Rakennusfysikaaliset testivuodet

Rakenteiden kosteusteknisissä laskentatarkasteluissa on oleellista tutkia rakenteiden toimintaa sellaisissa ulkoilman olosuhteissa, jotka edustavat kosteusrasitusten osalta olosuhdevaihteluiden ääripäätä. Rakennusfysikaalisella testivuodella tarkoitetaan juuri näitä olosuhteita vuoden ajanjaksolta tietyltä paikkakunnalta.

Kriittisten testivuosien löytäminen on erityisen tärkeää siksi, että rakennusfysikaalisissa tarkasteluissa ei käytetä ulkoilman olosuhteiden osalta lisävarmuuksia tai varmuuskertoimia.

Rakenteiden rakennusfysikaalisen toiminnan kannalta keskeiset ulkoilman olosuhdetekijät ovat lämpötila, suhteellinen kosteus, tuuli, sade, auringonsäteily ja lämpösäteily taivaalle. Edellä mainitut tekijät vaihtelevat rakennuksen maantieteellisen sijainnin ja tarkasteltavan ilmansuunnan mukaan. Lisäksi rakenteiden lähellä olevan ulkoilman olosuhteisiin vaikuttavat monet rakennuksen paikalliseen sijaintiin ja muotoon liittyvät tekijät, jotka aikaansaavat rakennuksen ympärille ns. mikroilmaston.

Rakennusfysiikan tutkimusryhmä on määrittänyt yhdessä Ilmatieteen laitoksen kanssa kosteusteknisen toiminnan kannalta mitoittavat testivuodet Suomen ilmastossa. Testivuodet määritettiin FRAME-tutkimuksessa siten, että ne vastaavat todellisia esiintyneitä vuosia. Testivuosien valinnassa otettiin huomioon seuraavat asiat:

  • Kaikki rakenteiden rakennusfysikaalisen toiminnan kannalta keskeiset ulkoilman olosuhdetekijät (lukuun ottamatta taivaalle lähtevää pitkäaaltoista lämpösäteilyä).
  • Erilaiset rakenneratkaisut ja materiaalit.
  • Rakenteille valitut toimintakriteerit (homeen kasvu ja kosteuden kondensoituminen) ja niitä kuvaavat vertailusuureet (homeindeksin maksimiarvo ja kondensoituneen kosteuden maksimimäärä).
  • Rakennuksen maantieteellinen sijainti ja ilmansuunnat.
  • Rakennuksen korkeus.

Testivuosia määritettiin 30 vuoden ajanjaksolla kolmessa eri ilmastossa: nykyilmastossa (1980–2009), vuoden 2050 ilmastossa (2040–2069) ja vuoden 2100 ilmastossa (2070–2099).

Kriittisimmät testivuodet

Testivuosien valinnassa nykyilmastossa ja tulevaisuuden ilmastoissa käytettiin seuraavia periaatteita:

  • Vähintään 90 % vuosista oli vähemmän kriittisiä kuin valittu testivuosi.
  • Testivuodet valittiin eri paikkakunnilta mitatusta 30 vuoden ilmastodatasta. Ilmastodatan tarkastelujaksoksi valittiin 1980–2009 välinen ajanjakso.
  • Tarkasteltaviksi paikkakunniksi valittiin Vantaa, Jokioinen, Jyväskylä ja Sodankylä, koska nämä paikkakunnat sijaitsevat maantieteellisesti eri puolilla Suomea ja eri ilmastoalueilla. Valittujen testivuosien katsottiin myös kuvaavan riittävän hyvin koko maata.
  • Otettiin huomioon kaikilta vuosilta seuraavat ulkoilman olosuhteita kuvaavat suureet: lämpötila, suhteellinen kosteus, auringon kokonaissäteily (suora ja diffuusi säteily), sademäärä vaakapinnalle sekä tuulen nopeus ja suunta.
  • Otettiin huomioon kaikki ilmansuunnat ja testivuodet määritettiin rakenteen kosteusteknisen toiminnan kannalta kriittisimmässä ilmansuunnassa.

Kriittisimmät vuodet olivat Vantaalla ja Jokioisella, ja niiden testivuodet kattavat suurimman osan kaikista vaipparakenteista. Näistä valitaan laskentaan sopivampi aina erikseen tilanteen mukaan: Tarkasteltaessa rakenteita, joissa sade vaikuttaa niiden sisäosan kosteustekniseen toimintaan (vuoto), voidaan testivuodeksi laskennassa valita nykyilmastossa Vantaa 2007. Tarkasteltaessa rakenteita, joiden sisäosat on suojattu sateen vaikutukselta, voidaan testivuodeksi valita nykyilmastossa Jokioinen 2004. Samoja testivuosia voidaan käyttää koko Suomen alueella.

Laskelmissa on otettava huomioon, että Vantaan olosuhteissa viistosateen ja auringonsäteilyn erot eri ilmansuunnissa vaikuttavat oleellisesti homeindeksin arvoon. Jokioisen olosuhteissa nämä eivät aiheuta merkittäviä eroja, vaan keskeinen vaikutus ulkopinnan homeindeksiin on ulkoilman suhteellisella kosteudella.

Auringonsäteilyn kokonaismäärä erisuuntaisille pinnoille sekä viistosateen summa erisuuntaisille pystypinnoille Vantaalla 2007. Auringonsäteilyn summa aurinkoisimmalle pinnalle = 1149 kWh/(m2a) ja varjoisimmalle pinnalle = 354 kWh/(m2a).

Auringonsäteilyn kokonaismäärä erisuuntaisille pinnoille sekä viistosateen summa erisuuntaisille pystypinnoille Jokioisissa 2004. Auringonsäteilyn summa aurinkoisimmalle pinnalle = 1096 kWh/(m2a) ja varjoisimmalle pinnalle = 361 kWh/(m2a).

Tulevaisuuden ilmastot

Ilmastonmuutoksen ennustetaan nostavan ulkoilman lämpötilaa ja lisäävän sademäärää sekä pilvisyyttä. Myös sadepäivien lukumäärän ennustetaan lisääntyvän talvella, joskin kesällä niiden määrä voi laskea. Lisäksi tuulen voimakkuuden ja ulkoilman suhteellisen kosteuden ennustetaan nousevan jonkin verran talvella.

Ilmatieteen laitos on muodostanut vuosien 2030, 2050 ja 2100 ilmastoa vastaavat rakennusfysiikan ilmastolliset testivuodet muokkaamalla nykyilmaston testivuosien säätietoja. Muokkauksessa on otettu huomioon arvioitu odotettavissa oleva ilmastonmuutos Etelä-Suomessa. Oletuksena on, että kasvihuonekaasujen päästöjen jatkavat kasvuaan koko tämän vuosisadan ajan (melko pessimistinen ns. SRES A2-kehitysvaihtoehto, joka valittiin tarkasteluihin, jotta tutkimustulokset olisivat varmalla puolella).

Nykyilmastossa yleiskriittisimmiksi todetut Vantaa 2007 ja Jokioinen 2004 ovat tyypillisesti kriittisimpiä myös vuosien 2050 ja 2100 ilmastoissa. Tulevaisuuden testivuodet perustuvat siis Vantaan ja Jokioisen nykyilmastoon. Tulevaisuuden testivuositietojen käyttäjän tulee ottaa kuitenkin huomioon, että eri mallien tuloksissa on jonkin verran eroja ja mallien tarkentuessa käsitys tulevasta ilmastosta voi vielä muuttua.

Pitkäaaltoinen säteily ja valmiit säädatatiedostot rakennusfysikaalisia laskentaohjelmia varten

Ilmakehästä alaspäin suuntautuva pitkäaaltoinen säteily ei ollut mukana alkuperäisissä tunnittaisissa aineistoissa, joista rakennusfysikaaliset testivuodet valittiin. Tälle suureelle on kuitenkin esitetty kirjallisuudessa kokeellisia malleja, joiden avulla pitkäaaltoisen säteilyn tunnittaiset arvot voidaan laskea auringonsäteilyn sekä maanpinnan läheltä mitattujen ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden arvoista. Vertailujen perusteella näistä malleista rakennusfysiikan tutkimusryhmä valitsi yhden, jonka avulla laskettiin ilmakehästä alaspäin suuntautuvan pitkäaaltoisen säteilyn arvot FRAME-hankkeen yhteydessä valituille rakennusfysikaalisille testivuosille.

Ilmakehästä alaspäin suuntautuvan pitkäaaltoisen säteilyn tunnittaiset arvot, Vantaa 2007.
Ilmakehästä alaspäin suuntautuvan pitkäaaltoisen säteilyn tunnittaiset arvot rakennusfysikaalisena testivuonna Vantaa 2007.

Pitkäaaltoisen säteilyn tunnittaisten arvojen laskentakoodi ja lähtötiedot, ilmastollisten suureiden lyhyet kuvaukset ja lähdeviittaukset julkaisuihin on esitetty täällä. Linkin takaa löytyvä koodi kokoaa myös valmiit säädatatiedostot yleisimpiä rakennusfysikaalisia simulointiohjelmia varten, eli tässä tapauksessa wac-tiedostot WUFI Pro ja 2D -ohjelmia varten, ccd-tiedostot Delphin 5 -ohjelmaa varten ja csv-tiedostot yleistä käyttöä varten. Delphin 6 -ohjelmaa varten varattujen tiedostojen käyttäminen edellyttää niiden kokoamista c6b-tiedostoiksi erillisellä CCM Editor -ohjelmalla, joka on kuitenkin vapaasti saatavilla Delphin -ohjelman kehittäjien kotisivuilta. Tulostiedostoja voi käyttää myös muiden ohjelmien, kuten COMSOL Multiphysics -ohjelman kanssa. Tiedostoissa on annettu ulkoilman suhteellinen kosteus nestemäisen veden suhteen (RHe_water), mikä on ilmakehätieteissä ja useimmissa RH-antureissa käytetty tapa, mutta myös jään suhteen (RHe_ice), mikä on WUFI- ja Delphin -ohjelmissa käytössä oleva tapa.

Laskentaohjelmien säädatatiedostot ovat ladattavissa zip-pakettina (noin 15 Mt) tästä linkistä.

Edellä olevien linkkien takaa löytyvä ohjelmakoodi ja rakennusfysikaalisten simulointiohjelmien säädatatiedostot ovat vapaasti käytettävissä kaupalliseen ja ei-kaupalliseen käyttöön. Aineistot on pyritty laatimaan huolellisesti, mutta takuuta niiden oikeellisuudesta tai soveltuvuudesta ei anneta. Suosituksena on testata koodin ja säädatatiedostojen toimivuus ja soveltuvuus ennen varsinaista käyttöä. Jos huomaat virheen, niin voit ilmoittaa siitä sähköpostitse.

Lisätietoa

  • FRAME-projektin sivut: tutkimusraportit, esitykset ja tallenteet
  • Ilmatieteen laitoksen sivut: mm. lisätietoa testivuosien valinnasta ja niiden käytöstä, rakennusfysiikan testivuosien säähavaintotiedot nykyisessä ilmastossa sekä rakennusfysiikan testivuosien säätiedot tulevaisuuden ilmastossa