Sisäilmastoseminaari 2007 259 PAINESUHTEET PIENTALOSSA Targo Kalamees 1, Jarek Kurnitski 1, Juha Jokisalo 1, Juha Vinha 2 1 Teknillinen korkeakoulu, LVI-laboratorio, 2 Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennetekniikan laitos. TIIVISTELMÄ Tässä tutkimuksessa selvitettiin kaksikerroksisen puurunkoisen tulo-poisto ilmanvaihtojärjestelmällä varustetun pientalon painesuhteita sekä kenttämittauksien että laskennallisen tarkastelun avulla. Paine-ero ulko- ja sisäilman välille muodostuu sisäilman ja ulkoilman välisestä lämpötilaerosta, tuulesta ja ilmanvaihdon asetuksista. Laskennallisessa tarkastelussa tutkittiin ympäristön, talon ilmanpitävyyden, ilmanvaihtojärjestelmän tasapainotuksen ja vuotopaikkojen jakauman vaikutusta. Tutkituissa tapauksissa rakennuksissa esiintyi sekä yli- että alipainetta mitoittavan paine-eron ollessa vähintään ±10 Pa luokkaa. Paineolosuhteiden hallitseminen ilmanvaihdolla on vaikeaa talon ilmanpitävyyden ollessa keskimääräinen tai hatara. Rakennuksen ilmanpitävyyden ollessa hyvä, ilmanvaihtojärjestelmä tulee tasapainottaa huolellisesti, jotta vältytään haitallisen suurilta paine-eroilta. JOHDANTO Rakenteiden läpi kulkeutuva hallitsematon ilmavuoto vaikuttaa rakenteiden kosteustekniseen toimitaan, energiankulutukseen, ilmanvaihdon hallittavuuteen, sisäilman termiseen mukavuuteen, sisäilman laatuun sekä palotekniseen toimintaan. Ilmavuoto riippuu rakenteiden ilmanläpäisevyydestä ja sisä- ja ulkoilman välisestä paine-erosta. Paine-ero ulko- ja sisäilman välille muodostuu sisäilman ja ulkoilman välisestä lämpötilaerosta, tuulesta ja ilmanvaihdon asetuksista. Paine-ero on erilainen rakennuksen eri osissa. Vesihöyryn konvektion vaikutus rakennuksen (erityisesti kevytrakenteisen) ulkovaipan kosteustekniseen toimintaan on olennaisesti suurempi kuin vesihöyryn diffuusion vaikutus. Rakenteiden sisäinen ylipaine nostaa seinärakenteen kosteustasoa, lisää rakenteen kondensoitumis- ja homehtumisriskiä eikä pitkäkestoista sisäilman vuotamista rakenteisiin voida hyväksyä /1, 2/. Jotta kosteuskonvektio ei aiheuttaisi rakenteisiin pitkäaikaista kosteusrasitusta, rakennus on suunniteltava ulkoilmaan nähden alipaineiseksi. Poistoilmanvaihdon tapauksessa, kun korvausilmaventtiilejä ei ole asennettu, tulee korvausilma asuntoihin vuotoina ikkunoiden, ovien, alapohjan sekä muiden rakenteiden kautta. Suuri alipaine aiheuttaa tiettyihin paikkoihin keskittyneenä vetoa ja radonpitoisilla alueilla radonin kulkeutumista asuntoihin alapohjan vuotoilman mukana. Alipaineistus voi nostaa absoluuttiset itiöpitoisuudet haitallisen korkealle homevaurioituneissa rakennuksissa /3/. Kenttämittauksien /4, 5/ perusteella on myös havaittu selviä viitteitä siitä, että ryömintätilan mikrobit kulkeutuvat sisäilmaan. Jotta paine-erot vähentäisivät radonin ja muiden epäpuhtauksien siirtymistä esimerkiksi ryömintätilasta, pitää rakennuksen rakennusmääräysten mukaan olla ryömintätilaan nähden ylipaineinen. Se puolestaan lisää kosteuskonvektiosta johtuvaa riskiä.
260 Sisäilmayhdistys raportti 25 Yli- ja alipaineen käyttäminen ilmanvaihto- ja rakenneteknisissä sovellutuksissa edellyttää paineolosuhteiden ja paineistuksen vaikutuksen tuntemista rakenteiden kosteuteen. Sisä- ja ulkoilman välinen paine-ero on yksi lähtöarvo rakenteiden lämpö- ja kosteusteknisen toiminnan varmistamiseksi. Jotta rakenteiden rakennusfysikaalisia laskelmia ja laboratoriokokeita tehtaisiin oikeilla lähtöarvoilla, on todellisen paine-eron tunteminen rakenteiden mitoituksen kannalta välttämätöntä. Tässä tutkimuksessa mitattiin puurunkoisen pientalon paineolosuhteita talvella kolmen viikon aikana. Ympäristön, ilmavuotopaikkojen jakauman ja ilmanvaihdon vaikutusta painesuhteisiin tutkittiin laskennallisen tarkastelun avulla IDA-ICE simulointiohjelmalla käyttäen säätietoina Helsingin referenssivuotta (1979). MENETELMÄT Kenttämittaukset Tutkittu pientalo valittiin siten että see kuvaisi mahdollisimman hyvin ilmanvaihtojärjestelmän, ilmanvaihtuvuuden, iän, rakentamistavan, pinta-alan ja asukkaiden lukumäärän osalta Kosteusvarma terve pientalo tutkimusprojektin /6/ sadan puurunkoisen pientalon perusteella määritettyä keskimääräistä pientaloa (Taulukko 1). Kenttämittaukset suoritettiin kaksikerroksisessa pientalossa (kuva 1, vasen) kolmen viikon aikana 4-24.3.2005. Sisä- ja ulkolämpötila sekä suhteellinen kosteus ja paine-ero mitattiin loggereilla viiden minuutin välein. Ilmanvaihtokerroin määriteltiin mittaamalla poistoilmamäärät sekä huonekohtaisesti passiivisella merkkiainemittauksella. Talon ilmapitävyys mitattiin painekoemenetelmällä ja vuotopaikkojen sijainti määriteltiin lämpökamerakuvausten perusteella. Taulukko 1 Tutkimuskohteen ominaisuudet ja vertailu aikaisempaan tutkimukseen. Tutkittu pientalo Kosteusvarma terve pientalo tutkimusprojektin talot Pinta-ala 183 m 2 153 m 2 Tilavuus 452 m 3 386 m 3 Ilmapitävyys n 50 3.9 1/h 3.9 1/h Ilmanvaihto 0.41 1/h, 13 l/(s henk.), 0.29 l/(s m 2 ) 0.38 1/h, 13 l/(s henk.), 0.26 l/(s m 2 ) Kuva 1 Tutkittu pientalo (vasen) ja paine-erojen mittauspisteet (oikea)
Sisäilmastoseminaari 2007 261 Laskennallinen tarkastelu Laskenta suoritettiin tutkitun pientalon kokeellisesti validoidulla IDA-ICE mallilla. /7/. IDA (ICE) on simulointiohjelma, jonka avulla voidaan tutkia rakennuksen eri vyöhykkeiden sisäilmastoa sekä koko rakennuksen energiankulutusta /8/. Herkkyystarkastelussa tutkittiin ympäristön, talon ilmapitävyyden, ilmanvaihtojärjestelmän tasapainotuksen ja vuotopaikkojen jakauman (enemmän vuotoja katon rajalla tai lattian rajalla) vaikutusta. Tutkimuksessa talon ilmavuotoluvulle n 50 annettiin kolme eri arvoa: 0.15, 3.93 ja 10 1/h. Ilmavuotoluku n 50 : 0.15 1/h kuvaa lähes täysin ilmanpitävää taloa, n 50 : 3.9 1/h kuvaa perustapausta ja Suomen puurunkoisten pientalojen keskiarvoa (Vinha et al.) ja n 50 : 10 1/h kuvaa hataraa taloa. Ilmavuotokohtien jakaumaa tarkasteltiin kolmessa tapauksessa: 1. 75 % ilmavuodoista oli talon katon rajassa ja 12.5 % lattian rajassa ja keskitasolla; 2. ilmavuotojen mitattu lähes tasainen jakauma; 3. 75 % ilmavuodoista talon lattian rajassa ja 12.5 % talon katon rajassa ja keskitasolla. Ympäristön ja tuulen vaikutusta tarkasteltiin taajamassa, tasankoalueella ja tuulettomassa ympäristöissä. Laskennallinen perustapaus OKT-1 n4 kuvaa rakennusta, joka on taajamaympäristössä, sen ilmavuotoluku n 50 on 3.9 1/h ja rakennuksen tulo-poisto ilmanvaihtojärjestelmä on tasapainossa. Herkkyystarkastelu sisälsi kaikkiaan 21 koko vuoden laskentatapausta (taulukko 2). Paine-erotulokset laskettiin ensimmäisen kerroksen saunan ja olohuoneen lattian ja katon tasolta, sekä toisen kerroksen lattian ja katon tasolta. Taulukko 2. Laskentatapaukset Ilmanpitävyys n 50 = 0.15 1/h n 50 = 3.93 1/h n 50 = 10 1/h Ympäristö Taajama OKT-1 n0.15 OKT-1 n4 OKT-1 n10 Tasankoalue OKT-2 n0.15 OKT-2 n4 OKT-2 n10 Tuuleton OKT-3 n0.15 OKT-3 n4 OKT-3 n10 Ilmavuotojen Enemmän vuotoja katon sijainti tasolla (75/12.5/12.5%) OKT-4 n0.15 OKT-4 n4 OKT-4 n10 Mitattu jakauma OKT-1 n0.15 OKT-1 n4 OKT-1 n10 Enemmän vuotoja lattian tasolla (12.5/12.5/75%) OKT-5 n0.15 OKT-5 n4 OKT-5 n10 Ilmanvaihtojärjestelmän 15 % vähemmän tuloilma OKT-6 n0.15 OKT-6 n4 OKT-6 n10 Tasapainoinen järjestelmä OKT-1 n0.15 OKT-1 n4 OKT-1 n10 tasapainoisuus 15 % enemmän tuloilma OKT-7 n0.15 OKT-7 n4 OKT-7 n10 TULOKSET Kenttämittaukset Paine-ero toisen kerroksen makuuhuoneen ikkunan yläreunan korkeudella oli mittausjakson aikana maaliskuussa keskimäärin +3 Pa ja ensimmäisen kerroksen saunan ikkunan alareunan korkeudella vastaavasti -4 Pa, (kuva 2, vasen). Kuvassa on esillä myös tuloilman painetaso huonetilaan verrattuna toisessa kerroksessa. Tuloilman painetaso osoittaa, että koko mittausjakson aikana ilmanvaihtokonetta käytettiin pääosin samalla nopeudella ja vain muutamia kertoja suuremmalla nopeudella. Ensimmäisen ja toisen kerroksen paine-eron erotuksen ja sisä- ja ulkolämpötilan erotuksen riippuvuus on esitetty kuvassa 2 (oikea). Kuvaan on myös laskettu teoreettinen lämpötila-
262 Sisäilmayhdistys raportti 25 erosta riippuva paine-eron kuvaaja, joka on laskettu kaavan 1 avulla. Mittaustuloksen poikkeama teoreettisesta käyrästä johtuu ensisijaisesti tuulen vaikutuksesta mittaustuloksen keskimääräisen keskihajonnan ollessa 0.4 Pa teoreettisesta käyrästä. Δ = ρ g H ( T T ) / T, missä (1) ps in in Δ ps paine-ero, Pa; ρ in ilman tiheys, g/m 3 ; g putoamiskiihtyvyys, 9.8 m/s 2 ; H mittauspisteiden korkeusero, m; T in sisälämpötila, C; T out ulkolämpötila, C. out out 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20 04.03 11.03 18.03 25.03 Aika, pp.kk Tuloilma Alak.ikkuna P1 Yläk.ikkuna P2 Paine-ero, Pa Paine-ero ΔP 2 -ΔP 1 [Pa] 10 8 6 4 2 0 10 15 20 25 30 35 40 Lämpötila-ero T s -T u [ o C] Mittaustulos Teoreettinen ΔPh=4.3m Kuva 2. Mitattu paine-ero toisen kerroksen makuuhuoneen ikkunan yläreunan korkeudella ja ensimmäisen kerroksen saunan ikkunan alareunan korkeudella (vasen). Oikeassa kuvassa esillä ensimmäisen ja toisen kerroksen paine-eron erotuksen ja sisä- ja ulkolämpötilan erotuksen riippuvuus. Laskennallinen tarkastelu Kuvassa 3 (vasen) on esitetty koko vuoden tunnittaiset paine-erot ensimmäisestä kerroksesta saunan lattian tasolta ja toisesta kerroksesta katon tasolta perus-laskentatapauksessa (OKT-1 n4). Kuvan perusteella toisen kerroksen katon tasolla makuuhuoneessa on pysyvä ylipaine ja ensimmäisen kerroksen lattian tasolla saunassa pysyvä alipaine. Kuvassa 3 (oikea) on esillä paine-erot talvikuukausien aikana ensimmäisen kerroksen saunan ja olohuoneen lattian ja katon tasolla, sekä toisen kerroksen lattian ja katon tasolla. Rakenteiden rakennusfysikaalisten kuorimien määrittelyssä suositellaan /9/ käytettäväksi 10 % kriittisyystasoa. Tämä tarkoittaa sitä, että enintään 10 % kuormista ovat valittua tasoa suurempia ja 90 % ovat pienempiä. Kymmenen prosentin taso alipaineelle ja ylipaineelle (90 %) on piirretty kuvaan 3 (oikea). Keskimääräinen paine-ero, kymmenen prosentin taso alipaineelle ja ylipaineelle (90 %)ovat esitetty kuvassa 4. Ylipainetta voi esiintyä sekä toisen kerroksen katon ja lattian tasolla, että ensimmäisen kerroksen katon tasolla (välipohjan liitos). Alipainetta voi esiintyä sekä ensimmäisen kerroksen katon ja lattian tasolla, että toisen kerroksen lattian tasolla.
Sisäilmastoseminaari 2007 263 Paine-ero ΔP, Pa 10 8 6 4 2 0-2 -4-6 -8 Saunan lattia -10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 Kuukausi Makuuhuoneen katto Kumulatiivinen prosenttiosuus 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 90% Mediaani 10% 0% -10-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 10 Paine-ero, Pa Saunan katto Makuuhuoneen katto Olohuoneen katto Saunan lattia Makuuhuoneen lattia Olohuoneen lattia Kuva 3 Koko vuoden laskettu paine-ero makuuhuoneen katon ja saunan lattian tasolla (vasen). Talvikuukausien paine-ero ensimmäisen kerroksen saunan ja olohuoneen lattian ja katon tasolla sekä toisen kerroksen lattian ja katon tasolla (oikea). +1.1Pa +1.1Pa +2.7Pa +2.7Pa +4.2Pa +4.2Pa Makuuhuone -1.4Pa -1.4Pa 0Pa Makuuhuone 0Pa Makuuhuone +1.0Pa +1.0Pa -2.7Pa Sauna -6.3Pa Olohuone -2.1Pa -5.9Pa -1.4Pa -4.4Pa -0.6Pa -3.7Pa -0.4Pa Sauna Olohuone Sauna Olohuone -2.5Pa +0.5Pa -1.7Pa Kuva 4 Paine-eron keskimääräinen (keskellä), alempi (vasen) ja ylempi (oikea) 10 % kriittisyystaso talvikuukausina. Taulukko 3. Laskentatulokset Ilmanpitävyys n 50 = 0.15 1/h n 50 = 3.93 1/h n 50 = 10 1/h 10% 90% 10% 90% 10% 90% Ympäristö Taajama -7 +4-6 +4-6 +4 Tasankoalue -11 +8-10 +8-8 +7 Tuuleton -6 +4-5 +4-5 Ilmavuotojen Enemmän vuotoja katon sijainti tasolla (75/12.5/12.5%) -10 +2-9 +2-8 +2 Mitattu jakauma -7 +4-6 +4-6 +4 Enemmän vuotoja lattian tasolla (12.5/12.5/75%) -4 +8-3 +8-3 +8 Ilmanvaihtojärjestelmän 15 % vähemmän tuloilma -33-22 -7 +4-6 +4 Tasapainoinen järjestelmä -7 +4-6 +4-6 +4 tasapainoisuus 15 % enemmän tuloilma +15 +26-6 +5-5 +4 Laskentatuloksien alempi ja ylempi 10% kriittisyystaso on esitetty taulukossa 3. Laskennallinen tarkastelu osoittaa, että paine-eron suunnitteluarvo pitää olla vähintään -+8 Pa ja -11 Pa. Kriittisimmissä tapauksissa (ilmapitävä talo ja tasapainottamaton ilmanvaihto) paine-ero voi nousta +26 Pa ja -33 Pa tasolle. Suuria paine-eroja on havaittu myös aikaisemmissa kenttämittauksissa /10/.
264 Sisäilmayhdistys raportti 25 JOHTOPÄÄTÖKSET Pientaloissa voi olla lähes jatkuvasti lattian korkeudella alipainetta ja katon korkeudella vastaavasti ylipainetta. Välipohjan tasolla voi olla joko alipainetta tai ylipainetta. Mitoittava paine-ero on vähintään +8 Pa ja -11 Pa luokkaa. Kriittisimmissä tapauksissa (ilmanpitävä talo ja tasapainottamaton ilmanvaihto) paine-ero voi nousta jopa +26 Pa ja -33 Pa tasolle. Tuuli lisää paine-erojen huippuja, mutta keskimäärin erot ovat pienempiä. Paineolosuhteiden hallitseminen ilmanvaihdolla on vaikeaa talon ilmanpitävyyden ollessa keskimääräinen tai hatara (n 50 > 4 1/h), tällöin 15% ilmamäärien yli- tai alimitoituksella ei ole merkitystä. Ilmanpitävyydeltään hyvän talon ilmanvaihto tulee tasapainottaa huolellisesti, jotta vältytään haitallisen suurilta paine-eroilta. Jatkotutkimuksessa tulee tarkistaa ilmaston (eri vuosien ja eri paikankuntien tarkastelu) vaikutusta, ilmavaihtokertoimen vaikutusta, tuulen suunnan vaikutusta ja mitoituspaine-eron riippuvuutta ulkolämpötilasta, tuulesta ja ilmanvaihtotavasta. KIITOKSET Artikkeli perustuu kahdesta eri tutkimushankkeesta: Interaction of building envelope and ventilation system in controlling of contaminants and moisture convection in building envelope ja Asuinrakennusten ilmanpitävyys, sisäilmasto ja energiatalous saatuihin tietoihin. Tutkimuksien rahoittajina ovat olleet Suomen Akatemia (grant 210683) ja TEKES sekä tutkimukseen osallistuvat yritykset. Kiitämme kaikkia työhön osallistuneita henkilöitä ja rahoittajia heidän panoksestaan tutkimuksen toteuttamisessa. LÄHDELUETTELO 1. Vinha, J., Käkelä, P. (2001) Vesihöyryn siirtyminen seinärakenteissa diffuusion ja konvektion vaikutuksesta. Julkaisu 96, 3. painos, Tampere, Tampereen teknillinen yliopisto, Talonrakennustekniikka, 81 s. + 29 liites. 2. Kokko, E., Ojanen, T., Salonvaara, M., Hukka, A., Viitanen, H. (1999) Puurakenteiden kosteustekninen toiminta. VTT tiedotteita 1991 3. Rantamäki, J., Kääriäinen, H., Tulla, K., Viitanen, H., Kalliokoski, P., Keskikuru, T., Kokotti H., Pasanen, A-L. (2000) Rakennusten ja rakennusmateriaalien homeet. VTT Tiedotteita: 2030. VTT Rakennustekniikka, Espoo. 40 s. + liit. 6 s. 4. Airaksinen, M., Pasanen, P., Kurnitski, J., Seppänen, O. (2004) Microbial contamination of indoor air due to leakages from crawl space: a field study. Indoor Air, 14, (1): 55-64. 5. Mattson, J., Carlson, O.E. and Engh, I.B. (2002) Negative influence on IAQ by air movement from mould contaminated constructions into buildings, Proceedings of Indoor Air 2002, Vol. 1, Monterey, CA, USA, 764 769. 6. Vinha, J., Korpi, M., Kalamees, M., Eskola, L., Palonen, J., Kurnitski, J., Valovirta, I., Mikkilä, A., Jokisalo, J. (2005) Puurunkoisten pientalojen kosteus- ja lämpötilaolosuhteet, ilmanvaihto ja ilmatiiviys. Tutkimusraportti 131. Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennetekniikan laitos. 7. Jokisalo, J., Kurnitski, J., Kalamees, T., Eskola, J., Jokiranta, K. (2007) Ilmanpitävyyden vaikutus vuotoilmanvaihtoon ja energiakulutukseen pientaloissa. Sisäilmastoseminaari 2007 8. Vuolle, M. and Sahlin, P. (2000) IDA indoor climate and energy - a new-generation simulation tool. Proceedings of Healthy Buildings 2000, Vol. 2, 523-528. 9. Sanders, C. (1996) Environmental conditions. Final Report, Volume 2, Task 2. IEA Annex 24 Heat, Air and Moisture Transfer in Insulated Envelope Parts, Belgium, K.U.-Leuven, 1996. 10. Kurnitski, J., Kettunen, A-V., Matilainen, M., Smolander, J., Sääksvuosi, P. (1998) Ryömintätilan tuuletus ja kosteuskäyttäytyminen, Teknillinen korkeakoulu, LVI-tekniikan laboratorio. Raportti B59. Talonrakennustekniikan laboratorio. Julkaisu 88. 213 s. 11. Kurnitski, J., Kettunen, A-V., Matilainen, M., Smolander, J., Sääksvuosi, P. (1998) Ryömintätilan tuuletus ja kosteuskäyttäytyminen, Teknillinen korkeakoulu, LVI-tekniikan laboratorio. Raportti B59. Talonrakennustekniikan laboratorio. Julkaisu 88. 213 s.