten tarkempaan analysointiin. Myös tuloksiin liittyviä epävarmuustekijöistä kerrotaan, jotta lukija voi huomioida ne tuloksien tulkinnassa.

Aurinkoseinä -hankkeen IDA ICE -simulointitulosten ja koetalon seurantamittausten vertailussa on tutkittu erityisesti sitä, miten hyvin simulointimalli huomioi auringon säteilyenergian vaikutuksen massiivisen seinärakenteen ja terassivyöhykkeen yhdistelmää mallinnettaessa. Tulosten tarkastelussa kiinnitetään siis erityisesti huomiota tähän osa-alueeseen. Tuloksia on analysoitu muun muassa seuraavista näkökulmista:

• Erottuvatko aurinkoiset päivät vertailussa pilvisistä päivistä?
• Onko termisen massan aikavaste samanlainen simulointituloksissa ja mittauksissa?
  Toisin sanoen: Eroavatko aurinkoista päivää seuraavan yön tai seuraavien vuorokausien tulokset simuloinnissa ja mittauksissa? Jakautuuko lämmitystehontarve samalla tavalla vuorokauden tunneille simuloinnissa ja mittauksissa?

Lämpimään vuodenaikaan samoja ilmiöitä voidaan tarkastella vertailemalla sisälämpötilan simulointi- ja mittaustuloksia.

Tulokset energiankulutuksesta ja sisälämpötiloista esitetään tarkastelujaksolta 14.4.-30.6.2024. Tarkastelujakso on jaettu sopivan mittaisiin aikajaksoihin, joilta tulokset esitetään käyrästöissä. Kunkin aikajakson koetalon mittausjärjestelystä annetaan lyhyt kuvaus. Lisäksi esitetään koko aikajaksolta laskettuja tuloksia energiankulutuksesta ja lämpötiloista. Tulokset esitetään tuntitasolla sekä vuorokausisummina ja vuorokauden keskilämpötiloina.

Viimeisenä esitetään tarkempaan analyysiin pohjautuen vertailun tulokset seinärakenteen lämpötiloista pidemmältä tarkastelujaksolta. Tässä palataan tuloksiin, joita julkaistiin ensimmäisen kerran kuudennessa artikkelissa ”Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin” ja niistä esitetään tarkempi analyysi.

1.1 Koetalon kokoonpano, terassin lasitukset, kaihtimet ja verhot

Koetalon geometriassa etelä-, itä- ja länsijulkisivuilla on lasitettu terassivyöhyke ja pohjoisjulkisivun seinä on hyvin eristetty. Ulkoseinien perusrakenne on 27 cm paksu hirsiseinä. Pienellä rakennusmassalla ja suurella terassivyöhykkeellä saadaan korostettua julkisivujen vaikutusta energiataloudessa. Tällaisella kokoonpanolla aurinkoseinän vaikutus saadaan koetalossa mahdollisimman hyvin mitattavaksi.

Terassivyöhykkeellä ei ole lämmityslaitteita. Lämmin huone keskellä pidetään jatkuvasti 21 °C lämpötilassa. Koetalossa on koneellinen poistoilmanvaihdolla, jossa raitisilma otetaan terassivyöhykkeen kautta. Raitisilma lämpenee terassivyöhykkeellä ja siten saadaan tuotua lämpimämpää tuloilmaa lämmitettyyn huoneeseen.

Ohessa on kuvat koetalosta ja terassivyöhykkeestä. Kuvassa ”Terassin lasituksen tuuletusaukot” on havainnollistettu terassin tuuletuksessa käytetyt lasituksen aukot. Vihreällä on väritetty tuuletusaukot, joita käytetään, kun terassivyöhykettä käytetään viilentämään taloa. Punaisella on väritetty tuuletusaukot, joita käytetään, kun terassivyöhyke on täysin tuulettuvana.

2. Tuloskäyrästöt

Jakso 1: 14.4.–24.4.2024

Jakson pituus:                                                      11 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila:                                 -0,2 °C

Jaksolla terassivyöhykettä käytetään siten, että se lämmittää taloa.*

Käytästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

Jakso 2: 25.4.–1.5.2024

Jakson pituus:                                                      7 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila:                                 5,1 °C

Jaksolla terassivyöhyke pidetään täysin tuulettuvana, eli terassilasituksista 1/3 on auki ja kaihtimet ovat auki. (kts. kuva ”Terassin lasituksen tuuletusaukot”)

Vertailujakso, jolla terassin lasitukset ovat auki, havainnollistaa terassivyöhykkeen vaikutusta lämmitystarpeeseen. Vaikka ulkoilman keskilämpötila on 5 astetta korkeampi kuin edellisellä jaksolla on tällä jaksolla vuorokauden keskimääräinen lämmitystarve suurempi kuin edellisellä jaksolla.

Käyrästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

Jakso 3: 2.5.–14.5.2024

Jakson pituus:                                                     13 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila                                 7,1 °C

Jaksolla terassivyöhykettä käytetään siten, että se lämmittää taloa.*

Käyrästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

Jakso 4: 15.5.–30.5.2024

Jakson pituus:                                                    16 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila:                               16,9 °C

Jaksolla 15.–17.5. terassivyöhykettä käytetään siten, että se lämmittää taloa.* Terassin lämmittävää vaikutusta rajoitetaan kuitenkin pitämällä eteläjulkisivun kaihtimet aina kiinni.

Jaksolla 18.–30.5. terassivyöhykettä käytetään viilentämään taloa.**

Käyrästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

Jakso 5: 31.5.–12.6.2024

Jakson pituus:                                                    13 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila:                               15,3 °C

Jaksolla 31.5.–5.6. terassivyöhykettä käytetään viilentämään taloa.**

Jaksolla 6.–12.6. terassivyöhykettä käytetään siten, että se lämmittää taloa.* Terassin lämmittävää vaikutusta rajoitetaan kuitenkin pitämällä eteläjulkisivun kaihtimet aina kiinni sekä asettamalla länsijulkisivun kaihdinten avautuminen myöhäisemmäksi.

Käyrästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

Jakso 6: 13.6.–19.6.2024

Jakson pituus:                                                     7 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila:                               15,8 °C

Jaksolla terassivyöhyke pidetään täysin tuulettuvana, eli terassilasituksista 1/3 on auki ja kaihtimet ovat auki. (kts. kuva ”Terassin lasituksen tuuletusaukot”)

Vertailujakso, jolla terassin lasitukset ovat auki, havainnollistaa terassivyöhykkeen vaikutusta lämmitystarpeeseen. Vaikka ulkoilman keskilämpötila on hieman korkeampi kuin edellisellä jaksolla, on tällä jaksolla vuorokauden keskimääräinen lämmitystarve selvästi suurempi kuin edellisellä jaksolla. Terassilasituksia jouduttiin sulkemaan 18.6. yön ajaksi sateisen sään takia. Siitä johtuvat terassin ja huoneen korkeammat mitatut lämpötilat kyseisenä vuorokautena.

Käyrästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

Jakso 7: 20.6.–30.6.2024

Jakson pituus:                                                     11 vuorokautta
Ulkoilman keskilämpötila:                               18,3 °C

Jaksolla 20.–23.6. terassivyöhykettä käytetään siten, että se lämmittää taloa.* Terassin lämmittävää vaikutusta rajoitetaan kuitenkin pitämällä eteläjulkisivun kaihtimet aina kiinni sekä rajoittamalla länsikaihdinten auki-jakson pituutta.

Jaksolla 24.–30.6. terassivyöhykettä käytetään viilentämään taloa. Terassin lasituksilla käytetään kaihdinten ja paksujen verhojen yhdistelmää. Verhot ovat aina kiinni. Terassia tuuletetaan pitämällä lasituksia osittain auki. Terassivyöhykkeellä pidetään jatkuva tuuletus lasitusaukkojen reunoille jätettävillä tuuletusraoilla, jotka ovat 4% lasitusalasta. (kts. kuva ”Terassin lasituksen tuuletusaukot”)

Käyrästö vuorokausituloksista:

Käyrästö tuntitason tuloksista:

*  Lämmitysasetukset: Kaihtimet ohjataan aikaohjelmalla. Kaihtimet ohjataan avautumaan, kun auringon korkeus ja kulma ovat sellaiset, että auringon suora säteily osuu kyseiselle julkisivulle alle 45 asteen kulmassa. Ohjaus huomioi auringon kulman, mutta ei todellista auringon säteilyn määrää. Toisin sanoen esimerkiksi pilvisyyttä ei huomioida ohjauksessa. Kaihtimet avautuvat aikaohjauksella, vaikka todellinen auringon säteilymäärä olisi alhainen.

** Viilennysasetukset: Kaihtimet ohjataan aikaohjelmalla. Kaihtimet ohjataan sulkeutumaan silloin, kun auringon suora säteily osuu julkisivulle. Muuten kaihtimet pidetään auki. Ohjaus huomioi auringon kulman, mutta ei todellista auringon säteilyn määrää. Toisin sanoen esimerkiksi pilvisyyttä ei huomioida ohjauksessa. Kaihtimet sulkeutuvat, vaikka sää olisi pilvinen. Terassivyöhykkeellä pidetään jatkuva tuuletus lasitusaukkojen reunoille jätettävillä tuuletusraoilla, jotka ovat 4% lasitusalasta. (kts. kuva ”Terassin lasituksen tuuletusaukot”)

3. Analyysi energiankulutusten vertailusta

Kuten artikkelin alussa todettiin, Aurinkoseinä -hankkeen tutkimuksessa tutkitaan erityisesti sitä, miten hyvin simulointimalli huomioi auringon säteilyenergian vaikutuksen massiivisen seinärakenteen ja terassivyöhykkeen yhdistelmää mallinnettaessa.

Käydään läpi oleelliset kysymykset tulosten analyysissä.

Erottuvatko aurinkoiset päivät vertailussa pilvisistä päivistä?

• Erityistä eroavaisuutta aurinkoisten ja pilvisten päivien vertailutulosten välillä ei havaittu.

Onko termisen massan aikavaste samanlainen simulointituloksissa ja mittauksissa? Toisin sanoen: Eroavatko aurinkoista päivää seuraavan yön tai seuraavien vuorokausien tulokset simuloinnissa ja mittauksissa? Jakautuuko lämmitystehontarve samalla tavalla vuorokauden tunneille simuloinnissa ja mittauksissa?

• Simulointitulosten ja mittausten lämmitysenergiantarpeen jakautuminen vuorokauden tunneille näyttäisi vastaavan hyvin toisiaan. Tuloksissa ei ole havaittavissa eroavaisuuksia sen suhteen, mikä on lämmitysenergiantarve aurinkoista päivää seuraavina tunteina tai vuorokausina.

Lämpimään vuodenaikaan samoja ilmiöitä voidaan tarkastella vertailemalla sisälämpötilan simulointi- ja mittaustulosten vastaavuutta.

Selkeimmät eroavaisuudet, joita simulointitulosten ja mittaustulosten vertailussa havaittiin, ovat kesäkuun loppupuolen sisälämpötiloissa jaksolla 20.–30.6.. Erityisesti päiväajan sisälämpötila näyttää käyttäytyvän eri tavalla simuloinnissa ja mittauksissa. Kun terassia käytetään lämmitykseen 20.–23.6., on sisälämpötila selkeästi korkeampi mittauksissa verrattuna simulointiin. Kun taas terassia käytetään viilennykseen, pysyttelee sisälämpötila mittauksissa selkeästi matalampana kuin simuloitu lämpötila. Näiden havaintojen perusteella näyttäisi siltä, että kesäaikaan simulointi ei kuvaa terassivyöhykkeen vaikutusta aivan tarkasti. Terassivyöhykkeen viilentävä vaikutus kesän olosuhteissa saattaa olla hieman voimakkaampi todellisuudessa kuin simulointimallissa.

Vuorokausiarvoissa havaitaan joitakin vuorokausia, joiden aikana simuloidussa ja mitatussa energiankulutuksessa on suhteellisen suuri ero. Nämä poikkeavat vuorokaudet eivät noudata mitään kaavaa sen suhteen, millaiset ovat säteilyarvot tai vuorokauden keskilämpötila silloin, kun eroja tuloksissa esiintyy. Todennäköisin syy näille poikkeamille tuloksissa on epätarkkuudet simuloinnissa käytetyssä auringon säteilyn datassa. Seuraavaksi annetaan tarkempaa tietoa simuloinneissa käytettävän olosuhdedatan epävarmuuksista.

3.1 Koetalon olosuhteet simuloinneissa

Simuloinneissa käytettävällä säädatalla on kuvattu koetalon todellisia olosuhteita mahdollisimman tarkasti. Simuloinnissa käytetty säädata perustuu osittain mittauksiin koetalolla ja osittain Jyväskylän lentoaseman sääaseman havaintoihin (www.ilmatieteenlaitos.fi/havaintojen-lataus). Koetalo sijaitsee noin 55 kilometriä länteen Jyväskylän lentoasemalta.

Säädatan lähteet ovat seuraavat:

Ulkoilman lämpötila: mittaukset koetalolla

Suhteellinen kosteus: Jyväskylän lentoaseman havainnot

Tuulen suunta: Jyväskylän lentoaseman havainnot

Tuulen nopeus: Jyväskylän lentoaseman havainnot

Auringon suora säteily: Jyväskylän lentoaseman havainnot tarkennuksin, kts. alla

Auringon hajasäteily: Jyväskylän lentoaseman havainnot tarkennuksin, kts. alla

3.2 Säteilydata simuloinneissa

Tutkimuksessa oli tavoitteena saada mitattu auringonsäteilydata koetalolta. Mittausten toteutus ei kuitenkaan onnistunut tältä osin, joten säteilydatana jouduttiin käyttämään Jyväskylän lentoaseman havaintodataa. Säteilydataa pyrittiin tarkentamaan niin, että se vastaisi mahdollisimman hyvin koetalon toteutuneita olosuhteita.

Säteilydatan tarkentamista varten koetalon säteilyolosuhteita mitattiin seurantamittauksissa epäsuoralla mittauksella, joka perustuu lämpötilamittauksiin. Ulkolämpötilan mittauksen lisäksi mitattiin vertailulämpötila, joka antaa korkeampia lukemia silloin, kun auringon säteilyn määrä on suurempi. Vertailulämpötila mitattiin mustan, auringon säteilylle alttiina olevan ja tuulettamattoman, anturikotelon sisältä. Ulkolämpötilaa ja tällaista vertailulämpötilaa vertaamalla voidaan arvioida mittaushetkellä vallitsevaa auringon säteilyn määrää. Jyväskylän lentoaseman havaintoja auringon säteilystä muokattiin käsin siltä osin, kun oli syytä epäillä, että koetalon olosuhteet eivät vastaa lentoaseman havaintoja. Muokkaukset perustuivat vertailulämpötilamittauksen lisäksi tietoihin vallitsevasta tuulen nopeudesta ja ulkolämpötilasta sekä olosuhteiden vertailuun saman ajanjakson muiden vuorokausien kanssa.

Koska säteilydata ei perustu suoraan mittaukseen koetalolta, siihen liittyy suhteellisen suurta epävarmuutta. Suurimmat epävarmuudet liittyvät vaihtelevan pilvisyyden päivien dataan. Säteilydatan epävarmuusasteesta on lisätty tietoa tuloskäyrästöihin. Vuorokausikohtaisten tulosten käyrästöissä on merkitty säteilydatan epävarmuusastetta värikoodauksella, joka näkyy päivämääräakselilla (Vihreä: pieni epävarmuus, Keltainen: kohtalainen epävarmuus, Punainen: melko suuri epävarmuus). Koko kesäkuun jaksolta vuorokausittaisen säteilydataan liittyy melko suuri epävarmuus, koska kaikki päivät olivat vaihtelevan pilvisyyden päiviä (tällä jaksolla värikoodausta ei ole merkitty).

3.3 Koetalon rakenteiden U-arvot simuloinneissa

Koetalon mallinnuksessa käytettiin valmistajien ilmoittamia U-arvoja tai IDA ICE -ohjelmiston materiaalitietokannan arvoihin perustuvia U-arvoja. Lisäksi IDA ICE -ohjelmistolla määritettiin rakenneosien liitosten kylmäsilloista johtuvat lämpöhäviöt taulukkoarvoihin perustuen.

Simulointimallin alustavassa vertailussa mittauksiin osoittautui, että simulointimallin antama lämpöhäviöteho oli noin 10% pienempi, kuin mitattu lämpöhäviöteho. Tämän ilmiön epäillään johtuvan siitä, että IDA ICE -ohjelmisto määrittää kylmäsillat rakennuksen ulkovaipan osalta, mutta ei ilmeisesti huomioi samalla tavalla rakenneosien liitosten kylmäsiltoja, kun liitoskohdat sijaitsevat rakennustilavuuden sisällä. Terassivyöhykkeen mallinnuksessa simulointimalli saattaa siis aliarvioida esimerkiksi lämpimän tilan ja terassivyöhykkeen välissä sijaitsevan seinärakenteen ikkunoiden, ovien ja seinän nurkkien lämpöhäviöitä.

Lämpimän tilan ja terassivyöhykkeen välisten rakenneosien U-arvoja korjattiin siten, että huomioitiin kylmäsiltojen tuoma lisä lämmön johtumiseen. Näin saatiin simuloitu ja mitattu lämpöhäviöteho vastaamaan toisiaan. Kun simulointimallin vakiolämpötiloissa toteutuva lämpöhäviöteho vastaa todellisuutta, voidaan mallin tuloksia käyttää paremmin dynaamisten ilmiöiden, kuten auringon säteilyn vaikutuksen, tarkasteluun. Näillä korjauksilla simulointimalli saatiin siis paremmin toimimaan käyttötarkoituksessaan.

4. Tulokset seinärakenteen lämpötiloista pidemmältä tarkastelujaksolta

Artikkelissa ”Hirsirakenteen lämpötilat – vertailu simulointeihin” julkaistiin ensimmäiset tulokset hirsirakenteen lämpötiloista pidemmältä tarkastelujaksolta. Tulosten perusteella vaikutti siltä, että simulointimalli ei kuvaa kovin tarkasti lämpötilojen vaihtelua seinän sisällä. Tässä esitetään tarkemman analyysin tulokset aiheesta.

Artikkelissa ”Tulosten tarkentava analyysi – Seinärakenteen lämpötilat” käydään läpi yksityiskohtaisesti se, miten seurantamittausten tulosten tulkintaa sekä simulointimallia on muutettu tarkempaa analyysiä varten.

Edellä kohdissa ”Koetalon olosuhteet simuloinneissa” ja ”Säteilydata simuloinneissa” kuvataan, miten simuloinnissa käytettävää säädataa on korjattu tulosten tarkentamiseksi.

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.

Mitatut ja simuloidut seinärakenteen lämpötilat 14.-24.4.2024

Simulointimallin seinämallin laskennallisten rakennekerrosten jakauman takia on sisemmän vertailupisteen tulokset saatu simuloinnista 65 mm syvyydeltä seinärakenteesta, kun taas mittaustulokset ovat syvyydeltä 60 mm. Havaintosyvyyden erosta johtuen on odotettavissa, että tulokset eroavat toisistaan hieman.

Tarkemman analyysin pohjalta seinärakenteen lämpötilat simuloinnissa ja seurantamittauksissa vastaavat melko hyvin toisiaan. Joitakin eroavaisuuksia havaitaan edelleen.

Seinälämpötilojen vertailussa havaitaan suurimmat erot vuorokaudella 19.4. (tunnit 2616–2640) sekä jaksolla 22.4.–24.4. (tunnit 2688–2760). Nämä eroavaisuudet ovat todennäköisesti selitettävissä simuloinnissa käytettävän auringonsäteilydatan epätarkkuudella. Kuten saman jakson vuorokausituloksista nähdään ovat vuorokaudet 19.4. sekä 22.4. kohtalaisen epävarmuuden vuorokausia.

Pientä eroavaisuutta näyttäisi olevan tuloksissa siinä, että aurinkoisten päivien jälkeen mitatuissa tuloksissa seinärakenteen lämpötilat nousevat jonkin verran enemmän kuin vastaavat lämpötilat simulointituloksissa. Tämä ilmiö toistuu koko tarkasteltavalla jaksolla, eli se ei todennäköisesti johdu auringonsäteilydatan epätarkkuudesta.

5. Yhteenveto johtopäätöksistä

Energiankulutus

Simulointimallin antamat tulokset energiankulutuksesta vastaavat hyvin koetalon mittauksissa saatuja tuloksia. Simulointimalli huomioi auringon säteilyenergian vaikutuksen varsin tarkasti massiivisen seinärakenteen ja terassivyöhykkeen yhdistelmää mallinnettaessa.

Kesäajan sisälämpötilat

Näiden tulosten perusteella simulointimalli ei kuvaa kesäkauden lämpötiloja täysin tarkasti. Terassivyöhyke näyttää seurantamittausten perusteella toimivan hieman tehokkaammin sekä viilentävän että lämmittävän vaikutuksen puolesta, kun tarkastellaan huoneen sisäilman lämpötilaa kesäkuussa.

Hirsirakenteen lämpötilat

Simulointimallin antamat tulokset hirsirakenteen lämpötiloista vastaavat melko hyvin seurantamittausten tuloksia. Pientä eroavaisuutta näyttäisi olevan tuloksissa siinä, että aurinkoisten päivien jälkeen mitatuissa tuloksissa seinärakenteen lämpötilat nousevat jonkin verran enemmän kuin vastaavat lämpötilat simulointituloksissa.