Pientalojen puurakenteisten tuulettuvien yläpohjien lämpö- ja kosteustekninen toiminta

Abstract

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää pientalojen puurakenteisten tuulettuvien yläpohjien lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa laskennallisesti tietokonemallinnuksen avulla. Tarkasteltavina rakenteina oli kaksi harjakatto- ja kolme tasakattoyläpohjaa. Tavoitteena oli tarvittaessa tehdä rakenteisiin niiden rakennusfysikaalista toimintaa parantavia muutoksia. Tutkimuksessa tarkasteltiin ideaalisesti toimivien rakenteiden lisäksi tilanteita, joissa rakenteisiin kohdistui ylimääräistä kosteuskuormitusta sade- ja ilmavuotojen seurauksena.

Toimintakriteereiksi valittiin homeen kasvu ja kosteuden kondensoituminen sekä sisäinen konvektio lämmöneristekerroksessa. Homeen kasvua tutkittiin VTT:n ja TTY:n yhdessä kehittämän parannetun homemallin avulla, ja homeindeksin raja-arvoksi asetettiin Mmax≤1,0. Suhteellisen kosteuden raja-arvoksi määritettiin RHmax≤ 98 %. Sisäistä konvektiota rajoitettiin valitsemalla muunnetun Rayleighin luvun raja-arvoksi Ram≤5. Rakenteiden lämpötila- ja kosteusolosuhteet selvitettiin muodostamalla 2-ulotteiset laskentamallit Delphin 5.8.1 -laskentaohjelmaan ja simuloimalla kunkin rakenteen toimintaa kahden vuoden ajan. Ulkoilman olosuhteina käytettiin Jokioisen vuosien 2004 ja 2050 ilmastoa kuvaavia rakennusfysikaalisia testivuosia. Sisäilman lämpötila oli 20 °C ja kosteuslisä 2…5 g/m3 ulkoilmaan nähden. Harjakattorakenteissa käytettiin ilmanvaihtokertoimena 0,5 1/h ja tasakatoissa 0,2 1/h. Sadevuotona käytettiin 1 %:a sateen kokonaismäärästä ja ilmavuodon sisätilasta rakenteeseen mallinnettiin tapahtuvan 1 mm levyisen raon kautta 5 Pa:n paine-erolla.

Kaikki tasakattorakenteet todettiin toimiviksi nykyisessä ja tulevaisuuden ilmastossa, kun niissä ei esiintynyt kosteusvuotoja. Vuotamattomat harjakattorakenteet korjattiin toimiviksi lisäämällä lämmöneristettä aluskatteen alapuolelle. Ilmastonmuutos heikensi olosuhteita enemmän harjakatoissa kuin tasakatoissa. Kosteusvuodot heikensivät kaikkien rakenteiden toimintaa: ilmavuoto erityisesti lähellä rakenteen sisäpintaa ja sadevuoto rakenteen ulko-osassa aiheuttaen jopa erittäin runsasta homekasvua lämmöneristekerroksen kylmällä puolella. Vähemmän tuulettuvien tasakattojen toiminta heikkeni kosteusrasituksen kasvaessa vielä enemmän kuin harjakattojen. Ilmanvaihtuvuuden todettiin vaikuttavan ratkaisevasti kaikkien rakenteiden toimintaan. Laskentatulosten perusteella yläpohjarakenteet on erittäin tärkeää suunnitella ja toteuttaa siten, että vuodoilta vältyttäisiin. Lisäksi yläpohjien 400–500 mm paksut puhalluseristekerrokset olisi korvattava sideaineellisella puhalluseristeellä tai levyeristeen ja sideaineettoman puhalluseristeen yhdistelmällä, jotta sisäisestä konvektiosta ei aiheutuisi haittaa.

The aim of this research was to investigate the hygrothermal performance of ventilated timber roofs in detached houses using computer modelling. Two different ridge roofs and three flat roofs were examined. When necessary, the aim was to change the structures to improve their hygrothermal performance. Besides ideal structures, roofs exposed to extra moisture load due to rain and air leakages were studied.

The performance of the structures was evaluated by the following computational criteria: mould growth, moisture condensation and internal convection in thermal insulation layer. Mould growth was investigated by improved mould growth model developed by VTT and TUT, and the maximum mould growth index was limited to Mmax ≤ 1,0. The maximum relative humidity was limited to RHmax ≤ 98 %. The internal convection was restricted by limiting the modified Rayleigh number to Ram ≤ 5. Hygrothermal conditions inside the structures were examined by forming two-dimensional calculation models of the structures using Delphin 5.8.1 calculation program and simulating the performance of each structure for a two-year period. Data describing the climate in Jokioinen in 2004 and 2050 was used as outdoor conditions in the calculations. The indoor air temperature was 20 °C constantly and the additional moisture content was 2..5 g/m3 compared to the outdoor air. For ridge roofs the air change rate used was 0,5 1/h and for flat roofs 0,2 1/h respectively. 1 % of the total amount of rain was used to simulate a rain leakage through the roofing. An air leakage from inside the building into the structure was modelled to occur through a 1 mm wide slit the pressure difference being 5 Pa.

Each of the flat roof structures were found to perform sufficiently in the present and future climate when there were no moisture leakages in the structure. Respectively, all ridge roofs became acceptable after adding thermal insulation beneath the underlay. The hygrothermal conditions inside the ridge roofs were more impaired due to the climate change than the conditions inside the flat roofs. Moisture leakages impaired the performance of all the structures studied: the air leakage particularly close to the inner surface of the structure and the rain leakage in outer part of the structure causing even abundant mould growth on the cold side of the thermal insulation layer. The less ventilated flat roofs were even more affected by the increase of the moisture load than the ridge roofs. Ventilation was found to have a decisive impact on the performance of all the roof structures. Based on the calculation results, it is essential to design and build roof structures so that moisture leakages would be avoided. In addition, the 400–500 mm thick in-situ formed loose-fill insulations in roof structures should be replaced with products containing a binding agent or with a combination of insulation board and in-situ formed loose-fill insulation in order to avoid disadvantages caused by internal convection.