Ylivieskan seudun rakennusmestarit ja –insinöörit AMK r.y.

Uudet energiamääräykset, nollaenergiatalo ja rakenteiden lämpö- ja kosteustekninen toiminta 12.2.2013 Haapavesi

Pientalon rakenteiden lämpö- ja kosteusteknisen toiminnan tarkastelu

Professori Ralf Lindberg, Tampereen teknillinen yliopisto

Rakentaminen on mielikuvien laji diat 2…6Rakennuksen rakennusfysiikkaa 7…12Rakennusfysiikan peruskaavat 13…19Ulkoseinien rakennusfysiikkaa 20…26Alapohjiin liittyviä kysymyksiä 27…37Rakennusfysiikka on tärkeä näkökulma 38…40

Rakennus, rakentaminen ja normisto (ohjausjärjestelmä) kehittyvät ja monimutkaistuvat uskomattomalla vauhdilla. Siitä pitää huolen Euroopan unioni ja Suomen lukuisat ministeriöt, jotka ohjaavat rakentamista yhä enemmän poliittisin päätöksin. Rakentamisen tulisi kuitenkin olla yksinkertaista perustoimintaa.

Haapavesi 12.2.2013 1

Miten ihminen oppii?

Omassa päässä tapahtuvan kehittelyn kautta. Jostain tulee virikkeitä, yhdistämme niitä aiempaan tietoomme ja kokemukseen ja maailmakuvamme kehittyy.

Rakentamiseen liittyvä yksi pulma on, että erilaisia virikkeitä, oikeita ja vääriä, on kovin paljon.

Haapavesi 12.2.2013 2

Useimmilla on rakentamisesta selkeät käsitykset

Täysin Täysin samaa erimieltä mieltä

Seinän tulee olla ”hengittävä” 1 2 3 4 5Seinän tulee olla tiivis 1 2 3 4 5

Alapohjan tulee olla maanvarainen 1 2 3 4 5Alapohjan tulee olla ryömintätilainen 1 2 3 4 5

Ilmanvaihdon on oltava koneellinen 1 2 3 4 5Ilmanvaihdon on oltava painovoimainen 1 2 3 4 5

Käsitykseni asiasta perustuu tietoonkokemukseenmielikuvaan

Haapavesi 12.2.2013 3

”Hengittävä seinä” on mahdollinen ja käyttökelpoinen, energian kulutus ei ole aivan niin hyvin hallinnassa kuin nykyisin odotetaan

Vanhan hirsitalon ”terveellisyys” perustui seinien rakojen kautta tapahtuvaan ilmanvaihtoon.

Nykyisin pyritään ilmanpitävyys (tiiviys) kaikin tavoin varmistamaan. Kun siinä onnistutaan ilma on vaihdettava erikseen, hengittämällä se ei vaihdu.

Käytöstä aiheutuvan kosteusrasituksen tulee olla pienen.

Tiivis rakennus mahdollistaa hallitun energiankäytön. Tiiviys sinänsä ei ole huono asia.

Tiivis rakennus ja toimimaton ilmanvaihto ovat huono yhdistelmä. Tämä oli syy tiiviiden rakennusten ankaraan arvosteluun.

Haapavesi 12.2.2013 4

Maanvarainen ja ryömintätilainen alapohja kumpikin voitaisiin aivan hyvin ”lailla kieltää”. Kuitenkin kummankin kanssa voidaan hyvin myös tulla toimeen.

Rakennuksen alapuolisessa maaperässä kasvaa aina mikrobeja ja sädesieniä. Ne eivät kasva rakennusvirheen seurauksena vaan siksi, että maaperässä ovat aina kasvulle parhaat mahdolliset edellytykset (sopiva lämpötila, kosteutta ja ravintoa).

Ylivoimaisesti tärkein huolehdittava asia on alapohjan mahdollisimman hyvä tiiviys alapuoliseen maaperään päin (seinäliittymät, lävistykset), jotta lämmityskaudella ei vuotokohdista imetä mikrobien haittavaikutuksia sisäilmaan.

Haapavesi 12.2.2013 5

Sekä koneellisesta että painovoimaisesta ilmanvaihtojärjestelmästä on paljon hyviä ja huonoja kokemuksia.

Molemmat toimivat, mutta vain siinä tapauksessa, että käyttäjä ymmärtää toiminnan idean ja osaa huoltaa järjestelmän.

Nykyisten lämmöneristysmääräysten voimassa ollessa molemmat ovat mahdollisia.

Pientaloista noin 90 % varustetaan koneellisella sisään puhalluksella, poistolla ja lämmön talteenotolla.

Rakennuksen ilmanvaihtojärjestelmät:

1. Koneellinen sisään puhallus ja poisto, 2. Koneellinen poisto ja korvausilmaventtiilit3. Painovoimainen

Haapavesi 12.2.2013 6

-10 oC2/2,2 g/m3

RH = 90 %

-10 oC2/2,2 g/m3

RH = 90 %

+20 oC2/17 g/m3

RH = 12 %

Rakennuksen rakennusfysikaalisen toiminnan lähtökohta on ulkoilma

Kaikki rakenteet toimivat hyvin, jos kosteuslisää ei oleHaapavesi 12.2.2013 7

0-5-10-15-20 5 10 15 20 25 30

10

20

30

5

15

25

0,872,20

4,85

9,45

17,28

Vesihöyryn kyllästyspitoisuus vk

vk g/m3

t

oC

LämpötilaHaapavesi 12.2.2013 8

+20 oC5/17 g/m3

RH = 30 %

-10 oC2/2,2 g/m3

RH = 90 %

Lämpö

Kosteus

Talvi on Suomessa erittäin ankara rasitus olosuhde rakennuksille

Pienikin kosteuslisä aiheuttaa sen, että sisäilmaa ei saa vuotaa rakenteisiin

Haapavesi 12.2.2013 9

+20 oC13/17 g/m3

RH = 75 %Kosteus

+20 oC10/17 g/m3

RH = 60 %

Kesä on Suomessa täysin toisenlainen

Sisäilman kosteus ei käytännössä ylitä ulkoilman kyllästyspitoisuutta,jolloin kaikki rakennukset toimivat hyvin.

Suomessa on puolet vuodesta talvitilannetta ja puolet kesätilannetta

Haapavesi 12.2.2013 10

Hyvä ja toimiva ilmanvaihto on kaikissa suomalaisissa rakennuksissavälttämätön.

Esimerkki ilmanvaihdon merkityksestä kosteuslisään.

Huoneisto 120 m2, tilavuus 300 m3. Perheen kosteudentuotto voihyvin olla 12 l/vrk (tavallinen tuotto).

Hyvä ilmanvaihto on noin 0,5 krt/h (puoli tilavuutta vaihtuu tunnissa eliilma vaihtuu kerran kahdessa tunnissa eli 12 kertaa vuorokaudessa).

Kosteudentuotto on 1000 g/ilmanvaihtokerta. Kosteuslisä on tällöin1000/300 = 3,3 g/m3 (tavanomainen arvo).

Heikko ilmanvaihto 0,25 krt/h (ilma vaihtuu 6 kertaa vuorokaudessa).

Kosteudentuotto on tällöin 2000/300 = 6,6 g/m3 (todella ankara rasitus).

Monissa rakennuksissa on tätäkin heikompi ilmanvaihto.

Haapavesi 12.2.2013 11

-10 oC2/2,2 g/m3

90 %20 oC2,1/17 g/m3

12 %

30 oC60 %

18/30 g/m3

Urheiluhallissa ei olesuurta kosteuslisää

Uimahallin olosuhteet ovatrakenteille paljon ankarammat.Ylipaine voi olla rakenteille tuhoisa.

Muita ankarien olosuhteiden rakennuksia:Kirjapainot 25 oC 70 % 16/23 g/m3

Taidemuseot 22 oC 60 % 11/19 g/m3

Jäähallissa kosteus kulkee kesällä sisään ja talvella ulos.Rakennusaikainen kosteus voi joissakin tapauksissa muodostaa ison kosteuslisän.

Rakennuksen käytöstä johtuvalla kosteuslisällä on iso merkitys

Haapavesi 12.2.2013 12

Seuraavassa on peruskaavat ja perusmateriaaliominaisuudet lämpö- ja kosteusteknisten laskelmien suorittamiseksi.

Laske perustapaus talvella ja kesällä.

Muuta tilannetta vaikka lisäeristyksellä, laske uudelleen samoilla parametreilla, saat hyvän kuvat tilanteesta.

Haapavesi 12.2.2013 13

Lämpö- ja kosteustekninen käyttäytyminen

1. Lämpötilakäyrä* Lämmönjohtavuus , materiaaliominaisuus* Lämmönvastus R, rakenneominaisuus* Pintavastukset* Sisä- ja ulkolämpötilaLämpötilaero tasoittuu lämmönvastusten suhteissa.

2. Kyllästyspitoisuuskäyrä* Riippuu vain lämpötilasta, lähes luonnonlaki

3. Vesihöyrynpitoisuuskäyrä* Vesihöyrynjohtavuus , materiaaliominaisuus* Vesihöyrynvastus Z, rakenneominaisuus* Ulkoilman vesihöyrynpitoisuus tulee luonnosta* Sisäilman pitoisuus käytöstä tulevan kosteuslisän kauttaVesihöyrynpitoisuusero tasoittuu vesihöyrynvastusten suhteissa.

Haapavesi 12.2.2013 14

Ainekerrosten lämmönvastuksia R = d/

Ainekerros m2oC/W Ainekerros m2oC/W

Mineraalivilla 200Puukuitueriste 200Polystyreeni 200Polyuretaani 100

Kevytsora 300Siporex 300

Puu 200

4,54,54,53,5

3,03,0

1,5

Betoni 100Teräs 100

Kipsilevy 13Huok. kuitulevy 12

SisäpintaUlkopinta

0,060

0,060,2

0,130,04

Jos ainekerroksen paksuus on eri kuin taulukossa, muuttuu lämmönvastuskin paksuuksien suhteissa.

Esim. puu 100, R = 0,5 * 1,5 = 0,75

Haapavesi 12.2.2013 15

0-5-10-15-20 5 10 15 20 25 30

10

20

30

5

15

25

0,872,20

4,85

9,45

17,28

Vesihöyryn kyllästyspitoisuus vk

vk g/m3

t

oC

LämpötilaHaapavesi 12.2.2013 16

Ainekerrosten vesihöyrynvastuksia Zv = d/

Ainekerros Zv

*103 s/m

**

Polyeteenikalvo 0,2Ilma 100

Betoni 100Puu 100Siporex 100

Mineraalivilla 100Polystyreeni 100Polyuretaani 100

> 20004

30…100030…50010…50

4…1270…110

600…7500

35004

15040030

81001300

** laskentaan soveltuva tyypillinen arvo

Haapavesi 12.2.2013 17

Ainekerrosten vesihöyrynvastuksia Zv = d/

Ainekerros Zv

*103 s/m

**

Kipsilevy 13Huokoinen kuitulevy 12Kovalevy 3,2Vaneri 13

Maalit

LinoleumMuovimatto

1,6…4,52,5…3,52,5…3,515…80

5…120

200500

433

50

Jos ainekerroksen paksuus on eri kuin taulukossa, muuttuu vesihöyryn vastuskin paksuuksien suhteissa.

Esim. betoni 200 Zv = 2 * 150 * 103 = 300 * 103 s/m

Haapavesi 12.2.2013 18

Diffuusion vauhti

g = v/Zv

g on vesihöyryn diffuusiovauhti g/m2 sv on vesihöyrynpitoisuus ero kahden pisteen välillä, kaste-pistettä tällä välillä ei saa olla g/m3Zv on rakenteen vesihöyrynvastus samojen pisteiden välillä s/m

, missä

Kondensoituvassa rakenteessa lasketaan kastepisteeseen tiivistyvävesimäärä ja kastepisteestä poistuva vesimäärä. Lopullinen kertyvä vesimäärä on näiden erotus.

Rakenteen toimivuutta voi arvioida laskemalla yhden viikon ajantalvitilannetta ja yhden viikon ajan kesätilannetta. Talven jäljiltäotaksutaan kastepisteeseen RH 100%. Jos kesällä kuivuu kaksin-kertainen kosteusmäärä kuin talvella tiivistyy, rakenne on toimiva.

Haapavesi 12.2.2013 19

Esim: Puurakenteisen seinän rakennusfysikaalinen käyttäytyminen

d R % t

mm W/m o C m 2o C/W oCSisäilma 20,0Sisäpinta 0,13 2,7 19,2Kipsilevy 13 0,06 4,0 18,8Höyrynsulku 0,2 0,000 4,0 18,8Eriste 175 0,04 4,268 94,3 -8,3Tuulensuoja 12 0,20 98,5 -9,6Ulkoilma 0,07 100 -10,0Yhteensä 4,73

V k Zv*103% v

g/m3 s/m g/m3

Sisäilma 17,3 8,6Sisäpinta 16,5 8,6Kipsilevy 16,1 4 0,1 8,6Höyrynsulku 16,1 3500 99,6 2,0Eriste 2,7 11 99,9 2,0Tuulensuoja 2,2 3 100 2,0Ulkoilma 2,2Yhteensä 3518

Kosteuspitoisuudet

Lämpötilat

20 oC

10

0

-10-10

0 g/m3

10

20

2,2

20

17,3

8,650 %

2,090 %

Haapavesi 12.2.2013 20

20 oC

10

0

-10-10

0 g/m3

10

20

2,2

20

17,3

8,650 %

2,090 %

Höyrynsulullisen seinän diffuusiovauhti

vkomg

Zg

2

3

1,1

724360010)31135004(

0,26,8

Diffuusiovauhti on mitätön

Haapavesi 12.2.2013 21

20 oC

10

0

-10-10

0 g/m3

10

20

2,2

20

17,3

8,650 %

2,090 %

Jos höyrynsulku puuttuu, rakenteeseen eisynny teoreettisesti kondenssitilannetta (taioikeastaan syntyy, miksi?).

Tässä tapauksessa vesihöyrynvastus Z onnoin (4+11+3)x103 s/m ja diffuusio-vauhdiksi saadaan:

vkomg

Zg

2

3

220

724360010)3114(0,26,8

Tämä on suuri diffuusiovauhti.Lopulta syntyy kondenssi, koska tuulensuojanvesihöyrynvastus kasvaa huokosvedenjäätymisen seurauksena.

Läpäisevän puurakenteisen seinän diffuusiovauhti

Haapavesi 12.2.2013 22

Rakennusaikaisen kosteuden vaikutus läpäisevään seinään

R Zm2oC/W s/m*103

Ulkopinta 0,04Umpilaudoitus 20 0,15 80Eriste 200 4,5 16Paperi 0 0Kipsilevy 0,06 4Sisäpinta 0,13

Lämmönvastus R, eriste ratkaisee, muut yhteensä alle 10 %Vesihöyryn vastus Z, puu ratkaisee, muut yhteensä noin 20 %

Haapavesi 12.2.2013 23

Rakennusaikaisen kosteuden vaikutus läpäisevään seinään

+ 20 oC

- 10 oC

17 g/m3

2,2 g/m3

2,0/2,2 g/m3

90 %

10/17 g/m3

60 %

Vesihöyryn diffuusiovauhtitässä tilanteessa noin 250 g/m2viikossa, koska vesihöyrynvastus on niin pieni.

Kaikki vesihöyry kondensoituuja jäätyy laudoituksen taakse.

Eristeen tulee kestää kosteutta.

Jos kosteuslisää ei ole tai seon pieni, rakenne toimii.

Haapavesi 12.2.2013 24

R Zm2oC/W s/m*103

Ulkopinta 0,04Umpilaudoitus 20 0,15 80Eriste 200 4,5 16Muovi 0,2 0 3500Kipsilevy 0,06 4Sisäpinta 0,13

Lämmönvastus R, eriste ratkaisee, muut yhteensä alle 10 %Vesihöyryn vastus Z, muovi ratkaisee

Rakennusaikaisen kosteuden vaikutus tiiviiseen seinään

Haapavesi 12.2.2013 25

+ 20 oC

- 10 oC

17 g/m3

2,2 g/m3

2,0/2,2 g/m3

90 %

10/17 g/m3

60 %

Rakennusaikaisen kosteuden vaikutus tiiviiseen seinään

Rakennusaikaisesta kosteudestaei ole haittaa.

Diffuusiovauhti on hyvin pieni,noin 1 g/m2 viikossa (käytännössämitätön).

Rakenne toimii suurellakinkosteuslisällä.

Haapavesi 12.2.2013 26

Hiekan kosteus (RH) ja vesipitoisuus

Hiekan kuivatiheys on noin 1500 kg/m3. Hiekka on yleensägraniittia tai vastaavaa, jonka tiheys on noin 2700 kg/m3.

Kiintoainetta on hiekassa 1500/2700 0,55. Siten 1 m3:ssä hiekkaaon kiviainesta 550 l ja tyhjätilaa (ilmaa) 450 l. Tyhjätilan ilmassa onaina vesihöyryä ja tyhjätilassa on aina myös vettä.

Materiaalin vesimääräilmoitetaan useinprosentteina kuivapainosta.

Jo hyvin pieni vesimääräaiheuttaa sen, että hiekanhuokosilman RH = 100%.

Hiekka on aina kosteaa, seei saa olla märkää.

Kuopalla kosteutta on hiekassa tavanomaisesti 3…5 %

p vettä RHvesim /kuivap l %

30% 450 10010 150 1001 15 100

0,5 7,5 1000,1 1,5 20

Haapavesi 12.2.2013 27

Parketti 15

Betoni 70

Polystyreeni 100

Muovikalvo 0,2

Täytesora 300

Perusmaa

Esimerkki maanvaraisesta alapohjasta, jossa muovikalvostaon enemmän haittaa kuin hyötyä

Haapavesi 12.2.2013 28

20

13

10

toC

0

17,3

11,4

9,5

vk

g/m3v

g/m3

RH 30 % 5

9,5RH 100 %

Zv

20

*103 s/m

100

100

3500

20

Tilanne 10 vuoden päästä rakentamisesta, kun rakennusaikainenkosteus ei enää vaikuta

Haapavesi 12.2.2013 29

20

13

10

toC

0

17,3

11,4

9,5

vk

g/m3v

g/m3

RH 30 % 5

9,5RH 100 %

Zv

20

*103 s/m

100

100

3500

20

Tilanne heti rakentamisen jälkeen, kun laatta muodostaatärkeän kosteuslähteen

Haapavesi 12.2.2013 30

Alapohjiin liittyviä kysymyksiä

Maanvaraiset alapohjat

* Energian säästämiseksi eristettä ei tarvita U-arvon mukaista määrää* Rakennusfysikaalinen toiminta paranee eristemäärän kasvaessa* Laatta kuivuu pääasiassa vain sisäänpäin (läpäisevä pinnoite)* Betonilaatta on tärkeä kosteuslähde jopa 10 vuotta* Maaperän jäähdyttäminen esim. radonputkituksen avulla olisi erinomainen ratkaisu fysikaalisen toiminnan kannalta* Maaperään yhteydessä olevien vuotoreittien tiivistäminen on erittäin tärkeää, usein polyuretaanivaahto auttaa vaikkakaan ei ole paras ratkaisu

Haapavesi 12.2.2013 31

Ulkoilma

Sisäilma

Maaperä

Ryömintätila

+ 20 oC5/17 30 %

- 10 oC

2/2,2 g/m3

90 %+ 2 oC2/5,6 35 %

5/5 100 %0 oC

Ryömintätilainen alapohja talvella

Kosteus ryömintätilassa ei muodosta ongelmaa

Haapavesi 12.2.2013 32

Ulkoilma

Sisäilma

Maaperä

Ryömintätila

+ 20 oC13/17 75 %

+ 17 oC

10/14,5g/m3

70 %+ 15 oC

10/13 78 %

11,4/11,4 100 %13 oC

Ryömintätilainen alapohja kesällä, kun olosuhteet ovattavanomaiset

Ankarat, mutta siedettävät olosuhteet ryömintätilassa

Haapavesi 12.2.2013 33

Ulkoilma

Sisäilma

Maaperä

Ryömintätila

+ 20 oC16/17 90 %

+ 17 oC

14/14,5g/m3

96 %+ 15 oC13/13 100 %

11,4/11,4 100 %13 oC

Ryömintätilainen alapohja kesällä sadekautena

Ryömintätilassa on kondenssi ja mikrobikasvustolle otollisetolosuhteet tehdäänpä mitä tahansa.

Haapavesi 12.2.2013 34

Ryömintätilat

* Mikrobikasvua tapahtuu ryömintätilassa kosteina kesäaikoina* Alapohjan täydellinen ilmanpitävyys on erittäin tärkeä (vaikea toteuttaa)* Ryömintätilat tulevat talvisin kylmemmiksi (jäätymismahdollisuus)* Kuivaimella ryömintätila toiminee parhaiten (ilmanvaihto, mitoitus, rakennusaikainen vesimäärä on yleensä suuri kuivaimen kapasiteettiin nähden)

Täytöissä on alussa jopa 70 l/m3 vettä ja lopputilanteessa 10 l/m3. Vettä poistuu ryömintätilasta 60 l/m3. Täyttöä on helposti jopa 50 m3, joten ylimääräistä vettä on tuhansia litroja. Tätä ei poista nopeasti tuuletus eivätkä verrattain pienitehoiset kuivaimet.

Haapavesi 12.2.2013 35

Mikrobeja kasvaa laatan alla maaperässä,koska siellä ovat hyvät olosuhteet. Tämäon jo mittauksin osoitettu.

Laatta kutistuu ja rako syntyy sokkelinja laatan väliin

Talvella lämmitettäessä osa korvausilmastamikrobihaittoineen virtaa laatan alta

Ongelmakohta on tehtävä niin, että raon syntymisen jälkeenkinilmavuoto on estetty. Mikrobikasvua laatan alla on joka tapauksessa.

Haapavesi 12.2.2013 36

2

3

4

1 1. Korvausilmaa ei saa tulla sisään alajuoksun alta2. Vuotoreittiä laatan alle ei saa olla3. Kosteudenkulku maaperästä rakenteisiin on estettävä4. Kylmäsilta liittymässä aiheuttaa ongelmia5. Radon, ym.6. Koko liitosalueen kuivumismahdollisuus

Perustusliitoksen toiminnalle on pelkästään fysiikan näkökulmasta useita tavoitteita

Yhden asian hoitaminen on usein toisesta näkökulmasta haitallista. Haasteita riittää.

Haapavesi 12.2.2013 37

Rakennusfysiikka on tärkeä näkökulma

Todellinen asiantuntijaohjaus tavoittaa vain pienen osan rakentamisesta. Valtaosa rakentajista ja suunnittelijoista saa tietonsa jotenkin muuten.

Kosteuteen ja veteen liittyvät ongelmat vaivaavat jo nyt rakentamista. Erilaisten virheiden seuraukset ovat pahemmat paremmin eristetyissä rakenteissa.

Kosteuskysymyksistä on saatu paljon uutta tietoa viimeisten 15 vuoden aikana. Oppi ei mene itsekseen käytäntöön.

Haapavesi 12.2.2013 38

Eristysmäärän kasvaessa erilaisten rakennusvirheiden ja virheellisten ratkaisujen seuraukset kosteusvauriotapauksissa ovat vakavammat

Rakennusaikainen kosteus tulee aiheuttamaan enemmän harmeja, koska monissa tapauksissa rakennuksen rakennusaikaista kosteudenhallintaa ei osata kovin hyvin nytkään.

Monissa rakennuksissa on hyvin suuri kosteusrasitus (uimahallit, kostutetut rakennukset, jne.)

Erilaisten ilmavuotojen seuraukset ovat vakavammat.

Uusien määräysten seurauksena tullaan kehittämään paljon uusia rakenneratkaisuja. Yksinkertaisten kosteusteknisten tarkastelujen laatiminen on monille ”asiantuntijoillekin” ylivoimaista. Siksi uusiin rakenneratkaisuihin tulee liittymään paljon riskejä.

Laskennan periaate: talvi, kesä, heti rakentamisen jälkeen ja lopputilanteessa. Kosteuslähteiden arviointi on usein vaikeaa.

Haapavesi 12.2.2013 39

Rakennetyyppi on hyvä lähtökohta, mutta sillä ei voida rakentaa kaikkia yksityiskohtia.

Detaljeja voidaan suunnitella vain rajattu määrä.

Tästä seuraa, että rakennuksen monien yksityiskohtien lopullinen toteutus ratkaistaan työmaalla.

Siksi on tärkeää pyrkiä lisäämään kaikkien rakentajien ymmärrystä rakennusfysiikkaan liittyvistä kysymyksistä. Opin tulee olla selkeää ja yksinkertaista.

Haapavesi 12.2.2013 40