Hyvin eristetyt rakennukset vähentävät lämmitystarvetta, mutta ne voivat myös lisätä ylikuumenemisen
ja epätasaisen sisälämpötilan riskiä. Samalla paikallisesti tuotettu aurinkoenergia
on usein saatavilla silloin, kun rakennuksella ei ole sille käyttöä. Tutkimuksessa selvitettiin,
voiko faasimuuttuvan materiaalin (PCM):n lämpövarasto yhdistettynä aurinkoenergiaan parantaa
sekä sisäilman lämpömukavuutta että paikallisesti tuotetun uusiutuvan energian käyttöä.
Tutkimus osoitti, että aurinkoenergian yhdistäminen PCM-lämpövarastoon voi merkittävästi
lisätä paikallisesti tuotetun aurinkoenergian suoraa käyttöä ja vähentää sähkön ostoa verkosta.
PCM voi vähentää nopeita sisälämpötilan vaihteluita ja alentaa huippulämpötiloja, mikä voi
parantaa koettua lämpömukavuutta ja vähentää mekaanisen jäähdytyksen tarvetta hyvin eristetyissä
rakennuksissa.
Kylmän ilmaston tapaustutkimus paransi lämpömukavuutta ja lisäsi paikallisen
energian käyttöä
Tutkimus toteutettiin Norjan teknis-luonnontieteellisen yliopiston (NTNU) Zero Energy Building
(ZEB) Living Lab -koeasunnossa Trondheimissa, Norjassa. Tutkimuksen tavoitteena oli
selvittää aurinko- ja PCM-järjestelmän yhdistelmän suorituskykyä. Aurinkokeräimet ja aurinkopaneelit
toimittivat lämpöä PCM-varastoon, joka puolestaan tuki rakennuksen lämpö-,
vesi-, ilmanvaihto-, ja sähkö- (LVIS-) järjestelmää. Tuloksia verrattiin validoituun perusmalliin.
Rakennuksen vaippaan integroitu PCM paransi pääasiassa lämpömukavuutta ja vähensi
ylikuumenemisriskiä. Seinien sisäpuolelle sijoitettu 75 mm:n PCM-kerros vähensi lämmityskuormaa
2,3 prosentilla. Vaikka parannus pelkän lämmitysenergian osalta oli vaatimaton, PCM voi
silti olla arvokas, koska se parantaa lämpötilan vakautta ja lämpömukavuutta. PCM:n kyky
ylläpitää sisäilman lämpömukavuutta ilman suuria muutoksia LVIS-järjestelmään ilmeni myös
lämpimimpinä simuloituina päivinä: PCM vakautti sisälämpötilaa ja piti huonelämpötilan 21
ja 23 asteen välillä sekä alensi huoneilman huippulämpötilaa enintään 6,2 astetta.
Lisäksi kuukausittaisissa energiansäästöissä havaittiin 42 prosentin parannus syksyllä. Talvella
PCM pysyi pääosin kiinteässä tilassa eikä siten voinut vaikuttaa energiansäästöön. Keväällä
kasvanut aurinkoenergian saatavuus käynnisti varaston latauskierron, joka päättyi kesällä, jolloin
aurinkopaneelit tuottivat selvästi enemmän energiaa kuin rakennus käytti. Aurinkoenergian
ja PCM-lämpövaraston yhdistäminen paransi energian omavaraisuutta lisäämällä vuotuista
omakäyttöastetta lähes 12 prosentilla. Tämä voi potentiaalisesti vähentää käyttökustannuksia
vähentämällä sähkön ostoa verkosta.
Varaston lämpötila-alue soveltuu pääosin vesikiertoisiin järjestelmiin, ja tulokset osoittivat,
että lämpötila nousi 72 asteen sulamislämpötilan yli vain 1,2 prosenttia ajasta. Optimaalisen
integroinnin ja parannetun järjestelmäsuorituskyvyn kannalta lataus- ja purkusyklien ohjaus on
tärkeämpää kuin varaston tilavuus.
Jatkotutkimuksessa tulisi yhdistää PCM-pohjainen lämmönhallinta ilmanvaihdon ohjaukseen
ja epäpuhtauksien poistoon, jotta energian joustavuus ja taloudelliset kompromissit eivät
vaaranna sisäilman laatua. PCM-lämpötilanhallinnan optimoinnin ja mukautuvien lataus- ja
purkusäätöstrategioiden, esimerkiksi säähän perustuvien latausaikataulujen, avulla lämpömukavuutta
ja energiatehokkuutta voitaisiin parantaa entisestään.
PCM-ratkaisujen käyttömahdollisuudet
Tulokset osoittavat, että PCM-ratkaisut voivat tukea sekä energiatehokkuutta että sisäympäristön
laatua kylmän ilmaston rakennuksissa. Aktiivinen PCM-lämpövarasto on erityisen lupaava
paikallisesti tuotetun aurinkoenergian käytön lisäämisessä, kun taas rakennuksen vaippaan integroitu
PCM voi vakauttaa sisälämpötiloja ja vähentää ylikuumenemista.
Lisätietoja tutkimuksesta on saatavilla Tampereella kesäkuussa 2026 järjestetyn Nordic Symposium
on Building Physics -konferenssin julkaisusta Maximising the Utilisation of Solar Power
for PCM-Integrated Buildings in Cold Climate Countries sekä julkaisuun perustuvasta suullisesta
esityksestä.
Teksti: Edoardo Scalera, Aalto University
Kuva: iStock
Teksti on käännetty alla olevasta tekoälyn avulla.
Sisäilmayhdistys ry on myöntänyt Edoardo Scaleralle matka-apurahan konferenssiosallistumiseen.
Phase-change material can increase solar self-use andreduce overheating in Nordic buildings
Highly insulated buildings reduce heating demand, but they can also increase the risk of overheating
and uneven indoor temperatures. At the same time, solar energy produced on site is
often available when the building does not need it. This study examined whether phase-change
material (PCM) thermal storage, combined with solar energy, can improve both indoor thermal
comfort and the use of locally produced renewable energy.
The study showed that combining solar energy with PCM thermal storage can substantially
increase the direct use of locally produced solar energy and reduce purchases of grid energy.
PCM can reduce rapid indoor temperature swings and lower peak temperatures, which may improve
perceived thermal comfort and reduce the need for mechanical cooling in highly insulated
buildings.
A case study in cold climate achieved better comfort and increased local energy
use
The investigation conducted at the Zero Energy Building (ZEB) Living Lab, a single-family
house at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) in Trondheim, Norway,
aimed at exploring system performance of a combined Solar-PCM system. Solar collectors and
solar panels supplied heat to the PCM, finally supporting the HVAC system and the results
were benchmarked against a validated baseline model.
PCM integrated in the building envelope mainly improved thermal comfort and reduced
overheating risk; a 75mm PCM layer within the walls’ interior achieved a 2.3% reduction in
heating load, a modest improvement for heating energy alone, but PCM can still be valuable
because it improves temperature stability and comfort. The potential of PCM in maintaining
indoor comfort, without necessarily requiring large changes to the HVAC system was demonstrated
even on the hottest simulated days: the PCM stabilized the indoor temperature and
kept the room temperature between 21 and 23°C and reducing the peak room air temperature
by up to 6.2°C.
In addition, a 42% improvement in monthly energy savings was observed during autumn,
while during winter, the PCM mostly remained in its solid state and could not contribute to
energy savings. In spring, increased solar availability started the charging cycle, fully completed
in the summer period, when the PV systems create a gross energy oversupply. Coupling solar
and the PCM thermal storage improved energy autonomy, by increasing by almost 12% the rate
of self-consumption annually, and could potentially reduce operating costs by reducing electricity
purchases from the grid.
The storage temperature range is broadly compatible with the hydronic systems, and results
showed that for only 1.2% of the time the temperature increased over the melting temperature
of 72°C. For optimal integration and improved system performance, charging and discharging
cycles control remain more important than tank volume.
Further investigation should focus on PCM-based thermal management with ventilation control
and pollutant removal, so that energy flexibility and economic trade-o! does not compromise
indoor air quality. Together with the optimisation of PCM temperature management and the
use adaptive charging-discharging control strategies (e.g., weather-based charging schedules),
greater improvements in thermal comfort and energy e”ciency could be achieved.
Opportunities for the use of PCM
The results indicate that PCM solutions can support both energy e”ciency and indoor environmental
quality in cold-climate buildings. Active PCM thermal storage is particularly promising
for increasing the use of locally generated solar energy, while PCM integrated into the building
envelope can stabilise indoor temperatures and reduce overheating.
More details on the study are set out in the conference publication of the Nordic Symposium
on Building Physics (Tampere, June 2026) Maximising the Utilisation of Solar Power for
PCM-Integrated Buildings in Cold Climate Countries and in an oral presentation based on the
publication.
Text: Edoardo Scalera, Aalto University
Photo: iStock
The Finnish Society of Indoor Air Quality and Climate has awarded Edoardo Scalera a travel grant to support his participation in the conference.