Olet täällä

Puupintojen vaikutukset lämmöntasaajana

Uusien tutkimusten perusteella sisätilojen puupinnat voivat toimia lämmöntasaajina. Ominaisuus perustuu ilmankosteuden faasimuutoksessa vapautuvaan lämpöön. Ilmiötä hyödyntämällä voidaan säästää energiaa. Tähän on koottu katselmus aiheeseen liittyvistä tutkimuksista.

Puupintojen ja sisäilman vuorovaikutus on herättänyt kasvavaa kiinnostusta. Puu hygroskooppisena materiaalina imee ja luovuttaa kosteutta pyrkien tasapainokosteuteen ympäristön kanssa. Hygroskooppiset materiaalit voivat vaimentaa sisäilman suhteellisen kosteuden huipun heilahteluja kosteuspuskuroinnin avulla ja siten alentaa ilmanvaihdon kuormia rakennuksessa. Energiaa säästyy, kun mekaanista ilmanvaihtoa voidaan vähentää. Puun kosteuspuskurointikyky on kolme kertaa suurempi kuin betonin ja tiilen sekä kaksi kertaa suurempi kuin kipsin. 
 
Kosteuspuskurointi tarkoittaa huokoisen materiaalin kykyä tasoittaa suhteellisen kosteuden muutoksia imemällä ja luovuttamalla vesihöyryä ympäröivästä ilmasta. Sisäilman suhteellinen kosteus vaihtelee huomattavasti päivän aikana ja eri vuodenaikoina. Materiaalit, jotka voivat varastoida ja vapauttaa kosteutta alentavat sisäilman suhteellisen kosteuden vaihtelun ääriarvoja. 
 
Tieto kosteutta alentavasta vaikutuksesta on tärkeä, koska se osoittaa, että tilassa tuotettu kosteus ei siirry suoraan ilmanvaihtoon vaan se sitoutuu osittain hygroskooppiseen materiaaliin. Pienempi kosteuden vaihtelu takaa paremman mikroilmaston sisätilassa, kun ilma ei ole liian kostea eikä liian kuiva.
 
Tutkimuksessa, jossa puukerrostalon sisäpinnat olivat läpäiseviä ja hengittäviä, sisäilman kosteusprosentti oli pienempi verrattaessa tapaukseen, jossa sisäpinnat oli maalattu läpäisemättömän kalvon muodostamalla maalilla. Lisäksi ilman suhteellinen kosteus laski nopeammin kohteessa, jossa oli läpäisevät sisäpinnat. 
 
Puun potentiaali lämmöntasaajana perustuu piilevään lämpöön (latent heat), jota muodostuu, kun ilmankosteus sitoutuu puurakenteeseen. Tästä aiheutuvaa lämpötilan muutosta voidaan hyödyntää parantamaan lämpömukavuutta ja siten vähentää ilmanvaihdon kuormitusta ja energiankulutusta. Pinnan lämpötila nousee, kun kosteus imeytyy puuhun ja laskee kun kosteus haihtuu puusta pois. Puupinta voi toimia tällöin luonnollisena lämmityspaneelina tai jäähdyttävänä elementtinä.
 
Tutkimusten mukaan epäsuorat energiasäästöt voivat olla noin viisi prosenttia lämmitykselle ja noin 5-20 prosenttia viilennykselle. Energiaa säästyy, kun lämmitys ja ilmanvaihto säädetään siten, että otetaan huomioon puun vaikutukset lämmöntasaajana kuitenkaan tinkimättä riittävästä sisäilman laadusta ja mukavuudesta. 
 
Norjalainen projekti Wood - Energy, Emissions, Experience (WEEE) on tutkinut sisätilojen puupintojen vaikutusta ihmisten hyvinvointiin objektiivisin ja subjektiivisin toimenpitein. Yhden tutkimuskokonaisuuden tuloksena oli, että puupaneelien toimiminen ”lämpöakkuna” voisi alentaa energian kokonaiskulutusta sekä parantaa asuntojen mukavuutta, kun kosteusmuunnelmia voidaan virittää sisätilan käyttöasteen tai kellonaikojen mukaan. 
 
Tutkimuksen toisessa osassa selvitettiin mahdollisuutta käyttää puuverhoilua kylpyhuoneen lämmittämiseen. Suihkun jälkeen kylpyhuoneessa tapahtui nopea reaktio muodostuneen kosteuden ja puupintojen välillä, joka johti lämpötilan nousuun noin kolmella celsiusasteella. Tämän ansiosta kylpyhuone voitiin tarvittaessa lämmittää suihkun avulla miellyttävään lämpötilaan. Energiaa säästyi, kun kylpyhuoneen kokoaikainen lämpötila voitiin laskea 23 celsiusasteesta 20 celsiusasteeseen. Kylpyhuoneen alentunut lämmöntarve johtui puupintojen piilevästä lämmöstä. 
 
Puupinnoilla lämmöntasaajana on huomattava potentiaali etenkin yhdessä hyvin hallitun lämmön- ja ilmanvaihtojärjestelmän kanssa. Käytännön sovelluksiin on vielä tehtävä tutkimus- ja suunnittelutyötä. Hyödyntämällä piilevää lämpöä voidaan säästää energiaa. Tämä tulisi ottaa osaksi energiataseeseen. Tulevaisuudessa energialaskelmissa tulisi ottaa huomioon hygroskooppiset materiaalit, kun määritellään rakennusten arvioitua energiankäyttöä.
 

Thermography measurements and latent heat documentation of Norwegian spruce (Picea abies) exposed to dynamic indoor climate.
Kraniotis, D. et al. Norja. J Woos sci (2016) 62: 203-209.

Tutkimuksessa selvitettiin kuusen pinnan piilevän lämmön vapautumista suhteellisen kosteuden muuttuessa kahdenkymmenen ja yhdeksänkymmenen prosentin välillä. Tulokset osoittivat, että paljas kuusipinta reagoi voimakkaasti muutokseen ja pintalämpötila nousi. Verrokkinäytteen, joka oli pinnoitettu muovilla, pinnan lämpötilan nousu oli merkittävästi pienempi. Pinnan lämpötilan nousu korreloi painonnousun kanssa. Havainnot osoittavat potentiaalin lämpömäärien kasvuun, kun käsittelemätön tai höyryä diffusoiva puurakenne säteilee lämpöä samalla kun vesihöyry imeytyy puurakenteisiin. Näin ollen hengittävät puupinnat toimivat lämpöä säteilevinä paneeleina veden imeytymisen aikana.

Impact of air infiltration rates on moisture buffering effect of wooden surfaces.
Kraniotis, D. et al. Norja. 36th AIVC Conference” Effective ventilation in high performance buildings”, Madrid, Spain, 23-24 September 2015.

Tutkimuksessa mitattiin ja selvitettiin ilman tunkeutumismäärien vaikutuksia kosteuden puskurointiin (kuivausprosessi) hygroskooppisilla pinnoilla massiivipuurakenteisessa (CLT) testitalossa. Tulokset osoittivat, että kosteus kuivuu nopeammin kohdissa, jotka ovat lähempänä ilman vuotokohtia verrattuna tiiviisiin kohtiin.

The principles of sauna physics.
Nore, K., Kranioti, D., Brücker, C. Norja. Energy Procedia (2015) 78: 1907-1912.

Tutkimuksessa selvitettiin saunan toimintaa ja piilevän lämmön vaihtoa, kun kosteus imeytyy hygroskooppiseen materiaaliin. Tutkimuksen painopiste oli saunan lämpötilan kasvussa, kun kiukaalle kaadetaan vettä saunan lämmönnousu ei johdu kosteuden muutoksesta kuten usein luullaan vaan veden faasimuutoksessa vapautuvasta piilevästä lämmöstä. Tyypillinen sauna toimii 75-90 celsiusasteessa 20-35 prosentin suhteellisessa kosteudessa. Materiaalit tässä ilmanalassa kuivuvat ja puun kosteuspitoisuus on noin neljä prosenttia. Kun ilman suhteellista kosteutta lisätään kaatamalla vettä saunan kiukaalle, kuiva materiaali sitoo ylimääräisen kosteuden luodakseen tasapainon. Veden sitoutumisessa syntyvä energia säteilee takaisin huoneeseen. Toisin sanoen pinnasta tulee huomattava lämmityspaneeli. Puupinnan lämmönluovutus kosteuden sorption yhteydessä on äärimmäinen piilevän lämmön käyttömahdollisuus.

Tulokset osoittivat, että kuusipaneelien pinnan lämpötila nousi merkittävästi, kun huoneen suhteellinen kosteus nousi veden kaadossa kiukaalle. Lämpötilan nousu oli noin 2,5 celsiusastetta riippumatta siitä, kuinka paljon kiukaalle kaadettiin vettä. Lämpötilan kasvun kesto oli myös lähes riippumaton vesimäärästä. Lisäys huoneen lämpötilaan oli pienempi verrattuna puupintojen lämpötilaan. Syynä voi olla, että saunan jo korkeaan lämpötilaan ei voi merkittävästi vaikuttaa hygroskooppisten pintojen piilevän lämmön aiheuttamalla lämpösäteilyllä. Perinteisessä huoneessa ilmiön pitäisi olla selvempi.

On simulating latent heat phenomena in a sauna.
Kraniotis, D. et Nore, K. Norja. 2015. Norwegian Institute of Wood Technology.

Tutkimuksessa suoritettiin sarja kokeita saunassa. Saatuja kokeellisia tuloksia verrattiin numeerisiin simulaatioihin. Tulosten mukaan puupinnan lämpötilan nousu oli noin 2-3 celsiusastetta kaikissa kokeissa huolimatta siitä kuinka paljon kosteutta oli. Lämpöjakautumisen mallia käytettiin vertaamalla mittaustuloksia numeeriseen simulaatioon ja vastaavuus oli melko hyvä. Samaa mallia käytettiin tutkittaessa kuusipaneloinnin lämpötilan nousua saunan katossa. Lämpötila oli korkeimmillaan 5,5 millimetrin syvyydessä pinnasta, mikä tarkoittaa, että veden molekyylit sitoutuivat voimakkaimmin. Myös lämpötila nousi samassa suhteessa liikuttaessa pinnasta 5,5 millimetrin syvyyteen, jonka jälkeen lämpötilan nousu oli kohtalaisempaa.

Lämpötilan nousun kesto oli lähes sama kaikissa kolmessa kosteusprofiilissa. Paneelien maksimaalinen vedenottokyky ja lämpösäteily saavutettiin suhteellisen pienellä vesimäärällä. Puupintojen lämpötilan kasvulla ei ollut suurta vaikutusta ilman lämpötilan kasvuun, vain 0,5 celsiusastetta tai vähemmän. Tutkija olettavat, että pintojen lämpötilan nousu ei vaikuta merkittävästi saunan korkeaan lämpötilaan. On kuitenkin viitteitä siitä, että sisätilan lämpötilaan voidaan vaikuttaa piilevällä lämmöllä.

Moisture buffering, energy potential and VOC emissions of wood exposed to indoor environments.
Kraniotis, D. et al. 2015. 8th International Cold Climate HVAC Conference, At Dalian, PR China.

Tutkimus oli osa norjalaista projektia Wood - Energy, Emissions, Experience (WEEE), mihin liittyi kolme eri osa-aluetta: puun kosteuspuskurointi, piilevästä lämmöstä muodostuva energia ja VOC päästöt.

Ensimmäisessä osassa tutkimusta määritettiin uusipuusta valmistetun CLT:n kosteuspuskurointikapasiteetin merkitystä ja piilevää lämpöä täysimittaisessa koestuksessa käyttämällä numeerisia menetelmiä ja vertaamalla tuloksia läpäisemättömiin pintoihin. Koestustila koostui kahdesta identtisestä testitalosta, moduuleista A ja B. Moduulissa A sisäpinnat olivat pinnoittamatonta kuusta ja moduulissa B pinnat oli peitetty läpäisemättömällä materiaalilla (muovikelmu). Molemmat moduulit oli eristetty ulkopuolelta. 

Molempien moduulien ilman suhteellisen kosteus alkoi heti kasvaa, kun kosteutta lisättiin. Moduulissa B ilman suhteellinen kosteus saavutti sadan prosentin kosteuden lyhyessä ajassa ja kosteuskäyrän nousut ja laskut olivat jyrkkiä. Moduulissa A ilman suhteellisella kosteudella oli pienempi intervalli, pehmeämmät laskut ja matalammat huiput. Moduulien pintojen lämpötilakäyrät noudattavat samaa polkua kuin puun kosteuspitoisuuden käyrät, osoittaen piilevän lämmön vaikutuksen. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että laajan puupinta-alan puskuroiva vaikutus auttaa pitämään ilman suhteellisen kosteuden vaihtelun matalampana ja muutokset kosteudessa tapahtuvat hitaammin verrattuna läpäisemättömään pintaan.

Toisessa osassa tutkimusta esitettiin mahdollisuus lämmittää kylpyhuone käyttäen hyväksi puuverhoilua. Tuloksia verrattiin kylpyhuoneeseen, jossa oli keraamiset laatat. Ilman kosteuden lisääntyessä suihkun aikana vapautuu piilevää lämpöä puupinnoista, kun ne imevät kosteutta. Kylpyhuoneen lämpötila nousi noin kolme celsiusastetta. Tämän ansiosta kylpyhuone voitiin tarvittaessa lämmittää suihkun avulla miellyttävään lämpötilaan. Energiaa säästyi, kun kylpyhuoneen kokoaikainen lämpötila voitiin laskea 23 celsiusasteesta 20 celsiusasteeseen. Kylpyhuoneen alentunut lämmöntarve johtui puupintojen piilevästä lämmöstä. Lämmönsäästöt puulla verhoillulla kylpyhuoneissa olivat 296 kWh ja 320 kWh. Lämpösäästöt perustuivat simuloituihin perusvuosiin ja vuodenaikoihin Oslossa ja Tromssassa. Tämän lisäksi puisessa kylpyhuoneessa oli pienempi kosteudenvaihtelu puupintojen puskuroinnin vaikutuksesta ja kylpyhuone koettiin mukavana.

Kolmannessa osassa tutkimusta arvioitiin kuusen ja männyn VOC-päästöjen vaikutusta koehenkilöihin. Koe kesti noin kaksi tuntia testikammiossa (7,2 m3), jossa sisäilmasto oli vakaa. Koe oli kontrolloitu; se oli rakennettu niin, että osa osallistujista altistui ensin kuuselle ja sitten männylle ja toiset osallistujista toisin päin. Koehenkilöt eivät olleet tietoisia kummassa altistuksessa he olivat kulloinkin. Koska kuusi ja mänty ovat erilaisia ja ne emittoivat eri määrän, oli kuusi kontrollitilanne ja mänty vertailutilanne. Tulosten mukaan kuusen ja männyn VOC päästöillä ei koettu olevan merkittäviä erovaisuuksia, kun koehenkilöt arvioivat sanallisesti kokemuksiaan.

An investigation into the surface temperature changes in solid wood during sorption.
Kortelainen Katja. 2015. Master’s thesis for the degree of Master of Science in Technology. Aalto University.

Diplomityön tavoitteena oli määrittää kosteuden imeytymisen ja haihtumisen aiheuttama lämpötilan muutos massiivipuun pinnalla. Kokeellisessa osassa kuvattiin lämpökameralla puun pinnan lämpötilavaihteluita imeytymisen ja haihtumisen aikana. Kokeessa tutkittiin koivun, männyn pinta- ja sydänpuun, uunikuivan männyn sydänpuun ja betonin eroja. Lisäksi jokaisesta puusta vertailtiin sen kolmea syysuuntaa: poikittaista, pitkittäistä ja tangentiaalista. Ilman suhteellinen kosteus oli kosteuden imeytymisen aikana 80,5 prosenttia ja lämpötila 23,4 celsiusastetta ja kosteuden haihtuessa 33,5 prosenttia ja 23,0 celsiusastetta. Tulokset viittaavat, että lämpötilan muutos puun pinnassa johtuu ainoastaan kosteuden vaihtelusta. Kaikista suurin muutos havaittiin puun poikittaispinnalla, noin 2,6 celsiusastetta lajista ja kosteuspitoisuudesta riippuen. Pitkittäis- ja tangentiaalipinnalla muutos oli samankaltainen, noin 1,5 celsiusastetta lajista ja kosteuspitoisuudesta riippuen. Näytteiden lähtökosteus vaikutti lämpötilan vaihteluun. Mitä kuivempi näyte oli, sitä suurempi oli lämpötilan vaihtelu. Männyn pinta- ja sydänpuun välillä ei ollut huomattavaa eroa. Koivulla oli suurempi kosteudesta aiheutuva lämmön muutos kuin männyllä. Lämpötila nousi enemmän kosteuden imeytymisen aikana kuin mitä se laski kosteuden haihtuessa puusta.