Laskea rakenteen U-arvo

[justusandersson]

Onhan jo vanhastaan tiedossa, että ilman lämpötila on huono tai ainakin riittämätön kuvaus lämpöviihtyvyydestä. Ihminen on herkempi säteilyn kautta siirtyvälle lämmölle kuin esimerkiksi konvektiolle. Rakennusnormiyhteyksissä käytetään käsitettä, jota kutsutaan operatiiviseksi lämpötilaksi, ja joka voidaan yksinkertaisesti kuvata ilma- ja ympäröivien pintojen lämpötilojen keskiarvona. Huoneessa, jossa on lämpimiä ympäröiviä pintoja, voi hyväksyä hieman alhaisemman ilman lämpötilan tai päinvastoin.

 

[Anton Svensk]

On vanha tieto, että ilman lämpötila on huono tai ainakin riittämätön kuvaus termisestä mukavuudesta. Ihmiset ovat herkempiä säteilyn kautta siirtyvälle lämmölle kuin esim. konvektiolle. Rakennusnormeissa käytetään käsitettä operatiivinen lämpötila, joka yksinkertaisesti voidaan kuvata ilman lämpötilan ja kaikkien ympäröivien pintojen lämpötilan keskiarvona. Huoneessa, jossa ympäröivät pinnat ovat lämpimiä, voi hyväksyä hieman alhaisemman ilman lämpötilan tai päinvastoin.

Kyllä, juuri niin.

Aloin miettiä tätä ja kuinka voisi parantaa mallia niin, että se käyttäytyisi realistisemmin. Ehkä pitäisi olla useita pistekohtaisia alueita, jotka vaikuttavat toisiinsa.
- Ilma-alue, joka on kosketuksessa kaikkeen
- Betonialue, joka sisältää lämpölähteen (ja on kosketuksessa ilmaan)
- Muu alue sisäseiniä varten jne.
- Ulkoseinäalue, joka on yksityiskohtainen (se, jonka olemme tähän asti nähneet)
Viimeinen on siis 3D-alue, jossa on kehittyneemmät ominaisuudet ja reunasehdot, kun taas muut ovat pistealueita, jotka karkean karkeasti edustavat kustakin rakennuksen osaa.

/Anton

 

[Anton Svensk]

Sitten ajattelen ääneen mallin etenemistä.

Oletukset/yksinkertaistukset

1. Oletettu talo, jonka koko on 10 x 10 m ja julkisivukorkeus 2,5 m, antaa pohjalaatan 100 m^2 ja 100 m^2 julkisivun. Ilmatilavuus on 250 m^3.
2. Pohjalaatta on 1 dm paksua betonia, jossa on lattialämmitys. Betonin päällä on 14 mm puulattia.
3. Yläkerta lämmitetään toisella tavalla ja siellä on sama lämpötila kuin alakerrassa, joten lämmönsiirtoa ei tapahdu sinne.
4. Ei ikkunoita tai ovia alakerrassa.
5. Alakerta on jaettu kahdella läpikulkevalla seinällä (120 mm palkit, 600 mm cc, kipsiä ja OSB molemmilla puolilla).
6. Alakerrassa on yhteensä 1000 kg puuta huonekaluina, liimapuupalkkina ja sisäkattona.
7. Ei säteilytehoa (auringonsäteet jne).
8. Ihmiset, valaistus ja elektroniikka lisäävät jatkuvasti 100 W sisäilmaan.

Ulkoseinän mallissa on 30 x 30 cm = 0.09 m^2, eli 0.09 % julkisivusta. Mallin tulisi sisältää:

• 0.09 m^2 lattiaa (betoni+puu).
• 225 litraa ilmaa.
• 0.045 m^2 sisäseinää.
• 0.9 kg mäntyä (kohta 6 yllä).

Lämpöineratiaan liittyvä alue
60 cm sisäseinää (1.5 m^2) koostuu

• 3.7 m puupalkkeja (2.5 + 2*0.6) = 20 litraa mäntyä = 9 kg mäntyä.
• 3 m^2 kipsiä = 39 litraa kipsiä = 30 kg kipsiä
• 3 m^2 OSB:tä = 33 litraa mäntyä = 15 kg mäntyä.
• Merkityksettömiä määriä nauloja ja maalia.

Termisen massan, joka kuuluu omaan alueeseen (lukuun ottamatta lattiaa), ovat:

• 1.6 kg mäntyä (0.9 + (9 + 15)*0.045/1.5)
• 0.9 kg kipsiä (30*0.045/1.5)

Yksinkertaistamisen vuoksi oletan 1 dm paksun kerroksen keskimääräisestä materiaalista kipsin ja männyn välillä seuraavin lämpöominaisuuksin:

• Cp = 1450 J/kg/K
• k = 0.17 W/m/K
• rho = 560 kg/m^3

Alue on silloin 4.46 litraa, eli 0.0446 m^2, ja se altistuu yhdellä sivulla sisäilmalle (h = 15 W/m^2/K).

Sisäilmaa käsittelevä alue
Alueelle annetaan korkea lämmönjohtavuus, jotta se edustaa konvektiosta johtuvaa sekoittumista. Ilman keskilämpötila lasketaan määrittelemään lämmönsiirto kolmelle muulle alueelle (ulkoseinä, lattia, lämpöineratia). Kun lämmönsiirrot on määritetty (jokaisessa aikavaihtelussa), lisätään vaikutukset sisäilman alueelle.

100 W * 0.225 m^3/250 m^3 = 0.09 W lisätään jatkuvasti sisäilmaan.

Lattia-alue
Lattia-alue on 0.09 m^2 ja se koostuu 1 dm betonista ja 14 mm puusta. Puun yläpuoli altistuu lämmönsiirrolle sisäilmasta. Betonialapuolta lämmittää lämmitysjärjestelmä. Alaspäin suuntautuvia menetyksiä (maahan) ei oteta huomioon (ei ole merkityksellistä, kun tutkitaan ulkoseinää). Useimmat lämmitysjärjestelmät toimivat ulkolämpötilan mukaan (tietääkseni) ja laskevat lisättävän tehon (tai oikeastaan kuljetuslämpötilan).

Nopea testi osoittaa, että asettaessani lämmityskäyrän, joka tarkoittaa 0 W/m^2 lisätehoa 16 °C ulkolämpötilassa ja 6 W/m^2 –30 °C ulkolämpötilassa, sisäilma säilyy noin 20 °C ympäri vuoden. Ehkä löytyy joku fiksumpi/tyylikkäämpi tapa tehdä tämä, mutta olen yrittänyt jäljitellä, miten se tehdään todellisessa talossa (iteraationa). Tässä on sisäilman (ilma) ja ulkolämpötila ajon aikana:

Simulaatio alkaa ja päättyy toukokuussa. Minun pitäisi lisätä tehoa talvella, kun lämpötila laskee alle 18 °C muutaman kerran.

En ole vielä ottanut mitään muuta esille. Tarkistan sen myöhemmin.

Pitäisikö mallissa olla ikkuna sen kautta aiheutuvia menetyksiä varten? Riski on vain, että menetykset hallitsevat sitä, koska ikkunan U-arvot ovat niin korkeat verrattuna seinään...

/Anton

 

[Rabbithole]

Talon ulkoseinästä noin 17 % on ikkunoita/ovia, joiden keskimääräinen u-arvo on noin 0,8. (yksiö sisältä 15x9 m, seinäkorkeus 2,7 m)

 

[justusandersson]

Teoreettiset laskelmat taipuvat osoittamaan, että ikkunattomat huoneet ovat energiatehokkaimpia. Me, jotka olemme olleet mukana jonkin aikaa, tiedämme, että näin ei ole todellisuudessa. Vaikka ikkunat korkeampine U-arvoineen päästävät ulos enemmän energiaa, ne ovat tärkein lähde sisään tulevalle lämmölle. Lisäksi lattioiden, sisäseinien ja katon materiaalivalinnat vaikuttavat suuresti kykyyn varastoida tätä lämpöä. Olisi mielestäni mielenkiintoista käyttää mallia, joka ottaa nämä näkökohdat myös huomioon.

 

[Anton Svensk]

Teoreettiset laskelmat pyrkivät päätymään siihen, että ikkunattomat huoneet ovat energiatehokkaimpia. Me, jotka olemme olleet mukana jonkin aikaa, tiedämme, ettei se ole näin todellisuudessa. Vaikka ikkunoista, joilla on korkeampi U-arvo, pääsee enemmän energiaa ulos, ne ovat tärkein saapuvan lämmön lähde. Myös lattian, sisäseinien ja katon materiaalivalinnat vaikuttavat merkittävästi kykyyn varastoida tätä lämpöä. Mielestäni olisi mielenkiintoista saada malli, joka ottaa huomioon myös nämä näkökulmat.

Uskon, että yksinkertaisesti aurinkoenergian sisääntulo jätetään pois, koska sen laskeminen on vähän hankalaa. Tarvitaan niin paljon tietoa, jotta saadaan järkevä tulos.

Mutta voimmehan yrittää!

1. SMHI avoin data antaa globaalin säteilyn vaaka-alalle tuntikeskiarvona yksikössä W/m^2. Tämä arvo meidän on muunnettava koskemaan pystysuoraa pintaa (ikkuna).
2. Sen lisäksi meidän on valittava arvo aurinkoenergian läpäisylle (mielenkiintoista luettavaa ikkunafysiikasta täältä: länk) ikkunalle.
3. Mikä ilmansuunta ikkunalla on?
4. Pitäisikö olettaa, että sitä ei varjosteta lainkaan (kattoulokkeet, puut...)?
5. Jos laskemme säteilyä, pitäisikö meidän myös laskea säteilyhäviöt (eikä vain sisään tuleva säteily)?

Jos aloitamme kohdasta 1. Auringon sijainti voidaan hakea käyrille, minkä olen aiemmin tehnyt sijaintiani varten (silloin kyse oli ilmanlämpökerääjistä):

Käyrät näyttävät epäilyttävän sinimuotoisilta, mikä ei ole yllättävää, kun kyse on pyörivistä kappaleista. Jos oletamme, että kaikki säteily tulee suoraan auringosta (mitä se ei tee), voimme yllä olevan käyrän ja SMHI:n datan perusteella laskea, mikä teho (W/m^2) pystysuoralla pinnalla olisi auringon suhteen. Tämän jälkeen voimme muuntaa sen mihin tahansa suuntaan samalla tavalla. Kaavoissa:

q_SMHI = q_vinkelrät * sin(alpha)

Missä q_SMHI on mitattu arvo, q_vinkelrät on arvo, joka olisi saatu, jos mittauspinta olisi seurannut aurinkoa ja alpha on auringon kulma vaakatasosta (kuvan mukaan, y-akseli). Koska tunnemme q_SMHI ja alpha, voimme laskea q_vinkelrät.

q_fönster riippuu myös auringon sijainnista sivusuunnassa (x-akseli kuvassa), kutsumme kulmaa beta, joka on 0 suoraan pohjoiseen ja 180 suoraan etelään. Ikkunan suunta tarvitsee myös kulman, esim. gamma.

q_fönster = q_vinkelrät * cos(alpha) * cos(gamma-beta)

Jos beta-gamma on suurempi kuin 90 tai pienempi kuin -90, niin q_fönster = 0 (ikkuna on varjossa).

Kuten sanottu, olemme olettaneet, että kaikki säteily tulee yhdestä pisteestä taivaalla (aurinko). En ole varma, kuinka suuri osa tulee hajanaisesti muualta taivaankannesta.

/Anton

 

[justusandersson]

Vaikuttavaa työtä! Palaan asiaan lisäkommenttien kanssa, kun olen hoitanut erilaisia velvollisuuksia.

 

[Bernieberg]

Kevyesti kiihottava panostus, jonka olet tehnyt! Hieno aloite ja hyvin harkitut analyysit.

/Toinen beräkningsingenjör

 

[skägg]

[bild]
Kokeilin ajaa näitä vaihtoehtoja. Tulokset:
a: U = 0.171
b: U = 0.170
c: U = 0.174

Yhteenvetona nämä ratkaisut ovat käytännössä identtiset U-arvon suhteen. Täytyy sanoa, että yllättävän vähän eroa.

/Anton

Erittäin mielenkiintoinen ketju! Olen yllättynyt siitä, että A ja B poikkeavat niin vähän. Nyt onhan siitä jo aikaa kun teit nämä simuloinnit, joten sinulla ei ehkä ole enää malleja tai kiinnostusta, mutta mietin, kuinka suuri ero syntyy, kun on tällaisia ​​siirrettyjä ja/tai ristikkäisiä koolauksia verrattuna siihen, että olisi vain yksi koolaus/kylmäsilta kipsistä kipsiin?