Värmeegenskaper

Värmekonduktivitet

Värmekonduktiviteten eller värmeledningsförmågan, λ, ökar ungefär linjärt med ökad densitet och fuktkvot. Den är större i fiberriktningen än vinkelrätt mot fibrerna.

I SS-EN 12524 anges värmekonduktiviteten (designvärdet) till 0,13 W/(mK) och 0,18 W/(mK) för trä med densitet cirka 500 kg/m³ respektive cirka 800 kg/m³. I denna standard kan även tabellvärden för andra träbaserade produkter återfinnas samt omräkningsfaktorer för fuktens inverkan.

Värmekapacitet

Trä har en relativt hög specifik värmekapacitet. Den anges i SS-EN 12524 till 1500-1700 J/(kgK). Detta kan jämföras med motsvarande värde för betong, 1000 J/(kgK).

Mängden trä är dock begränsad i moderna hus och möjligheten att använda trä för att utjämna klimatvariationer är därför begränsad. Trähus med regelstomme brukar tvärtom anses ha ringa värmetröghet och kan därför förses med dygnsvarierande temperaturreglering.

I hus av massivt trä, timmer eller KL-trä, är den specifika värmekapaciteten däremot väldigt hög. Massivt trä placeras med fördel mot det uppvärmda utrymmet för att på bästa sätt utnyttja materialets värmeegenskaper.

KL-trä och värmelagring och fuktbuffring

Det är ett välkänt förhållande att inomhusklimatet är behagligt i timmerhus, med tjocka, massiva träväggar. Flera mätningar och datasimuleringar har utförts för att fastställa hur det förhåller sig med boendeklimatet i hus med KL-trästomme eller likartade stommar och deras energieffektivitet. Resultaten tyder på att de är både behagliga att bo i och att energiförbrukningen för uppvärmning är låg. En betydande minskning av energiförbrukningen för uppvärmning, i jämförelse med lättväggar och lätta bjälklag, är möjlig att uppnå.

Träets låga värmeledningsförmåga gör också att golv- och väggytorna är behagliga att beröra. Genom att köldbryggorna är få och träytorna inte känns kalla kan temperaturen inomhus sänkas, med bibehållen behaglighet, med uppemot ett par grader. Rummet går också snabbt att värma upp efter en nedkylning.

Tabell 1. Materialdata för några vanliga byggmaterial.

Material	Värmekonduktivitet (λ) (W/m °C)	Specifik värmediffusivitet (a) (m2/s)	Värmekapacitet (c) (J/kg °C)
KL-trä	0,13	0,19 · 10-6	1 600
Lättbetong	0,14	0,28 · 10-6	500
Mineralull	0,04	0,30 · 10-6	120
Gips	0,25	0,31 · 10-6	720
Tegel	0,6	0,44 · 10-6	1 350
Betong	1,7	1,00 · 10-6	1 000

 

Tabell 2. Periodiskt inträngningsdjup för en temperaturcykel på ett dygn för några vanliga byggmaterial.

Material	Periodiskt inträngningsdjup (mm)
KL-trä	70
Gips	90
Lättbetong	90
Tegel	110
Betong	140
Mineralull	160
Sten (granit)	210

Värmelagring i byggnadsstommar och nyttan av värmelagring bestäms av ett antal faktorer; material, byggmetod, täthet, fasförskjutning med mera. Optimalt är att lagra in den mängd värme som man annars varit tvungen att vädra bort. Det ställs även höga krav på övriga delar i klimatskärmen. Klimatskärmen måste vara tät och välisolerad för att förhindra att värmen försvinner ut genom väggen. Installationer i övrigt, såsom ventilation och reglering av radiatorer, måste även anpassas för att utnyttja värmelagringen optimalt.

Ett materials förmåga att lagra värme beror på dess tyngd och dess specifika värmelagringsförmåga, se tabell 1. Trä har trots den låga densiteten hög värmelagringsförmåga tack vare en i förhållande till andra material hög specifik värmekapacitet, c. Specifik värmekapacitet anger den mängd värme i Ws eller J som åtgår för att höja temperaturen en grad i ett kilo av materialet. Värmekonduktivitet, λ, även kallad värmeledningsförmåga, är en materialegenskap som anger hur lätt värme transporteras i ett material. Det vill säga materialets värmeisolerande förmåga. Ett annat mått som är av intresse är värmediffusivitet, a, som visar hur snabbt en temperaturförändring sprider sig i materialet.

För att lagra värme i exempelvis solbelysta innerväggar har även inträngningsdjupet en betydelse då det talar om hur stor del av materialet som är aktivt under en bestämd tidsperiod. Periodiska inträngningsdjupet för några vanliga byggmaterial framgår i tabell 2.

En ytterligare fördel som kan tillskrivas den massiva träytterväggen, till följd av hög värmekapacitet och låg värmekonduktivitet, är den så kallade fasförskjutning, η, som uppträder mellan temperaturerna på väggens ut- och insida. Fasförskjutningen beskriver den tidsförskjutning inom vilken den högsta dagstemperaturen vandrar från ut- till insidan genom en byggnadsdel och avger utomhustemperaturen till rummens inomhustemperatur. I en massiv trävägg tar det lång tid innan värmetopparna på väggens utsida når insidan, ända upp till 10 – 12 timmar. För att fasförskjutningen i ytterväggen ska bli stor ska det så kallade temperaturledningstalet, α, med enheten (m kg °C) ⁄ J vara lågt. Inte att förväxla med a i tabell 1. Temperaturledningstalet kan beräknas enligt ekvation 1:

\(\alpha=\displaystyle \frac{ t}{ c}\)
Ekvation 1.

där:
t      är väggtjocklek i meter.
c     är väggens värmekapacitet i J/kg °C.

Diagram 1. Graf över fasförskjutning och amplitudförändring över en väggkonstruktion.
Källa: BSPhandbuch.

För att uppnå samma fasförskjutning i en vägg av stenmaterial krävs cirka dubbelt så stor tjocklek som på den massiva träväggen.

För att beskriva temperaturförändringar i en yttervägg är det av intresse att titta på temperaturamplitudernas förändring i väggen och fasförskjutningen. Man kan då studera den ytterväggens utvändiga ytskiktstemperatur och ytterväggens invändiga ytskiktstemperatur.

Principiellt kan det beskrivas enligt diagram 1.

Amplituddämpningen θ kan beräknas enligt ekvation 2:

\(\theta=\displaystyle \frac{\Lambda t_{\mathrm{a}}}{\Delta t_{oi}}\)
Ekvation 2.

där:
Δt_a     är temperturamplitud utomhus i °C.
Δt_oi    är temperaturamplitud inomhus i °C.
Ƞ       är fasförskjutning i timmar.

Värden som ofta eftersträvas är en amplituddämpning som är större än 3,3 för ytterväggar och större än 5,0 för yttertak. Exempelvis θ = Δt_a ⁄ Δt_oi = 25 °C ⁄ 5 °C = 5. Samtidigt bör fasförskjutningen vara större än 10 timmar för att uppnå ett behagligt inomhusklimat.

Beroende på hur konstruktionen byggs upp och vilka ingående material som väljs, går det att påverka fasförskjutningen och amplituddämpningen, se tabell 3.

Tabell 3. Temperaturens fasförskjutning beroende av väggens uppbyggnad.

Väggtyp (mm)	Värme­genom­gångs­tal (U) (W/m2°C)	Effektiv lagringsmassa (m) (kg/m2)	Fas­förskjutning (η) (h)	Amplitud­dämpning (θ)
120 KL-trä	0,88	31	7,8	3,76
95 mineralull 120 KL-trä	0,32	38	10,7	23,8
95 mineralull 120 KL-trä 50 mineralull 15 gipsskiva	0,22	48	16,3	60,8

 

Dimensionering mot kondens

Ytterväggen har som uppgift att hålla en temperaturdifferens mellan inneluften och uteluften. Klimatskärmen utsätts för stora klimatvariationer vilket gör att fukttillståndet kommer att variera och med ökande isoleringstjocklekar ökar även risken för kondens inne i konstruktionerna. Bedömning med hänsyn till risk för skadlig kondens inuti en konstruktion kan göras med hjälp av anpassade fuktberäkningsprogram. En konstruktion kan anses uppfylla kraven om kondens inte inträffar, eller om kondenserad vattenmängd kan föras bort över tid. Alternativt att mängden kondenserad fukt är så ringa i förhållande till materialets förmåga att lagra kondenserad fukt tills fukten kan avdunsta, att inga skador kan väntas uppstå. En massiv trästomme har stor förmåga att lagra fukt. Ytfuktkvoten i trämaterialet bör därvid understiga 18 % vid inbyggnad för att förhindra mikrobiell påväxt.

För att undvika diffusion genom en vägg- eller takkonstruktion används vanligtvis någon form av ångspärr eller -broms. KL-träskivor utförda med minst fem brädskikt och skivtjocklekar större än 70 mm kan i många fall fungera som ångbroms och innebära att ytterligare skikt inte behövs för att förhindra diffusion genom konstruktionen. Det är dock beroende av hur KL-träskivorna tillverkas och ställer även krav på att anslutningar mellan till exempel bjälklag och vägg eller vägg och vägg kan utföras på sådant sätt att erforderlig lufttäthet uppnås. Luftrörelser i springor och andra otätheter ger dock koncentrationer av fukt och en åldersbeständig folie eller likvärdigt material spelar där en viktig roll för att säkerställa väggens lufttäthet.

Bild 1. Kontorsmiljö, Älta.

Bild 2. Paviljong med krökta KL-träelement, Österrike.

För mer information se Byggfysik, Värmeisolering och lufttäthet.

Temperaturrörelser

Träets värmeutvidgningskoefficient är förhållandevis liten. Den har ringa betydelse vid temperaturer över 0°C, därför att rörelserna orsakade av ändringar i fuktkvot är helt dominerande. Vid temperaturer under 0°C kan olikheter i temperatur på olika djup i virket orsaka spänningar som kan ge sprickbildning, till exempel frostskador på växande träd. Värmeutvidgningskoefficienten hos furu och gran parallellt fiberriktningen är cirka 0,4-0,5x10^-5 och vinkelrätt fiberriktningen 3,4-5,8x10^-5. Eurokod 1, SS-EN 1991-1-5, ger linjära längdutvidgningskoefficienter som kan användas vid bestämning av lasteffekter orsakade av temperatur. För trä är de 5-x10^-6/°C längs fibrerna och 30-70.x10^-6/°C vinkelrätt fibrerna.