Free Press

Vaikka rakennusten ympäristötehokkuus keskittyy nykyään pääasiassa hiilidioksidin kulutukseen, on edelleen tarpeen ottaa huomioon rakennuskerroksen lämpötehokkuus yhtenä osatekijänä. Lämpötehokkuutta mitataan lämpöhäviönä, ja se ilmaistaan rakennusalalla yleisesti U-arvona tai R-arvona. U-arvolaskelmia tarvitaan poikkeuksetta, kun laaditaan rakennusstrategioita. Useilla termeillä on hyvin samankaltaiset merkitykset, ja internetissä on ristiriitaisia tulkintoja. Tässä artikkelissa selitetään eri käsitteitä ja niiden suhdetta toisiinsa.

U-arvo eli lämmönläpäisykerroin (R-arvon käänteisluku)

Lämmönläpäisykerroin eli U-arvo on lämmönsiirtymisnopeus rakenteen (joka voi olla yksittäistä materiaalia tai yhdistelmämateriaalia) läpi jaettuna rakenteen yli vallitsevalla lämpötilaerolla. Mittayksikköinä käytetään W/m²K. Mitä paremmin rakenne on eristetty, sitä pienempi on U-arvo. Työskentely- ja asennusstandardit voivat vaikuttaa voimakkaasti lämmönläpäisykykyyn. Jos eristys on asennettu huonosti, ja siinä on rakoja ja kylmäsiltoja, lämmönläpäisykerroin voi olla huomattavasti toivottua korkeampi. Lämmönläpäisykertoimessa otetaan huomioon johtumisesta, konvektiosta ja säteilystä johtuvat lämpöhäviöt.

U-arvon laskeminen

U-arvon peruslaskenta on suhteellisen yksinkertaista. Pohjimmiltaan U-arvo voidaan laskea etsimällä kyseisen rakennusosan muodostavien materiaalien lämpöresistanssien summan käänteisarvo. Huomaa, että materiaalien vastusten lisäksi myös sisä- ja ulkopinnoilla on vastukset, jotka on laskettava yhteen. Nämä ovat kiinteitä arvoja.

Lämmönläpäisevyyden laskentamenetelmiä käsitellään useissa standardeissa. Ne on lueteltu tämän artikkelin lopussa kohdassa ”Hyödyllisiä linkkejä ja viitteitä”.

Yksinkertaiset U-arvolaskelmat voidaan tehdä seuraavalla tavalla tarkastelemalla rakennusosan rakennetta kerroksittain. Huomaa kuitenkin, että tällöin ei oteta huomioon kylmäsiltoja (esimerkiksi seinäsiteillä), ilmarakoja eristeiden ympärillä tai esimerkiksi laastisaumojen erilaisia lämpöominaisuuksia. Tässä esimerkissä tarkastellaan onteloseinää:

Materiaali	Paksuus	Johtokyky (k-arvo)	Resistanssi = Paksuus ÷ johtavuus (R-arvo)
ulkopinta	–	–	–	0.040 K m²/W
Savitiilet	0.100 m	0.77 W/m⋅K	0.130 K m²/W
Lasivilla	0.100 m	0.04 W/m⋅K	2.500 K m²/W
Betoniharkot	0.100 m	1.13 W/m⋅K	0.090 K m²/W
Kipsi	0.013 m	0.50 W/m⋅K	0.026 K m²/W
Sisäpinta	–	–	0.130 K m²/W
Kokonais			2.916 K m²/W
U-arvo =		1 ÷ 2.916 =	0.343 W/m²K

Huomaa, että yllä olevassa esimerkissä rakennusmateriaalien johtokyvyt (k-arvot) ovat vapaasti saatavissa verkosta; erityisesti valmistajilta. Itse asiassa valmistajan tietojen käyttäminen parantaa tarkkuutta, jos määriteltävät tuotteet ovat tiedossa laskentahetkellä. Vaikka edellä esitetyssä laskelmassa on mahdollista ottaa huomioon laastisaumat arvioimalla laastin prosentuaalinen pinta-ala suhteessa laastilla päällystettyyn harkkoon, on muistettava, että tämä on karkea tekniikka verrattuna BS EN ISO 6946I -standardissa esitettyyn vankempaan menetelmään.

U-arvon mittaaminen

Suunnittelulaskelmat ovat teoreettisia, mutta myös rakentamisen jälkeisiä mittauksia voidaan tehdä. Näiden etuna on, että niissä voidaan ottaa huomioon työn laatu. Kattojen tai seinien lämmönläpäisykertoimen laskelmat voidaan tehdä lämpövirtamittarilla. Se koostuu lämpöanturista, joka on kiinnitetty kiinteästi testialueeseen ja jolla seurataan lämpövirtaa sisältä ulospäin. Lämmönläpäisykerroin saadaan jakamalla keskimääräinen lämpövirta (lämpövirta) keskimääräisellä lämpötilaerolla (sisä- ja ulkolämpötilan välillä) noin kahden viikon yhtäjaksoisen ajanjakson aikana (tai yli vuoden ajan, jos kyseessä on maanvaraisen lattialaatan laatta, koska maaperään varastoituu lämpöä).

Mittausten tarkkuus riippuu useista tekijöistä:

• Lämpötilaeron suuruus (suurempi = tarkempi)
• Sääolosuhteet (pilvinen on parempi kuin aurinkoinen)
• Lämpöpaalujen hyvä tartunta koealueeseen
• Mittauksen kesto (pidempi kesto mahdollistaa tarkemman keskiarvon)
• Monemmat koepisteet mahdollistavat suuremman tarkkuuden, lieventää poikkeamia

Kaksi hankaloittavaa tekijää, jotka voivat vaikuttaa materiaalien lämmönläpäisyominaisuuksiin, ovat:

• Ambienttilämpötila, joka johtuu muun muassa piilevästä lämmöstä
• Konvektiovirtojen vaikutukset (lisääntynyt konvektio edistää lämpövirtausta)

U-arvolaskurit

Koska U-arvojen laskeminen voi olla aikaa vievää ja monimutkaista (erityisesti silloin, kun esimerkiksi kylmäsillat on otettava huomioon), on julkaistu lukuisia verkossa olevia U-arvolaskureita. Monet niistä ovat kuitenkin saatavilla vain tilauksesta, ja ne, jotka ovat ilmaisia, ovat yleensä liian yksinkertaisia. Toinen vaihtoehto on pyytää laskelma esimerkiksi eristeen valmistajalta, jonka tuotetta ollaan määrittelemässä.

Building Regulations Approved Documents L1A, L2A, L1B ja L2B Englannissa ja Walesissa viittaavat hyväksytyissä laskentamenetelmissä julkaisuun BR 443 Conventions for U-value calculationsII, kun taas liitännäisasiakirja U-value conventions in practice. Työstetyt esimerkit BR 443III:n avulla antavat hyödyllisiä ohjeita.

R-arvo tai lämpöeristävyys (U-arvon käänteisluku)

Lämpöeristävyys on lämmönläpäisevyyden käänteisluku; toisin sanoen materiaalin kyky vastustaa lämpövirtaa. R-arvoja käytetään yleisemmin tietyissä osissa maailmaa (esimerkiksi Australiassa), kun taas Yhdistyneessä kuningaskunnassa käytetään mieluummin U-arvoja. Lämmönläpäisykertoimen mittayksikkö on m²K/W, ja korkeampi luku osoittaa parempaa suorituskykyä (toisin kuin U-arvolle haluttu alhaisempi luku).

k-arvo eli lämmönjohtavuus (tunnetaan myös nimellä lambda- tai λ-arvo; lämpöresistanssin käänteisarvo)

Lämmönjohtavuus on materiaalin kyky johtaa lämpöä. Näin ollen suuri lämmönjohtavuus tarkoittaa, että lämmön siirtyminen materiaalin läpi tapahtuu nopeammin; huomaa, että tämä on myös lämpötilariippuvainen. Lämmönjohtavuuden yksiköt ovat W/m⋅K. Toisin kuin U-arvot ja R-arvot, k-arvot eivät kuitenkaan riipu kyseisen materiaalin paksuudesta.

Y-arvo eli lämmönjohtavuus tai lämmönsiirtokerroin

Materiaalin kykyä absorboida ja luovuttaa lämpöä sisätilasta tilan lämpötilan muuttuessa kutsutaan lämmönjohtavuudeksi (tai lämmönsiirtokertoimeksi), ja se määritellään standardissa BS EN ISO 13786:2007 Rakennusosien lämpökäyttäytyminenIV. Tämä on myös perusta CIBSE Guide A: Environmental design -oppaassa (CIBSE Guide A: Environmental designV) esitetylle implisiittiselle dynaamiselle mallille, jota käytetään jäähdytyskuormien ja kesäajan tilojen lämpötilojen laskemiseen. Mitä suurempi lämpöadmittanssi on, sitä suurempi on lämpömassa. Lämpökerroin on samanlainen kuin lämmönläpäisykerroin (ja siinä käytetään samoja mittayksiköitä). Se mittaa kuitenkin materiaalin lämmönvarastointikapasiteettia eli materiaalin kykyä varastoida ja luovuttaa lämpöä tietyn ajanjakson, yleensä 24 tunnin, aikana. Lämmönläpäisykertoimen tavoin mittayksikköinä käytetään W/m²K.

Huomaa, että lämmönläpäisykerrointa ”Y-arvoa” ei pidä sekoittaa lämpösiltakerroin ”y-arvoon”, joka on määritelty standardin arviointimenettelyn (SAP) lisäyksessä K lineaarisesta lämmönläpäisykertoimesta johdetuksi.

Psi (Ψ)-arvo eli lineaarinen lämmönläpäisykerroin

Lämpösillan aiheuttaman lämpöhäviön mittausta kutsutaan lineaariseksi lämmönläpäisykertoimeksi (vastakohtana ”pinta-ala”-lämmönläpäisykertoimelle, jota muutoin kutsutaan U-arvoksi), ja mittayksikköinä käytetään jälleen W/m²K. Psi-arvoja käytetään tuottamaan y-arvoja (lämpösiltakerroin) standardin arviointimenettelyn lisäyksessä K.

Lämpöresistiivisyys (lämmönjohtavuuden käänteisluku)

Lämpöresistiivisyys on materiaalin kyky vastustaa lämmön johtumista sen läpi. Kuten k-arvo, tämä ominaisuus ei ole riippuvainen kyseisen materiaalin paksuudesta. Lämpöresistanssin yksiköt ovat K⋅m/W.

Lämmönjohtavuus (lämpöresistanssin käänteisluku)

Lämmönjohtavuus (lämpöresistanssin käänteisluku)

Lämmönjohtavuus tarkoittaa tietyn tilavuuden omaavan materiaalin läpi johdettua lämpömäärää aikayksikössä eli johtumisnopeutta. Mittayksikköinä käytetään W/K.

Lämpöresistanssi (lämmönjohtavuuden käänteisluku)

Lämpöresistanssilla mitataan, kuinka hyvin materiaali kestää lämmön johtumista sen läpi, ja se mitataan yksikössä K/W.

Lämpömassa

Lämpömassa

Lämpömassa (toisin kuin lämmönjohtavuus) on tähän asti Ison-Britannian rakennusteollisuudessa suurelta osin huomiotta jätetty arvo, joka saadaan ominaislämpökapasiteetista (materiaalin kyky varastoida lämpöä suhteessa sen massaan), tiheydestä ja lämmönjohtavuudesta (siitä, kuinka helposti lämpö kulkee materiaalin läpi). Lämmönjohtavuutta käytetään SAP 2009 -standardissa k-arvona (tai kappa-arvona) lämpömassaparametrin (TMP) laskennassa. K-arvo on rakennuselementin ”lämpöaktiivisen” osan lämpökapasiteetti pinta-alayksikköä kohti (vain elementin noin 50 mm:n ensimmäisellä paksuudella on todellista vaikutusta lämpömassaan, koska se pienenee elementin syvyyden kasvaessa; yli 100 mm:n syvyydessä vaikutus on merkityksetön). On huomattava, että k-arvo on likiarvo, koska materiaalin lämpöaktiivisten tilavuuksien laajuudesta tehdään oletuksia; lisäksi siinä ei oteta huomioon lämmönjohtavuuden vaikutusta laskettaessa ajanjaksoa, jonka aikana lämpö absorboituu ja poistuu materiaalista. BS EN ISO 13786VI tarjoaa tehokkaamman menetelmän lämpömassan määrittämiseksi. Lämpömassaa ei pidä sekoittaa eristykseen.

Lämpömassan merkitystä ei voi korostaa liikaa, kuten nämä esimerkit osoittavat:

Seinän rakenne	U-arvo	Lämmönläpäisykerroin	Lämpömassa
200mm tiili 13mm ”märkä” rappaus	2 W/m²K	4.26 W/m²K	169 kJ/m²K
100mm tiili 150mm mineraalivillatäytteinen ontelo 100mm kevytbetoniharkko 13mm kipsilevyjen kipsilevyjen kuivaverhoilua 10mm:n laatoilla	0.19 W/m²K	1.86 W/m²K	9 kJ/m²K

Huomaa, kuinka huono lämpömassa nykyaikaisella onteloseinällä on verrattuna massiivitiiliseinään. Korvaamalla 13 mm:n ”märkä”-rappaus kipsirappauksella voidaan kuitenkin lisätä admittanssia huomattavasti:

Seinän rakenne	U-arvo	Lämmönläpäisykerroin	Lämpömassa
100mm:n tiilimuurausta 150mm:n mineraalivillaa-täytetty ontelo 100mm kevytbetoniharkko 13mm ”märkä” rappaus	0.19 W/m²K	2.74 W/m²K	60 kJ/m²K

Kipsilevyjen irrottaminen tällä tavoin poistaa lähes kokonaan tehokkaan lämpömassan nykyaikaisten standardien ja tekniikoiden mukaan rakennetusta talosta.

Lämpömassan käyttöä kesäaikaisen ylikuumenemisen torjuntaan käsitellään yksityiskohtaisemmin artikkelisarjassa ilmastonmuutokseen sopeutuminen rakennuksissa: Ylilämpö, osat yksiVII ja kaksiVIII.

Lämpömassan vähentäminen

Kuvaaa tapaa, jolla materiaalin tiheys, lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus voivat hidastaa lämmön kulkeutumista puolelta toiselle ja myös vähentää näitä lämpövoittoja sen läpi kulkiessaan. Tämä vaikuttaa näin ollen rakennuksen lämpötehokkuuteen lämpiminä aikoina. Näistä käytetään nimityksiä vähenemisviive ja vähenemiskerroin.

Kemiallinen vaihe

Kun materiaali vaihtaa olomuotoaan kiinteästä nesteeksi tai nesteestä kaasuksi, sen lämmönjohtavuus voi muuttua. Tämä johtuu piilevän lämmön imeytymisestä ja vapautumisesta, ja se voi tapahtua myös pienemmissä mittakaavoissa, mikä voi olla eduksi rakentamisessa.

Materiaaleja on yhä helpommin saatavilla, jotka voivat tuottaa suuren lämpömassan pienistä tilavuuksista. Nämä faasimuutosmateriaaleiksi (Phase Change Materials, PCM) kutsutut aineet voivat varastoida ja luovuttaa piilevää lämpöä, kun ne sulavat ja jähmettyvät kapealla lämpötila-alueella. Näitä materiaaleja voidaan mikrokapseloida tietyntyyppisiin rakennusmateriaaleihin, kuten kipsiin tai saveen, ja niistä voidaan muodostaa joko seinien vuorauslevyjä tai kattolaattoja. Niitä voidaan myös makrokapseloida esimerkiksi jäähdytys- ja ilmanvaihtolaitteissa käytettäviin lämmönvaihdinlevyihin, ja niitä tutkitaan parhaillaan PU-vaahtomuovipaneeleihin liittämistä esimerkiksi metallipintaisten komposiittiverhouslevyjen valmistukseen. PCM:ien etuna on, että ne voivat tarjota merkittäviä määriä lämpömassaa, vaikka ne ovat itsessään hyvin ohuita; eli lämpömassa vaikuttaa suhteettoman suurelta verrattuna materiaalin fyysiseen paksuuteen.

PCM:t voivat tarjota käytännön ratkaisun lämpömassan palauttamiseen kevytrakenteisiin ylikuumenemisen torjumiseksi, ja niitä käsitellään tarkemmin artikkelisarjassa Ilmastonmuutokseen sopeutuminen rakennuksissa: Ylilämpö (osa kaksi)IX.

Kiinnostuitko lisää tällaisesta sisällöstä? Tilaa NBS:n eWeekly-uutiskirje.

Tilaa nyt

.