Haihdunnan rajoittaminen sisäilman olosuhteilla

Allasveden haihdunta kuluttaa huomattavan määrän kaukolämpöä uimahalleissa. Veden haihtuessa altaasta tai märiltä pinnoilta se sitoo itseensä valtavan määrän energiaa. Tämä energia on suurilta osin peräisin allasvedestä, jolloin poistuva energia on tuotava takaisin altaaseen kaukolämmöllä, jotta allas ei jäähtyisi. Tästä syystä haihdunnan suuruutta halutaan pienentää.

Haihdunnan sitoma energia on sitoutunut veden tilan muutokseen, eli faasimuutokseen. Altaassa (nestemäisenä) vetenä oleva vesi muuttaa faasiaan (olomuotoaan) ja höyrystyy vesihöyryksi. Tämä prosessi sitoo syntyvään vesihöyryyn valtavan määrän energiaa*. Sitoutunut energia vapautuu vasta silloin, kun vesihöyry tiivistyy takaisin nestemäiseksi vedeksi. Tästä syystä haihdunnan sitoman energian talteenotto on vaativaa ja ilmiö tulee ottaa huomioon lämmön talteenotossa. Tämä tehostamiskonsepti keskittyy haihdunnan määrän vähentämiseen.

*Haihdunnassa on kyse samasta ilmiöstä kuin ihmisen hikoilussa. Ihminen hikoilee, jotta iho kastuisi. Iholla oleva kosteus haihtuu ilmaan, joka sitoo energiaa, eli käytännössä viilentää ihoa. Samalla tavalla allasveden haihdunta viilentää allasvettä.

Allasveden haihdunnan vaatimaa lämpöenergiaa voidaan havainnollistaa paremmin kuvaajalla, joka on esitetty kuvassa 2. Haihdunnan suuruus vaihtelee voimakkaasti eri uimahallien välillä, mutta sen vaatima lämpöteho on suoraan riippuvainen haihdunnan suuruudesta. Kuvassa esitetyssä tilanteessa haihtuva vesimäärä lämmitetään ensin raakavedestä (6 °C) allasveden lämpötilaan (n. 28 °C), jonka jälkeen vesi haihtuu altaasta sisäilmaan. Kuvasta nähdään, että veden lämmityksen osuus on erittäin pieni verrattuna haihdunnan sitomaan energiaan. Tämä veden lämmityksen ja haihdunnan lämmönkulutuksen suhde pysyy samana riippumatta haihdunnan suuruudesta.

Kuva 2. Allasveden haihdunnan ja haihtuvan vesimäärän lämmityksen lämmitysenergian kulutus

Konkreettisen lukuarvojen esittämiseksi valitaan haihdunnan perusarvoksi 10 kiloa haihtuvaa vettä tunnissa (kg/h). Tällöin veden haihdunnan teho on noin 6750 wattia (W) ja veden lämmityksen teho noin 250 W. Kuukaudessa 10 kg/h haihdunta kuluttaa lämpöenergiaa yhteensä noin 5 MWh. Todellinen haihdunta uimahalleissa on noin 50 - 100 kg/h välillä. Haihdunnan vaatima energia on suoraan riippuvainen haihdunnan suuruudesta, joten 50 kg/h haihdunta vaatii noin 25 MWh ja 100 kg/h noin 50 MWh lämpöenergiaa kuukaudessa. Kaukolämmön hinnan ollessa noin 66 euroa per MWh 100 kg/h haihdunta tarkoittaisi sitä, että kuukaudessa ilmaan sitoutuu haihtuneen veden mukana 3300 euron edestä lämpöenergiaa. Tämän lämpömäärän talteenotto ja hyötykäyttö ovat keskeisiä tekijöitä uimahallin energiatehokkaassa toiminnassa.

Haihdunnan suuruuteen vaikuttavat allasveden lämpötila, sisäilman kosteuspitoisuus sekä altaan pinta-ala. Koska allasveden lämpötilaa ei voida laskea kovinkaan paljoa käyttäjien viihtyvyyden kärsimättä, emme pyri rajoittamaan haihduntaa allasveden lämpötilaa laskemalla. Myöskään altaan ja tätä kautta vapaan veden pinta-alaan emme voi tehokkaasti vaikuttaa. Mitä suurempi uimahalli on, sitä suurempi on yleensä myös sen allas ja altaan pinta-ala. Vapaan veden pinta-alaa on toisaalta myös uimahallin tasausaltaissa. Veden haihduntaa teknisissä tiloissa voidaan pienentää peittämällä tasausaltaat, mutta tämä vaikuttaa vain murto-osaan haihdunnan suuruudesta. Suurin osa haihdunnasta tapahtuu allasosastolla.

Allasosaston haihdunnan rajoittaminen on helpointa toteuttaa sisäilman kosteussisältöä kasvattamalla, sillä haihdunta on suoraan riippuvainen sisäilman kosteuspitoisuudesta. Mitä kosteampaa sisäilma on, sitä vähemmän haihduntaa tapahtuu. Käytännössä pyrimme pitämään sisäilman mahdollisimman kosteana asiakkaiden ja henkilökunnan viihtyvyyden kärsimättä. Lisäksi on huomioitava rakenteiden kylmät pinnat, joille kostea sisäilma voi tiivistyä. Asetelma on täten sellainen, että sisäilman kosteuspitoisuus pyritään pitämään mahdollisimman korkealla, mutta ylärajan kosteuspitoisuudelle asettavat asiakkaiden viihtyvyys sekä rakenteiden pinnoille/sisälle kondensoituva kosteus.

Yleinen ongelma uimahalleissa on se, että sisäilman kosteuspitoisuus pidetään liian alhaisena. Mikäli kosteuspitoisuuden asetusarvo on turhan alhainen, ilmanvaihto pyrkii jatkuvasti kuivattamaan ilmaa liikaa. Koska ilma on turhan kuivaa, myös haihdunta on voimakkaampaa. Turhan alhainen kosteuspitoisuuden asetusarvo siis johtaa kierteeseen, jossa ilmanvaihto kuivattaa allastilan ilmaa, joka nostaa haihdunnan suuruutta, joka taas lisää ilmanvaihdon tarvetta. Ilmanvaihdon kuivatustehon ja haihdunnan välille muodostuu aina tasapainotilanne, mutta tämä tila saattaa olla paljon energiaa kuluttavaa.

Uimahallin sisäilman matala kosteuspitoisuus korostuu erityisesti kylminä vuodenaikoina. Tällöin ulkoilman lämpötila ja kosteuspitoisuus ovat hyvin alhaiset, joka vaikuttaa hallin ilmanvaihdon kuivatustehoon. Suhteessa allastilan sisäilmaan, ulkoilma on erittäin kuivaa, jolloin se kuivattaa allastilan ilmaa hyvin tehokkaasti. Kuivatusteho saattaa olla jopa liian suuri, jolloin allastilan sisäilman kosteuspitoisuus on matala. Matala kosteuspitoisuus sisäilmassa johtaa suurempaan haihduntaan.

Lämpiminä vuodenaikoina myös ulkoilmassa on enemmän kosteutta, joka näkyy myös uimahallien sisäilman kohonneena kosteuspitoisuutena. Tällöin ulkoilman kuivatusteho allastilassa ei ole yhtä voimakas, mutta toisaalta kuivatustarve on myös pienempi kesän olosuhteissa.

Ylärajan uimahallin allastilan sisäilman kosteuspitoisuudelle asettavat käyttäjien ja henkilökunnan viihtyvyys sekä rakenteiden kylmät pinnat. Käytännössä sisäilman kosteuspitoisuus kannattaa pitää energiatehokkuuden kannalta mahdollisimman korkeana haihdunnan rajoittamiseksi, mutta samalla on aina pidettävä mielessä rakennuksen kosteustekninen toiminta.

Ihmisten viihtyvyyden asettama yläraja sisäilman kosteudelle on häilyvä. Korkea suhteellinen kosteus tuntuu uimareiden kannalta mukavalta, sillä tällöin myös haihdunta ihon pinnalta on vähäisempää ja ilma tuntuu lämpimämmältä. Toisaalta uimavalvojat ja henkilökunta voivat kärsiä sisäilman liian korkeasta kosteuspitoisuudesta, sillä he käyttävät normaaleja kevyitä vaatteita työssään. Ihmisten kannalta yläraja sisäilman absoluuttiselle kosteuspitoisuudelle on 14.3 g/m3. Tämä vaikuttaa kesällä sisäilman suositeltaviin kosteuspitoisuuksiin.

Rakenteiden kylmien pintojen vaikutus määrää ylärajan sisäilman kosteuspitoisuudelle kylminä vuodenaikoina. Sisäilman kosteuspitoisuus ei saa olla niin korkea, että sisäilman kosteutta alkaisi tiivistyä rakenteiden kylmille pinnoille. Yleisimpiä rakenteiden kylmiä pintoja ovat ikkunapinnat, kulmat ja saumat. Nämä muodostavat hallitilassa kriittiset pisteet, joiden pohjalta voidaan päätellä, kuinka korkeaksi sisäilman kosteuspitoisuus voidaan nostaa talvisin. Joidenkin rakenteiden kohdalla kriittinen kosteuspitoisuus rakenteen pinnalla saattaa olla myös matalampi, esimerkiksi 80 %. Tällainen rakenne voi olla esimerkiksi puu, jolloin se tulee ottaa huomioon sisäilman kosteuspitoisuuden arvoja mitoittaessa.

Allastilan kriittisten kylmien pintojen löytäminen voidaan suorittaa helposti ja tehokkaasti lämpökuvauksella. Lämpökameran avulla tilasta löydetään nopeasti kylmimmät pinnat/pisteet, joita voidaan tarvittaessa lähteä tarkastelemaan tarkemmin. Lämpökuvaus tulee suorittaa kylmänä vuodenaikana, jolloin kylmät pinnat erottuvat selkeämmin. Tällöin saadaan myös parempi arvio siitä, miten alas kylmimpien pintojen lämpötila allastilassa laskee.

Uimahallin sisätilojen kylmien pintojen lisäksi tulee tarkastella myös rakenteiden sisäistä toimintaa. Allastilan sisäilman kosteuspitoisuutta ei saa nostaa niin korkeaksi, että se muodostuisi riskiksi rakenteiden toiminnalle. Rakenteiden sisäisen toiminnan tarkastelu ja riskien arviointi vaatii aina asiantuntijan lausunnon.

Käytännössä tilanne on sellainen, että uimahallin sisäilman kosteuspitoisuutta tulisi muuttaa ulkoilman lämpötilan mukaan. Mitä lämpimämpää ulkoilma on, sitä korkeammaksi sisäilman kosteuspitoisuus nostetaan haihdunnan rajoittamiseksi. Jokaisen uimahallin kohdalla varsinkin talven aikaisen sisäilman kosteuspitoisuuden asetusarvo tulee selvittää tapauskohtaisesti, sillä hallien rakenteet ja ratkaisut ovat hyvin erilaisia. Esimerkki uimahallin sisäilman kosteuspitoisuuden asetusarvosta suhteessa ulkoilman lämpötilaan, kun sisälämpötila on vakio 28 °C, on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Esimerkki ulkoilman lämpötilan mukaan ohjautuvasta sisäilman suhteellisen kosteuden asetusarvosta

Uimahallin sisäilman kosteuspitoisuuden muuttaminen vaatii käytännössä ilmanvaihtokoneen toiminnan säätöä. Yleisesti ottaen uimahallien sisäilma on liian kuivaa, jolloin ilmanvaihdon määrää voidaan pienentää. Tämä tuo säästöjä myös sillä, etteivät ilmanvaihtokoneiden puhaltimet käytä niin paljon sähköä. Ilmanvaihdon asetusarvojen muuttaminen yllä esitetyn mukaiseksi pitäisi heijastua myös ilmanvaihdon ilmamääriin.

Kuvassa 4 on esitetty esimerkinomaisia tilanteita uimahallin allasosaston laskennallisista haihdunnan määristä. Kuvassa vasemmalla on esitetty tilanne, jossa ilman suhteellinen kosteus pysyy vakiona ja ilman lämpötilaa nostetaan. Lämpimämmän ilman kokonaiskosteussisältö on matalampilämpöistä ilmaa suurempi, jolloin haihdunta pienenee. Oikeanpuoleisessa tilanteessa tarkastellaan taas tilannetta, jossa lämpötila on vakio ja ilman suhteellinen kosteus muuttuu. Mitä korkeampi ilman suhteellinen kosteus ja täten kokonaiskosteuspitoisuus on, sitä vähemmän haihduntaa tapahtuu. Vastaavasti matala kosteuspitoisuus aiheuttaa suuremman haihdunnan.

Kuva 4. Esimerkkitilanteita uimahallin allasveden haihdunnasta erilaisissa sisäilman olosuhteissa

Haihdunnan rajoittaminen sisäilman kosteuspitoisuutta nostamalla onnistuu vain silloin, kun sisäilman olosuhteet ovat hallittavissa. Tehostamiskonseptia ei voida käyttää uimahalleissa, joissa sisäilman hallittavuus on heikko.