Rakennusten lämpö- ja kosteusfysikaalisia näkökohtia Unto Siikanen, emeritus professori, Arkkitehti SAFA usiikanen@gmail.com Rakentajain kalenteri 2012 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Rakennuksen sisäilmasto Rakennuksen suunnittelussa ja rakentamisessa on terveellisen, turvallisen ja viihtyisän sisäilmaston saavuttamiseksi otettava yleensä huomioon seuraavat rakennukseen vaikuttavat tekijät: sisäiset kuormitustekijät, kuten lämpö- ja kosteuskuormitus, henkilökuormat, prosessit sekä rakennus- ja sisustusmateriaalien päästöt ulkoiset kuormitustekijät, kuten sää- ja ääniolot, ulkoilman laatu ja muut ympäristötekijät sijainti ja rakennuspaikka. Terveellisen, turvallisen ja viihtyisän sisäilmaston saavuttaminen tulee varmistaa, kun suunnitellaan rakennuksen lämmön- ja kosteudeneristystä sekä ikkunoiden ominaisuuksia määritellään rakennuksen ulkovaipan, alapohjan ja roilojen ilmanpitävyyttä sekä tilojen välisten rakenteiden ilmanpitävyyttä valitaan rakennus- ja sisustusmateriaaleja suunnitellaan rakennuksen talotekniikkajärjestelmiä, niiden käyttövarmuutta ja tilantarvetta suunnitellaan rakennustyömaan kosteudenhallintaa suunnitellaan rakennustöiden ja ilmanvaihtojärjestelmän puhtauden hallintaa laaditaan rakennustyömaan, vastaanoton ja käyttöönoton aikataulua. Terveellisen, turvallisen ja viihtyisän sisäilmaston aikaansaamiseksi käytetään rakenteellisia keinoja, pienennetään sisäisiä kuormitustekijöitä, rajoitetaan ulkoisten ja sisäisten kuormitustekijöiden vaikutusta sekä käytetään ilmanvaihto- ja ilmastointiteknisiä keinoja. Rakennusten ja rakenteiden toiminnan kannalta tärkeitä fysikaalisia vaikuttajia ovat ilmanpaineet ja -liike sekä kosteus ja lämpö. Näitä tekijöitä on aina tarkasteltava samanaikaisesti. Jos joku näistä tekijöistä muuttuu, sillä on yleensä vaikutusta myös kahteen muuhun. Näillä rakennusfysikaalisilla tekijöillä on yleensä suurin merkitys lämmityskaudella. Ilmanpaine Rakennuksen ja rakenteiden kosteus- ja lämpötekniseen toimintaan vaikuttavat lämmön ja kosteuden ohella rakennuksessa esiintyvät ilmanpaineet ja niiden vaihtelut. Rakenteiden toiminnan kannalta merkittäviä ilmanpaine-eroja aiheuttavat huonetilassa savupiippuvaikutus, tuuli sekä lämmityksen ja koneellisen ilmanvaihdon järjestelyt. Ilmanpaineen vaihteluita ja ilman kiertoliikettä esiintyy myös seinien sisällä sekä mm. ullakkotiloissa ja ikkunalasien välissä. Savupiippuvaikutuksen, LVI-laitteiden (ilmanvaihdon ja lämmityksen) ja tuulen aikaansaaman paine-eron vaikutuksesta tapahtuvaa ilman virtausta rakenteiden läpi kutsutaan pakotetuksi konvektioksi. Pakotetun konvektion esiintyminen edellyttää paine-erojen lisäksi sellaista epätiiviyttä rakenteissa, että se mahdollistaa ilmavirtauksen rakenteen läpi. Kerroksellisissa pystyrakenteissa (seinissä, ikkunoissa) esiintyy ilman tiheyseroista johtuvaa pystysuoraa ilman virtausta eli ns. luonnollista konvektiota. Myös ullakkotiloissa saattaa esiintyä vastaavaa ilman virtausta. Rakennuksessa ja rakenteissa vallitsevilla ilmanpainesuhteilla on rakenteiden lämpö- ja kosteusteknisen toiminnan kannalta merkitystä pääasiassa kylmänä vuodenaikana, jolloin ilman lämpötila- ja kosteuspitoisuuserot ovat sisä ja ulkoil man välillä suuret. Kesäaikana saattaa paine-eroilla olla merkitystä lähinnä hyvin kosteissa huonetiloissa tai korkeissa rakennuksissa. Kuva 1. Luonnollinen konvektio ulkoseinässä. 73
Pakotettu konvektio Savupiippuvaikutus Huonetilassa savupiippuvaikutuksen aiheuttaa huoneilman lämpeneminen. Kun ilma lämpenee, sen tiheys pienenee ja lämmennyt, kevyt ilma pyrkii nousemaan ylöspäin. Tästä aiheutuu huoneen yläosaan ylipainetta, kun taas huoneen alaosassa on alipainetta. Ts. lämmityskaudella kostea, lämmin huoneilma pyrkii huoneen yläosissa seinämien (seinien ja yläpohjan) läpi ulos ja vastaavasti kylmä, kuiva ulkoilma pyrkii huoneen alaosista sisälle. Jollakin korkeudella (korkeus riippuu mm. aukotuksesta) huonetilassa ilmanpaine on sama kuin ulkoilmanpaine eli siinä sijaitsee ns. neutraaliakseli. Paineettoman tason ilmanpaine (neutraaliakseli) on sama kuin ulkona vallitseva ilmanpaine. Neutraaliakselin sijainti on riippuvainen huoneen aukotuksesta, ilmanvaihto kanavista, tulisijasta hormeineen, avoimista ik kunoista, ovista yms. Täysin suljetussa tilassa neutraaliakseli sijaitsee huoneen keskellä (A). Huoneessa, missä on tulisija ja painovoimainen poisto (B), saattaa neutraaliakseli olla aivan huoneen yläosassa, eli lähes koko huonetilassa vallitsee alipaine. Toisaalta tilassa, jossa on paljon aukkoja alaosassa (C), saattaa neutraaliakseli sijaita huomattavasti huoneen keskikorkeuden alapuolella. Savupiippuvaikutuksen aiheuttamat paine-erot ovat pieniä, mutta koska ne ovat käytännöllisesti katsoen pysyviä, on niillä merkitystä rakenteiden lämpö- ja kosteustekniseen toimintaan. Paine-eron suuruus riippuu lämpötilaerosta ja tilan tai hormin korkeudesta. Ilman tiheyseroista johtuvia ilmanpaineen vaihteluita ja ilman kiertoliikettä eli luonnollis ta konvektiota esiintyy mm. ikkunoiden ilmaraoissa sekä Ylipaine Alipaine Kuva 2. Pakotettu konvektio ulkoseinässä. ulkoseinien huokoisessa läm möneristeessä. Se on otettava huomioon seinien tiiviyttä, kosteusteknistä toimintaa ja lämmöneristävyyttä tarkasteltaessa. Pystysuorassa ilmaraossa tai huokoisessa lämmöneristeessä oleva ilma lämpe nee lähellä seinän sisäpintaa, jolloin sen tiheys pienenee ja se pyr kii virtaamaan ylöspäin, kun taas kylmän ulkopin nan läheisyydessä ilma jäähtyy ja virtaa alaspäin. Näin rakenteen sisälle syntyy ilmankiertoa, joka kuljettaa mukanaan sekä lämpöä että kosteutta, mikä on otettava huomioon seinän rakenteellisessa suunnittelussa. Seinissä luonnollista konvektiota esiintyy lähinnä vain käytettäessä eristeenä keveitä, pehmeitä mineraalivilloja ja kun eristepaksuus kasvaa yli 125 mm:n. Tiheämmissä, puupohjaisissa lämmöneristeissä luonnollisella konvektiolla ei ole merkitystä eristeiden toiminnan kannalta. Neutraaliakseli Neutraaliakseli Neutraaliakseli Kuva 3. Savupiippuvaikutus. Aukko 74
Mitä pienempi ilmanvastus lämmöneristeessä on, sitä suurempi on rakenteen sisäinen ilmanliike. Lämmöneris teen tai ilmaraon syvyy den ja korkeuden lisääminen voimistavat luonnollis ta konvektiota. Käytännössä seinänsisäinen ilmavirtaus heikentää vain vähän huokoisen lämmöneristeen eristävyyttä. Seinissä olevien ikkunoiden lasien välisen ilmavälin suurentaminen lisää sekä lämmön- että ääneneristävyyttä ikkunassa. Ilmavälin kasvaessa voimistuu samalla luonnollinen konvektio niin, että 50 mm:ä suurempi ilmaväli ei paranna enää ikkunan lämmöneristävyyttä, ääneneristävyyttä kylläkin. Myös tuulettumattomassa tai huonosti tuulettuvassa ullakkotilassa esiintyy ilman tiheyseroista johtuvaa ilman kiertoa. Kierron voimakkuus riippuu mm. ullakkotilan korkeudesta, katon jyrkkyydestä ja lämpötilaeroista. Ylöspäin virtaava ilma kuljettaa mukanaan kosteutta, joka saattaa tiivistyä vedeksi osuessaan kylmään kattopintaan. Savupiippuvaikutuksesta aiheutuvat painesuhteet eri kerroksissa ovat riippuvaisia lähinnä poistoilmahormin pituudesta. Korkeissa rakennuksissa saattaa savupiippuvaikutus aiheuttaa vaikeuksia koneellisen ilmanvaihdon toimivuudelle. Se voi koneellisesta ilmanvaihdosta huolimatta mm. aiheuttaa ylimmissä kerroksissa rakennuksen vaippaan kohdistuvia ylimääräisiä kosteusrasituksia, hajujen siirtymistä porrashuoneeseen tai huoneistosta toiseen tms. Tuuli Tuulen huonetilassa aiheuttamat paine-erot ovat suuruudeltaan ja suunnaltaan vaihtelevia. Painevaikutuksen suuruus riippuu tuulen suunnan ja voimakkuuden lisäksi rakennuksen korkeudesta ja muodosta, ympäröivästä maastosta, toisista rakennuksista yms. Tuuli saa aikaan huoneessa kuvan 4 mukaisen painekuvion, joka ei tuulen pyörteisyyden takia ole vakio. Kuva 4. Tuulen painevaikutus. Tuuli saattaa aiheuttaa lyhytaikaisesti suuria ylija alipaineita, jotka täytyy ottaa huomioon mm. rakenteiden lujuuslaskelmissa. Tuulen vaikutukset pyrkivät ulottumaan myös rakennuksen sisälle, jolloin painesuhteet ja ilmanvaihto saattaa häiriintyä. Tuuli voi aiheuttaa lisäksi ilmavirtauksia rakennuksen läpi. Pitkäaikainen samalta suunnalta puhaltava tuuli lisää huomattavasti mm. seinämien läpi tapahtuvaa lämmön ja kosteuden siirtymistä, ikkunoiden huurtumista tuulen alapuolella ym. Mitä vähemmän tuuli pääsee vaikuttamaan rakennukseen, ja mitä tiiviimpiä seinämät ovat, sitä vähemmän tuuli vaikuttaa rakennuksen energiatalouteen ja lämpöviihtyisyyteen. Kattoon kohdistuva paine on pienempi kuin seiniin kohdistuva. Tuulen vastakkaisella katonlappeella tai tasakatossa esiintyy imua eli ulkopuolista alipainetta. Koneellinen ilmanvaihto ja lämmitys Viime vuosina yleistynyt pientalojen koneellinen ilmanvaihto ja ilmalämmitys asettavat uusia vaatimuksia rakenteiden tiiviydelle. Varsinkin koneellisesti aikaansaatu ylipaine edellyttää seinämärakenteilta (myös alapohjilta) totuttua parempaa ilman- ja kosteudentiiviyttä rakenteiden oikean kosteus- ja lämpöteknisen toiminnan takaamiseksi. Uunilämmitys lisää yleensä huonetilassa alipainetta. Huonetilaan koneellisesti aikaansaatu alipaine imee kylmää ulkoilmaa seinämärakenteiden läpi. Seinämän läpi virratessaan ilma lämpenee, jolloin sen suhteellinen osuus alenee. Näin alipaineen avulla huoneeseen virtaava ilma kuivattaa seinämiä, mikä on seinämän kosteustekniikan kannalta turvallinen ilmanvaihtoratkaisu. Ilman sisäänvirtauksen edellytyksenä ovat tietysti seinämissä esiintyvät epätiiviydet. Asumisviihtyisyyden ja energiatalouden kannalta eivät seinämissä olevat hallitsemattomat epätiiviydet ole hyväksyttävissä. Korvausilma tulee ottaa hallitusti ja mieluimmin hajautetusti vaipan läpi (esim. ikkunalasien välistä), jolloin vältytään esimerkiksi rossipohjaratkaisuissa kylmiltä lattian reunaosilta tai vetoa aiheuttavilta räppänöiltä. Huonetilassa oleva ylipaine varsinkin jos huonetilan ilmastointiin liittyy kostutus asettaa rajoittavien seinämien (myös ala- ja yläpohjien) kosteustekniselle toiminnalle ja tiiviydelle hyvin suuria vaatimuksia, jotta vältyttäisiin kosteusvaurioilta. Koneellinen ilmanvaihto ja ilmalämmitys, samoin kuin kylmät ikkuna- yms. pinnat, aiheuttavat lisäksi tilassa ilmavirtauksia, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti oleskeluviihtyvyyteen ja sitä kautta myös mm. energiankulutukseen. 75
v m/s 0,5 0,4 0,3 0,2 1 2 3 4 5 6 7 0,1 Kuva 5. Koneellisesti aikaansaatu alipaine. 0 18 20 22 24 26 28 30 t C v = ilman enimmäisnopeus t = ilman lämpötila nopeuden mittauspisteessä Kuva 7. Vetokäyrät kuvaavat epäviihtyisyyttä aiheuttavan ilman liikkeen riippuvuutta ilman lämpötilasta Rakentajain kalenteri 2012 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Kuva 6. Koneellisesti aikaansaatu ylipaine. Veto Kuva 8. Ylipaineen aiheuttama ilmavirtaus yläpohjan höyrynsulussa olevan reiän läpi. Veto määritellään yleensä liian voimakkaaksi paikalliseksi lämmönsiirroksi, joka aiheutuu joko ilman liikkeestä, lämpötilasta tai säteilemällä tapahtuvasta läm mönsiirrosta taikka edellä mainittujen yhdistelmistä. Vedontunteen syynä ei ole ilman liikkeestä aiheutuva mekaaninen ärsyke, vaan tunne liittyy paikalliseen lämmönsiirtoon. Vetoon liittyy siis olennaisena osana myös säteilyas ymmetriaan perustuva säteilylämmönsiirto. Vedon tunne riippuu huomattavasti kehon lämpö tasapainon laadusta. Jos ollaan viihtyisyysalueen äärirajoilla, vedon tunne syntyy helpommin, kuin jos ollaan tasapainossa ympäristön kanssa. Vetoisan kohdan syntymiselle huoneessa saattaa olla monia syitä. Oleskeluvyöhykkeelle suuntautuvan ilmavirtauksen nopeus ei saa olla koskaan liian suuri. Ilmavirtauksen tielle osuvat esteet, kuten rakenteet, valaisimet tai huonekalut, aiheuttavat helposti ilmavirran kääntymistä. Liian voimakas ilman liike saattaa syntyä myös huoneen lämpötilasta poikkeavien pintojen vaikutuksesta (kylmät ikkunapinnat, kuumat sydänmuurit). Epäviihtyisyyttä aiheuttavaa ilman nopeutta eri huoneilman lämpötiloissa voidaan arvioida kuvan 7 vetokäyrien avulla. Mitä suurempi on huoneen lämpötila, sitä suurempi saa ilman nopeus olla viihtyisyyden heikentymättä. Jos huonetilassa halutaan säilyttää oleskeluviihtyisyyden ja energiankulutuksen kannalta optimilämpötila (esim. asuinhuoneissa +21 C), ei ilman liike saa ylittää talvella 0,10 m/s sekä kesällä 0,15 m/s. Ilman nopeuden lisäys n x 0,05 m/s edellyttää käy tännössä lämpötilan nostamista n x 1 C, jos halu taan säilyttää sama oleskeluviihtyvyys. 1 C:n lämpötilan nostaminen talvella lisää noin 5 % energiankulutusta. 76
Ilmanpaine ja kosteus Rakennuksen sisä- ja ulkopuolen välillä vallitsevat ilmanpaine-erot ovat voimina vain muutama N/m 2, kun taas vesihöyryn osapaineista rakenteisiin aiheutuvat paine-erot ovat suuruudeltaan useita satoja N/m 2. Ilmanpaine-eroista aiheutuu kuitenkin rakennuksille suurempia kosteushaittoja kuin vesihöyryn osapaine-eroista (diffuusio). Pienistäkin rei istä ja raoista pääsee sisätilassa vallitsevan yli paineen vaikutuksesta virtaamaan suuria ilmamääriä sisältä ulospäin. Lämpimään sisäilmaan sitoutunutta kosteutta kulkeutuu rakenteisiin, missä se saattaa tiivistyä vedeksi. Vastaavasti tilassa vallitsevan alipaineen vaikutuksesta ulkoa sisälle virtaava kylmä ilma kuivattaa lämmitessään rakenteita. Sen sijaan esim. höyrynsulkumuovissa oleva 1 mm:n suuruinen reikä ei juuri vaikuta diffuusion suuruuteen. Suuruus on periaatteessa prosentuaalinen suhde pinta-alaan. Vastaavasti diffuusion ja ilmanpaineen suunta tulee ottaa huomioon mm. kylmätilojen seinämiä suunniteltaessa. Seinämien hyvän kosteusteknisen toiminnan varmistamiseksi rakennukset tulisi aina suunnitella alipaineisiksi. Rakennusten LVI-tekniikka aiheuttaa muutoksia perinteiseen painekuvioon (savupiippuvaikutus) siten, että koko huonetilassa vallitsee joko ylipaine tai alipaine. Viime vuosina yleistyneet pientalojen koneellinen ilmanvaihto ja ilmalämmitys asettavat uusia vaatimuksia rakenteiden tiiviydelle ja kosteustekniselle toiminnalle. Koneellisesti aiheutettu ylipaine (varsinkin yhdessä keinotekoisen ilmankostutuksen kanssa) edellyttää seinämärakenteilta (myös alapohjilta) totuttua parempaa ilman- ja kosteudentiiviyttä rakenteiden kosteus- ja lämpöteknisen toiminnan takaamiseksi sekä vaurioiden välttämiseksi. Rakenteiden kosteuskapasiteetin merkitys vaurioriskin vähentäjänä korostuu erityisesti. Koneellisesti aikaansaatu alipaine (mm. käytettäessä ilmanpoiston tehostamiseksi huippuimuria) pyrkii ottamaan korvausilman kaikkien seinämien kautta, jolloin vähän kosteutta sisältävä ulkoilma kulkiessaan rakenteen läpi ulkoa sisälle lämpenee ja kuivattaa rakenteita. Näin ollen sisäilman kosteudesta aiheutuvien kosteusvaurioiden todennäköisyys poistuu (ks. suhteellinen kosteus). Ilmanvaihto Ilmanvaihdon tarkoituksena on poistaa sisäilmaa pilaavia epäpuhtauksia ja samalla huolehtia riittävästä puhtaasta korvausilmasta. Ihmisen aineenvaihdunnan kuluttaman hapen määrä on niin vähäinen, ettei sillä ole merkitystä ilmanvaihdon mitoituksen kannalta. Aineenvaihdunta tuottaa ilmaan hiilidioksidia (CO 2 ) ja muita epäpuhtauksia. Huoneilman hiilidioksidimäärää voidaan perustellusti pitää ihmi sestä peräisin olevien epäpuhtauksien esiintymisen indikaattorina. Huoneilma on laadultaan tyydyttävää, jos hiilidioksidipitoisuus on alle 2700 mg/m 3 (1500 ppm). Huoneilma tuntuu tunkkaiselta, jos hiilidioksidipitoisuus ylittää tämän määrän. Korvausilman määrän tulisi olla yleensä noin 4 l/s henkilöä kohti, jotta hiilidioksidipitoisuus ei nousisi liiaksi. Ilmanvaihdon kaksinkertaistaminen vähentää epäpuhtauksien määrää noin puoleen. Asuntojen ilman tulee vaihtua kokonaisuudessaan kerran kahdessa tunnissa. Yleensä ulkoilmavirran tulee olla vähintään 0,35 (dm 3 /s)m 2, joka vastaa ilmanvaihtokerrointa 0,5 1/h huoneessa, jonka vapaa korkeus on 2,5 m. Lämpö Lämmön siirtyminen Lämpö on atomien tai molekyylien värähtelyliikettä. Lämpö siirtyy rakenteessa tai tilassa kolmella eri tavalla: johtumalla, säteilemällä ja konvektion avulla (ilmavirtauksen mukana). Johtuminen (konduktio) Johtumisessa molekyylien liike-energia siirtyy molekyylistä toiseen, eli tapahtuu lämmön virtaamista. Lämpö pyrkii tasoittumaan väliaineessa eli virtaamaan lämpimästä kylmempää päin. Lämmön johtumista esiintyy kiinteissä aineissa ja nesteissä. Säteily (emissio) Säteilyssä energia siirtyy sähkömagneettisen aaltoliikkeen välityksellä valon nopeudella. Kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, lähettävät eli emittoivat säteilyä. Eniten lämpösäteilyä emittoi musta kappale. Rakennustekniikassa säteilylämpö esiintyy lyhytaaltoisena auringonsäteilynä ja pitkäaaltoisena kappaleiden säteilemänä lämpönä. Säteilyn aallonpituudella on merkitystä mm. tarkasteltaessa ikkunan lämmönläpäisyä. Ikkunalasi läpäisee hyvin auringon lähettämän lyhytaaltoisen lämpösäteilyn mutta huonosti sisältä ulos pyrkivää pitkäaaltoista säteilyä. Ikkunarakenteissa lämpö siirtyy myös johtumalla ja konvektion avulla. Kun säteily osuu johonkin pintaan, se osittain heijastuu ja osittain absorboituu. Lasissa osa säteilystä menee pinnan läpi. Emissiviteetillä (E) tarkoitetaan pinnan säteilytehon Q s suhdetta mustan pinnan säteilytehoon Q m eli E = Q s /Q m. Säteilytehon yksikkö on W/m 2. 77
Johtuminen Konvektio Säteily Kuva 9. Lämmön siirtyminen ikkunassa. Virtaus (konvektio) Konvektiossa lämpö siirtyy kaasun tai nesteen virtauksen mukana. Konvek tio voi olla pakotettua tai luonnollista. Pakotetussa konvektiossa kaasu tai neste liikkuu jonkin ulkopuolisen voiman vaikutuksesta (esim. tuuli, koneellinen ilmanvaihto, ihmisten liikkuminen). Luonnollisessa konvektiossa taas lämpötilaerojen aiheuttama tiheysero saa aikaan liikkeen. Puhtaasti luonnollista konvektiota esiintyy harvoin. Lämpöä siirtyy lisäksi aineen olomuodon muutoksissa (sulamis- ja höyrystymislämpö) lämpötilan muuttumatta. Tätä lämmön muotoa kutsutaan latentiksi eli piileväksi. Lämmönjohtavuus Lämmönjohtavuus (λ) ilmoittaa lämpövirran tiheyden jatkuvuustilassa pituusyksikön paksuisen tasa-aineisen ainekerroksen läpi, kun lämpötilaero ainekerroksen pintojen välillä on yksikön suuruinen. Yksikkönä on W/mK. Keskimääräinen lämmönjohtavuus (λ 10 ) ilmoittaa aineen lämmönjohtavuuden yksittäisten mittaustulosten aritmeettisen keskiarvon, kun mittaukset on suoritettu +10 C:n keskilämpötilassa. Yksikkönä on W/m K. Normaalisella lämmönjohtavuudella (λ n ) tarkoitetaan rakenteessa olevan lämmöneristyksen suunnittelukäytäntöön tarkoitettua lämmönjohtavuuden laskenta-arvoa, jota käytetään rakenteen lämmönläpäisykertoimen laskennassa samaan tapaan kuin CE-merkittyjen tuotteiden λ design -arvoa. Tällöin edellytetään, että rakenne on lämpötekniseltä kannalta tarkoituksenmukainen ja tehty hyvää rakennustapaa noudattaen niin, ettei siinä esiinny haitallista kosteuden keräytymistä eikä eristävyyttä huonontavia ilmavirtauksia enempää kuin eristyksen toiminnallisessa suunnittelussa on otettu huomioon. Käyttöolosuhteista riippuen samalla eristysaineella voi olla useita λ n -arvoja. λ Delared -arvo on CE-merkityn tuotteen valmistajan ilmoittama eristävyyden arvo. Tämä arvo on ns. laboratorioarvo, jossa ei oteta huomioon tuotteen ilmanläpäisevyyden eikä asennus- ja suojaustapojen vaikutusta. U-arvon laskennassa tulee käyttää λ design -arvoa. Tyyppihyväksytyillä tuotteilla saattaa olla paremmat λ-arvot kuin taulukossa annetut λ n -arvot. Rakennusaineiden normaaliset lämmönjohtavuudet (λn) Rakennusaineiden lämmönjohtavuudet on esitetty RakMK C4, Lämmöneristys, Ohjeet -julkaisussa. Ohjeiden taulukossa λ n -arvot pätevät rakenteiden tavanomaisissa käyttöoloissa Suomessa, kun aine on kuitutiheyden ja muiden tunnusmerkkeinä käytettyjen ominaisuuksien puolesta asetettujen vaatimusten mukainen ja kun ainetta käytetään lämpötekniseltä kannalta tarkoituksenmukaisesti hyvää rakennustapaa noudattaen. Taulukossa lämmöneristeille annetut λ n -arvot koskevat tuotteita, joilla ei ole voimassa olevaa λ n -arvon tyyppihyväksyntää. Jos aineen keskimääräinen kosteuspitoisuus on suurempi kuin taulukossa oleva arvo, suurennetaan λ n -arvoa vastaavasti erikseen tehtävän selvityksen perusteella. Kaikki taulukossa esitetyt teollisesti valmistetut lämmöneristeet ovat joko tyyppihyväksyttyjä tai CE-merkittyjä, jolloin niiden laskennassa käytettävä lämmönjohtavuusarvo on huomattavasti taulukossa esitettyä parempi. Taulukossa mukana olevista CE-merkityistä lämmöneristeistä käytetään laskelmissa λ design -arvoja λ n -arvon sijaan. Lämmönvastus Lämmönvastus (R) ilmoittaa rakenteen eri puolilla olevien isotermisten pintojen lämpötilaeron ja ainekerroksen läpi kulkevan lämpövirran tiheyden suhteen. Yksikkönä on m 2 K/W. Sisäpuolinen ja ulkopuolinen pintavastus (R si ja R se ) ilmoittaa rakennusosan pinnan ja sisä- tai ulkopuolisen ympäristön välisen rajakerroksen lämmönvastuksen. Yksikkönä on m 2 K/W. Lämmönvastus sisältää sekä ainekerroksen lämmönvastuk sen että sen ja jäykän pinnan, lautakerroksen tms., väliin muodostuvan ohuen ilmakerroksen lämmönvastuksen. 78
Ilmakerroksen lämmönvastus R g Tuuletetun ilmaraon lämmönvastusta ei saa ottaa huomioon laskelmissa, ellei ilmakerroksen ja sen ulkopuolella olevan ainekerroksen vaikutusta rakenteeseen ole selvitetty. Pistemäinen lisäkonduktanssi (Χ), W/K ilmoittaa pistemäisestä kylmäsillasta (esim. terässide) aiheutuvan lisäyksen jatkuvuustilassa rakennusosan läpi kulkevaan lämpövirtaan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla olevien ympäristöjen välillä on 1 C. Viivamainen lisäkonduktanssi (Ψ), W/(m 2 K) ilmoittaa rakennusosassa olevan, pituusyksikön mittaisen viivamaisen kylmäsillan (esim. palkki) aiheuttaman lisäyksen jatkuvuustilassa rakennusosan läpi kulkevaan lämpövirtaan, kun lämpötilaero rakennusosan eri puolilla olevien ympäristöjen välillä on yksikön suuruinen. Lämmönläpäisykerroin (U) lasketaan kaavalla: U = 1 / R T R T = rakennusosan kokonaislämmönvastus ympäristöstä ympäristöön. Kun rakennusosan ainekerrokset ovat tasapaksuja sekä tasa-aineisia ja lämpö siirtyy ainekerroksiin nähden kohtisuoraan, lasketaan rakennusosan kokonaislämmönvastus RT kaavalla: R T = R si + R 1 + R 2 +... + R m + R g + R b + R q1 + R q2 +... + R si + R se jossa R 1 = d 1 /λ 1, R 2 = d 2 /λ 2... R m = d m /λ m d 1, d 2,... d m ainekerroksen 1, 2,... m paksuus λ 1, λ 2,... λ m ainekerroksen 1, 2,... m lämmönjohtavuuden suunnitteluarvo, esim. normaalinen lämmönjohtavuus R g rakennusosassa olevan ilmakerroksen lämmönvastus R b maan lämmönvastus R q1, R q2,... R qn ohuen ainekerroksen 1, 2,... n lämmönvastus R si + R se sisä- ja ulkopuolisen pintavastuksen summa. Mikäli tasa-aineisen ainekerroksen paksuus vaihtelee rakenteen tason suunnassa, voidaan paksuutena käyttää keskimääräistä arvoa, kun paikallinen vähimmäispaksuus ei alita keskimääräistä enempää kuin 20 %. Käytännössä U-arvo ei pysy vakiona, vaan se huononee esimerkiksi seinämän kosteuden lisääntyessä ja paranee jäl leen seinämän kuivuessa. Myös rakenteen sisällä oleva läm möneriste saattaa menettää ajan mittaan lämmöneristävyysominaisuuksiaan. Ikkunan lämmönläpäisykerroin Ikkunan valoaukolla tarkoitetaan ikkunan lasi- tai vastaavien ainekerrosten muodosta maa läpinäkyvää aluetta. Ikkunan kehällä tarkoitetaan ikkunaaukon pieliin rajoittuvaa ikkunan avautumatonta karmirakennetta ja siihen saranoin kiinnitettyjä avautuvia puiteosia. Avautumattomassa ikkunassa lasitus kiinnitetään yleensä suoraan karmirakenteeseen, jolloin puiteosa puuttuu kehästä. Kylmäsilta Kylmäsillalla tarkoitetaan lämpöä eristävässä rakennusosassa sellaista kohtaa, jonka lämmön joh tavuus on huomattavasti suurempi kuin ympäröivän rakenteen (esim. lämmöneristeen läpäisevät terässiteet tai betoni). Puu ei muodosta rakenteessa varsinaista kylmäsiltaa. Kylmäsillat lisäävät ylimääräistä lämmönhukkaa raken teen läpi. Kylmäsilta saattaa lisäksi aiheuttaa rakenteen sisällä tai seinämän sisäpinnassa kondensaatiota eli kosteuden tiivistymistä sekä värin muutoksia pinnoitteissa. Tehollinen U-arvo Tehollisella U-arvolla tarkoitetaan rakenteen läpi poistuvan ja sen kautta tulevan energiamäärän eroa (W/m 2 K). Rakennusosalle annettu laskennallinen U-arvo ei aina anna todenmukaista kuvaa ko. rakennusosan kautta tapahtuvasta energiahäviöstä. Varsinkin ikkunan kautta tulee suurimman osan vuotta enemmän energiaa sisälle, kuin mitä energianhukka on ikkunan kautta ulos. L 1,05 P E 1,40 0,66 1,05 Kuva 10. Eräs arvio 3-lasisen erillislasi-ikkunan U-arvon (1,55 W/Km 2 ) muuttumisesta tehollisek si U-arvoksi eri ilmansuunnissa. I 79
Ikkunan tehollista U-arvoa voidaan parantaa mm. suuntaamalla mahdollisimman suuri osa ikkunapinnoista aurinkoisiin ilmansuuntiin. Myös järjestämällä ilman sisäänotto (raitisilmaikkuna) tai poisto (poistoilmaikkuna) ikkunalasien välistä voidaan ikkunan tehollis ta U-arvoa parantaa merkittävästi. Lämpökapasiteetti Lämpökapasiteetilla eli lämmönvaraamiskyvyllä ymmärre tään kappaleen kykyä sitoa ja varastoida itseensä lämpöä. Aineen tilavuuslämpökapasiteettiin vaikuttavat aineen tiheys (S) kg/m 3 ja ominaislämpö (c) kj/kgk. Tilavuuslämpökapasiteetti c/v = S x c (kj/m 3 K) Aineeseen varastoituva (lämpö)energia Q = m x c x ΔT, missä m = aineen massa tai tilavuus c = aineen ominaislämpö /kg tai /m 3 ΔT = lämpötilan muutos. Jos esimerkiksi vesi- ja kivivarastoon halutaan varastoida sama lämpömäärä, tulee kivivaraston olla noin kolminkertainen vesivarastoon verrattuna. Rakenteet, joilla on suuri lämpökapasiteetti, pystyvät varastoimaan itseensä huoneti lan tilapäistä ylilämpöä (auringonsäteily, koneet, ihmiset, eläimet yms.) ja pie nentämään samalla huoneen ilman lämmönnousua. Sisälämpö tilan laskiessa seinämät luovuttavat niihin varastoitunutta lämpöä ja hidastavat ilman lämpötilan laskua. Jos seinä mien lämpökapasiteettia hyödynnetään aktiivisesti esi merkiksi integroiduissa rakenteissa, voidaan saavuttaa myös huomattavaa energiataloudellista säästöä. 2,0 1,0 0-1,0 X XI XII I II III IV Kuva 11. Ikkunan tehollinen U-arvo eri kuukausina. P I E Tehollinen paksuus Rakenteen tehollisella paksuudella tarkoitetaan suurinta ainekerroksen paksuutta, joka valmiissa rakenteessa vai kuttaa aineen tai rakenteen lämmönvarastointiin ja -luo vutukseen. Lämpölaajeneminen Rakenteita suunniteltaessa tulee lämpölaajeneminen ottaa huomioon useimpien materiaali en osalta. Var sinkin pin noilla, joilla esiintyy huomattavia lämpötilan vaihteluja (esimerkiksi vesikatolla vuositasolla jopa lähes 100 oc), tulee raken teiden suunnittelussa ja materiaalien valinnassa aina varmistaa myös niiden lämpötekninen toiminta. Esimerkiksi betonin ja rakenneterästen yhteensopivuus perustuu niiden yhtä suureen lämpölaajenemiskertoimeen. Kosteus Kosteus tarkoittaa kemiallisesti sitoutumatonta vettä kaasumaisessa (vesihöyry), nestemäisessä tai kiinteässä olomuodossa (jäätyneenä). Kosteus ilmoitetaan prosentteina, mikä kuvaa aineeseen sitoutuneen kosteuden massan suhdetta aineen massaan. Kosteuden määrä ilmoitetaan painoprosentteina. Meitä ympäröivä ilma sekä kaikki huokoiset materiaa lit ja rakenteet sisältävät normaalioloissa jonkin verran kosteut ta, jonka määrä riippuu materiaalin ominaisuuksista sekä ympä röivän ilman lämpöti lasta ja kos teudesta. Rakenteisiin saattaa joutua ylimää räistä kos teutta myös rakentami sen ja käytön yhteydessä. Rakennusosien kostuminen, jatkuva kosteus tai kuivumisen pitkittyminen voi aiheuttaa kosteusvaurioita. Pitkään kosteina pysyvissä rakennusosissa voi alkaa kasvaa home- ja lahottajasieniä, hiivoja sekä bakteereja, joita yhteisesti nimitetään mikrobeiksi. Jos rakennusosa on lyhytaikaisesti kostea ja sen jälkeen kuivuu, kostuminen ei aiheuta mikrobien kasvun alkamista. Kosteusvauriot johtuvat yleisesti jaotellen suunnitteluvirheistä tai suunnitelman puutteesta rakennustyössä tehdyistä virheistä puutteista rakentamisen laadun hallinnassa rakennusosien vanhenemisesta ja puutteellisesta huollosta käyttövirheistä. Kosteuslähteet Rakennuksissa ja rakenteissa esiintyvä kosteus esiintyy näkyvänä vetenä, näkymät tömänä vesihöyrynä tai rakenteisiin sitoutuneena rakennekosteutena. 80
Sadevesi on näkyvin rakennusta rasittava kosteuden muoto. Sateen aiheuttama vedenpaine kohdistuu eniten vesikattoon ja muihin vaakapintoihin sekä seinien ulkoverhouksiin. Sade voi esiintyä vetenä, räntänä tai lumena. Sadetyypeis tä kaikkein kastelevin on räntä, joka jää usein pitkäksi ajaksi vaikuttamaan loiville ja vaakasuorille pinnoille. Suomessa yleisin sadetyyppi on ns. pystysade, joka rasittaa pää asiallisesti vaakasuoria ja vinoja pintoja sekä räys täättömissä taloissa myös pys tysuoria seinäpintoja. Seinärakenteiden suunnittelun kannalta tärkeintä on ottaa huomioon viistosade, joka kohdistuu tuulen paineen myötävaikutuksella myös pystysuoriin pintoihin. Viis tosateeseen liittyy aina voimakas tuuli. Yleisimmin viistosade tulee lounaasta. Myös auringon säteilyn aiheuttama rasitus on kaakkois-, etelä- ja lounaissuunnasta suurinta. Se asettaa aina lisävaatimuksia myös ikkunoiden suunnittelulle. Viistosadetta voidaan pitää tärkeimpänä rakennuksen vaippaan kohdistuvana rasitustekijänä ja kosteusvaurioiden aiheuttajana. Sopivan tuulenpyörteen vaikutuksesta sadevesi tai lumi voi nousta myös ylöspäin julkisivuverhouksen ulkopinnassa. pyörteitä viistosade roiskevesi vajovesi Kuva 12. Viistosateen kohdistuminen rakennukseen. Lumen haittavaiku tuksista ovat tärkeim piä katoille aiheutuva kuormitus ja tuulen mukana tuuletusraoista rakenteisiin kulkeutuva lumi. Pohjavesi Pohjavedellä tarkoitetaan sellaista vettä, joka esiintyy pysyvästi maanpinnan alla maa- ja kallioperässä. Pohjavesi on yleensä läheisessä yhteydessä pintaveteen, kuten järviin ja jokiin. Kun pintavesi imeytyy maahan, siitä muodostuu pohjavettä. Pohjaveden pinnan syvyys vaihtelee alueellisesti ja riippuu mm. vuotui sesta sademäärästä, paikalli sesta viemäröinnistä yms. Pohjaveden pinnan kor keus tulee ottaa huomioon mm. rakennuksen perus tussyvyyttä tai kellaritilojen korkeusasemaa määriteltäessä. Rakennuksen kellaritilat tulee aina, jos mahdollis ta, sijoittaa pohjaveden pinnan yläpuolelle. Rakenteellisessa suunnit telussa tulee kosteuden kapillaarinen siirtymi nen huokoi seen aineeseen yleensä estää kapillaa ri suuden katkaisevalla ker millä, muovilla, bitumisivelyillä, riittävän tiiviillä pintaker roksella, puun päätysulkemisella tms. Joskus kapillaarisesta vedenliikkeestä, mm. puurakenteissa, on etua rakenteiden kosteusteknisen toiminnan kannalta. Maaperässä kapillaarivoimat pyrkivät nostamaan vettä pohjaveden pinnan yläpuolelle. Kapillaarisen vedennousun suuruus riippuu maalajin karkeusasteesta. Aineen kosteus Aineessa oleva kosteusmäärä ilmoitetaan tavallisesti kosteuden massan ja kuivan aineen massan välisenä suhteena. Lukuarvo ilmaistaan tavallisesti prosent teina kuivapainosta. Aineen kosteus voidaan ilmais ta myös kosteuden massan ja tilavuuden välisenä suhteena (kg/m 3 = tilavuus- %) tai ns. tasapainokosteuden avulla. Kuva 13. Kapillaarinen vedenliike perustuksissa. 81
Yhtälöstä voidaan johtaa yhteys vesihöyryn osapaineen (pv) ja vesihöyrysisällön (c) välille. c = p v /461,4 A T (kg/m 3 ) ABSORPTIO SORPTIO DESORPTIO Eli vesihöyryn osapaine ja ilman vesi höyrysisältö ovat keskenään suoraan verran nolliset. Rakentajain kalenteri 2012 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Kuva 14. Kosteuden liikkuminen aineessa. Kosteuden liikkuminen aineessa Kosteus liikkuu aineessa ulkoisten voimien vaikutukses ta. Kosteuden kulkeutu mista aineeseen kutsutaan absorptioksi, sen liikkumista aineessa sorptioksi ja poistu mis ta aineesta desorptioksi. Hygroskooppinen kosteus Hygroskooppinen kosteus on kosteutta, jonka sorptio aikaansaa aineessa suhteel lisen kosteuden normaaliar voilla, eli huokoinen aine pystyy sitomaan kosteutta il masta ja luovuttamaan kosteutta ilmaan. Aineen kosteus asettuu tasapainotilaan ympäristönsä kanssa, jol loin sillä on hygroskooppinen tasapainokosteus. Hygroskoop pisuus vaihtelee paljon eri aineilla. Puupohjaisilla aineilla hygroskooppisuus on suuri ja mm. mineraalivilloilla erittäin pieni. Aineen kykyä sitoa ja luovuttaa kosteutta kutsutaan aineen kosteuskapasiteetiksi. Aineen kos teuskapasiteetilla on yleensä suuri merkitys rakenteen kosteusteknisen toiminnan kannalta. Esimerkiksi puuperäisillä lämmöneristeillä, kuten sahan purulla ja puukuitueristeillä, on suuri kosteuskapasiteetti, mikä tasaa kosteuden liikkeitä seinämissä sekä vähentää esim. huonosti tuulettuvan ullakkotilan kosteuspitoisuutta ja samalla myös kosteusvaurion vaaraa. Ilman kosteus Ilman kosteustila voidaan ilmaista vesihöyrymääränä (absoluuttinen kosteus) joko kg/m 3 tai kg/ kg kuivaa ilmaa, vesihöyryn osapaineena (Pa) tai suhteellisena kosteutena (%). Kosteustarkasteluissa keskeinen peruslaki on ns. kaasujen tilan yhtälö pv= m/m x R x T missä p = kaasun (vesihöyryn) paine (Pa) V = kaasun tilavuus (m3) m = kaasun massa (kg) M = kaasun normaalipaino (kg/kmol) R = yleinen kaasuvakio 8314,3 J/kmolK T = lämpötila (K) Absoluuttinen kosteus (kg/m 3 ) Ilman sisältämän vesihöyryn määrä grammoina ilmakuutiometriä kohti ilmoittaa ilman absoluuttisen kosteuden. Mitä lämpimämpää ilma on, sitä suuremman määrän vesihöyryä se voi sisältää. Suhteellinen kosteus RH (%) Rakennustekniikassa ilman kosteudesta yleisimmin käytetty suure suhteellinen kosteus ilmoittaa prosentteina tietynlämpöisen ilman sisältämän vesihöyryn määrän enimmäisvesihöyrymäärästä (g), jonka sen lämpöinen ilma voi sisältää. Kun suurin mahdollinen ilman sisältämä vesihöyrymäärä ylittyy, vesihöyry tiivistyy vedeksi. Suhteellinen kosteus ei siis voi ylittää 100 %:a. Kastepiste ( C) Lämpötilaa, jossa ilmassa oleva vesihöyry muuttuu vedeksi eli kondensoituu, kutsutaan kastepisteeksi. Tällöin ilman kosteus saavuttaa kyllästyskosteuden. Kyllästyspaine (Pa) Kyllästyspaine on suurin vesihöyryn aikaansaama paine tietyssä lämpötilassa. Mitä suurempi lämpötila on, sitä suurempi on kyllästyspaine. Kyllästyskosteus on suoraan yhteydessä kyllästyspaineeseen. Ulkoilman kosteus Ulkoilman kosteussisältö vaihtelee paljon eri vuodenaikoina. Rakennusten ja rakenteiden toiminnan kannalta merkittävintä on ilman kosteussisältö talvi kuukausina. Huolimatta suuresta suhteellisesta kos teudesta (keskimäärin 85 %) on pakkasilman vesi pitoisuus vähäinen, joten huonetilojen korvausil mana käytettävä ulkoilma kuivattaa talvella huoneil maa. Mikäli ilmaa ei kostuteta, saattaa kuiva sisäil ma aiheuttaa pitkänä pakkaskautena ongelmia. Eräiden rakennusmateriaalien, kuten puun, kosteuspitoisuus mukautuu ilman suhteellisen kosteuden mukaan. Pakkaskaudella ulkona olevan puun kosteuspitoisuus on noin 20 %, kun lämmite tyissä tiloissa puu kuivaa 6 8 %:n kosteusasteeseen. Sisäilman kosteus Ihmisen terveyden ja hyvinvoinnin kannalta on si säilman kosteuspitoisuudella suuri merkitys, 82
mikä korostuu varsinkin pakkaskaudella. Korkeat ja al haiset suhteellisen kosteuden arvot ovat aistittavissa tuntemuksina iholla, limakalvolla ja hengityselimis sä. Ihmisen kyky aistia kosteutta on huono, koska varsinaiset kosteudentuntoelimet puuttuvat. Ihminen määrittää kosteuden välillisesti muiden aistien, pää asiassa lämpöaistin, avulla. Erään amerikkalaisen tutkimuksen mukaan 22 % on raja, jota alhaisem man kosteuspitoisuuden ihminen kokee kuivana ilmana. Sisäilman kosteus riippuu huonetilan tuuletukses ta, ulkoilman kosteudesta sekä rakenteellisista ja toi minnallisista kosteuslähteistä. Tavallisimpia kosteuslähteitä ovat ihmisten ja eläinten elintoimintojen tuottama kosteus, kasvit, kylpy- ja pesutoiminnot, ruuanlaitto sekä tuotantoprosessi. Myös uusien raken nusten sisältämä rakennus- ja rakennekosteus ovat huomattavia kosteuslähteitä. Sisäilman suhteellinen kosteus on lämmitetyissä asuinhuoneissa normaalisti talvella 20 40 % ja kesällä 60 80 %. Kovana pakkaskautena kosteus saattaa laskea jopa alle 20 %:in. Terveyden kannalta asuinhuoneen suhteellisen kosteuden optimiarvo on 30 40 %. Kostuttamista tulisi välttää, kun huoneilman kosteus huoneistossa syntyvän tai ulkoilman mukana tulevan kosteuden takia ylittää arvon 7 g vettä/kg kuivaa ilmaa (vastaa huoneilman kosteutta 45 %, kun lämpötila on +21 C). Kuivan ilman haittoja Jos ilman suhteellinen kosteus alenee ja lämpötila nousee, lisääntyy kosteuden haihtuminen. Seurauk sena saattaa olla ihon liiallinen kuivuminen ja väre karvojen toiminnan heikkeneminen, jolloin baktee rien on helppo tunkeutua limakalvojen läpi elimis töön. Myös tekstiilit ja useat muut rakennusmateri aalit haurastuvat. Siitä aiheutuu pölynmuodostusta ilmaan. Lisäksi rakennusaineiden sähkönvastus kasvaa suhteellisen kosteuden laskiessa alle 40 %:n. Tällöin muodostuu staattista sähköä. Hajuaistimusten on todettu olevan voimakkaimpia kuivassa ilmassa. Siksi tiloissa, joissa esimer kiksi tupakoidaan runsaasti, olisi syytä pitää yllä melko korkeaa kosteuspitoisuutta. Suhteellisen kosteuden alentuessa lisääntyy pölyn ja bakteerien kyky leijailla ilmassa. Ihon kuivumisen sekä hiusten ja kynsien haurastumi sen estämiseksi ilman absoluuttisen kosteuden tulisi olla vähintään 3,5g/m 3 eli 20 %:n suhteellinen kos teus +20 C:n lämpötilassa. Kaikki terveysnäkökoh dat huomioon ottaen suhteellisen kosteuden tulee olla kuitenkin aina vähintään 25 %. Kostean ilman haittoja Ilman kosteuden kasvaessa vähenee haihtuminen kehon pinnalta. Tällöin perusaineenvaihdunnasta ja toiminnasta syntyvä lämpö täytyy aina tuulettaa pois iholta. Ilman kosteuden kasvaessa pienenee vaat teiden läpi diffusoituvan kosteuden määrä, vaikka hikoilu pysyy samana tai lisääntyy. Tällöin kosteutta alkaa kertyä vaatteisiin ihon pinnalle. Kosteat vaatteet ovat epämukavia ja lisäävät vilustumisriskiä ulos siirryttäessä. Jos lämpötilan tai kosteuden kohoamisen vuoksi konvektio ja haihtuminen vähenevät ihon pinnalta, kykenee keho osittain korvaamaan sen lisäämällä hikirauhasten toimintaa, eli ihminen hikoilee. Liian korkeat kosteuspitoisuudet vaikuttavat haital lisesti ihmisen oleskelumukavuuteen ja jopa ter veyteen. Lisäksi liiallinen kosteus aiheuttaa mm. metallin korroosiota (kun kosteus on yli 60 %) sekä kondensaatiota rakenteiden sisäpinnassa ja sisällä. Myös monien aineiden, kuten formaldehydin, emissio huonetilaan lisääntyy kosteuden kasvaessa. Kosteus voi liuottaa materiaaleista yhdisteitä ja kuljettaa niitä kuivumissuuntaan. Se voi myös saada aikaan, edistää tai muuntaa kemiallisia reaktioita materiaaleissa taikka niiden osa-aineissa. Se mahdol listaa lisäksi homeiden ja muiden mikroorganis mien kasvun rakennusaineissa sekä mikroorganis mien synnyttämien yhdisteiden muodos- Lämpötila C 30 25 20 15 10 5 0-5 -10 10 20 30 40 50 60 7080 90 100 % suhteellinen kosteus 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Vesihöyryn osapaine Pa N/m 2 Kuva 15. Lämpötilan ja suhteellisen kosteuden vaikutus vesihöyryn osapaineeseen. 83
tumisen. Tällaiset haitalliset kosteusvaikutukset edellyttävät yleensä pitkäaikaista kosteutta ja sopivaa lämpötilaa. Korkea ympäristön lämpötila ja suuri suhteellinen kosteus aiheuttavat yhdessä ongelmia työnteki jöille etenkin prosessiteollisuuden työpaikoilla, pesuloissa, leipomoissa yms. Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteisiin Huone- tai ulkoilman sisältämä kosteus kulkeutuu raken teisiin joko vesihöyryn osapaine-eron aikaansaaman diffuusion muodossa (diffuusion suunta on suurem masta vesi höyryn osapaineesta pienempään) tai rakenteen eri puo lilla vallitsevan ilmanpaine-eron aiheuttaman ilmavir tauksen eli konvektion kuljettamana. Diffuusio Rakennustekniikassa diffuusiolla tarkoitetaan yleensä kosteuden liikkumista vesihöyrynä rakenteen läpi. Lähes kaikki materiaalit läpäisevät tietyn määrän vesihöyryä. Yleisimmin diffuusion suunta on lämpimästä tilasta kylmempään päin. Tärkein diffuusion suuntaan vaikuttava tekijä on tilojen välillä vallitseva ilman kosteusero, eli kosteus pyrkii diffusoitumaan erottavan rakenteen läpi tilaan, jonka ilman vesihöyryn osapaine (yleensä myös absoluuttinen kosteus) on pienempi. Näin ollen saattaa diffuusion suunta olla joskus myös kylmemmästä lämpimään päin, jos kylmemmän tilan kosteuspitoi suus on suurempi kuin lämpimän. Todellisuudessa huokoisten rakennusmateriaalien kohdalla on harvoin kyse puhtaasta diffuusiosta, kun vesihöyry kulkeutuu materiaaliin ja poistuu toiselta puolelta. Materiaalin sisällä osa kosteuden liikettä saattaa olla myös kapillaarista. Jotta estettäisiin vesihöyryn liiallinen tunkeutuminen seinämärakenteisiin ja samalla mahdolliset kosteusvauriot, seinämä tulee suunnitella siten, että lämmöneristeen ja lämpimän sisätilan väliin tulee riittävän vesihöyrytiivis kerros ja seinämärakenteen vesihöyrynvastus pienenee kylmään tilaan päin mentäessä. Nykyaikaisissa seinämärakenteissa diffuusio on yleensä hidasta, eikä se kuivissa tiloissa aiheuta kosteushaittoja, vaikka höyrynsulkumuoveja ei käytettäisikään, jos rakenteet on oikein suunniteltu. Pienet sisäpuolisessa höyrynsulussa olevat reiät eivät sanottavasti lisää diffuusiota mutta kylläkin konvektiota. Luonnollinen vaipan läpi tapahtuva kaasujen vaihto puhdistaa ilmaa ja vähentää ilmanvaihdon tarvetta sekä samalla myös energiankulutusta. Kaasujen osapainelain mukaan kaikki ilmassa olevat kaasut käyttäytyvät erikseen kuten vesihöyry. Esimerkiksi huonetilassa oleskelevat ihmiset kuluttavat happea (O 2 ) ja tuottavat hiilidioksidia (CO 2 ). Jos sisäilmassa on enemmän hiilidioksidia kuin ulkoilmassa, pyrkivät hiilidioksidimolekyylit diffusoitumaan rakennuksen vaipan läpi sisältä ulos, eli rakennuksen vaippa hengit tää. Vaipan hengittäminen on mahdollista vain, jos seinä mässä ei ole liian diffuusiotiiviitä kerroksia, kuten esimerkiksi muovia. Vesihöyryn konvektio Vesihöyryn konvektio tarkoittaa kaasuseoksen (esim. ilman) sisältämän vesihöyryn siirtymistä kaasuseoksen mukana sen liikkuessa kokonaispaineeron vaikutuksesta. Rakennuksessa konvektio on huokoisten ja hyvin ilmaa läpäisevien aineiden sekä rakennusosissa olevien rakojen läpi tapahtuvaa ilman virtausta. Ilmavirtauksia syntyy rakenteen eri puolilla vallitsevan ilman kokonaispaine-eron vaikutuksesta. Huonetiloissa ilmanpainesuhteet vaihtelevat. Kosteutta mukanaan kuljettavaa konvektiovirtausta saattaa esiintyä seinän sisäisenä eli ilman tiheyseroista johtuvana ns. luonnollisena konvektiona tai raken teessa olevien reikien taikka rakojen kautta ilmanpaine-erojen vaikutuksesta tapahtuvana pakotettuna konvektiona. Rakenteiden toiminnan kannalta suurin merkitys on kylmänä vuodenaikana rakojen, hal keamien, reikien yms. läpi sisältä ulos ilmanpaine-erojen vaikutuksesta tapahtuvilla ilmavirtauksilla, jotka voivat kuljettaa mukanaan moninkertaisia kosteusmääriä diffuusioon verrattu na. Tutkimusten mukaan esimerkiksi tasakattovuodoista noin puolet onkin sisäpuolista konvektiokosteuden rakenteisiin kuljettamaa ja siellä tiivistynyttä kosteutta. Kondensoituminen Kondensoituminen tarkoittaa ilmiötä, jossa vesihöyry tiivistyy vedeksi. Tiivisty mi nen voi tapahtua joko rakenteen pinnassa tai sen sisällä, kun ilman suhteellinen kosteus on 100 %. Rakenteissa vesihöyry tiivistyy aina ympäröivää ilmaa kylmemmälle, kovalle pinnalle, jos vesi höyryn kyllästymiskosteus (kastepiste) ylittyy. Diffuusion haittavaikutusten estämiseksi rakenteet tulee tehdä lämpimältä puolelta riittävän vesihöyrytiiviiksi, ja samalla ne tulee suunnitella siten, että rakenteen vesihöyrynvastus pienenee lämpimästä kylmään siirryttäessä. Rakenteen lämpimällä puo lella käytetään yleensä diffuusiotiivistä kerrosta eli höyrynsulkua (muovi, vuorauspaperi, tiivis rakennuslevy tms.). Tiivis kerros estää samalla rakenteen läpi tapahtu vat ilmavuodot ja mahdolliset konvektiokosteudesta aiheutuvat kondenssivauriot. Huonetilas sa vallitseva alipaine vähentää vähän ra- 84
H 2 O CO2 O 2 Kuva 16. Diffuusio. kenteisiin kohdistuvaa vesihöyryn painetta ja kondensoitumisvaaraa. Kirkkaina öinä vesikate, erityisesti peltikate, jäähtyy ulkoilmaa kylmemmäksi, kun lämpöä säteilee siitä avaruuteen. Ilman kosteus voi tiivistyä katteen kylmille ylä- ja alapinnoille, joilta se voi valua ja tippua alaspäin. Vesihöyrynläpäisevyys (kgm/m 2 spa) Vesihöyrynläpäisevyys on aineen ominaisuus päästää lävitseen vesihöyryä. Ns. diffuusio-laskelmissa oletetaan vesihöyrynläpäisevyys vakioksi. Tosiasiassa vesi höyrynläpäisevyys muuttuu aineen kos teuden muuttuessa. Vesihöyrynläpäisevyys on tietyn paksuisen ainekerroksen ominaisuus. Diffuusiolaskelmat voivat perustua joko vesihöyryn osapaine-eroihin tai vesihöyryn sisältöeroihin. On huolehdittava, että laskelmissa käytetään siirtävää voimaa vastaavaa vesihöyryn läpäisevyyttä. Vesihöyrynvastus (m 2 spa/kg) Vesihöyrynvastus tarkoittaa tasapaksun ainekerroksen tai tällaisista muodostuvan tasapaksun kerroksellisen rakenteen pinnoilla eri puolilla vallitsevien vesihöyrypitoisuuksien tai vesihöyryn osapaineiden eron ja ainekerroksen tai rakenteen läpi jatkuvuustilassa pinta-alayksikköä kohti diffusoituvan vesihöyryn suhteen. Vesihöyrynvastus kuvaa siis aineen vesihöyryn virtausta vastustavaa ominaisuutta. Se on tavallaan kään teinen suure vesihöyrynläpäisylle. Varsinkin puupohjaisilla rakennuslevyillä ilman suhteellisella kosteudella on suuri merkitys levyn vesihöyrynvastukseen. Yleisimpien rakennuslevyjen vesihöyrynvastus riippuu erittäin paljon ympäröivän tilan suhteellisesta kosteudesta. Esim. talvella vanerin vesihöyrynvastus on lämmitettävän tilan sisäpuolisena pintaverhouksena jopa 15-kertainen verrattuna saman levyn vesihöyrynvastukseen, kun sitä käytetään ulkoilmaan rajoittuvana tuulensuojana. Myös rakennuspaperien höyrynvastus on kuivissa mittausoloissa (seinän sisäpinta talvella) 3 5-kertainen verrattuna kosteisiin mittausoloihin (tuulensuoja talvella). Määriteltäessä diffuusiokosteuden liikkumista ja mahdollista tiivistymistä raken teissa täytyy tuntea rakenteen eri osien lämpötilat, eri ainekerrosten vesihöyrynvastukset, lämpötiloja vastaavat kyllästymispaineet ja suhteellinen kosteus seinämän molemmilla puolilla. Seinämän kosteusteknisessä tarkastelussa oletetaan vesihöyryn osapaineen muuttuvan samassa suhteessa kuin seinämässä olevien aineker rosten vesihöyrynvastukset. Aineen kosteus Aineessa oleva kosteusmäärä ilmoitetaan tavallisesti kosteuden massan ja kuiva-aineen massan välisenä suhteena. Lukuarvo ilmaistaan joko prosentteina kuivapainosta, kosteuden massan ja tilavuuden välisenä suhteena (kg/m 3 = tilavuus-%) tai tasapainokosteutena. Tasapainokosteus Tasapainokosteudella tarkoitetaan aineessa olevaa kosteusmäärää tietyssä ympäristön kosteusrasitusolosuhteessa ja lämpötilassa. Tasapainokosteus ilmaistaan usein ns. sorptiokäyränä, jossa toisena muuttujana on aineen sitoma kosteus ja toisena muuttujana hygroskooppisessa sorp tiokäyrässä on ilman suhteellinen kosteus (kuva 17) sekä kapillaarisessa sorptiokäyrässä joko ns. kapillaarinen nousukorkeus tai paine. Hygroskooppisella tasapainokosteudella tarkoitetaan aineessa olevaa kosteutta ilman suhteellisen kosteuden ja lämpötilan funktiona. Hygroskooppisen alueen ylärajana on ilman suhteellinen kosteus, noin 98 99 %. Kapillaarisella tasapainokosteudella tarkoitetaan aineen sitomaa kosteutta sen ollessa yhteydessä vapaaseen vedenpintaan. Rakennuskosteus Rakennekosteus on rakennusaineisiin ja -tarvikkeisiin valmistuksen, varastoinnin tai rakentamisen aikana joutunutta ylimää räistä kosteutta. Rakennekosteus saattaa olla uusissa rakennuksissa ongelma. Kastumista voidaan vähentää käyttämällä oikeita suojausmenetelmiä. Merkittävin kosteudenlähde on yleensä muuraus laastissa ja betonin valussa 85
käytetty vesi. Myös raken teista sisäilmaan haihtuva kosteus aikaansaa raken nuskosteuden lisääntymistä. Kosteusvaurioiden välttämiseksi rakenteet tulee suun nitella kosteus teknisesti oikein ja rakennus ja raken teet tuulet taa ja kuivata hyvin ennen rakennuksen käyttöönottoa. Kosteuskapasiteetti Aineen sitoma kosteus, paino-% 30 20 10 Betoni Tiili 0 10 20 40 60 80 100 Ilman suhteellinen kosteus % Kuva 17. Aineen ilmasta sitoma hygroskooppinen kosteus. Kosteus % 90 80 70 60 50 5 6 7 8 9 10 Maalattu Maalaamaton Puu Aika, vrk 24 h keskiarvo (maalattu) 24 h keskiarvo (maalaamaton) Kuva 18. Seinäpintojen kosteuskapasiteetin vaikutus makuuhuoneen ilman kosteuden vaihteluihin (E. Kokko). Kosteuskapasiteetilla tarkoitetaan aineen tai tarvikkeen kykyä sitoa ja luovuttaa kosteutta. Kosteuskapasiteetin merkitys korostuu ennen kaikkea puurakenteissa ja puupohjaisissa rakennustarvikkeissa. Vaikka kosteuden kertyminen puuraken teisiin koetaan kielteisenä ilmiönä, on puuperäisten tuotteiden (rakennuspuutavara, puukuitulevyt, sahanpuru, kutterilastu, puukuitueriste yms.) kyvyllä imeä ja luovuttaa kosteutta suuri merkitys seinämien kosteusteknisen toiminnan kannalta. Seinämien kosteuskapasiteetti tasaa lähinnä vesihöyryn muodossa olevan kosteuden kulkeutumista seinämän läpi, sisälle tai ulos, ja vähentää samalla kosteusvauriovaaraa mm. ulkoseinä-, yläpohja- ja vesikattorakenteissa. Huonetilan pintaverhousten kosteuskapasiteetilla saattaa olla suuri merkitys huoneen ilman kosteuspitoisuuteen. Jo ohutkin puuverhoilu tasaa merkittävästi mm. makuuhuoneen ilman kosteushuippuja, kuten kuvassa 18 näkyy. Puuverhouksen kosteuskapasiteetti toimii aktiivisesti vain, jos verhousta ei ole pinnoitettu esim. tiiviin kalvon muodostavalla maalikerroksella. Pumppausvaikutus Pumppausvaikutus perustuu kaasujen tilan yhtälöön, jonka mukaan ilmamäärän tarvitsema tilavuus vakiopaineessa ja -lämpötilassa on vakio. Tilavuuden ollessa muuttumaton ilma poistuu lämmetessään yläpohjan kautta ja viilenee, kun tilalle tulee ulkoa vastaava määrän viileää ilmaa. Ulos virtaava ilma on lämmennyttä ja sisältää enemmän kosteutta kuin sisälle virtaava kylmä ulkoilma, jolloin syntyy pumppausvaikutus, joka pienentää yläpohjan lämmöneristeen sisältämää vesimäärää. Vuorokau- Kuva 19. Pumppausvaikutus. 86
tisten lämpötilavaihteluiden kasvaessa pumppausvaikutus voimistuu. Tehokkaimmin se toimii suuren kosteuskapasiteetin omaavien puuperäisten lämmöneristeiden yhteydessä. Kosteuden riittävä poistuminen edellyttää myös yläpohjan yläpuolisen ilmatilan riittävää tuuletusta. Pumppausvaikutusta esiintyy myös mm. ulkoseinärakenteissa, joissa on puupohjainen lämmöneriste. Kuumina kesäpäivinä pumppausvaikutus saattaa viilentää rakenteita sekä varsinkin keväällä ja syksyllä kuivattaa lämmöneristeisiin kulkeutunutta kosteutta. Hengittävä rakenne Hengittävällä rakenteella tarkoitetaan rakennetta, jolla on suuri tehollinen kosteuskapasiteetti, mikä vastaa hyvin sisäilmaan tuotetun kosteuskuorman ajalliseen vaihteluun. Käytännössä se tarkoittaa sitä, että kosteuskuormituksen aikana huoneilmasta siirtyy vesihöyryä hengittävään rakenteeseen ja sitoutuu siihen hygroskooppisena kosteutena. Kun huoneilman kosteuskuormitus päättyy, kuivuu huoneilma nopeasti ilmanvaihdon ansiosta. Hengittäviä rakenteita on kaksi perustyyppiä: Rakenne voi koostua vesihöyryn diffuusion läpäisevistä ainekerroksista, jolloin esim. hygroskooppinen lämmöneriste (puukuitupohjainen) on vuorovaikutuksessa huoneilmaan ja sen kosteuteen. Toisessa tyypissä tehollinen kosteuskapasiteetti on suoraan rakenteen sisäpinnassa, jolloin ohut pintakerros on vuorovaikutuksessa huoneilman kosteuden kanssa. Tällaisia tehokkaita pintamateriaaleja ovat esimerkiksi puu ja vaneri. Betonirakenteisen asunnon sisäpintojen osittainenkin verhoaminen puutuotteilla tasaa merkittävästi tilojen vuorokautisia kosteusvaihteluita. Vaipan hengittävät rakenteet mahdollistavat myös hiilidioksidin diffuusion ja tasaavat ilman hiilidioksidipitoisuutta yöaikaan mm. makuuhuoneissa. Hengittävä rakenne ei korvaa ilmanvaihtoa mutta lievittää merkittävästi sen puutteista aiheutuvia haittoja. Huoneilman kosteuteen hengittävällä rakenteella on hallitseva merkitys. Puuverhousten pintakäsittely ei saa estää vesihöyryn imeytymistä puuverhoukseen eikä poistumista siitä. Liian tiivis pintakäsittely estää puun luontaisen hygroskooppisen toiminnan. Materiaalien kosteusliikkeet Huokoisessa aineessa tapahtuvista kosteudenvaihteluista aiheutuu usein myös muodonmuutoksia (pituuden- ja tilavuudenmuutoksia) siten, että kosteuden lisääntyminen aiheuttaa laajenemista ja väheneminen kutistumista. Useimmilla aineilla laajeneminen ja kutistuminen tapahtuvat pääasiassa hygroskooppisella alueella. Käytännössä kosteuden aiheuttama liike on merkittävintä puuperäisillä tuotteilla. Esimerkiksi mäntypuu kutistuu kuivuessaan kasvavasta tuoreesta puusta vedettömän kuivaksi puuksi pituussuunnassa 0,2 0,3 %, tangentin suunnassa 8 % ja säteen suunnassa noin 4 %. Tilavuuskutistuminen on noin 12 %. Ristivanerin, puukuitulevyn ja lastulevyn pinnan suuntainen kutistuminen ja laajeneminen vastaa suurin piirtein puun syiden suuntaista muodonmuutosta. Paksuuden suuntainen kutistuma ja laajenemat ovat huomattavat. Lopuksi Rakennusfysiikka nykymerkityksessä on ollut mukana opetuksessa vajaan 50 vuoden ajan, mutta sen vaikutus rakennusten suunnitteluun on havaittu ratkaisevan tärkeäksi varsinaisesti vasta tämän vuosituhannen puolella. Tällä hetkellä edellytetään vaativien rakennusten suunnittelijoilta riittävää koulutusta ja myös muuta näyttöä rakennusfysiikan hallitsemisesta. Määrällisesti merkittävimpien rakennusten eli omakotirakennusten suunnittelua tämä ei kuitenkaan koske. Vastuu on käytännössä lähinnä työmaan valvojalla. Se ei kuitenkaan yksin riitä. Hyvinkään suunniteltu rakennus ei välttämättä toimi, jos rakentamisen valvoja ei ole ajan tasalla, ja rakentajien työmoraali mahdollistaa ratkaisevien työvirheiden syntymisen. Myös uudistuneet energiamääräykset ja uudet rakennusmateriaalit tuovat mukanaan uusia rakennusfysikaalisia haasteita. Kirjallisuus Björkholtz, Dick: Lämpö ja kosteus, rakennusfysiikka. Rakennustieto Oy, Helsinki 1997. Kokko, Erkki: Hengittävä puukuiturakenne. Fysikaalinen toimintaperiaate ja vaikutukset sisäilmaan. Wood Focus Oy, Helsinki 2002. Kosteus. Määräykset ja ohjeet 1998. Ympäristöministeriö, asunto- ja rakennusosasto. Suomen rakentamismääräyskokoelma C2 (RT RakMK C2-21099). Ympäristöministeriö: Kosteus rakentamisessa Rak- MK C2 opas, Ympäristöopas 51, Helsinki 1999. Siikanen, Unto: Puurakentaminen. Rakennustieto Oy, Helsinki 2008. RT 05-10710, Kosteus rakennuksissa, Rakennustieto Oy, Helsinki 1999. Lappalainen, Markku: Energia- ja ekologiakäsikirja, suunnittelu ja rakentaminen. Rakennustieto Oy, Helsinki 2010. 87
Rakennusten lämmöneristys. Määräykset 2010. Ympäristöministeriö, kaavoitus- ja rakennusosasto. Suomen rakentamismääräyskokoelma C3. Rakennusten lämmöneristys. Ohjeet 2003. Ympäristöministeriö, kaavoitus- ja rakennusosasto. Suomen rakentamismääräyskokoelma C4. Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto. Määräykset ja ohjeet 2003. Ympäristöministeriö, kaavoitusja rakennusosasto. Suomen rakentamismääräyskokoelma D2. Rakennusten energiatehokkuus, Määräykset ja ohjeet 2010, Ympäristöministeriö, kaavoitus- ja rakennusosasto. Suomen rakentamismääräyskokoelma D3. Puurakentaminen Unto Siikanen Rakentajain kalenteri 2012 Rakennustietosäätiö RTS, Rakennustieto Oy ja Rakennusmestarit ja insinöörit AMK RKL ry Kirja käsittelee puurakentamisen perusteita ja materiaaleja kuten puun teknisiä ja fysikaalisia ominaisuuksia, puulajeja, puutuotteita, puun suojaamista, lämmön-, äänen-, ja kosteudeneristystä sekä rakentamismääräyksiä ja palonkestävyyttä. Lisäksi kuvataan puutalon rakenteet perustuksista vesikattoon sekä ulko- ja väliseinistä ulkoverhoukseen. Kirja on tarkoitettu suunnittelijoille käsikirjaksi, korkeakoulujen oppikirjaksi ja kaikille puurakentamisen parissa työskenteleville. Rakennustieto Oy, 2008 978-951-682-862-9 332 s., 42 Tilaukset verkkokaupasta www.rakennustietokauppa.fi Puh. 0207 476 401 88