Soojusmass

Soojusmassiks nimetatakse ehitise või selle osa võimet salvestada sooja ehk akumuleerida termilist energiat. Suurema soojusmassiga ehitiste sisetemperatuur reageerib välistele temperatuurimuutustele aeglasemalt kui väiksema soojusmassiga ehitiste oma. Ehitis on soojuslikult inertsem. Teaduslikult on see võrdne ehitise soojusmahtuvusega. Ehituses arvestatakse soojusmassi, et hoida hoone sisetemperatuuri inimestele kõige mugavamas vahemikus. Hästi planeeritud soojusmassiga majad hoiavad toatemperatuuri palaval keskpäeval madalal või lükkavad edasi palavaima hetke selleks ajaks, kui inimesed on lahkunud (näiteks kontorihoonetes või poodides). Seda efekti kasutatakse edukalt Lõuna-Euroopas. Soojusmassi kasutamine hoone planeerimisel on mõistlik, kui ööpäevane välistemperatuuri kõikumine on suurem kui 10 kraadi. Sel juhul on võimalik langetada maksimaalset sisetemperatuuri 2,5 kraadi või rohkem. Soojusmassi efektiivsus ei sõltu hoone sisekliima reguleerimisel ainult materjali soojusmahtuvusest. Planeerimisel tuleks arvestada ka materjali omadustega, hoone asetusega päikese suhtes, soojusmassi jagunemisega hoone ja ilmakaarte suhtes, ventilatsiooniga, kliimaga ja kütte- ning jahutussüsteemiga. Soojusmassiivne materjal peab olema piisava tihedusega, suure soojusmahtuvusega, sobiva soojusjuhtivusega ja väikese peegelduvusega. Mida tihedam on materjal, seda vähem on selles õhutaskuid ja seda rohkem sooja on see võimeline salvestama. Isoleerivad materjalid (näiteks ehitusvillad), milles on palju õhutaskuid, ei tööta soojusmassina. Materjalil peab olema sobiv soojusjuhtivus ehk see peab olema ühe ööpäevase tsükli jooksul võimeline neelama ja uuesti välja kiirgama peaaegu kogu oma soojusmahutavuse. Kui soojusjuhtivus on liiga väike, siis osa päikesekiirgusest ei absorbeerita ja soojusmass pole nii tõhus. Kui soojusjuhtivus on liiga suur (enamikul metallidel), siis kiiratakse soojus välja valel ajal. Tumedad, matistatud ja ebaühtlased pinnad neelavad ja kiirgavad välja rohkem soojusenergiat kui heledad, siledad, peegeldavad pinnad. Mõned näited sobivatest materjalidest: Tellis Looduslik kivi Betoon Tamppinnas Vesi Kui tavalised soojusmassi lisamise võimalused planeeritavale ehitisele ei sobi esteetiliselt või liigse massi tõttu, siis kasutatakse selleks faasivahetusmaterjale (PCM). Ehitusmaterjali või ehitusplaadi sisse segatakse polümeerist kapslid, mille sees on parafiin. Kapslite diameeter on umbes 10 μm. Seeläbi ei muutu kasutatava materjali välimus ega muud olulised füüsilised omadused. Parafiin sulab kapslis, kui materjal päeval päikesega soojeneb. Faasiüleminek tahkest vedelaks neelab palju energiat ja ei lase ülejäänud materjalil üle kuumeneda. Parafiin tahkub, kui materjal öösel jahtub. Tahkumisel vabaneb sulanud parafiini salvestunud energia. Faasivahetuse energia on ligi kaks suurusjärku suurem aine soojusmahtuvusest, seega on võimalik saavutada efektiivne soojusmass väiksema koguse materjaliga. Kui tavaliste soojusmasside temperatuurimuutus on lineaarne, siis PCM lisandiga soojusmassil on muutused hüppelised, kusjuures hüppekohad asuvad faasi vahetava materjali sulamissoojuse juures. Seda arvesse võttes on võimalik valmistada väga stabiilse temperatuuriga soojusmassiivseid elemente. Massiivseintega majad säästavad keskmiselt 6–8% aastasest energiakulust, võrreldes tavaseintega majaga. Samas kui seinamaterjal on liiga massiivne ja halva soojusjuhtivusega, siis ei jõua päeval sinna salvestunud soojus öösel väliskeskkonda hajuda ja sein võib kiirata eelmisel päeval kogutud soojust hoonesse valel ajal, muutes sellega sisekliima inimestele ebamugavamaks. Paksud suure soojusmassiga välisseinad ei pruugi olla igas kliimas praktilised. Näiteks Las Vegases ehitati kõrvuti suure soojusmassiga seintega (betoon-XPS-betoon) nullenergiamaja ja tavaline puitkarkassmaja. Kummastki koguti andmeid seina sise- ja välispindadel olevate temperatuurianduritega. Selgus, et nullenergiamajal vähenesid oluliselt küttekulud. Seevastu jahutuskulud olid tavamajast mõnevõrra suuremad, sest öösel ei olnud välistemperatuur piisavalt madal, et seintes päeval salvestunud soojus välja kiirgaks. Kuna suvel on tavaliselt öösel temperatuur madalam kui päeval, siis on võimalik öist jahedat õhku tuua hoonesse soojusmassiivsete elementide jahutamiseks. Kui välisõhku ei saa kasutada, sest see on liiga niiske, siis on võimalik massiivelemente jahutada ka konditsioneeriga. Niimoodi säästetakse energiat rohkem kui tavahoonet keskpäeval jahutades, sest konditsioneeri tekitatud temperatuurivahe on väiksem ja massiivsein soojeneb päeval aeglasemalt üles. Lisaks sellele on elekter öösiti odavam. Soojusmassi öösel eeljahutamisega on võimalik hoonete elektriarveid oluliselt vähendada. Peale selle jaotab see elektrivõrgu koormuse päeva ja öö vahel ühtlasemalt. Parasvöötmes paigutatakse soojusmass ehitise sisse nii, et see oleks suvise päikese eest varjatud, aga talvise päikese eest mitte. Selleks sobib päikesele avatud lõunakülg, kui katuseräästas on piisavalt pikk, et varjata ära suvine kõrge päike. Soojusmass aitab talvel salvestada hoonesse päikeseenergiat (tõstes toatemperatuuri), suvel aga ei panusta see otse päikesekiirguse neelamisse (hoiab toatemperatuuri madalamal). Põlvasse ehitatud passiivmajas kasutati soojusmassiks saviseina lõunapoolse toa siseseinana. Olemasolevale ehitisele võib sellist soojusmassi lisada lõunapoolse siseseina katmisel tellisvoodriga. Samuti kasutatakse seesmise soojusmassina paksu betoonplaatpõrandat. Parasvöötmes paigutatakse sisemine soojusmass ka kütteallika lähedusse, et seda oleks vajadusel võimalik aktiivselt soojendada. Kõrbekliimas on ajalooliselt kasutatud massiivseinu, et takistada keskpäevase kuumuse levikut siseruumidesse. Kui seinad on piisavalt paksud ja ööd jahedad, siis jahtub soojenenud sein öösel maha ja on järgmisel päeval jälle tõhus. Hoonesisene soojusmass varjatakse suvepäikese eest ja see peab olema avatud öisele jahedale tuulele või ventileeritud. Kui soojusmassis päeval salvestunud soojust kuidagi ei kõrvaldata, võib soojusmass järgmisel päeval mõjuda sisekliimale soojendavalt. Troopilises ja lähistroopilises kliimas, kus nii päevad kui ka ööd on niisked ja kuumad, on soojusmassi raskem efektiivselt kasutada. Sel juhul võib olla vajalik soojusmassi aktiivne jahutamine konditsioneeritud õhuga. Materjalidel, mida tavaliselt kasutatakse majale soojusmassi lisamisel (betoon, tellised), on samas ka suur kehastatud energia. See tähendab, et selle materjali tootmiseks ja transpordiks on kulunud summaarselt palju energiat. Kuigi soojusmassi lisamisel võib saavutada energia kokkuhoiu kütte- või jahutussüsteemide arvelt, siis see ei pruugi hoone kasutusajal tasakaalustada lisatud materjali kehastatud energiat – energiabilanss on negatiivne. Kohapealt korjatud kivid, savi või pinnas on seevastu väga väikese kehastatud energiaga, kuid nendega ehitamine võib olla ajamahukam ja kallim kui konventsionaalsete materjalidega. Balaras, C. A. (1996). The role of thermal mass on the cooling load of buildings. An overview of computational methods. Energy and Buildings, 24 (1), 1–10. Szokolay, S. (1984, August). Passive and low energy design for thermal and visual comfort. In Proceedings of the International Conference on Passive and Low Energy Eco Techniques Applied to Housing (PLEA 84), Pergamon Press, México. Thermal mass "Principles of eco-design". Originaali arhiivikoopia seisuga 4. aprill 2005. Vaadatud 8. novembril 2015. Baggs, D., & Mortensen, N. (2006). Thermal mass in building design. Environmental Design Guide. Richardson, M. J., & Woods, A. W. (2008, April). An analysis of phase change material as thermal mass. In Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (Vol. 464, No. 2092, pp. 1029–1056). The Royal Society. http://web.ornl.gov/sci/roofs+walls/research/detailed_papers/thermal/index.html Zhu, L., Hurt, R., Correia, D., & Boehm, R. (2009). Detailed energy saving performance analyses on thermal mass walls demonstrated in a zero energy house. Energy and Buildings, 41 (3), 303–310. Baer, S. (1983). Raising the open U value by passive means. Proc. 8th Nuiclr Passive Solar Conj, Glorieta. NM, 839–842. Snyder, M. E., & Newell, T. A. (1990). Cooling cost minimization using building mass for thermal storage. ASHRAE Transactions (United States), 96 (CONF-9006117--). Põlvasse kerkis Eesti esimese passiivmaja Lõunaleht, 2013 Thermal mass design