1. No category

466111S Rakennusfysiikka
VESIHÖYRYKOSTEUDEN
SIIRTYMINEN RAKENTEISSA – OSA 2
Opettaja: Raimo Hannila, SL2015
Luentomateriaali: Professori Mikko Malaska
Oulun yliopisto
2
LÄHDEKIRJALLISUUTTA
• Suomen rakentamismääräyskokoelma, osat C ja D,
http://www.ymparisto.fi/default.asp?contentid=394585&lan=FI
• Rakennusfysiikka. Perusteet ja sovellukset-moniste, 1996, Unto Siikanen
• Lämpö ja kosteus, Rakennusfysiikka, 2004, Dick Björkholtz
• RIL 117 Lämmön ja kosteuden eristys
• Suomen rakentamismääräyskokoelma, osat C ja D
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
3
KORJAUS VESIHÖYRYN OSAPAINEKÄYRÄÄN
!
Mikäli rakenteessa tapahtuu kosteuden
tiivistymistä ja halutaan arvioida tiivistyvää
kosteusmäärä, on laskennalliseen
vesihöyrynosapainekäyrään tehtävä
korjaus, sillä todellinen vesihöyrynpaine ei
voi olla suurempi kuin kyllästyspaine.
Tällöin laskettu vesihöyryn osapainekäyrä
ps-pu ei olle mahdollinen sillä osalla, jolla se
ylittää kyllästymispaineen käyrän.
Osapainekäyrän pisteet pA ja pB voidaan
määrittää esim. Glaserin graafisella
menetelmällä.
pB
pA
Tiivistymisvyöhyke
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
4
GLASERIN GRAAFINEN MENETELMÄ
Glaserin menetelmän vaiheet ovat
seuraavat olettaen, että rakennekerrosten vesihöyrynvastukset Zi, rakenteen
lämpötilajakautuma ja lämpötiloja Ulkopinta
vastaavat kyllästyspaineen arvot
tunnetaan:
ts
ps
pk
1. Piirretään rakenne siten, että eri
rakennekerroksien paksuudet
suhtautuvat kuten eri kerrosten
vesihöyrynvastukset.
!
Huomaa, että vesihöyryn
osapainekäyrä on näin piirrettynä
suora viiva.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
tu
Sisäpinta
pu
Z1
Z2
Z3
5
GLASERIN GRAAFINEN MENETELMÄ
2. Piirretään pisteistä ps ja pu
tangentit pk-käyrälle.
ts
Ulkopinta
ps
pk
3. Määritetään ZB = rakenteen
sisäpinnan ja pisteen pB välisen
osan vesihöyrynvastus. Tangentin
ja pk-käyrän sivuamispiste.
4. Määritetään ZA = pisteen pA ja
rakenteen ulkopinnan välisen
osan vesihöyrynvastus. Tangentin
ja pk-käyrän sivuamispiste.
tu
pB
pA
Tangentit kuvaavat, miten vesihöyryn
paine voi muuttua, jotta kyllästymispaine
saavutetaan.
Tästä voidaan arvioida vesihöyryn vastus
kyseisillä seinän osien paksuuksilla sekä
tiivistymisvyöhykkeen sijainti.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
pu
Sisäpinta
Z1
Z2
ZA
Z3
ZB
Tiivistymisvyöhyke
6
DIFFUUSION VESIHÖYRYVIRTA JA KONDENSSI
Kerroksellisen rakenteen läpi aikayksikössä diffusion vaikutuksesta
tapahtuva vesihöyryvirta voidaan laskea kaavalla:
p  pu
(Vrt. lämpövirta gT=(Ts-Tu)/ZT , tai sähköopissa: Ohmin laki: I=U/R). (RH)
gv  s
[kg/(m2s)]
Zp
Jos rakenteeseen syntyy tiivistymists
vyöhyke alueelle A - B, voidaan pinnalle
tiivistyvän veden määrää arvioida kaavalla:
ps
p  pB p A  pu
gtiiv  s

ZB
ZA
pk
[kg/(m2s)]
gulos
• Kaavan ensimmäinen termi kuvaa sisältä
rakenteeseen tulevaa ja tiivistyvää kosteutta.
• Jälkimmäinen termi kuvaa kosteusmäärää, joka
samanaikaisesti diffuntoituu tiivistymiskohdasta
ulos.
gsisään
tu
pB
pA
• Näiden erotus kuvaa seinään jäävää
kosteusvirtaa.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
pu
ZA
ZB
Tiivistymisvyöhyke
7
KONDENSSI RAJAPINNALLE
Käytännössä kosteus tiivistyy useimmiten vedeksi lähimmässä kovassa
rajapinnassa tiivistymisvyöhykkeen sisällä (A ja B yhdistyvät).
Tiivistynyt vesimäärä voidaan tällöin laskea kaavalla:
gtiiv 
pki
ps  pki pki  pu

ZB
ZA
[kg/(m2s)]
on kyllästystilaa vastaava
vesihöyryn osapaine
rajapinnassa jossa
tiivistyminen tapahtuu.
Tiivistymisajanjaksona t rakenteeseen
kerääntyneen kosteuden määrä on tällöin:
Gtiiv  gtiiv  t
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
8
RAKENTEEN KUIVUMINEN
Kuivumisjakson aikana rakenteesta poistuu kosteutta. Aikayksikössä
poistunut vesimäärä voidaan laskea kaavalla:
p
p
p
p
g
 A
kuiv
Z
p p
u  B
s
Z
A
B
[kg/(m2s)]
tai
g
 ki
kuiv
Z
p p
u  ki
s
Z
A
B
[kg/(m2s)]
• Kaavan ensimmäinen termi kuvaa kuivumista tiivistymiskohdasta ulospäin ja
jälkimmäinen kuivumista tiivistymiskohdasta sisäänpäin.
!
• Rakenne kuivaa ulospäin, kun pu < pB tai pu < pki ja
• Rakenne kuivaa sisäänpäin, kun ps < pA tai ps < pki.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
9
KOSTEUSLASKELMIEN TARKKUUS
Kosteudenlaskentamenetelmiä voidaan käyttää rakenteen keskimääräisen
kosteuden vaihtelun sekä mahdollisesti tiivistyvän kosteusmäärään
arvioimiseen ajan funktiona.
Yksinkertaisissa laskelmissa (vertaa Osa 1) oletetaan, että sekä rakenteen
kosteuspitoisuus että rakenteen ympäristöolosuhteet pysyvät
muuttumattomina.
Todellisessa rakenteessa tilanne ei ole kuitenkaan stationäärinen, vaan
olosuhteet vaihtelevat (vuodenajat, sateet, auringonpaiste).
Laskelmissa nämä voidaan ottaa karkeasti huomioon jakamalla vuosi
ajanjaksoihin, joille oletetaan tietyt ulkoilman keskimääräiset lämpötila- ja
kosteusarvot. Voidaan käyttää esimerkiksi kuukausikeskiarvoja.
Tarkoissa arvioissa on otettava lisäksi huomioon mm. veden vapautuva
höyrystymislämpö sekä permeabiliteetin ja lämmönjohtavuuden riippuvuus
kosteudesta.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
10
KOSTEUSTEKNISEN SUUNNITTELUN TAVOITE
Rakenne ei saa olla sellainen, että sen kosteuspitoisuus vuosien mittaan
kasvaa.
Tiivistymislaskelmilla selvitetään kuinka paljon kosteutta tiivistyy diffuusion
kondenssin kautta ja mihin kohtaan. Toimivassa rakenteessa vastaava
kosteusmäärä poistuu tiivistyneestä kohdasta kuivumisajanjakson aikana.
Laskelmilla tarkastetaan:
1. Syntyykö kondenssia kylmissä oloissa
2. Mikä on tiivistyvän kosteuden määrä esim. talven kylmimpien
kuukausien aikana
3. Paljonko rakenne pystyy kuivattamaan kosteutta lämpimimpien
kesäkuukausien aikana
4. Kuinka paljon laskettu tiivistyvä vesimäärä on verrattuna
tiivistymiskerroksen kosteudensitomiskykyyn ja onko kosteuspitoisuus
haitallinen
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
11
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa
(D. Björkholtz, s.55,69)
Tiivistymisajanjakson pituudeksi on valittu 60 vrk ja
ilmastoparametreiksi vuoden kahden kylmimmän ja
kuumimman kuukauden keskiarvot.
Ulkoilmaa koskevat arvot:
Talvella: tu = -10,6 ⁰C, pu = 215 Pa
Kesällä: tu = +15,0 ⁰C pu = 1257 Pa
Sisäilmaa koskevat arvot:
Sisäilmassa oletetaan olevan 4g/m3 enemmän
vesihöyryä kuin ulkoilmassa. Tästä aiheutuu
osapainelisä:
Ks. Seur.sivu
∆p = 461,4 ∙ T ∙ ∆ν = 461,4 ∙ (273+21) ∙ 0,004 = 524 Pa
Talvella: ts = +21,0 ⁰C, ps = 215 + 524 = 739 Pa
Kesällä: ts = +21,0 ⁰C, ps = 1257 + 524 = 1781 Pa
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
[T]=K
12
Lisäys (RH) (vrt. D.Björkholtz. Lämpö ja kosteus, s.55).
Kosteusvirta
g  v
v
;
x
 v on vesihöyryn läpaisevyys [(kg/m  s)/(kg/m3 )  m 2 /s]
v on kosteusero matkalla s [kg/m 3 ]
x on diffuusiomatka [m]
tai
g p
p
;
x
 p on vesihöyryn läpaisevyys [kg/m  s  Pa]
p on vesihöyryn osapaine matkalla s [Pa]
x on diffuusiomatka [m]
Vesihöyryn läpäisevyyksien  v ja  p valillä on yhteys
 v  461, 4  273  t   p
Kun
v
v
p
p

x
x
 p  461, 4  273  t  v
p  461, 4  273  t   p
1
p
v
13
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa (D. Björkholtz, s.70)
Tiivistymisajanjakso / Talvi:
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
14
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa (D. Björkholtz, s. 70)
Tiivistymisajanjakso:
Todellinen kosteus saavuttaa
kyllästymiskosteuden arvon
punatiilen ja villan rajapinnassa.
Tiivistyminen aikayksikössä:
gtiiv 

ps  pki pki  pu

ZB
ZA
739  308 308  215

9
12,0  10
4, 3  109
 1,43  108 kg/(m2s)
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
15
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa (D. Björkholtz)
Tiivistymisajanjakso:
Tiivistyneen kosteuden määrä 60
vrk pitkänä ajanjaksona:
Gtiiv  gtiiv  t
 1,43  108  60  24  3600  1000
 74 g/m2
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
16
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa (D. Björkholtz)
Kuivuminen / Kesä:
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
17
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa (D. Björkholtz)
Kuivuminen / Kesä:
Kuvasta ja taulukosta havaitaan,
että rakenne kuivuu kesäaikana
ulos mutta ei sisäänpäin.
pu < pki
ps > pki
gkuiv 

pki  pu pki  ps

ZA
ZB
1753  1257 1753  1781

9
4,3  10
12,0  10 9
 11, 3  108 kg/(m2s)
Gkuiv  11, 3  108  60  24  3600  1000
 586 g/m2
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
18
ESIMERKKI: Tarkastellaan kuvan mukaisen seinärakenteen
toimintaa Kajaanin ilmasto-olosuhteissa (D. Björkholtz)
Koska Gkuiv/Gtiiv = 8, on ilmeistä että rakenteesta poistuvan kosteuden
määrä on kohtuullisesti suurempi kuin tiivistyneen ja rakenne toimii
kosteusmielessä tyydyttävästi.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
19
KOSTEUSKONVEKTIO RAKOJEN JA REIKIEN LÄPI
(Björkholtz, s.58)
Jos raon tai reiän läpi virtaava ilmamäärä Q [m3/s] tunnetaan, saadaan
kosteusvirta:
g   Q
[kg/s]
ν on ilman vesihöyrypitoisuus (kg/m3).
Laminaarinen virtaus raossa, jonka syvyys on l, leveys b ja pituus d
b 2 p
Q  bd 

12   l
[m3/s]
Laminaarinen virtaus reiässä, jonka syvyys on l ja halkaisija d
Q
 d2
4
d 2 p


[m3/s]
32   l
η on ilman viskositeetti.
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
d
l
b
20
KOSTEUSKONVEKTIO AINEKERROKSEN LÄPI (Björkholtz, s.58)
Kun rakenne koostuu homogeenisesta ainekerroksesta, saadaan sen
läpi siirtyvä kosteusvirta laskettua kaavalla:
Ilmanpaine-ero toimii
p
pis  piu
2
konvektiivisen virtauksen
g    ka 
 
[kg/ m s]
potentiaalina. (RH)
x
R
 i
Δpi
Δx
pis, piu
ν
Ri
di
ka,i
Ri 
on ilman paine-ero matkalla x [Pa]
on ilman virtausmatka [m]
ovat sisä- ja ulkoilmanpaineet [Pa],
on sisä- ja ulkoilman kosteuspitoisuuksien ero (kg/m3),
on rakenteessa olevan ainekerroksen ilmanvastus [sPa/m].
ainekerroksen paksuus [m],
ainekerroksen ilmanläpäisevyys [m2/(sPa)].
di
x

k a ,i k a ,i
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
Sama idea kuin diffuuttisen vastuksen ja
lämmönvastuksen laskemisessa. (RH)
21
AINEIDEN ILMANLÄPÄISEVYYKSIÄ
Lähde: Björkholtz
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska
22
ESIMERKKI: Kevytbetonielementtiseinän läpi kulkevat
kosteusvirrat (D. Björkholtz, s.59)
Ulkoseinä koostuu kevytbetonielementeistä, joiden paksuus on 250 mm.
Diffuusion vesihöyryvirta:
Rakennuksen sisäilmassa on ulkoilmaan nähden 5g/m3 enemmän
vesihöyryä ja ilmanpaine on sisällä 10 Pa suurempi kuin ulkona.
Vesihöyry aiheuttaa osapaine-ero:
p  461,4  T   461,4  273  20  0,005  676 Pa
Diffuusiolla kulkeva kosteusvirta kun kevytbetonin vesihöyryn
läpäisevyys on δ = 30∙10-12 kg/(m∙s∙Pa):
gv 
ps  pu p
676


 81  10 9 kg / (m2 ∙s)

12
Zp
 d  0, 25 / 30  10
 
 
Kosteuskonvektio seinän läpi:
Kevytbetonin ilmanläpäisevyys ka = 5 ∙10-9.
p
10
g    ka 
 0,005  5  10 9 
 1  10 9 kg/(m2 ∙s)
x
0, 25
Rakennusfysiikka – Vesihöyrykosteuden siirtyminen rakenteissa – Osa 2
Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto / Mikko Malaska