KOULUJEN SISÄILMA JA ENERGIATALOUS Kalle Karjalainen Pirjo Kimari TAKE HUHTIKUU 1999
2 TIIVISTELMÄ Tutkimuksessa selvitettiin koulurakennusten ilmanvaihdon korjausratkaisuja ja toteutusprosessia 14 tutkimuskohteessa. Sisäilman laatua ja ilmanvaihdon toimivuutta tutkittiin sekä mittauksin että opettajille suunnatuin kyselyin ennen korjausrakentamista ja korjausrakentamisen jälkeen. Korjausratkaisut, niiden kustannukset, vaikutukset energia-talouteen ja sisäilman laatuun analysoitiin. Koulujen mitattu sisäilman laatu parani ilmanvaihdon korjausrakentamisen myötä oleellisesti. Kun ennen korjausta koulujen enimmäishiilidioksidipitoisuudet vaihtelivat välillä 1 200 2 400 ppm, niin korjauksen jälkeen mitatut enimmäishiilidioksidipitoisuudet olivat yhtä tutkimuskohdetta lukuun ottamatta kaikissa kohteissa alle 1 250 ppm. Ennen korjausrakentamista painovoimaisella ilmanvaihdolla varustettujen koulujen enimmäishiilidioksidipitoisuudet alenivat keskimäärin 850 ppm. Ilman lämpötilat olivat ohjearvoja korkeampia sekä ennen korjausrakentamista (keskiarvo 23 C) että korjausrakentamisen jälkeen (keskiarvo 22 C). Lämmitysverkostoa ei ollut ehditty kaikissa kohteissa säätää ennen korjauksen jälkeisiä mittauksia. Koettu ilman laatu parani kohteissa korjauksen jälkeen opettajien antamien arvioiden mukaan 6,5:stä 7,9:aan. Ilmanvaihdon korjauksen suunnitelmissa oli puutteellisesti määritelty konekomponenttien tehojen arvoja ja niissä oli kiinnitetty melko vähän huomiota ilmastointilaitoksen mitattavuuteen. Urakka-aikataulut olivat yleensä liian tiukat, kanaviston tiiveyskokeita tehtiin melko harvoin ja toimintakokeet tehtiin liian myöhään urakan vastaanottoon nähden. Sisäilmastotavoitetta ei suunnitelmissa ollut asetettu eikä sitä myöskään mitattu korjauksen valmistuttua. Koulujen lämmitysenergiankulutus kasvoi keskimäärin 12 % mikä selittyy sisäilman laadun ylläpitämiseksi tarvittavan ilmanvaihdon määrän lisäyksestä. Sähköenergian kulutus kohosi koekohteissa ilmanvaihtokorjauksen myötä keskimäärin 34 %. Sähköenergian kulutusta lisää ilmanvaihtokoneiden sähkön kulutus. Ilmanvaihtourakan keskimääräiset kustannukset olivat 533 mk/m 2 ja vaihteluväli oli 213 1 362 mk/m 2 riippuen korjauksen laajuudesta ja toteutustavasta. Kustannuksia tarkasteltiin myös laskennallisesti kolmelle erikokoiselle kuvitellulle koululle. Laskennallisesti tarkastellen ilmanvaihdon kustannukset olivat 375 mk/m 2, ilmanvaihdon rakennustekniset työt 50 mk/m 2 ja sähkötyöt 15 mk/m 2.
ABSTRACT The purpose of this study was to investigate solutions for renovation processes in the ventilation of fifteen school buildings. The quality of indoor air as well as the operation of ventilation were studied. Both measurements and questionnares to teachers were used before and after the renovation work. Solutions for renovation, their costs and effects on energy economy and the quality of indoor air were analyzed. The quality of the indoor air measured in the school buildings was essentially improved as the renovation work proceeded. As the contents of carbon dioxide in the school buildings ranged between 1,200-2,400 ppm before the renovation work, so after that the contents of carbon dioxide were under 1,250 ppm in the maximum in all the school buildings with only one exception. Before the renovation work the maximum carbon dioxide contents in the school buildings furnished with natural ventilation were decreased 850 ppm in the average. The air temperatures were higher than recommended both before the renovation work (23 C in the average) and after that ( 22 C in the average). The heating network was not balanced in all the school buildings before the measurements were made after the renovation work. In the estimates given by the teachers working in these school buildings the quality of the air was experienced to be improved from school grade 6.5 to 7.9. In the plans concerning the renovation of ventilation, only few performance values of machine components were defined and little attention was paid to the measurability of the ventilation plant. Timetables concerning the contract were usually too tight, tests for checking the tightness of ducting were done quite seldom as well as the operational tests were performed late as to the acceptance of the contract. No goal for the indoor climate was set in the plans nor was it measured after the work was completed. Energy consumption in the school buildings was increased about 12 %. The increase in the consumption of heating energy was due to the increase in the quantity of ventilation needed to maintain the quality of the indoor air. The consumption of electrical energy was increased about 34 % in the average in the buildings tested after the renovation.
2 The increase in the consumption of electrical energy is also affected by the consumption of electricity of the ventilation machines. The average costs of the ventilation contract were 533 FIM/m 2 and the range of the costs was 213 FIM/ m 2-1,362 FIM/ m 2, depending on the extension of the renovation and the means of making it.the costs were also estimated for three imaginable schools of different sizes. In the calculations the costs were as follows; ventilation 375 FIM/ m 2, construction 50 FIM/ m 2 and electrical work 15 FIM/ m 2.
ESIPUHE Tämä raportti on yhteenveto Koulujen sisäilma ja energiatalous tutkimuksesta. Tutkimus kuuluu Tekesin Terve talo teknologiaohjelmaan. Tutkimuksesta julkaistut muut raportit ovat Koulujen ilmanvaihdon korjausratkaisut, jossa kuvataan korjausrakentamiseen soveltuvia ilmanvaihtoratkaisuja ja Koulujen ilmanvaihdon perusparantaminen, jossa kuvataan korjausrakentamisprosessin läpivientitapaa. Tämä yhteenvetoraportti toimii perusteluosana näille edellä mainituille raporteille. Lisäksi tämän tutkimuksen aineistosta on julkaistu seuraavat Oulun teknillisen oppilaitoksen insinöörityöt: Koulujen sisäilmaston tila, Oulujoen ala-asteen ilmanvaihdon perusparannus, Jokikylän koulun ilmanvaihdon perusparantaminen, Kaanaan ala-asteen ja Vaulammin kyläkoulun ilmastoinnin perusparannus sekä Oulun seudun ammattikorkeakoulun terveysalan opinnäytetyö Sisäilman laatu ja terveys. Koulujen sisäilma ja energiatalous tutkimus on tehty Oulun seudun ammattikorkeakoulun tekniikan yksikössä. Tutkimuksen ovat rahoittaneet Teknologian kehittämiskeskus, Tekes ja seuraavat Suomen Ilmateknillisen Toimialayhdistyksen jäsenyritykset: ABB Fläkt Oy, Halton Oy, Koja yhtiöt, Lindab Oy, LVI-Parmair Oy, Swegon Oy ja Vallox Oy. Tutkimusta ohjanneen johtoryhmän kokoonpano on ollut seuraava: erikoistutkija Ilmari Absetz (Teknologian kehittämiskeskus), yli-insinööri Ritva Kivi (opetushallitus), tuotepäällikkö Kaj Karumaa (ABB Fläkt Oy), yli-insinööri Esko Kukkonen (ympäristöministeriö), myyntipäällikkö Markku Mattila (Oy Lindab Ab), myyntipäällikkö Jussi Merilä (Halton Oy), projekti-insinööri Matti Niinisaari (Vallox Oy), myyntijohtaja Seppo Niemi (LVI-Parmair Oy), tutkimuspäällikkö Jorma Railio (Suomen Ilmateknillinen Toimialayhdistys), rakentamistalousinsinööri Jorma Ruokojoki (Suomen Kuntaliitto), tuotepäällikkö Johan Rönnblad (Oy Swegon Ab), pääsihteeri Tuomo Sirkiä (Suomen Arkkitehtiliitto, SAFA), diplomi-insinööri Ulla Soitinaho (Helsingin kaupungin rakennusvirasto), ylilääkäri Jorma Tikkanen (sosiaali- ja terveysministeriö), asiamies Pekka Tuunanen (Suomen Ilmateknillinen Toimialayhdistys), toimitusjohtaja Esko Tähti (Suomen Talotekniikan Kehityskeskus Oy) ja markkinointipäällikkö Kari Äärinen (Koja-yhtiöt). Tutkimuksen vastuullisena johtajana on toiminut TkL Pirjo Kimari ja tutkijoina LVI-insinööri Kalle Karjalainen ja LVI-insinööri Martti Rautiainen sekä opiskelijat Marko Pihlajakoski, Heikki Karjalainen, Juha Ahola, Pentti Säkkinen, Tuula Jokiranta ja Tarja Korkiakoski.
TIIVISTELMÄ ABSTRACT ESIPUHE SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 1 2 KOULURAKENNUSKANTA... 2 3 KOULUJEN SISÄILMASTO AIEMMIN TEHTYJEN TUTKIMUSTEN JA OULUN KOULUISSA SUORITETUN KARTOITUKSEN VALOSSA... 6 3.1 Koulujen sisäilman laatuvaatimukset... 6 3.2 TKK:n LVI-laboratorion koulujen sisäilmaa koskevat tutkimukset... 7 3.3 Oulun kaupungin koulujen sisäilmakartoitus... 11 4 TUTKIMUSKOHTEET... 14 5 KOULUJEN SISÄILMASTO JA ILMANVAIHDON TOIMIVUUS ENNEN KORJAUSTA... 17 5.1 Sisäilmasto- ja ilmavirtamittaukset... 17 5.2 Kysely... 22 6 KOULUJEN ILMANVAIHDON KORJAUSRATKAISUT JA KORJAUKSEN TOTEUTUSPROSESSI... 27 6.1 Korjausratkaisut... 27 6.2 Ilmanvaihtosuunnitelmat... 27 6.3 Urakointivaiheen toteutus... 29 6.4 Kanaviston puhdistus ja ilmavirtojen säätö... 32 7 KOULUJEN SISÄILMASTO JA ILMANVAIHDON TOIMIVUUS KORJAUKSEN JÄLKEEN... 33 7.1 Sisäilmasto- ja ilmavirtamittaukset... 33 7.2 Kysely... 37 8 KOULUJEN ENERGIATALOUS... 41 9 ILMANVAIHDON PARANTAMISEN AIHEUTTAMAT KUSTANNUKSET... 43 9.1 Kohteiden ilmanvaihtokorjausten aiheuttamat kustannukset... 43 9.2 Koulujen ilmanvaihdon laskennalliset kustannukset... 44 9.2.1 Hankintakustannukset... 44 9.2.2 Käyttökustannukset... 46 9.2.3 Hankinta- ja käyttökustannusten nykyarvo... 47 10 YHTEENVETO... 48 LÄHTEET... 53 KIRJALLISUUTTA... 55 LIITTEET
1 JOHDANTO Suomessa on noin 6000 koulurakennusta, joissa viettää aikaansa yli 700 000 ihmistä useita tunteja vuorokauden aikana. Suuri osa näistä rakennuksista ei täytä terveellisen ja viihtyisän sisäilmaston vaatimusta (Kurnitski & al. 1996a s. 43.) Jotta sisäilmaston terveellisyys taattaisiin, tulisi näissä puutteellisissa tapauksissa ilmanvaihtojärjestelmä säätää, uusia osittain tai uusia kokonaan. Koulujen ilmanvaihdon parantamista vaikeuttavat monet syyt. Kiinteistöjen omistajilla ja käyttäjillä on usein hyvin puutteelliset tiedot sisäilmasto-ongelmista ja niiden ratkaisumahdollisuuksista. Myös ilmanvaihtolaitteistojen uusimisen ja korjaamisen kustannukset pelottavat. Edelleen kartetaan tehokkaiden ilmanvaihtolaitteiden käyttökustannuksia. Koulujen ilmanvaihdon perusparantamiseksi on tarjottava kokonaisratkaisuja, jotka perustuvat selvitettyihin ja mitattuihin tietoihin saavutetusta sisäilman laadun parantumisesta sekä ratkaisujen aiheuttamista hankinta- ja käyttökustannuksista. Koulujen sisäilma ja energiatalous -tutkimushankkeen tavoitteena on ollut luoda konkreettiset mallit ja toimenpideohjeet koulujen sisäilmaongelmien ilmateknisille ratkaisuille. Rakennustekniikan vaikutus sisäilmaan on pyritty ottamaan huomioon, mutta siihen ei ole panostettu tässä hankkeessa. Tutkimuksessa kartoitettiin eri aikoina rakennetun koulurakennuskannan laajuutta ja LVI-teknisiä järjestelmiä. Koulujen sisäilman laatua selvitettiin sekä aiemmin tehtyjen tutkimusten perusteella että kartoittamalla Oulun kaupungin koulurakennuskannan sisäilman laatua mittauksin. Ilmanvaihdon korjausratkaisuja ja korjausten toteutusprosessia selvitettiin 14 tutkimuskohteessa. Sisäilman laatua ja ilmanvaihdon toimivuutta tutkittiin sekä mittauksin että opettajille suunnatuin kyselyin ennen korjausrakentamista ja sen jälkeen. Korjausratkaisut ja niiden kustannukset sekä vaikutukset energiatalouteen ja sisäilman laatuun analysoitiin.
2 2 KOULURAKENNUSKANTA Suomessa oli vuonna 1995 Tilastokeskuksen tietojen mukaan 8945 opetusrakennusta, joiden yhteenlaskettu kerrosala oli 15 069 402 m 2 (Tilastokeskus 1996). Suurin osa niistä on rakennettu 1950-luvulla, jonka jälkeen rakentaminen on tasaisesti vähentynyt. Kuvassa 1 on esitetty eri vuosina rakennettujen opetusrakennusten lukumäärä ja kerrosala. 2 500 3 500 000 2 000 2 064 Lukumäärä Kerrosala 3 000 000 2 500 000 Lukumäärä [kpl] 1 500 1 000 1 222 1 111 1 279 1 068 1 022 2 000 000 1 500 000 Kerrosala [m2] 1 000 000 500 375 382 422 500 000 0-1920 1921-1939 1940-1949 1950-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990- Tuntematon Rakentamisvuosi 0 Kuva 1. Opetusrakennusten ikäjakauma ja keskimääräiset kerrosalat.
3 Kuvassa 2 on esitetty opetusrakennusten jakautuminen kerrosalan perusteella. Siitä nähdään, että lukumääräisesti eniten on pieniä, alle 1000 m 2 :n rakennuksia. 2000 1800 1600 1626 1786 1727 1400 Lukumäärä [kpl] 1200 1000 800 600 400 200 1121 684 878 401 160 165 397 0-299 300-499 500-999 1000-1999 2000-2999 3000-4999 5000-6999 7000-8999 9000 - Tuntematon Kerrosala [m2] Kuva 2. Opetusrakennusten jakauma kerrosalan perusteella. Opetusrakennusten kantavien rakenteiden pääasialliset rakennusmateriaalit on esitetty kuvassa 3. Yleisimmät rakennusmateriaalit ovat puu, betoni ja tiili. Lukumäärä [kpl] 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 4303 2441 1693 395 113 Puu Betoni Tiili Teräs Muu Rakennusmateriaali Kuva 3. Opetusrakennusten rakennusmateriaalit.
4 Yleisin lämmitystapa opetusrakennuksissa on vesikeskuslämmitys (83 %). Kuvassa 4 on esitetty lämmitystapojen jakauma. Opetusrakennuksia oli tilastossa yhteensä 8 945, joista 41:ssä ei ollut kiinteää lämmityslaitetta ja 197:stä puuttui tieto. 100 % 90 % 80 % 83 % 95 % lukumäärä kerrosala Prosenttiosuus [%] 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 10 % 2 % 4 % 1 % 1 % 1 % Vesikeskuslämmitys Suora sähkölämmitys Uuni- ja kaminalämmitys ilmakeskuslämmitys Lämmitystapa Kuva 4. Opetusrakennusten lämmitystavat Yleisimmät lämmönlähteet olivat kaasu ja öljy, joilla lämmitettiin yhteensä 43 % kaikista opetusrakennuksista. Suurin osa yhteenlasketusta kerrosalasta lämmitetään kaukolämmöllä. Öljy on siis pienten, taajamien ulkopuolella sijaitsevien koulujen lämmönlähde, kun taas kaukolämpö on suurten koulujen pääasiallinen lämmönlähde. Lämmönlähteiden jakauma opetusrakennuksissa on esitetty kuvassa 5. Prosenttiosuus [%] 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 43 % 29.8 % 32.3 % Öljy, kaasu 63.1 % kauko-, aluelämpö Lukumäärä kerrosala 11.5 % 10.0 % 2.8 % 3.0 % 0.2 % 0.1 % 0.1 % 0.1 % Sähkö Puu Kivihiili, koksi Turve Lämmönlähde Kuva 5. Opetusrakennusten lämmönlähteet.
5 Tilastokeskuksen tietojen mukaan koneellisella ilmanvaihdolla oli varustettu 3010 opetusrakennusta. Tällöin painovoimaisen ilmanvaihdon rakennusten määräksi jäisi jopa 5935 eli 2/3 kokonaismäärästä. Vastaava kerrosala on noin 9 milj. m 2. On mahdollista, että osa näistä painovoimaista ilmanvaihtolaitoksista on jo korjattu koneellisiksi ilmanvaihtolaitoksiksi, mutta tilastoihin tietoa ei ole korjattu. Tätä tukee kyselytutkimus (Kurnitski J. & al. 1996a), joka kattoi noin neljäsosan Suomen kouluista. Kyselytutkimuksessa ilmanvaihtojärjestelmien jakauma oli seuraava: painovoimainen ilmanvaihto 10 %, koneellinen poisto 26 %, koneellinen tulo ja poisto 47,7 %, kaksi tai useampia ilmanvaihtojärjestelmiä 14,9 %, ilmanvaihtojärjestelmä tuntematon 1,4 %.
6 3 KOULUJEN SISÄILMASTO AIEMMIN TEHTYJEN TUTKIMUSTEN JA OULUN KOULUISSA SUORITETUN KARTOITUKSEN VALOSSA 3.1 Koulujen sisäilman laatuvaatimukset Sisäilmastoa koskevia viranomaisohjearvoja on esitetty Suomen rakentamismääräyskokoelman (RakMK) osassa D2 Rakennusten sisäilmasto ja ilmanvaihto. RakMK:n määräykset ja ohjeet määrittävät vähimmäisvaatimustason uudisrakentamisessa. Nykyisin voimassa olevan RakMK:n osan D2 ohjearvot koskevat rakennuksia, joiden rakennuslupa on haettu 1.1.1988 jälkeen. Ohjeiden mukaan hiilidioksidipitoisuuden tulee alittaa arvo 2 500 ppm, josta ihmisperäisen hiilidioksidin osuus on enintään 1 500 ppm. Ilman lämpötilan ohjearvo lämmityskaudella luokkahuoneissa ja päiväkodeissa on 21 C ja sen vaihtelurajat ± 1 C. Suhteelliselle kosteudelle ei raja-arvoja ole annettu. Luokkatilojen ilmavirran ohjearvoksi on esitetty 6 dm 3 /s, hlö. RakMK:n osassa D2 on esitetty ohjearvoja myös vedolle, operatiiviselle lämpötilalle sekä äänitasolle. Terveydensuojelulain perusteella sosiaali- ja terveysministeriö on oppaassaan Sisäilmaohje (Sisäilmaohje 1997) määritellyt kouluja ja päiväkoteja koskevia sisäilman ohjearvoja. Ohjearvot koskevat koko olemassa olevaa koulurakennuskantaa. Sosiaali- ja terveysministeriön oppaassa määritelty tyydyttävä taso vastaa rakentamismääräyskokoelmassa määriteltyä tasoa. Välttävän tason alittaminen voi aiheuttaa terveyshaittaa. Huoneilman laatua voidaan pitää tyydyttävänä, kun ilman hiilidioksidipitoisuus on alle 1 500 ppm. Ilmanvaihdon ohjearvojen osalta opas viittaa RakMK:n ohjeisiin. Huoneilman lämpötilan tyydyttävä arvo on 21 C ja välttävä arvo 20 C. Ilman lämpötila ei saisi kohota yli 26 C, ellei se johdu ulkoilman lämpimyydestä. Sisäilmayhdistyksen, Suomen Rakennuttajaliiton, Suomen Arkkitehtiliiton ja Suomen Konsulttitoimistojen Liiton julkaisussa Sisäilmaston, rakennustöiden ja pintamateriaalien luokitus (Sisäilmayhdistys 1995) on esitetty suosituksia sisäilmaston eri laatuluokkien tavoite- ja mitoitusarvoiksi. Julkaisu on tarkoitettu käytettäväksi suunnittelun, urakoinnin ja laitevalmistuksen apuna. Se ei ole viranomaissäännös. Sisäilmastoluokitus on kolmiportainen. Parhaassa luokassa S1 hiilidioksidipitoisuuden enimmäisarvo on 1 000 ppm, ilman lämpötilan raja-arvot talvella 21 22 C. Suhteellisen kosteuden tulisi talvella olla 25 45 %. Keskimmäisessä luokassa S2 hiilidioksidipitoisuuden enimmäisar-
7 vo on 1 250 ppm ja ilman lämpötilan raja-arvot talvella 21 23 C. Suhteelliselle kosteudelle ei ole asetettu tavoitetta luokassa S2. Huonoimmassa luokassa S3 hiilidioksidipitoisuuden enimmäisarvo on 1 500 ppm, ilman lämpötilan raja-arvot talvella 20 24 C eikä suhteelliselle kosteudelle ole asetettu tavoitetta. Taulukkoon 1 on koottu edellä mainittujen ohjeiden ja suositusten raja-arvot ilman hiilidioksidipitoisuuden, lämpötilan, vedon ja LVIS-järjestelmien aiheuttaman äänitason osalta. Taulukko 1. Sisäilmastoa koskevat ohjearvot. RakMK, osa D2 (YM) Sisäilmaohje (STM) Sisäilmaston, rakennustöiden ja pintamateriaalien luokitus (SIY, RAKLI, SAFA, SKOL) Välttävä Tyydyttävä S1 S2 S3 Hiilidioksidipitoisuus, ppm 1500 1500 1500 1000 1250 1500 Ilman lämpötila talvella, C 20 22 20 21 21 22 22-23 20-24 Veto talvella, m/s 0,18 0,20 0,18 0,1 0,15 0,15 Äänitaso, db(a) 35 35 30 35 35 3.2 TKK:n LVI-laboratorion koulujen sisäilmaa koskevat tutkimukset Koulujen sisäilman laatua on aiemmin selvitetty kolmessa TKK:n LVI laboratorion tekemässä tutkimuksessa: - Teijonsalo & al., Luokkahuoneiden ilmanlaatu alustava kartoitus, 1991 - Kurnitski & al., Koulujen sisäilmasto rehtorikysely ja sisäilmastomittaukset, 1996 - Kurnitski, Vilkki & al., Koulujen sisäilmasto ja kosteusvauriot, 1996 Tässä luvussa on käsitelty näiden tutkimusten tuloksia. Luokkahuoneiden ilmanlaatu - alustava kartoitus -raportin on tehnyt Teknillisen korkeakoulun LVI-laboratorio (Teijonsalo & al. 1991). Aineistona tässä tutkimuksessa oli 30 koulua, jotka oli valittu satunnaisotannalla Espoon 85 koulusta. Tutkimuksissa mitattujen luokkatilojen keskimääräinen lämpötila oli 21,6 C lämpötilavaihtelun ollessa
8 suurimmillaan 8 C yhden tunnin aikana. Kosteus vaihteli välillä 16-48 % keskiarvon ollessa 30 %. Luokkahuoneiden hiilidioksidipitoisuuksien keskiarvo oli 1 130 ppm. Koneellisella tulo- ja poistoilmanvaihdolla varustetuissa kouluissa pitoisuus oli keskimäärin 1 100 ppm ja painovoimaisen ilmanvaihdon kouluissa 1 200 ppm. Hajuvoimakkuudet luokissa olivat välillä 1-5 asteikon maksimiarvon ollessa 10. Keskiarvo hajuvoimakkuuksille oli 2,3. Poistoilmavirrat henkilöä kohden vaihtelivat välillä 0,1-12,9 l/s keskiarvon ollessa 3,8 l/s. Koulujen sisäilmasto - rehtorikysely ja sisäilmastomittaukset -raportti (Kurnitski & al. 1996a) on Teknillisen korkeakoulun LVI-tekniikan laboratorion tekemä. Aineistona tässä tutkimuksessa oli käytetty 1 264:lle yläasteen, ala-asteen tai lukion rehtorille lähetetyn kyselyn tuloksia. Kyselyyn vastanneita oli 984. Kyselytutkimus kattoi noin neljäsosan Suomen 5 000 koulusta. Oppilasmäärä oli näissä kouluissa yhteensä 355 000, joka on hieman yli puolet kokonaismäärästä 700 000. Lisäksi suoritettiin sisäilmastotutkimuksia 10 koulussa, joista kahdeksan oli pääkaupunkiseudulla. Mittausten kohteena oli yhteensä 56 luokkahuonetta. Ilmanvaihtojärjestelmien jakautuminen rehtorikyselyn koulujen kesken oli seuraava: painovoimainen 10 %, koneellinen poisto 26 %, koneellinen tulo ja poisto 47,7 %, kaksi tai useampia ilmanvaihtojärjestelmiä 14,9 %. 1,4 % rehtoreista ei tuntenut koulunsa ilmanvaihtojärjestelmää. Lämmöntalteenottoa käytettiin 31,4 %:ssa koulurakennuksista. Rehtoreilta kysyttiin myös mielipidettä ilmanvaihtojärjestelmän toimivuudesta. Taulukossa 2 on esitetty mielipiteiden jakautuminen eri ilmanvaihtojärjestelmittäin. Taulukko 2. Rehtoreiden mielipiteiden jakautuminen ilmanvaihtojärjestelmän toimivuudesta. Ilmanvaihtojärjestelmä Täysin toimivat [%] Ei toimi lainkaan [%] Koneellinen tulo ja poisto 57 2 Koneellinen poisto 35 3 Painovoimainen 18 33 Kyselyn perusteella rehtorit pitivät yleisimpinä sisäilmasto-ongelmina koulurakennuksissa seuraavia asioita: vedon tunne talvella, riittämätön ilmanvaihto koko lukuvuoden ajan ja tunkkainen (huono) ilma koko lukuvuoden ajan. Sisäilmasto-ongelmien suurimmiksi aiheuttajiksi rehtorit nimesivät ilmanvaihtojärjestelmän (70,3 %), liian suuren
9 oppilasmäärän luokissa (31,2 %), rakennusmateriaalit ja -tarvikkeet (26,1 %) sekä kosteusvauriot (16,1 %). Sisäilmaston parantamiseksi rehtorikyselyssä ehdotettiin enimmäkseen ilmanvaihdon parantamista (72,6 %), rakenteiden korjaamista (35,3 %), lämmityksen säätöä (27,4 %) ja kosteusvaurioiden korjausta (27,0 %) sekä siivouksen parantamista (15,9 %). Sisäilmastomittauksissa luokkahuoneiden keskikoko oli 60 m 2. Luokkahuoneen henkilömäärä vaihteli välillä 9 36 sen ollessa keskimäärin 23. Pinta-ala henkeä kohti oli keskimäärin 2,6 m 2 /hlö ja tilavuus 8,0 m 3 /hlö. Painovoimaisen ilmanvaihdon kouluissa vastaavat luvut olivat 3,5 m 2 /hlö ja 11,5 m 3 /hlö, kun taas koneellisen ilmanvaihdon kouluissa ne olivat pienemmät arvoilla 2,5 m 2 /hlö ja 7,6 m 3 /hlö. Painovoimaisen ilmanvaihdon luokkien poistoilmavirta oli keskimäärin 1,6 l/s, hlö ja 0,39 l/s, m 2, koneellisen poiston luokissa 2,3 l/s, hlö ja 0,9 l/s, m 2 ja koneellisen tulo- ja poistoilmanvaihdon luokkahuoneissa 5,9 l/s, hlö ja 1,9 l/s, m 2. Luokista mitattujen hiilidioksidipitoisuuksien keskiarvot eri järjestelmillä olivat seuraavat: painovoimainen 1 285 ppm, koneellinen poisto 1 181 ppm ja koneellinen tulo ja poisto 836 ppm. Huonelämpötilojen keskiarvot eri ilmanvaihtojärjestelmillä olivat seuraavat; painovoimainen 20,6 C, koneellinen poisto 22,1 C ja koneellinen tulo ja poisto 21,1 C. Suhteellisen kosteuden keskiarvo oli painovoimaisen ilmanvaihdon luokissa 24,6 %, koneellisen poiston luokissa 21,7 % ja koneellisen tulon ja poiston luokissa 21,5 %. Koulujen sisäilmasto ja kosteusvauriot -raportti on Teknillisen Korkeakoulun LVItekniikan ja talonrakennustekniikan laboratorioiden (Kurnitski, Vilkki & al.1996) tekemä. Tutkimuksen kohteena oli 32 koulua yhteensä noin 280 pääkaupunkiseudun koulusta. Kaikista valituista kohteista käytiin läpi aiemmin tehdyt kuntoarviot ja energiakatselmukset sekä korjaussuunnitelma-asiakirjat. Lisäksi 12 tutkimuskohteessa suoritettiin silmämääräiset rakenne- ja LVI-tekniset katselmukset. Näistä 10 kohteessa suoritettiin mittauksia peruskorjatuissa ja vanhalla järjestelmällä toimivissa luokkatiloissa. Mittauksia suoritettiin yhteensä 34 luokassa yhden opetustunnin aikana kertamittauksena. Mitattavia suureita olivat hiilidioksidipitoisuus (CO 2 ), huonelämpötila, suhteellinen kosteus ja poistoilmavirta. Mittaukset suoritettiin syys-lokakuussa.
10 Hiilidioksidipitoisuusmittausten keskiarvot olivat eri järjestelmillä seuraavat: painovoimainen (yksi koulu) 2 707 ppm, koneellinen poisto (neljä koulua) 1 092 ppm sekä koneellinen tulo ja poisto 1 015 ppm. 15 luokkaa oli varustettu koneellisella tulo- ja poistoilmanvaihdolla, kolme painovoimaisella ja seitsemän koneellisella poistoilmanvaihdolla. Suhteellisen kosteuden alhaisin mitattu arvo oli 28 %, ylin 47 % ja keskiarvo 37 %. Mittaukset oli suoritettu syksyllä, mikä selittää melko korkeita suhteellisen kosteuden arvoja. Yhteenvetona edellä esitetyistä kolmesta TKK:n LVI-laboratorion tutkimuksesta voidaan todeta, että ilmanvaihtojärjestelmällä on selvä vaikutus mitattuun ilman hiilidioksidipitoisuuteen ja ilmavirtoihin sekä rehtorikyselyssä koettuun ilman laatuun. Vaikka painovoimaisella ilmanvaihdolla varustetuissa rakennuksissa oli huonetilavuus suurempi kuin koneellisen ilmanvaihdon rakennuksissa, hiilidioksidipitoisuuksissa oli silti selvä ero. Kuvassa 6 on esitetty yhteenvetona TKK:n tutkimuksista keskimääräiset hiilidioksidipitoisuudet ja ilmavirrat järjestelmäkohtaisesti. TKK:n ilman hiilidioksidipitoisuuksien mittauksissa on käytetty keskiarvoja eikä tilan enimmäisarvoja, joten vertailua viranomaisohjeisiin ei niiden perusteella voi tehdä. 6 Keskimääräiset ilmavirrat ja hiilidioksidipitoisuudet järjestelmäkohtaisesti kahdessa tutkimuksessa 3000 5 2500 Ilmavirta [l/s, hlö] 4 3 2 2000 1500 1000 Hiilidioksidipitoisuus [ppm] Rehtorikysely ja sisäilmastomittaukset, ilmavirta henkilöä kohti Sisäilmasto ja kosteusvauriot, ilmavirta henkilöä kohti Rehtorikysely ja sisäilmastomittaukset, hiilidioksidipitoisuus Sisäilmasto ja kosteusvauriot, hiilidioksidipitoisuus 1 500 0 0 Painovoimainen Koneellinen poisto Ilmanvaihtojärjestelmä Koneellinen tulo ja poisto Kuva 6. Keskimääräiset ilmavirrat ja hiilidioksidipitoisuudet järjestelmäkohtaisesti kahdessa TKK:n tekemässä tutkimuksessa.
11 3.3 Oulun kaupungin koulujen sisäilmakartoitus Oulun seudun ammattikorkeakoulun tekniikan yksikkö kartoitti Oulun kaupungin koulujen sisäilman laatua talvella 1997 1998. Kartoituksen tavoitteena oli selvittää normaalin käyttökuormituksen vaikutukset sisäilman laatuun ja ilmanvaihdon riittävyys kuormituksiin nähden. Oulun kaupungin 20 koulun kahdessa luokkatilassa mitattiin ilman hiilidioksidipitoisuus, lämpötila ja suhteellinen kosteus. Tilaajan edustajat ja kartoituksen suorittajat valitsivat mittauskohteet yhteistyössä siten, että kohteisiin sisältyi erityyppisiä ja ikäisiä ilmanvaihtojärjestelmältään erilaisia rakennuksia. Sisäilmaston laadun kartoittamiseen sisältyivät hiilidioksidipitoisuuden, ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden määrittäminen jatkuvana mittauksena yhden oppitunnin aikana aamupäivisin, ei kuitenkaan aamun ensimmäisen oppitunnin aikana. Mittauksen aikana tiloissa oleva henkilökuormitus kirjattiin ylös. Tilojen ilmanvaihdon ilmavirrat mitattiin niistä tiloista, joissa oli koneellinen ilmanvaihtojärjestelmä. Painovoimaisen ilmanvaihdon rakennuksissa mitattiin huoneiden tilavuudet. Mittaukset suoritettiin 11.12.1997 26.02.1998. Mittauksissa pyrittiin saamaan esille tilojen tavanomainen käyttötilanne. Useimmissa rakennuksissa, joissa on koneellinen ilmanvaihto, ilmanvaihtoa voidaan käyttää joko täydellä tai puolitetulla teholla. Ilmavirrat voidaan viranomaisohjeiden mukaan Oulussa puolittaa, kun ulkoilman lämpötila on alle 17 C. Mittaajat eivät muuttaneet ilmanvaihdon käyttötehoa, vaikkei se olisikaan ollut oletettu. Ilmanvaihdon käyttötehot ja ulkoilman lämpötilat kirjattiin kuitenkin muistiin. Luokkatilojen enimmäishiilidioksidipitoisuudet vaihtelivat 955 ppm:stä 2 997 ppm:ään. Viranomaisohjeiden mukainen 1 500 ppm:n raja-arvo ylitettiin 20 luokkatilassa, mikä on 50 % mitatuista tiloista. Luokkatilojen enimmäishiilidioksidipitoisuudet on esitetty kuvassa 7.
12 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 Hiilidioksidipitoisuus [ppm] Mitatut luokat [kpl] Kuva 7. Luokkatilojen hiilidioksidipitoisuuksien maksimiarvot Oulun kaupungin kouluissa suoritetussa kartoituksessa. Luokkatilojen ilman lämpötilat vaihtelivat 16-26 C. Yleensä ilman lämpötilat ylittivät ohjearvon 21 C, ja minimilämpötila kuvaa lähinnä ikkunatuuletuksesta aiheutuvaa alkutilanteen lämpötilaa joissakin luokissa. Luokkatilojen ilman suhteelliset kosteudet vaihtelivat välillä 8-42 %. Suhteellinen kosteus kuvaa lähinnä mittausten aikana vallinneita sääoloja ja henkilöiden aiheuttamaa kosteuskuormitusta. Suhteelliseen kosteuteen vaikuttaa huoneilman lämpötila. Mitä korkeampi lämpötila on, sitä pienemmäksi suhteellinen kosteus muodostuu. Kouluissa ikkunatuuletus oli satunnaista. Tuuletettujen ja tuulettamattomien luokkien lukumäärät ilmanvaihtojärjestelmittäin ilmenevät taulukosta 3. Taulukko 3. Ikkunatuuletuksen käyttö kouluissa. Ilmanvaihtojärjestelmä Tuuletettu Tuulettamaton Koneellinen tulo ja poisto 4 15 Koneellinen poisto 5 7 Painovoimainen 4 4 Ilmanvaihdon määrä vaikuttaa ratkaisevasti tilojen hiilidioksidipitoisuuteen. Kuvassa 8 on esitetty tilojen hiilidioksidipitoisuuksien keskiarvot, minimien keskiarvot ja maksimiarvojen keskiarvot ilmanvaihtojärjestelmittäin.
13 2500 Hiilidioksidipitoisuus [ppm] 2000 1500 1000 500 Painovoimainen Koneellinenpoisto Koneellinen tulo ja poisto 0 keskiarvo minimien keskiarvo maksimien keskiarvo Kuva 8. Koulujen hiilidioksidipitoisuuksien arvot ilmanvaihtojärjestelmittäin Oulun kaupungin koulujen kartoituksessa.
14 4 TUTKIMUSKOHTEET Koulujen sisäilmasto ja energiatalous -tutkimuksen tutkimuskohteiksi pyrittiin valitsemaan eri-ikäisiä, laajuudeltaan, ominaisuuksiltaan ja ilmanvaihtojärjestelmiltään erilaisia koulurakennuksia, joissa kunta oli päättänyt suorittaa perusparannuksen. Kohteet olivat seuraavat: - Oriveden koulukeskus (kolme eri rakennusta: yläaste, lukio ja ruokalarakennus) - Oulusta Rajakylän koulukeskus (ala-aste, yläaste ja lukio) ja Oulujoen ala-aste - Muhokselta Huovilan ala-aste - Yli-Kiimingistä Vesalan ala-aste ja Vepsän ala-aste - Haukiputaalta Jokikylän ala-aste - Raisiosta Kaanaan koulu (osakorjaus) - Jokioisilta Vaulammin ala-aste - Turusta Puolalan koulu (osakorjaus) - Kausalasta Iitin lukio - Saarijärveltä Kalmarin ala-aste ja Tarvaalan ala-aste. Lisäksi mukaan otettiin kaksi kohdetta, joissa suoritettiin ainoastaan kanaviston puhdistus ja ilmavirtojen säätö. Nämä kohteet olivat - Oulusta Oulunlahden ala-aste ja Hönttämäen ala-aste. Lähtötilanne mitattiin ja kartoitettiin, mutta korjaustoimenpiteitä ei tutkimuksen aikana vielä suoritettu seuraavissa kohteissa: - Muhokselta Keskustan ala-aste - Yli-Kiimingin yläaste. Valituissa kouluissa suoritettiin kuudessa koulussa perusteellinen rakennus- ja talotekninen perusparannus, viidessä kyläkoulussa ilmanvaihdon perusparannus, kahdessa isohkossa kaupunkikoulussa osittainen ilmanvaihdon perusparannus ja kahdessa kaupunkikoulussa ilmanvaihdon puhdistus ja säätö.
15 Kohteista kaksi edusti suurehkoa koulukeskusta, jossa oli useita rakennuksia. Tutkimukseen osallistui seitsemän pientä kyläkoulutyyppistä ala-astetta. Kaksi kohdetta edusti kaupunkikoulujen keskikokoisia rakennuksia. Kahdessa isossa koulurakennuksessa suoritettiin ilmanvaihdon korjaus ainoastaan osassa luokkatiloista. Rakennusten iät ja rakennustilavuudet on esitetty taulukossa 4. Taulukko 4. Tutkimuskohteiden rakennusvuosi ja tilavuus. Kohde Rakennusvuosi Tilavuus [m 3 ] Oriveden koulukeskus - A -osa 1931 5869 - B -osa 1973 5420 - C -osa 1975 5100 Rajakylän yläaste 1978 29600 Huovila Vesalan koulu 1957 2968 Vepsän koulu 1958 3031 Jokikylän koulu 1898 1390 Kaanaan koulu 1957 10720 Vaulammin koulu 1890 1025 Puolalan koulu 1955 25500 Iitin lukio 1964 16735 Oulujoen ala-aste 1947 9340 Kalmari - Vanhempi 1897 1100 - Uudempi 1953 2000 Tarvaala 1961 1600 Kolmessa rakennuksessa oli ennen korjausrakentamista koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto, yhdessä koneellinen poistoilmanvaihto ja kaikissa muissa kohteissa painovoimainen ilmanvaihto. Toisessa niistä kohteista, joiden ilmanvaihtoa ei tutkimuksen aikana vielä korjattu, oli koneellinen poistoilmanvaihto ja toisessa oli noin kymmenen vuotta sitten rakennettu koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto. Kahdessa kohteessa, joissa suoritettiin puhdistus ja säätö, oli koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto.