Rozwiązania techniczne w systemach kominowych w walce ze smogiem

STRESZCZENIE

Zanieczyszczenie powietrza stanowi duży problem w Polsce i na świecie, w szczególności w okresie grzewczym. Duża część zanieczyszczeń powstaje w wyniku eksploatacji urządzeń grzewczych. Taka sytuacja zmusiła producentów systemów kominowych do opracowywania nowych bardziej ekologicznych urządzeń i wyrobów. Często nowe rozwiązania w technice grzewczej i kominowej są następstwem realizacji prac badawczych. W artykule omówiono wpływ konstrukcji i wyposażenia komina na emisję zanieczyszczeń z instalacji grzewczych.

ABSTRACT

Air pollution is a big problem in Poland and worldwide, especially during the heating season. A significant proportion of the pollution comes from the operation of heating equipment. This situation forced the producers of chimney systems to develop new, more environmentally friendly devices and products. New solutions in heating and chimney technology are often a result of conducting research. The article discusses the impact the chimney structure and equipment have on the emission of pollutants from heating systems.

Smog – informacje podstawowe

Słownik na portalu www.ekologia.pl definiuje smog jako zjawisko atmosferyczne powstałe w wyniku wymieszania się powietrza z dymem i spalinami. Dalsza część definicji określa, że zjawisko to jest toksyczne i nienaturalne. Etymologia pojęcia „smog” wskazuje na połączenie słów smoke – dym, i fog – mgła [1].

Źródła emisji zanieczyszczeń powietrza

Zanieczyszczenia powietrza powstają w wyniku: procesów zachodzących w przemyśle, podczas eksploatacji pojazdów i eksploatacji urządzeń spalinowych, a także zagospodarowania odpadów. Zgodnie z przedstawionymi danymi [2] pochodzenie zanieczyszczeń (na przykładzie pyłów PM2,5, które stanowią jedną z najgroźniejszych dla zdrowia klasę zanieczyszczeń) jest następujące:

• procesy spalania poza przemysłem (głównie w gospodarstwach domowych) 53,0%;
• procesy spalania w sektorze produkcji i transformacji energii 10,8%;
• procesy spalania w przemyśle 8,3%;
• transport drogowy 7,9%;
• inne pojazdy i urządzenia 7,3%;
• procesy produkcyjne 6,2%;
• zagospodarowanie odpadów 4,7%.

Sposoby na zmniejszenie niskiej emisji pochodzącej z budynków mieszkalnych

Rozwój budownictwa pasywnego i ni- skoenergetycznego stanowi najlepszy kierunek prowadzący do zmniejszenia emisji zanieczyszczeń. Wynika to stąd, że energochłonność takich budynków jest niska. Im mniejsza energochłonność budynku, tym mniej potrzeba energii cieplnej do zapewnienia komfortu cieplnego. To z kolei przekłada się na zmniejszenie ilości zużywanego paliwa podczas ogrzewania pomieszczeń i dalej zmniejszenie ilości emitowanych szkodliwych substancji. Największy udział w emisji zanieczyszczeń mają starsze budynki, w których najczęściej stosowane są tradycyjne urządzenia grzewcze opalane paliwami stałymi.

W dużej części budynki te nie zostały jeszcze poddane termomodernizacji. Termomodernizacja budynków to kolejny sposób na zmniejszenie niskiej emisji, potwierdzają to informacje opisane w [3, 4]. Aby termomodernizacja budynku przyniosła oczekiwany efekt, wraz z jej wykonaniem powinno się zmodernizować instalację grzewczą a przede wszystkim wymienić urządzenia grzewcze na takie, które spełnią obecnie stawiane wymagania norm PN-EN 303-5 [5] i Ecodesign [6] pod kątem emisyjności i sprawności. Nowe urządzenia grzewcze powinny zostać właściwie dobrane pod kątem mocy grzewczej do budynku. Instalacja urządzenia o zbyt dużej lub zbyt małej mocy spowoduje wzrost emisyjności, gdyż nie będzie ono eksploatowane w zakresie optymalnych parametrów. Dodatkowo przewymiarowane urządzenia grzewcze często działają na bardzo niskich temperaturach, co powoduje niedopalanie opału i odkładanie się sadz smolistych. Odkładanie się tego typu sadz często prowadzi do pożaru i uszkodzenia komina. W tym miejscu należy także zaznaczyć, że w przypadku wymiany urządzenia grzewczego zakładany efekt ekologiczny może nie zostać osiągnięty, gdy konstrukcja komina nie zostanie dostosowana do nowego urządzenia grzewczego.

W dalszej części artykułu przedstawiona zostanie analiza wpływu systemu kominowego i jego wyposażenia na zmniejszenie emisyjności urządzenia grzewczego.

Rys. Przebieg procesu spalania w zależności od doboru średnicy komina do urządzeń grzewczych [8]

Wpływ średnicy i wyposażenia komina na emisyjność

Już w [7] wykazano, że na jakość spalania bardzo istotne znaczenie ma dobór odpowiedniej wielkości przewodu kominowego. W literaturze [8] zilustrowano w sposób graficzny wpływ przeprojektowanego komina i wpływ komina o zbyt małej powierzchni na proces spalania (rys.). Z przedstawionego wykresu widać, że przypadku gdy średnica komina będzie zbyt duża, to zwiększy się strata wylotowa. Powoduje to wzrost zanieczyszczenia powietrza. W przypadku zbyt małej średnicy przewodu kominowego występuje niepełne spalanie [8].

W artykule [9] opisano przebieg badań doświadczalnych finansowanych przez Cech Kominiarzy Polskich (Polska) i firmy: Jawar (Polska), Pipeeksperten AS (Norwegia) Almeva – partner Exodraft (Dania). Poprzez realizację eksperymentu uzasadniono informacje dotyczące konieczności dostosowania komina do urządzenia grzewczego, co opisano w pozycji [9].

Potwierdzono, że w celu uzyskania oczekiwanego efektu redukcji emisji zanieczyszczeń wymiana samego urządzenia grzewczego jest niewystarczająca. Niezbędne jest dostosowanie komina do urządzenia grzewczego i jego właściwe utrzymanie (czyszczenie). W tym celu wykonano wiele testów i analiz przez podłączenie urządzenia grzewczego: a) tradycyjnego i b) z tzw. czystym spalaniem do komina o: 1) zbyt wąskiej średnicy – symulującego komin nieczyszczony, 2) przewymiarowanej średnicy, 3) optymalnie dobranej średnicy i 4) optymalnie dobranej średnicy z płaszczem powietrznym – umożliwiającego dostarczanie podgrzanego od spalin powietrza do paleniska. Realizacja badań opisanych w artykule [9] pozwoliła uzyskać następujące wnioski:

• Sposób doprowadzenia powietrza potrzebnego do spalania ma wpływ na emisję zanieczyszczeń. Jeżeli powietrze doprowadzane jest do paleniska kominem i przy tym wstępnie ogrzane, to ilość emitowanych sadz się zmniejsza.
• Właściwy dobór średnicy komina ma wpływ na stężenie pyłów emitowanych wraz ze spalinami. W przypadku zbyt małych i zbyt dużych średnic przewodu kominowego stężenie pyłu wzrasta niezależnie od typu pieca używanego podczas badań.
• Badania wykazują, że nowoczesne piece o zmniejszonej emisyjności są bardzo wrażliwe na zmianę parametrów wentylacyjnych urządzenia. W efekcie udowodniono, że piec, który wg certyfikacji ma mniejszą emisyjność, po podłączeniu do za dużego lub za małego komina emitował więcej pyłów niż piec potocznie nazywany kopciuchem z dobrze dobranym kominem. Otrzymane wyniki pozwalają stwierdzić, że zastosowanie pieca spełniającego (wg PN-EN 303-5:2012) normy emisyjności klasy V nie gwarantuje redukcji emisji sadzy przy użyciu niewłaściwych systemów kominowych.
• Kopciuch podłączony do komina o optymalnej średnicy bez regulatorów emitował mniej zanieczyszczeń niż piec klasy V po podłączeniu do komina o zbyt małej, optymalnej lub zbyt dużej średnicy. Dopiero po doposażeniu paleniska w regulator ciągu (utrzymującego stałe ciśnienie w kominie) efekt z pieca nowoczesnego był bardziej zadowalający niż w przypadku kopciucha (fot.).

Fot. Regulator ciągu kominowego wykorzystany podczas cytowanych badań (fot. Jawar)

Podsumowanie

Postęp w technice kominowej w zdecydowanej części wynika z postępu w technice grzewczej. Na przestrzeni lat zmieniały się parametry spalin emitowanych z urządzeń grzewczych (skład chemiczny, temperatura, ciśnienie). W ślad za postępem w technice grzewczej, związanej m.in. z produkcją urządzeń na dotychczas niestosowane paliwa czy wyposażenie tych urządzeń w mechaniczne odprowadzanie spalin z kotła do komina, wprowadzano zmiany konstrukcyjne w kominach. Osoby z branży kominowej dostrzegają, że prowadzone prace badawcze dotyczące systemów kominowych w tej chwili wymuszają także wprowadzanie zmian w ofertach producentów urządzeń grzewczych (np. przystosowanie urządzeń do systemów powietrzno-spalinowych). Rangę prowadzonych prac badawczo-rozwojowych potwierdza zaangażowanie się Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w realizację zadania pt. „Badania nad opracowaniem systemu kominowego z odzyskiem ciepła w obudowie perlito-betonowej dedykowanego do urządzeń grzewczych na paliwa stałe”. Zadanie to realizuje firma Jawar przy współudziale pracowników z Wydziału Budownictwa i Architektury Politechniki Opolskiej. W ramach przedmiotowego projektu specjaliści realizują badania w celu zaprojektowania i wykonania systemu kominowego z odzyskiem ciepła w obudowie perlito-betonowej. Takie rozwiązanie nie było dotychczas znane. Projektowany system kominowy przeznaczony jest do urządzeń grzewczych na paliwa stałe. Wcześniej realizowane i cytowane w artykule wyniki badań pokazały, że zastosowanie systemu powietrznego w kominie przyczynia się do zmniejszenia smogu przez niską emisję pyłów. Główne aspekty badawcze ściśle związane z artykułem [9] to prace nad zwiększeniem sprawności odzysku ciepła w kominie (w tym przypadku komin pełni funkcję wymiennika ciepła) i poprawa szczelności gazowej obudowy komina. Cecha szczelności jest szczególnie istotna w domach pasywnych. W ramach badań opracowane zostaną także innowacyjne akcesoria (regulatory ciągu i nasady) mające wpływ na zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powstających podczas spalania. Podczas realizacji zadania poprawione zostaną także inne cechy dotyczące bezpieczeństwa komina. Problemy związane z zanieczyszczeniem powietrza zmuszają polski przemysł związany z ogrzewnictwem i systemami kominowymi do wprowadzania coraz nowszych i bardziej przyjaznych środowisku rozwiązań. W wyniku tego polskie firmy produkujące kominy wprowadzają innowacyjne na skalę światową rozwiązania kominów, które później często wdrażane są za granicą. Obecny postęp w technice grzewczej i kominowej wskazuje na zmiany charakteru konstrukcji kominów. W przyszłości kominy nie będą wykonywane raz w ciągu całego życia budynku. Projekty budowlane powinny zatem uwzględniać możliwość ich wymiany. Komin będzie elementem konstrukcyjnym niezwiązanym na stałe z budynkiem. Umożliwi to jego wymianę bez ingerencji w elementy konstrukcji. Podsumowując, należy zwrócić uwagę, że stosowanie nowoczesnych kominów nie zwalnia użytkowników z ich prawidłowej eksploatacji. Niezbędne jest ich właściwe utrzymanie (czyszczenie) i kontrola. Podkreślić należy także negatywny wpływ zawężenia przewodu (np. na skutek odkładających się osadów) na pracę systemu grzewczego. Skutkuje to wzrostem emisji i niebezpieczeństwem powstania pożaru.

dr inż. Krzysztof Drożdżol

Wydział Budownictwa i Architektury Politechnika Opolska

Literatura

1. www.ekologia.pl.
2. https://czasnaczystepowietrze.pl.
3. Termomodernizacja w walce ze smogiem, „IB” nr 5/2018.
4. http://www.inzynierbudownictwa.pl/biznes,raporty,artykul,na_termomodernizacje_potrzeba_200_mld_zl,10929.
5. PN-EN 303-5:2012 Kotły grzewcze – Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW – Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
6. Ecodesign rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla kotłów na paliwo stałe.
7. K. Drożdżol, Postęp w technice kominowej w odniesieniu do ochrony środowiska, http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,postep_w_technice_kominowej_w_odniesieniu_do_ochrony_srodowiska,9839.
8. P. Cembala, Z. Tałach, Nowoczesne systemy odprowadzania spalin z instalacji spalania paliw stałych malej mocy, materiały konferencyjne „Paliwa stałe w programach PONE w świetle tzw. ustawy antysmogowej”, Stowarzyszenie Kominy Polskie.
9. K. Drożdżol, P. Jarzyński, Impact of chimney on low emission, MATEC Web Conf. Volume 174, 2018, 3rd Scientific Conference Environ- mental Challenges in Civil Engineering (ECCE 2018), https://doi.org/10.1051/matecconf/201817401023.