Tekniikan lisensiaatti Mika Vuolle on osallut mukana kehittämässä mallintamiseen ja simulointiin perustuvia työkaluja vuosikymmmeniä. Kehityksen kärjessä kulkevat pohjoismaat ja USA. – Käyttäjät yrittävät kuitenkin usein venyttää tutun ja turvallisen ohjelmiston käytettävyyttä alueille, joille ohjelmisto ei ole tarkoitettu, Vuolle toteaa.
Sisäilmaston olosuhteiden ja rakennuksen energiatalouden laatu ratkeaa usein jo suunnitteluvaiheessa. Suunnittelun ohjaamisessa tulisi käyttää laskelmia ja muita menettelyjä, jotka johtavat kohti parempaan sisäilmastoon ja energiatalouteen. Tähän on nykyisin tarjolla mallintamiseen ja simulointiin perustuvia työkaluja. Ne ovat myös auttamassa rakennuksen energiankulutuksen laskennassa muun muassa energiatodistusluokan määritystä varten.
Rakennuksen sisäilmaston laatua voidaan valmiina arvioida rakennuksessa tehtävien mittausten avulla, mutta suunnitteluvaiheessa ainoa keino tuloksen arviointiin on sisäolosuhteiden laskenta ja siinä on viime vuosina tapahtunut nopeaa kehitystä. Nyt pystytään jo suunnitteluvaiheessa valitsemaan ratkaisuja, joiden tiedetään johtavan hyvään lopputulokseen kyseisen rakennuksen kohdalla. Enää ei olla täysin riippuvaisia suunnitteluohjeista ja perinnetiedosta. Uusia ratkaisuja voidaan myös tällä tavoin kehitellä ja valita vain lopputuloksen kannalta parhaat.
Pohjoismaissa ollaan kehityksen kärjessä
Alan kehityksen kärjessä ovat olleet USA ja pohjoismaat, joissa on kehitetty olosuhteiden mallintamiseen ja simulointiin osaavia ohjelmia. Tärkein tällä alueella lienee Suomessa tutkijoiden ja suunnittelijoiden yleisessä käytössä oleva IDA-ICE ohjelmistopaketti.
Sen historiasta ja käytöstä kertoo tekniikan lisensiaatti Mika Vuolle, joka on vuosia toiminut alalla ja kehittänyt laskenta- ja simulointimenetelmiä. Mika Vuolle toimi valmistuttuaan LVI-alan diplomi-insinööriksi vuonna 1991 pitkään silloisen Teknillisen korkeakoulun LVI-laboratorion palveluksessa tutkijana ja opettajana, sekä lopulta yliassistenttina. Hän suoritti tekniikan lisensiaattitutkinnon vuonna 1995, mutta vaihtoi parikymmentä vuotta sitten tutkijan uransa käytäntöön. Simulaatio- ja laskentamenetelmien kehittämisen piirissä hän on toiminut lähes koko uransa ajan. Lisäoppia hän haki ennen vuosituhannen vaihdetta toimimalla tutkijana Tukholmassa sikäläisessä teknillisessä korkeakoulussa. Siellä alkoi silloin aktiivinen nykyiseen IDA-ICE menetelmään johtanut kehitys pohjoismaisena yhteistyönä. Siitä asti Mika Vuolle on toiminut IDA-ICE kehitys- ja soveltamistyön piirissä. Vuodesta 2007 hän on ollut Equa Simulation Finland Oy:n palveluksessa. Mika Vuolle on aktiivisesti myös kouluttanut ja kurssittanut suomalaisia suunnittelijoita uusien menetelmien käyttöön.
Mika Vuolle kertoo, että Ruotsi on pitkään ollut olosuhdesimuloinnin johtavia maita. Ensimmäinen niin sanottu BRIS -ohjelma on tehty jo 1960-luvulla. Se perustui lämpötaseeseen niin kuin nykyisetkin ohjelmistot. Fläkt Oyn Ventac, mikä on BRIS -ohjelman yksi versio, on ehkä parhaiten tunnettu Suomessa. Pohjoismaissa ollaan aina oltu kiinnostuneita huonetilan tarkemmasta mallintamisesta ja huoneolosuhteista. Pohjoisamerikkalaisessa lähestymistavassa on taas haluttu mallintaa koko rakennus järjestelmineen ja näin huonetilojen mallinnus on ollut kevyempää.
– Jotkut sikäläiset simulointiohjelmat kuten esimerkiksi TRNSYS ovat syntyneet puhtaan järjestelmälaskennan tarpeesta, Mika Vuolle kertoo.
Rakennus on vaativa laskettava
– Rakennus on monimutkainen kokonaisuus, jonka riittävän luotettava laskenta ei onnistu liian yksinkertaisilla työkaluilla, Vuolle korostaa.
– Miten voitaisiin laskea aurinkokeräin järjestelmä, joka on yhdistetty lämpimänkäyttöveden tuoton lisäksi myös pesutilojen vesikiertoiseen lattalämmitykseen, jos laskentamalleissa ole lattialämmitystä ja aurinkokeräimiä kuvaavaa mallia ?
– Aina voidaan tuottaa kuukausitason laskentaan erilaisia kertoimia, mutta ne kuvaavat vain yhtä mallinnettua tilannetta. Ja nämä kertoimet eivät päde, jos esimerkiksi järjestelmää muutetaan rakenteeltaan tai asetusarvoiltaan hieman erilaiseksi. Rakennus ja sen järjestelmä on aina yksilö, myös laskennan kannalta.
Simuloinnissa käytettyjen ohjelmistojen tarkkuutta ja luotettavuutta on validoitu jo 1980-luvulta lähtien erilaisissa kansainvälisissä tutkimushankkeissa, esimerkiksi IEA Annexeissa. Ohjelmistovirheitä on korjattu runsaasti ja paremmin fysikaalisia ilmiöitä kuvaavia malleja on saatu ohjelmistoissa käyttöön. Vertailuja on tehty analyyttisiin malleihin, eri ohjelmistojen välillä sekä myös olosuhdemittauksia vastaan.
– Alkuaikoina ongelmia aiheutti erityisesti mittausdatan laatu, mutta viimeisimmissä hankkeissa mittausten ja laskentatulosten vastaavuus on ollut hyvä.
Kuka osaa tehdä laskelmia?
Suurin epävarmuuslähde on kuitenkin Vuolteen mielestä laskennan suorittaja.
– Erityisesti silloin, kun ohjelmistoa pyritään käyttämään sellaisen järjestelmän laskentaan, johon ohjelmistoa ei ole tarkoitettu eikä ohjelmistosta oikein löydy mallia, kuten lattialämmitys taikka esimerkiksi kaksoisjulkisivu, Mika Vuolle sanoo.
Henkilöauto on hyvä ratkaisu perheen kuljetustarpeisiin, mutta bussi on parempi jalkapalloseuran tarpeisiin. Oikea työkalu siis oikeaan paikkaan.
– Käyttäjät yrittävät usein venyttää tutun ja turvallisen ohjelmiston käytettävyyttä alueille, joille ohjelmisto ei ole tarkoitettu.
Tilannetta pahentaa usein vielä se, että usein yrityksen nuorin työntekijä laitetaan laskentavastuuseen, koska hän on opiskelujen aikana tutustunut ohjelmistoon.
– Se, että saa tuloksia ohjelmasta ulos, on vielä kaukana luotettavista tuloksista, joiden perusteella voidaan tehdä oikeat päätökset hankkeessa.
– Näkisin mielellään energia- ja olosuhdelaskennan yhtenä sellaisena erikoisalana, jossa kokeneemmat osaajat opettavat nuorempia.
– Laskentaosaamisen arvotusta voisi nostaa myös erilaisilla sertifikaateilla, joilla voisi osoittaa osaamisensa. Esimerkiksi USA:n insinöörijärjestöllä ASHRAElla on erillinen BEMP tutkinto.
– Tällainen pitäisi olla myös Suomessa taikka vielä mieluimmin koko Eurooppa tasolla.
Simulointi auttaa myös energialaskennassa
– Sisäilmastoon liittyvän olosuhdelaskennan lisäksi mallintaminen ja simulointi tarjoavat myös apua energiankulutuksen tarkempaan laskentaan.
– Jos ilmasto-olosuhteet ja rakennuksen ominaisuudet tunnetaan, voidaan energiankulutus laskea hyvinkin tarkasti. Tämä riippuu tietenkin näiden lähtöarvojen tarkkuudesta ja luotettavuudesta. Jos lähtötiedot eivät ole oikein, ei lopputuloskaan voi olla kovin luotettava. Simulointiin perustuvia energiankulutuslaskentamenetelmiä käytetään tänään yleisesti.
Rakentamismääräysten vaatimusten toteutuminen voidaan osoittaa Suomessa pääosin näillä menetelmillä.
– On usein havaittu, että näiden laskelmien avulla saatu kokonaisenergiankulutus saattaa poiketa merkittävästi toteutuneesta energiankulutuksesta. Mutta tosiasiassa rakennuksen energiankulutukseen vaikuttaa monia sen käytöstä ja asukkaista johtuvia tekijöitä, joita suunnitteluvaiheessa ei tiedetä. Ja nämä tekijät ovat siksi laskelmissa vakioitu.
Vuolle kertoo, että tällaisen energiasuunnittelun arvostus oli pitkään alamaissa.
– Nykyisin vaadittu kokonaisenergiatarkastelu on selvästi nostanut arvostusta. Menetelmiä tulisi kuitenkin kehittää. Hankkeita pitäisi ohjata voimakkaammin tavoite-energiakulutuksen mukaan ja ottaa kaikki rakennuksen energiavirrat huomioon.
– Esimerkiksi kaupankylmä ei vielä kuulu E-lukutarkasteluun, mutta sen osuus energiakulutuksesta on puolet marketeissa ja siitä saatava lauhde-energia on myös huomattava.
– Tällaisella kunnollisella energialaskennalla saadaan myös laskettua sisäolosuhteet, pintalämpötilat, operatiiviset lämpötilat sekä suhteellinen kosteus ja sisäilman hiilidioksidipitoisuus. Tällainen laskenta on tarpeen erityisesti vaativan tarpeenmukaisen ilmanvaihdon tarkastelussa.
USA:n insinöörijärjestöllä ASHRAElla on erillinen BEMP tutkinto.
Teksti Esko Kukkonen