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