Hengittävät rakenteet

Hengittävät rakenteet

Teksti on julkaistu Tuuma-lehdessä 4/2017

Rakennusalalla rakenteen hengittävyys on kiistanalainen käsite. Keskustelua ohjaa usein intohimo tiettyyn rakentamistapaan, ja laaja-alainen ymmärrys asiasta voi olla puutteellista. Kun perinnerakentajan vastaus homeongelmiin ovat hengittävät rakenteet ja ilmansulkupaperi, samaan aikaan nykyaikaiseen rakentamistapaan nojaava insinööri on vakuuttunut siitä, että höyrynsulku oikeassa kohtaa rakennetta estää homeelle otollisten olosuhteiden synnyn.

Vastakkainasettelu uuden ja vanhan välillä ei sinällään johda minnekään. Keskeistä on ymmärtää muutama rakennusfysikaalinen ilmiö, jotka lopulta määrittelevät, miten kukin rakenne toimii, ja miksi se toimii juuri noin.

Useat eri materiaalivalmistajat ymmärtävät hengittävyyden käsitteen niin, että materiaali on hengittävä silloin, kun se pystyy läpäisemään kaasumaista vettä. Tällaisia diffuusioavoimia materiaaleja voivat olla esimerkiksi erilaiset ilmansulut, aluskatteet ja eristeet. Pelkkä diffuusioavoimuus ei kuitenkaan riitä hengittävyyteen.

Hengittävän materiaalin toinen perusominaisuus on kyky sitoa itseensä kosteutta ja luovuttaa sitä takaisin, eli yksinkertaisesti ilmaistuna hengittävyys on kyky kastua ja kuivua. Tämä ilmiö on nimeltään hygroskooppisuus. Hengittävistä rakenteista keskusteltaessa nousee usein esille virheellinen käsitys siitä, että hengittävät rakenteet liittyisivät ilman liikkeeseen tai ilmanvaihtoon. Osa hengittävistä materiaaleista voi päästää lävitseen ilmaa, mutta hengittävän rakenteen täytyy olla kokonaisuutena ilmatiivis. Vaikka rakennuksessa on hengittävät rakenteet, ja niillä on positiiviset vaikutukset huoneilmaan, ne eivät korvaa ilmanvaihtoa. Se on suunniteltava aina omana kokonaisuutenaan.

 

Kuva 01. Mikrobit, mm home, tarvitsevat kasvaakseen kosteutta, lämpöä ja ravinteita. Asuinrakennuksissa lämpöä on yleensä riittävästi, ja ravinnoksi käy rakennus- ja huonepöly, joten mikrobikasvua rajoittaa riittävän alhainen suhteellinen kosteus. Kuvassa tummennettu alue merkitsee tilannetta, jolloin mikrobikasvu on mahdollista lämpötilan ja suhteellisen kosteuden suhteen. Kuva: TTY, VTT /Suomalainen homemalli.

 

 homeluokat

Kuva 02. Taulukko rakennusmateriaalien jakautumisesta eri homehtumisherkkyysluokkiin. Kuva: TTY, VTT /Suomalainen homemalli.

Vesi

Rakennusteknisenä terminä hengittävyys tarkoittaa veden liikettä rakenteessa. Vesi ja kosteus ovat aina mukana, kun puhutaan turvallisesta ja pitkäikäisestä rakentamisesta. On siis hyvä kerrata mitä vesi on.

Vesi on vedyn ja hapen muodostama kemiallinen yhdiste. Vedellä on kolme olomuotoa: kaasu eli vesihöyry, neste ja jää. Näistä neste ja jää ovat silmin havaittavia, vesihöyry näkymätöntä. Pilvet ja teepannusta nouseva näkyvä ”vesihöyry” eivät siis ole virallisesti vesihöyryä, vaan ilmaan tiivistynyttä nestemäistä näkyvää vettä.

 

Ilmankosteus

Ilma sisältää aina jonkin verran kaasumaista vettä eli vesihöyryä ja sen määrä ilmassa riippuu ilman lämpötilasta. Lämmin ilma pystyy sisältää vettä enemmän kuin kylmä ilma. Ilmassa oleva veden määrä voidaan ilmoittaa kolmella eri tavalla. Absoluuttinen kosteus ilmaisee, kuinka paljon vesihöyryä tietty ilmamäärä sisältää (esimerkiksi g/m³). Samaa kertoo myös vesihöyryn osapaine, joka ilmoittaa vesihöyryn paineen osuutta koko ilmanpaineesta.

Yleisemmin käytetty tapa on ilmoittaa ilman suhteellinen kosteus (relative humidity, RH).  Prosenttiluku kertoo, kuinka paljon ilmassa on kosteutta suhteessa siihen, mitä se voi maksimissaan sisältää.

Lämmityskauden aikana suhteellinen kosteus on kuivassa lämpimässä huonetilassa tavallisesti 20–40 % ja ulkona vastaavana aikana 85–90 %. Kesällä ulkoilman kosteus on tavallisesti 65–75 % ja sisäilman noin 40–60 %.

Vaikka ulkoilman suhteellinen kosteus on lähes koko vuoden sisäilmaa korkeampi, vesihöyryn todellinen määrä eli absoluuttinen kosteus on ulkona vähäisempi kuin sisällä. Sisäilman todellinen vesihöyryn määrä muodostuu sisälle tulevasta ulkoilmasta ja sisällä asumisella tuotetusta kosteuslisästä. Kylmän ilman lämmetessä kasvaa sen kyky sitoa kosteutta, ja siten sen suhteellinen kosteus alenee, vaikka absoluuttinen kosteus lisääntyy.

 

Kastepistelämpötila

Kastepistelämpötila, yleisemmin kastepiste on se lämpötila, jossa vesihöyry tiivistyy vedeksi. Kastepisteessä ilman suhteellinen kosteus on 100% (RH=100%), eli se sisältää kaiken kosteuden minkä voi kyseisessä lämpötilassa sisältää. Tästä yli menevä kosteus tiivistyy vedeksi läheisille pinnoille tai ilmaan sumuksi.

 

Hygroskooppisuus

Eri materiaaleilla on erilaiset ominaisuudet sitoa ja luovuttaa kosteutta. Materiaalien perusominaisuuksia kosteuden ja lämmöneristävyyden suhteen on tutkittu useissa eri tutkimuslaitoksissa. Tässä lähteenä on käytetty Tampereen teknillisen yliopiston tutkimusta Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona.

Materiaalien erilaiset ominaisuudet ovat keskeisiä, kun tutkitaan rakenteiden kosteusteknistä toimivuutta. On olemassa nk. hygroskooppisia materiaaleja, jotka kykenevät sitomaan ja luovuttamaan kosteutta, ja vastaavasti ei-hygroskooppisia materiaaleja, joilla tätä ominaisuutta ei ole. Hygroskooppisia materiaaleja ovat esimerkiksi hirsi, puukuitutuotteet, savilaasti ja puru, ja ei-hygroskooppisia taas mineraalivillat ja muovit.

Materiaalien erot selviävät havainnollisesti, kun vertaa mineraalivillaa massiivipuuhun. Kuutio täysin kuivaa massiivipuuta voi sitoa itseensä noin 65 litraa vettä, jolloin sen suhteellinen kosteus on 75 %. Samoissa olosuhteissa kuutio mineraalivillaa voi sitoa itseensä ainoastaan 0,35 litraa. 75 %:n suhteellinen kosteus on karkeasti se raja, jota kosteammassa alkaa aktiivinen mikrobitoiminta, kun lämpötila on riittävä ja kosteus on jatkunut tarpeeksi kauan.

 

 

Taulukko 

Taulukko 03. Kosteuskapasiteetin arvoja eri rakennusmateriaaleilla (kauppanimikkeet). Taulukossa nostetaan esille 75 %:n suhteellisen kosteuden sarake. Tuo suhteellisen kosteuden määrä on eräänlainen rajalinja; sitä suuremmissa arvoissa alkaa aktiivinen mikrobitoiminta. Materiaalien erot ovat merkittävät – ne selittävät hyvin, miksi toinen seinärakenne tarvitsee sisäpintaan muovin ja toinen ei. Kuva: TTY, Rakennustekniikan osasto, Talonrakennustekniikan laboratorio, Tutkimusraportti 129.

 

Eri materiaaleista valmistetut rakenteet siis eroavat toisistaan huomattavasti. Keskeisin ero on siinä, miten kosteus liikkuu rakenteessa ja sen materiaaleissa.

Hygroskooppisessa rakenteessa kosteus on sitoutuneena materiaaliin ja tiheydestä riippuen myös rakenteen sisältämään ilmaan. Kosteus liikkuu rakenteeseen sitoutuneena hakeutuen ympäröivään suhteellisen kosteuden tasoon.

Ei-hygroskooppisessa seinärakenteessa kosteus on käytännössä ainoastaan vesihöyrynä rakenteen sisältämässä ilmassa. Toisin sanoen esimerkiksi ei-hygroskooppisessa mineraalivillaeristeisessä seinässä kosteus on villakuitujen seassa olevassa ilmassa vesihöyrynä, mutta hygroskooppisessa massiivihirsiseinässä puun rakenteessa nesteenä ja vesihöyrynä.

 

 

Kuva 04. Perinteinen hirsiseinä. Hirsimateriaali pystyy sitomaan vettä 65 kg/m³, että sen suhteellinen kosteus on 75 %.

Kuva 05. Perinteinen purueristeinen seinä. Sahanpurun kosteuskapasiteetti on 19 kg/m³, että sen suhteellinen kosteus on 75 %.

 

 

selluvilla_AnttiNyman

 

 

 

Kuva 06. Nykyaikainen luonnonmukaisista materiaaleista tehty seinä. Selluvillan (37 kg/m³) kosteuskapasiteetti on 4,1 kg/m³, että suhteellinen kosteus on 75 %.

 

 

Kuva 07. Nykyaikainen mineraalivillaeristeinen seinä. Mineraalivilla kosteuskapasiteetti on vain 0,36 kg/m³, että suhteellinen kosteus on 75 %.

Kuvat 04-07. Eri materiaaleista valmistettujen seinien kosteuskapasiteetit eroavat huomattavasti toisistaan. Mallinnettu vesimäärä kuvastaa seinän pääasiallisen materiaalin kosteuskapasiteettia edellä esitetyn taulukon 03 mukaan. Kuvat: Arkkitehtitoimisto Antti Nyman

 

Diffuusio

Diffuusio on rakennusfysikaalisessa keskustelussa hyvin yleinen termi. Diffuusio on ilmiö, jossa epätasaisesti jakautuneet kaasumolekyylit liikkuvat niin, että syntyy tasaisesti jakautunut kaasuseos. Rakennusfysiikassa keskeisin tutkittava kaasu on vesihöyry, mutta diffuusio tasaa myös muita huoneilman kaasuja kuten hiilidioksidia.

Suomen ilmastossa sisäilman absoluuttinen kosteus on vuoden aikana lähes poikkeuksetta ulkoilmaa korkeampi. Huoneilman korkeampi absoluuttinen kosteus (suurempi vesihöyryn osapaine) pyrkii tasoittumaan seinärakenteen läpi matalamman kosteustason (pienempi vesihöyryn osapaine) suuntaan ulkoilmaan. Kun käytetään ei-hygroskooppisia eriste- ja seinämateriaaleja, rakenteen sisäpintaan on asennettava tiivis kalvo, joka estää vesihöyryn diffuusion rakenteeseen.

 

Hygroskooppisen seinärakenteen kosteustekninen toiminta

Miten hygroskooppisesta materiaalista valmistettu seinärakenne toimii kosteustekniseltä kannalta? Onko diffuusiosta merkittävää haittaa, ja mihin kastepiste sijoittuu? Kun vertaamme eri materiaaleista valmistettuja seinärakenteita, huomaamme sen tosiasian, että niiden kyvyssä sitoa itseensä kosteutta on todella merkittäviä eroja.

Ei-hygroskooppisessa mineraalivillaseinärakenteessa diffuusion merkitys on huomattavasti suurempi kuin massiivisessa hirsiseinässä. Massiivisessa hirsiseinässä kosteus on puun soluissa ja soluseinämissä rakenteellisena kosteutena. Sen sijaan mineraalivillaisessa seinässä kosteus on ainoastaan eristeessä olevassa ilmassa.

Hygroskooppinen hirsiseinärakenne pyrkii tasoittamaan suhteellisen kosteutensa ympäristönsä mukaiseksi, ja diffuusion merkitys on hyvin vähäinen. Massiivisen hirren sisäpinta hakeutuu sisäilman ja ulkopinta ulkoilman suhteellisen kosteuden tasoon. Sisätiloista ulkopintaan johtuvalla lämpöenergialla on kuitenkin kosteuta alentava vaikutus niin, että hirren ulkopinnan kosteus ei todellisuudessa ole samaa luokkaa kuin ulkoilman, vaan merkittävästi matalampi.

 

 

Kosteusmittaus

Kuva 08. Tutkimusdataa puukuitueristeisen seinän kosteusteknisestä toiminnasta. Höyrynsuluton puukuitueristeinen seinärakenne hakeutuu ympäristön kanssa samaan suhteelliseen kosteuteen. Sisältä johtuva lämpöenergia alentaa seinärakenteen ulko-osien kosteustasoa. Kuva: Arkkitehtitoimisto Antti Nyman, Dynaamiset rakenteet ry, Hunton Oy, RF SensIT Oy

 

 

Kosteustekniseltä toimivuudeltaan massiivista hirsiseinärakennetta voidaan pitää ihannerakenteena. Vaikka rakenteesta löytyy kastepistelämpötila, sillä ei ole rakenteen kosteusteknisen toiminnan kannalta merkitystä. Massiivipuun kosteus on sitoutuneena puun rakenteeseen, jolloin vapaata vettä ei synny. Hygroskooppisuus tasaa kosteuden tehokkaasti ympäröivään suhteelliseen kosteuteen.

Sama ilmiö toistuu kaikissa hygroskooppisissa seinärakenteissa, joskin ilmiö on riippuvainen materiaalin kosteuskapasiteetista ja tiheydestä. Hygroskooppisten seinärakenteiden toiminnasta tehdään parhaillaan lisätutkimuksia, jotta voitaisiin paremmin arvioida muun muassa materiaalin tiheyden ja vahvuuden merkitystä.

seinäleikkaus

Kuva 09. Periaatteellinen leikkaus hirsiseinän kosteusteknisestä toiminnasta. Kuva: Arkkitehtitoimisto Antti Nyman

 

Seinärakenteiden kosteustekninen tarkastelu keskittyy nykyrakentamisessa siihen, missä kohtaa seinää muodostuu kastepistelämpötila ja kosteuden tiivistyminen alkaa. Todellisuudessa tällainen tilanne koskee ainoastaan kosteuskapasiteetiltaan huonoimpia materiaaleja, siis materiaaleja, jotka eivät pysty sitomaan itseensä kosteutta. Tästä tyypillinen esimerkki on mineraalivillaeristeinen seinä, jossa jokainen eristekuitu on potentiaalinen kosteuden kondensoitumispinta. Tällaisen rakenteen sisäpinnassa on ehdottoman tärkeä käyttää höyrytiivistä kalvoa estämään kosteuden liikkuminen.

 

Ilmatiiveys

Meidän ilmastossamme eritysitä huomiota täytyy kiinnittää rakenteiden ilmatiiveyteen, olipa kyseessä uudisrakennus tai vanha talo. Ilmatiiveyden vaatimukseen ei vaikuta se, millaisia rakennusmateriaaleja rakennuksessa on käytetty. Jos käytössä on nykyaikaiset materiaalit, jotka eivät kykene sitomaan kosteutta itseensä, ilmatiiveys on toteutettava erilaisilla muoveilla tai vastaavilla materiaaleilla. Kun käytetään ns. perinteisiä rakennusmateriaaleja, ilmatiiveys on yhtä tavoiteltava lopputulos, mutta se toteutetaan erilaisilla paperituotteilla.

Vesihöyryn konvektio on rakennustekninen termi, joka tarkoittaa, että vesihöyry kulkeutuu liikkuvan ilmavirran mukana. Toisin sanoen esimerkiksi huoneilmasta rakenteisiin kohdistuva vuotoilma kuljettaa mukanaan kosteutta. Vaikka rakennus olisi tehty hygroskooppisista materiaaleista eikä kastepistelämpötilalla näin olisi normaalitilanteessa merkitystä, voi vesihöyryn konvektio aiheuttaa merkittäviä vaurioita. Vuotoilman mukana liikkuva kosteus voi aiheuttaa niin suuren pistemäisen kosteusrasituksen, että hygroskooppinen materiaalikaan ei pysty sitä tasaamaan, vaan syntyy kosteusvaurio. Tällaisia selkeärajaisia paikallisia ongelmakohtia voi esiintyä esimerkiksi hirsitalon yläpohjan ja ulkoseinän liitoksessa. Lämmin ilma pyrkii ylöspäin muodostaen lievän ylipaineen, joten juuri tässä kohtaa rakenteen ilmatiiveys olisi erityisen tärkeää. Liitos kannattaa tarkistaa, ja mahdollinen tiivistys on syytä tehdä huolella, vaikka se olisikin työlästä.

Ilmatiiveyden toinen merkittävä seikka liittyy ilmanvaihtoon. Kun rakennukseen toteutetaan ilmanvaihtoa, on suunniteltava, mistä ilma tulee ja minne se menee. Perinteinen ratkaisu on luonnollinen eli painovoimaan perustuva ilmanvaihto. Siinä ilma tulee huoneeseen raitisilmaventtiileistä seinien yläosista tai ikkunaraoista ja sekoittuu lämmenneeseen huoneilmaan. Jäteilma poistuu muurattuihin tiilihormeihin joko tulisijojen tai ilmanvaihtoventtiileiden kautta.

Mikäli huoneessa ei ole riittävästi tuloilmareittejä, eikä ilmatiiveys ole hyvä, huoneen alaosaan muodostuva alipaine vetää korvausilman rakenteiden läpi. Sisäilman laadun varmistamiseksi on siis oleellisen tärkeää, että rakennus on ilmatiivis, ja että ilmanvaihto on hallittua.

 

Kastuminen ja kuivuminen eli hengittävyys

Edellä on käynyt ilmi, että hengittävyys on materiaalin kykyä kastua ja kuivua. Hengittävä materiaali pystyy sekä sitomaan nestemäistä ja kaasumaista kosteutta että luovuttamaan niitä pois. Pelkkä diffuusioavoimuus ei riitä, vaan materiaalilla on oltava lisäksi hygroskooppinen kyky hakeutua ympäristön kanssa samaan suhteelliseen kosteuteen. Mitä tiheämpi ja yhtenäisempi materiaali on, sitä vähemmän tarvitsee kantaa huolta diffuusiosta ja sen vaikutuksista.

Rakennus on fysikaalinen kokonaisuus. Siksi tämäkin on syytä muistaa: Vaikka rakenteet olisi tehty hengittävistä materiaaleista, talon säilyminen terveenä edellyttää hallittua ilmanvaihtoa ja hyvin toteutettua ilmatiiveyttä.

 

Lähteet:

Björkholtz, D., Lämpö ja kosteus. Rakennusfysiikka. Rakennustieto Oy. Helsinki 1997.

Kosteus. Rakennusfysiikkaa rakennusinsinöörille. Rafnet-ryhmä. 2004.

Hukka, A., Puun kuivumisen matemaattinen mallintaminen korkeissa lämpötiloissa. VTT. Espoo 1996.

Siikanen, U., Rakennusfysiikka perusteet ja sovellukset. Rakennustieto Oy. Helsinki 1996.

Suomalainen homemalli. [verkkoaineisto]. [viitattu 19.11.2017]. Saatavilla: http://www.tut.fi/fi/tutkimus/tutkimusalat/rakennustekniikka/rakennetekniikka/rakennusfysiikka/suomalainen-homemalli/index.htm

Vinha, J., Valovirta, I., Korpi, M., Mikkilä, A., Käkelä, P. Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona. Tampereen teknillinen yliopisto, Rakennustekniikan laitos. Tampere 2005.

 

About the Author