Betoni säästää aikaa ja selvää rahaa

Betonirakenteen terminen massa säästää lämmitys- ja jäähdytysenergiaa. Se myös alentaa merkittävästi sisälämpötilan vaihteluita ja kesän huippulämpötiloja. Termistä massaa voidaan käyttää aktiivisesti mm. yöaikaisessa jäähdytyksessä tai ilmalämmityksessä, jolloin lämmitys voi tapahtua varaavasti halvemmalla yösähköllä.

Massiivisen rakenteen avulla saadaan ilmaislämmöt, kuten ikkunoiden kautta tuleva aurinkoenergia ja kodinkoneiden hukkalämpö varastoitua ja hyötykäytettyä.

Lattialämmitys toimii parhaimmin  betonirakenteeseen asennettuna. Varautunut lämpö siirtyy tasaisesti sisäilmaan. Betonilaattaan sijoitetulla lattialämmityksellä voidaan  lämmityksen ja käyttöveden tarvitsemasta energiasta saada 80 % edullisemmalla yösähköllä.

Betonirakenteiden massiivisuuden on lukuisissa tutkimuksissa todettu vähentävän sekä lämmitys- että jäähdytysenergiankulutusta. Betonirakenteet varastoivat ja luovuttavat lämpöä. Eurooppalaisissa tutkimuksissa on saatu massiivisilla rakenteilla kevyisiin verrattuna keskimäärin lämmitysenergiassa  säästöä 5–15 % (tutkimustulosten ääriväli 1–20 %).

Pohjoismaisen tutkimuksen mukaan rakenteiden massiivisuudella voidaan asuinrakennuksissa säästää 3–14 % lämmitysenergiasta ja 30–50 % jäähdytysenergiasta. Rakennuksen sisäilmasto myös paranee massan lämpökapasiteetin leikatessa kesäaikaan korkeimmat sisälämpötilat pois. Massiivisuuden etu on suhteellisesti suurin, kun ikkunapinta-ala on suuri, ikkunat on suunnattu etelään ja rakennetaan muutenkin matalaenergiaratkaisu.

Toimistorakennusten osalta samanlaisia tuloksia on saatu Terma -projektissa. Massiivisessa toimistossa säästöksi saatiin lämmitysenergiassa 4–7 % ja jäähdytysenergiassa 42–52 %. Säästöjä voidaan edelleen lisätä siirryttäessä massan passiivisesta hyödyntämisestä aktiivisiin järjestelmiin.

Betonirakennuksen lämmönvarauskyvyn ansiosta

  • rakennuksen ilmaisenergiat saadaan hyötykäyttöön
  • massiivisuus säästää 5-15 % lämmitysenergiasta
  • tasaa ja alentaa liian korkeita sisälämpötiloja
  • säästää 20- 50 % jäähdytysenergiasta
  • voi poistaa jäähdytystarpeen kokonaan
  • soveltuu hyvin matalalämpötekniikan yhteyteen (esim. maalämpö)
  • soveltuu hyvin matalaenergia- ja passiivitaloihin
  • pienentää rakennuksen CO2- päästöjä
  • pienentää talotekniikan investointikustannuksia
Betonin lämmönvarauskyky

Aktiivisissa järjestelmissä ontelolaataston onteloita voidaan käyttää tehokkaasti ilmanvaihtokanavana. Tällöin laatastoon voidaan varastoida ylimääräistä lämpöä tai viileyttä, mikä alentaa kesäajan maksimilämpötiloja sekä vähentää rakennuksen jäähdytystarvetta. Koneellisen jäähdytyksen tehontarve ja energiankulutus vähenevät ja joissakin tapauksissa koneellinen jäähdytys voidaan jättää kokonaan pois hyödyntämällä ontelolaataston termistä massaa. Tällöin saavutetaan huomattavia säästöjä sekä rakentamis- että käyttökustannuksissa.

Tutkimusraportti; Nordic Thermal Mass- effect on Energy and Indoor Climate

(Pohjoismainen tutkimus massiivisuuden vaikutuksesta energiankulutukseen ja sisäilmaan), TTY , Energia- ja prosessitekniikan laitos. Raportti 184
Johtopäätökset (käännös raportista)

Rakennuksen lämmitys- ja jäähdytysenergia voidaan laskea joko kuukausipohjaiseen energiataseeseen perustuen tai simulointimenetelmällä, jossa laskentajaksona on tavallisesti tunti.
Simulointimenetelmät laskevat samanaikaisesti energiankulutuksen sekä sisä- ja pintalämpötilat. Energiatasemenetelmässä sisälämpötila on lämmityksen tai jäähdytyksen asetuslämpötila.

Pohjoismaiden näkökulmasta tärkein energiatasemenetelmä on ISO DIS 13790 Rakennusten energiankulutus- Lämmitys- ja jäähdytysenergian laskenta. Se on tärkeä, koska sillä on virallinen asema Euroopassa ja se mainitaan esim. Energiatehokkuusdirektiivissä.

Tällä tutkimuksella oli kolme päätavoitetta. Ensiksi haluttiin tehdä vertaileva tutkimus lämpökapasiteetin (massan) vaikutuksesta lämmitys- ja jäähdytysenergiaan Pohjoismaiden ilmastossa ja tyypillisille nykyisille rakennuksille. Lämpökapasiteetin vaikutus analysoitiin käyttäen eri laskentamenetelmiä. Koska eri menetelmät ja niiden käyttäjät saavat samasta kohteesta eri tuloksia, 6 simulointiohjelmaa (Consolis Energy, IDA- ICE, SciaQPro, TASE, VIP, VTT House Model) ja maxit energy standardinmukaisena menetelmänä olivat käytössä. maxit energy perustuu EN 832- standardiin, joka on ISO DIS 13790- standardin edeltäjä.
Toiseksi oli tarkoitus arvioida ISO DIS 13790:een perustuvan kuukausipohjaisen laskentamenetelmän ja sen lämpökapasiteetin hyväksikäyttökertoimien (ao, τo) luotettavuutta.
Kolmas tavoite oli tehdä herkkyysanalyysejä esim. ikkunoiden koosta ja suuntauksesta, vaipan tiiveydestä ja lämmöneristyksen tasosta sekä energialaskennassa käytettävistä säätiedoista.

Yleensä erot lähtötiedoissa aiheuttavat suuria eroja laskettuihin energiankulutuksiin. Tässä tutkimuksessa nämä erot pyrittiin välttämään kuvaamalla laskettavat rakennukset mahdollisimman tarkasti. Laskelmat tehtiin kahdelle rakennukselle; pientalolle ja asuinkerrostalolle. Pientalossa tutkittiin neljä rakennevaihtoehtoa; erittäin kevyt, kevyt, puoliraskas ja raskas. Erittäin kevyessä ei ollut lainkaan massiivisia rakenteita ja kevyessä ainoastaan lattia oli massiivinen. Asuinkerrostalossa tutkittiin kaksi vaihtoehtoa; kevyt ja massivinen. Molemmissa rakennuksissa käytettiin sekä yhden että kahden laskentavyöhykkeen mallia. Laskelmissa käytettiin Helsingin säätietoja (Meteonorm).

Kuudella ohjelmalla laskettu erittäin kevyen ja raskaan pientalon lämmitysenergia oli 60…70 kWh/m2/v ja jäähdytysenergia 3…13 kWh/m2/v. VTT House Model- ohjelmalla lasketut tulokset on jätetty tästä pois, koska lähtöoletukset olivat siinä hieman erilaisia. Lasketun maksimi- ja minimikulutuksen ero oli 10 kWh/m2/v, suhteellisesti lämmitysenergiassa 15 % ja jäähdytysenergiassa 75 % ( prosentit ovat maksimienergiankulutukseen verraten). Tämä on tärkeä tietää, jos esim. kansallisissa energiamääräyksissä asetetaan raja- arvo kWh/m2/v ja laskentamenetelmä on vapaasti valittavissa. Tällöin olisi periaatteessa mahdollista saada 15 %:n parannus lämmitysenergiassa ja 75 %:n parannus jäähdytysenergiassa vain laskentaohjelmaa vaihtamalla. Siksi, jos energiankulutukselle asetetaan raja- arvo kWh/m2/v, laskentamenetelmä ja tietyt lähtötiedot ( esim. sisäiset lämmönlähteet) tulee valita.

Eri laskentamenetelmät antavat massiivisuudelle eri vaikutuksen. Suhteellisen pienellä ikkunapinta- alalla ( 12 % lattiapinta- alasta) massiivisuus säästää noin 3-5 % lämmitysenergiassa ja 30- 50 % jäähdytysenergiassa, kun verrataan erittäin kevyttä ja raskasta rakennusta. Kun kevyessä pientalossa on betonialapohja ja pieni ikkunapinta- ala ( 12 % lattia- alasta) ja sitä verrataan massiiviseen pientaloon, massan vaikutus on selvästi pienempi, muutama prosentti. Vastaavasti, kun ikkunakoko on suurempi ( 20…45 % lattiapinta- alasta), ero lämmitysenergiassa erittäin kevyen ja raskaan rakennuksen välillä voi  kasvaa 14 %:iin.

Absoluuttiset erot pientalon lämmitys- ja jäähdytysenergiassa kasvavat noin tasolta 2 kWh/m2/v tasolle 15 kWh/m2/v, kun suhteellinen ikkunakoko kasvatetaan 45 %:iin lattiapinta- alasta.

Verrattaessa VIP- ohjelmalla erittäin kevyttä ja raskasta pientaloa massan suhteellinen säästövaikutus lämmitysenergiassa kasvaa 2 %:sta 6 %:iin, kun käytetään Pohjois- Ruotsin (Luulaja, Uumaja) sijasta Etelä- Ruotsin ( Lund, Malmö) säätietoja. Kuitenkin absoluuttinen ero lämmitysenergiassa näiden kahden rakennuksen välillä on suunnilleen sama, 2 kWh/m2/v. Säätiedot eivät vaikuta paljoakaan jäähdytysenergiaan. Kaikilla tutkituilla säätiedoilla massan vaikutus on noin 20 % ( 2 kWh/m2/v) jäähdytysenergiaan. Massan vaikutus oli myös suunnilleen sama verrattaessa erittäin kevyttä ja raskasta rakennusta maxit energy- ohjelmalla eri Suomen ja Ruotsin säätiedoilla.

Pientalolla saadut tulokset soveltuvat yleisesti ottaen myös asuinkerrostaloihin. Kuitenkin pientaloon verrattuna asuinkerrostalon jäähdytysenergia on huomattavasti suurempi, noin 50 % lämmitysenergiasta. Asuinkerrostalon lämmitysenergia vaihtelee välillä 55…70 kWh/m2/v ja jäähdytysenergia välillä 20…50 kWh/m2/v kevyessä ja raskaassa rakennuksessa ja yhtä tai kahta laskentavyöhykettä käyttäen.

ISO DIS 13790:n lämpökapasiteetin hyväksikäytön perusparametrit ( ao=1, τo=15) antavat varsin hyvän yhteensopivuuden tässä tutkimuksessa käytettyjen simulointiohjelmien kanssa. Yhteensopivuus on hyvä sillä poikkeuksella, että nämä parametrit antavat liian pienen hyväksikäyttökertoimen sellaisessa erittäin kevyessä pientalossa tai asuinkerrostalossa, jossa ei ole yhtään massiivista pintaa ja sen aikavakio on 20…50 tuntia. Koska käytännössä näin kevyitä rakennuksia on harvoin, voidaan perusparametrien katsoa sopivan hyvin myös Pohjoismaiden ilmastoon ja nykyisille rakennuksille. Kertoimien oikeellisuus tarkoittaa myös sitä, että ISO DIS 13790 on tarkka energialaskentamenetelmä.

Tutkimuksen pohjalta tutkijat esittävät seuraavat johtopäätökset

1. Standardiin ISO DIS 13790 perustuvat laskentamenetelmät ovat riittävän tarkkoja vuosittaisen energiankulutuksen laskentaan energiateknistä suunnittelua ja -luokitusta varten. Usein laskennan lähtötietojen epätarkkuudet ja tulosten tulkinta vaikuttavat tuloksiin enemmän kuin laskentamenetelmän yksinkertaistukset.

2. ISO DIS 13790:n rakenteen sisäisten energioiden hyväksikäyttöasteen laskentaparametrit ( ao = 1 ja τo = 15) ovat oikeita silloin, kun rakennuksessa on vähintään yksi massiivinen pinta/ rakenneosa. Erittäin kevyessä rakennuksessa, jossa ei ole yhtään massiiviseinää ( aika- vakio alle 50h), kertoimet antavat liian alhaisen hyväksikäyttöasteen ja täten liian korkean energiankulutuksen.

3. Rakennusten massiivisuudella on monia positiivisia vaikutuksia. Se vähentää huomattavasti jäähdytys- ja lämmitysenergian tarvetta. Erityisesti edut saadaan, kun ikkunapinta- ala on suuri ja rakennus on hyvin eristetty. Massiivisuutta voidaan hyödyntää tehokkaasti vähentämällä yöjäähdytyksellä koneellisen jäähdytyksen tarvetta.

Tavallisesti rakennusten massiivisuus myös parantaa sisäilman termistä viihtyvyyttä, jos rakennuksessa ei ole koneellista jäähdytystä. Massiivisen rakennuksen sisälämpötilat ovat kesällä kevyttä rakennusta alhaisemmat, kun koneellista jäähdytystä ei käytetä.

Täten termisen massan tulisi olla suunnitteluparametrina kansallisissa rakennusmääräyksissä, jotta kiinteistöjen omistajat, suunnittelijat ja rakentajat löytävät energiatehokkaat ja samalla sisäilmastoltaan hyvät ratkaisut.

4. Lämmitysenergian laskentaepätarkkuus pien- ja asuinkerrostalossa on 10- 15 kWh/m2 ja jäähdytysenergian epätarkkuus 10- 30 kWh/m2, kun laskennan lähtötiedot on täsmällisesti määritelty. Jos energiankulutus lasketaan suoraan suunnitelmien lähtötietojen pohjalta, eri laskijat saavat eri ohjelmilla huomattavasti enemmän poikkeavia arvoja. Tämän tutkimuksen kaikki laskijat olivat lisäksi erittäin kokeneita.

Edelläolevan perusteella viranomaisten tulisikin olla hyvin varovaisia asettaessaan vain laskettuun energiaan perustuvia vaatimuksia. Mikäli jokin energiankulutus halutaan rajoittaa tiettyyn tasoon, myös laskentamenetelmä ja oleelliset lähtötiedot tulee lyödä lukkoon. Tällä varmistetaan, että valittu energiankulutustaso myös vastaa tiettyä lämmöneristystä ja laitteistotehokkuutta.

ISO DIS 13790:n laskentamenetelmä antaa tarkat tulokset tutkimuksessa käytettyihin 6 simulointiohjelmaan verrattuna. Siksi se tulisi sallia menetelmänä rakennusten energialaskennassa.

5. Yksivyöhyke- laskentamalli näyttää energiatarkasteluissa antavan riittävän tarkkuuden kaksivyöhyke- malliin verrattuna.

Raporttia voi ostaa myös Tampereen teknillisestä yliopistosta

Liity postituslistalle