Älykäs kuivanapitolämmitys säästää jopa 90 % lämmityskustannuksista ja säilyttää tilat kosteusturvallisina.
Tiivistelmä
Älykkäässä kuivanapitolämmityksessä ajoittain tai kokonaan käyttämättömän tilan lämpötila ja suhteellinen kosteus pidetään sellaisina, että tiloihin ei synny kosteusvaurioita ja -haittoja, joita ovat home- ja mikrobikasvu, kosteuden kondensoituminen, metallien korroosio ja ruostuminen sekä epämiellyttävät hajut. Suhteellisen kosteuden noustessa tilaa lämmitetään tarpeen mukaan, jolloin suhteellinen kosteus saadaan laskemaan kosteusturvalliselle tasolle. Turvallinen suhteellisen kosteuden taso vaihtelee lisäksi lämpötilan mukaan, ja kun tämä otetaan huomioon, tilat voidaan lämmittää mahdollisimman pienellä energiankulutuksella.
Kuivanapitolämmityksellä voidaan säästää tilojen lämmityskustannuksissa 80–90 % nykyisin käytössä olevaan peruslämpöön verrattuna ja pitää tilat silti kosteusturvallisina. Älykkäällä kuivanapitolämmityksellä voidaan suojata myös ympäröiviä vaipparakenteita samalla tavalla tai paremmin kuin nykyisin käytössä olevalla peruslämmityksellä, jossa lämpötila pidetään vakiona. Kuivanapitolämmityksen tarve kasvaa koko ajan ilmastonmuutoksen edetessä. Se on selvästi halvin tapa säilyttää tilat hyvässä kunnossa ja välttää niiden korjaustarvetta ja purkamista.
Älykkään kuivanapitolämmityksen toimintaperiaate
Liian korkeasta ilman suhteellisesta kosteudesta aiheutuu seuraavia kosteusvaurioita ja -haittoja:
Edellä mainitut kosteusvauriot ja -haitat on mahdollista välttää pitämällä suhteellinen kosteus riittävän alhaisena. Eri vaurioitumisilmiöille on omat suhteellisen kosteuden raja-arvot eri lämpötiloissa, joita ei saa ylittää.
Tähän liittyen aloitettiin tutkimus kuivanapitolämmityksestä Tampereen teknillisessä yliopistossa vuonna 2006 ja sen perusperiaatteet julkaistiin ensimmäisen tutkimuksen tuloksena vuonna 2010. Tutkimuksia jatkettiin laajassa tuotekehitysprojektissa 2018–2020. Tutkimuksien pohjalta perustettiin MoistMaster Oy niminen yritys 2021, joka on tuonut markkinoille kuivanapitosäätimiä. Uusin säädin MoistMaster E 10 LD tuli markkinoille lokakuussa 2023.
MoistMaster-kuivanapitosäädin mittaa tilan lämpötilaa ja suhteellista kosteutta, ja kun suhteellinen kosteus on liian korkea, se kytkee säätimeen liitetyn lämmityslaitteen päälle (kuva 1). Kun suhteellinen kosteus on laskenut riittävästi, lämmitys lopetetaan. Lämmitykseen tulee käyttää paloturvallista lämmityslaitetta (esim. keraaminen lämpöpuhallin tai sähköpatteri). Suhteellisen kosteuden alentaminen lämmittämällä perustuu siihen, että lämpimämpään ilmaan mahtuu enemmän vesihöyryä, jolloin tilassa oleva vesihöyrypitoisuus muodostaa sinne alemman suhteellisen kosteuden. Tämä säätötapa toimii silloin, jos tilassa ei ole kosteustuottoa. Säätimeen on mahdollista kytkeä haluttaessa myös ilmankuivain tai ilmanvaihtopuhallin, mutta lämmittimen avulla suhteellisen kosteuden alentaminen on helpointa.
Kuva 1. MoistMaster® E10 LD kuivanapitosäädin. Säädin mittaa tilan lämpötilaa ja suhteellista kosteutta ja kytkee siihen liitettyyn lämmityslaitteeseen virran, kun suhteellinen kosteus ylittää sallitun raja-arvon.
Tilan olosuhteet eri ylläpitotavoilla
Suomessa ja muissa maissa on paljon ajoittain käyttämättömiä tai varastokäytössä olevia tiloja, joita pidetään joko peruslämmössä (eli vakiolämpötilassa) tai täysin lämmittämättöminä. Peruslämmössä olevat tilat kuluttavat tarpeettoman paljon lämmitysenergiaa ja toisaalta täysin lämmittämättömissä tiloissa on riski kosteusvaurioille, joka lisääntyy ilmastonmuutoksen edetessä. Tällaisia tiloja ovat esimerkiksi vapaa-ajanrakennukset, tyhjillään olevat asuinrakennukset, piharakennukset, varastot, asuntoautot ja -vaunut sekä ullakot ja kellarit.
Kuvassa 2 on esitetty tarkasteltavan tilan olosuhteet, kosteusvaurioriski ja energiankulutus eri tilanteissa. Kuvan vasemmassa reunassa on esitetty lämmittämätön tila, keskellä peruslämmitetty tila ja oikealla MoistMaster-säätötavalla kuivanapitolämmitetty tila.
Kuva 2. Periaatekuva olosuhteiden vaihtelusta, kosteusvaurioriskistä ja lämpöenergian kulutuksesta lämmittämättömässä tilassa, peruslämmitetyssä tilassa (+10 °C) ja älykkäästi kuivanapitolämmitetyssä tilassa vuoden ajanjaksolla.
Kuvasta 2 nähdään, että lämmittämättömässä tilassa lämpötila ja suhteellinen kosteus muuttuvat ulkoilman olosuhteiden mukaisesti. Olosuhteiden muutos tapahtuu sisätilassa viiveellä, johon vaikuttavat mm. tilan ilmanvaihto, lämmöneristys ja pintamateriaalien kosteuskapasiteetti. Lämmittämättömissä tiloissa esiintyy ajoittain kosteusvaurioita ja -haittoja aiheuttavia olosuhteita varsinkin loppukesästä ja syksyllä, mutta myös keväällä. Ilmastonmuutoksen edetessä nämä riskit lisääntyvät. Tässä tapauksessa tilan lämmitykseen ei kulu kuitenkaan energiaa.
Peruslämmitetyssä tilassa lämpötila pidetään talvikaudella koko ajan valitussa lämpötilassa. Kuvan 2 esimerkkiin lämpötilaksi on valittu +10 °C. Talvikaudella suhteellinen kosteus laskee tällaisessa tilassa oleellisesti ulkoilmaa alhaisemmaksi. Sen sijaan loppukesästä ja alkusyksystä sekä myös loppukeväällä voi esiintyä kosteusvaurioriskin aiheuttavia olosuhteita, koska tilan sisälämpötila on säädettyä peruslämpötilaa korkeampi, mutta suhteellinen kosteus on kuitenkin korkea. Peruslämmitystä käytettäessä talvella kuluu paljon lämpöenergiaa, joka on suurelta osin tarpeetonta, koska home- ja mikrobikasvua ei tapahdu pakkasolosuhteissa ja metallien korroosio/ raudan ruostuminenkin on silloin vähäistä.
Älykkäässä kuivanpitolämmityksessä tilaa lämmitetään ainoastaan silloin, kun se on tarpeellista. Lämmitysjaksot sijoittuvat siten tyypillisesti loppukesään, syksyyn ja keväälle. Kuivanapitolämmityksessä riittää, että tilan lämpötilaa nostetaan näinä ajanjaksoina tyypillisesti muutaman asteen verran ulkolämpötilaa korkeammaksi. Pakkasolosuhteissa, jolloin ei esiinny yleensä kosteusvaurioriskiä, tilaa ei ole tarvetta lämmittää lainkaan. Näin ollen tilan lämmittäminen kuluttaa energiaa lähinnä syys- ja kevätkaudella. MoistMasterin älykkäässä kuivanapitolämmityksessä energiankulutus on tyypillisesti n. 10–20 % peruslämmityksen energiankulutuksesta.
Jos tilassa on kuitenkin pidettävä lämpötila yli 0 °C esimerkiksi vesikalusteiden vuoksi tai nesteiden jäätymisen ehkäisemiseksi, kuivanapitosäätimeen voidaan asettaa minimilämpötila, joka estää lämpötilan putoamisen pakkasen puolelle. Lämmitysenergiaa ei kuitenkaan säästy tässä tapauksessa verrattuna peruslämpöön, jossa käytetään samaa vakiolämpötilaa.
Älykäs kuivanapitolämmitys säästää sähköä merkittävästi myös ilmalämpöpumppukohteissa (40–50 %), jos ilmalämpöpumppu sammutetaan talveksi ja vesiputket tyhjennetään.
Älykkään kuivanapitolämmityksen säätötapa
Kriittinen suhteellisen kosteuden arvo (RHkriittinen), jonka yläpuolella syntyy kosteusvaurioriski, muuttuu lämpötilan funktiona (kuva 3). Tästä syystä MoistMaster-kuivanapitosäätimessä myös suhteellisen kosteuden sallittu yläraja-arvo (RHsallittu) muuttuu lämpötilan funktiona, jolloin lämmitysenergian kulutus voidaan optimoida mahdollisimman pieneksi. Kosteusvaurioriskin aiheuttavan suhteellisen kosteuden ja sallitun suhteellisen kosteuden välillä käytetään turvamarginaalia, joka voi myös muuttua lämpötilan muuttuessa. Tämä säätötapa on myös patentoitu Suomessa.
Kuva 3. Periaatekuva kriittisen suhteellisen kosteuden ja sallitun suhteellisen kosteuden vaihtelusta eri lämpötiloissa. MoistMaster-kuivanapitosäätimessä näiden arvojen väliin jätetään turvamarginaali, joka voi myös vaihdella lämpötilan funktiona.
Kuivanapitolämmityksen vaikutus ympäröiviin rakenteisiin
Tampereen yliopistossa on tutkittu myös MoistMasterin käyttämän säätötavan vaikutusta sisätilaa ympäröivien rakenteiden kosteustekniseen toimintaan. Tarkasteluja on tehty laskennallisesti sekä nykyisissä että tulevaisuuden ilmasto-olosuhteissa. Tuloksia on verrattu myös +10 °C ja +15 °C peruslämmityksen vaikutukseen rakenteiden toiminnassa. Tarkasteluissa on käytetty Suomalaista homemallia ja määritetty homeindeksin maksimiarvo puurunkorakenteisissa ulkoseinissä tuulensuojan sisäpinnassa sekä tuuletetussa yläpohjarakenteessa kattoristikon yläpaarteessa erilaisilla lämmöneristyspaksuuksilla vuoden ajanjaksolla. Tarkastelut on tehty rakennusfysikaalisten mitoitusvuosien Jokioinen 2050 ja Jokioinen 2100 olosuhteissa. Viime vuosien ulkoilman olosuhdemittauksissa on havaittu, että kosteusrasitetuimmat nykyilmaston vuodet vastaavat jo Jokioisten 2050 olosuhteita, jolloin sitä voidaan käyttää nykyilmastona. Laskentatarkasteluissa sama mitoitusvuosi laskettiin kaksi kertaa peräkkäin, joista viimeiseltä vuodelta laskettiin homeindeksin maksimiarvo tammikuun alusta joulukuun loppuun. Laskentatarkasteluissa on käytetty Delphin 5.9 ohjelmaa.
Tässä yhteydessä tarkastellaan esimerkkinä puurunkoista ulkoseinää, jossa on tuulensuojana 12 mm huokoinen kuitulevy. Tämä on hyvin tyypillinen puurunkoisten pientalojen ja varastorakennusten ulkoseinärakenne. Homeen ja mikrobien kasvun kannalta kriittisin kohta on tuulensuojan sisäpinnassa.
Ulkoseinärakenteessa käytetty rakennetyyppi on seuraava ulkoa sisälle päin:
Kuvassa 4 on esitetty homeindeksin maksimiarvot 12 mm huokoisen kuitulevyn sisäpinnassa eri lämmöneristyspaksuuksilla nykyilmastossa (Jokioisten 2050) ja 2100 olosuhteissa (Jokioinen 2100). Huokoisen kuitulevyn homehtumisherkkyysluokka on ollut tarkasteluissa HHL1.
Kuva 4. Homeindeksin maksimiarvot tuulensuojalevyn sisäpinnassa puuverhotussa puurunkoisessa ulkoseinärakenteessa, jossa lämmöneristeenä on käytetty mineraalivillaa ja tuulensuojana 12 mm huokoista kuitulevyä.
Kuvasta 4 nähdään, että nykyilmastoa vastaavissa Jokioisten 2050 olosuhteissa homeindeksin maksimiarvot jäävät vielä alle hyväksyttävän raja-arvon (> 1) kaikissa tarkasteluvaihtoehdoissa. Jokioisten 2100 olosuhteissa homeindeksin maksimiarvot ovat yleisesti ottaen yli hyväksytyn raja-arvon lukuun ottamatta ohuemmilla lämmöneristyspaksuuksilla toteutettuja ulkoseinärakenteita normaalissa sisälämpötilassa. MoistMaster-säätötavalla homeindeksin maksimiarvot jäävät selvästi alemmaksi kuin +10 °C ja +15 °C peruslämmityksellä. Ylipäätään 12 mm huokoinen kuitulevy ei ole kaikissa tapauksissa riittävän hyvin lämpöä eristävä tuulensuojamateriaali vuosisadan loppupuolen ilmasto-olosuhteissa myöskään normaalissa sisäilman lämpötilassa. Tästä nähdään, kuinka ilmastonmuutoksen edetessä kosteusvaurioiden riski kasvaa sisätilojen lisäksi myös tiloja ympäröivissä vaipparakenteissa.
Yhteenveto
Älykkäällä kuivanpitolämmityksellä voidaan ylläpitää tiloissa kosteusturvallisia olosuhteita 80–90 % pienemmällä energiankulutuksella verrattuna nykyisin yleisesti käytettävään peruslämmitykseen. Älykäs kuivanapitolämmitys lämmittää tiloja ainoastaan tarpeen mukaan lähinnä syksyllä ja keväällä. MoistMasterin kuivanapitosäätimessä suhteellisen kosteuden sallittu yläraja-arvo muuttuu lämpötilan funktiona, jolloin lämpöenergian kulutusta saadaan entisestään vähennettyä.
MoistMasterin käyttämä säätötapa suojaa myös tilaa ympäröiviä vaipparakenteita yhtä hyvin tai paremmin kuin +10 °C tai +15 °C peruslämmitys.
Älykäs kuivanapitolämmitys säästää sähköä merkittävästi myös ilmalämpöpumppukohteissa (40–50 %), jos ilmalämpöpumppu sammutetaan talveksi ja vesiputket tyhjennetään.
Säätimeen voi asettaa tarvittaessa päälle myös minimilämpötilan (≥ 5 °C), jos tilan lämpötilaa on pidettävä plussan puolella esim. vesikalusteiden tai -putkien vuoksi.
Ilmastonmuutoksen edetessä kosteusvaurioriski lisääntyy sisätilojen lisäksi erityisesti sellaisissa puurunkoisissa ulkoseinärakenteissa, joissa on käytetty ohuita tuulensuojia ja paksumpia lämmöneristeitä. Näissä rakenteissa voi esiintyä vuosisadan loppupuolella mikrobikasvua tuulensuojan sisäpinnassa myös normaaleissa sisäilman lämpötiloissa.
Juha Vinha
Tampereen yliopiston rakennusfysiikan professori ja MoistMaster Oy:n hallituksen puheenjohtaja.
Kuvat: Juha Vinha ja Mirkku Merimaa.