Sisäisen konvektion vaikutus kattorakenteen toimivuuteen

Leca-sorakaton suunnittelussa ja toteutuksessa on kiinnitettävä huomiota katon kokonaisvaltaiseen toimivuuteen. Katon oikeaoppinen toiminta perustuu oikeanlaisiin suunnitteluratkaisuihin, joissa tulee kiinnittää huomiota mm. rakenteisiin, eristekerroksen tuuletukseen ja käytettävään eristemateriaaliin.

Rakenteet

Tyypillinen kevytsorakaton rakenne on alhaalta ylöspäin seuraava:

• kantava laatta (paikalla valettu tai ontelolaatta)
• höyrynsulku (kumibitumikermi)
• eriste (Leca-sora tai levyeriste ja Leca-sora)
• vedeneristeen alustalaatta (pintabetonilaatta tai katelaatta)
• vedeneriste (kumibitumikermi)

Tarkemmat suunnitteluohjeet rakenteista ja katon yksityiskohdista, kuten katon vedenpoistosta, vaadittavista kallistuksista jne. löytyvät Leca-kevytsorakattojen suunnitteluohjeesta.

Tuuletus

Leca-sorakaton tuuletuksen suunnitteluun on kiinnitetty huomiota jo vuosikymmenien aikana. Tuuletusta ja tuuletuksen tarvetta ja toimivuutta on testattu laboratoriokokein, mallinnettu laskennallisesti sekä pitkäaikaiskokemuksin todennettu lukuisissa kohteissa. 

Eristysvaatimusten tiukentuessa ovat eristepaksuudet myös kasvaneet ja näin myös tuuletustarpeet muuttuneet. Tämän lisäksi kosteuden hallintaan työn aikana on alettu kiinnittämään entistä enemmän huomiota. Työaikainen kosteus tuleekin huomioida tuuletuksen suunnittelussa. 

Katon tuuletus tulee suunnitella siten, että tuuletus on riittävä poistamaan rakennusaikainen kosteus ja varmistamaan katon kosteustekninen toiminta. Suunnittelussa tulee myös huolehtia, että katto ei yli-tuuletu. Liiallinen tuuletus heikentää rakenteen eristyskykyä merkittävästi. Tuuletusmäärään vaikuttavat rakennuksen korkeus, sijainti, katon dimensiot, katon eristekerroksessa olevat esteet sekä käytetty eristemateriaali.

Eristemateriaali

Pelkkä eristeen laboratoriossa mitattu lämmönjohtavuuden ʎ-arvo ei kerro todellisen rakenteen eristyskykyä. Todelliseen eristyskykyyn vaikuttavat rakenteen tuuletus, eristeen kerrospaksuus, lämpötilaerot eristeessä sekä eristeen ilmanläpäisevyys. 

Tuuletus tulee suunnitella niin, että se ei heikennä katon eristyskykyä. Eristemateriaali tulee valita niin, että sen ominaisuudet eivät heikennä katon eristekykyä. Eristeen valintaan vaikuttavat suunniteltu eristekerroksen paksuus, joka johdetaan eristeen lämmönjohtavuuden sekä materiaalin ilmanläpäisevyyden mukaan. 

Suuria eristepaksuuksia käytettäessä on merkittävä riski luonnollisen konvektion käynnistymiselle, kun eristemateriaalin ilmanläpäisevyys on suuri. Konvektion riski kasvaa ulkoilman lämpötilan laskiessa, jolloin eristekerroksen sisällä oleva lämpötilaero myös kasvaa. Ilmanläpäisevyyden vaikutus eristeen teholliseen U-arvoon, joka huomioi sekä tuuletuksen että luonnollisen konvektion, voi olla erittäin merkittävä.

Tämän johdosta Leca-soran ominaisuuksia on tutkittu ja optimoitu jo useiden vuosien ajan. Ilmanläpäisevyyttä säätämällä on voitu tehdä optimaaliset tuotteet sekä pelkällä kevytsoralla että lisälämmöneristeellä ja kevytsoralla eristettyihin kattoihin. Näin on varmistettu, että kaikkiin kevytsoralla eristettyihin kattoratkaisuihin löytyy oikea tuote, joka estää luonnollisen konvektion käynnistymisen.

Luonnollisen konvektion vaikutus rakeisten lämmöneristeiden eristävyyteen

Ramboll Finland Oy:n tekemä laskennallinen tarkastelu tutkii konvektion ja tuuletuksen vaikutuksia rakeisten lämmöneristeiden eristyskykyyn. Tarkastelussa käytettiin kahta eri eristemateriaalia, jotka olivat Leca-sora katto 4-20 mm sekä vaahtolasilajike F20. 

Luonnollisessa konvektiossa ilma liikkuu sen tiheyserojen vaikutuksesta. Jos ilmanläpäisevyys on riittävän suuri, voi luonnollinen konvektio syntyä, kun lämpöeristeen yli on lämpögradientti, mikä alentaa merkittävästi lämmöneristeen lämmöneristävyyttä. Konvektion käynnistymistä voidaan arvioida modifioidun Rayleigh luvun avulla. Yksinkertaistettu Rayleigh kaava on seuraavanlainen:

missä d on eristekerroksen paksuus, k on ilmanläpäisevyys, ΔT on lämmöneristekerroksen yli vaikuttava lämpötilaero ja ʎ lämmöneristeen lämmönjohtavuus. Mitä suurempi Ram-luku on, sitä todennäköisemmin eristeessä tapahtuu luonnollista konvektiota.

Laskentamallissa käytettiin Leca-sora katto 4–20 mm lajikkeelle tuuletuksen määränä kolmea eri tuuletustapausta, jotka olivat Leca-sora katoille suunnitteluohjeessa ilmoitettu vähimmäistuuletusmäärä 0,1 m³/m²h, 1,5 kertaista tuuletusmäärää verrattuna vähimmäistuuletusmäärään sekä täysin tuulettamatonta tilannetta. 

Kevytsoralaskentamallien perusteella laskennassa määritettiin käytetyille eri tuuletusmäärille paine-erot, tuloilma- ja poistoilma-aukkojen välillä tasapainotilanteessa. Nämä arvot asetettiin lajikkeella F20 laskettuun malliin reunaehdoiksi.

Laskentamallissa tarkasteltiin molemmilla eristevaihtoehdoilla sekä pelkällä tutkitulla eristeellä eristettyä kattoa, että lisälämmöneristeellä eristettyä kattoa. Laskentamallissa käytettiin kolmea eri ulkolämpötilaa sisälämpötilan ollessa vakio. Käytetyt ulkolämpötilat olivat +3 °C, -9 °C sekä -20 °C. Laskennassa tuotteille käytetyt ilmanläpäisevyydet on johdettu VTT Expert Services Oy:lla määritettyjen ilmaläpäisevyyksien perusteella.  
 
Leca-sora katto 4–20 mm lajikkeen Ram-luvut vaihtelivat pelkällä pelkälle Leca-soralla eristetyllä katolla 19-43 välillä ja lisälämmöneristetyssä katossa 9–19 välillä. Vastaavat Ram-luvut vaahtolasilajikkeelle F20 olivat 166–366 pelkällä F20 lajikkeella eristetyssä rakenteessa ja lisälämmöneristetyssä katossa 74–160.

Laskennan johtopäätökset

Laskentatulosten perusteella laskennallinen U-arvo kasvoi pelkällä Leca-sora katto 4–20 mm eristeellä eristetyssä katossa enimmillään 15 %, kun käytettiin minimituuletukseen nähden 1,5 kertaista tuuletusta ja lisälämmöneristetyssä Leca-sora katto 4–20 mm katossa enimmillään 4 % vastaavalla tuuletuksella. Laskennallisen U-arvon kasvuun vaikutti vain tuuletusmäärän kasvu. Leca-sora katoissa sisäinen konvektio ei vaikuttanut materiaalin lämmöneristävyyteen.

Pelkällä F20 tuotteella eristetyn katon laskennallinen U-arvo, joka ei huomioi sisäistä konvektiota, kasvoi jopa nelinkertaiseksi ja lisälämmöneristetyssä katossa U-arvo kasvoi noin 30 %. Molemmissa tapauksissa laskennallisen U-arvon merkittävä kasvu johtui suuren ilmanläpäisevyyden aiheuttamasta sisäisestä konvektiosta. F20 tuotteella eristetyssä katossa lämmöneristävyyteen vaikuttava tekijä oli lämpötilaero. 

Lämpötilaeron kasvaessa myös laskennallinen U-arvo kasvoi tuuletuksen määrästä riippumatta ollen lähes samaa suuruusluokkaa sekä tuulettamattomassa että tuuletetuissa ratkaisuissa. Alla esimerkkikuvat yhdestä laskentatapauksesta ja vaikutuksista lämpötilajakaumaan.

Kuvat 1 ja 2. Kuvissa esitetään lämpötilajakauma tasapainotilanteessa tuulettumattomassa lisälämmöneristämättömässä rakenteessa, kun ulkolämpötila on +3 °C ja sisälämpötila +21 °C. Ylemmässä kuvassa vaahtolasilajike F20, jonka U-arvo ko. tilanteessa muuttui 2,85 kertaiseksi. Alemmassa kuvassa Leca-sora katto 4–20 mm, jonka U-arvo pysyi muuttumattomana.

Laskentamalli vahvistaa käsitystämme sisäisen konvektion hallinnan sekä tuuletuksen suunnittelun merkityksestä kattojen oikeaoppiseen toimintaan. Juuri tuuletuksen suunnitteluun ja materiaalin oikeanlaiseen ilmanläpäisevyyden tutkimiseen tekemämme työ varmistaa, että Leca-sorakatot ovat varma valinta rakennusten yläpohjaratkaisuna.

Lähteet:

VTT Expert Services Oy: testausselostus NRO VTT-S-02324-16
VTT Expert Services Oy: testausselostus NRO VTT-S-02781-15
Ramboll Oy: Kevytsoran ja vaahtolasin sisäisen konvektion vaikutus materiaalien lämmöneristävyyteen, 1510039578