Hormivaikutuksen hallinta korkeissa asuinkerrosrakennuksissa

Abstract

Korkeissa rakennuksissa muodostuu talvella hormivaikutus, joka johtuu sisä- ja ulkoilman lämpötilaeron aiheuttamasta termisestä paine-erosta. Rakennuksen sisällä lämmin ilma nousee ylöspäin, ja rakennuksen alaosaan muodostuu alipaine ja vastaavasti rakennuksen yläosaan muodostuu ylipaine. Paine-erot aiheuttavat suuria ilmavuotoja sekä ulkovaipan että sisärakenteiden läpi. Ulkoilmavuoto aiheuttaa epämukavaa vedon tunnetta ja lisää lämmitystarvetta. Sisäilmailma vuotaa ulkovaipan rakenteiden läpi ja voi tiivistyä ja jäähtyä ikkunapinnoille sekä aiheuttaa kosteusvaurioita rakenteissa. Sisätilojen väliset vuodot puolestaan aiheuttavat melu- ja hajuhaittoja. Lisäksi suuret paine-erot vaikeuttavat ovien avaamista ja sulkemista, ja aiheuttavat hissiovien jumiutumista. Korkea asuinkerrosrakentaminen on lisääntymässä Suomessa mutta Suomesta ei kuitenkaan löydy erillisiä suunnitteluohjeita tai -ratkaisuja hormivaikutuksen hallintaa varten. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää energiatehokkaita ratkaisuja, jotka pitävät rakennusosien yli vallitsevat paine-erot hyväksyttyjen rajojen sisällä. Tutkimuksessa tarkasteltiin ainoastaan termisen paine-eron ja ilmanvaihdon aiheuttamaa hormivaikutusta. Tuulen vaikusta ja asukkaiden vaikutus paine-eroihin (esim. ikkunan tai oven avaaminen) ei otettu huomioon.

Kirjallisuusosiossa selvitettiin maailmalla tutkittuja ja toteutettuja hormivaikutuksen vähentäviä toimenpiteitä. Näistä ratkaisuvaihtoehdoista valittiin tutkia neljä kappaletta. Tutkimusosiossa määritettiin tutkimusrakennuksen parametrit kuvaamaan mahdollisimman toimivaa vertailumallia. Tässä selvisi, että korkean asuinkerrosrakennuksen tulee olla mahdollisimman tiivis, eli raitisilma-aukkoja rakennuksen ulkovaipassa ja siirtoilma-aukkoja rakennuksen sisärakenteissa tulee välttää. Vertailurakennuksen ja ratkaisuvaihtoehtojen paine-erojakauma määriteltiin simuloimalla ja energiankulutus (ilmanvaihdon energiankulutus ja vuotoilman lämmitystarve) määriteltiin laskennallisesti. Tämän jälkeen ratkaisuvaihtoehtojen paine-erot ja energiankulutukset verrattiin vertailurakennukseen.

Tutkimustulosten perusteella kuilujen osastointi on välttämätön suunnitteluratkaisu korkeissa asuinrakennuksissa hormivaikutuksen aiheuttamien ongelmien vähentämiseksi. Kuilujen osastointi tarkoittaa, että rakennuksen kuilut (porrashuoneet ja hissikuilut) erotellaan rakennuksen muista tiloista tiiviillä väliovirakenteilla. Osastoinnin ansiosta paine-erot ulkovaipan yli pienenevät, jolloin ylipaineista ja suurista alipaineista vältytään. Rakennuksen sisärakenteiden paine-erot kuitenkin kasvavat ja aine-erot osastoivilla ovilla nousevat erittäin korkeiksi kovilla pakkasilla. Osastoivat ovet tulisi varustaa sähköisellä avausmekanismilla, jotta ovia olisi mahdollista avata ainoastaan nappia painamalla, ja ovipumpuilla, jotta ovet varmasti sulkeutuisivat kunnolla. Osastoidun rakennuksen paine-eroja on vielä mahdollista pienentää laskemalla kulujen lämpötiloja mahdollisimman pieniksi. Kun kuilujen lämpötilat ovat samansuuruiset kuin ulkolämpötila, rakennuksessa ei vallitse hormivaikutusta. Ilmavuoto ja lämmitystarve vähenevät kun ulkovaipan paine-erot pienenevät osastoinnin ansiosta. Kuilujen lämpötilojen alentaminen vähentää vuotoilman lämmitystarpeen lisäksi myös ilmanvaihdon lämmitystarvetta.

Due to large inside and outdoor temperature differences in Finland, stack effect occurs in high-rise buildings. The thermal pressure difference causes the warm air to rise in the building, and the lower part of the building becomes under pressured and the upper part over pressured. The pressure differences increases the air leakage both through the exterior and the interior. Outside air leakage causes drafts and increases the heating demand. Inside air flows through exterior structures and cause moisture damages. Air flowing through cracks inside the building causes noise problems and spreads odors. Pressure differences also make it difficult to open and close doors and causes elevator doors to stick. The number of high-rise buildings is increasing in Finland but there is however no design manuals or concepts for high-rise building in Finland. The objective of this thesis is to find energy efficient solutions to maintain the pressure differences across building structures at accepted values. The thesis focuses on stack effect caused by thermal differences. The effects of wind and residents (e.g. opening doors or windows) on the pressure differences are not observed.

First, different solutions studied and carried out across the world were viewed, of which four solutions were chosen to be studied in the thesis. Secondly, the simulation parameters were defined to make the building model as functional as possible. In this stage the importance of building air tightness was noticed. A high-rise building should be as air tight as possible. Thus, the use fresh air and transfer air inlets should be avoided. Next, the pressure distributions were simulated and the energy consumptions of ventilation and air flow heating calculated. Lastly, the results of the solutions were compared to the original building model.

The results show that compartmentalization of the building is necessary in high-rise residential buildings in order to avoid problems caused by stack effect. Compartmentalization of a building means that the building shafts are partitioned off from the rest of the building with air tight doors. In the case of building compartmentalization, the pressure differences over the building enclosure decreased and the apartments were no longer over pressurized. However, the pressures over the indoor structures increased and the pressure acting on the separating doors rose to extremely high numbers during cold weather. The separating doors should be mounted with electric door openers to make it possible to open these doors with only a push of a button, and with pneumatic door closers to make sure the door closes fully. The pressure differences of compartmentalized buildings can further be decreased by lowering the shaft temperatures as low as possible. No shaft effect will occur while the shaft temperatures are equal to the outdoor temperature. The building heating demand is lower as compartmentalization decreases outdoor air leakage. Lowering the shaft temperatures further lowers heating demand of outdoor air as well as and ventilation air.