SISÄOLOSUHTEET JA ILMANVAIHTO HISTORIALLISISSA RAKENNUKSISSA

Transkriptio

1 Sisäilmastoseminaari SISÄOLOSUHTEET JA ILMANVAIHTO HISTORIALLISISSA RAKENNUKSISSA Üllar Alev 1, Lari Eskola 2, Targo Kalamees 1 Endrik Arumägi 1 Juha Jokisalo 2, Anna Donarelli 3, Kai Sirèn 2 Tor Broström 3 Tallinnan Yliopisto 1, Aalto Yliopisto 2, Uppsalan Yliopisto 3 TIIVISTELMÄ Historiallisten rakennusten ilmanpitävyyttä, ilmanvaihtoa ja energiatehokkuutta tutkittiin mittauksin Suomessa, Ruotsissa ja Virossa. Tutkittujen rakennusten keskimääräinen sisäilman lämpötila talvikaudella oli C Ruotsissa, C Suomessa ja C Virossa. Seinän materiaali ja rakenne vaikutti suuresti Ruotsissa mitattuihin alhaisempiin sisälämpötiloihin. Vertailtaessa rakennuksen vaipan ilmatiiveyttä ja sisälämpötiloja havaittiin, että mitä suurempi oli ilmavuotoluku, sitä suurempi oli lämpötilaero lattian- ja katonrajan välillä. Lämpötila ero vaihteli 1,3-6,7 asteen välillä. Kyselyn perusteella voidaan tehdä se johtopäätös, että asukkaat eivät koe vaihtelevia ja ajoittain matalia sisälämpötiloja ongelmana, vaan ovat yleisesti ottaen tyytyväisiä sisäilmasto-olosuhteisiin. JOHDANTO Euroopan unionin energiatehokkuusdirektiivissä vaaditaan parantamaan rakennusten energiatehokkuutta (Council Directive 2010/31/EU of 19 May 2010). Kansalliset määräykset olemassa oleville rakennuksille saattavat kuitenkin olla epätarkoituksenmukaisia, kun niitä sovelletaan perinteisiin ja historiallisiin rakennuksiin. Historiallisten rakennusten ongelmat liittyvät usein ilmanvaihtoon ja sisäolosuhteisiin /1,2/. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää historiallisten rakennusten sisäolosuhteita ja rakenteiden tiiveyden vaikutusta lämpöoloihin. Tässä tutkimuksessa rakennus luokitellaan historialliseksi, mikäli se on rakennettu ennen vuotta Tutkitut rakennukset sijaitsevat Virossa, Etelä-Suomessa sekä Gotlannissa. MENETELMÄT Tutkitut rakennukset Virossa vallitseva historiallisesti tyypillinen rakennus on ollut kaksijakoinen, toisessa päässä on ollut tilat karjalle ja toisessa ihmisille luvun loppupuolella rakennuksiin on lisätty savupiiput lisäämään asumismukavuutta. Rakennus on taannut asumisen perusolosuhteet vuosisatojen ajan, mutta ei sisäilmasto-olosuhteiltaan välttämättä enää vastaa nykyvaatimuksia. Rakennusten kantava rakenne on tehty hirrestä. Perinteisesti lämmitys on hoidettu uuneilla. Nykyisin sähkölämmitys on yleistä. Ilmanvaihto on painovoimainen ja sitä voi tehostaa ikkunatuuletuksella. Ikkunat ovat yksin- tai kaksinkertaisia. Suomessa tyypillinen tutkittu rakennus on hirsirakenteinen ja sitä on käytetty vain asumistarkoituksiin luvulta luvulle perusrakenne on pysynyt hyvin samanlaisena. Hirsirungon päällä on laudoitus suojaamassa hirsiä säänvaihteluilta.

2 2 Sisäilmayhdistys raportti 33 Suurimmassa osassa rakennuksista on nykyisin tuuletettu alapohja. Lämmitys on perinteisesti toteutettu uuneilla. Nykyisin lämmitystavat vaihtelevat suorasta sähköstä maalämpöön, tutkimuksessa oli mukana myös muutama kaukolämmöllä lämpiävä rakennus. Rakennusten ilmanvaihto on painovoimainen ja ikkunat ovat kaksin- tai kolminkertaisia. Ruotsin Gotlannissa rakennusmateriaalina on käytetty kalkki- tai hiekkakiviä, jotka on ladottu toistensa päälle. Julkisivut on rapattu. Kaikissa rakennuksissa on tulisija, mutta 60- luvulla moniin rakennuksiin on lisätty vesikiertoinen radiaattorilämmitys. 70-luvulla tulisijoilla varustettuihin rakennuksiin lisättiin sähköradiaattoreita ja 90-luvulla lämmitysjärjestelmiä on uusittu toimimaan puukattiloilla. Ilmanvaihto on painovoimainen. Ikkunat ovat pääasiassa yksin- tai kaksinkertaisia. Kuva 1. Tutkittujen rakennusten sijainti Virossa, Suomessa ja Ruotsissa, sekä tyypilliset rakennukset. Suoritetut mittaukset Kaikissa tutkituissa rakennuksissa mitattiin sisäilman lämpötilaa ja suhteellista kosteutta dataloggereilla. Mittausjaksolla, vuosina , lämpötilaloggauksen tallennusväli on oli 1 h. Loggerit sijoitettiin sisäseinille tai huonekalujen päälle 0,5 1,8 m korkeuteen lattiatasosta. Lisäksi sisälämpötilan pystysuuntaista jakaumaa mitattiin kahdeksassa talossa vuoden ajan mittaamalla sisälämpötilaa 0,1 m korkeudelta lattiasta ja 0,1 m etäisyydeltä katosta. Tarkastelujaksoksi valittiin talvi ja kesä Ajanjakso joulukuusta helmikuuhun valittiin talvijaksoksi ja kesäkuusta elokuuhun kesäjaksoksi.rakennuksen huoneiden lukumäärästä riippuen jokaiseen taloon sijoitettiin 1-5 loggeria. Tyypilliset sijoitushuoneet olivat makuuhuone, olohuone ja keittiö. Sisäilmaston termisiä olosuhteita on verrattu standardeihin EN 15251; CR 1752 / 3, 4/. Sisäilmastoluokka, Indoor climate category ICC III, EN 15251, valittiin vertailuluokaksi. Sisälämpötilan tulee vertailuluokassa pysyä talvikaudella +22 ± 3ºC. Kesäkaudella sisälämpötilan riippuvuutta ulkolämpötilaan verrattiin standardiin EN Lämmityskausi määritettiin keskimääräisen päivittäisen +15 C ulkolämpötilan mukaan /5/. Ulkolämpötila mitattiin rakennuksen läheisyydestä tai kohteesta riippuen käytettiin läheisellä sääasemalla mitattua lämpötilaa.

3 Sisäilmastoseminaari Ilmanpitävyyttä mitattiin standardin EN /6/ mukaisesti painekoemenetelmällä 50 Pa:in ali- ja ylipaineella. Ennen mittausta vuotoreitit, kuten tulisijat, suljettiin tiiviisti ja puhallinlaitteisto kiinnitettiin rakennusten ulko-oveen. Vuotoreittien ja kylmäsiltojen sijainteja tutkittiin lämpökamerakuvauksen avulla /7/. Kaikki tutkitut rakennukset oli varustettu painovoimaisella ilmanvaihdolla, joten rakennusten ilmanvaihtokerroin mitattiin passiivisella merkkiainemenetelmällä käyttäen neljän viikon mittausjaksoa /8/. Jokaisen rakennuksen rakenteista, ilmanvaihto ja lämmitystavoista tehtiin analyysi. Asukaskyselyssä selvitettiin asukkaiden tyytyväisyys vallitseviin olosuhteisiin. Tietoja kerättiin asumistottumuksista, viihtyisyydestä, ilmanvaihdosta, melusta ja valaistuksesta. Asukkailta kysyttiin myös havaittuja ongelmia, rakennuksen energiankulutusta sekä korjausehdotuksia rakennuksiin. TULOKSET Mittausjaksolla vallinneet keskimääräiset olosuhteet eri maissa on kuvattu taulukossa 1. Talvikaudella löytyy eroja ulkolämpötilan suhteen, mutta kesäkaudet ovat keskimäärin hyvin samankaltaiset. Taulukko 1. Vallitsevat ilmasto-olosuhteet mittausjaksolla Virossa, Suomessa ja Ruotsissa. Parametri / maa Viro Suomi Ruotsi Keskim. ulkolämpötila -5,5 C -4,6 C -0,7 C talvikaudella Keskim. ulkolämpötila kesäkaudella +18 C +18 C +17 C Keskim. ulkolämpötila kylmimpänä -12 C -11 C -5,6 C talvikuukautena Keskim. lämpötila lämpimimpänä +22 C +21 C +18 C kesäkuukautena Alin talvilämpötila -32 C -27 C -20 C Keskim. suhteellinen kosteus talvikaudella 90 % 97 % 87 % Keskim. suhteellinen kosteus kesäkaudella 77 % 81 % 83 % Keskimääräinen ulkolämpötilan erosi Suomen ja Viron välillä alle yhden asteen, mutta ero Ruotsiin oli selvempi n. 4 astetta. Tarkasteltaessa rakennusten sisälämpötiloja voidaan kuvasta 2 nähdä ulkolämpötilan vaikutus sisälämpötilaan. Sisälämpötilat Jokaisen rakennuksen kaikista ulkolämpötilaa vastaavista sisälämpötilan arvoista on laskettu keskiarvo. Nämä rakennuskohtaiset keskiarvokäyrät on esitetty kuvassa 2. Jokainen yksittäinen ohut viiva kuvassa 2 esittää yhden rakennuksen keskimääräistä sisälämpötilan arvoa ulkolämpötilan funktiona. Kuvassa on esitetty maakohtaiset keskiarvot. Ympyräpisteet ovat keskiarvo Ruotsissa, neliöt Virosta ja kolmiot Suomesta mitatuista sisälämpötiloista. Kuvassa on esitetty III ICC luokan mukaiset sisälämpötilan raja-arvot ( C) talvi ja kesäkaudella.

4 4 Sisäilmayhdistys raportti 33 Talvikaudella sisälämpötila jatkuvasti käytetyissä rakennuksissa oli hieman korkeampi puutaloissa Virossa ja Suomessa kuin Ruotsissa, Gotlannissa, sijaitsevissa kivitaloissa. Keskimääräiset sisälämpötilat talvikaudella olivat +21,1 C Virossa, + 20,6 C Suomessa ja + 18,4 C Ruotsissa. Kesäkaudella maiden keskiarvoissa ei ole juurikaan eroa ja keskimääräinen sisälämpötila pysytteli + 22,7 ja + 23,5 C välillä ja oli standardin suosittamalla sisälämpötila-alueella. Ruotsissa keskimääräinen sisälämpötila laskee alle tavoitearvon (III ICC), kun ulkolämpötila laskee alle 0 C, Virossa tavoitearvon alle mennään noin - 20 C ja Suomessa noin - 24 C ulkolämpötilassa. Sisälämpötilan vaihtelut johtuvat pääasiassa ilmavuodoista sekä jaksottaisesta lämmityksestä. Keskimääräinen sisälämpötilan vaihteluväli koko vuoden käytössä olevissa rakennuksissa oli 1,7-3,6 C. Kaikki sisälämpötilan mittaukset huomioon (ei keskiarvo) ottaen sisälämpötila on III ICC luokan alarajan alapuolella 15 % ajasta talvella ja 12 % kesällä. Kuva 2. Tutkittujen rakennusten sisälämpötilat ulkolämpötilan funktiona. Jokainen mitattu rakennus on esitetty omalla viivalla. Käyrät on muodostettu ulkolämpötilaa vastaavasta sisälämpötilojen keskiarvoista. Maakohtaiset keskiarvot ja ICC III luokan mukaiset lämpötilarajat on esitetty suorilla viivoilla. Sisälämpötila oli liian korkea muutamissa taloissa, 7% talviaikaan ja 26 % kesäaikaan III ICC luokan tavoitearvoihin verrattuna. Jos sisälämpötila ylittää asetut rajat 5 % ajasta, niin silloin se ei täytä luokalle asetettuja vaatimuksia. 71 % rakennuksista ylitti rajat yli 5 % mitatulla ajanjaksolla talviaikaan ja 63 % kesäaikaan.

5 Sisäilmastoseminaari Pystysuuntainen lämpötilajakauma Kuva 3. Esimerkki rakennuksen lämpötilajakaumasta eri ulkolämpötilassa. Mitattuja pystysuuntaisia lämpötilajakaumia tarkasteltiin ja verrattiin rakennuksen ilmavuotolukuun. Kuvassa 3 on esitetty yhden rakennuksen sisälämpötilajakauma eri ulkolämpötiloissa. Jokainen mittapiste kuvaa yhden huoneen tunnittaista lämpötilaa, kun mittaus suoritettiin lattian ja katon rajassa (0,1 m etäisyydeltä). Rakennuksen tiiveyden ja lämpötilagradientin suhde kahdeksan rakennuksen mittausten perusteella on esitetty kuvassa 4. Kuva 4. Korrelaatio lämpötilagradientin jakauman ja ilmavuotoluvun (q50) välillä talvikaudella: joulukuu, tammikuu ja helmikuu. Voidaan havaita, että rakennusten ilmanpitävyys ja pystysuunnassa vallitsevaa lämpötilajakauma riippuvat hieman toisistaan. Pienemmällä ilmavuotoluvulla myös pystysuuntainen lämpötilajakauma on pienempi.

6 6 Sisäilmayhdistys raportti 33 Käyttäjien tyytyväisyys Käyttäjien tyytyväisyyttä sisäilmastolosuhteisiin kartoitettiin kyselyllä. Asukkaat olivat tyytymättömimpiä mataliin sisäilman ja pintojen lämpötiloihin. Myös sisälämpötilan vaihteluun oltiin tyytymättömiä. Kyselyn perusteella asukkaat olivat kuitenkin kokonaisuutena tyytyväisiä omiin rakennuksiinsa. JOHTOPÄÄTÖKSET Keskimääräinen tutkittujen historiallisten esimerkkirakennusten sisäilman lämpötila talvikaudella oli + 18,4 C Ruotsissa, + 20,4 C Suomessa ja + 21,1 C Virossa. Seinärakenne vaikutti suuresti Ruotsissa mitattuihin matalampiin sisälämpötiloihin. Vertailtaessa rakennuksen vaipan ilmatiiveyttä ja sisälämpötiloja voitiin havaita, että mitä suurempi on rakennuksen ilmavuotoluku, sitä suurempi on tyypillisesti myös pystysuuntainen lämpötilaero. Kyselytutkimus toi esiin asukkaiden tuntemia ja kokemia ongelmia vanhoissa rakennuksissa, kuten kylmät lattiat, lämpötilojen vaihtelut ja sisäiset lämpötilaerot. Asukkaiden vastausten perusteella he ovat tottuneet vaihteleviin ja alhaisiin sisälämpötiloihin. Rakennusten puutteista huolimatta asukkaat ovat tyytyväisiä sisäilmasto-olosuhteisiin. LÄHDELUETTELO Lähdeviitteet numeroidaan tekstissä, esimerkiksi: Ne muodostavat homesienten tavoin rihmastoa ja itiöitä /1/. Lähdeluettelo numeroidaan vastaavasti. 1. Saïd, M., Brown, W., Shirtliffe, C., Maurenbrecher, A. (1999). Monitoring of the building envelope of a heritage house: a case study. Energy and Buildings. Volume 30, Issue 3, August, pp Papadopoulos, A., Avgelisa, A., Santamouris, M. (2003). Energy study of a medieval tower, restored as a museum. Energy and Buildings. Volume 35, Issue 9, October, pp EN Indoor Environmental Input Parameters for Design and Assessment of Energy Performance of Buildings- Addressing Indoor Air Quality, Thermal Environment, Lighting and Acoustics. Brussels: CEN. 4. CR Ventilation for Buildings: Design Criteria for the Indoor Environment. Brussels: CEN. 5. Kalamees, T Indoor Climate Conditions and Ventilation Performance in Estonian Lightweight Detached Houses. Indoor and Built Environment 15 (6): doi: / x SFS_EN Thermal performance of buildings. Determination of air permeability of buildings. Fan pressurization method (ISO 9972:1996, modified). Suomen standardisoimisliitto SFS ry. 23 s. 7. Kauppinen, T. (2001). Airtightness of buildings in Finland. Proceedings of SPIE Thermosense XXIII, April, pp Sandberg. M., Stymne. H. (1989), The constant tracer flow technique. Building and Environment. Volume 24, Issue 3, pp

7 SISÄOLOSUHTEET JA ILMANVAIHTO HISTORIALLISISSA RAKENNUKSISSA Üllar Alev1, Lari Eskola2, Targo Kalamees1 Endrik Arumägi1 Juha Jokisalo2, Anna Donarelli3, Kai Sirèn2 Tor Broström3 Tallinnan Yliopisto1, Aalto Yliopisto2, Uppsalan Yliopisto3 Sisälämpötila, ts [[ C] JOHDANTO Historiallisten rakennusten ongelmat liittyvät usein ilmanvaihtoon ja sisäolosuhteisiin /1,2/. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää historiallisten rakennusten sisäolosuhteita ja rakenteiden tiiveyden vaikutusta lämpöoloihin. Tässä tutkimuksessa rakennus luokitellaan historialliseksi, mikäli se on rakennettu ennen vuotta Tutkitut rakennukset sijaitsevat Virossa, Etelä-Suomessa sekä Gotlannissa. Tutkittujen rakennusten sijainti Virossa, Suomessa ja Ruotsissa, sekä tyypilliset rakennukset. Huoneen keskimääräinen Lämpötilaero pystysuunnassa, [ C] JOHTOPÄÄTÖKSET Keskimääräinen tutkittujen historiallisten esimerkkirakennusten sisäilman lämpötila Ulkolämpötila, tu [ C] talvikaudella oli + 18,4 C Ruotsissa, + 20,4 C Rakennuksen k.a. Viro Suomi Ruotsi Suomessa ja + 21,1 C Virossa. Seinärakenne vaikutti suuresti Ruotsissa mitattuihin Tutkittujen rakennusten sisälämpötilat ulkolämpötilan matalampiin sisälämpötiloihin. Vertailtaessa funktiona. Jokainen mitattu rakennus on esitetty omalla viivalla. Käyrät on muodostettu ulkolämpötilaa vastaavasta rakennuksen vaipan ilmatiiveyttä ja sisälämpötilojen keskiarvoista. Maakohtaiset keskiarvot ja sisälämpötiloja voitiin havaita, että mitä ICC III luokan mukaiset lämpötilarajat on esitetty viivoilla. suurempi on rakennuksen ilmavuotoluku, sitä suurempi on tyypillisesti myös pystysuuntainen lämpötilaero. Kyselytutkimus toi esiin asukkaiden tuntemia ja kokemia ongelmia vanhoissa rakennuksissa, kuten kylmät lattiat, lämpötilojen vaihtelut ja sisäiset lämpötilaerot. Rakennus Trendline (Rakennus) Asukkaiden vastausten perusteella he ovat tottuneet vaihteleviin ja alhaisiin Ilmavuotoluku q, (m /h)/m sisälämpötiloihin. Rakennusten puutteista Korrelaatio lämpötilagradientin jakauman ja huolimatta asukkaat ovat tyytyväisiä ilmavuotoluvun (q50) välillä talvikaudella: joulukuu, tammikuu ja helmikuu. sisäilmasto-olosuhteisiin