(Päivitys: alkuperäisen artikkelin laskelmat graniitin osalta olivat väärin. Graniitti onkin lämpövarastona yksi parhaista, vaikka alun perin se laskettiin huonoimmaksi.)
Naapuri kertoi aikoinaan isälleni ylpeänä laittaneensa jäterautaa talon suureen yösähkön vesivaraajaan, että se pitäisi paremmin lämpöä. Isä joutui valitettavasti kertomaan hänelle, että rauta varastoi tilavuuteensa nähden vähemmän lämpöä kuin vesi.
Kuinka paljon nykyaikainen talo varastoi lämpöä? Kuinka suuri osa varastoidusta lämmöstä on ilmassa ja kuinka suuri osa rakenteissa? Kuinka paljon lämpöä varastoi tuhat kiloa painava leivinuuni? Mitä materiaalia kannattaa pistää kasvihuoneeseen, että päivän ylikuumuudesta siirretään mahdollisimman paljon lämpöä yön yliviileyteen?
.png)
Mielenkiintoinen tapaus lämpövarastolle on sellainen, että meillä on kasvihuone, jonka lämpötilan haluamme pysyvän yli 15 asteen (kasvit kasvavat parhaiten). Voimmeko vähentää lämmitystarvetta laittamalla kasvihuoneeseen lämpövaraston?
Kuvassa näemme lämpötilan 31.5.2011 tunneittain. Tietyillä oletuksilla(*) meillä voi olla lämpövarasto, joka hidastaa kasvihuoneen sisälämpötilan muutosta punaisen tai keltaisen käyrän tavalla.
Pitääksemme lämpötilan 15 asteen yläpuolella, ilman lämpövarastoa meidän on lämmitettävä 58 astetuntia. Astetunti on suoraan verrannollinen lämmitykseen tarvittaviin kilowattitunteihin. Jos meillä on keltaisen käyrän mukainen lämmön varastointi, lämmitystarve on vain noin puolet, 34 astetuntia. Jos meillä on vielä voimakkaampi punaisen käyrän mukainen varastointi, lämmitystarve putoaa 17 astetuntiin. Jos voisimme pitää kasvihuoneen vuorokauden keskilämmössä, lämpötila ei koskaan laskisi 15 asteen alapuolelle.
Lämmön varastointi siis kannattaa.
Laskekaamme kuinka paljon mitäkin ainetta tarvitaan kilowattitunnin lämmön varastoimiseen kymmenen asteen lämpötilaerolla. Pienimmästä tilavuudesta suurimpaan:
om.lämpö paino tilavuus hinta
kJ/Kkg kg/kWh dm³/kWh eur/kWh
(10C) (10C) (10C)
Vesi 4,18 86 86 0,24
Rauta 0,45 799 102 400 (vrt. <200 jos myy)
Alumiini 0,90 400 148 400
Graniitti 0,75 480 182 ?
Betoni 0,75 480 192 38
Kahi-tiili 0,84 428 238 60
Lyijy 0,13 2767 244 4200
Hiekka 0,83 433 248 2
Puu 1,50 240 480 150* (vrt. <15 jos myy)
Ilma** 0,71 507 422m³ 0
* höyläämätön sahatavara 300e/m³
** vakiotilavuudessa
Taulukossa on varmasti muutama yllätys. Saavillisessa kymmenen astetta huoneenlämpöä lämpöisempää vettä on kilowattitunti energiaa. Kaksisataaneliöisen talon sisäilmassa on vain yhtä paljon energiaa kuin saavillisessa vettä! Kummassakin tapauksessa kymmenen asteen lämpötilan nosto maksaa noin kymmenen senttiä.
Mikäli rakenteita tekee enemmän, betoni on tiiltä halvempi vaihtoehto. Hinta 38 euroa/kWh (10C) ei sisällä betoniauton käyntiä. Graniitti on suunnilleen yhtä hyvää kuin betoni, jos sellaista sattuu löytymään.
Puukaan ei ole aivan mahdoton lämpövaraston materiaali: jos höyläämätöntä sahatavaraa löytää 300 euroa/m³ (ainakin Virosta löytyy), siitä voi tehdä kilowatin lämpövaraston noin 150 eurolla. Tilavuutta sille tosin tulee puoli kuutiota, mikä on kaksi kertaa isompi kuin Kahi-tiilistä tai betonista tehty lämpövarasto.
Eri materiaalien yhdistelykin on järkevää (ja siitä voi tehdä jopa järkevän rakennelman), koska niiden lämmönluovutusominaisuudet ovat erilaiset eli ne tasaavat toisiaan.
Autiomaat ovat öisin kylmiä, koska kivien ja hiekan lämmönvarastointikyky on huono. Auringon lämmön varaamisen öiksi tekevät Suomessakin puut ja maassa oleva kosteus, ei itse maa.
PPS. Vastaus retoriseen kysymykseen: jos tuhatkiloinen tiilinen leivinuuni lämpenee kaikkialta neljäkymmentä astetta huoneenlämpöä lämpöisemmäksi, se varastoi hieman yli yhdeksän kilowattituntia, noin eurolla lämpöä.
Jatkuu myöhemmin osalla II: faasinmuutosmateriaalit.
(*) lämmön varastoinnin oletetaan pitävän kasvihuoneen lämpötilassa, joka reagoi tunnissa vain 10%/20% ulkolämpötilan ja sisälämpötilan eroon. Esimerkiksi jos ulkona on 15 astetta ja sisällä 17 astetta, seuraavan tunnin sisällä on 0,2 * (17-15) astetta eli 16,6 astetta)
(**) http://www.uuttajawanhaa.fi/, tonkista kuva heti etusivun kuvan vasemmassa laidassa.
Oletko laskelmissasi ottanut eri materiaalien lämmönjohtokykyä? Jos materiaali eristää hyvin, se käyttäytyy eri tavalla kuin hyvin lämpöä johtava materiaali, vaikka ominaislämmöt olisivat samat. Iso kasa huonosti johtavaa ainetta ei ehdi absorboida tai luovuttaa täyttä ominaislämpöä vastaavaa energiaa syklin aikana. (Teoriassa mikään lämpötilaero ei tasaannu rajallisessa ajassa.)
Mietin asiaa, ja päädyin siihen, että se on lähinnä kokeiltava. Siksi jätin sen mainitsematta.
Ratkaisevaa ei liene lämmönjohtokyky vaan ilmavirtaus lämpöä varaavan elementin vieressä. Useimmat kirjoista löytyvät käytännön lämpövarastot sisältävät tuulettimen.
Muutamien aineiden lämmönjohtokykyjä (W/mK):
Alumiini: 237 (!)
Rauta: 34-80 (alle kolmannes alumiinista)
Teräs: 16-54 (Teräs siis huonompi kuin rauta)
Graniitti: 1,7-4,0
Betoni: 1,7
Kahi-tiili: 1,0
Vesi: 0,6 (mutta virtaus lienee tärkeämpi)
Puu: 0,1-0,4
Tässä mielessä Kahi-tiili vaikuttaa sellaiselta, jota ensimmäisenä kannattaa kokeilla, koska se on muiden välissä. Puu saattaa olla liian hidas luovuttamaan lämpöään ja betoni liian nopea.
Mutta toisaalta haluttu hitaus riippuu tavoitteesta. Joskus nopeampi on parempi, joskus hitaampi. Kuvan esimerkissä mahdollisimman hidas on paras – mutta sitten pinta-alan ja tuuletuksen pitää olla riittävä luovuttamaan kaikki varastoitu lämpö yön kuluessa.
Lämmön siirtymisestä löytyy paljon tietoa alumiini-kupari yhdistelmistä. Esimerkkinä auton jäähdyttimet, tietokoneiden jäähdyttimet ja paistinpannut.
Kupari-alumiiniyhdistelmässä on mielenkiintoista se, että
– kupari on parmpi lämmönjohde (390 vs. 237)
– alumiini varastoi paremmin lämpöä (0,9 vs. 0,4)
– alumiini luovuttaa paremmin lämpöä ilmaan
Tästä syntyy mielenkiintoisia yhdistelmiä, jossa lämmön varastointi, siirto ja luovutus ilmaan tehdään eri metalleilla.
Varmasti täydellisessä asunnon lämpövarastossa joudutaan samanlaisiin ratkaisuihin.