Tuulettuvien yläpohjarakenteiden rakennusfysikaalinen toiminta kenttäkokeissa

Abstract

Tämä diplomityö tehtiin Tampereen yliopiston rakennusfysiikan tutkimusryhmässä osana Business Finlandin ja yritysten rahoittamaa Future Spaces -hanketta. Tutkimusta varten kerättiin mittausdataa Tampereen Hervannassa sijaitsevista koerakennuksista vuoden 2022 tammikuun ja marraskuun välisenä aikana. Työn tarkoituksena oli selvittää erilaisten puurakenteisten tuulettuvien yläpohjien toimintaa nykyisessä ilmastossa. Tärkeimpiä mitattavia suureita olivat lämpötila ja suhteellinen kosteus.

Ilmastonmuutos on jo tuonut lisähaasteita rakennusfysikaaliseen suunnitteluun ilman lämpötilan ja vesihöyrypitoisuuden noustessa. Tuulettuvien yläpohjien toiminta perustuu ulkoilman kuivattavaan vaikutukseen, mutta kriittisten olosuhteiden yleistymisen ja eristekerrosten kasvamisen myötä yläpohjien olosuhteet muuttuvat kosteamman tuuletusilman myötä jatkuvasti homekasvulle edullisemmaksi. Tästä syystä on tärkeää kehittää sellaisia rakenneratkaisuja, jotka ovat vikasietoisia ja kestävät ilmastonmuutoksen aiheuttaman lisärasituksen. Tutkituissa yläpohjarakenteissa oli suomalaisille pientaloille tyypillinen peltikatteella varustettu puuristikkorakenteinen vesikatto. Mittausdataa kertyi yhteensä kuudesta yläpohjaelementistä, jotka oli sijoitettu kahteen Tampereen Hervannassa sijaitsevaan koerakennukseen. Tutkittavissa rakenteissa oli kahta Suomessa tyypillisesti käytettyä eristelaatua: kivivilla ja selluvilla, joiden hygroskooppiset ominaisuudet poikkeavat merkittävästi toisistaan. Aiempien tutkimusten pohjalta valittiin tutkittavaksi myös lämmöneristetyn aluskatteen ja rajoitetun ilmanvaihdon vaikutuksia yläpohjan olosuhteisiin. Sekä lämmöneristetyn aluskatteen että rajoitetun ilmanvaihdon positiivisina vaikutuksina arveltiin olevan yläpohjien keskilämpötilaa nostava, ja tätä kautta ilman suhteellista kosteutta alentava vaikutus.

Kaikissa tutkituissa yläpohjissa homeindeksit jäivät mittausjaksolla reilusti raja-arvon (M<1, eli ei homekasvua) alapuolelle. Rajoitetulla ilmanvaihdolla todettiin kuitenkin olevan merkittävin positiivinen vaikutus yläpohjan olosuhteisiin. Rajoitetun ilmanvaihdon takia lämpötilat olivat etenkin kylminä vuodenaikoina yläpohjassa selvästi korkeammat kuin muissa yläpohjissa, mikä johti keskimäärin maltillisempiin suhteellisen kosteuden lukemiin. Kenttämittausten tulosten perusteella aluskatteen lämmöneristävyydellä tai lämmöneristeen suurella hygroskooppisuudella ei ollut merkittävää vaikutusta yläpohjan olosuhteisiin. Lämpöä eristävä aluskate tasasi jonkin verran lämpötilan vaihtelua yläpohjassa etenkin kesäaikaan, mutta keväisin ja syksyisin vaikutus ei ollut yhtä merkittävä. Hygroskooppisempi lämmöneriste puolestaan tasasi hieman vesihöyrypitoisuuden vaihtelua yläpohjassa, mutta selkeää näyttöä sen hyödyistä ei saatu tämän tutkimuksen yhteydessä.

Rajoitetun ilmanvaihdon elementtejä lukuun ottamatta tutkituissa yläpohjarakenteissa oli suuntaa antavien ilmanvaihtuvuusmittausten perusteella suurehko ilmanvaihtuvuus (n. 8…18 1/h), mikä todennäköisesti vähensi eristeen hygroskooppisuuden ja lämpöä eristävän aluskatteen vaikutuksia. Tämän takia näiden vaikutuksia kannattaisi tutkia myös rajoitetumman ilmanvaihdon olosuhteissa, minkä lisäksi rakenteiden toimivuutta olisi syytä tutkia myös ilma- ja vesivuotojen sattuessa.

This thesis was conducted at the Building Physics Research Group of the Tampere University as part of the Future Spaces -project funded by Business Finland and companies. Measurement data was collected from experimental buildings located in Hervanta, Tampere, between January and November 2022. The purpose of the study was to investigate the hygrothermal performance of various ventilated timber roof structures in the current climate. The most important measured parameters were temperature and relative humidity.

Climate change has already posed additional challenges to building physics design as air temperature and humidity levels are rising. The functionality of ventilated roof structures is based on the drying effect of outdoor air, but with the increasing prevalence of critical conditions and thicker insulation layers, the conditions in roof structures are becoming increasingly favorable for mold growth due to the more humid ventilation air. Therefore, it is essential to develop structural solutions that are fault-tolerant and can withstand the additional stress caused by climate change.

The roof structures studied had timber truss roofs with metal roofing, typical for Finnish detached houses. Measurement data was collected from a total of six roof elements placed in two test buildings located in Hervanta, Tampere. The structures under investigation included two types of insulation commonly used in Finland: mineral and cellulose wool, which have significantly different hygroscopic properties. Based on previous studies, the effects of insulated underlay and restricted ventilation on attic’s conditions were also selected for investigation. It was hypothesized that both the insulated underlay and restricted ventilation would have a positive impact by raising the average temperature in the roof and thereby lowering the relative humidity.

In all the studied attics, the mold indexes remained well below the limit value of M < 1 (no mould growth). The study found that restricted ventilation had the most significant positive impact on roof conditions. Due to the restricted ventilation, the temperatures in the attic were noticeably higher, especially during the colder seasons, leading to generally more moderate relative humidity readings. According to the field measurement results, the thermal insulation of the underlay or the high hygroscopicity of the insulation did not have a significant impact on the roof conditions. The thermal insulation of the underlay somewhat balanced the temperature fluctuations in the roof, especially during the summer, but the effect was not as significant in the spring and autumn. The more hygroscopic insulation, on the other hand, slightly balanced the fluctuations in humidity by volume in the attic, but no clear evidence of its benefits was obtained in this study.

Except for the elements with restricted ventilation, the roof structures studied had a relatively high air change rate (approx. 8...18 1/h) according to indicative air change measurements, which likely reduced the effects of the insulation's hygroscopicity and the thermal insulation of the underlay. Therefore, these effects should also be studied under conditions of more restricted ventilation, and the performance of the structures should also be investigated in the case of air and water leaks.