Tutkimus: Alipainetuulettimien optimaalinen sijoittelu loivalla katolla
Ramboll Finland Oy:n laatimassa simulaatiossa selvitettiin alipainetuulettimien optimaalista sijoittelua laatikkomaisen rakennuksen loivalla katolla. Tarkastelussa havaittiin, että ilmavirta ei jakaudu tasaisesti katolla: suurimmat paine-erot ja virtausnopeudet keskittyvät tyypillisesti katon keskialueelle, kun taas reunoilla ilmanvaihto on vähäisempää. Tämä tarkoittaa, että loivan katon keskiosaan on järkevää sijoittaa suhteellisesti enemmän tuulettimia kuin reunoille.
Suomessa alipainetuuletusta on käytetty jo pitkään turvaamaan kattorakenteiden terveys. Alipainetuulettimet yhdessä tuulen virtauksen kanssa luovat kattorakenteisiin alipaineen, joka edistää ilman vaihtumista ja poistaa kosteutta eristekerroksista. Kun tuuli kulkee alipainetuulettimen ohi, tuulettimeen syntyy alipaine, joka vetää ilmaa ja kosteutta ulos rakenteista ja ehkäisee näin mahdollisia kosteusvaurioita.
Perinteinen alipainetuuletus toimii täysin sään ja tuulen varassa (ilmanvaihtuvuus 20–40 vaihtoa tunnissa), kun taas modernit, huippuimurilla varustetut koneelliset tuuletusvaihtoehdot pystyvät tarpeenmukaisella ohjauksella jopa 140 vaihtoon tunnissa. Tutkimuksissa, joissa on simuloitu vuotoja, on havaittu, että alipainetuuletus kuivattaa rakenteet kolmessa vuodessa (linkki artikkeliin). Alipainetuuletus perustuu yleensä useamman alipainetuulettimen järjestelmään katolla, jotta tuuletus olisi mahdollisimman tehokasta.
Alipainetuulettimien sijoittelu: tutkimuksen lähtökohdat ja toteutus
Vaikka alipainetuuletuksen kuivattamiskyvystä tiedetään paljon, meillä on kuitenkin varsin vähän tietoa tuulen virroista loivalla katolla ja miten ne vaikuttavat alipainetuuletukseen. Tämän vuoksi teetettiin tutkimus, jonka tavoitteena oli selvittää ilmavirtojen vaihtelua ja alipainetuulettimien optimaalinen sijoittelu loivalla katolla, jotta ne toimisivat mahdollisimman tehokkaasti erilaisissa sääolosuhteissa. Tutkimus toteutettiin laskennallisen virtaussimuloinnin (CFD) avulla, ja sen laati Ramboll Finland Oy:n asiantuntija Mats Böök.
Mallinnuksen pääkohdat:
- Kahdeksan eri tuulensuuntaa (45° välein)
- Vertikaalinen tuuliprofiili, jonka perusnopeus 5 m/s
- Käsitelty rakennus: laatikkomainen teollisuusrakennus (21,6 m × 81,6 m × 10 m)
- Ohjelmisto: Engys HELYX 4.2.1
- Turbulenssimalli: k-ε Realizable
- Isoterminen oletus, ei lämpötilaerojen mallinnusta
- Pintakarheus vastasi taajaman ulkopuolista aluetta, jossa jonkin verran puustoa mutta ei tiheää metsää
Tulokset: Ilmavirta ei ole tasainen – keskiosassa suurin teho
Simuloinnin perusteella havaittiin, että ilmavirta ei jakautunut tasaisesti katolla. Suurimmat paine-erot ja virtausnopeudet keskittyivät rakennuksen keskiosaan, minkä seurauksena paras ilmanvaihto saavutetaan, kun alipainetuulettimet sijoitetaan katon keskilinjalle leveyssuunnassa ja noin 10,5 metrin päähän katon reunoista pituussuunnassa.
Tärkeimmät havainnot:
- Nopeusjakautuma katon yläpuolella: Tuulen nopeuden keskiarvot analysoitiin alipainetuulettimen korkeudella vaakasuoralla leikkaustasolla. Suotuisimmat virtausolot ilmenivät katon keskialueella.
- Symmetrinen rakennusmuoto: Rakennuksen lähes symmetrinen muoto johti samankaltaisiin tuloksiin eri tuulensuunnista, korostaen keskilinjan merkitystä tuulettimien sijaintipaikkana.
- Tehokas ilmavirtaus: Optimaalinen sijainti määriteltiin alueille, joilla ilmavirtausnopeus oli suurimmillaan. Tämä varmistaa alipainetuulettimien tehokkaan toiminnan.
- Mahdolliset esteet: Mikäli katon keskiosaan lisätään rakenteita, kuten ilmanvaihtokonehuone, tuuliolosuhteet heikentyvät. Tällöin tarvitaan mahdollisesti enemmän alipainetuulettimia tai koneellisia ratkaisuja (esimerkiksi VILPE Sense -järjestelmä) kompensoimaan esteen aiheuttamaa virtauksen heikkenemistä.
On tärkeää huomioida, että kaikki rakennukset ovat erilaisia ja tässä tutkimuksessa tarkasteltiin vain laatikkomaisen rakennuksen kattoa. Vaikka periaatteet saattavat olla osin sovellettavissa muihinkin rakennustyyppeihin, suositeltavaa on arvioida jokainen kohde yksilöllisesti, jotta alipainetuulettimien sijainti voidaan optimoida kunkin rakennuksen erityispiirteiden mukaisesti.
Tutkimus alipainetuulettimien sijoittelusta: johtopäätökset ja soveltaminen
Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että alipainetuulettimien sijoittelulla on merkittävä vaikutus rakennuksen kattorakenteiden ilmanvaihdon ja kosteudenhallinnan kannalta. CFD-analyysin avulla pystyttiin määrittelemään paras mahdollinen sijainti katolla, mikä parantaa alipainetuulettimien toimivuutta erilaisissa tuulitilanteissa.
- Tehostettu ilmanvaihto: Tuuletus on tehokkainta siellä, missä paine-erot ovat suurimmat – tyypillisesti katon keskellä. Sijoittelun optimoinnilla varmistetaan riittävä ilmavirtaus ja vältetään kosteusvaurioita.
- Vähemmän rakenteellisia vaurioita: Kosteus on yksi keskeisimmistä rakenteiden vaurioitumisen syistä. Kun kosteutta poistetaan tehokkaasti, rakenteiden käyttöikä pitenee ja huoltotarve pienenee.
- Enemmän alipainetuulettimia keskialueille: Koska keskiosassa kattoa saadaan suurin ilmanvaihtohyöty, on usein järkevää sijoittaa sinne suhteellisesti enemmän tuulettimia kuin reunoille.
- Esteiden vaikutus: Jos keskialueella on suuria rakenteellisia esteitä (esim. IV-konehuone), tuulenvirtaus heikkenee. Tällöin on syytä harkita tiheämpää tuuletinjakaumaa tai koneellisempia ratkaisuja.
- Laajat käyttömahdollisuudet: Sijoitusohjeita voi hyödyntää uusissa ja vanhemmissa teollisuusrakennuksissa. Perusperiaatteet pätevät myös muihin rakennustyyppeihin, joissa kattorakenteiden ilmanvaihto on kriittinen.
Tutkimuksen rajoitukset
Tässä tutkimuksessa keskityttiin vain laatikkomaisen rakennuksen loivaan kattoon, ja simuloinnissa käytettiin isotermistä oletusta, eli lämpötilaerojen vaikutuksia ei huomioitu. Lisäksi pintakarheusparametri valittiin vastaamaan taajaman ulkopuolista aluetta, jossa on jonkin verran puustoa, mutta ei tiheää metsää. Näiden valintojen vuoksi tuloksia voidaan pitää ainoastaan suuntaa antavina, eikä niitä voi suoraan yleistää kaikkiin rakennuksiin tai olosuhteisiin. Jokainen hanke tulisi arvioida tapauskohtaisesti, jotta saadaan paikkansa pitäviä ja luotettavia tuloksia.
Lue lisää kattorakenteiden automaattisesta ja tarpeenmukaisesta tuuletuksesta: vilpe.com/fi/sense-kattorakenne/
Lisätietoja sähköpostitse:
Katarina Hellén
katarina.hellen@vilpe.com