Tiiliverhottujen puurunkoisten ulkoseinien toiminta jäähdytetyissä rakennuksissa nykyisessä ja tulevaisuuden ilmastossa
Hyötyläinen, Maiju (2025)
2025
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
Hyväksymispäivämäärä
2025-05-13
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202505125329
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202505125329
Tiivistelmä
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli etsiä tärkeimpiä tekijöitä tiiliverhotun puurankaseinän ra-kennusfysikaalisen toimivuuden kannalta tulevaisuuden ilmastossa. Odotettavissa on, että ke-säaikaisen jäähdytyksen tarve kasvaa huomattavasti, mikä vaikuttaa oleellisesti rakenteiden suunnitteluperusteisiin. Lisäksi tavoitteena oli vertailla rakennusfysikaalisia mitoitusvuosia ja et-siä mitoittavinta vuotta nimenomaan tiiliverhotulle puurankaseinälle.
Toimintakriteeriksi asetettiin homeenkasvu, jota tarkasteltiin laskennallisesti Suomalaisen homemallin avulla. Homeen kasvun vertailusuureena toimi homeindeksi (M), joka saa arvoja vä-liltä 0-6. Toimintakriteeri asetettiin niin, että homeenkasvua ei sallita rakenteen rungossa, läm-möneristekerroksessa eikä höyrynsulun sisäpuolissa rakenteissa (Mmax<1). Homeindeksin las-kenta suoritettiin tasaantuneissa olosuhteissa vuoden mittaisella ajanjaksolla.
Rakennusfysikaaliset laskelmat suoritettiin Comsol Multiphysics 6.1-ohjelmistolla ajasta riip-puvina 2D -simulointeina. Sisäilman lämpötilana käytettiin vakioarvoja +18 °C ja +21 °C sekä vaihtelevaa lämpötilaa 16–21°C. Ulkoilman olosuhteina käytettiin RAMI- ja FRAME-hankkeissa määritettyjen mitoitusvuosien tuntikohtaista olosuhdedataa. Laskentatarkasteluita tehtiin RAMI-hankeen yleiskriittisellä nykyilmaston mitoitusvuodella Jokioinen 2011 ja tiiliverhotulle puuranka-seinälle kohdennetulla Vantaa 2017-mitoitusvuodella sekä näitä vastaavilla tulevaisuuden mitoi-tusvuosilla RCP85-2080-skenaariossa. FRAME-hankkeen vuosista mukaan valittiin Vantaa 2007 -nykyilmasto, sekä tätä vastaava tulevaisuuden ilmasto Vantaa 2100. Vertailulaskelmia tehtiin myös RAMI-hankkeen tarkasteluissa mukana olleella Vantaa 2007 RCP85-2080-mitoitusvuodella. Laskelmat suoritettiin etelänpuoleiselle seinälle.
Mitoittavimmaksi RAMI-hankkeen mitoitusvuosista osoittautui Jokioinen 2011 RCP85-2080-mitoitusvuosi. Vantaa 2017 RCP85-2080-mitoitusvuosi antoi myös kohonneita homeindeksin ar-voja, mutta ei osoittautunut tässä työssä mitoittavimmaksi. Kaikista tarkastelluista vuosista mi-toittavimmaksi osoittautui FRAME-hankeen mukainen Vantaa 2100, jolla tässä työssä suoritet-tiin tarkemmat laskelmat arvioitaessa homeenkasvua rakenteessa.
Kriittisimmäksi ajankohdaksi homeenkasvulle osoittautui heinä-elokuu, jolloin homeindeksin sekä suhteellisen kosteuden arvot olivat korkeimmillaan tarkastelujakson aikana. Nämä yhdis-tettynä kesäajan lämpimään ulkoilmastoon muodostavat yhdessä homeenkasvulle erinomaiset olosuhteet. Homeindeksin arvot nousivat tulevaisuuden ilmastossa selvästi korkeammalle ny-kyilmastoon verrattuna, jolloin voidaan todeta ulkoilman olosuhteiden muuttuvan tulevaisuudes-sa homeenkasvun kannalta kriittisemmiksi. Tarkastelupisteistä kriittisimmäksi tulevaisuuden il-mastossa osoittautui runkotolpan sisäpinta. Tätä selittää kesäaikaan ulkoa sisäänpäin suuntau-tuva vesihöyryn liike, joka pitää suhteellisen kosteuden korkealla höyrynsulun ulkopinnan lähet-tyvillä. Sisäilman lämpötilan laskeminen kasvatti homeindeksin arvoja selvästi. Tulevaisuudessa ilmaston lämpeneminen ja lisääntyvät viistosateet yhdessä rakennusten jäähdytyksen kanssa näyttäisivät siis voimistavan kesäaikaista kosteuden tiivistymistä rakenteisiin (kesäkondenssi).
Tiiliverhouksen taustan ilmanvaihtuvuuden tehostaminen sekä viistosaderasituksen poista-minen tai tiilen pinnan impregnointi vettä pidättäväksi osoittautuivat yksittäisinä tekijöinä merkit-tävimmiksi rakenteen toimintaa parantavaksi tekijöiksi. Myös älykkäiden höyrynsulkukalvojen käyttö, sisäpuolinen lisäkoolaus sekä paksumpi sekä vesihöyrytiiviimpi mineraalivillatuulensuo-ja vähensivät homeenkasvua rakenteessa. Näitä tekijöitä yhdistämällä saatiin laskennallisesti ai-kaan ratkaisu, jossa homeenkasvua ei esiintynyt missään tarkastelupiseissä. The aim of this study was to identify the key factors for the hygrothermal performance of a brick-veneered timber-framed wall in future climates. It is expected that the need for summer cooling will increase significantly, which will substantially affect the design principles of struc-tures. Additionally, the goal was to compare Moisture Design Years (MDY) and to identify the most critical MDY specifically for a brick-veneered timber-framed wall.
The performance criterion was set as mould growth, which was examined computationally using the Finnish Mould Growth Model. The comparison variable for the mould growth was the mould index (M), which ranges from 0 to 6. The performance criterion was set so that mould growth is not allowed in the structural frame, insulation layer, or on the interior side of the va-pour barrier (Mmax < 1). The mould index calculation was performed under stabilized conditions over a one-year period.
Hygrothermal calculations were conducted using COMSOL Multiphysics 6.1 software as time-dependent 2D simulations. Indoor air temperatures used were constant values of +18 °C and +21 °C as well as variable temperatures ranging from +16 °C to +21 °C. Outdoor conditions utilized hourly climate data from moisture design years determined in the RAMI- and FRAME-projects. Calculations were performed for RAMI-project's general critical moisture design year for the current climate, Jokioinen 2011, and for Vantaa 2017-moisture design year, which is tar-geted specifically for a brick-veneered timber-framed wall, as well as their corresponding future dimensioning years for the RCP8.5-2080-scenario. Calculations were also performed for FRAME-project's years, Vantaa 2007 (current climate) and its corresponding future climate year Vantaa 2100. Comparative calculations were also made with Vantaa 2007 RCP85-2080-moisture design year included in RAMI-project assessments. The calculations were performed on a south-facing wall.
The most critical MDY of the RAMI project was Jokioinen 2011 RCP85-2080-MDY. Vantaa 2017 RCP85-2080-MDY also produced elevated mould index values but did not prove to be the most critical in this study. Of all the MDY’s examined, the most critical turned out to be Vantaa 2100 according to the FRAME project, which was used in this study for more detailed calcula-tions when assessing mould growth in the structure.
The most critical period for mould growth turned out to be July–August, during which both mould index and relative humidity values were at their highest during the observation period. These factors, combined with warm summer conditions outdoor, create excellent conditions for mould growth. Mould index values rose significantly higher in future climates compared to cur-rent climates, indicating that outdoor conditions will become more critical for mould growth in the future. The inner surface of the frame stud turned out to be the most critical observation point in the future climate. This is explained by inward-moving water vapour during summer, which keeps relative humidity near the outer surface of the vapour barrier on high level. De-creasing indoor air temperature significantly increased mould index values. In the future, climate warming and increasing wind driven rain combined with cooling of occupied spaces appear to intensify summer moisture condensation in structures (summer condensation).
Enhancing ventilation behind the brick veneer, eliminating the presence of wind-driven rain (e.g. by using long roof overhangs) and impregnating brick veneer to make it water-repellent proved to be single most significant factors improving structural performance. Additionally, us-ing smart vapour barrier membranes, internal additional framing, and thicker and more vapour-tight mineral wool wind barriers reduced mould growth in the structure. A solution, where no mould growth occurred at any observation point, was achieved by combining there factor.
Toimintakriteeriksi asetettiin homeenkasvu, jota tarkasteltiin laskennallisesti Suomalaisen homemallin avulla. Homeen kasvun vertailusuureena toimi homeindeksi (M), joka saa arvoja vä-liltä 0-6. Toimintakriteeri asetettiin niin, että homeenkasvua ei sallita rakenteen rungossa, läm-möneristekerroksessa eikä höyrynsulun sisäpuolissa rakenteissa (Mmax<1). Homeindeksin las-kenta suoritettiin tasaantuneissa olosuhteissa vuoden mittaisella ajanjaksolla.
Rakennusfysikaaliset laskelmat suoritettiin Comsol Multiphysics 6.1-ohjelmistolla ajasta riip-puvina 2D -simulointeina. Sisäilman lämpötilana käytettiin vakioarvoja +18 °C ja +21 °C sekä vaihtelevaa lämpötilaa 16–21°C. Ulkoilman olosuhteina käytettiin RAMI- ja FRAME-hankkeissa määritettyjen mitoitusvuosien tuntikohtaista olosuhdedataa. Laskentatarkasteluita tehtiin RAMI-hankeen yleiskriittisellä nykyilmaston mitoitusvuodella Jokioinen 2011 ja tiiliverhotulle puuranka-seinälle kohdennetulla Vantaa 2017-mitoitusvuodella sekä näitä vastaavilla tulevaisuuden mitoi-tusvuosilla RCP85-2080-skenaariossa. FRAME-hankkeen vuosista mukaan valittiin Vantaa 2007 -nykyilmasto, sekä tätä vastaava tulevaisuuden ilmasto Vantaa 2100. Vertailulaskelmia tehtiin myös RAMI-hankkeen tarkasteluissa mukana olleella Vantaa 2007 RCP85-2080-mitoitusvuodella. Laskelmat suoritettiin etelänpuoleiselle seinälle.
Mitoittavimmaksi RAMI-hankkeen mitoitusvuosista osoittautui Jokioinen 2011 RCP85-2080-mitoitusvuosi. Vantaa 2017 RCP85-2080-mitoitusvuosi antoi myös kohonneita homeindeksin ar-voja, mutta ei osoittautunut tässä työssä mitoittavimmaksi. Kaikista tarkastelluista vuosista mi-toittavimmaksi osoittautui FRAME-hankeen mukainen Vantaa 2100, jolla tässä työssä suoritet-tiin tarkemmat laskelmat arvioitaessa homeenkasvua rakenteessa.
Kriittisimmäksi ajankohdaksi homeenkasvulle osoittautui heinä-elokuu, jolloin homeindeksin sekä suhteellisen kosteuden arvot olivat korkeimmillaan tarkastelujakson aikana. Nämä yhdis-tettynä kesäajan lämpimään ulkoilmastoon muodostavat yhdessä homeenkasvulle erinomaiset olosuhteet. Homeindeksin arvot nousivat tulevaisuuden ilmastossa selvästi korkeammalle ny-kyilmastoon verrattuna, jolloin voidaan todeta ulkoilman olosuhteiden muuttuvan tulevaisuudes-sa homeenkasvun kannalta kriittisemmiksi. Tarkastelupisteistä kriittisimmäksi tulevaisuuden il-mastossa osoittautui runkotolpan sisäpinta. Tätä selittää kesäaikaan ulkoa sisäänpäin suuntau-tuva vesihöyryn liike, joka pitää suhteellisen kosteuden korkealla höyrynsulun ulkopinnan lähet-tyvillä. Sisäilman lämpötilan laskeminen kasvatti homeindeksin arvoja selvästi. Tulevaisuudessa ilmaston lämpeneminen ja lisääntyvät viistosateet yhdessä rakennusten jäähdytyksen kanssa näyttäisivät siis voimistavan kesäaikaista kosteuden tiivistymistä rakenteisiin (kesäkondenssi).
Tiiliverhouksen taustan ilmanvaihtuvuuden tehostaminen sekä viistosaderasituksen poista-minen tai tiilen pinnan impregnointi vettä pidättäväksi osoittautuivat yksittäisinä tekijöinä merkit-tävimmiksi rakenteen toimintaa parantavaksi tekijöiksi. Myös älykkäiden höyrynsulkukalvojen käyttö, sisäpuolinen lisäkoolaus sekä paksumpi sekä vesihöyrytiiviimpi mineraalivillatuulensuo-ja vähensivät homeenkasvua rakenteessa. Näitä tekijöitä yhdistämällä saatiin laskennallisesti ai-kaan ratkaisu, jossa homeenkasvua ei esiintynyt missään tarkastelupiseissä.
The performance criterion was set as mould growth, which was examined computationally using the Finnish Mould Growth Model. The comparison variable for the mould growth was the mould index (M), which ranges from 0 to 6. The performance criterion was set so that mould growth is not allowed in the structural frame, insulation layer, or on the interior side of the va-pour barrier (Mmax < 1). The mould index calculation was performed under stabilized conditions over a one-year period.
Hygrothermal calculations were conducted using COMSOL Multiphysics 6.1 software as time-dependent 2D simulations. Indoor air temperatures used were constant values of +18 °C and +21 °C as well as variable temperatures ranging from +16 °C to +21 °C. Outdoor conditions utilized hourly climate data from moisture design years determined in the RAMI- and FRAME-projects. Calculations were performed for RAMI-project's general critical moisture design year for the current climate, Jokioinen 2011, and for Vantaa 2017-moisture design year, which is tar-geted specifically for a brick-veneered timber-framed wall, as well as their corresponding future dimensioning years for the RCP8.5-2080-scenario. Calculations were also performed for FRAME-project's years, Vantaa 2007 (current climate) and its corresponding future climate year Vantaa 2100. Comparative calculations were also made with Vantaa 2007 RCP85-2080-moisture design year included in RAMI-project assessments. The calculations were performed on a south-facing wall.
The most critical MDY of the RAMI project was Jokioinen 2011 RCP85-2080-MDY. Vantaa 2017 RCP85-2080-MDY also produced elevated mould index values but did not prove to be the most critical in this study. Of all the MDY’s examined, the most critical turned out to be Vantaa 2100 according to the FRAME project, which was used in this study for more detailed calcula-tions when assessing mould growth in the structure.
The most critical period for mould growth turned out to be July–August, during which both mould index and relative humidity values were at their highest during the observation period. These factors, combined with warm summer conditions outdoor, create excellent conditions for mould growth. Mould index values rose significantly higher in future climates compared to cur-rent climates, indicating that outdoor conditions will become more critical for mould growth in the future. The inner surface of the frame stud turned out to be the most critical observation point in the future climate. This is explained by inward-moving water vapour during summer, which keeps relative humidity near the outer surface of the vapour barrier on high level. De-creasing indoor air temperature significantly increased mould index values. In the future, climate warming and increasing wind driven rain combined with cooling of occupied spaces appear to intensify summer moisture condensation in structures (summer condensation).
Enhancing ventilation behind the brick veneer, eliminating the presence of wind-driven rain (e.g. by using long roof overhangs) and impregnating brick veneer to make it water-repellent proved to be single most significant factors improving structural performance. Additionally, us-ing smart vapour barrier membranes, internal additional framing, and thicker and more vapour-tight mineral wool wind barriers reduced mould growth in the structure. A solution, where no mould growth occurred at any observation point, was achieved by combining there factor.