Mielikuvissa kotimme on linnamme, mutta maailma ei pysähdy seiniin.

Teksti: Petri Forsell

Mielikuvissa kotimme on linnamme, mutta maailma ei pysähdy seiniin.

Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2012

Vietämme lähes koko vuorokauden rakennusten suojissa. Rakennusfysiikan tuntemisesta onkin tullut yhä tärkeämpi terveellisen ja turvallisen asumisen, opiskelun ja työnteon tekijä. Talo on monimutkainen sekoitus fysiikkaa ja kemiaa. Oli talo vankka kivitalo tai pieni ja kotoinen puutalo, sitä koettelevat yhtä lailla atomitason ilmiöt kuin makromaailman suurimmat myrskyt. Asumuksen sanotaan suojaavan elementtien raivolta, mutta miten elementit – maa, ilma, vesi ja lämpö – sitä kohtelevatkaan.

Maa murenee jatkuvasti

Kaikki talot on rakennettu enemmän tai vähemmän maasta: piistä, raudasta, kalsiumista, hiilestä ja muista alkuaineista, joista on jalostettu terästä, sementtiä, tiiliä ja betonia. Tosin nykytalot ovat yhä muovisempia, sillä 20–30 prosenttia kaikesta muovista käytetään rakentamiseen – ei kylläkään vielä jykeviin rakenteisiin. Muovia on muun muassa kosteussuluissa, putkissa, sähköjohdoissa, tapeteissa, lattioiden päällysteissä ja ikkunoissa.

Vaikka kivi on kovuuden symboli, atomitasolla se murenee koko ajan. Tästä kertoo alkuaineiden hajotessa syntyvä vähäinen radioaktiivinen säteily. Silmin havaittavaa rappeutumista ei tapahtu satoihin vuosiin, jos talosta pidetään hyvää huolta. Hylätty rakennus sen sijaan sortuu luonnonvoimiin jo muutamassa vuosikymmenessä. Tämän voi nähdä vaikkapa Tšernobylin onnettomuuden autioittamassa Pripjatin kaupungissa.

Painon antaa painovoima

Talossa vaikuttavat klassisen fysiikan lait. Painovoima vetää kivitaloa kohti Maan keskipistettä voimalla, joka on noin tuhat kiloa neliömetriä kohti. Toisin sanoen tuhannen neliön kivitalo painaa tuhat tonnia, noin 500 tavanomaisen henkilöauton verran. Puu- tai teräsrakenteinen talo on yleensä jonkin verran kevyempi.

Painon vuoksi pilvenpiirtäjät on rakennettava teräksestä. Kivestä voi tehdä korkeita kirkontorneja, mutta tavalliseen käyttöön tarkoitettu talo ei pysty tavoittelemaan taivaita. Maailman korkeimmassa kivitalossa, Philadelphian kaupungintalossa Yhdysvalloissa, on korkea torni mutta vain kahdeksan kerrosta huonetilaa. Koko komeutta kannattelee perustus, jonka seinät ovat kuusi metriä leveät.

Aika kulkee eri tahtiin

Talon kellarissa painovoima on hivenen suurempi kuin ullakolla. Koska suhteellisuusteorian mukaan painovoima vaikuttaa aikaan, ylä- ja alakerroksessa olevat kellot näyttävät eri lyömää. Ero on kylläkin niin pieni, että tavallinen tikittäjä ei sitä mittaa, mutta maailman tarkimmat atomikellot pystyvät näyttämään ajan suhteellisuusteoreettiset muutokset jopa muutaman kymmenen sentin korkeuseroista.

Käytännön vaikutusta voisi luonnehtia vähäiseksi. Jos elää 80-vuotiaaksi, hyötyy katutasossa asuen sekunnin miljardisosan murto-osia verrattuna pröystäilijään, joka hallitsee kattohuoneistoa.

Tuuli riepottaa paineita

Ilma vaikuttaa taloon jo pelkällä painollaan. Kuutiometri ilmaa painaa kutakuinkin yhden kilon. Koska ilmakehä on tuhansia metrejä korkea, taloon kohdistuu kymmenen tonnin paino jokaiselle neliömetrille. Talo ei kuitenkaan sorru taakan alla, koska ilmaa on talon sisälläkin. Tasaisessa paineessa voimat nollautuvat.

Paine-erot sen sijaan koettelevat taloa. Jos rakenteen toisella puolella on enemmän ilmaa kuin toisella, rakenne joutuu rasitukseen. Paineen vaihtelua aiheuttavat niin luonnonilmiöt kuin ihmisten toiminta rakennuksen sisällä.

Ulkopuolella paine-ero aiheutuu ennen kaikkea tuulesta. Vaikka rakennukset mitoitetaan kestämään myrskytkin, tuulenpuuskien iskut voivat vaurioittaa ulkoverhoilua tai ikkunoita. Jos tuuli pääse puhaltamaan katon katteen alle, paine-ero saattaa muutamassa hetkessä irrottaa jopa satoja kiloja painavan teräskaton.

Sade tulvii kellareihin

Vesi on talolle vaarallista ainetta. Ikävä kyllä luonto tarjoilee sitä avokätisesti.

Sadan neliömetrin katto valuttaa sokkelin juureen vettä 60 000 litraa vuodessa. Talo kuin talo tuhoutuisi, jos vettä ei johdettaisi poispäin perustuksista. Normaalioloissa räystäät ja salaojat suojelevat rakennuksia, mutta rankkasateilla kellarit voivat tulvehtia vettä.

Perinteiset maalatut betonirakenteet kestävät yleensä nopeasti ohi menevän rankkasadetulvan hyvin, mutta vedenpuhdistamoille tulvat tuottavat ongelmia.

Puhdistamot on tarkoitettu vedelle, joka tulee keittiöstä, vessasta ja kylpyhuoneesta. Pihan, autosuojan ja kadun kautta viemäriputkistoon valuva vesi sisältää öljyjä, hiekkaa, kasvien osia ja muuta sellaista, mikä vaatii omanlaisensa puhdistusmenetelmän. Monissa taajamissa onkin alettu rakentaa erillisiä hulevesiviemäreitä sadeveden käsittelyä varten.

Aurinko kuivattaa ja kasvattaa

Neljättä elementtiä eli lämpöä edustaa ulkona aurinko, josta tulevan säteilyn teho on noin 1 500 wattia neliömetriä kohti, joskin käytännössä pilvien ja muiden esteiden vuoksi talon pinnoille pääsee ehkä noin 1 000 wattia. Se vastaa suurin piirtein sitä, että jokaisella neliömetrillä puhaltaisi hiustenkuivain aamusta iltaan. Ei siis ihme, että taloja täytyy aika ajoin maalata ja rapata uudestaan.

Aurinko saa talot myös kasvamaan. Auringosta tuleva lämpösäteily antaa atomeille lisää energiaa, minkä vuoksi niiden keskinäiset etäisyydet kasvavat. Samalla kasvaa talo.

Normaalissa asuintalossa muutos on pieni, ja varotoimeksi riittää, että tarpeellisiin paikkoihin jätetään liikuntasaumoja. Pitkissä yhtenäisissä tiiliseinissä lämpölaajenemisen vaikutus voi olla niin suuri, etteivät liikuntasaumat riitä. Silloin seinään syntyy halkeamia, ja pahimmillaan ikkunat saattavat juuttua tai jopa rikkoutua.

Jos porotus jatkuu pitkään, tulipalokaan ei ole mahdoton. Esimerkiksi umpinaisella ullakolla ilma voi kesällä kuumeta jopa 70-asteiseksi, ja huonolla tuurilla syttyy tulipalo.

Fysiikka käy rakenteisiin– Ilmakehästä tulee painoa 10 000 kiloa / m2.– Katolta valuu vuodessa sadevettä 600 litraa / m2.– Ukkospuuskassa tuuli voi riuhtoa 40 m / s. paineet heittelevät uhkaavasti.– Materiaaleissa alkuaineet hajoavat jatkuvasti, vaikkei silmä sitä näe.– Rankkasateella hulevesi tulvii kellariin.– Aurinko syöttää lämpösäteilyä 1 000 wattia / m2.– Ullakolla lämpötila kipuaa: 50... 60... 70°C.– Lämpösäteily ajaa atomeja erilleen ja "lihottaa" taloa.– Painovoiman vetovoima on 1 000 kiloa / m2.

Sisällä leijuu näkymätön vaara

Jos meidän ei olisi pakko hengittää, ilmalla varmaan olisi saantisuositus.

Ilma on sekoitus erilaisia kaasuja: happea, typpeä, hiilidioksidia, otsonia, metaania ja monia muita. Sisätiloissa sen koostumus muuttuu nopeasti. Hengitys tuottaa hiilidioksidia. Ruoanvalmistus lisää vesihöyryä. Roska-astioista tupruaa metaania ja typpiyhdisteitä. Huonekaluista irtoaa liimoja, lakkoja ja hajusteita.

Hiilidioksidi ja muut kaasut vievät toimintatarmoa jo pieninä pitoisuuksina. Tutkijat sanovat, että työteho putoaa selvästi, kun hengitysilma ei ole puhdasta ja hajutonta.

Pienhiukkaset pääsevät sisään

Hengitämme kaiken aikaa myös pienhiukkasia, parin millimetrin tuhannesosan kokoisia hippuja. Niitä joutuu ilmaan luonnosta – tulivuorista, merivedestä, tulipaloista – mutta myös ihmisen toiminnasta. Liikenne ja energiantuotanto ovat suurimpia päästölähteitä.

Pienhiukkaset aiheuttavat sydäntauteja, hengityselinten sairauksia, syöpää ja sikiöi­den kehityshäiriöitä. Sisätiloihin päätyneiden pienhiukkasten arvioidaan aiheuttavan vuosittain 200 kuolemantapausta. Kaikkiaan pienhiukkaset vievät yli tuhannen ihmisen hengen, kolme kertaa enemmän kuin liikenneturmat.

Nykyaikaisessa talossa haitalliset hiukkaset pyritään pitämään ulkona, mutta useimmista asunnoista ilmaa puhdistavat suodattimet vielä puuttuvat, eikä esimerkiksi niin sanotulla painovoimaisella ilmanvaihdolla varustettujen talojen tuloilmaa kyetä puhdistamaan.

Väärä paine homehduttaa

Viime vuosina on lakkaamatta puhuttu hometaloista. Ongelman takaa löytyy usein huonosti toimiva ilmanvaihto. Se voi johtaa ylipaineeseen ja ajaa kosteutta seinien sisään, mikä edistää homeiden kasvua.

Huono ilmanvaihto voi aiheuttaa myös liiallisen alipaineen. Silloin ilma tulee asuntoon vääriä reittejä, kuten viemäreistä tai rakenteista, ja tuo usein muassaan haisevia kaasuja, bakteereja ja homeita.

Sisäilman saa kuntoon hyvällä ilmanvaihdolla. Nykyisen käsityksen mukaan ulkoilman pitäisi kulkea suunnitellusti sisään ja ulos parissa tunnissa, mikäli halutaan huolehtia asukkaiden terveydestä. Koska ilmaa kuluu noin 15 000 litraa asukasta kohden vuorokaudessa, riittävä vaihtuvuus saadaan käytännössä vain koneellisesti.

Radonista ekstrakiusa

Suomalaiset asunnot kuuluvat maailman radioaktiivisimpiin: saamme sisätiloissa vuosittain parin millisievertin verran säteilyä. Syypää on radon.

Meillä on paljon taloja, joissa luonnon radon pääsee sekoittumaan hengitysilmaan. Uusissa taloissa riski osataan torjua varsin hyvin esimerkiksi alimpia kerroksia tuulettamalla, mutta vanhemmissa taloissa radonpitoisuus voi nousta vaarallisen korkealle. Hengitettynä radon häiritsee solujen jakautumista keuhkoissa. Tämän arvioidaan aiheuttavan vuosittain 300 keuhkosyöpää.

Radonia karkaa myös kiviperäisistä rakennusaineista, sillä ne sisältävät uraania, jonka hajoamistuotteena syntyy radonkaasua. Tiilistä ja betonista erittyy radonia kuitenkin niin vähän, ettei siitä ole vakavaa vaaraa kuin poikkeustapauksissa.

Puhdas vesikin on cocktail

Vettä ei tule vain taivaalta vaan myös vesijohtoja pitkin – 150 litraa vuorokaudessa henkeä kohden. Sadan asukkaan kerrostalon läpi virtaa siis 5,5 miljoonaa litraa puhdasta vettä vuodessa.

Vesi on tunnetusti H2O:ta, mutta jos mukaan otetaan vesijohtoveteen liuenneet aineet, nimikkeeseen on lisättävä kirjaimia: S, Fe, Mn, Cu, Pb, Al, As ja jopa kymmeniä muita.

Lähes kaikesta vesijohtovedestä löytyy rikkiä, rautaa, mangaania ja kuparia. Osa on peräisin jo vedenottamon raakavedestä, ja osa on liuennut vesijohdoista. Vedessä on pieniä määriä muitakin metalleja, kuten lyijyä, alumiinia, arseenia, kadmiumia, seleeniä, kromia, nikkeliä ja elohopeaa. Terveydelle pienistä pitoisuuksista ei ole vaaraa, joskin Suomessa alumiinin ja elohopean määrät saattavat paikoin hipoa hyväksyttäviä raja-arvoja.

Hanasta tulevassa vedessä on myös muoveja, torjunta-aineita, kloorattuja hiilivetyjä ja muita paljon käytettyjä kemikaaleja. Itse asiassa ne vain palaavat luojansa luo: vesijohtoveteen nuo aineet ovat joutuneet siksi, että ne ovat ensin päässeet ihmisen käsistä luonnonvesiin.

Kemikaalien lisäksi vedessä on aina bakteereja ja viruksia. Kaikkine lisukkeineenkin suomalainen vesi on kuitenkin laadukasta. Pilaantunut verkostovesi aiheuttaa ani harvoin terveysongelmia, kun kelvoton sisäilma tappaa joka vuosi satoja ja sairastuttaa tuhansia. Vedenjuonti on ehkä turvallisinta mitä kotonaan voi tehdä.

Likavesi vie haitta-aineita

Käytön jälkeen vesi palautetaan kiertoon – nykyään onneksi jonkinlaisen puhdistuksen kautta. Puhdistuslaitos voi olla osa taloa, mutta taajama-alueilla puhdistus yleensä keskitetään.

Puhtaaseen vesijohtoveteen, joka on kulkenut pesukoneissa, wc-laitteissa, suihkuissa ja pesualtaissa, on kasautunut kaikenlaisia epäpuhtauksia. Suuri osa niistä on luonnollisesti eloperäisiä.

Keskimäärin litra viemärivettä sisältää bakteereja 100 milligrammaa, kuituja ja muita kiintoaineita 150 milligrammaa, fosforia 10 milligrammaa ja typpeä 30 milligrammaa. Litkun koostumus vaihtelee kuitenkin valtavasti ajan ja paikan mukaan.

Asunnoista tulevassa likavedessä on lisäksi luonnolle haitallisia kemikaaleja, esimerkiksi lääkeaine- ja hormonijäämiä. Valtaosa hävittää vanhat pillerit ja liuokset asianmukaisesti, mutta yhä vielä viidennes heittää ne roskiin tai viemäriin.

Bakteerit iskevät putkiin

Likavesi ei suinkaan tee matkaa pois muuttumattomana. Kun seos lilluu putkistossa, bakteerit käyvät kuonan kimppuun ja alkavat tuottaa rikkivetyä. Se on väritön kaasu, joka antaa viemärivedelle sen tyypillisen lemun.

Rikkivedyllä on paljon ikäviä ominaisuuksia: pieninä pitoisuuksina se aiheuttaa hajuhaittoja, vähän suurempina se ärsyttää ihoa ja silmiä, ja tarpeeksi suuret määrät lamaavat hengityksen. Rikkivety palaa ja räjähtää herkästi, ja se voi muuttua syövyttäväksi rikkihapoksi.

Putket ovat kovilla. Seinät sakkautuvat, ruostuvat, liukenevat ja hajoavat. Vaurioiden hillitsemiseksi viemärit tehdään yhä yleisemmin monia materiaaleja yhdistelemällä. Putken sisäpinta on liukasta muovia tai epoksia. Sen päälle puetaan alumiinia, ja rautakuoren sisään suihkutetaan hartsia. Putken toimivuus paranee ja käyttöikä pitenee, mutta silti putkiremontit ovat kiusanamme noin 50 vuoden välein.

Ilma sakeana kemiaa– sisäilma korvautuu ulkoilmalla hitaasti.– Kosteissa seinissä pesii home.– Juomavesi ei ole pelkkää vettä.– Hengityksestä syntyy hiilidioksidia.– Alipaine nostaa kaasuja viemäristä.– Rikki syövyttää putkia.– Kokkaus kerryttää vesihöyryä.– Kalusteista irtoaa lakkoja ja liimoja.– Ulkoa virtaa pienhiukkasia.– Maaperästä nousee radonia.

Asuminen lämmittää ilmastoa

Kun napsauttaa katkaisijaa, ei tule ajatelleeksi, että energia muuttuu lämmöksi.

Kaikki rakennukset on sopeutettava auringon säteilyn muutoksiin. Kesällä niitä pitää mahdollisuuksien mukaan jäähdyttää, talvella lämmittää.

Suomen kaltaisessa maassa lämmitys vie paljon energiaa. Yhden neliömetrin lämmittämiseen kuluu lähes 200 kilowattituntia vuodessa. 120 neliön talon vuotuisella lämmitysenergialla bensapihi auto kulkisi maapallon ympäri.

Talon tarvitsemasta lämmöstä patterit tuottavat vain noin 60 prosenttia. Lämmittimiä on myös kodinkoneissa, uuneissa, kuivureissa, keittimissä, pesukoneissa ja kiukaissa. Myös laitteet, joiden ei ole tarkoitus lämmittää, tuottavat lämpöä. Oheislämpöä tulee televisiosta, tietokoneesta, valaisimista, vatkaimista, ihan kaikesta.

Yhdessä kodinkoneet kerryttävät lämmöstä 20 prosenttia. Loput 20 prosenttia on peräisin asukkaista ja auringosta.

Lämpöä ulos eikä kylmää sisään

Taloa ei tarvitse lämmittää siksi, että kylmä pyrkii sisälle. Vaikka arkikokemus sanoisi, että seinä hohkaa kylmää, lämpö siirtyy aina lämpimästä kylmään eli talo pyrkii samaan lämpöön ulkoilman kanssa eikä ulkoilma sisäilman kanssa.

Seinien, katon ja ikkunoiden läpi lämmöstä häviää noin kolmasosa, saman verran poistuu ilmanvaihdon kautta, ja loput menevät pesuveden mukana viemäriin ja talon alaosista maahan.

Energia virtaa muttei häviä

Energian häviämättömyyden eli entropian lain mukaan energia ei tuhoudu käytössä vaan muuttuu lämmöksi, atomien järjestymättömäksi liikkeeksi. Siksi lämpöä riittää virtaamaan ulos asunnoista.

Useissa rakennuksissa lämpöä talteenottavat koneet sieppaavat osan poistoilman ja viemäriveden lämmöstä uudelleen käytettäväksi, eikä ilmakehään karkaava lämpö ole toistaiseksi ongelma. Asuminen tuottaa lämpöä kymmenkunta terawattia, kun koko maapallon lämpösäteily on 120 000 terawattia.

Kuitenkin kaikki energiantuotantotavat – paitsi suora aurinkovoima – tuottavat oheislämpöä, joka lämmittää ilmakehää. Jos uusiutumattoman energian kulutus kasvaa nykyistä vauhtia, parin vuosisadan kuluttua lämpöä tuotetaan niin paljon, että se voi kuumentaa ilmakehää jopa kolme astetta.

Toteutuuko tämä ennustus vai ei, on vielä arvausten varassa. Varmaa kuitenkin on, että asumisen vaikutukset elinympäristöömme ovat suuria, kuten myös ympäristömme vaikutukset asumiseemme. Koska talot ovat pitkäikäisiä ja suuria sijoituksia, pitkälle tulevaisuuteen vaikuttavat ratkaisut on tehtävä hyvän sään aikana.

Lämpöä syntyy ja karkaa33% lämmöstä häviää katon, seinien ja ikkunoiden kautta.20% lämmöstä syntyy valoista ja kodinkoneista.60% lämmöstä on varsinaista lämmityslämpöä.