SAKARI NURMI MASSIIVIRAKENTEEN SISÄPUOLISEN LISÄLÄMMÖNERISTÄMISEN VAIKUTUS RAKENTEEN KOSTEUSTEKNISEEN TOIMINTAAN

Transkriptio

1 SAKARI NURMI MASSIIVIRAKENTEEN SISÄPUOLISEN LISÄLÄMMÖNERISTÄMISEN VAIKUTUS RAKENTEEN KOSTEUSTEKNISEEN TOIMINTAAN Diplomityö Tarkastajat: tutkimusjohtaja Juha Vinha ja professori Ralf Lindberg Tarkastajat ja aihe hyväksyttiin Rakennetun ympäristön tiedekuntaneuvoston kokouksessa 7. maaliskuuta

2 i TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Rakennustekniikan koulutusohjelma NURMI, SAKARI: Massiivirakenteen sisäpuolisen lisälämmöneristämisen vaikutus rakenteen kosteustekniseen toimintaan Diplomityö, sivua Kesäkuu Pääaine: Rakennesuunnittelu Tarkastajat: tutkimusjohtaja Juha Vinha ja professori Ralf Lindberg Avainsanat: massiivirakenne, lisälämmöneriste, hirsi, kevytbetoni Tutkimuksessa selvitettiin, miten hirsi- ja kevytbetonirakenteiden sisäpuolinen lämmöneristäminen vaikuttaa rakenteeseen kondensoituvan veden ja rakenteessa kasvavan homeen määrään sekä miten siitä johtuvia ongelmia voidaan hallita. Tarkastelut tehtiin Suomen ilmastossa olettamalla ulkopuolelle homeen kasvun ja kosteuden kondenssin kannalta kriittinen ilmasto. Tämän mahdollisti Tampereen teknillisen yliopiston tekemä tutkimus, jossa on haettu kriittisiä testivuosia eri rakenteille Suomen ilmastossa. Massiivirakenteiden osalta testivuotena käytettiin Jokioisissa vuonna vallinnutta ilmastoa. Sisäilmana oli vakiolämpötila C ja suhteellinen kosteus saatiin lisäämällä... g/m kosteuslisä ulkoilman vesihöyrypitoisuuteen. Tämän lisäksi otettiin myös huomioon tapahtuva ilmastonmuutos muokkaamalla ulkoilmastoa ennusteiden mukaiseksi. Rakenteiden toimivuutta arvioitiin homeindeksin maksimiarvolla ja tiivistyneen kosteuden määrällä. Raja-arvoina pidettiin homeindeksiä ja kondensoituneen kosteuden määrää g. Homeen kasvun osalta analysointi tehtiin VTT:n ja TTY:n yhdessä kehittämällä homemallilla, johon syötetään joka tunnille vallitseva lämpötila ja suhteellinen kosteus. Näistä arvoista malli laskee homeindeksin arvon kullekin ajanhetkelle. Kunkin tunnin lämpötila ja suhteellinen kosteus saatiin suoraan WUFIlaskentaohjelman tuloksista. Hirsirakenteen osalta on tiedetty, että sisäpuolisen hyvin vesihöyryä läpäisevän lämmöneristekerroksen kasvaessa, tarvitaan eristeen sisäpintaan riittävä höyrynsulkukalvo estämään sisäilmasta rakenteeseen diffuusiolla siirtyvä kosteus. On myös ollut selvää, että lisääntyvä sisäpinnan vesihöyrynvastus hidastaa rakenteen kuivumista, jolloin sen kosteustekninen toiminta heikkenee. Tämän tutkimuksen yksi keskeisimmistä tavoitteista olikin sopivan höyrynsulkukalvon etsiminen eri rakenteille. Tulokseksi saatiin, että puukuitueristeen tai mineraalivillan eristepaksuuden kasvaessa lisääntyi tarvittava vesihöyrynvastus suurin piirtein lineaarisesti. Huomattavaa olikin lähinnä se, että jo melko pienet eristepaksuudet vaativat muovipohjaisia höyrynsulkukalvoja eikä esimerkiksi bitumipaperi riitä takaamaan rakenteen

3 ii kosteusteknistä toimintaa. Kosteaa rakennetta tarkasteltaessa huomattiin, etteivät läpäisevät kalvot toimi enää edes muutaman sentin paksuisen lämmöneristeen kanssa. Tiivis höyrynsulkumuovi sen sijaan estää rakenteen kuivumisen sisäilmaan. Tästä voitiin päätellä, että hirsirakenteen on aina annettava kuivua ennen lämmöneristeen ja höyrynsulun asentamista. Kevytbetonin lisälämmöneristämistä tutkittiin käyttämällä sisäpuolella EPS-, XPS- ja kalsiumsilikaattieristeitä. Oletuksena oli, että solumuovieristeen lisääminen parantaa rakenteen kosteusteknistä toimintaa mineraalivillaeristeeseen verrattuna. Tulokset osoittavat, että solumuovieristeen oma vesihöyrynvastus on riittävä estämään liiallinen vesihöyryn diffuusio eristeen ulkopintaan ja rakenteissa ei tarvita erillistä höyrynsulkua. Kalsiumsilikaattilevy toimi hyvin kapillaarisuutensa takia, koska se pystyi siirtämään kosteutta tarkastelupisteestä sisäänpäin. Tärkeimmäksi toimivuuden kriteeriksi kevytbetonirakenteilla saatiin ulkopinnan riittävän tiivis pinnoittaminen, jotta viistosade ei pääse tunkeutumaan rakenteeseen. Tutkimuksessa kuitenkin osoitettiin, että pinnoitteen pienet halkeamat voidaan sallia.

4 iii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Civil Engineering NURMI, SAKARI: Hygrothermal Performance of Solid Sructures with Interior Thermal Insulation Master of Science Thesis, pages June Major: Construction Engineering Examiners: Associate professor Juha Vinha and Professor Ralf Lindberg Keywords: solid structure, interior thermal insulation, log, aerated concrete This study looked into temperature and moisture performance of solid structures which in this thesis means massive wood and aerated concrete structures. The goal was to determine how interior thermal insulation affects mold growth and condensation in the structure and how these problems could be managed. Structures were examined in Finnish climatic conditions with critical climate in terms of mold growth and condensation. This was made possible by study made in Tampere University of Technology in which critical test years were sought to different structures in Finnish climatic conditions. The test year used for solid structures was the climate occurred in Jokioinen in. Indoor air conditions were selected so that standard temperature was C and excess moisture values varied between and g/m. Also the occurring climate change was considered by modifying outdoor climate conditions to meet the projections. The hygrothermal performance of structures was measured on a scale of mold growth rate and condensation. Critical values were set to on a mold growth rate and g on condensation. This kind of analysis was possible because of the mold growth model developed by the co-operation of VTT and TUT. Temperature and relative humidity of each hour is given as an input data for the model from which it calculates the mold growth rate. The input data is given by WUFI which is a PC-program for calculating the coupled heat and moisture transfer in building components. For log structures it is known that inner surface requires sufficient vapor retarder to stop the moisture transfer by diffusion as the layer of thermal insulation grows. It has also been clear that high-resistance vapor retarder slows down the drying of the structure which weakens structure s hygrothermal performance. One of the main goals of this study was to determine ideal vapor retarder for different structures. The analysis led to the result that sufficient water vapor resistance increases almost linearly as the layer of mineral wool or wood fiber insulation grows. Significant was that even quite thin layer of insulation requires some plastic vapor retarder and for example bitumen paper is not water vapor resistance enough to ensure hygrothermally

5 iv functional structure. Analysis of wet structure led to a conclusion that low-resistance vapor retarders don t work even with a few centimeters thick insulation. In the other hand plastic vapor barrier prevents the drying of the structure to indoor air. Conclusion was that log structures need to be dry before installing thermal insulation. With aerated concrete thermal insulation was varied in EPS, XPS and calcium silicate. It was expected that adding polystyrene insulation would improve hygrothermal performance of the structure compared to mineral wool insulation. The results indicated that polystyrene insulations are water vapor resistance enough to prevent diffusion to the outer surface of the insulation and structures were hygrothermally functional in every situation without separate vapor barrier. Calcium silicate board worked because of its capillarity which enables moisture transfer away from the monitoring point. The most important criterion with aerated concrete was a sufficiently dense outer surface in order to prevent driving rain to be absorbed into the structure. Still this study shows that small cracks on outer surface can be allowed.

6 v ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Rakennustekniikan laitoksella ja se kuului osana kansalliseen FRAME-projektiin, jossa tarkasteltiin ilmastonmuutoksen ja lämmöneristyksen lisäyksen vaikutuksia vaipparakenteiden kosteustekniseen toimintaan ja sisäilman olosuhteisiin. Aloitin työn kesäkuussa. Kesä ja alkusyksy menivät taustatutkimuksessa sekä teoriapohjan tarkasteluissa, minkä jälkeen lokakuussa pääsin varsinaiseen tulosten laskentaan ja analysointiin. Kevään alussa kaikki tähän tutkimukseen sisällytettävät rakenteet oli tarkasteltu ja seuraavat kuukaudet menivät työn viimeistelyssä. Lopullinen ulkoasu valmistui kesäkuussa. Työni ohjaajana ja tarkastajana toimi tutkimusjohtaja Juha Vinha, jota haluan kiittää neuvoista, ohjauksesta ja mielenkiinnosta työtäni kohtaan. Kiitokset haluan osoittaa myös Ralf Lindbergille työni tarkastamisesta. Lisäksi haluan kiittää koko rakennusfysiikan tutkimusryhmää avusta ja hyvistä ideoista työhöni liittyen. Suuret kiitokset kuuluvat myös vanhemmilleni ja siskolleni kannustuksesta ja tuesta koko opintojeni aikana. Tampereella.. Sakari Nurmi

7 vi SISÄLLYS Johdanto.... FRAME-tutkimushanke.... Massiivirakenne.... Tutkimuksen tavoitteet... Tutkimusmenetelmät.... Tavoiteltava rakenne WUFI:n toiminta Laskennan perusteet ja virhelähteet Lämpötila- ja kosteuskenttien laskenta Säteily..... Viistosade.... Kosteus..... Kosteusvauriot..... Kondenssin syntyminen.... Home..... Homeen kasvun mallintaminen..... Homeen aiheuttamat haitat Homehtumisherkkyysluokat Hirsirakentaminen..... Rakentaminen Suomessa..... Kosteuden siirtyminen hirsiseinässä..... Tulevaisuuden näkymät... Tutkimuksen lähtökohdat.... Materiaaliominaisuudet..... Massiivirakenteet..... Lämmöneristeet..... Höyrynsulkukalvot..... Sementtirappaus..... Kipsilevy.... Tarkasteltavat rakenteet..... Hirsirakenteet..... Kevytbetonirakenteet Ilmasto Ilmastonmuutos Ilmasto-olosuhteiden valinta... 9 Tulokset.... Rakenteen yksinkertaistaminen..... Vesihöyryn diffuusio ylöspäin..... Koolauksen vaikutus Hirsirakenteet... 8

8 .. Käyttötilan tarkastelut Kostea rakenne Kevytbetonirakenteet Käyttötilan tarkastelut Kostea rakenne... Johtopäätökset.... Hirsirakenteet.... Kevytbetonirakenteet... Lähteet... vii

9 viii TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT Diffuusio EPS Höyrynsulku Huokoisuus Hygroskooppisuus Ilmansulku Kapillaarisuus Kondensaatio Konvektio Kosteus Kyllästyskosteuspitoisuus Lämmönjohtavuus Diffuusio tarkoittaa tässä kosteuden siirtymistä vesihöyrynä. Diffuusio pyrkii tasoittamaan kosteuseron niin, että vesihöyry siirtyy kosteammasta tilasta kuivempaa. EPS (expanded polystyrene) on paisutettua polystyreenimuovia. Höyrynsulku on rakenteessa oleva ainekerros, jonka tehtävänä on estää vesihöyryn haitallinen diffuusio rakenteeseen ja rakenteessa. Huokoisuus tarkoittaa materiaalin huokosten tilavuuden osuutta kokonaistilavuudesta. Hygroskooppisuus on huokoisen materiaalin kyky absorboida kosteutta ilmasta ja desorboida sitä ilmaan. Materiaalin korkea hygroskooppisuus kertoo korkeasta kosteuskapasiteetista. Ilmansulku on rakenteessa oleva ainekerros, jonka tehtävänä on estää ilman virtaaminen rakenteen läpi. Kapillaarisuudella tarkoitetaan huokoisen materiaalin ominaisuutta siirtää vettä kapeissa huokosissa kapillaarisen imun avulla. Kondensaatio on vaihe, jossa vesihöyry muuttuu vedeksi tai jääksi ilman vesihöyrypitoisuuden saavuttaessa ilman saturaatiokosteuden ( % RH). Konvektio tarkoittaa tässä lämmön ja kosteuden siirtymistä ilmavirran mukana. Kosteudella tarkoitetaan kaasuna, nesteenä tai kiinteänä olomuotona olevaa vettä, joka on kemiallisesti sitoutumatonta. Kyllästys- eli saturaatiokosteuspitoisuus, ν sat, on vesihöyrypitoisuuden yläraja eli se määrittelee, kuinka paljon vesihöyryä voi olla ilmassa tietyssä lämpötilassa. Lämmönjohtavuudella, λ, tarkoitetaan tehoa, jolla lämpö siirtyy rakenteen läpi pinta-alaa ja lämpötilagradienttia kohti.

10 ix Ominaislämpökapasiteetti Rakennuksen vaippa RH, suhteellinen kosteus Tasapainokosteus U-arvo Vesihöyryn diffuusiovastuskerroin Vesihöyrynläpäisevyys Vesihöyrypitoisuus XPS Ominaislämpökapasiteetilla, c, tarkoitetaan lämpöenergian määrää, joka materiaaliin sitoutuu lämpötilaeroa ja massaa kohti. Rakennuksen vaippa tarkoittaa kaikkia rakenteita, jotka erottavat sisätilan ulkoilmasta. RH (relative humidity), ϕ, tarkoittaa suhteellista kosteutta eli prosentteina sitä arvoa, joka vallitsevan ilman vesihöyrypitoisuus on sen hetken lämpötilan mukaiseen kyllästyskosteuteen verrattuna. Tasapainokosteus tarkoittaa materiaaliin sitoutuneen kosteuden määrää tietyssä ympäröivän ilman suhteellisessa kosteudessa. U-arvo eli lämmönläpäisykerroin kuvaa lämpövirtaa, joka siirtyy rakennusosan läpi neliön alalta, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla on yksikön suuruinen. Rakenteiden lämmöneristävyysvaatimukset on esitetty juuri U-arvoina Suomen rakentamismääräyskokoelmassa. Vesihöyryn diffuusiovastuskerroin, µ, kuvaa aineen kykyä rajoittaa vesihöyryn läpäisyä diffuusion välityksellä. Vesihöyryn diffuusiovastuskerroin kuvaa ainekerroksen vesihöyrynvastusta saman paksuisen ilmakerroksen vesihöyrynvastukseen verrattuna. Vesihöyrynläpäisevyys, δ, ilmoittaa tietyssä ajassa rakenteen läpäisevän vesihöyryn määrän pinta-alaa, kerrospaksuutta ja vallitsevaa vesihöyrypitoisuuseroa kohti. Vesihöyrypitoisuus, ν, kertoo, kuinka monta grammaa vettä voi olla kuutiometrissä ilmaa. XPS (extruded polystyrene) on suulakepuristettua polystyreenimuovia.

11 JOHDANTO. FRAME-tutkimushanke Future envelope assemblies and HVAC solutions (FRAME) on syyskuun 9 alussa alkanut projekti, joka päättyy syyskuun lopussa vuonna. Hankkeen lähtökohtana on, että tapahtuva ilmastonmuutos ja kasvavat eristepaksuudet muuttavat rakennusten vaipan rakennusfysikaalista toimintaa, josta saattaa olla haittaa varsinkin rakenteen kosteustekniselle toiminnalle. Tämä työ on osa FRAME-hanketta. Hanke toteutetaan Tampereen teknillisen yliopiston Rakennustekniikan laitoksen ja Aalto-yliopiston Energiatekniikan laitoksen yhteisprojektina. Yhtenä tutkimustahona hankkeessa on myös Mittaviiva Oy. Hankkeessa tehdään lisäksi yhteistyötä Ilmatieteen laitoksen kanssa ulkoilman testivuosien määrittämiseen liittyen. FRAME-hankkeen taustana on vuonna 8 Tampereen teknillisen yliopiston Rakennustekniikan laitoksella tehty selvitys matalaenergiavaatimusten mukaiseen vaipparakenteeseen liittyvistä lämpö- ja kosteusteknisistä ongelmista ja riskeistä. Hankkeessa tutkitaan monen erilaisen vaipparakenteen toimintaa eri ilmastoolosuhteissa. Tämä työ keskittyy selvittämään sisäpuolelta lisälämmöneristetyn massiiviseinärakenteen toimintaa.. Massiivirakenne Massiivirakenteella tarkoitetaan rakennetta, joka koostuu vain yhdestä materiaalikerroksesta. Näin ollen sama materiaali toimii sekä kantavana rakenteena että lämmöneristeenä. Massiivirakenteita on tehty Suomessa lähinnä hirrestä, kevytbetonista ja kevytsoraharkoista sekä aiempina vuosisatoina esimerkiksi tiilestä. Nykyään kevytsoraharkotkin tehdään usein lämmöneristeellä halkaisuna. Tämä työ keskittyy tarkastelemaan vain hirsi- ja kevytbetonirakenteita. Massiivirakenteiden huonona puolena pidetään heikkoa lämmöneristyskykyä, mikä on tullut entistä kriittisemmäksi vuoden alussa voimaan tulleiden tiukempien lämmöneristysvaatimusten takia. Ratkaisuna onkin eristeen lisääminen massiivirakenteen sisä- tai ulkopintaan. Hirttä pidetään esteettisenä, mikä onkin nykyään merkittävä syy hirsirakennusten tekemiseen. Ulkopuolinen lisälämmöneristäminen pilaisi ulospäin näkyvän hirsipinnan, minkä takia hirsitaloissa

12 käytetään melkein pelkästään sisäpuolista lämmöneristettä. Kevytsoraharkkoa tai kevytbetonia käytettäessä eristeen voi yhtä hyvin laittaa myös ulkopintaan, mikä on kosteusteknisesti varmempi rakenne. Tässä työssä tarkastellaan vain sisäpuolista lisälämmöneristystä. Yhdessä rakennekerroksessa sekä lämpötila että ilman vesihöyrypitoisuus muuttuvat lineaarisesti, minkä takia massiivirakenteella ei varsinaisesti ole kriittisiä kohtia kosteuden tiivistymisen kannalta. Hyvin vesihöyryä läpäisevän lämmöneristekerroksen lisääminen massiivirakenteen sisäpintaan muuttaa kuitenkin rakenteen kosteuskäyttäytymistä huomattavasti, koska lämpötilan muutos tapahtuu suurimmaksi osin eristeessä ja vesihöyrypitoisuuden muutos lähinnä massiivirakenteessa (kuva -). Kylminä vuodenaikoina tämä mahdollistaa kosteuden kondensoitumisen eristeen ulkopintaan ja muodostaa ilman lämmetessä otollisen kasvupaikan homeelle. Kuva -: Massiivirakenteen kosteuskäyrät lisälämmöneristeellä ja ilman sitä. Punainen käyrä kuvaa lämpötilan mukaan vaihtuvaa kyllästyskosteuspitoisuutta ja sininen rakenteen vesihöyrynvastuksen mukaan vaihtuvaa vallitsevaa vesihöyrypitoisuutta. Kosteuden kondensoituminen massiivirakenteen sisäpintaan voidaan välttää asentamalla riittävän tiivis höyrynsulku eristekerroksen sisäpintaan. Sisäpinnassa oleva höyrynsulku kuitenkin hidastaa rakenteen kuivumista sisäänpäin, minkä takia tiiviin kalvon käyttöä ei suositella. Varsinkin, jos rakennusta ei pidetä lämpimänä ympäri vuoden, saattaa vesihöyryn kulkusuunta muuttua ulkoa sisäänpäin, jolloin tiivis höyrynsulku voi aiheuttaa eristeen sisäpintaan kondenssin. Tämän työn keskeinen tehtävä onkin selvittää sopiva sisäpinnan vesihöyrynvastus eri rakenteisiin.

13 . Tutkimuksen tavoitteet Työssä on tavoitteena laskea massiivirakenteiden rakennusfysikaalista toimintaa eri eristepaksuuksilla. Laskenta tehdään Suomen ilmastossa ottamalla huomioon odotettavissa olevan ilmastonmuutoksen vaikutus. Tarkasteluja tehdään sekä rakennusaikaisissa että rakennuksen käytön aikaisissa olosuhteissa, mikä tarkoittaa myös kostean rakenteen tutkimista. Tarkoituksena on selvittää, miten rakenteita voidaan parantaa esimerkiksi lisäämällä rakenteen sisäpintaan höyrynsulku ja onko eristepaksuudella jokin yläraja rakennusfysikaalisen toiminnan kannalta. Eri massiivirakenteen ja eristeen yhdistelmille haetaan optimaalinen vesihöyrynvastus, minkä tarkoitus on toimia ohjeena rakentajille massiivirakennetta lisälämmöneristettäessä. Rakenteen kuivumista tarkasteltaessa selvitetään, miten kostean hirren käyttö vaikuttaa koko rakenteen toimintaan. Tarkoitus on selvittää, tarvitseeko rakentamisen jälkeen odottaa hirren kuivumista ennen lisälämmöneristämistä ja kuinka kauan kuivumisessa kestää.

14 TUTKIMUSMENETELMÄT Työssä tarkastellaan teoreettisesti veden tiivistymistä eristeen ulko- ja sisäpintaan, rakenteessa vallitsevaa lämpötilaa sekä kosteuden ja lämmön vaikutuksesta tapahtuvaa mahdollista homeen muodostumista ja kosteuden kondensoitumista. Laskennassa on käytetty WUFI-ohjelmia (Wärme- Und Feuchtetransport Instationär). WUFI on -dimensioinen laskentaohjelma, jolla voidaan simuloida rakenneleikkauksen lämmön- ja kosteudensiirtoa. Tulokset saadaan syöttämällä materiaalikerrosten paksuudet, ominaisuudet, sisä- ja ulkoilman olosuhteet sekä alkuolosuhteet Rakennetta on yksinkertaistettu niin, että eristeessä oleva puukoolaus jätetään ottamatta huomioon, jolloin -ulotteinen tarkastelu on mahdollinen. Yksinkertaistus perustuu siihen, että koolauksen kohdalla koko rakenteen lämpötila- ja kosteuskäyrät käyttäytyvät melko lineaarisesti, minkä takia sen ei pitäisi tulla kriittiseksi kohdaksi. Tämä tarkastetaan kuitenkin vielä WUFI D ohjelmalla, joka on muuten hyvin samanlainen kuin edellä mainittu WUFI, mutta sallii -ulotteisen laskennan. Tarkasteltava rakenne on rajattu ohjelmassa neljän rajapinnan avulla. Näihin kuuluvat luonnollisesti rakenteen sisä- ja ulkopinta. Kaksi muuta ovat rakenteen katkaisevia rajoja, joita käsitellään adiabaattisena reunoina eli niissä ei tapahdu minkäänlaista lämmön- tai kosteudensiirtoa ympäristön kanssa. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että tarkasteltava rakenne on äärettömän korkea seinä, jossa lämpö ja kosteusliikkeet tapahtuvat vain seinän poikittaissuunnassa. Todellisuudessa rakenne on kuitenkin aina äärellinen, massiivirakenteen tapauksessa usein yksikerroksinen seinä, jossa voi tapahtua lämmön- ja kosteudensiirtoa myös y-akselin suunnassa. Mielenkiintoinen kohta tässä on yläpohjan liitos, jossa ainakin teoriassa olisi mahdollisuus rakenteen nopeammalle kuivumiselle. Kyseinen asia tarkastetaan mallintamalla koko seinä WUFI D ohjelmaan ja tutkimalla kosteuspitoisuuksia rakenteen eri kohdissa. WUFI-ohjelmat laskevat diffuusiolla ja kapillaarisesti rakenteeseen siirtyvän kosteuden, mutta eivät ota konvektion vaikutusta huomioon. Kostean ilman virtaaminen eristekerrokseen saattaa aiheuttaa huomattavan kosteuslisän (kuva -). Tämä pitää estää suunnittelemalla ja toteuttamalla rakenne riittävän tiiviiksi.

15 Kuva -: Kosteuden siirtyminen konvektiolla rakenteeseen. Vesihöyryn kyllästyskosteuspitoisuus alle C lämpötilassa vaihtelee riippuen siitä, mitataanko se veden vai jään yli. WUFI-ohjelmat käyttävät jään yli mitattuja arvoja, jotka antavat hieman pienemmän kyllästyskosteuspitoisuuden, jolloin kondenssi tapahtuu helpommin. Kuvassa - on vertailtu veden ja jään yli mitattuja vesihöyryn kyllästyskosteuspitoisuuksia eri lämpötiloissa.

16 Kuva - : Vesihöyryn kyllästyskosteuspitoisuus lämpötilan funktiona veden ja jään yli kaavoilla laskettuna. [] Rakenteen kosteusteknistä toimivuutta mitataan tässä lähinnä eristeen ulkopintaan kondensoituvan kosteuden määrän perusteella sekä eristeen ulkopinnan homeindeksillä. WUFI antaa laskennasta tulokseksi kunkin elementin kosteuspitoisuuden ja lämpötilan jokaista tuntia kohden. Kondenssia laskettaessa tarvitaan myös elementin kapillaarisen alueen kosteuspitoisuus, mikä saadaan vertaamalla elementin kosteuspitoisuutta materiaalin tasapainokosteuskäyrään. Tämän ja elementin paksuuden perusteella saadaan laskettua kyseiseen elementtiin tiivistyvän veden (kapillaarisella alueella olevan kosteuden) määrä kaavalla % missä w = materiaalin kosteuspitoisuus [kg/m ] w 97% = 97 % RH suhteellista kosteutta vastaava kosteuspitoisuus [kg/m ] d = elementin paksuus Kondensoituvan kosteuden määrä on nolla, kun w < w 97%. Tämä lasketaan erikseen tarvittavassa määrässä elementtejä (rajapinnan lähellä kaikissa, joissa kondensoitumista tapahtuu) sekä massiivirakenteen että eristeen puolella. Jokaiselle tunnille summataan jokaisessa elementissä tiivistyvä kosteuden määrä, joista sitten valitaan suurin arvo kuvaamaan vuoden aikana tiivistyvän kosteuden

17 7 maksimimäärää. Homeindeksin maksimiarvon laskenta on hieman monimutkaisempaa ja siihen perehdytään kappaleessa... Massiivirakenne on mallinnettu tasaisena materiaalikerroksena. Tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi mahdollisten halkeamia tai hirsien välissä olevia rakoja ei ole otettu huomioon. Halkeamat ja hirsien saumat pienentävät massiivirakenteen vesihöyryvastusta, minkä takia homogeenisen materiaalikerroksen voidaan katsoa olevan varmalla puolella. Laskennassa on tarkasteltu kutakin rakennetyyppiä aina yhden vuoden mittaisella ajanjaksolla. Ohjelmaan on syötetty kuitenkin kolme peräkkäistä ilmastodataltaan samanlaista vuotta, joista on tarkasteltu ainoastaan viimeistä vuotta. Tämä tehdään sen takia, että massiivirakenne ehtisi saavuttaa ennen tarkasteluvuoden alkua kosteusolosuhteiden osalta tasapainotilan, jolloin tulokset vastaavat todellista tilannetta. Tämä työ niin kuin koko FRAME-hanke keskittyy enimmäkseen uudisrakentamiseen. Tulokset ovat kuitenkin sovellettavissa yhtä hyvin myös olemassa olevien rakennusten lisälämmöneristämiseen. Tavoiteltava rakenne Työssä on tarkoituksena erotella eri rakennetyypeistä toimivat rakenteet ja korjata muut toimiviksi. Toimivalla rakenteella tarkoitetaan tässä sitä, että rakenteeseen ei kondensoidu vettä eikä hometta esiinny eli homeindeksi on aina alle yksi. Puurankarunkoisessa seinässä sallitaan tavallisesti maksimissaan... g/m veden tiivistymistä rakenteen ulkopinnan lähellä. Koska massiivirakenteen sisäpinta on paljon lähempänä sisätiloja ja massiivirakenne kuivuu hitaasti, käytetään tässä työssä kuitenkin selvästi tiukempia vaatimuksia.. WUFI:n toiminta.. Laskennan perusteet ja virhelähteet WUFI :n laskenta perustuu elementtimenetelmään. Jokainen rakennekerros jaetaan pieniin osiin, elementteihin. Yhdessä elementissä on aina samat ominaisuudet eli esimerkiksi lämpötila- tai kosteusolosuhteet muuttuvat vain elementtien rajoilla. Tästä syystä laskenta on sitä tarkempaa mitä tiheämpi elementtiverkko on. Rakennekerroksien jako elementteihin tapahtuu geometrisena sarjana, jossa kerroksen reunoilla olevat elementit ovat ohuimpia ja keskellä olevat ovat paksuimpia. WUFI :n automaattisen jaon geometrinen muuntotermi on hyvin pieni (,...,), jolloin

18 8 elementtien paksuuksissa ei ole suurta eroa. Kuitenkin, koska tarkastelupisteet ovat rakennekerroksien rajoilla, on laskennan tarkkuuden ja nopeuden kannalta parempi sijoittaa reunoille selvästi ohuemmat elementit. Tästä syystä laskelmissa on käytetty manuaalista elementtijakoa ja asetettu geometriseksi muuntotermiksi,. Massiivirakenne on jaettu kolmeenkymmeneen elementtiin, joista tarkastellaan sisempää. Lämmöneristeessä on elementtiä, joista tarkastellaan jokaista. Sisäverhouslevyn ja mahdollisen höyrynsulun elementtijaolla ei ole juurikaan merkitystä laskentatuloksien kannalta ja niissä on käytetty tasapaksuja elementtejä: sisäverhouslevyssä yhdeksän ja höyrynsulkukalvossa kolme. Elementtijaolla on suuri merkitys kondensoituvan kosteuden määrää laskettaessa. Rakennetyypistä riippuen tiivistyneen kosteuden määrä saattaa vaihdella kymmeniä prosentteja WUFI:n automaattijaon keskitiheän ja tiheän elementtiverkon välillä. Verkkoa tihennettäessä edellä mainitusta manuaalisesti määrätystä verkosta tulosten ero on kuitenkin enää hyvin pieni. Työssä käytettävä verkko vastaa tuloksiltaan WUFI:n automaattijaolla määrättyä tiheää verkkoa, mutta on laskennassa nopeampi. WUFI:n laskenta etenee silmukalla läpi jokaisen aika-askeleen, jonka pituus tässä työssä on yksi tunti. Ensimmäisen aika-askeleen lämpötila ja kosteuspitoisuus saadaan suoraan lähtöarvoista, jotka tässä työssä eristeen ulkopinnan kondenssia laskettaessa ovat tasaisesti joka materiaalissa + C ja 7 % RH. Seuraavalla aika-askeleella päivitetään lämmön- ja kosteudensiirron kertoimet ja lasketaan niiden avulla uudet lämpötila- ja kosteuskentät. Laskentatulokset määritetään iteroimalla ja niiden tulisi lähestyä suppenevaa ratkaisua. Jos saatu tulos ei ole suppeneva, ohjelma päivittää kertoimet ja laskee uudelleen kunnes saadaan suppeneva tulos. Tämän jälkeen siirrytään seuraavaan aika-askeleeseen. Edellä mainittu silmukka käydään läpi jokaisella askeleella, joita kolmen vuoden laskentaan tulee 8 kappaletta, ja tulokseksi saadaan rakenteen lämpötila- ja kosteuskenttien vaihtelu tarkasteluun valituilla sisä- ja ulkoilman olosuhteilla. Laskennan tarkkuus riippuu elementtien paksuuden lisäksi aika-askeleen pituudesta ja suppenemiskriteereistä. Näistä johtuvat virheet ovat kuitenkin yleensä pieniä verrattuna materiaalitiedoissa ja ilmastodatassa esiintyviin epätarkkuuksiin. Laskennan jälkeen tulee kuitenkin aina tarkastella kriittisesti tulosta mallinnuksessa esiintyvien virheiden ja vakavien suppenemisvirheiden varalta. Suppenemisvirheistä ohjelma ilmoittaa, mutta muihin virheisiin puuttuminen on käyttäjän harkintakyvyn varassa. Tässä työssä on tehty kymmeniä vertailulaskelmia samankaltaisilla lähtöarvoilla, minkä takia saatavan tuloksen suuruusluokka on voitu ennustaa ja näin ollen välttää karkeita virheitä.

19 9.. Lämpötila- ja kosteuskenttien laskenta WUFI:n tärkeimpänä ominaisuutena on laskea annettujen lähtötietojen perusteella kussakin elementissä vallitsevat lämpötila- ja kosteusolosuhteet. Epästationääristä lämmön siirtymistä kuvataan differentiaaliyhtälöillä (.) sekä kosteuden siirtymistä differentiaaliyhtälöllä joissa D w = kosteusdiffusiviteetti [m /s] H = kostean rakennusmateriaalin entalpia [J/m ] h v = veden höyrystymisenlämpö [J/kg] p = vesihöyryn osapaine [Pa] u = vesipitoisuus [m /m ] δ = vesihöyrynläpäisevyys [kg/(mspa)] θ = lämpötila [ C] λ = kostean materiaalin lämmönjohtavuus [W/(mK)] μ = kuivan materiaalin vesihöyrynvastus [-] ρ w = veden tiheys [kg/m ] φ = ilman suhteellinen kosteus [-] (.) Näiden yhtälöiden vasemmat puolet kuvaavat elementissä olevaa varastoitunutta lämpöä ja kosteutta, kun taas oikeat puolet kuvaavat siirtyvää lämpöä ja kosteutta. Suhteellinen kosteus lasketaan vallitsevan vesihöyryn osapaineen sekä kyllästyskosteuspitoisuutta vastaavan osapaineen suhteesta. Kyllästyskosteuspitoisuutta vastaavan osapaineen WUFI laskee lämpötilasta θ [ C] riippuvasta kaavasta p v, sat e e , kun C, kun C (.) Yhteys vesihöyryn osapaineen ja ilman vesihöyrypitoisuuden välille saadaan yleisestä kaasulaista kaavalla. (.)

20 missä M W R θ = veden moolimassa (8, kg/kmol) = yleinen kaasuvakio (8, J/(kmol K)) = lämpötila [ C] WUFI antaa mahdollisuuden muokata materiaalitiedoissa vesihöyryn diffuusiovastuskertoimen ilman suhteellisesta kosteudesta riippuvaksi. Kun kapillaariset ominaisuudet on jo laitettu kosteusriippuviksi, kosteuden vaikutus on otettu huomioon jo näissä arvoissa. Tämän takia tässä työssä käytetään materiaaleilla vesihöyryn diffuusiovastuskertoimena vakioarvoa. Poikkeuksena tähän ovat läpäisevät höyrynsulkukalvot, joilla ei ole kapillaarisia ominaisuuksia. [].. Säteily Ulkopinnan lämpötilan laskentaan vaikuttaa johtumisen ja konvektion lisäksi säteily. Säteily voidaan jakaa lyhyt- ja pitkäaaltoiseen. Lyhytaaltoinen (aallonpituus noin,..., µm) säteily on peräisin auringosta ja sen määrä vaihtelee siksi suuresti päivän ajasta riippuen. Rakenteet absorboivat lyhytaaltoista säteilyä, mutta eivät emittoi sitä. Pitkäaaltoinen (aallonpituus noin µm) säteily on maan pinnalla olevien objektien (kuten rakennusten tai maan) emittoimaa lämpösäteilyä. Rakenteet siis sekä absorboivat että emittoivat pitkäaaltoista säteilyä eli ne ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa vuorokauden ajasta riippumatta. Auringon säteilystäkin pieni osa on pitkäaaltoista, mutta sen määrä on merkityksetön maan pinnalla oleviin lähteisiin verrattuna. Mustan kappaleen säteilemä teho pinta-alaa kohden saadaan Stefan-Bolzmannin laista (.) jossa σ = Stefan-Bolzmannin vakio (,7-8 W/(m K )) T = lämpötila [K] Tästä päästään todellisen kappaleen säteilemään tehoon kertomalla tulos säteilevän pinnan emissiviteetillä ε. Pitkäaaltoisessa säteilyssä kappaleiden lämpötilat ovat niin lähellä toisiaan, että kulkeutuvan energian määrä voidaan yksinkertaistaa muotoon (.) jossa