Sisäilmanlaatu on korostunut koronapandemian aikana, mutta miten mallinnusta voidaan hyödyntää sen arvioinnissa? Business Finlandin osarahoittamassa Future Spaces -tutkimusprojektissa kehitettiin laskentatyökalu sisäilmanlaadun arvioimiseksi.
Kuva 1. Ympäristön terveyshaitat Suomessa tautitaakka painotettuina elinvuosina (THL) osoittavat sekä sisä- että ulkoilman epäpuhtauksien kansanterveydellisen merkityksen.
Ilmansaasteet aiheuttavat maailmanlaajuisesti vuosittain noin seitsemän miljoonaa ennenaikaista kuolemaa (WHO 2018) ja vaikka monissa länsimaissa ilmansaasteet ovatkin maailmanlaajuisessa vertailussa alhaisella tasolla, arvioidaan niiden aiheuttaneen 380 000 ennenaikaista kuolemaa 28 EU-maassa vuonna 2010 (THL). Ilmansaasteiden haittavaikutukset eivät kuitenkaan rajoitu vain ennenaikaisiin kuolemiin, vaan ne lisäävät myös sairaspoissaoloja ja terveydenhuollon kuormitusta aiheuttaen siten kustannuksia yhteiskunnalle sekä heikentävät työntehoa ja oppimiskykyä.
Ulkoilman epäpuhtaudet voivat kulkeutua sisälle raitisilman mukana tai rakennuksen vaipan läpi ja siksi onkin ensiarvoisen tärkeää kiinnittää huomiota tuloilmansuodatukseen sekä vaipan tiiviyteen. Kun otetaan huomioon, että ihmiset viettävät jopa 90 % ajastaan sisätiloissa, kokonaisaltistus ulkoilman epäpuhtauksille voi olla sisätiloissa ulkoaltistusta suurempi. Ulkoilma ei kuitenkaan ole ainoa sisäilman epäpuhtauksien lähde. Pienhiukkaisia syntyy esimerkiksi ruoanlaitosta ja tulisijoista, kaasumaisia epäpuhtauksia puolestaan esimerkiksi uloshengityksen hiilidioksidista ja rakennusmateriaaleista vapautuvista haihtuvista orgaanisista yhdisteistä (VOC). Ympäristön terveyshaittojen vaikutus Suomessa on esitetty Kuva 1 tautitaakka painotettuina elinvuosina.
Sisäilmanlaatua arvioiville laskentatyökaluille on siis selkeä tarve, jota koronapandemia on entisestään korostanut. Toisaalta energiatehokkuusvaatimukset, ilmastonmuutoksen torjunta sekä etenkin Venäjän hyökkäystä Ukrainaan seurannut energiakriisi ovat korostaneet energiatehokkuuden merkitystä. Näiden paljon esillä olleiden näkökulmien lisäksi olisi syytä huomioida sisäilmanlaadun merkittävä vaikutus henkilöstön terveyteen ja hyvinvointiin sekä sitä kautta työn tuottavuuteen. Tyypillisen asiantuntijaorganisaation liiketoiminnan kokonaiskustannuksista henkilöstökulut vastaavat 90 %, vuokrakustannukset 9 % ja energiakustannukset 1 % kustannuksista, joten pienetkin edistysaskeleet tällä saralla voivat olla merkittäviä tuottavuuden kannalta. Lisäksi tutkimukset ovat osoittaneet, että sisäympäristönlaatu vaikuttaa terveyden ja hyvinvoinnin lisäksi työtehoon ja oppimiskykyyn, joten työpaikkojen ohella tähän tulisi ehdottomasti panostaa myös oppimisympäristöissä.
Laskentatyökalu
Future Spaces -projektissa toteutetun tutkimuksen yhtenä tavoitteena oli kehittää laajennettavissa oleva työkalu sisäilman hiukkas- ja kaasumaisten epäpuhtauksien pitoisuuksien mallinnukseen, niiden hallintaratkaisujen vertailuun sekä hyötyjen ja kustannusten arviointiin. Tarkasteltaviksi suureiksi valittiin sisäilman pienhiukkas- ja hiilidioksidipitoisuudet, joiden laskenta työkalussa perustuu massataseperiaatteeseen ja oletukseen ilman täydellisestä sekoittumisesta tarkasteltavassa tilassa. Lähtötietoina laskennalle annetaan tiedot tilan ilmanvaihdosta (raitisilma-, kiertoilma- ja vuotoilmavirta) sekä tuloilmansuodatuksen erotusasteet ja rakennuksen vaipan läpäisy hiukkaskokokohtaisesti. Reunaehtoina laskennalle annetaan ulkoilman epäpuhtauksien pitoisuudet sekä epäpuhtauksien tuotto ja poistuma tilassa. Lisäksi määritetään huoneen pinta-ala ja korkeus sekä tilassa olevien henkilöiden määrä. Työkalu mahdollistaa halutun pituisen aikasarjan tarkastelun ja sisäilman epäpuhtauspitoisuuksien lisäksi voidaan laskea erilaisia johdannaissuureita, kuten sisä- ja ulkoilman pitoisuuksien suhdetta (I/O-suhde) tai keskiarvoja tarkasteltavan ajanjakson yli. Laskentatyökalun ominaisuudet on esitetty visuaalisesti Kuva 2 Laskentatyökalun ominaisuudet.
Kuva 2. Laskentatyökalun ominaisuudet.
Laskentatyökalu
Laskentatapaukset perustuvat Future Spaces -projektin puitteissa toteutettuihin pienhiukkaspitoisuusmittauksiin, jotka toteutettiin Helsingin keskustassa sijaitsevassa toimistokohteessa. Kyseisessä tilassa on koneellinen ilmanvaihto, joka hyödyntää kiertoilmaa. Toimisto oli kyseisenä ajankohtana tyhjillään, jolloin ulkoilmasta kulkeutuvien hiukkasten pitoisuudet voitiin mitata luotettavasti. Mittausten ulkoilman pitoisuutta (Kuva 3) käytetään tässä artikkelissa esitettävien tulosten laskennan reunaehtona. Ulko- ja sisäilman hiilidioksidipitoisuutta ei ollut saatavilla, joten ulkoilman hiilidioksidipitoisuuden on oletettu alla esiteltävissä tarkasteluissa olevan vakio 425 ppm.
Kuva 3. Ulkoilman pienhiukkaspitoisuus kokoluokittain mittausjakson aikana.
Esiteltävien laskentatapausten ilmanvaihtoa koskevat tiedot on esitetty Taulukossa 1, jonka ensimmäinen rivi vastaa mitattua tilannetta. Raitisilma ja kiertoilma suodatettiin mittaustilanteessa F7-luokan tuloilmansuodattimella. Tarkasteltavan huoneen tilavuus oli 66 m3 ja lattiapinta-ala 25 m2.
Taulukko 1. Laskentatapaukset erilaisten kiertoilmasuhteiden ja ilmamäärien vertailuun. EN 16798-1:2019 mukaiset arvot laskettu neljälle henkilölle ja vähäpäästöisille rakennusmateriaaleille.
Taulukon laskentatapausten lisäksi vertailtiin myös tuloilmansuodattimen erotusasteen vaikutusta sisäilman pienhiukkaspitoisuuteen muutoin mittaustilannetta vastaavissa olosuhteissa. Kuva 4 a) esitetyt tulokset osoittavat tehokkaan tuloilmansuodatuksen vähentävän sisäilman hiukkaspitoisuutta merkittävästi. Kuva 4 b) esitetään tulokset kiertoilmasuhdevertailusta, jossa mitatun tilanteen kiertoilmasuhdetta (R = 0.6) on laskettu pitäen raitisilmavirta vakiona. Tulokset osoittavat, että yhdistämällä tehokas tuloilmansuodatus korkeahkoon kiertoilmasuhteeseen, voidaan sisäilman pienhiukkaspitoisuutta alentaa tuntuvasti. Kiertoilmasuhteen kohottamista voidaankin pitää energiatehokkaana tapana poistaa hiukkasmaisia epäpuhtauksia ilmasta silloin, kun tuloilmaa on joko lämmitettävä tai jäähdytettävä. Kiertoilmaa hyödynnettäessä on kuitenkin taattava riittävä raitisilmavirta, jotta hiilidioksidipitoisuus pystytään pitämään riittävän alhaisena.
4 a) Tuloilmansuodattimien vertailu puhtaille suodattimille tyypillisillä erotusasteilla.
4 b) Kiertoilmasuhteen variointi.
Pienhiukkaspitoisuuden lisäksi tarkasteltiin hiilidioksidipitoisuutta standardin EN 16798-1:2019 mukaisilla suunnitteluilmavirroilla (Taulukko 1. Laskentatapaukset erilaisten kiertoilmasuhteiden ja ilmamäärien vertailuun. EN 16798-1:2019 mukaiset arvot laskettu neljälle henkilölle ja vähäpäästöisille rakennusmateriaaleille.). Tilassa käytetyt rakennusmateriaalit oletettiin vähäpäästöisiksi. Lisäksi vertailun yksinkertaistamiseksi, vuotoilmavirta jätettiin tarkasteluissa huomioimatta. Tuloksena saadut tasapainotilan hiilidioksidipitoisuudet eri ilmavirroilla on esitetty Kuva 5, josta voidaan todeta hiilidioksidipitoisuuden nousevan raitisilmavirran pienentyessä.
Raitisilmavirran vaikutus sisäilman hiilidioksidipitoisuuteen standardin EN 16798-1:2019 mukaisilla ilmamäärillä, kun tilassa on neljä henkilöä.
Miten hyödyntää laskentatyökalua suunnittelun tukena?
Suunnitteluprosessin alkuvaiheessa kaikki tarvittava tieto ei yleensä ole saatavilla, joten laskentatyökalua voidaan hyödyntää erilaisten skenaarioiden tarkasteluun ja siten tukemaan päätöksentekoa. Mallinnusta voidaan hyödyntää esimerkiksi sisäilmanlaatutavoitteen täyttävän tuloilmansuodatuskonseptin kehittämiseen hyödyntäen tietoa paikallisesta ulkoilmanlaadusta. Toisaalta työkalua voidaan hyödyntää tilassa olevista ihmisistä syntyvien epäpuhtauspitoisuuksien, kuten hiilidioksidin tai tartuntatauteja levittävien aerosolien, laimenemisen arviointiin eri ilmamäärillä ja tilan käyttöasteilla.
Jotta tulevaisuudessa mallinnus voisi tukea paremmin päätöksentekoa, työkalun ominaisuuksia on tarkoitus laajentaa ilmanvaihtoratkaisujen energiatehokkuuden sekä kustannusten ja hyötyjen vertailuun. Tällaisissa analyyseissa on mahdollista tarkastella esimerkiksi tehokkaamman tuloilmansuodattimen aiheuttaman lisäpainehäviön vaikutusta energiankäyttöön vuositasolla sekä verrata näitä kustannuksia saavutettaviin terveys- ja tuottavuushyötyihin.
Sisäilmanlaadun varmentaminen
Hyvin suunniteltu ilmanvaihto on edellytys hyvälle sisäilmanlaadulle, mutta ei itsessään tae hyvästä sisäilmasta. Suunnitteluprosessin aikana on tärkeää tunnistaa ilmanvaihdon tarpeet. Prosessin alkuvaiheessa ei kuitenkaan välttämättä ole tietoa tilan loppukäyttäjistä ja heidän todellisista tarpeistaan, mikä voi johtaa epäoptimaaliseen lopputulokseen, ellei suunnitelmia päivitetä prosessin edetessä ja tiedon karttuessa. Tämä saattaa kuitenkin olla suunnittelun kustannusten kannalta mahdotonta. Toisaalta vaikka olisikin päädytty optimaaliseen ratkaisuun, voivat asennusvaiheessa tehdyt inhimilliset virheet johtaa poikkeamaan suunnitelmasta. Lisäksi on todennäköistä, että ilmanvaihdon tarpeet muuttuvat rakennuksen elinkaaren aikana tilojen käytön muuttuessa. Näistä syistä olisikin erityisen tärkeää, että ilmanvaihtojärjestelmän toiminnan suunnitelmienmukaisuus todennetaan sekä rakennusvaiheessa että myöhemmin rakennuksen elinkaaren aikana ja poikkeamiin puututaan välittömästi. Sisäilmanlaatua arvioivaa laskentamallia voidaan hyödyntää myös ongelmanratkaisuun poikkeamien yhteydessä sekä tarvittavien muutosten suunnitteluun. Tulevaisuudessa malli voisikin olla osa rakennuksen digitaalista kaksosta.
Niko Siilin
Kone- ja energiatekniikan DI.
Tutkija, VTT.
