3 KOSTEUS Tapio Korkeamäki Visamäentie 35 B 13100 HML tapio.korkeamaki@hamk.fi
RAKENNUSFYSIIKAN PERUSTEET KOSTEUS LÄMPÖ
KOSTEUS Kostea ilma on kahden kaasun seos -kuivan ilman ja vesihöyryn Kuiva ilma koostuu typestä (78 til-%), hapesta (21 til-%) ja argonista (1 til-%). Kuivan ilman moolipaino M=28.96 kg/kmol ja vesihöyryn M=18.02 kg/kmol. Mitä enemmän ilmassa vesihöyryä sen kevyempää se on. Vesihöyryn määrää ilmassa ilmaistaan kahdella tavalla vesihöyryn osapaineella (Pa) tai vesihöyryn pitoisuutena (g/ m3). Kyllästyspitoisuus ja kyllästyspaine ilmoittavat tietyn lämpöisen ilman sisältämän vesihöyryn maksimimäärän (joko painona tai paineena). Kyllästyspitoisuus pk = 2.2 g/m3 kun t = - 10 C pk = 4.85 g/m3 kun t= 0 C pk = 17.28 g/m3 kun t = +20 C
KOSTEUS pn=n x 461.4 x T, kun T=lämpötila (K). Tämä yhtälö kertoo vesihöyryn paineen ja pitoisuuden välisen yhteyden. Jos ilmassa on vesihöyryä 6 g/m3 (0.006kg/m3) ja ilman lämpötila t= 20 C on vastaava vesihöyryn osapaine 811 Pa. Jos vesihöyryn määrä kasvaa ollen 12g/m3 ja lämpötila on 20 C on vastaava vesihöyryn osapaine 1622 Pa. Suurin vesihöyrypitoisuus 20 asteisessa ilmassa on 17.28 g/m3 ja sitä vastaa kyllästyspaine 2337 Pa. Tämän maksimipitoisuuden ylittävä vesihöyry tiivistyy vedeksi.
OLOMUODOT Vesi (kosteus) voi esiintyä kolmessa olomuodossa kiintessä (jäänä), nestemäisenä (vetenä) ja kaasumaisena (vesihöyrynä). Olomuodon muutoksessa joko sitoutuu tai vapautuu energiaa. Tiivistyminen ja jäätyminen, energiaa vapautuu Sulaminen ja höyrystyminen, energiaa sitoutuu. Olomuoto voi muuttua suoraan kaasuksi kiinteästä sekä päinvastoin.
KONDENSSI Kondenssin syntymisen ehtona on, että tiivistymiskohdan lämpötila on alhaisempi kuin ohi virtaavan ilman kastepistelämpötila (konvektion kondenssi). Esimerkkinä kylmä ikkunapinta tai kattopelti tai lämpimässä tilassa oleva eristämätön kylmävesijohto. Diffuusio siirtää kosteutta (vesihöyryä) alemman pitoisuuden suuntaan, ympäristöön jossa tätä kosteutta ei kyetä sitomaan (kylmempään tilaan) ja se tiivistyy eli kondensoituu. Vesihöyryä kuljettavana voimana voi olla ilmavirtaus tai osapaineiden ero.
KASTEPISTE Tietyssä lämpötilassa, kastepisteessä, ilma voi sisältää enintään tietyn maksimimäärän vesihöyryä. Tätä vesihöyry- eli kosteusmäärää kutsutaan kyllästyskosteudeksi (Björkholtz). Mitä korkeampi lämpötila sitä suurempi kyllästyskosteus. Joissakin yhteyksissä kastepisteellä tarkoitetaan rakenteen sisällä olevaa kohtaa, jossa vesihöyry tiivistyy vedeksi.
SUHTEELLINEN KOSTEUS Suhteellinen kosteus RH ilmoittaa %-lukuna paljonko kyseisen ilman sisältämä kosteus on sen kyllästyskosteudesta Jos ilman t = 20 C ja n= 8.0 g/m3, niin RH=8.0/17.3x100= 46 % Jos ilman t = 10 C ja n=8.0 g/m3, niin RH=8.0/9.45x100=85 % Lämmin ilma pystyy sitomaan selkeästi enemmän vesihöyryä kuin kylmä ilma!!!!!
ULKOILMAN KOSTEUS Ulkoilman kosteutta mitataan suhteellisena kosteutena (RH-arvolla) ja ilman kosteuspitoisuutena ( g/m3). Talvella ilma on kuivaa (vesihöyryä 1.5 3.0 g/m3) vaikka ilman RH on erittäin korkea ( 80 90 %). Kesällä ilma on selvästi kosteampaa (vesihöyryä 8-11 g/m3) mutta ilman RH on alhaisempi (65 80 %). Ulkoilman kosteus vaikuttaa voimakkaasti sisäilman kosteuteen, koska sisäilman kosteus on ulkoilman kosteus + kosteuslisä. Materiaalien (hygroskooppisten) kosteuspitoisuus on riippuvainen niitä ympäröivän ilman suhteellisesta kosteudesta ei kosteuden absoluuttisesta määrästä. Kylmillään olevat puurakenteet turpoavat talvella. Kylmillään olevan kesämökin ulko-ovea on vaikea avata talvella.
SISÄILMAN LISÄKOSTEUS Sisäilman kosteus muodostuu ulkoilman kosteudesta ja sisäilman kosteuslisästä. Kosteuslisä on riippuvainen kosteuden tuotosta ja ilmanvaihdosta sekä tutkittavan tilan tilavuudesta. n s = n u +G/(n x V) kaava kertoo sisäilman kosteuden kun tunnetaan n u (ulkoilman kosteus g/m3) ja G (kosteuslisä g/h) sekä ilman vaihtoluku ( ilma vaihtuu n kertaa tunnissa) ja huonetilan tilavuus V (m3). Kaava ei sovi hetkelliseen olosuhteen muutokseen. Kosteuslisä toimistorakennuksessa = 2.0 g/m3 Kosteuslisä normaalissa asuinrakennuksessa= 3.0 g/m3 Kosteuslisä ahtaissa huonon ilmanvaihdon huonetiloissa >4.0 g/m3 Kosteutta syntyy ruuanlaitossa, tiskatessa, pyykinpesussa sekä ihmisten ja kotieläinten tuottamana kosteutena. Esimerkkejä kosteista tiloista; paperitehtaat, kirjapainot, elintarviketehtaat ja uimahallit ( erilaiset tropiklandiat).
KOSTEUDEN SIIRTYMINEN DIFFUUSIOssa kosteus siirtyy vesihöyryn osapaineerojen vaikutuksesta alemman pitoisuuden suuntaan. Kukin materiaalikerros vastustaa vesihöyryn siirtymistä lävitseen eli materiaaleilla on niille ominainen vesihöyryn vastus (Z). KONVEKTIOSSA kosteus siirtyy ilmavirran mukana. Virtaus voi olla pakotettu tai luonnollinen. Pakotetun virtauksen saavat aikaan; ilmanvaihto, ihmisen liikkeet ja tuuli. Luonnollinen konvektio esiintyy harvoin. KAPILLAARINEN VIRTAUS esiintyy maaperässä ja rakennusmateriaaleissa. Kapillaarisuudella tarkoitetaan materiaalin kykyä (ollessaan kosketuksissa veden kanssa) imeä vettä itseensä ja kuljettaa sitä. Hienorakeiset materiaalit nostavat vettä korkealle mutta siirtyvät vesimäärät eivät välttämättä ole suuria. PAINOVOIMAINEN VEDEN LIIKE. Pintavesien ja sadevesien kulkeutuminen. TUULENPAINEEN VAIKUTUKSESTA vesi voi liikkua useampaan suuntaan, jopa ylöspäin. g ν = Z =
HÖYRYNSULKU VAIKO ILMANSULKU Monissa kannanotoissa höyrynsulku on tuomittu rakenteita tuhoavana ratkaisuna. On käytetty ilmaisua pullotalo ja varoiteltu kosteudesta, joka saattaa kulkeutua rakenteeseen eikä pääse sieltä pois. Jos rakenne on niin suunniteltu, että sen höyrynvastus vähenee ulospäin mennessä, on rakenteella aina mahdollisuus kuivaa ulospäin. Rakenne toimii!!!!! TTY:n laboratoriossa on tehty kokeita erilaisilla (höyrynsulullisilla ja ilmansulullisilla) seinärakenteilla ja ongelmalliseksi ajankohdaksi on todettu myöhäissyksy. Koetuloksista voitiin havaita että pelkkä ilmansulku selluvillaeristeisessä seinässä ei riittänyt vaan rakenteen ulkopintaan tuulensuojan sisäpintaan tiivistyi kosteutta ja muodostui jäätä. Tätä ilmiötä ei tapahtunut vastaavassa rakenteessa, jossa oli höyrynsulku.