Browsing by Author "Viljanen, Klaus"

Filter results by typing the first few letters
Now showing 1 - 16 of 16
  • An experimental study on the drying-out ability of highly insulated wall structures with built-in moisture and rain leakage
    (2019-03-22) Viljanen, Klaus; Lu, Xiaoshu
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The recent research on highly insulated structures presents controversial conclusions on risks in moisture safety. This paper addresses these controversial issues through investigating the hygrothermal performance of energy efficient envelope structures under high moisture loads. The experiments consist of built-in moisture and rain leakage tests in mineral wool insulated structures. A heat and moisture transfer simulation model is developed to examine the drying-out ability in both warm and cold seasons. The results show that the energy efficient structures have an excellent drying out ability against built-in and leakage moisture. The difference in the drying ability is limited compared to conventional structures. A critical leakage moisture amount reaching the insulation cavity for a wood frame wall is determined to be between 6.9-20.7 g in a single rain event occurring every other day. Further research is required to target highly insulated structures, particularly addressing water vapor diffusion and convection.
  • Factors affecting the performance of ventilation cavities in highly insulated assemblies
    (2021-07) Viljanen, Klaus; Lü, Xiaoshu; Puttonen, Jari
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The article presents experimental studies of typical Finnish highly insulated (HI) envelopes with thermal resistance values (R value) for the wall and roof inside the ventilation cavity between 7.7 and 8.1 m2K/W and 13 m2K/W, respectively. The conditions in the ventilation cavities were studied by using typical and increased R values for the exterior part of the cavity, which were 0.18 m2K/W and 1.57 m2K/W in the walls, and 0.13 m2K/W and 2.13 m2K/W for the roof. With higher exterior R values of 1.57 m2K/W and 2.13 m2K/W, the cavity temperature increased only after closing the inlet gap of the cavities. If the cavity inlet was closed, the restriction of the outlet gap from 20–25 mm to 10 mm had no significant effect on the temperatures. A closed ventilation inlet resulted in increased absolute humidity in the cavity, which indicates that the restriction of cavity ventilation should be made with care to avoid impairing the drying-out ability. The computational analysis showed that the optimal air change rates in the wall and roof cavities of HI structures were 4–40 1/h and 20 1/h, respectively. The conventional 22-mm-thick wood cladding enables safe cavity conditions in HI walls if the vapor barrier is vapor tight and other moisture sources are low. A lower heat flux and additional heat loss caused by cloudless sky at night support the observation that HI roofs have a higher moisture risk. In HI roofs, a conventional exterior R value of 0.13 m2K/W should at least be increased to the range of 0.3–0.4 m2K/W, which is achieved, for example, by a 20-mm-thick mineral wool board under the roofing. The use of mold-resistant materials in the ventilation cavity is recommended to mitigate the possible ramifications of the moisture behavior of HI roofs.
  • Hygrothermal Behaviour of Ventilation Cavities in Highly Insulated Envelopes
    (2020-06-30) Viljanen, Klaus; Lü, Xiaoshu; Puttonen, Jari
     A4 Artikkeli konferenssijulkaisussa
    This article presents long-term experimental studies on the moisture safety in the ventilation cavities of highly insulated (HI) structures. The tested HI-walls had thermal transmittances of 0.11-0.13 W/m2K. A wall with a thermal transmittance of 0.23 W/m2K represented the baseline wall in the test. In addition to walls, an HI-roof of a newly built house with a U-value of 0.08 W/m2K was measured. The results indicate that, in the ventilation cavity, the relative humidity of an HI-wall exceeds 1-7% of the humidity measured from the baseline wall during winter, which coincides with the 0.4-1.5°C lower temperatures observed in the HI-walls. The mold risk in the ventilation cavities of the walls is low, as the value of the mold index (MI) remains below one, which indicates small amounts of microscopic mold only on surfaces. However, at the bottom of the cavity, the MI value reaches 1.4 due to lower temperatures. In the HI-roof, the MI values are between 1.0 and 2.0 in the middle of the cavity in winter. The reasons for the higher mold risk of the roof are the humid weather, the built-in moisture of the roof and the low heat flux from inside. The study confirms that, in the future, warmer weather and increased humidity can increase moisture risks in the ventilation cavities. The results support the use of materials that are more resistant to mold in the outer parts of structures.
  • Hygrothermal performance of highly insulated external walls subjected to indoor air exfiltration
    (2022-09) Viljanen, Klaus; Puttonen, Jari; Lu, Xiaoshu
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The study comprises three laboratory tests in which typical Finnish highly insulated (HI) walls were exposed to concentrated leakages of indoor air under steady outdoor temperatures of 1–5°C. Airflows with a relative humidity of 50% and at rates of 1–3 L/min were directed close to the wooden frames inside the walls. The thermal resistance ratios between the exterior sheathing(s) and the whole wall (Γ) were 20%–22% and 1%–10% for the HI and baseline (BL) walls. The HI walls that presented Γ values of at least 20% were observed to be resistant to air exfiltration, and their durability was not affected by the addition of a gypsum sheathing outside the wooden frame or a more permeable vapor retarder. This is related to the negative linear correlation that exists between the moisture accumulation rate in wood-based material and the dew point depression (DPD) value. The developed approach, called the DPD method, shows that a significant degree of moisture accumulation does not occur even for DPD values of as low as −2°C if the exterior sheathing is vapor permeable. The airflow does not penetrate into the rigid mineral wool sheathing, which helps to avoid interstitial condensation. Regardless of thermal transmittance, the HI and BL walls with maximum Γ values of 1% were exposed to a high relative humidity and even interstitial condensation because the DPD values were often below −2°C. For these walls, the mold index analysis and visual observations confirmed the local risk for mold growth on the opposite side of the leakage point. In practice, long-term mold growth may be limited if the seasonal periods during which the outdoor temperature is 1–5°C last for a maximum of about 1 month every year.
  • Hygrothermal performance of wood-framed, mineral-wool-insulated walls and roofs with low thermal transmittance
    (2023) Viljanen, Klaus
     School of Engineering | Doctoral dissertation (article-based)
    Low thermal transmittance of external walls and roofs supports sustainability and energy savings, but the improved insulation efficiency may increase moisture problems in these building components. As the performance of the highly insulated (HI) building envelope subjected solely to water vapour diffusion has been found acceptable, this study analyses the consequences of built-in moisture, rain leakage and indoor air exfiltration for HI building envelopes and assesses the hygrothermal conditions and moisture safety of the ventilation cavities of HI walls and roofs. The extensive experiments of the thesis focused on mineral-wool-insulated wood-framed external walls and roofs with thermal transmittances of 0.12–0.13 W/(m2K) and 0.08 W/(m2K), respectively, and with wind barriers that had water vapour diffusion equivalent air layer thickness (sd) of 0.1–0.2 m. The experimental results received indicated that exfiltration is the most potential source of moisture to deteriorate the hygric performance of the wall studied. However, no connection was observed between the thermal transmittance and hygric performance of a wall that was subjected to air leakage. This also applied to the performance of the walls during the drying in the built-in moisture tests: all the walls dried to the state of equilibrium without significant risk of moisture problems. The HI walls had a slightly better tolerance to rain leakage than the baseline wall. The results of the wall experiments support the use of an insulating exterior sheathing in HI walls. Such a sheathing protects the wall against air exfiltration and decreases the level of relative humidity during the drying of the wall. The results indicated that a ratio of the thermal resistance of the exterior sheathing to that of the whole HI wall should be at least 10%. The measurements revealed that in the ventilation cavities of HI walls the hygrothermal conditions were the weakest at the bottom of the cavity. The performance of the cavities of the HI roofs studied was satisfactory at most, but in the future, the performance will deteriorate if climate changes as is predicted. Based on these results, it is recommended to use mould resistant materials in the cavity of HI walls and roofs, to use effective vapour barriers in HI roofs (sd at least 50 m), and to monitor the performance of the cavity of HI structures regularly. Based on the numerical analysis conducted, if necessary, the hygrothermal performance of HI roofs can be improved by using quintuple thermal resistance compared to the conventional level of the structural members above the ventilation cavity such as 0.13 (m2K)/W and by restricting the ventilation openings in windy regions so that the air change rate is about 20 1/h.
  • Hyvin eristettyjen ulkovaipparakenteiden tuuletusvälien toimivuus ja merkitys sisäilman kannalta
    (2021) Viljanen, Klaus; Wirtanen, Leif
     A4 Artikkeli konferenssijulkaisussa
    Ulkovaipparakenteiden kosteusteknistä toimivuutta on perinteisesti tarkasteltu lämmöneristekerroksessa vaikuttavien lämpö- ja kosteusolosuhteiden kannalta. Tuuletusvälissä esiintyvä vähäinen homekasvu on yleensä ajateltu hyväksyttäväksi, sillä sen vaikutus sisäilman laatuun on katsottu vähäiseksi. Tutkimuksen mukaan hyvin eristetyissä rakenteissa ilmavälin lämpötila on alhaisempi ja suhteellinen kosteus korkeampi verrattuna tavanomaisiin rakenteisiin. Artikkelissa arvioidaan tuuletusvälin kosteusturvallisuutta ja siten homekasvun syntymisen todennäköisyyttä. Liiallinen homekasvu tuuletusvälissä ja sisäilmaan tuuletusvälistä kohdistuvat ilmavirtaukset voivat johtaa sisäilman laadun heikentymiseen. Rakenteiden toimintaperiaatteiden muuttuessa on perusteltua tutkia jatkossa keinoja parantaa tuuletusvälin toimintaa.
  • Katon polyvinyylikloridikatteen kosteusteknisen toiminnan tarkastelu kenttäkokeella ja laskennallisesti
    (2012) Viljanen, Klaus
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
    This work investigates moisture transfer analysis of low-sloped roof with polyvinyl chloride (PVC) roofing. The main goal of the study is to determine if diffusion is a sufficient drying mechanism or should PVC roofs have ventilation grooves in the insulation layer. An additional goal is to gain more knowledge of the moisture movements in PVC roofs. A field study was conducted to measure relative humidity and temperature from the thermal insulation of a roof located in Southern Finland. The unventilated roof area and the roof area with only low pressure air vents could not dry the built-in moisture of 0.35 kg water for square meter of roof during the 8-month study time. A roof with ventilation grooves is more fail-safe and can remove moisture faster. The roof area with the ventilation grooves was the driest. The study showed that the extra moisture of the roof is located in the mitre and that large connected roof areas move water from the mitre by the fluttering of the PVC roofing. The temperature differences in the thermal insulation layer cause strong vertical and horizontal moisture movements. These movements can be reduced for example with light colored roofing but they cannot be completely prevented. The strong effect of temperature differences to moisture movements should be taken into account in other structures such as walls and base floors. The calculations showed that roof leakage and moisture convection cause major moisture loads but moisture loads by diffusion are minor, at most 0.17 kg/m2 in a year. Drying by diffusion is approximately 0.25 kg/m2 in a year and with ventilation grooves 1 - 16 kg/m2 in a year. The results corroborated earlier studies. The calculations utilized the results from the field study, thus increasing the validity of the results. The heat and moisture transfer of the roof structure in the field study was modeled with FEM (finite element method) calculation, taking into account hysteresis and temperature-dependent moisture isotherm. Temperature-dependent sorption curve slightly improved the calculation, but a simple sorption curve can be used to model drying of the roof. Hygroscopic moisture dries out of the roof by diffusion in 1 - 1.5 years. Cellular plastic as thermal insulation causes minor vertical moisture movements compared to rock wool. The study concentrated on PVC roofs with rock wool but the results are applicable to other roofs case-specifically. The results from the field study include both summer and winter time. The areas in the field study were 200 - 400 m2 which can affect the level of fluttering of the roofing. To evaluate the sufficiency of the drying time, more knowledge is needed of the long term moisture corrosion sensitivity of rock wool.
  • Lämpötilan vaikutus rakennekosteusmittausten tuloksiin
    (2015-05-04) Lindqvist, Mikael
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Mikrobien aineenvaihduntatuotteiden merkitys rakenteiden vaurioalttiudelle
    (2014-06-09) Lipponen, Olli
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
    Työn tavoitteena oli selvittää mikrobivaurioituneen rakenteen ilman koostumus mikrobien aineenvaihduntatuotteiden osalta sekä aineenvaihduntatuotteiden merkitys rakenteiden vaurioalttiudelle. Työssä sovellettiin laitteistoa hiilidioksidin (CO2) diffuusiokertoimen mittaamiseen. Työssä mitattiin ja laskettiin hiilidioksidin diffuusiokerroin neljässärakennusmateriaalissa perustuen ajasta riippumattomaan tilanteeseen. Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) diffuusiokertoimet laskettiin kineettisen kaasuteorian avulla. Työssä mitattiin mikrobikontaminoituneen kipsilevyn sisältäneen koerakenteen huokosilman lämpötilaa, suhteellista kosteutta, CO2-pitoisuutta ja VOC-pitoisuutta. Kokeen aikana huokosilman CO2-pitoisuutta nostettiin keinotekoisesti, minkä jälkeen CO2-pitoisuus jäi pysyvästi korkeammalle tasolle kuin alkupitoisuus. Kokeen aikana pidettiin samalla tapaa mikrobikontaminoitunutta kipsilevyä ulko-olosuhteissa vertailunäytteenä. Kokeen lopuksi kummankin kipsilevyn mikrobikasvustolle tehtiin mikrobianalyysi ja toksisuusmittaus. Mittausten mukaan hiilidioksidin diffuusiokerroin oli kipsilevyssä +23 °C lämpötilassa (0,92 ±0,01)·10-6 m2/s. Vastaavasti hiilidioksidin diffuusiokerroin polyeteenisessä höyrynsulkukalvossa oli (5,43 ±0,71)·10-12 m2/s, huokoisessa puukuitulevyssä diffuusiokerroin oli (2,43 ± 0,33)·10-6 m2/s ja rakennuspaperissa diffuusiokerroin oli (1,58 ±0,03)·10-8 m2/s. Tulosten mukaan moolimassaltaan kevyet yhdisteet diffundoituivat raskaita yhdisteitä nopeammin. Moolimassaltaan kevyet yhdisteet muodostivat rakenteeseen raskaita yhdisteitä alhaisemman pitoisuuden. Koerakenteessa olleen kipsilevyn mikrobikasvusto oli ulko-olosuhteissa olleen kipsilevyn mikrobikasvustoa toksisempi.
  • A Numerical Study of Methods to Improve Moisture Safety of Ventilated Wooden Roofs
    (2024-02-19) Viljanen, Klaus; Felius, Laurina
     A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessä
    The hygrothermal performance of highly insulated, prefabricated wooden roof structures is likely to deteriorate due to the low heat flux to the ventilation cavity. This article evaluates the possibility to improve the moisture safety of such roofs in a Nordic climate by using different control methods for the ventilation rate of the roof and by using thermal insulation above the roof sheathing. The results support the use of adaptive roof ventilation as it decreases the probability of mould growth in the roof. The use of thermal insulation above roof sheathing decreases the probability of mould growth only slightly in a roof with elevated amount of built-in moisture.
  • Passive Antenna Systems Embedded into a Load Bearing Wall for Improved Radio Transparency
    (2021-01-12) Vaha-Savo, Lauri; Atienza, Alejandra Garrido; Cziezerski, Christian; Heino, Mikko; Haneda, Katsuyuki; Icheln, Clemens; Lu, Xiaoshu; Viljanen, Klaus
     A4 Artikkeli konferenssijulkaisussa
    Providing cellular network services inside residential or office buildings has become challenging, especially for fifth-generation networks that use higher carrier frequencies. Additionally, new energy-efficient buildings contain envelopes such as low-emissivity glass and new multi-layer thermal insulations, all of which - unintendedly but effectively - also block radio signals. As a solution to those problems of indoor coverage, we suggest the use of passive antenna systems embedded into the building walls. We propose a numerical evaluation method for determining the electromagnetic transmission coefficient and the thermal insulation of a typical building wall. Next, we investigate two antenna configurations embedded to the wall, a two-patch and a four-patch design, both operating around 3.5 GHz. We show from numerical simulations that those antenna systems increase the transmission coefficient of the wall. At the same time, we show that the four-patch design does not compromise the thermal insulation of the wall.
  • Pientalojen savuhormiratkaisut
    (2014-05-07) Nikander, Perttu
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Pientalojen vesikattorakenteet
    (2012-12-05) Partanen, Petteri
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
  • Pintamateriaalien vaikutus sisäilman laatuun
    (2008) Viljanen, Klaus
     Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta | Bachelor's thesis
  • Uimahallien energiankulutuksen mallintaminen keinotekoisilla neuroverkoilla
    (2015-12-14) Jantunen, Petri
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
    Diplomityössä luodaan keinotekoinen neuroverkkomalli uimahallien vuosittaisen energi-ankulutuksen laskemiseksi. Neuroverkon syötteinä käytettiin saatuja tietoja uimahallin taloteknisistä järjestelmistä ja dimensioista. Neuroverkko opetettiin käyttäen suomalai-sista uimahalleista kerättyjä vuosikulutustietoja sekä saatavilla olleita tietoja uimahallien teknisistä järjestelmistä, dimensioista ja käytöstä. Tietoja kerättiin VTT:n ylläpitämästä uimahalliportaalista, Aalto-yliopiston rakennusfysiikan tutkimusryhmän aikaisemmista tutkimuksista ja kyselyn avulla. Neuroverkon opetuksessa käytettiin vuosien 2008 - 2013 kulutustietoja. Aluksi etsittiin neuroverkolle optimaalinen syöteyhdistelmä käytössä olleista tiedoista alaspäin askelluksella. Tämän jälkeen määritettiin optimaalinen piilotetun tason koko kahdelle takaisinsijoittavalle algoritmille. Lopuksi luotua mallia testattiin käyttäen vertaamalla tuloksia 2014 kulutustietoihin. Opetusvaiheessa työssä luodulla neuroverkoilla pystyttiin mallintamaan uimahallin ener-giankulutusta noin neljän prosentin keskivirheellä. Testivaiheessa prosentuaalinen keskivirhe kasvoi noin yhdeksään prosenttiin. Käytetyillä syötteillä, piilotettujen neuronien määrällä ja opetusalgoritmilla oli suuri vaikutus neuroverkon oppimiseen. Levenberg - Marquard opetusalgoritmi on herkempi piilotettujen neuronien määrän vaihtelulle kuin Bayesian Regulation algoritmi. Vuoden 2014 kulutustietoihin verrattaessa Levenberg -Marquard algoritmi saavutti kuitenkin tarkempia tuloksia. Vähäisen tiedon määrän vuoksi nykyisellään neuroverkkomallilla ei voida ennustaa kaikkien oleellisten muuttujien vaikutusta energiankulutukseen, kuten taloteknisten jäjestelmien tai sisäilman olosuhteiden vaikutusta. Uimahallien energiankulutus on erittäin monimutkainen prosessi, joten tarkemman neuroverkkomallin luomiseksi tarvitaan enemmän tietoa.
  • Valesokkelin kosteusvaurion korjaus
    (2017-05-08) Asell, Marko
     Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
    Diplomityössä tutkittiin kosteusvaurioituneen valesokkelin korjauksen onnistumista kapselointimenetelmällä. Korjausmenetelmässä valesokkelirakenne, jossa seinärakenteen alajuoksu sijaitsee lattiatason alapuolella, jätetään ennalleen ja muutostyöt suoritetaan rakennuksen ulkopuolelta käsin. Suurimmat muutostyöt ovat kattorakenteen muuttaminen tasakattoisesta harjakatoksi, salaojituksen teko ja taloa kiertävän maanpinnan uudelleen muotoilu rakennuksesta poispäin viettäväksi. Korjauksen onnistumista seurattiin mittaamalla alaohjauspuun kosteuspitoisuutta ja lämpötilaa remontin jälkeen vuoden ajan. Seurantajakso oli lokakuun 2009 ja lokakuun 2010 välinen aika. Rakenteesta tehtiin myös laskentamalli, jonka tuloksia verrattiin mittaustuloksiin. Kosteuspitoisuus aleni alkutilanteen yli 20 painoprosentin lukemista seurantajakson aikana alle kriittisen 20 painoprosentin kosteuspitoisuuden. Kapselointimenetelmällä korjatessa täytyy muutamista seikoista päästä varmuuteen, ennen kuin menetelmää voidaan soveltaa muihin korjauskohteisiin. On ensiarvoisen tärkeää huomata, että kapselointimenetelmän käyttö korjausmenetelmänä vaatii erittäin hyvää ammattitaitoa kaikilta korjaushankkeeseen ryhtyviltä osapuolilta. Lisäksi tulee varmistaa, että alaohjauspuu tai siihen liittyvät pystytolpat eivät ole ehtineet päästä lahoon asti. Jos lahottajat ovat päässeet tekemään tuhojaan, tulee korjausmenetelmänä käyttää massamenetelmää, jossa valesokkelirakenne muutetaan toisella tavalla toimivaksi esimerkiksi muuraamalla tiilimuuraus alajuoksun alapuolelle.