Ilmavirtaukset rakennuksessa

Rakennuksen painesuhteet ja rakenteiden ilmatiiveys vaikuttavat ilmavirtauksiin rakennuksissa. Ilma virtaa korkeammasta paineesta matalamman paineen suuntaan (ylipaineesta alipaineeseen), katso  Ilman ominaisuudet luku Ilman kokonaispaine. Ilmavirtaukset kuljettavat vesihöyryä, katso  Kosteuden siirtyminen luku Vesihöyryn ja veden siirtyminen ilmavirtauksien mukana, sekä mahdollisesti ilman epäpuhtauksia, kuten homeen hajua.

Rakennuksen painesuhteisiin vaikuttaa kolme tekijää:

  • ilmanvaihto
  • ilman lämpötilaerot (savupiippuvaikutus)
  • tuuli

Ilmanvaihdon vaikutus rakennuksen painesuhteisiin riippuu ilmanvaihtojärjestelmästä sekä järjestelmän säädöistä ja kunnosta.

Epäpuhtauksien kulkeutumisen kannalta tyypillisesti ongelmallisin tilanne aiheutuu kun ilmanvaihtoratkaisu on koneellinen poistoilmanvaihto ja korvausilman saannista ei ole huolehdittu. Tällöin merkittävä osa korvausilmasta voi tulla rakenteiden läpi esim. alapohjarakenteen kautta, ja ilmavirtauksien mukana voi tulla maaperästä mm. mikrobiperäistä hajua.

Ilman lämpötilaerot vaikuttavat rakennuksen painesuhteisiin sitä voimakkaammin mitä kylmempää ulkoilma on sisäilmaan verrattuna. Tällöin rakennuksen alaosaan muodostuu alipaine ja yläosaan ylipaine. Eli alapohjarakenteiden kautta voi tapahtua ilmavirtauksia huonetilaan, ja yläpohjarakenteiden kautta huonetilasta ulospäin.

Tuulen vaikutus painesuhteisiin on tuulen luonteesta johtuen satunnainen, joten esim. mahdolliset hajuongelmat voivat esiintyä hetkellisesti riippuen tuulen suunnasta ja voimakkuudesta. Tuuli on otettava erityisesti huomioon korkeissa rakennuksissa sekä tuulisilla tonteilla, kuten meren/järvenrannalla tai isolla aukealla.

Rakennuksessa tapahtuviin ilmavirtauksiin vaikuttaa painesuhteiden lisäksi rakenteiden ilmatiiveys. Ennekuin ilmavirtauksia voi tapahtua rakenteissa/rakennuksessa on oltava virtausreittejä joita pitkin ilmaa voi virrata. Tyypillisinä ilman virtausreitteinä ovat rakenteiden saumat, halkeamat, läpiviennit sekä tarkistus- ja kulkuluukut. Rakennuksessa olevat LVIS- asennuskuilut ja putkikanaalit voivat myös toimia ilman kulkureitteinä, jolloin esim. homeen hajun lähde saattaa olla jopa rakennuksen ulkopuolella.

Tuuli

Tuulen aiheuttama paine rakennukseen riippuu tuulen nopeudesta ja suunnasta ja rakennuksen geometriasta. Rakennuksen vaippaan muodostuva painejakauma ilmaistaan pinnan muotokertoimilla. Positiivinen muotokerroin tarkoittaa ylipainetta pinnalla ja negatiivinen muotokerroin alipainetta. Tuuli aiheuttaa kohtaamaansa pintaan ylipainetta ja sivuseinille ja suojan puoleiselle seinälle alipainetta. Harjakaton suojan puoleinen lape ja tasakatto ovat alipaineisia.

Rakennuspaikan vallitseva tuulen suunta ja rakennuksen aukkojen sijainti vaikuttavat rakennuksen sisäpuoliseen paineeseen. Jos rakennuksen tuulenpuoleinen seinä on muita seiniä epätiiviimpi, rakennuksen sisäpuolelle muodostuu ylipaine. Rakennuksen sisälle muodostuu alipaine, jos suurin osa aukoista on suojan puoleisella seinällä. Ilmiöllä on merkitystä tarkasteltaessa yksittäistä rakennuspaikkaa, jolloin rakennuspaikan vallitsevan tuulen suunnan avulla voidaan arvioida rakennukseen syntyvää yli- tai alipainetta aukkojen, kuten ovien ja ikkunoiden, perusteella.

Ilman lämpötilaerot

Ulko- ja sisäilman lämpötilaeron aiheuttamaa paine-eroa kutsutaan savupiippuvaikutukseksi. Paine-ero syntyy, kun lämmin ilma nousee kylmää ilmaa kevyempänä ylös. Tasatiiviissä rakennuksessa savupiippuvaikutus aiheuttaa kuvan 1 mukaisen painejakauman ulkoseinään. Ulkoilmaa lämpimämmän rakennuksen sisäpuolella sen alaosiin kohdistuu alipaine ja yläosiin ylipaine ulkoilmaan verrattuna.

Neutraaliakselilla sisä- ja ulkopuolen välinen paine-ero on 0 Pa. Neutraaliakselin sijaintia on käytännössä vaikea tarkkaan määrittää, koska sen sijainti riippuu rakennuksen vaipan epätiiviyskohtien korkeusasemista ja niiden virtausvastuksista, jotka voivat vaihdella satunnaisesti rakennuksessa. Savupiippuvaikutuksen merkitys on suurin talvella, jolloin sisä- ja ulkoilman välinen lämpötilaero on suuri. Savupiippuvaikutuksen aiheuttama rakennuksen sisäpuolinen ylipaine nousee neutraaliakselista ylöspäin noin 0,9 Pa metrillä, kun sisä- ja ulkoilman lämpötilaero on 20 oC. Rakennuksen sisäpuolella on ylipainetta rakennuksen koko korkeudella, kun neutraaliakseli on rakennuksen alaosassa, eli alhaalla on esimerkiksi avoin aukko tai muihin rakennusosiin nähden ilmanpitävyydeltään huonoin rakennusosa, esimerkiksi ulko-ovi tuloilma-aukkoineen. Tällöin sisäpuolen yläosaan kohdistuva ylipaine on suurin. Savupiippuvaikutuksen aiheuttama rakennuksen yläosan ylipaine saattaa kumota ilmanvaihdon aiheuttaman alipaineen.

 

ilmavirtausyksi

Kuva 1. Lämpötilaeroista aiheutuva tasatiiviiseen rakennukseen kohdistuva painejakauma, paine-ero, Dp1 on yleensä eri suuri kuin paine-ero, Dp2

 

Savupiippuvaikutuksen merkitys ja samalla kosteuskonvektion mahdollisuus kasvaa rakennuksen vapaan ilmatilan korkeuden kasvaessa. Tämän vuoksi yli 10 m korkeat tilat, kuten varastot, ja yli 20 m korkeat rakennukset erotetaan omaksi ryhmäksi rakennesuunnittelussa, ja rakenteiden ilman ja vesihöyryn tiiviys on erityisesti otettava huomioon.

Ilmanvaihto

Ilmanvaihdon aiheuttama paine-ero rakennuksen sisä- ja ulkopuolen välillä riippuu ilmanvaihtojärjestelmästä:

  • painovoimainen ilmanvaihto
  • koneellinen poistoilmanvaihto
  • koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto.

Kuvassa 2 on esitetty eri ilmanvaihtojärjestelmiä. Painovoimaisen ilmanvaihdon toiminta riippuu sisä- ja ulkoilman välisestä lämpötilaerosta ja tuulesta. Painovoimainen ilmanvaihto on tehokkaimmillaan kylmänä vuodenaikana. Koneellisten ilmanvaihtojärjestelmien aiheuttamat painesuhteet rakennuksessa riippuvat ilmanvaihtolaitteiston tehokkuudesta ja säädöstä, rakennuksen vaipan tiiviydestä sekä tulo- ja poistoilmaventtiilien määrästä ja sijainnista. Tiiviyteen vaikuttavat rakenneratkaisut ja vaipan epäjatkuvuuskohdat, kuten saumat, ikkunat, ovet ja erkkerit.

 

ilmavirtauskaksi

Kuva 2. Ilmanvaihtojärjestelmien periaateratkaisut.

 

Kuvassa 3 on esimerkki sisä- ja ulkoilman välisestä paine-erosta ja sen muutoksista, kun rakennuksessa on koneellinen poistoilmanvaihtojärjestelmä. Koneellisessa tulo- ja poistoilmanvaihtojärjestelmässä rakennuksen painesuhteet riippuvat poiston ja sisäänpuhalluksen säädöstä. Rakennus on ylipaineinen, kun sisäänpuhallus on suurempi kuin poisto. Poiston ollessa suurempi kuin sisäänpuhallus rakennus on alipaineinen. Koneellisen tulo- ja poistoilmanvaihtojärjestelmän suunnitellut ilmavirrat esitetään LVI-suunnitelmissa. Suomen rakentamismääräyskokoelman osan D2 mukaan ilmanvaihtolaitteisto on suunniteltava siten, ettei se aiheuta vesi-, kosteus- tai muita vahinkoja. Rakennustekniikan kannalta ohje tarkoittaa, että lämpimiä sisätiloja ei tule ilmanvaihtoteknisesti ylipaineistaa.

 

ilmavirtauskolme

Kuva 3. Esimerkki sisä- ja ulkoilman välisestä paine-erosta rakennuksessa, jossa on koneellinen poistoilmanvaihtojärjestelmä.

 

Tuulen, savupiippuvaikutuksen ja ilmanvaihdon yhteisvaikutus painesuhteisiin

Rakennuksen painesuhteet määräytyvät tuulen, savupiippuvaikutuksen ja ilmanvaihdon yhteisvaikutuksesta. Tyypillisesti painesuhteet vaihtelevat eri vuorokauden- ja vuodenaikoina. llmanvaihtolaitteiston toiminta ja tuuli voivat muuttaa painesuhteita vuorokauden aikana hyvin nopeasti ja voimakkaasti. Savupiippuvaikutus muuttaa rakennuksen painesuhteita vuodenaikojen mukaan. Kokonaispaine-eron aiheuttama ilman virtaaminen aiheuttaa kosteusvaurioriskin, jos ilma jäähtyy virratessaan rakenteen läpi, mikä vastaa sisäpuolista ylipainetta, ks. esimerkki 1. Käytännössä kosteuskonvektion aiheuttamaa kosteusvaurioriskiä voidaan arvioida mittaamalla paine-ero rakenteen yli, katso  Ilmavirtaus- ja paine-eromittaukset.

Kirjallisuudessa on esitetty muotokertoimia rakennuksen eri pinnoille. Kuvassa 4 on esitetty seinien muotokertoimia rakennuksessa, jonka seinillä on sama tiiviys.

ilmavirtausnelja

Kuva 4. Tasatiiviin rakennuksen ulkoseinien muotokertoimet. Kertoimet sisältävät rakennuksen sisäisen muotokertoimen.

 Rakennuksen sisäisenä muotokertoimena käytetään yleensä arvoa -0,3. Rakenteen yli oleva paine-ero saadaan ulkopuolisen ja sisäpuolisen muotokertoimen erotuksen avulla seuraavasti:

Dp = ( mu-m s ) [(rv2)/2]

missä

Dp = paine-ero [Pa]

mu = rakenteen ulkopuolinen muotokerroin

m s = rakenteen sisäpuolinen muotokerroin

r = ilman tiheys [kg/m3], lämpötilassa +20 oC kuivan ilman tiheys on 1,205 kg/m3

v = tuulen nopeus [m/s]

Paine-erot eri rakennusosien yli voidaan laskea muotokertoimia ja edellä esitettyä kaavaa käyttäen tai numeerisesti.

Käytännössä tuulen vaikutuksien huomioiminen voidaan tehdä vain likimääräisesti, koska yksittäisen kohteen riittävän tarkka numeerinen mallintaminen on yleensä mahdollista vain tutkimusprojekteissa.

Esimerkki 1

Rakennuksen vapaan ilmatilan korkeuden vaikutus lämpötilaeron aiheuttamaan ylipaineeseen

Oletetaan, että sisä- ja ulkoilman lämpötilaero on 20 oC ja rakennuksen alaosassa on avoin ovi. Kuinka suuri ylipaine eri korkuisten rakennusten yläosiin muodostuu savupiippuvaikutuksesta?

ilmavirtausviisi

Kuva 5. Suurin savupiippuvaikutuksen aiheuttama ylipaine eri korkuisissa rakennuksissa, kun lämpötilaero sisä- ja ulkoilman välillä on 20 oC

 

Esimerkki 2

Tuulen, savupiippuvaikutuksen ja ilmanvaihdon yhteisvaikutus rakennuksen painesuhteisiin

Oletetaan, että rakennukseen kohdistuva tuulen nopeus on 5 m/s. Rakennuksen seinien epätiiveyskohdat ovat jakautuneet tasaisesti. Ulkoilman lämpötila on 0 oC ja sisäilman lämpötila on +20 oC. Rakennuksen vapaan ilmatilan korkeus on 10 m. Rakennuksessa on koneellinen tulo- ja poistoilmanvaihto, joka aiheuttaa rakennukseen 5 Pa alipaineen ulkoilmaan verrattuna.

Millainen painejakauma rakennuksen tuulenpuoleiselle seinälle muodostuu?

Tuuli aiheuttaa seinälle tasaisen painejakauman, jonka suuruus on

p = 0,7[(1,29x52 )/2] Pa = 11,3 Pa.

Savupiippuvaikutus aiheuttaa seinälle kuvan 6 mukaisen painejakauman. Rakennuksen sisäpuolella alaosassa on suurimmillaan 4 Pa alipaine ja yläosassa lähes yhtä suuri ylipaine ulkoilmaan verrattuna. Ilmanvaihto aiheuttaa tasaisen 5 Pa alipaineen seinän sisäpinnalle. Edellisten tekijöiden yhteisvaikutus tuulenpuoleisen ulkoseinän yli vaikuttavaan paine-erojakaumaan on esitetty kuvassa 6. Rakennuksen tuulen- ja suojanpuoleisiin seiniin tuulesta, savupiippuvaikutuksesta ja ilmanvaihdosta kohdistuvat painejakaumat on esitetty kuvassa 7. Tuulen puoleinen ulkoseinä on kokonaan alipaineinen. Suojan puoleinen seinä on 90 %:sti ylipaineinen ja 10 %:sti alipaineinen. Ylipaineen kohdalla ilma virtaa sisältä ulos ja alipaineen kohdalla ulkoa sisälle.  

ilmavirtauskuusi

Kuva 6 . Tuulen, savupiippuvaikutuksen ja ilmanvaihdon yhteisvaikutus tuulenpuoleiseen ulkoseinään kohdistuvaan paineeseen.

ilmavirtausseitteman

Kuva 7 . Rakennuksen tuulen- ja suojanpuoleisiin seiniin tuulesta, savupiippuvaikutuksesta ja ilmanvaihdosta kohdistuvat painejakaumat.

 

Lähdekirjallisuus

1. Kosteus- ja homevaurioituneen rakennuksen kuntotutkimus. Ympäristöministeriö. Ympäristöopas 28, Rakennustieto Oy 1997. Helsinki.

2. RIL 144 Rakenteiden kuormitusohjeet, Suomen Rakennusinsinöörien Liitto r.y, 1990. 171 s.

 

©Helsingin, Espoon ja Vantaan Terveelliset tilat, Sisäilmayhdistys ry. (2008)