Boundary conditions and modelling of heat and moisture transfer through concrete sandwich exterior wall in Finnish climate

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia Suomen tulevaisuuden ilmaston vaikutusta nykyisin käytettäviin seinärakenteisiin. Tehtyjen ilmastoennusteiden mukaan Suomen ilmasto tulee leudommaksi ja sateiden ennustetaan kasvavan merkittävästi. Työ rajattiin koskemaan ainoastaan asuinrakennuksien uudisrakenteisia sandwichulkoseiniä. Työ jakaantui kahteen osaan. Ensin tehtiin kirjallisuuskatsaus, jossa koottiin yhteen rakennusfysikaaliseen mallintamiseen vaikuttavia tekijöitä. Arvioitiin ilmastomallien ja reunaehtojen vaikutusta laskentatulokseen sekä niiden mallinnettavuutta. Työn toisessa osassa tehtiin laskentamalli WUFI:lla. Laskentamallissa käytettiin niitä muuttujia jotka kirjallisuuskatsauksen perusteella koettiin olevan laskennallisesti riittävän varmalla puolella ja jotka olivat helposti mallinnettavissa. Laskentamallissa tarkasteltiin betonisandwich seinärakenteen läpi tapahtuvaa diffuusiota. Seinärakenne mallinnettiin neljällä erilaisella eristeellä kahdessa eri ilmastossa, nykyinen ja tulevaisuuden ilmasto. Seinän eristeen ulkopinnan todettiin olevan riskialtein paikka kosteuden tiivistymiselle ja siksi laskennassa tarkasteltiin tätä kohtaa. Toimintakriteerinä pidettiin rakenteen kykyä kuivua sekä riittävän alhaista suhteellista kosteutta. Laskentamallin tulokset näyttivät mineraalivilla, EPS- ja PU-eristeisten seinärakenteiden kastuvan ajan suhteen nykyisessä ilmastossa. Tulevaisuuden ilmastossa kyseiset lämmöneristeet toimivat paremmin. Mineraalivillan sisään pääsee molemmilla ilmastoilla tiivistymään kosteutta. Tulosten arvioinnissa tulee kuitenkin huomioida se, että mineraalivillaeristeillä on tuuletusrako eristeen ulkopinnassa, jota ei mallinnettu. Tulee kuitenkin tapauskohtaisesti arvioida riittääkö tämä. XPS-eriste toimii erinomaisesti sekä nykyisessä, että tulevaisuuden ilmastossa. Tämän diplomityön tulosten perusteella voidaan todeta seinärakenteiden toimivan tulevaisuuden ilmastossa kosteusteknisesti paremmin kuin nykyisessä ilmastossa. Vaikka sateiden määrä kasvaa, ilmasto myös lämpenee ja seinärakenteen välinen lämpötilaero ja siten tapahtuva diffuusio pienenee. Työn mielenkiintoinen havainto on pitkä aika tasapainokosteuden saavuttamiseen, keskimäärin noin 25 vuotta, mikä on huomattavasti pidempi kuin yleisesti on ajateltu. Muovipohjaiset eristeet (EPS, PU ja XPS) ovat kosteusteknisesti varmempia kuin mineraalivilla. Niitä käytettäessä tulee kuitenkin kiinnittää erityistä huomioida seinän sisäkuoren kuivumiseen. Kuivumisajat tulee huomioida työmaan aikataulutuksessa ja eristeiden suojauksissa työmaa-aikana. Seinien saumojen ja läpivientien tiivistyksen suunnittelu ja toteutus korostuvat. Materiaalien tekniset ominaisuudet tulee valita huolella. Työn lopussa arvioidaan tämän diplomityön laskentamallin heikkouksia, kuten tuulen suunnan ja paikallisen mikroilmaston puuttuminen, ja työlle annetaan kehitysehdotuksia.The aim of this Master's thesis was to study the effects of the future Finnish climate on the wall structures. The focuses of the study are new residential buildings and concrete sandwich wall structures. The thesis consists of two major parts. The first is a literature review of boundary treatments for building physics simulations. The boundary conditions and factors were evaluated based on reliability analysis of the simulation outputs. The second part contains simulations using software WUFI and related results from the literature. Hygrothermal performance of the concrete sandwich wall was simulated for the four different thermal insulations in two different climates. Because the most vulnerable part of the wall to moisture damage is the exterior insulation, its performance was specifically investigated in the simulations. The physical function of the wall and its drying ability were evaluated. Besides the current Finnish climate, the effect of the future climate change including increases in temperature and rains on the wall structures were also considered. The results show that the relative humidity of the walls with mineral wool, expanded polystyrene (EPS) and polyurethane (PU) insulations increases in current climate with poor drying performance. However, better hygrothermal behaviour can be expected in the future weather conditions. The walls with mineral wool insulation are still above critical moisture values. Relative humidity decreases in the walls with extruded insulation (XPS) in current climate and more significantly in future climate. The ventilation on the exterior of the mineral wool insulations was not considered which needs further investigation. The study concludes that the current wall structures can be used in the future climate. Simulations point to better hygrothermal performance of these walls for future weather conditions. The decrease in diffusion potential can result in lower humidity levels in the walls. An interesting result from this study is that a much longer (about 25 years) drying time, which is not expected in general, is required for the structures to reach their hygrothermal stabilized state. Plastic based thermal insulations (EPS, PU, XPS) performs better than mineral wool. When using them their drying time during construction phase should also be taken into account. Wall frame connections should be made airtight at time of installation. The technical specifications of the insulation materials need to be selected with care. Furthermore, the limitations of this thesis, such as ignoring the wind direction and local micro-climate, and suggestions for future research are also discussed