Faasimuutosmateriaalin sijoittelun vaikutus rakennusten energiatehokkuuteen

Abstract

EU:n rakennusten osuus energiankulutuksestamme on noin 40 %, ja tämä energiankulutus tulee kasvamaan seuraavien vuosien aikana. EU:n parlamentin päätöksen mukaan asuinrakennusten tulisi kuitenkin samaan aikaan parantaa energiatehokkuuttaan. Tähän ratkaisuna voitaisiin hyödyntää faasimuutosmateriaaleja. Tässä työssä perehdytään faasimuutosilmiöön, faasimuutosmateriaaleihin sekä näiden hyödyntämiseen rakennusten energiatehokkuudessa. Energiatehokkuuteen vaikuttavat erityisesti faasimuutosmateriaalien sijoitusratkaisut, joita tässä työssä esitellään. Yleisimmät lämpöenergian varastointimenetelmät ovat tuntuvalämpö ja latenttilämpö. Tuntuvan lämmön varastoinnissa lämpö varastoidaan aineeseen nostamalla sen lämpötilaa. Latentin lämmön varastoinnissa lämpö varastoidaan aineeseen sen olomuodon muutoksen aikana. Latenttilämpönä voidaan varastoida huomattavasti suurempi määrä lämpöä verrattuna tuntuvan lämmön varastointiin. Faasimuutosmateriaalien kyky varastoida tai vapauttaa suuri määrä energiaa perustuu tähän latenttilämpöön. Faasimuutosmateriaalit ovat materiaaleja, jotka voivat varastoida tai vapauttaa suuren määrän lämpöä tai kylmää pienen lämpötilan muutoksen yhteydessä. Faasimuutosmateriaalien tärkeimmät ominaisuudet ovat sopiva faasimuutoslämpötila, jotta faasimuutos voi ta-pahtua, sekä suuri faasimuutosentalpia, jotta materiaali varastoisi tai vapauttaisi mahdollisimman paljon energiaa. Faasimuutosmateriaaleja voidaan luokitella eri ryhmiin materiaalien perusteella. Jokaisella materiaalilla on omat etunsa ja haittansa, joten valinta tulee tehdä sovelluskohteen perusteella. Faasimuutosmateriaalit voidaan jakaa kolmeen luokkaan, jotka ovat orgaaniset materiaalit, epäorgaaniset materiaalit sekä eutektiset seokset. Nämä kolme luokkaa voidaan jakaa vielä useampaan alaluokkaan. Yleisimmin käytetyt faasimuutosmateriaalit rakennussovelluksissa ovat suolahydraatit sekä hiilivedyt. Faasimuutosmateriaaleja voidaan sijoittaa eri kohtiin rakennusta, kuten lattiaan, kattoon tai seiniin. Näitä materiaaleja voidaan sijoittaa myös näissä rakenteissa eri kohtiin eri paksuuksilla ja pinta-aloilla sekä käyttämällä samanaikaisesti useampaa faasimuutosmateriaalia. Näitä eri sijoitusratkaisuja voidaan arvioida rakennusten energiatehokkuuden kannalta. Erilaisilla koejärjestelyillä voidaan selvittää optimaalisimmat sijainnit faasimuutosmateriaaleille, jotta rakennuksen energiatehokkuus olisi mahdollisimman hyvä. Optimaalisimmat sijainnit faasimuutosmateriaalille rakenteen sisällä sekä optimaalisin paksuuden ja pinta-alan yhdistelmä voidaan selvittää, kun tiedetään kyseisen sovelluskohteen alkuarvot. Energiatehokkuutta voidaan parantaa myös hyödyntämällä yhden faasimuutosmateriaalikerroksen lisäksi useampaa faasimuutosmateriaalikerrosta. Tällöin toinen kerroksista toimii jäähdytystä ja toinen lämmitystä varten. Hyödyntämällä faasimuutosmateriaaleja rakennuksissa vuotuinen energiansäästö voi olla jopa 29,6 % verrattuna tilanteeseen, jossa niitä ei käytetä.