Ville Katainen & Kai Vähämaa. Paine-erojen pitkäaikainen seuranta ja painesuhteiden vaihtelu rakennuksissa

Transkriptio

1 Ville Katainen & Kai Vähämaa Paine-erojen pitkäaikainen seuranta ja painesuhteiden vaihtelu rakennuksissa Opinnäytetyöt, Rakennusterveys 2015

2 VILLE KATAINEN & KAI VÄHÄMAA Paine-erojen pitkäaikainen seuranta ja painesuhteiden vaihtelu rakennuksissa Opinnäytetyöt Koulutus- ja kehittämispalvelu Aducate -Suomen yliopisto Kuopio 2015 Aihealue: Rakennusterveys

3 -Suomen yliopisto, Koulutus- ja kehittämispalvelu Aducate

4 TIIVISTELMÄ: Opinnäytetyössä käsitellään paine-erojen pidempiaikaista seurantaa ja painesuhteiden vaihtelua rakennuksissa: tuulen, lämpötilaerojen, koneellisen ilmanvaihdon sekä rakennuksen tiiviyden vaikutusta painesuhteisiin. Lisäksi käsitellään epäpuhtauksien kulkeutumista paine-erojen ja ilmavirtausten vaikutuksesta. Työtä varten suoritettiin pitkäkestoisia paine-eron mittauksia kahdessa kohteessa. Lisäksi hyödynnettiin aiemmin kerättyjä mittaustuloksia sekä paine-eromittauksesta kertynyttä kokemusta. Painesuhteet määrittävät ilmavirtausten suunnan rakenteiden epätiiviyskohdilla ja sen vuoksi niiden selvittäminen on tärkeää sisäilmaongelmia tutkittaessa, vähintäänkin paine-erot ulkovaipan yli tulisi aina selvittää. Paine-erosta riippuen rakenteiden läpi tapahtuvat ilmavirtaukset saattavat tuoda mukanaan epäpuhtauksia sisäilmaan tai viedä sisäilman kosteutta rakenteisiin, aiheuttaen vaurioitumisriskin rakenteelle. Rakennuksen sisäisten painesuhteiden vaikutuksesta epäpuhtaudet saattavat kulkeutua laajallekin rakennuksen sisällä, tai jopa rakennuksesta toiseen, kuten opinnäytetyön päätutkimuskohteessa havaittiin - ainakin teoriassa - tapahtuvan. Rakennuksen painesuhteet selvittämällä voidaan siis arvioida myös epäpuhtauksien leviämistä rakennuksen sisällä, kun epäpuhtauslähteitä on havaittu. Usein rakennuksen painesuhteista puhutaan mustavalkoisesti: rakennus tai sen osa on joko ylitai alipaineinen ulkoilmaan nähden. Käytännössä sisä- ja ulkoilman väliset painesuhteet vaihtelevat voimakkaasti jo pelkästään tuulen vaikutuksesta (ilmanvaihtotavasta ja savupiippuvaikutuksesta riippumatta), usein myös yli- ja alipaineen välillä. Lisäksi koneellisen ilmanvaihdon erilaiset käyttöjaksot sekä vuorokauden- ja vuodenajasta johtuvat ulkolämpötilan vaihtelut muuttavat rakennuksen painesuhteita. Myös rakennuksen käytöllä on vaikutusta painesuhteisiin: liesituulettimen tai muun kohdepoiston käyttö sekä ovien ja ikkunoiden avaaminen, sulkeminen ja auki pitäminen. Edellä mainituista syistä lyhytkestoisella mittauksella ei välttämättä saada todenmukaista kuvaa rakennuksessa vallitsevista painesuhteista. Tästä syystä paine-eroja tulisi seurata pidempään ( 7 vuorokautta) mikäli painesuhteilla oletetaan olevan suuri

5 vaikutus sisäilman laatuun tai rakenteiden vaurioitumiseen, tai jos lyhytaikaisessa paine-eron mittauksessa havaitaan jotain poikkeavaa. Koska tuuliolosuhteita - ja siten myöskään rakennuksen painesuhteita - ei voida täysin hallita, rakenteiden kunto ja tiiviys nousevat kriittiseksi epäpuhtauksien kulkeutumisen ja sisäilman laadun kannalta. Paine-erojen dynaamisen luonteen vuoksi tulisi puhua rakennuksessa vallitsevista painesuhteista. Pitkäkestoisessa paine-eron mittauksessa olisi hyvä tuoda esille myös yli- ja alipaineen suhteelliset osuudet seurantajaksolla. AVAINSANAT: paine-ero, rakennuksen painesuhteet, pitkäaikainen seuranta, epäpuhtauksien kulkeutuminen, rakenteiden tiiveys, vallitsevat painesuhteet ABSTRACT: This thesis is about long term observation of pressure differences in buildings and temporal variation of pressure dynamics: the effect of wind, temperature, ventilation and air tightness. Additionally the transportation of contaminants because of the pressure differences and air flow is discussed briefly. Long term pressure difference observation was carried out at two different buildings for the thesis. Previous experience on measuring pressure difference and measurements from previous sites were also used in this study. Pressure difference determines the direction of air flow through a non-tight structure and because of that it is essential to measure pressure differences and determine pressure dynamics of a building when investigating indoor air related problems. Depending on the pressure difference, air flow through a structure can either bring contaminants to indoor air or cause moisture burden to the structure and thereby lead to damages. Pressure differences inside the building can spread contaminants across the building, or even from a building to another (connecting corridor), as was - in theory at least - discovered to happen in the bigger

6 building examined in the thesis. By determining the pressure dynamics of a building it is possible to evaluate the spreading of contaminants inside the building (when the sources of the contaminants have been identified). Usually buildings are referred as pressurised of de-pressurised, in reality pressure difference across the building envelope varies greatly because of the wind alone - regardless of the ventilation system and the stack effect. Pressure difference often varies between positive and negative pressure in relation to the outside of the building. Furthermore, variation in the function of the ventilation system and the changing outside temperature also alters the pressure dynamics of buildings. Human activity affects pressure dynamics too: for example the use of kitchen hood, the opening and closing of doors and windows have an effect. Because of the above-mentioned factors, quick measurement of pressure difference can be misleading. If the quick measurements indicate abnormalities or the pressure dynamics of the building is assumed to have major impact on the indoor air quality or the moisture burden of the structures, it is recommendable to observe pressure differences longer. At least a week long period is recommended to obtain reliable perception of the pressure dynamics of the building. Because wind conditions cannot be controlled, and thereby the pressure dynamics of buildings are also uncontrolled, the air tightness and condition of the structures have a crucial role from the point of view of contaminant transportation and indoor air quality. Because the pressure differences vary greatly in a building, the term dominant pressure difference should be used (instead of pressurised of de-pressurised). The dominant pressure difference is formed from the effect of the ventilation system and the stack effect. When reporting the long term observation of pressure differences the percentage / proportion of the negative and positive pressure should be brought out. KEYWORDS: Pressure difference, pressure differences in a building, long term observation, transportation of contaminants, airtightness of buildings, dominant pressure difference

7 Esipuhe Rakennusten painesuhteet ovat oleellinen sisäilman laatuun vaikuttava tekijä ja aiheesta on olemassa kovin vähän yhtenäistä kirjallista tietoa. Työllä haluttiin tuoda esille painesuhteiden merkitys ja niiden voimakas ajallinen vaihtelu sekä koota aiheeseen liittyvää tietoa yhteen. Aiheen pariin meidät johdatti opinnäytetyön ohjaaja Kai Kylliäinen. Kiitokset: Ville Katainen Erityiskiitoksen haluan antaa työnantajalleni Polygon Finland Oy:lle, joka tarjosi mahdollisuuden osallistua tähän koulutukseen sekä opinnäytetyön ohjaajalle Kai Kylliäiselle opinnäytetyön aiheen valinnasta ja asiantuntevasta ohjauksesta. Kiitokset kuuluvat myös puolisolleni Outille ja tietenkin lapsille, jotka ovat antaneet kannustusta ja ymmärrystä koko koulutusajanjaksolle. Kai Vähämaa Ensimmäisenä haluan kiittää työnantajaani Polygon Finland Oy:tä ja lähimpiä esimiehiäni Jim Lainetta ja Pasi Jumppasta, jotka tekivät tämän kouluttautumisen mahdolliseksi. Erityiskiitos kuuluu opinnäytetyön ohjaajalle Kai Kylliäiselle, joka auttoi opinnäytetyön aiheen valinnassa ja käytännön toteutuksessa, ja joka on myös työelämän puolella suuresti edesauttanut allekirjoittaneen ammatillista kehitystä. Kiitokset vaimolleni Minnalle, perheelle ja ystäville sekä opiskelu- ja työkavereille tuesta ja kannustuksesta tämän opintoprojektin aikana Ville Katainen ja Kai Vähämaa

8 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO TYÖN TAUSTAA TYÖN TAVOITTEET KÄSITTEET PAINE-EROJEN MUODOSTUMINEN RAKENNUKSESSA ILMANVAIHDON VAIKUTUS PAINESUHTEISIIN RAKENNUKSESSA TERMINEN PAINE-ERO ELI SAVUPIIPPUVAIKUTUS TUULEN AIHEUTTAMA PAINE ILMANVAIHDON, TUULEN JA SAVUPIIPPUILMIÖN YHTEISVAIKUTUS PAINESUHTEISIIN TIIVEYDEN VAIKUTUS PAINESUHTEISIIN EPÄPUHTAUKSIEN KULKEUTUMINEN PAINE-EROJEN VAIKUTUKSESTA MENETELMÄT TULOKSET TUTKIMUSKOHTEIDEN YLEISTIEDOT JA SUORITETTUJEN MITTAUSTEN KUVAUS Kohde Kohde Kohde MITTAUSTULOKSET Kohde Kohde Kohde TULOSTEN TARKASTELU KOHDE Koejärjestelyt ensimmäisellä seurantajaksolla Seurantajaksojen vertailua... 72

9 7.1.3 Epäpuhtauksien kulkeutumisen arviointi Tuulen vaikutus Lämpötilan vaikutus jälkimmäisellä seurantajaksolla Ilmanvaihdon vaikutus KOHDE 2 ( ) KOHDE JOHTOPÄÄTÖKSET JA POHDINTA LÄHDELUETTELO LIITTEET... 96

10 TAULUKKOLUETTELO Taulukko 1 Tavoitteelliset paine-erot eri ilmanvaihtojärjestelmissä Taulukko 2 Termisen paine-eron suuruus yhtä metriä kohden eri ulkoilman lämpötiloissa, kun sisäilman lämpötila on +20 C Taulukko 3 Ympäristöparametrit ja Taulukko 4 Ilmanvaihdon säätöjen vaikutus paine-eroihin eri tiiveysasteen rakennuksissa Taulukko 5 Kohde 1, seurantajaksojen vertailua: yli- ja alipaineen suhteelliset osuudet. KUVALUETTELO Kuva 1 Ilmanvaihtojärjestelmien periaateratkaisut Kuva 2 Termiset paine-erot tasatiiviissä rakennuksessa Kuva 3 Tuulen aiheuttama paine eri puolilla rakennusta ja tuulenpaineen aiheuttamat ilmavuodot rakennuksen epätiiviyskohdilla Kuva 4 Tuulenpainekertoimen C eri rakenneosille Kuva 5 Yhteisvaikutus tasatiiviissä rakennuksessa Kuva 6 Koerakenteen inerttien partikkeleiden läpäisy erilaisissa koeasetelmissa Kuva 7 Paine-eromittari Dwyer Magnesense asennettuna kohteessa 1. Kuva 8 Paine-eromittari Produal PEL-N asennettuna kohteessa 1. Kuva 9 Datalogger Tinytag TGPR Kuva 10 Paine-eromittari Testo 512. Kuva 11 HygroNet kosteus- ja lämpötilalogger. Kuva 12 Havainnekuva Kohde 1:n osastorakennuksesta ja yhdyskäytävästä. Kuva 13 Kohde 1:ssä tehtyjen paine-eron mittausten keskiarvot, vaihteluvälit sekä yli- ja alipaineen suhteelliset osuudet molemmilla seurantajaksoilla. Kuva 14 Kohde 1 / seurantajakso 2 - Mitatut lämpötilat: ulkoilma (4. krs. avoin parveke), porrashuone (4. krs.) ja yhdyskäytävän alapää. Kuva 15 Kohde 1 / Seurantajakso 1 - Yhdyskäytävän ovien sulkemisen vaikutus porrashuoneen painesuhteisiin. Kuva 16 Kohde 1 / Seurantajakso 1 - Ilmanvaihdon sammuttamisen vaikutus osastojen painesuhteisiin. Kuva 17 Kohde 1 / seurantajaksojen vertailu - Porrashuoneen 1. kerroksen kohdalla vuodenajan mukaan vaihteleva painesuhde. Kuva 18 Kohde 1 - Yksinkertaistettu havainnekuva epäpuhtauksien kulkeutumisesta. Kuva 19 Havainnekuva Kohde 1:stä. Kuvaan on merkitty paine-eron mittapisteiden sijainti, sekä nuolilla esitetty mittausten perusteella vallitseva painesuhde. Vihreillä nuolilla kuvataan lisäksi mahdollista epäpuhtauksien kulkeutumista Kuva 20 Kohde 1 / Seurantajakso 2 - Paine-eron mittapisteiden ilmansuunnat.

11 Kuva 21 Kuva 22 Kuva 23 Kuva 24 Kohde 1 / seurantajakso 2 - Tuulen vaikutus painesuhteisiin rakennuksen eri sivuilla. Kohde 1 / seurantajakso 2 - Sisä- ja ulkoilman välisen lämpötilaeron vaikutus ulkovaipan yli olevaan paine-eroon yhdyskäytävän alapäässä. Kohde 1 / seurantajakso 2 - Sisä- ja ulkoilman välisen lämpötilaeron vaikutus ulkovaipan yli olevaan paine-eroon porrashuoneen 5. kerroksessa. Kohde 1 / seurantajakso 2 - Sisä- ja ulkoilman välisen lämpötilaeron vaikutus ulkovaipan yli olevaan paine-eroon osastojen 2. kerroksessa. KOHTEEN 1 PAINE-EROKUVAAJAT Paine-erokuvaaja 1.1 Kellarikerros - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros pääaula / porras - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja kerros porras - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja 1.15 Kellarikerros - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja kerros osasto - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja kerros osasto-ulkoilma (seurantajakso2) Paine-erokuvaaja 1.19 Yhdyskäytävän alin taso - ulkoilma (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja 1.20 Yhdyskäytävän alin taso - väestönsuojan käytävä (seurantajakso 2) Paine-erokuvaaja 1.21 Yhdyskäytävän ovien sulkemisen vaikutus osastojen 5. kerroksen mittapisteessä (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja 1.22 Yhdyskäytävän ovien sulkemisen vaikutus porrashuoneen 5. kerroksen mittapisteessä (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja 1.23 Yhdyskäytävän ovien sulkemisen vaikutus kellarikerroksen ja ulkoilman väliseen paine-suhteeseen (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja 1.24 Ilmanvaihdon sammuttamisen vaikutus porrashuoneen 5. kerroksen mittapisteessä (seurantajakso 1) Paine-erokuvaaja 1.25 Ilmanvaihdon sammuttamisen vaikutus osastojen 5. kerroksen mittapisteessä (seurantajakso 1)

12 KOHTEEN 2 PAINE-EROKUVAAJAT Paine-erokuvaaja 2.1 Kohde 2, asunnon ja ulkoilman välinen paine-ero ( ): Paine-erokuvaaja 2.2 Kohde 2, asunnon ja porrashuoneen välinen paine-ero ( ): Paine-erokuvaaja 2.3 Kohde 2, asunto (olohuone) - ulkoilma, kaksi vuorokautta Paine-erokuvaaja 2.4 Kohde 2, asunto (keittiö) - ulkoilma (lasitettu parveke), kaksi vuorokautta Paine-erokuvaaja 2.5 Kohde 2, asunto - porrashuone, kaksi vuorokautta KOHTEEN 3 PAINE-EROKUVAAJAT Paine-erokuvaaja 3.1 Kohde 3, paine-ero ulkovaipan yli vanhalla osalla Paine-erokuvaaja 3.2 Kohde 3, paine-ero ulkovaipan yli laajennusosalla LIITTEET Liite 1 Tuulen suunnat ja voimakkuus Kohde 1:n seurantajaksojen aikana ja Liite 2 Lämpötilat - Kohde 1 / seurantajakso 2

13 1 Johdanto 1.1 TYÖN TAUSTAA Eduskunnan tarkastusvaliokunnan vuonna 2012 teettämän tutkimuksen mukaan sisäilman huono laatu on arvioitu olevan yksi maamme suurimmista ympäristöterveysongelmista ja yksinomaan rakennusten kosteus- ja homevauriot ovat merkittävä syy huonon sisäilman laatuun. Kosteus- ja homevauriot eivät vaikuta vähentyneen ja niiden arvioidaan jopa pahenevan nykypäivän ponnisteluista huolimatta. Rakennusfysiikan ja materiaalien kosteuskäyttäytymisen ymmärrys on lisääntynyt sekä rakennusten tutkimusmenetelmät että koulutus alalla ovat parantuneet paljon, mutta osaavista tekijöistä on edelleenkin pulaa. (Reijula ym. 2012). Rakennuksen sisäilman laatu on riippuvainen monista tekijöistä ja sisäilmassa esiintyvät epäpuhtaudet voivat olla peräisin useista eri lähteistä. Epäpuhtauksien kulkeutumiseen ja leviämiseen vaikuttavat ilmavirtaukset rakennuksen sisällä sekä rakenteiden epätiiviyskohdilla. Tästä johtuen yksi tärkeä osa-alue sisäilmaongelmien selvittämisessä on rakennuksen painesuhteiden tutkiminen. Painesuhteet määrittävät ilmavirtausten suunnan rakenteiden epätiiviyskohdilla ja siten tieto painesuhteesta vaurioituneen rakenteen ja sisäilman välillä on oleellinen riskinarvion kannalta. Vääränlainen painesuhde voi myös aiheuttaa epätiiviille rakenteelle kosteusvaurioriskin. Sisäilmaongelmiin liittyvää rakennusten painesuhteita ja paine-eron mittausta käsittelevää kirjallisuutta, tutkimustietoa ja ohjeistusta ei löydy kovinkaan paljon. Painesuhteita mitataan tutkimusten yhteydessä, mutta käytännöt ovat kirjavia ja usein mittaukset ovat lyhytkestoisia. Hetkellisen paine-eron mittauksen epäluotettavuus on tiedossa ja tässä työssä haluttiin erityisesti korostaa pidempiaikaisen seurannan tärkeyttä painesuhteita selvitettäessä. Johdantokappaleessa käsitellään lyhyesti ai- 12

14 heeseen liittyvää lainsäädäntöä, Asumisterveysohjeen ja -oppaan osioita aiheesta sekä aiheesta tehtyjä tai aihetta sivuavia Suomessa tehtyjä tutkimuksia. Suomessa rakennukset suunnitellaan yleensä lievästi alipaineisiksi (sisäilman kosteuden ulkovaipalle aiheuttaman kosteusrasituksen ehkäisemiseksi) ja myös käytännössä rakennukset ovat pääosin alipaineisia ulkoilmaan nähden (Vinha ym. 2005, Seppänen 2010). Seppäsen (2010) opinnäytetyössä arvioitiin, että tutkimusaineiston kohteista (N=176) noin kolmasosassa (vääränlaiset) painesuhteet olivat ainakin osasyynä rakennuksessa koettuihin ongelmiin. Suomen Rakennusmääräyskokoelman osassa D2, Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto, sanotaan rakennuksen painesuhteista seuraavaa: Rakennus suunnitellaan yleensä ulkoilmaan nähden hieman alipaineiseksi, jotta voitaisiin välttyä kosteusvaurioilta rakenteissa sekä mikrobien aiheuttamilta terveyshaitoilta. Alipaine ei kuitenkaan saa yleensä olla suurempi kuin 30 Pa. Suomen Rakennusmääräyskokoelman osassa D3, Rakennusten energiatehokkuus, sanotaan ilmanpitävyydestä seuraavaa: Sekä rakennusvaipan että tilojen välisten rakenteiden tulee olla niin ilmanpitäviä, että vuotokohtien läpi tapahtuvat ilmavirtaukset eivät aiheuta merkittäviä haittoja rakennuksen käyttäjille, rakenteille tai rakennuksen energiatehokkuudelle. Erityistä huomiota tulee kiinnittää rakenteiden liitosten ja läpivientien suunnitteluun sekä rakennustyön huolellisuuteen. Rakenteisiin on tarvittaessa tehtävä erillinen ilmansulku. Asumisterveysohje (STM 2003) ja -opas (STM 2009) käsittelevät painesuhteita seuraavasti: Asunnon ilmanvaihdon aiheuttama alipaine ei saa olla niin suuri, että se vaikeuttaa asunnon oven avaamista. Alipaine ei saa myöskään olla niin suuri, että radonpitoista tai mikrobeja sisältävää ilmaa pääsee virtaamaan talon ryömintätiloista/alapohjasta asuntoihin. Asumisterveysoppaassa ohjeistetaan, että rakennuksen sisään tulevien ilmavirtojen tulee olla poistettavaa ilmavirtaa hieman pienempiä, niin 13

15 ettei rakennus olisi edes yläosastaan ylipaineinen. Rakennuksen ylipaineisuus voi näkyä esimerkiksi ikkunoiden huurtumisena tai jäätymisenä. (Sosiaali- ja terveysministeriö 2003). Ikkunoiden huurtumiseen on kuitenkin olemassa useita syitä, kuten sisäilman kosteuden tiivistyminen lasin sisäpintaan tai hyvin lämpöä eristävissä ikkunoissa lasin ulkopintaan (uloimman lasin pintalämpötila alittaa ulkoilman kastepistelämpötilan). Kosteuden tai huurtumisen esiintyminen lasien välissä on se usein merkkinä rakennuksen ylipaineisuudesta (kosteaa sisäilmaa virtaa painesuhteiden vaikutuksesta ikkunan lasien väliin). Lisäksi rakennuksen ylipaineisuus voi aiheuttaa etenkin kylminä vuodenaikoina riskin rakenteiden kosteustekniselle toimivuudelle, mikäli rakenteet eivät ole tiiviitä. Epäpuhtauksia voi levitä eri tilojen välillä painesuhteiden vaikutuksesta. Viereiseen tilaan nähden ylipaineisesta tilasta voi ilmavirtauksia kulkeutua epätiiviiden rakenteiden (esim. rakenteiden liitoskohdat, putkiläpiviennit tai halkeamat rakenteissa) kautta. Eri tilojen välisiin painesuhteisiin vaikuttavat niin ilmanvaihtojärjestelmän tuomat paine-erot kuin rakennuksen korkeudesta johtuvat paine-erot. Suuret korkeuserot eri tilojen välillä aiheuttavat ilmavirtauksen alhaalta ylöspäin ja esimerkiksi kerrostalojen rappukäytävissä epäpuhtauksia voi kulkeutua alimmista asunnoista yläkerroksen asuntoihin. Koneellisen poiston ilmanvaihtojärjestelmissä puutteellisen korvausilman saanti on yksi syy epäpuhtauksien leviämiseen ja koneellisessa tulo- ja poistonilmanvaihdossa virheelliset tai muuttuneet säädöt. Epäpuhtauksia voi levitä myös rakennuksen ulkopuolelta esimerkiksi korvausilmaventtiileiden tai tuuletusikkunoiden kautta, mikäli rakennuksen ulkopuolella on jokin epäpuhtauslähde. (Sosiaali- ja terveysministeriö 2003). Ympäristöopas 28, Kosteus- ja homevaurioituneen rakennuksen kuntotutkimus (1997) käsittelee painesuhteiden mittaamista seuraavanlaisesti: Mittausjakson tulee olla riittävän pitkä, jotta laskennallista analyysiä varten saadaan mittaustietoa mahdollisimman monen ulkoisen tekijän, kuten ulkoilman lämpötilan, ja suhteellisen kosteuden, tuulen, 14

16 auringon säteilyn ja ilmanvaihtojärjestelmän eri käyttöasentojen, vaikutuksesta rakenteen rakennusfysikaaliseen käyttäytymiseen. Oppaan mukaan mittausjakson pituus olisi oltava 1-7 vuorokautta ja hetkellisiä mittauksia tulisi käyttää ainoastaan harkitusti. Jos hetkellisissä mittauksissa tulosten analyysi osoittaa mittauksen keston riittävyyden vaurion syyn luotettavaan selvittämiseen, niin mittaukset voidaan lopettaa. Koneellisen Ilmanvaihtolaitteiston aiheuttama paine-ero rakenteen yli saattaa muuttua oleellisesti vuorokauden aikana (esim. ilmanvaihdon sammuttaminen käyttöajan ulkopuolella), vaikka laitteiston aiheuttama paine-ero on riippumaton vuodenajasta. Hetkellinen mittaus voi antaa väärän kuvan rakennuksen painesuhteista, jos mittausta ei suoriteta koneellisen ilmanvaihtolaitteiston eri käyttöasennoissa. (Ympäristöministeriö 1997). 2.2 TYÖN TAVOITTEET Työn tavoitteena oli käsitellä rakennusten painesuhteita ja paine-eron mittausta yleisesti olemassa olevan tiedon ja kokemuksen pohjalta. Työtä varten suoritettiin tavanomaista perusteellisempia paine-eron seurantamittauksia ja saatuja tuloksia peilattiin olemassa olevaan tietoon. Työ toimii tietopakettina ja johdatuksena sisäilmaongelmiin liittyvään rakennusten painesuhteiden tarkasteluun ja paine-eron pitkäkestoiseen mittaukseen. 2 Käsitteet Alipaine Alipaineisessa tilassa on ympäristöään alhaisempi ilmanpaine, jolloin ilma pyrkii virtaamaan tilan ulkopuolelta alipaineiseen tilaan. 15

17 Diffuusio Rakennustekniikassa diffuusiolla tarkoitetaan yleensä kosteuden liikkumista vesihöyrynä rakenteen läpi. Lähes kaikki materiaalit läpäisevät tietyn määrän vesihöyryä. (Siikanen 2014). Ilmanpaine Normaali ilmanpaine merenpinnan tasolla on Pa (= 1 atm). Ilmavuotoluku Rakennuksen ilmavuotoluku kuvaa rakennuksen ulkovaipan ilmatiiveyttä. Rakennuksen vaipan läpi kulkeutuvan tilavuusvirran suhde rakennuksen sisäosan tilavuuteen, 1/h. Ilmanvuotoluku ilmoitetaan useimmiten 50 Pascalin alipaineessa mitattuna, jolloin käytetään lyhennettä n50. Ilmanvuotoluvun lisäksi käytetään termiä ilmapitävyysluku. Konvektio Konvektiolla tarkoitetaan virtaavan kaasuseoksen mukana siirtymistä. Esimerkiksi vesihöyryn konvektiossa liikkuva ilmavirta siirtää mukanaan kosteutta. Konvektio voi olla luonnollisesti tapahtuva, kuten lämpötilaerojen aiheuttamien virtausten tai jonkin voiman aiheuttama pakotettu konvektio. Kosteuskonvektio Kosteuskonvektio on kosteuden siirtymistä ilmavirran mukana. Kosteuskonvektion aiheuttamaa kosteusvaurion riskiä arvioidaan lämpötilan ja suhteellisen kosteuden avulla. Kosteusvaurion kannalta kosteuskonvektio muuttuu kriittiseksi, jos ilmavirtausten mukana oleva kosteus tiivistyy kylmiin rakenneosiin. Mikrobiologiset epäpuhtaudet Mikrobiologisia epäpuhtauksia ovat mikrobien (mm. bakteerit, virukset, homeet ja hiivat) lisäksi itiöt, rihmaston osaset sekä mikrobien kasvun tuottamat aineenvaihduntatuotteet. 16

18 Paine Paine on fysikaalinen suure, joka kuvaa pinta-alayksikköön kohdistuvaa kohtisuoraa voimaa. P = F/A. Paineen yksikkö SI-järjestelmässä on pascal [Pa], ja 1 Pa = 1 N/m². Kymmenen pascalin paine vastaa karkeasti yhden kilogramman painon kohdistumista tasaisesti neliömetrin pinta-alalle. Rakennuksen vaippa Rakennuksen vaipalla tarkoitetaan niitä rakennusosia, jotka erottavat rakennuksen sisäpuoliset tilat kylmästä ulkoilmasta (esimerkiksi ulkoseinä, alapohja, yläpohja jne.) Sisäilma Rakenteiden rajaamalla alueella olevaa ilmaa. Sisäilmasto Sisäilmaa laajempi käsite, jolla tarkoitetaan sisäilman ja lämpöolosuhteiden muodostamaa kokonaisuutta. Suhteellinen kosteus Suhteellinen kosteus ilmoitetaan prosenttilukuna, joka ilmaisee ilman vesihöyryn suhdetta vallitsevan lämpötilan määräämän vesihöyryn kylläiseen osapaineeseen. Suhteellista kosteutta kuvataan usein lyhenteellä RH (Relative Humidity). Ylipaine Ylipaineisessa tilassa on ympäristöään suurempi ilmanpaine, jolloin ilma pyrkii virtaamaan ulos tilasta. 17

19 3 Paine-erojen muodostuminen rakennuksessa Rakennuksen sisä- ja ulkoilman välisen paine-eron muodostumiseen vaikuttaa kolme tekijää, jotka ovat ilmanvaihtojärjestelmä, sisä- ja ulkoilman välinen lämpötilaero ja tuuli. Lisäksi rakenteiden tiiveys on otettava huomioon, kun tarkastellaan paineerojen muodostumista rakennuksessa Rakennuksen ollessa alipaineinen ulkoilmaan nähden, on mahdollista, että sisätiloihin kulkeutuu korvausilman tai vuotoilmavirran mukana epäpuhtauksia rakenteista tai maaperästä. Rakenteiden epätiiveyskohdista, kuten esimerkiksi ikkunarakenteista, lattian ja seinän välisistä liitoskohdista tai rakenteiden halkeamista kulkeutuu epäpuhtauksia ilmavirtauksien mukana rakennuksen ollessa alipaineinen. Ilmavuotokohdille syntyvien konvektiovirtausten mukana kulkeva kosteus voi tiivistyä rakenteisiin ja aiheuttaa kosteusvaurion, jos rakennus on ylipaineinen ulkoilmaan nähden (Harju 2011). Sisä- ja ulkoilman välisellä paine-erolla on myös vaikutusta rakenteissa olevien mikrobikasvuston aineenvaihduntatuotteiden liikkeisiin (Päkkilä 2012). Rakennuksen sisällä syntyy myös paine-eroja eri tilojen välille. Lähtökohtana on, että painesuhteiden vaikutuksesta ilman tulisi siirtyä puhtaimmista tiloista likaisiin tiloihin. (Päkkilä 2012). Yleisesti rakennuksen ilmanvaihto suunnitellaan siten, että raitis ilma tuodaan joko koneellisesti tai raitisilmaventtiileiden kautta oleskelutiloihin ja ilmaa poistetaan tiloista, joissa muodostuu hajuja ja/tai kosteutta, ts. keittiöt, wc:t, kodinhoitohuoneet, vaatehuoneet, varastot, kylpyhuoneet ja saunat. Vinhan ym. (2005) tekemässä tutkimuksessa, jossa tutkittiin kenttämittauksin sadan puurakenteisen pientalon kosteus- ja lämpöolosuhteita sekä ilmanvaihtoa ja ilmatiiviyttä, havaittiin pientalojen olevan keskiarvoltaan -2 Pa alipaineisia ulkoilmaan nähden. Paine-erot vaihtelivat Pa välillä, ja rakennuksista vain kolme oli ylipaineisia ulkoilmaan nähden. Paine-ero mittaukset suoritettiin kesäaikana ja mit- 18

20 taukset olivat kertaluontoisia mittauksia. Tutkimuksissa havaittiin, että mitä tiiviimpi rakennuksen vaippa oli korostuivat ilmanvaihtojärjestelmän eri tekijöiden vaikutukset paine-ero vaihteluihin. Ilmanvaihtojärjestelmän toimintaan vaikuttivat korvausilma-aukkojen määrä koneellisen poistoilmanvaihdon järjestelmässä ja likaantuneet suodattimet tai ylimitoitettu IV-kone koneellisen tulo- ja poistoilmanvaihdon järjestelmässä. Vinhan ym. (2005) tutkimuksen pientalot olivat uudehkoja (rakennusten keski-ikä oli noin viisi vuotta), joten pääsääntöisesti kaikissa rakennuksissa vaikutti koneellinen ilmanvaihto. (Vinha ym. 2005). Seppäsen (2010) tutkimuksessa tutkittiin yhteensä 176 eri kohteen ja kaikkiaan 685 mittaustuloksen perusteella painesuhteita rakennuksen ulko- ja sisäilman välillä. Mittaustulosten perusteella keskimääräinen paine-ero ulkoilmaan nähden oli -8 Pa, suurin alipaine oli 80 Pa ja suurin ylipaine oli 12 Pa. Tutkimuksissa havaittiin myös, että yli 30 % mittaustuloksista alipaineisuus oli enemmän kuin 10 Pa. Kohteet olivat rakennustyypiltään, ilmanvaihtotavaltaan ja rakennusvuodeltaan hyvin poikkeavia keskenään. (Seppänen 2010). 3.1 ILMANVAIHDON VAIKUTUS PAINESUHTEISIIN RAKENNUK- SESSA Viihtyisän ja terveellisen sisäilman ylläpitämiseen rakennuksissa tarvitaan ilmanvaihtoa, joka poistaa sisäilmasta epäpuhtauksia ja kosteutta sekä tuo puhdasta korvausilmaa sisätiloihin. Sisäilmassa esiintyvät epäpuhtaudet voivat olla peräisin esimerkiksi ihmisen aineenvaihdunnasta, rakennusmateriaaleista, asumiseen liittyvistä toiminnoista tai ulkoilmasta. Usein epäpuhtauksia kulkeutuu sisäilmaan ilmavirtauksien mukana rakenteiden epätiiviyskohdista ja tällöin epäpuhtauslähteenä voivat olla niin rakenteet kuin maaperä. Tästä johtuen hyvien sisäilmaolosuhteiden takaamiseksi painesuhteilla ja rakennuksen tiiveydellä on suuri merkitys. Lisäksi hyvän sisäilman laadun ylläpitäminen edellyttää puhdasta ja tasapainossa olevaa il- 19

21 manvaihtojärjestelmää. (Harju 2011). Ilmanvaihtojärjestelmän aiheuttamiin painesuhteisiin voidaan vaikuttaa oikein suunnitelluilla ja toteutetuilla ilmavirtojen säädöillä. Ilmanvaihtojärjestelmä kytketään usein pois päältä yön ajaksi rakennuksissa, joissa ei yöaikana oleskella. Yöaikana toiminnassa on kuitenkin hygieniatilojen poistoilmanvaihto, jolle ei ole suunniteltu tai toteutettu vastaavan suuruista ulkoilmavirtaa tuloilmanvaihdon tai korvausilmaventtiilien kautta. Tämä voi muuttaa rakennuksen painesuhteita niin, että voimakkaan alipaineisuuden vaikutuksesta epäpuhtauksia kulkeutuu rakennuksen sisätiloihin (Harju 2011). Tutkimuksessamme havaittiin myös sama ilmiö, kun koejärjestelyssä ilmanvaihto sammutettiin, mutta erillispoistot jäivät päälle, minkä seurauksena rakennuksen alipaineisuus lisääntyi. Alipaineisuuden lisäys nähtiin paine-erojen pitkäaikaisen seurannan mittaustuloksista. Ilmanvaihdon aiheuttama paine-ero rakennuksen sisä- ja ulkopuolella riippuu ilmanvaihtojärjestelmästä (Ympäristöministeriö 1997). On olemassa kolme erityyppistä ilmanvaihtojärjestelmää, jotka ovat painovoimainen, koneellinen poisto- ja koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto. Kuvassa 1 on esitetty ilmanvaihtojärjestelmien periaateratkaisut. Kuva 1. Ilmanvaihtojärjestelmien periaateratkaisut (sisäilmayhdistyksen verkkosivuilta) Rakennuksessa voi toimia yksi edellä mainituista ilmanvaihtojärjestelmistä tai useampi ilmanvaihtojärjestelmä yhdessä samaan aikaan. Useamman ilmanvaihtojärjes- 20

22 telmän toiminta yhtäaikaisesti vaikeuttavat ilmanvaihtojärjestelmän säätämistä ja etenkin rakennuksen sisä- ja ulkoilman välisien paine-erojen hallintaa. Painovoimaisen ilmanvaihtojärjestelmän vaikutus rakennuksen painesuhteisiin ei ole läheskään niin merkittävä kuin koneellisten ilmanvaihtojärjestelmien vaikutus. Painovoimainen ilmanvaihtotapa on usein huomattavasti tehottomampi verrattuna koneellisen ilmanvaihtoon, koska painovoimaisen ilmanvaihdon toiminta on riippuvainen sisä- ja ulkoilman välisestä lämpötilaerosta ja tuulesta. Koneellinen poistoilmanvaihto aiheuttaa usein voimakkaita alipaineisuuksia ulkoilmaan nähden, varsinkin poistoilmamäärien ollessa suuria ei korvausilmaventtiileiden kautta saada tuotua tarvittavaa määrää tuloilmaa tai jos korvausilmaventtiilit puuttuvat kokonaan. Koneellisen poistoilmajärjestelmän aiheuttamiin painesuhteisiin rakennuksessa vaikuttavat koneen teho, korvausilmaventtiilien toiminta ja rakennuksen tiiviys. Koneellisessa tulo- ja poistoilmanvaihdossa ratkaisevin tekijä järjestelmän aiheuttamiin painesuhteisiin rakennuksessa on tulo- ja poistoilmamäärien tasapainotus. Taulukossa 1 on esitetty Asumisterveysoppaan 2009 mukaiset tavoitteelliset paine-erot eri ilmanvaihtojärjestelmissä. Taulukko 1. Tavoitteelliset paine-erot eri ilmanvaihtojärjestelmissä (Sosiaali- ja terveysministeriö 2009). Ilmanvaihtotapa Paine-ero Huomautuksia Painovoimainen ilmanvaihto Koneellinen poistoilmanvaihto Koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto 0-5 Pa ulkoilmaan ±0 Pa porraskäytävään Pa ulkoilmaan 0-5 Pa porraskäytävään 0-2 Pa ulkoilmaan ±0 Pa porraskäytävään Paine-erot vaihtelevat voimakkaasti sään mukaan Paine-erot vaihtelevat voimakkaasti sään mukaan Paine-erot vaihtelevat voimakkaasti sään mukaan Epäpuhtauksien kulkeutumisen kannalta ongelmallisin ilmanvaihtotapa on koneellinen poistoilmanvaihto yhdistettynä puutteelliseen korvausilman järjestämiseen. Täl- 21

23 löin poiston aiheuttama alipaine vetää korvausilmaa hallitsemattomasti rakenteiden läpi. Vaikka rakenteissa itsessään ei olisi vaurioita tai epäpuhtauksia, voi esimerkiksi alapohjarakenteen läpi kulkeutua epäpuhtauksia ja hajuja maaperästä. 3.2 TERMINEN PAINE-ERO ELI SAVUPIIPPUVAIKUTUS Rakennuksen sisä- ja ulkolämpötilojen välinen ero vaikuttaa ulkovaipan yli muodostuvaan paine-eroon, ilmiötä kutsutaan usein savupiippuvaikutukseksi. Ulkolämpötilan ollessa sisälämpötilaa alhaisempi rakennuksen sisällä oleva lämpimämpi ja kevyempi ilma nousee ylöspäin, mikä aiheuttaa rakennuksen alaosiin alipainetta ja yläosiin ylipainetta ulkoilmaan nähden. Savupiippuvaikutus on merkittävin talviaikaan, koska sisä- ja ulkolämpötilojen ero on tällöin suurimmillaan, jolloin myös kosteuskonvektion riski kasvaa rakennuksen yläosissa. (Ympäristöministeriö 1997). Kuvassa 2 on esitetty termisen paine-eron muodostuminen tasatiiviissä rakennuksessa talviaikaan. Kuva 2. Termiset paine-erot tasatiiviissä rakennuksessa (Päkkilä 2012). 22

24 Savupiippuvaikutuksen merkitys korostuu rakennuksen vapaan ilmatilan korkeuden kasvaessa ja siksi rakennesuunnittelussa korkeat rakennukset erotetaan usein omaksi ryhmäksi, jolloin rakenteiden ilman ja vesihöyryn tiiviys vaatii erityistarkastelua (Ympäristöministeriö 1997). Taneli Päkkilä kuvaa työssään, että painesuhteita on sitä vaikeampi hallita, mitä korkeampi rakennus on kyseessä. Taulukossa 2 on esitetty termisen paine-eron suuruus yhtä metriä kohden eri ulkoilman lämpötiloissa, kun sisäilman lämpötila on +20 C. Taulukko 2. Termisen paine-eron suuruus yhtä metriä kohden eri ulkoilman lämpötiloissa, kun sisäilman lämpötila on +20 C (Päkkilä 2012). Ulkolämpötila C Terminen paine-ero, Pa/m 20 0, ,42 0 0, , , ,43 Terminen paine-ero voidaan laskea seuraavasta kaavasta 1, kun tiedetään sisä- ja ulkolämpötila ja neutraaliakselin paikka. Jos tiedetään paine jossakin pisteessä ja siinä vaikuttava ulko- ja sisälämpötila voidaan yhtälöstä määrittää neutraaliakselin paikka ratkaisemalla kaavasta h. (1) ilman tiheys (1,2 kg/m³) gravitaatiovakio (9,81 m/s²) etäisyys neutraaliakselista sisälämpötila ulkolämpötila (Leivo 2003) 23

25 3.3 TUULEN AIHEUTTAMA PAINE Rakennukseen kohdistuva tuulenpaine on riippuvainen tuulen nopeudesta ja suunnasta sekä rakennuksen muodosta. Tuuli muodostaa rakennuksen vaippaan painejakauman siten, että kohtaamaansa pintaan syntyy ylipainetta ja sivuseinille ja suojanpuoleiselle seinälle alipainetta. Kattorakenteisiin tuulen aiheuttama paine muodostuu niin, että tasakattoihin ja harjakattojen suojan puoleisille lappeille syntyy alipainetta. Rakennuksen ulkoseinät eivät yleensä ole tasatiiviitä keskenään, koska paljon ikkunoita ja ovia sisältävä ulkovaippa on usein muita seiniä epätiiviimpi. Rakennuksen sisäpuolelle muodostuu alipainetta, jos tuulenpuoleinen seinä on muita seiniä epätiiviimpi ja vastaavasti tuulenpuoleisen seinän ollessa muita seinä tiiviimpi muodostuu rakennuksen sisäpuolelle ylipainetta. Tästä johtuen, myös tuulen suunnalla ja aukkojen, kuten ikkunoiden ja ovien, sijainnilla on suuri vaikutus rakennuksen sisäpuoliseen paineeseen. (Ympäristöministeriö 1997). Tuulenpaine aiheuttaa myös ilmavuotoja rakennuksen epätiiveyskohdille, katso kuva 3. Kuva 3. Tuulen aiheuttaa paine eri puolilla rakennusta ja tuulenpaineen aiheuttamat ilmavuodot rakennuksen epätiiviyskohdilla (Leivo 2003). 24

26 Tuulen paine voidaan laskea kaavan 2 mukaisesti. (2) = ilman tiheys (1,2 kg/m²) tuulen nopeus (m/s) tuulenpainekerroin (katso kuvasta 4) (Leivo 2003) Kuva 4. Tuulenpainekertoimen eri rakenneosille (Leivo 2003). Tuulen nopeutta mitataan säähavaintoasemilla, joissa mittauskorkeus on 10 m. Jos halutaan laskea tuulen nopeus rakennuksen harjakorkeudella h, voidaan käyttää kaavaa 3. (3) ( ) tuulen nopeus 10 m korkeudella ja saadaan taulukosta 3. (Leivo 2003) 25

27 Taulukko 3. Ympäristöparametrit ja (Leivo 2003). Maastotyyppi Merialue 0,10 1,30 Tasainen Maasto 0,15 1,00 Maaseutu 0,20 0,85 Esikaupunki-, teollisuustai metsäalue 0,25 0,67 Kaupungin keskusta 0,35 0, ILMANVAIHDON, TUULEN JA SAVUPIIPPUILMIÖN YHTEISVAI- KUTUS PAINESUHTEISIIN Tarkasteltaessa yksittäin tuulen, ilmanvaihdon tai savupiippuilmiön vaikutusta rakennuksen painesuhteisiin on syytä ymmärtää myös niiden yhteysvaikutus (Ympäristöministeriö 1997). Kuvassa 5 on havainnoitu esimerkki, kun tasatiiviiseen rakennuksen kohdistuu tuulen nopeus 5 m/s ulkoilman lämpötilan ollessa 0 C ja sisäilman lämpötila 20 C. Rakennuksen vapaa ilmatilan korkeus on 10 m ja koneellisen tulo- ja poistoilmanvaihdon aiheuttama alipaine rakennuksessa -5 Pa ulkoilmaan nähden. Kuva 5. Yhteisvaikutus tasatiiviissä rakennuksessa (Ympäristöministeriö 1997). 26

28 3.5 TIIVEYDEN VAIKUTUS PAINESUHTEISIIN Sisäilman vesihöyryn haitallisen konvektion estämiseksi tulee rakennuksen vaipan ja sen yksityiskohtien olla niin tiiviitä läpi kulkevien ilmavuotojen suhteen, että syntyy edellytykset pitää rakennus pääsääntöisesti alipaineisena (RakMK C2 1998). Rakennuksen ja rakenneosien tiiveydellä on suuri vaikutus painesuhteisiin. Tiiviissä rakennuksessa paine-erot ja niiden vaihtelu ovat suurempia kuin vähemmän tiiviissä. Hyvin epätiiviissä rakennuksessa sisä- ja ulkoilman välinen paine-ero on vähäinen, koska paine-ero pääsee tasaantumaan rakenteiden epätiiveyskohtien kautta. Rakennuksen vaipan ilmatiiviydellä on ainoastaan hyviä vaikutuksia energian kulutukseen, sisäilman viihtyvyyteen ja rakenteiden kosteustekniseen toimintaan. Varsinkin uusien paremmin eristävien vaipparakenteiden kannalta on tärkeä estää hallitsemattoman vuotoilman kulkeutuminen rakenteisiin. Vuotoilman mukana kulkeutuva sisäilman kosteus voi tiivistyä kylmiin rakenneosiin ja aiheuttaa kosteusvaurioriskin. Sisäilman viihtyvyyden kannalta vedontunne vähenee ja mahdollisten epäpuhtauksien ja haitallisten aineiden kulkeutuminen rakenteista, maaperästä tai ulkoilmasta voidaan minimoida rakenteiden ollessa tiiviitä. Lisäksi rakenteiden tiiviydellä on suuri vaikutus rakennuksen kokonaisenergiakulutuksen kannalta (Paloniitty 2008). Vaipan ilmanpitävyyden parantaminen helpottaa ilmanvaihdon säätöjen tekemistä ja tavoiteltavien painesuhteiden säätämistä. Toisaalta tiiviin rakennuksen kohdalla, etenkin rakennuksen ilmavuotoluvun n50 ollessa alle 0,4 1/h, ilmanvaihtolaitteiston säätäminen oikein onkin ensisijaisen tärkeää. Lisäksi ilmanvaihdon toimintaan ja huoltotöihin on kiinnitettävä erityistä huomiota ja apuna voidaan käyttää erilaisia seuranta- ja hälytyslaitteistoja (Vinha 2012). Taulukossa 4 on esitetty ilmanvaihdon säätöjen vaikutusta paine-eroihin eri tiiviysasteen rakennuksissa 27

29 Taulukko 4. Ilmanvaihdon säätöjen vaikutus paine-eroihin eri tiiveysasteen rakennuksissa (Vinha 2012). Ilmanvaihdon Paine-ero (Pa) Paine-ero (Pa) Paine-ero (Pa) säätö Tasapainotettu ilmanvaihto 15 % vähemmän tuloilmaa 15 % enemmän tuloilmaa n50 = 0,15 1/h n50 = 4,0 1/h n50 = 10,0 1/h Rakennuksen ilmatiiviys mitataan tietokoneohjatulla laitteistolla ja ennen mittausta kaikki ilmanvaihto-kanavat tiivistetään esimerkiksi teippaamalla. Ilmavuotoluku (n50-luku) 1/h saadaan kaavan 4 mukaisesti, kun puhaltimen läpi virtaava ilmavirtaus 50 Pa paine-erolla R50 jaetaan sisätilavuudella V. Mitä pienempi n50-luku, sitä parempi on talon tiiviys. Hyvä arvo on < 1,0 1/h. Ilmavuotoluku voidaan laskea myös vaipan pinta-alaa kohti (q50-luku) kaavan 5 mukaisesti, jossa hyvä arvo on 1,0 m³/h m². Rakennuksen alhainen ilmavuotoluku ei kuitenkaan takaa rakenteiden moitteetonta toimintaa ilmavuotojen osalta, koska yksittäiset ilmavuodot voivat olla paikallisesti suuria. (Vinha 2012). (4) = (5) = (Vinha 2012) 28

30 4 Epäpuhtauksien kulkeutuminen paine-erojen vaikutuksesta Epäpuhtauksien kulkeutumista paine-eron vaikutuksesta ovat aiemmin tutkineet mm. Päkkilä (2012), Leivo (2006), Airaksinen (2003) ja Pessi (1999). Taneli Päkkilän diplomityössä (2012) Mikrobien kulkeutuminen sisäilmaan paine-eron vaikutuksesta tutkittiin paine-eron vaikutusta sisäilmanäytteiden mikrobipitoisuuksiin. Työssä tutkittiin kokonaisen rakennuksen / tilan alipaineistamisen vaikutusta sisäilman mikrobipitoisuuksiin. Tutkimukset suoritettiin kivirakenteisessa palvelurakennuksessa (enimmäkseen tiiliseiniä ja alapohjarakenteena kaksoisbetonilaatta). Ilmanäytteet kerättiin Andersen-keräimellä normaalissa käyttötilanteessa (alipaine ulkovaipan yli Pa) sekä tilojen ollessa koneellisesti alipaineistettuna (alipaine ulkovaipan yli -10 ja -20 Pa). Haluttu alipaine saavutettiin ilmanvaihtokanavat sulkemalla ja käyttämällä tiiveysmittaukseen tarkoitettua, oviaukkoon asennettavaa alipainepuhallinta. Tutkimuksessa alipaine ei lisännyt sisäilman elinkykyisten mikrobien kokonaismäärää, mutta vaikutti näytteissä havaittuun mikrobilajistoon: Alipainenäytteissä oli normaalinäytteitä enemmän kosteusvaurioon viittaavia lajeja, mikä viittaa vuotoilman tulleen myös vaurioituneista rakenteista sisäilmaan. Alipaine imee siis mikrobeja sisäilmaan. Mikrobilajien välillä oli eroja kulkeutumisessa sisäilmaan. (Päkkilä 2012). Leivon ym. (2006) suorittamissa laboratoriokokeissa mikrobeja tai itiöitä ei havaittu kulkeutuvan ehjien betonilaattojen tai polystyreeni- / polyuretaanieristeiden läpi. Sen sijaan valusaumallisen betonilaatan läpi havaittiin kulkeutuvan itiöitä. Kokeissa käytettävä paine-ero vaihteli 1-20 Pa välillä. Airaksisen ym. (2003) suorittamissa laboratoriokokeissa havaittiin paine-erolla olevan erittäin suuri vaikutus puurakenteista alapohjaa simuloivan koerakennelman partikkelien läpäisevyyteen. Kokeessa oli rakennettu laboratorioon mitoiltaan 2,2x2,2 m lastulevy-mineraalivilla/puurunko -tuulensuojalevy -rakenne, jonka molemmin puolin oli kaksi kammiota, joiden olosuhteita pystyttiin säätelemään. Toinen puoli 29

31 simuloi ryömintätilaa ja toinen sisäilmaa. Muuttujina käytettiin paine-eroa ja ilmavuotoa, joista jälkimmäistä muutettiin joko ø 10 mm rei illä rakenteen yläosan lastulevyssä tai suoralla ø 15mm putkella rakenteen läpi (tulpattuna ja avoimena). Kokeissa mitattiin rakenteen läpi ( ryömintätilasta sisäilmaan ) kulkeutuvia inerttejä partikkeleita ( µm), sekä elinkykyisiä sieni-itiöitä (Penicillium / Cladosporium). Läpäisyä tutkittiin kullakin asetelmalla 6 Pa ja 20 Pa alipaineessa (kuva 6). Tutkimuksessa havaittiin että sekä inerttien partikkeleiden että sieni-itiöiden läpäisy oli voimakkaasti riippuvainen koerakenteen yli vallitsevasta paine-erosta ja että esimerkiksi rakenteen pintalevyssä olevilla rei illä ei ollut juuri vaikutusta kulkeutumiseen. Johtopäätöksinä esitettiin, että epäpuhtauksien kulkeutumista tällaisen rakenteen läpi on vaikea estää rakennetta tiivistämällä ja että ainut tehokas tapa läpäisyn vähentämiseksi näyttäisi olevan alipaineisuuden vähentäminen. Yhtenä johtopäätöksenä esitettiin että: Rakennuksen alipaineisuus voi aiheuttaa terveysriskin, mikäli rakennuksen ulkovaipparakenteissa on epäpuhtauksia. (Airaksinen ym. 2003). Kuva 6: Koerakenteen inerttien partikkeleiden läpäisy erilaisissa koeasetelmissa (Airaksinen 2003). 30

32 Pessi ym. (1999) suorittivat tutkimustensa yhteydessä koejärjestelyn jossa kerrostaloasunnon keittiöön rakennettiin osastointi, joka alipaineistettiin siten että betonielementtiulkoseinän yli saatiin luotua 50 Pa alipaine. Tutkimuksessa havaittiin alipaineistuksen lisäävän ilmavuotoja ja ilmanäytteissä esiintyviä mikrobeja. Ilmavuotokohtien tiivistyksellä ilmavuodot ja ilmanäytteissä esiintyvät mikrobit vähenivät (Pessi ym. 1999). Yleensä ottaen kaasumaiset epäpuhtaudet kulkeutuvat huomattavasti kiinteitä ja suurikokoisempia hiukkasia helpommin rakenteiden läpi ja siten voidaan olettaa, että jos rakenteen läpi kulkeutuu hiukkasmaisia epäpuhtauksia, myös kaasumaiset epäpuhtaudet kulkeutuvat ko. rakenteen läpi (tai rakenteen sisästä) sisäilmaan. Esimerkiksi MVOC-yhdisteiden (mikrobien tuottamat haihtuvat orgaaniset yhdisteet) on todettu kulkeutuvan diffuusion vaikutuksesta myös ehjän höyrynsulkumuovin lävitse (Weckström 2003). Rakenteiden läpi tapahtuvat vuotoilmavirrat voivat siis tuoda mukanaan epäpuhtauksia. Seuraavassa käsitellään lyhyesti esimerkkien kautta vuotoilmamäärien suuruusluokkaa. Esimerkiksi n. 100 m² pientalossa, jonka tilavuus on 250 m² ja n50-luku 4 (1/h), on vuotoilmavirta 50 Pa paine-erolla ollut 4 1/h * 250 m³ = 1000 m³/h 278 dm³/s Vastaavasti n50 -luvulla 1 (1/h) vuotoilmavirta olisi 250 m³/h 69 dm³/s, tai n50 luvulla 0,2 (1/h) 50 m³/h 14 dm³/s Koko rakennuksen normaalin käyttötilanteen vuotoilmavirtaa voidaan arvioida kaavan 6 mukaisesti (kun tunnetaan ilmavuotoluku q50 ja rakennuksen vaipan pinta-ala): (6) = 31

33 vuotoilmavirta m³/s rakennusvaipan ilmavuotoluku m³/(h m²) A rakennusvaipan pinta-ala m² x kerroin, joka on yksikerroksisille rakennuksille 35, kaksikerroksisille 24, kolmi- ja nelikerroksisille 20 ja viisikerroksisille korkeimmille rakennuksille kerroin, joka muuttaa ilmavirran m³/h yksiköstä m³/s yksikköön (RakMK D3 2012) Tyypillisellä ilmavuotoluvulla q50 = 4,0 1/h saadaan yksikerroksisen, vaipan pintaalaltaan 450 m² pientalon vuotoilmavirraksi: = (4,0 (1/h) / 3600 * 35) * 450 m² = 0, m³/s 14,3 dm³/s Vuotoilmavirta syntyy tuulen ja lämpötilaerojen synnyttämistä paine-eroista. Vuodon suuruuteen vaikuttaa rakennuksen vaipan ilmanpitävyys, rakennuksen sijainti ja korkeus, ilmanvaihtojärjestelmä ja sen käyttötapa. Vuotoilmavirta ei sisällä ilmanvaihtojärjestelmän aikaansaaman alipaineen vaikutuksesta sisään virtaavaa ilmaa (korvausilma), joka poistetaan ilmanvaihtojärjestelmän kautta. (RakMK D5 2012). Kaavan 6 yhtälö ei siis ota huomioon rakennuksen painesuhteita (ei paine-eroa muuttujana), todellinen vuotoilmavirta on voimakkaasti riippuvainen sisä- ja ulkoilman välisestä paine-erosta (suurempi alipaine = suurempi vuotoilmavirta). Vertailun vuoksi: Suomen rakentamismääräyskokoelman osassa D2 (2012) määritetään asuintilojen (hallitusti sisälle tuodun) ulkoilmavirran vähimmäismääräksi 6 dm³/s henkilöä kohden tai esim. tilavuudeltaan 250m³ kokoisessa asuinrakennuksessa (vähimmäisilmanvaihtokerroin 0,5 1/h) 125 m³/h tai ~35 dm³/s. 32

34 Myös yksittäisen raon läpi virtaavan ilmamäärän arvioimiseksi löytyy laskukaavoja, tilavuusvirta Q (m³/s) voidaan laskea mm. kaavan 7 mukaisesti: (7) = ³ b d p raon leveys raon pituus raon syvyys ilman viskositeetti (+20 C lämpötilassa: 18 * 10 Pa*s) paine ero (raon yli) Kaavasta nähdään että tilavuusvirta on suoraan verrannollinen paine-eroon ja siten paine-ero vaikuttaa voimakkaasti vuotoilmavirtojen suuruuteen. Laskuesimerkki: 2 m matkalla olevan 1 mm levyisen raon läpi virtaava ilmamäärä 5 Pa ja 20 Pa paine-eroilla, kun rakenteen paksuus on 200 mm: Q (5 Pa) = (0,001 m)³ * 2 m * 5 Pa / (0,2 m * 12 * 18 * 10 Pa*s) 0, m³/s 0,23 dm³/s Q (20 Pa) = (0,001 m)³ * 2 m * 20 Pa / (0,2 m * 12 * 18 * 10 Pa*s) 0, m³/s 0,93 dm³/s Voimakkaasti alipaineisessa rakennuksessa esimerkiksi epätiiviin alapohjarakenteen läpi (maaperän tai ryömintätilan kautta) tulevat ilmamäärät voivat olla huomattavia. Kelluvan betonilaatan kuivumiskutistuman aiheuttamat raot lattiabetonin ja seinien välissä voivat olla jopa useita millimetrejä (tyypillinen betonin kokonaiskutistuma on luokkaa 0,4-0,8 mm/m). 33

35 5 Menetelmät Paine-eron mittaukset suoritettiin asentamalla ikkunan tai oven väliin ( rakenteen yli ) ohut kupariputki, joka liitettiin tiiviisti muoviletkuun ja se edelleen paineeromittarin (-) -yhteeseen. Tällöin mittarin negatiivinen lukema tarkoittaa alipainetta tilassa jossa mittari on, suhteessa tilaan (useimmiten ulkoilma) jossa yhteen toinen pää on. Pitkäkestoiseen paine-eron seurantaan käytettiin Dwyer Magnesense (kuva 7) ja Produal PEL-N (kuva 8) paine-erolähettimiä sekä Gemini TGPR-0704 Tinytag dataloggereita (kuva 9). Paine-erolähettimet vastaavat ominaisuuksiltaan toisiaan. Käytettävissä oli yhteensä kymmenen seurantayksikköä. Paine-erolähettimen lukema mittapisteissä tallennettiin Tinytag -loggeriin minuutin välein ja siten esimerkiksi kahden viikon pituisen mittausjakson aikana yksittäisiä mittaustuloksia kertyi n per mittauskohta. Mittaustulokset siirrettiin loggereista Tinytag Explorer - ohjelmalla tietokoneelle. Tinytag Explorer -ohjelmalla muodostettiin seurantajaksojen paine-erokuvaajat, sekä ohjelmasta saatiin suoraan mittausjaksojen paine-eron keskiarvo sekä mittaustulosten vaihteluväli (min/max -arvot), jotka on ilmoitettu kuvaajien ja havainnekuvien yhteydessä. Paine-erokuvaajissa nollataso on korostettu punaisella katkoviivalla. Mittaustuloksista tehtiin lisäksi arvio yli- ja alipaineen osuuksista mittausjaksoilla laskemalla positiivisten ja negatiivisten lukuarvojen suhde kaikkiin mittaustuloksiin. Hyvin pienet yli- tai alipaineen osuudet mittausjaksolla pyöristettiin ylöspäin 0,1 %:iin. Lisäksi lyhytkestoisia paine-eron mittauksia suoritettiin Testo 512 -paine-eromittarilla (kuva 10). Lyhytkestoisilla paine-eron mittauksilla mm. varmistettiin paine-erolähettimien näyttämän paikkansapitävyys lähettimiä asennettaessa sekä osastojen alipaineisuus suhteessa porrashuoneeseen. Sisä- ja ulkoilman suhteellisen kosteuden ja lämpötilan samanaikainen seuranta suoritettiin HygroNet dataloggerilla (kuva 11). 34

36 Dwyer Magnesense Manuaalinen nollatason asetus asennuksen jälkeen (ruuvikiinnitys). Mittaus-alue: ±50 Pa Resoluutio: 0,1 Pa Tarkkuus: ±1 % näyttämästä Kuva 7. Paine-eromittari Dwyer Magnesense asennettuna kohteessa 1. Produal PEL-N Piezoresistiivinen anturielementti Automaattinen nollatason kalibrointi n. 5 min välein. Mittaus-alue: ±50 Pa Resoluutio: 0,1 Pa Tarkkuus: ±0,5 Pa + ±1% Kuva 8. Paine-eromittari Produal PEL-N asennettuna kohteessa 1. Tinytag TGPR-0704, Gemini Data Loggers: Paine-erolähettimien data kerättiin Tinytag -dataloggereilla ja analysoitiin Tinytag Explorer ohjelmalla. Kuva 9. Datalogger Tinytag TGPR

37 Testo 512 Mittaus-alue: ±200 Pa Resoluutio: 0,1 Pa Tarkkuus: ±0,5 % Kuva 10. Paine-eromittari Testo 512. HygroNet kosteus- ja lämpötilalogger Tarkkuus (Rh): ±3 % (välillä %) Tarkkuus (T): ±0,5 C Järjestelmän serveri GMT ajassa, joten kuvaajien kellonaikoihin täytyy lisätä 3h (Suomessa kesäaikana GMT+3). Kuva 11. HygroNet kosteus- ja lämpötilalogger. 6 Tulokset 6.1 TUTKIMUSKOHTEIDEN YLEISTIEDOT JA SUORITETTUJEN MIT- TAUSTEN KUVAUS Kohde 1 Valtaosa aineistosta kerättiin 1950-luvulla valmistuneesta sairaalakiinteistöstä, jossa vaikuttavat sekä vanha painovoimainen että jälkeenpäin asennettu koneellinen ilmanvaihto. Mittaukset keskittyivät 6-kerroksiseen osastorakennukseen. Rakennus on massiivitiilirunkoinen ja välipohjarakenne on tyypiltään alalaattapalkisto. Osastora- 36