Luftstrømning i skrå tretak - Eksperimentelle undersøkelser og numeriske beregninger
Abstract
Luftede skrå tretak er i dag en utbredt konstruksjon for både småhus og større næringsbygg i Norge. Utført etter de retningslinjene som er gitt i Byggforskserien, er skrå tretak å anse som en robust konstruksjonsmetode. Dagens retningslinjer for lufting av skrå tretak er på sin side for lite konkretiserte og nyanserte, spesielt for skrå tretak med lave vinkler og med bygningsintegrerte solceller. Denne oppgaven tjener med hensikt å danne økt faglig forståelse og kunnskap vedrørende luftstrømning, samt fukt- og temperaturforhold i skrå tretak. Økt forståelse og faglig grunnlag er innarbeidet gjennom relevant teori, eksperimentelle målinger, og numeriske beregninger. Kunnskapen om luftstrømning i skrå tretak er studert gjennom trykkmålinger på en testmodell av et skrått tretak, og gjennom beregning av støttapskoeffisienter for henholdsvis raft, steinlekter og møne.
Resultatene viser at å benytte justerte steinlekter, i snitt medfører en reduksjon i støttapskoeffisienten for steinlektene tilsvarende 35 %, sammenlignet med å benytte rettkantede steinlekter. Derfor kan det sies at et skrått tretak utført med justerte steinlekter, vil medføre økt luftstrømning, sammenlignet med et skrått tretak utført med rettkantede steinlekter. Dersom spaltehøyden økes fremfor å øke steinlektenes høyde, oppnås et mindre trykktap over steinlektene, som i sin tur medfører mindre motstand mot luftstrømning.
I denne oppgaven er to ulike alternativer for utførelse av raftekassen studert. Ved en sammenligning av en raftekasse med spalteåpninger i raftets underside, og en raftekasse hvor luftingen i sin helhet foretas bak takrenna, fremstår utførelsen med spalteåpninger i raftets underside gunstigst med tanke på luftstrømning i skrå tretak. Alternativet med lufting bak takrenna, medfører en økning i støttapskoeffisienten for raftekassen tilsvarende 230 %, sammenlignet med raftekassen med lufting gjennom spalter i raftets underside. Montering av innsektsnetting i raftekassene, er på sin side vist å medføre en økning tilsvarende 77 %. Ved en sammenligning av ulik utførelse av spalteåpninger i raftets underside, fremstår alternativet med to spalter på 25 mm, som den gunstigste løsningen. Løsningen med fem spalter på 10 mm, gav det største trykktapet, etterfulgt av løsningen med en spalte på 50 mm. Det kan derfor sies at en tradisjonell raftekasse med lufting gjennom spalter i raftekassens underside, er fordelaktig, sett i lys av å oppnå minst motstand mot luftstrømning i luftespalten i et skrått tretak. Møneløsningen som er testet viste seg å medføre et betydelig trykktap, sammenlignet med raft-alternativene. Det anbefales at møne utføres med en mulighet for utlufting, og muliggjør gjennomlufting under mønekammen.
Dersom en hensyntar usikkerhetene ved målingene i laboratoriet, og forenklingene som er gjort i COMSOL, oppleves relativ god overensstemmelse mellom målt og beregnet trykktap over steinlekter. Dette betinger på sin side fornuftig valg av ligningsvarianter og inputverdier.
For å kartlegge spalteutformingens og isolasjonstykkelsens innvirkning på fukt- og temperaturforhold i luftespalten, er det utført et flertalls parameterstudier i WUFI. Effekten av å øke isolasjonstykkelsen i et skrått tretak er observert størst for undertakets fuktforhold. Ved en økning fra 300 mm til 500 mm isolasjonstykkelse, øker årsgjennomsnittlig relativ fuktighet for undertakets varme og kalde side i snitt med 1,8 %. Tilsvarende økning i isolasjonstykkelse, vil medføre at årsgjennomsnittlig temperatur for undertakets kalde side reduseres med 2,2 %. Underkjølingen størrelse vil på sin side øke med 6,6 %, og dets varighet med 15,7 %, for undertakets kalde side, ved samme økning i isolasjonstykkelsen i et skrått tretak.
Sammenlignet med små spaltetverrsnitt vil store spaltetverrsnitt bli varmere ved lav utetemperatur, grunnet redusert underkjøling. Videre vil store spaltetverrsnitt bli kaldere ved perioder med høy utetemperatur og intens solstråling, grunnet økt varmetransport. Ventilasjonens kapasitet er vist å øke i takt med økende spaltetverrsnitt, mens dets størrelse er avhengig av lufthastigheten i luftespalten. En økning i spaltehøyden fra 23 mm til 48 mm er vist å medføre en økning i årsgjennomsnittlig relativ fuktighet for spaltens omsluttende flater, tilsvarende 2 %. Ved økende spaltetverrsnitt, reduseres underkjølingens størrelse, mens dets varighet øker. Underkjølingens størrelse er vist å resultere i en reduksjon tilsvarende 5,2 %, mens dets varighet økes med 2,3 %, dersom spaltehøyden økes fra 23 mm til 48 mm. Potensialet for kondens vil øke ved økende spaltetverrsnitt, mens dets varighet reduseres.
Det fremgår av studien vedrørende varierende luftskifte i luftespalten, at økt luftskifte medfører økt fukttilskudd i luftespalten. Ringvirkningen av økt fukttilskudd i luftespalten, er en økning i årsgjennomsnittlig relativ fuktighet for luftespaltens omsluttende flater. Dersom luftskiftet økes fra 25 til 50 luftomsetninger i timen, observeres en økning i relativ fuktighet i luftespalten tilsvarende 2 %. Videre vil et økt luftskifte i luftespalten, redusere både underkjølingen og potensialet for kondens i luftespalten i et skrått tretak. Likeledes vil økt takhelning medføre en reduksjon i opptredende underkjøling, og potensialet for kondens i en luftespalte i et skrått tretak.
Lufthastighet og temperaturforhold i luftespalten i et skrått tretak er studert ved feltmålinger i ZEB Test Cell. Målingene viser at en antakelse om et midlere luftskifte for luftespalten i intervallet (50 100) luftomsetninger i timen, er et fornuftig valg for aktuell takkonstruksjon og geografisk plassering. I tillegg til en markant ekstremverdi for underkjølingen, tilsvarende seks grader, observeres en overraskende lang varighet med underkjøling av takflaten under aktuell måleperiode.
Endrede takkonstruksjoner med bygningsintegrerte solceller, vil sammen med et stadig fuktigere klima, og en stadig kaldere vindsperre, medføre endrede fukt- og temperaturforhold i en luftespalte. Det er derfor nærliggende å tro at snøsmelting ikke blir enkeltstående dimensjonerende parameter i fremtidens retningslinjer for lufting av skrå tretak. Grunnprinsippene for lufting av skrå tretak, vil antakeligvis kunne sammenfattes slik i fremtiden:
- Ventilere bort eventuell fukt fra takkonstruksjonen og dermed hindre uheldig fuktforhold i luftespalten og takkonstruksjonen
- Ventilere bort varmetilskudd under perioder med sol, og ventilere bort varmetilskudd gitt av takets varmetap, med hensikt å forebygge snøsmelting og uheldig isdannelse ved takfoten
- Redusere underkjøling av takflaten og kondens i luftespalten
- Bidra til å forebygge en reduksjon i bygningsintegrerte solcellers virkningsgrad i størst mulig grad
Fremtidens tretak med bygningsintegrerte solceller krever mer nyanserte retningslinjer for lufting av skrå tretak, som blant annet hensyntar effekten av en endret taktekking. Et stadig fuktigere klima, vil sammen med en stadig kaldere vindsperre i skrå tretak, ytre et behov for å studere effekten av økt fuktbelasting for luftespaltens omsluttende flater. Videre forskning er nødvendig for å danne tilstrekkelig kunnskapsgrunnlag, for en fremtidig revidering av dagens retningslinjer for lufting av skrå tretak.