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 merkittävästi lämmitysenergiasta ja 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. Asuinrakennuksissa jäähdytyksessä tai viilennyksessä saavutetaan paras hyöty käytettäessä yötuuletusta massiivisen rakenteen aktivointiin.
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
Rakenteiden massiivisuuden hyödyt tutkimusten perusteella
Ilmastonmuutoksen ja lämmöneristyksen lisäyksen vaikutukset vaipparakenteiden kosteusteknisessä toiminnassa ja rakennusten energiankulutuksessa (FRAME)
Tulokset osoittavat, että tutkitun raskasrakenteisen
- pientalon tilojen lämmityksen nettotarve on nykyisissä ilmasto-oloissa parhaimmillaan 3 % pienempi ja tilojen jäähdytyksen nettotarve vastaavasti 9–42 % pienempi kuin kevytrakenteisella rakennuksella riippuen vaipan lämmöneristystasosta sekä siitä, käytetäänkö tehostettua yötuuletusta.
- Kaikkiaan raskasrakenteisen pientalon kokonaisostoenergiankulutus on tutkituissa tapauksissa 0,6–3 % pienempi kuin kevytrakenteisen pientalon. Kokonaisostoenergiankulutus sisältää kaikki rakennuksen lämmitykseen (tilat, ilmanvaihto, käyttövesi) ja jäähdytykseen kuluvan ostoenergian sekä LVI-apulaitteiden, huonelaitteiden ja valaistuksen sähkönkulutuksen.
- kerrostalon tilojen lämmityksen nettotarve on nykyisissä ilmasto-oloissa parhaimmillaan 10 % pienempi ja tilojen jäähdytyksen nettotarve vastaavasti 5–31 % pienempi kuin kevytrakenteisella rakennuksella riippuen vaipan lämmöneristystasosta sekä siitä, käytetäänkö tehostettua yötuuletusta.
- Kaikkiaan raskasrakenteisen kerrostalon kokonaisostoenergiankulutus on tutkituissa tapauksissa 0,5–3,5 % pienempi kuin kevytrakenteisen kerrostalon.
- toimistorakennuksen tilojen lämmityksen nettotarve on nykyisissä ilmasto-oloissa enimmillään noin 4 % pienempi ja tilojen jäähdytyksen nettotarve vastaavasti noin 2–15 % pienempi kuin kevytrakenteisella rakennuksella riippuen vaipan lämmöneristystasosta sekä siitä, käytetäänkö tehostettua yötuuletusta.
- Raskasrakenteisen toimistorakennuksen kokonaisostoenergiankulutus on tutkituissa tapauksissa 0,6–1,4 % pienempi kuin kevytrakenteisen rakennuksen, mikäli tehostettua yötuuletusta ei käytetä. Tehostetun koneellisen yötuuletuksen käyttö pienentää tilojen jäähdytystarvetta ja tehostaa termisen massan vaikutusta, mutta samalla IV-koneen puhaltimien sähkönkulutus kasvaa. Tällöin toimistorakennuksen kokonaisostoenergiankulutus kasvaa kuitenkin kaikkiaan 4–10 kWh/m², joten puhaltimien kasvanut sähkönkulutus on suurempi kuin massiivisuuden ja pienemmän jäähdytystarpeen vaikutus.
Tulokset osoittavat, että nykyisissä ilmasto-oloissa tutkittujen raskaiden betonirakenteisen rakennusten tilojen lämmityksen nettotarve on tapauksesta riippuen 2,5–10 % ja tilojen jäähdytyksen nettotarve 2–42 % pienempi kuin kevyillä rankarakenteilla rakennettujen rakennusten. Rakenteiden termisen massan passiivisen hyödyntämisen prosentuaalinen vaikutus rakennusten lämmitys- ja jäähdytystarpeeseen vaihtelee varsin paljon ja on tapauskohtainen, koska sen vaikutus riippuu rakenteiden lisäksi mm. rakennusten lämpökuormien ja häviöiden suhteesta (Jokisalo & Kurnitski 2007).
Termisen massan tuoma energiansäästö tulee ilmastonmuutoksen myötä hieman pienenemään, mikäli A2-kasvihuonekaasuskenaario toteutuu, ellei termisen massan energiateknistä toimintaa tehosteta esimerkiksi tehostetulla yötuuletuksella. Termisen massan tuomaa ostoenergiansäästöä voidaan kasvattaa tutkituissa tapauksissa parhaimmillaan jopa 3-kertaiseksi tehostettua yötuuletusta hyödyntämällä. On kuitenkin syytä huomata, ettei termisen massan aktivoimiseen kannata käyttää enempää energiaa, kuin mitä sen hyödyntämisellä voidaan säästää.
On myös syytä kuitenkin huomata, että rakenteiden termisen massan määrä vaikuttaa rakennuksen lämpöoloihin. Esimerkiksi Jokisalo & Kurnitski (2005) osoittivat, että betonirakenteisessa kerrostalossa vuotuinen yli 25 °C ylittävien astetuntien summa oli 545 Kh pienempi kuin kevytrakenteisessa kerrostalossa, joten rakenteiden massaa on mahdollista hyödyntää yksittäisenä passiivisena jäähdytyskeinona.
Tutkimusraportti; Nordic Thermal Mass- effect on Energy and Indoor Climate
(Pohjoismainen tutkimus massiivisuuden vaikutuksesta energiankulutukseen ja sisäilmaan), TTY , Energia- ja prosessitekniikan laitos. Raportti 184
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.
Johtopäätöksiä
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.
Terma-projekti: energiansäästöä termistä massaa aktiivisesti hyödyntämällä
Toimistorakennusten osalta samanlaisia hyötyjä on todettu Terma-projektissa. Massiivisessa toimistossa säästöksi saatiin lämmitysenergiassa 4–7 % ja jäähdytysenergiassa 42–52 %. Säästöjä voidaan edelleen lisätä siirryttäessä massan passiivisesta hyödyntämisestä aktiivisiin järjestelmiin.
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.
Comprehensive development of nearly zero-energy municipal service buildings (COMBI). Tutkimushankkeen johdanto- ja yhteenvetoraportti.
Ekologisuuden neljän eri näkökulman vertailu ja vaikutukset arkkitehtisuunnitteluun (tuloskortti)
Tulokset ja johtopäätökset
Selvitystyön tuloksena valikoituneet tutkimuksen neljä näkökulmaa ovat energiatehokkuus, hiilijalanjälki, elinkaarivaikuttavuus ja elinkaaritehokkuus. Kun energiatehokkuudessa keskitytään energiankulutukseen, hiilijalanjäljessä tarkastellaan kasvihuonekaasupäästöjä. Elinkaarivaikuttavuus tarkoittaa rakennuksen kykyä olla häiritsemättä luonnon kiertokulkua ennen kaikkea elinkaaren alussa ja lopussa, jolloin huomio kiinnittyy ekologisesti kestäviin, pitkäkestoisiin ja kierrätettäviin materiaaleihin. Elinkaaritehokkuus puolestaan pyrkii ottamaan mahdollisimman suuren hyödyn irti luonnonvaroista, joita rakentamiseen on käytetty, ja pidentämään rakennuksen elinkaarta. Yhdessä näkökulmat kattavat ekologisen elinkaaren ja mahdollistavat elinkaarten jatkumon.
Keskeisenä viestinä on, että yhden näkökulman tarkastelun sijaan tulisi tarkastella useampaa näkökulmaa yhtäaikaisesti. Koska eri näkökulmien välillä havaittiin ristiriitoja, tulee suunnittelupäätökset arvioida näkökulmille asetetun keskinäisen hierarkian mukaan mahdollisissa ristiriitatilanteissa kussakin projektissa. Hankkeiden keskeiset ekologisuusnäkökulmat ja niiden välinen ensisijaisuus tuleekin päättää jo hankkeen alkuvaiheessa, ennen suunnitteluprosessin käynnistämistä. Tässä tutkimuksessa ensisijaisiksi näkökulmiksi valittiin elinkaaritehokkuus ja -vaikuttavuus, sillä ne sijoittuvat laajimmin koko rakennuksen elinkaaren varrelle ja yksittäisen rakennuksen elinkaaren ulkopuolelle elinkaarten jatkumona. Sen sijaan energiatehokkuudesta on tingitty pyrittäessä ensisijaisesti elinkaarivaikuttavuudeltaan ja -tehokkuudeltaan ekologiseen lopputulokseen. Kokonaisuutena ekologisuus kattaa kuitenkin kaikki esitetyt näkökulmat, jolloin hierarkian määrittelyn tärkeys korostuu lähinnä ristiriitatilanteissa.
Tutkimuksessa havaittuja tilanteita, joissa eri näkökulmat suosivat eri tai jopa vastakkaisia suunnitteluratkaisuja, ilmeni ennen kaikkea materiaalivalintojen kohdalla. Kun hiilijalanjälki, elinkaarivaikuttavuus ja elinkaaritehokkuus keskittyvät materiaalivalintoihin, ei energiatehokkuusnäkökulmasta materiaalien merkitys korostu vastaavalla tavalla. Esimerkiksi massiivirakenteet, puu ja tiili, toimivat tästä esimerkkinä. Sen sijaan energiatehokkuutta edistävät uusiutuvat energiantuottojärjestelmät ovat varsin lyhytikäisiä ja omaavat suuren hiilijalanjäljen.
Muuntojoustavan tilasuunnittelun nähtiin sen sijaan edistävän jokaista esitettyä neljää näkökulmaa. Merkittävää on, että jokaisen näkökulman yhtäaikaisen täydellisyyden tavoitteleminen ei ole mahdollista, vaan aina joudutaan tekemään kompromisseja ja arvottamaan ratkaisuja projektikohtaisesti.