Opinnäytetyö nostaa tiiviyden luultua tärkeämpään rooliin

Opinnäytetyö nostaa tiiviyden luultua
tärkeämpään rooliin
14.06.2012 Rakennuslehti Lehtiarkisto
Projekti-insinöörinä Saimaan Ammattikorkeakoulussa toimiva Lauri Pellinen teki Finnmap
Consulting Oy:n tilaamaa insinöörityötään viime talveen asti hartaasti kuin väitöskirjaa. Pellisen
tekemät havainnot avaavat uusia näkökulmia rakennusfysiikan merkitykseen, ja ne nostavat
rakenteiden tiiviyden niin energiataloudessa kuin kosteusja homeongelmien torjunnassa aiemmin luultua merkittävästi suurempaan rooliin.
"Opinnäytetyöni tavoitteena oli tutkia yksittäisten ilmavuotojen vaikutuksia vaipparakenteiden
lämpö- ja kosteusolosuhteisiin. Tarkoitukseni oli selvittää, miten yksittäinen ilmavuotokohta
vaikuttaa seinän läpi virtaavaan lämpövirtaan ja miten kosteus kertyy rakenteeseen. Tutkittaviksi
seinärakenteiksi valitsimme tavanomaisimmat ratkaisut eli kevytrakenteisen termorankaseinän ja
betonielementtiseinän", Pellinen kertoo.
Termorankaseinistä tutkittiin sekä pistemäisiä että viivamaisia ilmavuotoja. Betonielementtiseinistä
tutkittiin ainoastaan viivamaisia ilmavuototapauksia. Ilmavuotomalleja luotiin useita kymmeniä ja
ne mallinnettiin monifysikaalisella simulointi- ja mallinnusohjelmalla Comsol Multiphysics 4.1:llä.
Pellisen suorittamien simulaatioiden mukaan hyvinkin mitättömiltä vaikuttavat ja vähäisiltä
tuntuvat reiät tai halkeamat rakenteissa voivat tuhota rakennuksen energiatehokkuuden. Sen ohessa
ne voivat johtaa myös merkittäviin kosteusvaurio- ja homeriskeihin.
"Tampereen teknillisessä yliopistossa on todettu, että jos rakennuksen ilmavuotoluku on 4-5 tai vain
1, erotuksen vaikutus lämmityskustannuksiin on 20 prosenttia. Senkin vuoksi ilmanpitävyys on niin
tärkeää. Jokainen yksikkö heikentää tilannetta 5-6 prosenttia - ja simulointimme todistivat, että tämä
pitää myös paikkansa."
Pistemäinen reikä termorankarakenteessa
Ensimmäinen tutkittava malli oli hyvin yksinkertainen tapaus eli tyypillinen neljän tuuman naulan
tekemä reikä. Tällöin naulan paksuus ja pistemäisen reiän halkaisija on 3,4 millimetriä. Oletus on,
että reiät ovat sisäverhouslevyssä, polyeteenikalvossa sekä 86,8 millimetrin matkalla
mineraalivillassa. Paine-ero rakennuksen ulkovaipan yli on 3 pascalia.
"Pistemäisiä reikiä esiintyy rakennusvaipassa hyvin monesta eri syystä. Naulojen ja läpivientien
tekemät reiät ovat hyvin yleisiä esimerkkejä. Tuulensuojalevyssä oleva epätiiveyskohta voi johtua
esimerkiksi levyn reunan lohkeamisesta. Todellisuudessa reiät voivat olla muodoltaan muitakin
kuin pyöreitä, mutta mallinnuksen selkiyttämiseksi ja helpottamiseksi reiät on mallinnettu pyöreinä
pistemäisinä reikinä", Pellinen kertoo.
Seuraavassa mallissa oli ilmavuototilanne, jossa pistemäinen reikä menee läpi koko rakenteen.
Reiän halkaisija sisäverhouslevyn, polyeteenikalvon ja tuulensuojalevyn kohdalla on 3 millimetriä
ja mineraalivillan kohdalla 2 milliä. Jos rakennuksen sisäpuolelle asetettiin vakiona pysyvä 3
pascalin ylipaine, oli reiän läpi virtaava kosteusmäärä vuoden aikana noin 200 grammaa.
"Eli vuoden kuluessa vain yhden reiän kautta kulkeutuu rakenteisiin tämä vesimäärä, joka sinne
jääkin, ellei sillä ole reittiä, josta haihtua pois. Käytännössä tapaus on harvinainen, mutta tulosten
avulla pystyimme arvioimaan yksittäisen reiän vaikutusta vaipan lämpötalouteen ja sen
aiheuttamaan kosteusrasitukseen. Malli piti sisällään ilmavirtaukset, lämmönsiirtymisen sekä kosteuden faasimuutoksineen."
Kosteuden lisäksi yksi pistemäinen reikä heikentää rakenteen U-arvoa yhden neliömetrin alalla noin
18 prosentilla. Jos ulkovaipassa on jokaisella neliöllä yksi pistemäinen reikä, nousee koko
rakennusvaipan laskennallinen energiankulutus 18 prosenttia.
Pellinen huomauttaa, että reikien vaikutusta rakennusvaipan lämpötalouteen ei siis voi missään
tapauksessa vähätellä. Samasta mallista tutkittiin myös kosteuden siirtymistä ja kertymistä
rakenteeseen marraskuun tarkasteluajalta. Ilman suhteellisen kosteuden ollessa materiaalissa yli 80
prosenttia, mikä tahansa materiaali voi homehtua.
Simuloidut tulokset osoittivat, että kosteutta alkoikin kerääntyä tuulensuojalevyn sisäpintaan.
Suurimmat suhteellisen kosteuden pitoisuudet tuulensuojalevyn sisäpinnassa olivat noin 90
prosenttia. "Näin suuret kosteuspitoisuudet aiheuttavat jo selvän homeriskin rakenteelle."
Viivamainen reikä ulkoseinärakenteessa
Betoniulkoseinän ilmanläpäisevyys on hyvin pieni, jos valu on tehty oikeaoppisesti eikä
rakenteeseen ole jäänyt koloja. Kevytrakenteisissa ulkoseinissä ilmavuotoja aiheuttaa puolestaan
rikkoutunut ilmansulkukerros. Riskialtteimmat alueet muodostuvat rakenteiden
epäjatkuvuuskohtiin, joita ovat betonirakenteissa pysty- ja alasaumat, ikkuna- ja oviaukkojen
liitoskohdat sekä läpiviennit.
Koska mineraalivillan ulkopinnassa oleva uritus mahdollistaa ilman virtauksen ulkokuoren ja
mineraalivillan rajapinnassa, voi teoriassa pelkkä sisäkuorenkin ilmavuoto aiheuttaa koko rakenteen
läpi ulottuvan ilmavuodon.
Vertailumalliksi luodun ehjän seinän läpi virtaava lämpövirta on 5,31 W/m². Simuloinnin
perusteella yksi viivamainen reikä lähes 12-kertaistaa läpi virtaavan lämpövirran.
Jos yksittäinen, koko seinärakenteen läpi menevä halkaisijaltaan 2-3 millimetrinen pistemäinen
reikä voi heikentää rakenteen U-arvoa merkittävästi, niin suuremman pinta-alansa takia viivamaiset
reiät ovat selvästi pahempia riskitekijöitä seinärakenteelle.
"Erot tulivat esille esimerkiksi betonielementtiseinämallissa, jossa oli 2 millimetrin levyinen
viivamainen reikä läpi koko rakenteen. Kun ehjän seinän U-arvo on 0,13 W/m²K, niin
vaurioituneen seinän U-arvo oli 1,50 W/m²K."
Pellinen hahmottaa asiaa laskelmalla, jossa talon jokaisella ulkoseinäneliömetrillä olisi metrin
pituinen viivamainen reikä. Tällaisessa tilanteessa rakennusvaipan energiankulutus kohoaisi ehjään
rakenteeseen verrattuna 1 050 prosenttia.
"Ja viivamainen reikä on hyvin tyypillinen ilmavuodon muoto myös kevyissä ulkoseinissä, kuten
termorankaseinässä. Niitä voi esiintyä esimerkiksi seinien nurkissa tai sisäverhouslevyjen saumojen
kohdalla. Polyeteenikalvoon viivamainen reikä voi tulla mattopuukon viillosta tai sellainen voi
syntyä kalvojen sauman kohdalle."
Kosteus tuhoaa ulkoseinät sisältäpäin
Rakenteen suhteellisia kosteuspitoisuuksia eri aikoina viime marraskuussa tarkastellessaan Pellinen
havaitsi, että huoneilman sisältämä kosteus alkoi kerääntyä tuulensuojalevyn sisäpintaan.
Suurimmat suhteellisen kosteuden arvot olivat noin 97 prosenttia, ja ne olivat aivan
tuulensuojalevyn ulkopinnassa.
"Viivamaisia reikiä mallinnettaessa olivat reiän läpi virtaavat kosteusmäärät asetetulla paine-erolla
hälyttävän suuria. Työssä päädyinkin lopputulokseen, että viivamaiset ilmavuodot aiheuttavat hyvin
suurella todennäköisyydellä rakenteisiin kosteusvaurioita", Pellinen toteaa.
Esimerkkinä toimii tapaus, jossa koko seinärakenteen läpi aina tuulensuojalevyä myöten kulkevat
metrin pituiset ja kolmen millimetrin levyiset viivamaiset reiät. Jos rakennusvaippa on 3 pascalia
ylipaineinen ja sisätilan suhteellinen kosteus on 40 prosenttia sisälämpötilan ollessa 21 astetta, voi
tällaisessa tapauksessa reiän läpi virtaavan kosteuden määrä olla 85 g/vrk eli yhden kuukauden
aikana lähes 1,5 kiloa.
"Osa tästä kosteudesta kerääntyy mineraalivillaan ja voi tiivistyä siellä vedeksi. Tilanne on selvä
riskitekijä rakenteelle, ja pidän selviönä, että näin suuret kosteusmäärät voivat olla kohtalokkaita
seinärakenteelle."
Yhteenvetona Pellisen suorittamista simuloinneista voidaan todeta, että ylipaine rakennuksissa voi
johtaa kosteusvaurioihin ja tästä saattaa aiheutua homeongelmavaara. Alipaine ei aiheuta rakenteille
samanlaista riskiä.
"Simuloinnin perusteella rakennuksen ulkoseinärakenteisiin kertyy ylipaineessa kosteutta, eli perusedellytykset homeen muodostumiselle täyttyvät. Hallitussa rakennuksessa ilma vaihtuu
sieltä mistä pitää eikä kosteusongelmia tämän vuoksi synny. Myös asumisviihtyvyys on tiiviissä
talossa parempi kuin vetoisessa talossa."
Pellinen kumoaa samalla usein esille nousevan väittämän. "Ei pullotalo homehdu! Ja
ilmanvaihtokin toimii parhaiten mahdollisimman tiiviissä talossa."
Lauri Pellisen opinnäytetyö on luettavissa internet-osoitteessa: www.theseus.fi
Sieltä löytyvät myös kaikki muut ammattikorkeakoulujen opinnäytetyöt.
miksi
Rakennuksen painesuhteisiin vaikuttaa kolme eri tekijää:
ilman lämpötilaerot (savupiippuvaikutus)
ilmanvaihto
tuuli
Ilmavuotoriskien ehkäiseminen on tärkeää
Kevytrakenteisten ulkoseinien ilmanpitävyys riippuu täysin ilmansulkukerroksen eheydestä.
Ilmansulkukalvo sijoitetaan normaalisti sisäpinnan sisäverhouslevyn taakse.
"Ilmansulkukerros on kuitenkin huomattavasti alttiimpi reiälle, jos se sijaitsee heti sisäverhouslevyn
takana. Sisäverhouslevyn lävistävät kiinnitykset voivat helposti aiheuttaa pistemäisen reiän
ilmansulkuun", Lauri Pellinen sanoo.
Parempi vaihtoehto olisi sijoittaa ilmansulkukalvo noin 50 millimetrin syvyyteen lämmöneristeen
sisään. Tällöin ulkoseinään upotettavat sähkörasiat ja sähköputkitukset saadaan asennettua
rikkomatta ilmansulkua. Sähkörasioiden alueet ovatkin hyvin normaaleja ilmanvuotokohtia
kevytrakenteisissa ulkoseinissä.
"Upotettujen sähkörasioiden asentaminen seinään ilmatiiviisti on huomattavasti hankalampaa,
koska ilmansulku ottaa takana vastaan. Ongelmaa voi auttaa mahdollisimman löysästi asennettu
ilmansulku, jolloin sähköasennukset voidaan tehdä ilmansulkua rikkomatta."
Kevytrakenteisten ulkoseinien kriittisiä alueita ovat myös seinärakenteen epäjatkuvuuskohdat ja
ilmansulun jatkoskohdat. Aikaisemmin jatkoskohdat on lähes poikkeuksetta tiivistetty erilaisilla
rakennusteipeillä. Teippiliitokset voivat vuosien kuluessa menettää tiiveytensä, jolloin rakenteeseen
syntyy runsaasti ilmavuotokohtia.
"Jos ilmansulun kiinnitys tehdään runkotolpan kohdalle puristusliitoksella, ei tätä ongelmaa synny."
Pellinen painottaakin, että ulkoseinärakenteiden suunnittelussa ja rakentamisessa pitäisi pyrkiä
siihen, että kaikki ilmansulun jatkoskohdat tulisivat kahden puun väliin puristusliitoksiksi.
Liitokseen voidaan asentaa tiivistenauha tai ilmansulun limitys olisi oltava vähintään 150
millimetriä. Riittävä ja pysyvä puristuskiinnitys aikaansaadaan noin 300 millimetrin välein tehdyllä
ruuvikiinnityksellä. Jatkoskohtaa ei pidä tehdä nurkkaan, vaan aina selvästi toisen seinärakenteen
puolelle.
Yhtenä riskitekijänä voidaan mainita myös rakennuksen ulkovaipan läpi menevät ja tässä
yhteydessä ilmansulkukerroksen läpäisevät lvisa-asennukset. Läpivientien puutteellinen tiivistys
aiheuttaa rakenteisiin ilmavuotoja. Nykyään läpivienteihin on toki kehitetty lukematon määrä
tuotteita, joilla tiivis lopputulos voidaan taata, jos niitä vain käytetään.
"Aikaisemmin läpiviennit teipattiin höyrynsulkuteipillä, jolloin läpivientien tiiveys on ollut alun
alkaenkin hyvin kyseenalainen. Läpivienti voi myös ajan myötä menettää tiiveytensä joutuessaan
erilaisiin rasituksiin, joita aiheutuu esimerkiksi rakenteiden liikkeistä sekä kosteuden ja lämpötilan
muutoksista."
Jo olemassa olevien läpivientien tiivistäminen jälkikäteen on hankalaa. Uudelleen tiivistäminen
edellyttäisi rakenteiden purkamista, joka ei pelkästään ilmatiiveyden parantamiseksi ole
kustannustehokasta saati kannattavaa. Mahdollisuus puutteellisten läpivientien tiivistämiselle voi
tulla kuitenkin esimerkiksi peruskorjauksen yhteydessä.
Tutkimuksen lähtökohtana savupiippuilmiön aiheuttama ylipaine
Ulko- ja sisäilman lämpötilaeron aiheuttamaa paine-eroa kutsutaan savupiippuvaikutukseksi. Paineero muuttuu rakennuksen pystysuunnassa, kun lämmin ilma nousee kylmää ilmaa kevyempänä ylös.
Rakennuksen ollessa ulkoilmaa lämpimämpi sen alaosiin kohdistuu alipaine ja yläosiin ylipaine
ulkoilmaan verrattuna.
Rakennuksen painesuhteet määräytyvät savupiippuvaikutuksen, ilmanvaihdon ja tuulen
yhteisvaikutuksesta. Tyypillisesti painesuhteet vaihtelevat eri vuorokauden- ja vuodenaikoina. Tuuli
ja ilmanvaihtolaitteiston toiminta voivat muuttaa painesuhteita yhdenkin vuorokauden aikana hyvin
nopeasti ja radikaalisti.
Epäsuotuisin tilanne syntyy, kun kokonaispaine-ero aiheuttaa rakennukseen ylipaineen, jolloin ilma
virtaa ilmavuotokohdista sisältä ulospäin. Kosteusvaurioriski syntyy, kun lämmin ilma jäähtyy
nopeasti rakenteessa olevassa ilmavuotokohdassa. Pitkään jatkuvan ylipaineen seurauksena
rakenteeseen voi kertyä kosteutta, joka vaurioittaa rakenteita.
"Finnmapilla tiedettiin, että jos rakennuksessa esiintyy ylipainetta, ovat myös kosteusongelmat
todennäköisiä. Oletus rakennusten ylipaineesta pohjautuu Kim Seppäsen satoja asuntoja
käsittäneisiin tutkimuksiin ja niiden paine-eromittauksiin", Lauri Pellinen kertoo.
"Itse tein näistä tutkimuksista päätelmän, että painovoimainen ilmanvaihto johtaa kerrostalojen
ylimmissä kerroksissa asuntojen ylipaineisuuteen, mihin osaltaan vaikuttaa savupiippuvaikutus."
Pellisen mallinnuksessa lähtökohtana oli asettaa rakennus kolmen pascalin ylipaineeseen, mikä on
Seppäsen tutkimuksen mukaan hyvin mahdollinen paine-ero painovoimaisella ilmanvaihdolla
varustettujen kerrostalojen ylimmissä kerroksissa.
"Seppäsen tutkimuksissa havaittiin, että vaikka kerrostalojen alimpien kerrosten asunnoissa
vallitsisi alipaine, vallitsee ylimmissä asunnoissa siitä huolimatta keskimäärin ylipaine. Sama ilmiö
voi johtua myös väärin tehdyistä ilmanvaihdon säädöistä", Pellinen toteaa.
Tuulensuojalevyn rooli on kaksijakoinen
Monimutkaisten mallien lisäksi Lauri Pellinen teki myös hyvin yksinkertaistettuja malleja. Näistä
simuloinneista pystyikin tekemään mielenkiintoisia päätelmiä tuulensuojalevyn ilmanpitävyydestä.
"Tutkimustulosten mukaan tuulensuojalevyn ilmanläpäisevyys vaikuttaa ilman virtausnopeuksiin
rakenteissa. Varsinaisiksi tuulensuojalevyiksi suunnitellut tuotteet, kuten Gyproc Glasroc GHU ja
Tuulileijona, päästävät huomattavasti enemmän ilmaa lävitseen kuin normaali
tuulensuojakipsilevy."
Niinpä arvosteltaessa eri tuulensuojatuotteita pelkästään ilmavuodon suuruuden kannalta, parhaaksi
tuulensuojatuotteeksi nousee tavallinen tuulensuojakipsilevy. Tätä kipsilevyä käytettäessä olivat
suurimmat virtausnopeudet rakenteiden sisässä simulointimallin mukaan noin 2 mm/s, kun
huokoisemmalla kipsilevyllä virtausnopeudet kohosivat 13-kertaisiksi.
"Tuloksista näkee, että jos tuulensuojalevynä käytetään kipsilevyä, se estää ainakin osan vuodoista
ilmanläpäisevyytensä ansiosta. Huokoisella tuulensuojalevyllä virtaukset ovat voimakkaammat.
Asia kuitenkin monimutkaistuu, jos ilman kulkema matka pitenee. Joka tapauksessa, mitä
tiiviimmin tuulensuojalevy on asennettu, sitä parempi se on rakennuksen toimivuuden kannalta."
Pellinen korostaa, että puhtaasti ilmavuototilanteiden kannalta normaali tuulensuojakipsilevy on
varsinaisia tuulensuojalevytuotteita parempi vaihtoehto tuulensuojalevyksi. Asia ei ole kuitenkaan
niin yksinkertainen, koska tuulensuojalevyltä vaaditaan muitakin ominaisuuksia kuin hyvää
ilmatiiveyttä. Tärkeämmässä roolissa on esimerkiksi tuotteen kyky kestää kosteusrasitusta eri
vuodenaikoina sekä päästää kosteuden diffuusiovirtaukset ulos.
"Eristevalmistajia voisi kiinnostaa, että myös eristeiden ilmanläpäisevyydellä on suuri rooli. Nythän
esimerkiksi mineraalivillaa markkinoidaan pääasiassa lämmöneristävyydellä, mutta myös eristeen
ilmanläpäisevyydellä on selkeästi luultua suurempi merkitys rakenteiden toimivuudelle."
Kokeiden mukaan, mitä laadukkaampi eriste, sen tiiviimpi rakenne. Eli paremmalla
lämmöneristeellä saavutetaan myös parempi ilmanpitävyys.
Lauri Pellisen opinnäytetyö on luettavissa Internet-osoitteessa: www.theseus.fi