Virtaussimuloinnilla tutkitaan muun muassa asumisen mukavuuden ja sisätilojen terveysturvallisuuden ongelmakenttiä. Entistä taitavampi ja tarkempi simulointi auttaa suunnittelussa: tarvetta löytyy monesta paikkaa.

Dynaamista virtaussimulointia käytetään muun muassa tuuletuksen, rakennekestävyyden, sisäilman laadun ja virtausten sekä jäähdytyksen simulointiin, mutta myös melun ja energiankulutuksen minimointiin.

Rakennusten olosuhdesimulointiin erikoistuneen Equa Simulation Finland Oy:n toimitusjohtaja, teknii­kan lisensiaatti Mika Vuolle odottaa simuloinnilta nykyistä vahvempaa roolia.

Simulointi pitää tehdä suunnitteluvaiheessa ennen päätöksentekoa, jotta siitä saadaan maksimaalinen hyöty.

”Simuloinnin nimenomaan pitää olla ohjaavaa, ei toteavaa. Kun ratkaisut on jo tehty, miksi tehdä enää tarkasteluja”, Vuolle kysyy.

”Simulointi toimii parhaiten siinä, että tuotteita ja ideoita verrataan keskenään päätöksenteon pohjaksi. Tosin absoluuttiset lukuarvotkin ovat tärkeitä mitoituksessa ja laitevalinnassa”, hän lisää.

Simulointi toimii parhaiten siinä, että tuotteita ja ideoita verrataan keskenään päätöksen­teon pohjaksi.” Mika Vuolle

Apua aerosoleja vastaan

Mitä tarkemmin lähtötiedot on määritelty ja mallinnus tehty, sen varmempia voidaan olla mitoituksen tasosta.

Virtaussimulointimenetelmällä haetaan nyt apua asumiseen, esimerkiksi ilman aerosolien levittämien sairauksien kuriin saattamiseen. Aerosolit ovat läpimitaltaan alle viiden mikrometrin kokoisia pisaroita (yksi mikrometri on millimetrin tuhannesosa). Sama pätee rakennuksen virtausten tekniseen hallintaan esimerkiksi ilmanvaihdon virtausten simuloinnissa.

”Rakennustekniikassa voidaan tutkia esimerkiksi sisäilman virtauksia erilaisten ilmanvaihto- ja suodatus- sekä lämmitysratkaisujen paremmuuden arvioimiseksi”, sanoo erikoistutkija Aku Karvinen VTT:stä.

VTT:n tutkimushankkeessa simuloinnin pohjalta mitoitettiin päiväkodin aerosolipitoisuuksia ilma­välitteisen virusaltistumien vähentämiseksi. Mallissa sisäilmaa rikastettiin puhtaalla ilmalla. VTT:n tekemän riskienarvioinnin ja ilmanpuhdistimien mitoituksen avulla puhdasta ilmaa saatiin lisättyä päiväkotien tiloihin kaksinkertainen määrä aikaisempaan verrattuna. Lasten sairastuvuus väheni 18 prosenttia.

Turun ammattikorkeakoulun Anojanssi-projektissa puolestaan simulointiin, miten häiritsevänä tieliikennemelu koetaan eri äänitasoilla erityyppisten väylien varrella kerros- ja pientaloissa. Toisena numeerisena tavoitteena oli määrittää, miten erilaiset ei-akustiset taustatekijät selittävät melun häiritsevyyttä.

Vaikeatasoista matematiikkaa

Virtaussimulaattori on ilmastointilaiteteollisuudessa jo yleinen suunnittelutyökalu. Simuloinnin lähtö­arvojen laskenta on pieni ongelma. Siinä käytetään James Lighthillin aaltoyhtälön lähdekenttää.

Metropolian yliopettajan Rauno Holopaisen mukaan tämä simulointialustojen matematiikka ohittaa AMK-tason, ja siksi virtaussimulointitutkimus on nyt enimmäkseen keskittynyt Aalto-yliopistoon.

Metropolia on silti tuottanut ainakin yhden ilmavirtausdynamiikan suunnannäyttäjänä pidetyn opinnäytteen: Jaakko Ruottisen Ansys Fluent -ohjelmis­tolla tuotettu Asuinkerrostalon seinäulospuhalluksen virtaussimulointi -tutkimus auttoi ulkoilman ­sisäänottoaukkoihin liittyvien pullonkaulojen paikallistamisessa.

Aalto-yliopiston professori Risto Kosonen ni­meää menestykseksi sisäilman aerosolien pitoisuussimuloinnin.

”Siinä toimii aikaan ja paikkaan liittyvä ilman epäpuhtauksien laskenta, jonka avulla voidaan tutkia ­ilmanjaon tehokkuutta”, Kosonen sanoo.

Energiayhtiö Neoenin jättimäinen akkuvarasto Yllikkälässä, Lappeenrannassa. Konttien älykäs tuuletus on simuloitu rakenteen suunnitteluvaiheessa.

Jäähdytys vai suojaus?

Kun asuntoa jäähdytetään kastepisteen ohjauksella­ toimivilla laitteilla, on tärkeää ottaa asumisen arjen vaikutukset tarkasti huomioon kosteuskuormien hallinnassa. Simuloinnissa sisäiset lämpökuormat ja käytännöt pitää määritellä johonkin kohtuulliseen tasoon, joka vastaa mahdollisimman hyvin normaalin asumisen käytäntöjen kuormia.

Dynaamisella simuloinnilla ja tilojen lämpötaseilla mitoitetaan tarvittavat jäähdytystehot, jotta haluttu lämpötila voidaan ylläpitää tai vaihtoehtoisesti mitoittaa jäähdytysteho niin, että jäähdytyksen asetusarvo ja tavoitearvo poikkeavat toisistaan. Tavoitelämpötila voi olla +25 astetta ja jäähdytyksen asetusarvo +23 astetta.

Yksi koulukunta uskoo parempaan aurinkosuo­jaukseen erillisten jäähdytysjärjestelmien asemesta.

Aina ei mene kuin Strömsössä

Yksinkertaisimmillaan etukäteisen simulointimallin avulla tiedämme, mitä valmiit rakenteet kestävät rajuissa sääoloissa esimerkiksi katolla tai pihalla.

Rakennustekniikka- ja talotekniikka-alan teollisuusprofessori Pia Sormunen Tampereen yliopistosta huomauttaa, että virtaussimuloinnin hyödyt eivät välttämättä aina ole niin yksiselitteisen hyviä, kuin mitä simulaatio-ohjelmistojen valmistajat saattavat mainostaa.

Simulointiprojektin kustannukset voivat toisinaan nousta varsin korkeiksi, vaikka esimerkiksi fyysisten malli- ja koekappaleiden valmistus voitaisiinkin ohittaa käyttämällä simulaatiota.

Teksti ja kuvat Reijo Holopainen