Systemy ogrzewania powietrznego zintegrowane z kominkami jako źródło zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego

Kominki zyskały w ostatnich latach bardzo dużą popularność. Tworzą przyjemną atmosferę i uważane są za tanie w eksploatacji źródło ciepła. Stosowane są zwykle jako alternatywa dla konwencjonalnego systemu centralnego ogrzewania, rzadziej także do przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Kominki i inne podobne urządzenia, jak piece wolnostojące, są jednak źródłem szkodliwych zanieczyszczeń do powietrza zewnętrznego. W zależności od sposobu działania urządzenia grzewczego, jego przygotowania i konserwacji oprócz dwutlenku i tlenku węgla uwalnia się wiele innych produktów spalania. Należą do nich pyły, aldehydy, tlenki azotu oraz węglowodory aromatyczne [1–4]. Część z emitowanych zanieczyszczeń jest wysoce toksyczna dla organizmu ludzkiego.

Kominki oraz piece wolnostojące są również uważane za potencjalne źródło zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego. W trakcie badań przeprowadzonych w Danii stężenie pyłów o średnicy mniejszej niż 0,1 µm w pomieszczeniu wzrastało jedynie podczas otwierania drzwiczek pieca wolnostojącego [5].

Do podobnych wniosków doszli naukowcy niemieccy [6] – otwieranie drzwiczek od wkładu kominkowego powodowało wzrost stężenia pyłu oraz bezno[a]pirenu.

Badacze nie zaobserwowali istotnego wpływu pracy kominka na stężenie dwutlenku węgla, tlenku węgla, tlenków azotu oraz sumaryczne stężenie lotnych związków organicznych. Co ciekawe, wzrosty stężenia benzenu w powietrzu wewnętrznym odnotowano podczas używania oferowanej na rynku podpałki do rozpalania ognia.

Badano także relacje między chorobami układu oddechowego a obecnością pieca wolnostojącego lub kominka w Kanadzie [7].

Z kolei według badaczy z USA wymiana starych pieców wolnostojących na nowe, szczelniejsze w ramach programu prowadzonego w latach 2005–2007 spowodowała ponad 70-procentowe obniżenie średniego dziennego stężenia pyłu PM2,5 w powietrzu wewnętrznym [8].

Wymienione powyżej publikacje wskazują, że istotną rolę w emisji zanieczyszczeń do powietrza wewnętrznego może odgrywać szczelność wkładu kominkowego. Zanieczyszczenia pochodzące z procesu spalania przedostają się do pomieszczeń głównie podczas operacji związanych z obsługą, np. rozpalaniem i dokładaniem drewna.

Szacuje się, że w Polsce znajduje się ponad 5 mln domów jednorodzinnych, z czego jedna czwarta wyposażona jest w kominek bądź piec wolnostojący [9].

Na Dolnym Śląsku większość kominków wykonywanych jest obecnie w konstrukcji przedstawionej na rys. 1.

Ogrzewanie pomieszczenia, w którym znajduje się kominek, następuje poprzez podgrzanie powietrza, które omywa wkład kominkowy znajdujący się wewnątrz obudowy. Powietrze dostaje się do komory grzewczej kratką dolotową i przedostaje do pomieszczenia kratką wylotową. Skutkiem takiego przepływu powietrza jest pył (kurz) szybko gromadzący się niemal na całej powierzchni wkładu kominkowego i przewodu kominowego (rys. 2).

Pył, na który oddziałują wysokie temperatury wkładu kominkowego, przekraczające nawet 400°C [10], może być źródłem zanieczyszczeń do powietrza wewnętrznego, takich jak amoniak i inne gazy działające drażniąco na drogi oddechowe [11]. Problem ten jest znany szczególnie w ogrzewnictwie – w niektórych rodzajach budynków, np. szpitalach, stosuje się grzejniki, które można bardzo łatwo wyczyścić.

Pył spiekający się na zewnętrznej powierzchni wkładu kominkowego może być kolejnym źródłem zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego. Autor artykułu nie znalazł w literaturze naukowej informacji na temat badań tego zjawiska.

Czytaj też: Nieszablonowe rozwiązanie z kominkiem >>>

Pomiary emisji do powietrza wewnętrznego

W celu zbadania problemu zaplanowano eksperyment przedstawiony na rys. 3. Doświadczenie oparto na hipotezie, że wraz z rozpalaniem w kominku i wzrostem temperatury wkładu kominkowego stężenie zanieczyszczeń emitowanych wskutek spiekania się kurzu będzie rosło. Natomiast obniżać się będzie w związku z wygasaniem ognia we wkładzie kominkowym i spadkiem temperatury powietrza wewnątrz obudowy.Założono, że emitowanymi zanieczyszczeniami będą amoniak i inne lotne związki organiczne.

Do pomiaru zanieczyszczeń użyto detektora fotojonizacyjnego (ang. photo-ionization detector, PID) wyposażonego w lampę 10,6 eV

Detektor PID szeroko używany jest do pomiaru lotnych związków organicznych w badaniach jakości powietrza wewnętrznego [12]. Przyrząd cechuje się małymi wymiarami i bardzo cichą pracą. Z punktu widzenia eksperymentu były to bardzo istotne atrybuty, ponieważ pomiary wykonywane były podczas obecności i normalnego funkcjonowania użytkowników badanych obiektów.

PID jest detektorem nieselektywnym. Oferuje wynik pomiaru w postaci sumarycznego stężenia lotnych związków organicznych. Ze względu na wstępny charakter badań informację o charakterze ilościowym uznano za wystarczającą.

Zdecydowano, że powietrze pod względem LZO będzie badane przy jednej z kratek wylotowych. W związku z napotkanymi trudnościami przy pomiarze temperatury powierzchni wkładu kominkowego, wynikającymi z ograniczonego dostępu do wnętrza obudowy kominka, zdecydowano się na pomiar temperatury powietrza wewnątrz komory.

Założono, że temperatura powietrza powinna się zmieniać podobnie jak temperatura wkładu kominkowego.

Pomiar temperatury powietrza wewnątrz obudowy przeprowadzono trzema termoparami typu K na trzech wysokościach (rys. 3):

a) w pobliżu wkładu kominkowego,

b) w połowie odległości między wkładem kominkowym a kratką wylotową,

c) przy kratce wylotowej.

Równolegle wykonano pomiar innych parametrów powietrza w pomieszczeniu:

• temperatury,
• wilgotności względnej,
• stężenia tlenku węgla,
• stężenia dwutlenku węgla.

Podczas pomiarów zapisywano zdarzenia związane z aktywnością mieszkańców mogące wpłynąć na wyżej wymienione parametry.

Pomiary przeprowadzono na dwóch kominkach w okresie grzewczym na przełomie 2016 i 2017 roku:

• kominek A znajdował się w salonie domu jednorodzinnego,
• kominek B w salonie mieszkania znajdującego się w zabytkowej kamienicy.

Kominki A i B wyposażono w trzy kratki wylotowe, a funkcję kratki dolotowej spełniała nisza znajdująca się pod wkładem kominkowym.

• W obu przypadkach niezbędne do spalania powietrze z zewnątrz dostarczane było osobnym kanałem wentylacyjnym.
• Kominek A użytkowany był przez cztery sezony grzewcze, a kominek B przez dziesięć sezonów.
• Kominki nigdy nie były czyszczone wewnątrz, przez co na wkładzie i przewodzie kominowym zebrała się warstwa kurzu (rys. 4 i rys. 5).
• Kominek B wyposażony był w instalację rozprowadzającą ciepłe powietrze z komory do innych pomieszczeń.
• Podczas badań instalacja nie była używana. Wentylacja domu jednorodzinnego oraz mieszkania odbywała się poprzez otwieranie okien oraz wentylację grawitacyjną wywiewną.
• Obiekty były wyposażone w nowe szczelne okna z opcją mikrouchyłu, bez nawietrzaków.

Uzyskano zgodę właścicieli kominków na łącznie cztery sesje pomiarowe:

• trzy sesje na kominku A,
• jedną sesję na kominku B.

Każda trwała ok. 20 godzin.

Pomiary rozpoczynane były w godzinach od 11:00 do 13:00, przed rozpaleniem w kominku, i kończyły się następnego dnia w godzinach porannych (7:00–9:00).

Każda sesja pomiarowa rozpoczynana była kalibracją detektora fotojonizacyjnego.

Podczas pierwszej sesji pomiarowej zaplanowano zbadanie temperatury powietrza panującej w kominku A. Przekraczała ona zakres pracy detektora fotojonizacyjnego (rys. 6).

W celu rozwiązania problemu zdecydowano, że próbka gazu do detektora fotojonizacyjnego będzie pobierana przez przewód teflonowy. Dzięki temu wychładzała się do wartości temperatury powietrza w pomieszczeniu i plasowała w zakresie temperatur pracy detektora.

Następnie przeprowadzono dwie kolejne sesje na kominku A, podczas których mierzono już wszystkie zaplanowane parametry powietrza.

Ostatnią sesję wykonano na kominku B. Odstęp między sesjami wynosił od 1 do 2 tygodni.

Czytaj też: Wspomaganie projektowania instalacji grzewczych z akumulacyjnymi wymiennikami ciepła >>>

Wyniki badań i dyskusja

W ramach badań przeprowadzono trzy sesje pomiarowe, podczas których mierzone były wszystkie zaplanowane parametry powietrza.

Niestety, na potrzeby analizy dane z pierwszej pełnej sesji pomiarowej musiały zostać odrzucone.

Badania odbywały się podczas normalnego użytkowania pomieszczenia, w którym spożywano w tym czasie posiłki, a nawet wietrzono, często bez kontroli prowadzącego pomiary. Miało to bardzo duży wpływ na uzyskane wyniki pomiarów, szczególnie z detektora PID, i uniemożliwiało ich interpretację.

Po wyeliminowaniu niekontrolowanych czynników wpływających na pomiary (również w przypadku kominka B) do analizy wykorzystano dane z drugiej i trzeciej pełnej sesji.

Średnie, maksymalne i minimalne wartości mierzonych parametrów wraz z odchyleniem standardowym zestawiono w tab. 1 i tab. 2.

Pod względem temperatury powietrza w pomieszczeniu z kominkiem A oraz pomieszczeniu z kominkiem B przez większość czasu panowały warunki komfortu.

Wilgotność względna w pomieszczeniu z kominkiem B także utrzymywała się na odpowiednim poziomie, natomiast w pomieszczeniu z kominkiem A znajdowała się poniżej wartości komfortowych. Pomieszczenie to było jednak dużo lepiej wentylowane, na co wskazuje średnie stężenie dwutlenku węgla.

Temperatury powietrza w kominku nie osiągały wartości większych niż 100°C (rys. 6) i były znacznie niższe od przedstawionych w innym badaniu [10].

W punktach a), b) i c) temperatura powietrza była bardzo zbliżona, a najwyższa wartość podczas pracy kominka osiągana była w punkcie b).

Zauważono bardzo duże podobieństwo pomiędzy zmianą temperatury powietrza wewnątrz obudowy a sumarycznym stężeniem lotnych związków organicznych mierzonym przez detektor fotojonizacyjny przy kratce wylotowej (rys. 7 i rys. 8).

Stężenie LZO oraz temperatura powietrza zaczynała rosnąć i maleć w tych samych momentach.W miejscach, gdzie zmienność zmierzonych wartości temperatury i stężenia LZO była inna, wystąpiły czynniki wpływające na pomiar.

Podczas drugiej sesji pomiarowej otworzono okno w celu wywietrzenia (rys. 9). Zdarzenie to zaznaczone zostało na trzecim wykresie obrazującym zmienność stężenia dwutlenku węgla.

Wietrzenie wpłynęło na pomiar detektorem PID, jednakże przed otwarciem okna zauważalny jest wzrost stężenia LZO, który rozpoczął się wraz ze wzrostem temperatury w kominku.

Podczas drugiego rozpalenia wzrost stężenia LZO nie został zakłócony przez żaden czynnik i był wyraźnie widoczny. Podobna sytuacja wystąpiła podczas pomiarów przeprowadzonych na kominku B (rys. 8).

Wraz z rozpaleniem i wzrostem temperatury powietrza w obudowie kominka nastąpił wzrost stężenia lotnych związków organicznych. Wartość LZO zaczęła maleć ze spadkiem temperatury powietrza.Po ostygnięciu kominka do temperatury początkowej stężenie lotnych związków organicznych podczas obu sesji pomiarowych wracało do poziomu podobnego do tego sprzed użytkowania kominka.

Obecność ludzi może skutkować zmianami stężenia lotnych związków organicznych – są oni jednym z wewnętrznych źródeł tych zanieczyszczeń. Podczas badań w pomieszczeniach przebywały 1–3 osoby (dwóch domowników oraz prowadzący badania).

Na podstawie uzyskanych pomiarów nie zauważono, żeby mieszkańcy przebywający w pomieszczeniu wpływali na stężenie LZO. Świadczy o tym brak zmian stężenia LZO w momencie wyjścia wszystkich mieszkańców z pomieszczenia (wykresy dwutlenku węgla).

Z kolei na początku sesji pomiarowej przeprowadzonej na kominku B właściciele mieszkania mieli niespodziewanych gości – ich wyjście z salonu zostało oznaczone na wykresie.

Stężenie tlenku węgla w obu pomieszczeniach znajdowało się na bardzo niskim poziomie (tab. 1 i tab. 2). Świadczy to o poprawnym wykonaniu dopływu świeżego powietrza na potrzeby spalania oraz wysokiej szczelności wkładów kominkowych.

Ewentualne wzrosty stężenia CO były spowodowane otwarciem wkładu kominkowego w celu rozpalenia lub dołożenia drewna, jednak nie powodowały zwiększenia stężenia tego związku do wartości mogących wywołać niebezpieczne skutki zdrowotne [13].

Na wysoką szczelność wkładów kominkowych wskazują także pomiary stężenia dwutlenku węgla. Zauważono, że zmienność tego parametru uzależniona była od aktywności ludzkiej oraz wietrzenia, a jego wartość utrzymywała się na poziomach spotykanych w budynkach mieszkalnych [14]. Na tej podstawie można sądzić, że za wzrost sygnału na detektorze fotojonizacyjnym nie były odpowiedzialne zanieczyszczenia wydostające się z wkładu kominkowego, podczas gdy jest on zamknięty.

Kolejnym czynnikiem mogącym wpływać na stężenie lotnych związków organicznych mierzonych na kominkach A i B jest rozpalanie kominka oraz dokładanie drewna – podczas tych czynności drzwiczki są otwarte.

Udowodniono w trakcie innych badań, że powyższe operacje mogą skutkować przedostawaniem się zanieczyszczeń do pomieszczenia [5, 6].

Na rys. 9 przedstawiono fragment pomiarów lotnych związków organicznych co jedną sekundę przy kratce wylotowej kominka B. Zauważono, że przy każdym otwarciu drzwiczek podczas dokładania drewna stężenie LZO na kilka sekund rosło.

Wzrosty sygnału detektora PID były prawdopodobnie spowodowane zanieczyszczeniami zawartymi w gorącym powietrzu unoszącym się z otwartego paleniska i trafiającym w pobliże miejsca pobierania próbki. Wzrosty miały jedynie chwilowy charakter i nie wpływały na dalsze mierzone wartości.

Średnie oraz maksymalne sumaryczne stężenie lotnych związków organicznych mierzonych podczas pracy kominka B było większe niż w przypadku kominka A (tab. 1 i tab. 2). Wkład oraz przewód kominowy kominka B był bardziej pokryty kurzem niż kominka A, przez co emitowana mogła być większa ilość zanieczyszczeń.

Przyczyną większej ilości kurzu jest prawdopodobnie dłuższy okres użytkowania kominka B oraz obecność instalacji wentylacyjnej rozprowadzającej ciepłe powietrze do innych pomieszczeń w mieszkaniu. Zasysanie większej ilości powietrza z pomieszczenia może intensyfikować proces osiadania kurzu na wewnętrznych elementach kominka.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obserwacji wykazano, że za zmiany sygnału na detektorze fotojonizacyjnym odpowiedzialne są zanieczyszczenia pochodzące z wnętrza komory grzewczej, powstające w wyniku spiekania się kurzu na gorących elementach kominka.

Wykluczono inne potencjalne źródła lotnych związków organicznych w pomieszczeniach, jak nieszczelny wkład kominkowy, operacje związane z dokładaniem drewna i rozpalaniem w kominku oraz emisja LZO od ludzi.

Przeprowadzone badania nie są niestety kompletne i można je uznać za wstęp do dalszych eksperymentów. Pomiary te miały wiele słabych stron:

• nie przeprowadzono badań na kominku nowo wybudowanym, bez kurzu na elementach instalacji;
• przeprowadzono bardzo małą liczbę sesji pomiarowych i wykonano badania na bardzo małej liczbie obiektów;
• nie wykonano analizy jakościowej z rozróżnieniem na poszczególne zanieczyszczenia.

Eksperyment stanowi jednak pewną nowość w badaniach nad emisją zanieczyszczeń z kominków do powietrza wewnętrznego.

Wnioski

Badania przeprowadzono w oparciu o twierdzenie, że wraz ze wzrostem temperatury kominka stężenie zanieczyszczeń mierzonych przez detektor fotojonizacyjny przy kratce wylotowej będzie rosło, a obniżało ze spadkiem temperatury. Zależność udało się potwierdzić, co może świadczyć o tym, że spiekający się kurz na gorących powierzchniach wkładu kominkowego oraz przewodu kominowego może być źródłem lotnych związków organicznych do powietrza wewnętrznego.

Autorowi nie są znane rzeczywiste stężenia ani rodzaj zanieczyszczeń emitowanych z wnętrza kominka. Nie można także określić, jakie skutki zdrowotne może nieść ekspozycja na powstające zanieczyszczenia.

Eksperyment wskazuje na nowe zastosowanie detektora fotojonizacyjnego do badań jakości powietrza wewnątrz pomieszczeń. Żeby uniknąć emisji zanieczyszczeń do powietrza wewnętrznego powstających w wyniku spiekania się kurzu na zewnętrznych powierzchniach wkładu kominkowego oraz przewodu kominowego, wnętrze kominka powinno być regularnie czyszczone.

Badania wykonano w ramach środków pochodzących z projektu statutowego na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej o numerze 0402/0090/16.

Literatura

1. Seljeskog M., Sevault A., Ostorn A., Skreiberg O., Variables affecting emission measurements from domestic wood combustion, The 8th International Conference on Applied Energy – ICAE2016, Beijing, China, 8–10 October 2016.
2. Lea-Langton A. R., Baeza-Romero M. T., Boman G. V. et al., A study of smoke formation from wood combustion, „Fuel Processing Technology” 2015, No. 137, p. 327–332.
3. Sornek K., Filipowicz M., Rzepka K., Study of clean combustion of wood in a stove-fireplace with accumulation, „Journal of the Energy Institute” 2017, No. 90, p. 613–623.
4. Alves C., Goncalves C., Fernandes A. P., Tarelho L., Pio C., Fireplace and woodstove fine particle emissions from combustion of western Mediterranean wood types, „Atmospheric Research” 2011, No. 101, p. 692–700.
5. Carvalho R. L., Jensen O. M., Afshari A., Bergsoe N. C., Wood-burning stoves in low-carbon dwellings, „Energy and Buildings” 2013, No. 59, p. 244–251.
6. Salthammer T., Schripp T., Wientzek S., Wensing M., Impact of operating wood- burning fireplace ovens on indoor air quality, „Chemosphere” 2014, No. 103, p. 205–211
7. Levesque B., Allaire S., Gauvin D. et al., Wood-burning appliances and indoor air quality, „The Science of the Total Environment” 2001, No. 281, p. 47–62.
8. Ward T., Noonan C., Results of a residential indoor PM2.5 sampling program before and after a woodstove changeout, „Indoor Air” 2008, No. 18, p. 408–415.
9. http://www.kominki.org/strefa-dla-profesjonalistow/aktualnosci-branzowe/art,5341,rynek-branzy-kominkowej-w-polsce-wystapienie-redaktora-naczelnego-swiata-kominkow-na-targach-ish.html (29.06.2017).
10. http://www.kominki.org/kominki/abc- kominka/art,2760,rozklad-ciepla-wokol-wkladu-kominkowego.html (29.06.2017).
11. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium wiedzy: ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, Wyd. Omni Scala, Wrocław 2008.
12. Kostyrko K., Wargocki P., Pomiary zapachów i odczuwalnej jakości powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach, ITB, Warszawa 2012.
13.  Kaiser K., Tlenek i dwutlenek węgla w pomieszczeniach, „Rynek Instalacyjny” nr 9/2010, s. 90–96.
14. Langer S., Beko G., Bloom E., Widheden A., Ekberg L., Indoor air quality in passive and conventional new houses is Sweden, „Building and Environment” 2015, No. 93, p. 92–100.

Warto przeczytać: Szczelny, bezpieczny i trwały dach - pobierz darmowy poradnik >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!