Tutkimus: Korkea kiuas jättää varpaat kylmäksi!

Toteutimme Narvin kanssa pilottitutkimuksen löylyn lain paikkansa pitävyydestä syksyllä 2019. Vertailimme erikorkuisia sähkökiukaita samassa teholuokassa selvittääksemme miten kivipinna korkeus vaikuttaa saunan lämpiämiseen. Selvisi, että löylyn laki pätee umpikylkisiin kiukaisiin, mutta verkkokiuas lämmittääkin saunaa paremmin kuin laki ennustaa!

---

Kansatieteilijä Sakari Pälsin (Sauna, 1961. Otava) lanseeraama löylyn laki on eräs suomalaisen saunan suunnittelun kansaperinteen eläviä myytti. Niin sanotun ensimmäisen löylyn lain mukaan löylyhuone on toteutettava niin, että saunoja jää jalkapohjiaan myöten kiuaskivien yläpuolelle. Muuten vaarana ovat napalöylyt, tai mikä pahempaa, hartialöylyt, varpaiden kipristellessä kylmyydessä (laista hieman lisää artikkelissa lauteiden mitoitus ).

Löylyn lain peruste on lämpimän ilman kerrostuminen. Lämmin sekä kostea ilma nousee ylöspäin. Tästä aiheutuu esimerkiksi saunatilassa suuria lämpötilaeroja katon ja lattian välille. Löylyä ei  kylmempiin osiin saada.

Olen kirjassani käsitellyt tätä asiaa perinpohjaisemmin ja tullut siihen tulokseen, että löylyn laki on kokemusperäisen tiedon perusteella erityisesti painovoimaisen ilmanvaihdon saunoissa hyödyllinen yleistys (kts. Saunatutkimusklassikko: kiukaan korkeuden merkitys). On kuitenkin selvää, ettei se päde sellaisenaan koneellisen ilmanvaihdon saunoissa (kts. VTT tutkimus alla) tai edes painovoimaisissa kohteissa, joissa lämmitys jatkuu pitkään.

• 1965-Aikas-Saunan_lampotilat_kiuaskorkeudet-Sauna-Saunologia
• http://www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/1992/T1431.pdf

On myös kiuastyyppejä, kuten Saunasammon puhaltimelliset kiukaat, joissa tapahtuva voimistettu ilmankierto eli konvektiolämmitys voi vaikuttaa tilanteeseen. Tähän on virossa kehitetty jopa erillinen lisälaitteensa, nimeltään Saunum. Kotimaassa Sydän-kiukaan valmistaja myös väittää tuotteessa olevan lämmönvaihtimen muuttavan tasapainoa. Näistä väitteistä ei kuitenkaan ole selvyyttä, sillä varsinaisia tutkimuksia tuotteista ei ole julkaistu.

Myöskään löylyn laista ei ole koskaan tehty suoria tutkimuksia siinä mielessä kuin se edellyttäisi löylyhuoneen lämpötilajakauman seuraamista erilaisten kiuaskorkeuksien suhteen. Tämä on vaivannut minua pitkään, joten päätin ottaa härkää sarvista.

Toteutimme Saunologian kumppani Narvin kanssa syksyllä 2019 pienen koesarjan Narvin tuotekehityslaboratoriossa. Laboratoriossa on mahdollista seurata tarkasti saunan lämpenemistä eri tavoin. Tutkimuksessa haluttiin selvittää saman teholuokkaan kuuluvien sähkökiukaiden muotoseikkojen (korkeus ja avoimuus) vaikutusta löylyhuoneen lämpiämiseen.

Tutkimus on luonteeltaan kokeilu, johon valittiin mukaan todellisia, tavallisia sähkökiukaita. Kysymyksessä ei ole tieteellisen tarkka testaus löylyn laista, mutta hallituissa olosuhteissa suoritettuna sen pitäisi kertoa jotain ”oikeiden” kiukaiden potentiaalisista eroista.

Miten tutkittiin: tutkimusasetelma

Tutkimus toteutettiin 8,5 m3 kokoisessa laboratoriotilassa. Siinä on painovoimainen, vaatimaton ilmanvaihto: poistoilma-aukko (n. 100 mm halkaisija) katon rajassa kiukaan vastakkaisella seinällä ja raittiin ilman tulo lattian rajassa. Kevyesti eristetty tila on sisäpuolelta käsittelemätöntä vaneria lattiasta kattoon. Laboratoriossa on peruslämmityksenä n. 20 asteen lämpötila.

Laboratorioon tuotiin erillisinä päivinä testilämmitystä varten kolme kiuasta noin viikon aikana:

• Narvi NC Electric 6 kW seinäkiuas , 58 cm korkea, asennettuna korkeus 65 cm, 25 kg kiviä. Suojaetäisyys 5/8 cm (sivulle/eteen)
• Narvi Style 6,8 kW lattiakiuas, 100 cm, 60 kg kiviä. Suojaetäisyys, 5/5 cm
• Narvi (ent. Kota) Saana 6,8 kW lattiakiuas, 90 cm, 80 kg kiviä. Suojaetäisyys, 12/12 cm

Kiukaat on tarkoitettu keskenään samankokoisiin tiloihin, mutta niiden tehot vaihtelevat hieman. Kivimäärä on Saanassa yli kaksinkertainen NC:hen nähden. Ensimmäisessä kokeilussa seinäkiuasta käytettiin käyttöohjeiden vastaisesti ilman kiviä sillä ajatuksella, että kivien ladonnan vaikutus poistettaisiin. Tästä aiheutui kuitenkin ongelmia suojaamattoman vaneriseinän kuumentuessa suorasta lämpösäteilystä aivan liikaa.

Kiukaat ladottiin varsinaisissa testeissä täyteen normaalikokoisia luonnonkiviä. Tämän jälkeen aloitettiin vähintään kahden tunnin mittainen lämmitysjakso oven pysyessä kiinni. Löylyä ei heitetty. Termostaatti oli pois toiminnasta, eli sauna sai lämmitä vapaasti täydellä teholla.

Mittaukset suoritettiin yksinkertaisilla termistoreilla, jotka kiinnitettiin samalla pystysuuntaiselle linjalle noin 1,2 metrin päähän kiukaasta (kattoperspektiivistä katsottuna). Anturit sijoitettiin 40 cm välein katosta alaspäin aina -160 cm katosta tasolle asti. Kattosensori oli muista poiketen keskellä saunaa, n. 30 cm katosta alaspäin. Tietokoneohjelma rekisteröi anturien lämpötilan minuutin välein.

Hypoteesit

Jos jalka- ja istuinlauteelle lasketaan 45 cm ja istuinlauteelta kattoon niukka 105 cm eli yhteensä 150 cm, pitäisi kiukaan yläreunan olla 50 cm korkeudella. Löylyn lain perusteella ainoastaan matala NC-kiuas kelpaisi lämmittämään laboratoriotilaa. NC:kin ylittää suosituksen kymmenellä sentillä, muut reilusti enemmän. Koska laboratoriossa ei edes ole lauteita, jätetään tämä kauneusvirhe huomioimatta ja keskitytään lämpötilajakaumien mahdollisiin eroihin. Lämpötilajakauman pitäisi olla tasainen katosta vähintään pisteen -120cm, mielellään jopa -160cm pisteen tasolle asti.

Odotukseni oli, että lämpötilaeroja kiukaiden välillä syntyisi pisteissä -80 ja -120 cm, jotka vastaavat suunnilleen korkeimman Style-kiukaan ja matalimman NC-kiukaan kivipinnan korkeuksia. Korkean verkkokiukaan, Saanan, oletin käyttäytyvän lähes samalla tavoin kuin Stylen.

Mitä havaittiin? Tutkimustulokset

Kaikki kiukaat lämmittivät saunaa odotetusti. Löylyhuoneen lämpötila kohosi tunnissa n. 65-70 asteeseen katon pisteessä ja saavutti kahdessa tunnissa yli 85 asteen lämpötilan kaikilla kiukailla.

Kiinnostavinta on kuitenkin se, miten sauna lämpeni sisäkaton alapuolisissa osissa. Tässä kiukaiden välille muodostui selkeitä eroja. Erot olivat osittain odotetun kaltaisia ja löylyn lain mukaisia.

Klikkaa kuvia avataksesi suuremman kuvaajan:

Ensinnäkin kiukaiden välillä ei ollut juurikaan eroja siinä, miten katon ja mittauspisteen -40 cm lämpötila kehittyi. Tämä oli odotettua. Sen sijaan tasoilla -80 ja -120 cm erot olivat näkyviä. Korkea, suljettu pilarikiuas Style lämmitti 80 cm katosta (eli 20 cm kiukaan kivipinnan yläpuolelta) laskeuduttaessa jo olennaisesti heikommin. Lämpötilaero kattoon oli 36 astetta, -40 cm pisteeseen 26 astetta. Matalan seinäkiukaan kohdalla ero oli -80cm pisteeseen 24 astetta, -40 cm pisteeseen vain 14.

Hämmästyttävin tulos koski kuitenkin korkeaa, mutta avointa Saana kiuasta. Suureksi yllätykseksi se tuotti testitilassa pienimmät lämpötilaerot mittauspisteiden välille!

Saanan tuloksissa ei ole eroa matalaan NC-seinäkiukaaseen -40 cm tai -80 cm pisteissä, mutta -120 cm ja erityisesti -160 cm tasoilla lämpötilaerot ovat jopa 15 astetta pienempiä Saanan eduksi!

Johtopäätöksiä: valitse saunasi mittasuhteisiin sopiva (verkko)kiuas

Tässä tutkimuksessa käytetty aikajakso sekä testiyksilöt valittiin sillä perusteella, että ne edustavat sekä tavanomaisia käyttöaikoja että yleisesti käytettyjä kiukaita yksityistalouksissa. Johtopäätökset ovat selvät.

Jos saunasi on matala, ei kannata änkeä sinne korkeaa umpinaista kiuasta. Ylipäänsä näin matalaa (2m) saunaa ei kannata rakentaa, jos sitä voi välttää, koska mikään ainakaan tässä testatuista kiukaista ei lämmitä tilaa tasaisesti edes oman kivirajansa yläpuolelta.

Narvin sähkökiukaista NC:n lisäksi Minex ja Slim ovat tässä suhteessa suositeltavimpia valintoja pieniin, esimerkiksi 220 cm korkuiseen saunaan. Näiden lisäksi Saana, pieni pilarikiuas, vaikuttaisi soveltuvan yllättävän hyvin pieniin tiloihin korkeudestaan huolimatta. Narvin valikoimissa on myös monia muita sähköisiä verkkokiukaita, kuten Softy, Smooth ja Velvet Electric.

Style edusti testissä korkeaa pilarikiuasta. Tulosten ja odotusten perusteella se vaatisi tästä suhteessa huomattavasti korkeamman tilan (jopa 260 cm) – tai erilaisen ilmanvaihdon tuottaakseen sopivan lämpötilajakauman ja riittävän korkea löylytaskun.

Testin erilaisten rajoitteiden vuoksi (näistä lisää lopussa)  tuloksiin on suhtauduttava varauksella. Eri korkuisissa tiloissa testaaminen ja lisätoistot myös muunmerkkisillä kiukailla vahvistaisivat havaintoja. Toisaalta sähkökiukaiden erittäin yksinkertaisen rakenteen vuoksi uskon näidenkin havaintojen antavan käsitystä myös muunmerkkisten, vastaavien kiukaiden toiminnasta.

Löylyn lain muutos valmisteluun

Tämän alustavan tutkimuksen havainnot viittaavat siihen, ettei löylyn lakiin ole sellaisenaan luottamista. Se vaikuttaa sekä liian optimistiselle että harhaanjohtavalle ohjesäännölle saunan lämpiämisestä. Tämä ei tosin tule varmaan monellekaan harrastajalle yllätyksenä, sillä esimerkiksi Kansainvälisen savusaunaklubin suosituksiin kuuluu jalkalaudetason nostaminen kymmenisen senttiä kivipinnan yläpuolelle.

Tekniset ratkaisut voivat myös vaikuttaa ilman kerrostumiseen. Näistä radikaaleimpana esimerkkinä olen raportoinut Invalidiliiton kiertoilmasaunasta, jossa ilmankierrätyksen ansiosta lämpötila on lattiasta kattoon hyvin tasainen. Aiemmin mainittu Saunum tähtää samaan hieman kompaktimmalla kiuasmaisella ratkaisulla, jossa ilma kiertää myös koneellisesti.

Itselleni kiinnostavin havainta oli huomata korkean verkkokiukaan muista poikkeava käyttäytyminen. Kukaan ei voi tosin tämän perusteella väittää verkkokiukaidenkaan lämmittävän huonetta tasaisesti lattiasta kattoon. Toisaalta ainakin asennuksessa, jossa kiuasta ei ole integroitu lauteisiin, voi tämän tutkimuksen perusteella lopputulos olla paljon parempi kuin mitä löylyn lain ja kiukaan korkeuden perusteella voisi olettaa.

Löylyn laki pitäisi siis rukata uusiksi. Tässä ehdotus. Löylyn lain luenta Liikkasen mukaan:

Saunojan on mahduttava kokonaisuudessaan löylytaskuun. Jos löylyhuonetta lämmitetään kiinteäkylkisellä kiukaalla, muodostuu löylytasku eli suhteellisen tasalämpöinen osa huonetilaa parikymmentä senttiä kiukaasta avautuvan kivipinnan yläpuolelle.

Tämä olkoon saunologin tulkinta Pälsin leikkimielisestä suunnitteluohjeesta. Tämäkin vaatisi vielä lisää tutkimusta siitä, miten löylytasku todellisuudessa käyttäytyy erilaisissa löylyhuoneissa ja esimerkiksi erilaisten ilmavirtausten vaikutuksesta. Koneellisen ilmanvaihdon tiedetään tutkimusten perusteella vaikuttavan asiaan merkittäväksi.

Pälsi vastaan verkkokiuas

Jos pohditaan mistä Pälsi alun perin päätyi tähän tulkintaan, niin on ensinnäkin selvää, ettei laki koskaan tukenut mikään tieteellisen tarkka empiirinen tutkimus vaan saunaharrastajan henkilökohtaiset havainnot. Fyysikko tai insinööri Pälsi ei ollut, vaan arkeologian ja kansatieteen arvostettu tutkija, ei mikään saunologi (joka oli Pälsille enemmänkin haukkumasana).

Lähinnä 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla vaikuttanut Pälsi kohtasi Suomessa lähinnä erilaisia kertalämmitteisiä ulossavuavia kiukaita, pönttöjä ja muurattuja kiukaita. Uskon Pälsin pettymysten korkeiden löylyluukkujen vaikutuksiin löylyhuoneen tasalämpöisyydelle olleen niistä peräisin. En usko Pälsin kritiikin kummunneen verkkokiukaiden tapaisista savusaunojen rauniokiukaista, joiden käyttäytyminen muistuttanee enemmän verkkokiuasta ja joita tavattiin itäsuomalaisissa, matalissa savusaunoissa.

Mistä verkkokiukaan poikkeava toiminta sitten johtuu? Tässä nähtyä alustavaa tulosta voisi selittää monin tavoin. Painotan kuitenkin heti alkuunsa, ettei verkkokiuas ole laadullisesti eri kategoriassa kuin tiiviskylkinen kiuas, jos sitä verrataan esimerkiksi kiertoilmasaunassa koettavaan tasalämpöisyyteen. Se on kuitenkin olennaisesti parempi kuin yhtä korkea suljettu pilari.

Selittävä tekijä voisi olla esimerkiksi laajempi säteilyenergian luovuttama pinta-ala. Kiukaiden kylkien lämpötiloja ei mitattu, mutta turvaetäisyyksistä voi päätellä jotain siitä, miten paljon ne lämpenevät. Pilarissa huippulämmöt ovat pintakivissä, mutta kuumaa pintaa on alempanakin ja turvaetäisyydet suurempia. Tällöin pinta säteilee ja lämmittää ainakin löylyhuoneen lähimpiä seiniä. Riittääkö tämä selitykseksi – en osaa sanoa.

Löylyhuoneen lämpiämisen fysiikka ansaitsee lisää tutkimusta

Jatkotutkimuksia ajatellen tässä pilottitutkimuksessa on runsaasti parantamista. Ensinnäkin tutkimuskohteena oleva kiuas pitäisi määritellä nykyistä tarkemmin. Tässä saatiin makua siitä, että kiukaan korkeuden lisäksi kiuastyypillä on väliä. Jos halutaan tutkia vain kivipinnan korkeutta, voitaisiin käyttää eri korkeuksille asennettavaa seinäkiuasta tai lattiakiuasta, joka nostetaan jalustalla eri korkeuksille. Olisi ideaalista, että kiuas pysyy mahdollisimman samankaltaisena tehoa, kivimäärää ja ladontaa myöden. Keraamiset kivet auttaisivat ladonnassa.

Vaikutusten mittaamista voisi myös parantaa. Ensisijaisesti haluaisin huoneeseen useamman mittauspaikan eri seinille. Anturien määrä per seinä voisi olla suurempi, mutta se ei mielestäni ollut suurin rajoite tässä tutkimuksessa. Olisi hyvä mitata myös kiukaan kivitilan lämpötila, joka nyt epähuomiossa jäi pois. Style-kiukaassa kivien lämpötila oli oletettavasti jonkin verran suurempi kuin muissa, vaatimattomamman huonelämpötilan vastapainona. Kivien lämmön pitäisi pysyä samana korkeudesta riippumatta. Ilmanvaihdon tason mittaaminen ja vakioiminen olisi hyvä lisä kontrolloituihin olosuhteisiin.

Mittausjaksoa olisi myös hyvä jatkaa kahdesta kahdeksaan tuntiin, jotta voitaisiin nähdä miten lämpötilajakauma kehittyy ajan mittaan. Omien kokemusteni sekä fysiikan lakien mukaan lämpötilaerot pidemmän päälle tasoittuvat, mutta ei kahdessa tunnissa.

Suuresti toivoisin tällaisen yksinkertaisen kuuloisen asian ratkeavan myös simulaatiotutkimuksella, jolloin tästä kiukaiden kanssa näpertelystä päästäisiin kokonaan eroon. Suomessa hetken aikaa opiskellut ranskalainen insinööri Corentin Macqueron on tietääkseni ainoa saunan lämpökäyttäytymisen mallintamisesta innostunut, nykyaikaisilla välineillä asiaan paneutunut ihminen.

Corentin teki pyynnöstäni pari vuotta sitten FDS-ohjelmistolla mallinnuksen kiukaan korkeuden vaikutuksesta. Mallissa oli tiettyjä ongelmia, mutta paras yritys näkyy alla. Siinä kerrostumisen erot täysin identtisillä, mutta eri korkeudella olevilla puukiukailla ovat räikeitä. Katon lämpötila on myös kohonnut yli 150 asteeseen.

Saunologilla ei muuta sanottavaa. Heittäkää vettä ja tukekaa saunatutkimusta.

Kiitos Narvi Oy ja tuotantopäällikkö Manu Nummelalle testin käytännön toteutuksesta.