KIUKAIDEN TESTAUS- JA
PÄÄSTÖMITTAUSMENETELMÄN KEHITTÄMINEN
Valtteri Nieminen Kiukaiden testaus- ja päästömittausmenetelmän kehittäminen Pro Gradu -tutkielma Ympäristötiede Itä-Suomen yliopisto, Ympäristö- ja biotieteiden laitos Syyskuu 2018
Ympäristö- ja Biotieteiden laitos, Ympäristötieteen pääaine
Valtteri Nieminen: Kiukaiden testaus- ja päästömittausmenetelmän kehittäminen Pro Gradu -tutkielma 61 sivua, 4 liitettä (4 sivua)
Tutkielman ohjaajat: Jarkko Tissari, Jani Leskinen Syyskuu 2018
avainsanat: puun pienpoltto, tulisijat, kiukaat, hiukkaspäästöt, päästömittaus
Puun pienpoltto on yleisesti käytetty lämmitysmuoto erityisesti Suomessa, mutta myös globaalisti. Puuta poltetaan pääasiassa varaavissa takoissa, kamiinoissa ja saunan kiukaissa.
Vaikka puuta pidetään hiilineutraalina ja puhtaana polttoaineena, syntyy sen palamisreaktioissa kaasu- ja hiukkaspäästöjä, joiden on todettu olevan haitallisia ihmisten terveydelle. Kiukaissa polttotekniikka on yksinkertaista ja päästöt tämän takia usein korkeita.
Tässä Pro Gradu –työssä kehitettiin uusi kiukaiden testaus- ja päästömittausmenetelmä, jonka pohjana oli nykyinen standardimittausmenetelmä EN 15821. Lisäksi tutkittiin, miten testausolosuhteet (ilmanvaihto, kiuaskivien määrä) vaikuttavat kiukaiden päästöihin sekä mitattiin yleisimpien Suomessa markkinoilla olevien kiukaiden kaasu- ja hiukkaspäästöjä.
Tutkimus toteutettiin Itä-Suomen yliopiston pienpolttosimulaattorissa, joka on rakennettu merikontteihin sekä sisältää erillisen saunakontin ja mittauskontin. Tärkeimmäksi tekijäksi saunahuoneen lämpenemisessä osoittautui kiuaskivien määrä, koska ilman kiviä kiukaan ei tarvitse käyttää osaa sen tuottamasta lämmöstä kiuaskivien lämmittämiseen ja lämmön ylläpitoon, vaan lämpö pääsee suoraan huoneilmaan. Myös saunahuoneen ilmanvaihtokertoimen pienentäminen nopeutti lämpenemistä. Saunahuoneen olosuhteilla (ilmanvaihtokerroin ja kiuaskivien määrä) ei näyttänyt tutkimuksen mukaan olevan mitään vaikutusta kiukaan päästöihin, mutta panoskokoa sekä vetoa kasvattamalla voitiin vaikuttaa päästöjen ominaisuuksiin huomattavasti. Tutkimuksessa kehitetty kiukaiden testaus- ja päästömittausmenetelmä osoittautui toimivaksi ja hyvin toistettavaksi keinoksi verrata kiukaiden välisiä päästöjä sekä raportoida niistä saatuja tuloksia.
Tutkimuksessa mitattiin kahdeksan erilaisen kiukaan päästöjä sekä niihin vaikuttavia tekijöitä mahdollisimman lähellä todellisia käyttöolosuhteita. Päästöt mitattiin savukaasusta käyttämällä kaasu- ja hiukkasmittausmenetelmiä. Laimennetusta savukaasusta mitattiin hiukkasten lukumäärä-, hiukkasmassa-, ja mustahiilipitoisuutta sekä hiukkasten lukumääräkokojakaumaa.
Lisäksi laimennetusta savukaasusta kerättiin alle yhden mikrometrin halkaisijaltaan olevia hiukkasnäytteitä suodattimille. Laimentamattomasta savukaasusta mitattiin kaasuyhdisteiden, kuten hiilimonoksidin, hiilidioksidin, hapen ja typenoksidien-pitoisuuksia sekä 30 muun yleisimmän hiilivedyn pitoisuuksia (esimerkiksi metaani ja bentseeni).
Kiukaiden väliset päästöt vaihtelivat eniten metaanipäästöjen kohdalla ja vähiten typpioksidipäästöissä. Metaanipäästöissä vaihteluväli oli jopa 15-kertainen pienimmän ja suurimman välillä. Kaasupäästöjen osalta kiukaiden keskimääräinen häkäpäästö oli 61 g/kg ja metaanipäästö 4,8 g/kg. Kiukaiden hiukkasmassapäästöjen keskiarvo oli 2,3 g/kg ja vaihtelu pienimmän ja suurimman välillä lähes kymmenkertainen.
Valtteri Nieminen: The development of a sauna stove emission measurement method Master of Science thesis 61 pages, 4 annexes (4 pages)
Instructors of thesis: Jarkko Tissari and Jani Leskinen September 2018
keywords: small-scale wood combustion, stoves, sauna stoves, particle measurement, emission measurement
Small-scale wood combustion is a commonly used heating method especially in Finland but also in other parts of the world. Wood is burned in heat-storing appliances, stoves and in sauna stoves. Even though wood is considered to be a carbon neutral and clean fuel, the combustion of wood produces gaseous and particulate emissions which are known to have adverse effects on human health. The combustion technology used in old sauna stoves is rather simple and thus the emissions are high.
In this master’s thesis, a new testing and emission measurement method was developed for sauna stoves. The method was based on the current EU wide standard EN 15821. In addition to the development of the method, the effect of sauna room circumstances and other conditions on the warming of the sauna room as well as sauna stove emissions was studied. The most commonly sold sauna stoves in Finland and their emissions were also measured.
This study was conducted in the University of Eastern Finland’s small-scale wood-combustion simulator that has been built inside two shipping containers. One of the containers functions as the laboratory with the measurement devices and the other as the sauna room. The sauna stones were found to be the most important factor affecting the heating of the sauna room, since without the stones, all the energy can be used to heat up the room. Smaller ventilation factor of the sauna room also caused the room to heat up faster. Sauna room conditions didn’t have any effect on the emissions of the sauna stoves but, by adjusting the draft or the batch size, a significant change was seen in the properties of the emissions. The measurement method developed in this thesis proved to be a working and repeatable way to measure sauna stove emissions.
In this thesis, the emissions of eight different sauna stoves were measured in conditions that resembled real life as closely as possible. The emissions were measured on-line from the stack by using gas and particle measuring devices as well as off-line particulate matter sample collecting methods. The particle number, -mass and black carbon concentrations as well as size distributions were measured from diluted flue gas. Gaseous compound concentrations, such as carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and nitrogen oxides, were measured from the undiluted flue gas. In addition to previously mentioned gaseous compounds, also 30 other commonly found gaseous compounds in the flue gas were measured, e.g. methane and benzene.
The sauna stoves differed most in their methane and least in their nitrogen oxide emissions. The highest and lowest methane emissions varied by a factor of 15. In the case of gaseous emissions, the average carbon monoxide and methane emissions of the sauna stoves were 61 g/kg and 4,8 g/kg, respectively. The average particulate mass emissions of the sauna stoves were 2,3 g/kg and the variation between the sauna stoves were 10-fold.
Tämä opinnäytetyö on tehty Itä-Suomen yliopiston Ympäristö- ja biotieteiden laitoksen Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratoriossa vuoden 2018 huhtikuun ja syyskuun välisenä aikana. Työn ohjaajina toimivat dosentti Jarkko Tissari ja filosofian tohtori Jani Leskinen. Työn tarkastajina toimivat Jarkko Tissari ja filosofian tohtori Heikki Lamberg.
Haluan kiittää ohjaajieni lisäksi kaikkia laboratoriomme työntekijöitä, jotka edesauttoivat työni valmistumista kiireellisestä aikataulusta huolimatta. Lisäksi haluan kiittää Sampsa Väätäistä, joka suoritti suuren osan mittauksista kanssani kesän aikana sekä tuki ja avusti minua pulmatilanteiden kanssa.
Lopuksi haluan kiittää perhettäni sekä avopuolisoani Tarleenaa mittaamattoman tärkeästä tuesta erityisesti työn loppuvaiheissa.
Kuopiossa 26.9.2018
Valtteri Nieminen
BC Mustahiili
B(a)P Bentso(a)pyreeni, syöpävaarallinen PAH-yhdiste
CPC Kondensaatiohiukkaslaskuri (Condensation Particle Counter) ED Ejektorilaimennin (Ejector diluter)
ELPI Sähköinen alipaineimpaktori (Electrical Low-Pressure Impactor) ETALO Etalometri (Aethalometer AE33)
FID Liekki-ionisaatio –detektori (Flame Ionization Detector) FTIR Fourier Transform Infrared
OC/EC Orgaanisen hiilen ja alkuainehiilen suhde PAH Polysyklinen aromaattinen hiilivety PM Hiukkasmassa (Particulate matter)
PM10 Hengitettävien hiukkasten massa (hiukkasten aerodynaaminen halkaisija alle 10 µm)
PM2,5 Pienhiukkasten massa (hiukkasten aerodynaaminen halkaisija alle 2,5 µm) PM1 Pienhiukkasten massa (hiukkasten aerodynaaminen halkaisija alle 1 µm) PM0,1 Ultrapienten hiukkasten massa (hiukkasten aerodynaaminen halkaisija alle 0,1
µm)
ppb Miljardisosa (parts per billion) ppm Miljoonasosa (parts per million)
PRD Huokoisenputkenlaimennin (Porous tube diluter) THC Hiilivetyjen kokonaismäärä
VOC Haihtuvat orgaaniset yhdisteet
2. KIRJALLISUUSKATSAUS ... 10
2.1 PUUNPOLTTOLÄMMÖNLÄHTEENÄ ... 10
2.2 PUUNPOLTONPÄÄSTÖJENVAIKUTUKSET ... 11
2.2.1 Kaasu- ja hiukkaspäästöt ... 11
2.2.2 Terveysvaikutukset ... 13
2.2.3 Ympäristövaikutukset ... 14
2.3 SAUNAT ... 16
2.4 KIUKAAT ... 17
2.4.1 Kiukaan toimintaperiaate ... 17
2.4.2 Kiuasmallit ... 18
2.5 KIUASSTANDARDIT ... 19
2.5.1 Tuotestandardi EN 15821 ... 19
2.5.2 Kansallinen soveltamisstandardi ... 22
3. AINEISTO JA MENETELMÄT ... 23
3.1. MITTAUSJÄRJESTELMÄ ... 23
3.1.1. Mittaukset ... 24
3.1.1.1. Olosuhteet ... 24
3.1.1.2. Kaasupäästöjen mittaaminen ... 27
3.1.1.3. Hiukkaspäästöjen mittaaminen ... 28
3.1.1.4. Laskenta ... 31
3.2. POLTTOKOKEET ... 32
3.3. KIUKAAT ... 34
3.4. MITTAUSMATRIISI ... 34
3.4.1. Mittausolosuhteiden vaikutuksen testaus ... 35
3.4.2. Vertailu standardin EN 15821 mittausmenetelmään ... 36
4. TULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU ... 37
4.1. ESIMERKKEJÄREAALIAIKAISESTAMITTAUSDATASTA ... 37
4.2. KIUKAIDENVÄLISETEROT ... 41
4.3. VERTAILUSTANDARDIMITTAUSMENETELMÄÄN ... 46
4.4. SAUNANLÄMPIÄMISEENVAIKUTTAVATTEKIJÄT ... 53
5. YHTEENVETO ... 57 LÄHDELUETTELO ... 58
LIITTEET
LIITE 1: HIILIMONOKSIDI- JA METAANIPITOISUUDEN SUHDE LIITE 2: KAASUYHDISTEIDEN OSUUDET
LIITE 3: PÄIVÄKOHTAISET KOSTEUSPROSENTIT LIITE 4: OLOSUHDETESTAUSTEN TULOKSET
1. JOHDANTO
Ilmasto lämpenee, koska maapallon luonnollista kasvihuoneilmiötä voimistetaan tuottamalla ilmakehään lisää kasvihuonekaasuja, kuten hiilidioksidia, metaania ja typpidioksidia. Tärkein yksittäinen kasvihuonekaasukomponentti on hiilidioksidi, josta suuri osa tuotetaan teollisuudessa fossiilisten polttoaineiden, kuten öljyn, kivihiilen tai maakaasun polttamisessa. (National Research Council 2010). Fossiilisten polttoaineiden käyttö on ollut aina tärkeää ihmiskunnalle ja vaikka niiden käyttö tuottaakin kasvihuonekaasuja, ei fossiilisista polttoaineista tulla pääsemään täysin eroon lähiaikoina.
Vaikka uusiutuvien luonnonvarojen, kuten tuulivoiman, vesivoiman ja biomassan käyttö on lisääntymässä, on niillä vielä pitkään vain täydentävä rooli maailman energiantuotannossa.
(Govorushko 2013)
Fossiilisten polttoaineiden käytön lisääntymisen vuoksi ilmakehän hiilidioksidipitoisuus on lisääntynyt 17 % 50 vuoden aikana. Vaikka monien muiden yhdisteiden pitoisuuksia ilmakehässä on kyetty vähentämään huomattavasti, on hiilidioksidipitoisuuksia vaikeampi vähentää. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta on vaikea vähentää, koska suuri osa ihmiskunnan käyttämästä energiasta tuotetaan edelleen fossiilisia polttoaineita polttamalla.
(Tomkiewicz 2011) Biomassan ja erityisesti puun polttaminen on ollut tärkeä lämmönlähde jo pitkään ja se on edelleen yleistymässä puun yleisyyden ja suuren energiantuotantopotentiaalin takia. Puun käytöllä on ollut pitkään vain pieni osuus energiantuotannosta mutta nykyisten investointien takia teknologia puun tehokkaamman polttamisen saavuttamiseksi on parantunut ja biomassan käyttö energiantuotannossa lisääntynyt. (van Loo & Koppejan 2008) Puuta käytetään erityisesti kehitysmaissa tyydyttämään suuri osa energiantuotannon tarpeesta, mutta suurena ongelmana on puun epätasainen jakautuminen maantieteellisesti. Kehittyneet valtiot, pois lukien pohjoismaat, käyttävät puuta suhteessa kehitysmaihin erittäin vähän. (Tomkiewicz 2011)
Kun puu kasvatetaan kestävän kehityksen periaatteiden mukaisesti ja se poltetaan tehokkaissa, suuren hyötysuhteen omaavissa polttolaitteissa, voidaan puuta pitää puhtaana ja uusiutuvana polttoaineena. Puun poltossa muodostuu kuitenkin ihmisille haitallisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, joita voi syntyä jopa enemmän kuin öljyä polttaessa (van Loo &
Koppejan 2008). Polttotekniikkaa ja palamisolosuhteita parantaessa voidaan kuitenkin
pienentää myös biomassan poltosta aiheutuvia päästöjä huomattavasti (Johansson ym.
2004; Lamberg ym. 2011).
Ilman epäpuhtaudet, kuten rikkidioksidi, hiilimonoksidi, typenoksidit, hiukkaset ja polysykliset aromaattiset hiilivedyt heikentävät ilmanlaatua. Ilmansaasteiden huomattavia vaikutuksia ihmisten terveyteen nähdään erityisesti keväisin katupölyepisodien aikana, mutta myös talvisin pientaloalueilla puun pienpolton takia. Ilmanlaatuun vaikuttaa myös ilman sekoittuminen, lämpötila ja sade. Talviset inversiotilanteet voivat lisätä ilmansaasteiden pitoisuuksia huomattavasti, koska tällöin kylmä ilma ei pääse sekoittumaan lämpimään ilmaan. Puun pienpoltto tuottaa myös paljon PAH-yhdisteitä, mikä näkyy selvästi paikallisten pitoisuuksien nousuna. (Suoheimo ym. 2015)
Puun pienpoltto tulee pysymään suurena osatekijänä Suomen pienhiukkaspäästöissä, koska puu on kuluttajille edullinen keino lämmittää asuintiloja. Suomen ympäristökeskuksen arvion mukaan pienpoltto pysyisi vuoteen 2020 asti lähes nykyisellä tasolla, mutta laskisi kuitenkin vuoteen 2030 mennessä parantuneen rakennusten energiatehokkuuden takia.
Samaan aikaan laitekannan uusiutuminen pienentää puun pienpoltosta aiheutuvia päästöjä (Suoheimo ym. 2015). Laitekannan uusiutuminen tulee vaikuttamaan pääasiassa takkoihin, sillä kiukaiden kohdalla polttoprosessin kehitystä ei ole vielä nähty. Tämän vuoksi kiukailla on jopa viisinkertaiset hiukkasmassapäästöt takkoihin verrattuna (Tissari ym. 2008a).
Suoheimo ym. 2015 mukaan saunankiukaat ovat vastuussa jopa yli kolmasosasta pienpolton hiukkaspäästöistä.
Tämän työn tarkoituksena oli kehittää uusi kiukaiden testaus- ja päästömittausmenetelmä, mikä mukailee nykyistä standardimittausmenetelmää, mutta korjaa sen selvät epäkohdat, jotka vaikeuttavat kiukaiden välistä vertailua. Uusi kiukaiden testaus- ja päästömittausmenetelmä kehitettiin todellisia olosuhteita simuloivassa ympäristössä, jotta kiukailta saatavat mittaustulokset olisivat mahdollisimman reaalisia, kuitenkin säilyttäen toistettavuuden ja verrattavuuden kiukaiden välillä.
2. KIRJALLISUUSKATSAUS
2.1 PUUNPOLTTO LÄMMÖNLÄHTEENÄ
Puun polttoa on käytetty lämmitysmetodina tuhansia vuosia. Näiden vuosien aikana puunpolttotekniikka on kehittynyt avoimista tulisijoista moderneihin kontrolloituihin polttolaitteistoihin. Tällä hetkellä käytetään esimerkiksi takkoja ja kiukaita, joiden tarkoituksena on tuottaa lämpöä nopeasti ja mahdollisimman korkealla hyötysuhteella samalla minimoiden ilmansaasteiden määrää. (Tissari ym. 2007)
Puunpolttolaitteiden päätehtävä on lämmittää tila, jossa ne ovat vapauttamalla lämpöä säteilemällä tai johtumalla. Polttolaitteissa tulipesä on vuorattu tulta kestävällä materiaalilla ja useimmissa laitteissa on tulipesän pohjassa arina, jonka alla on tuhkalaatikko. Yleensä polttolaitteissa primääripalamisilma ohjataan tuhkalaatikon kautta arinan läpi tulipesän alaosaan, sekä joissain tapauksissa myös sekundääri-ilma, joka suunnataan ylimääräisillä ohjureilla tulipesän yläosaan. Osassa moderneja polttolaitteita voidaan myös sekundääri-ilmaa syöttää erillisestä aukosta suoraan tulipesän yläosaan. Useimmissa nykyaikaisissa polttolaitteissa on lasiluukku, josta käyttäjä voi seurata palamista (van Loo & Koppejan 2008). Puunpoltto lisälämmönlähteenä Suomessa on erityisen tärkeää pitkien ja kylmien talvien vuoksi, mutta silti puulämmityksen osuus pientalojen päälämmityskeinoista vuonna 2007 oli vain 6 % (Alakangas ym. 2008). Kehittyvissä maissa taas biomassan poltto on kuitenkin välttämätöntä ruoan valmistuksen takia. Biomassan osuus kokonaisprimäärienergian tuotannosta kehitysmaissa on noin 20 % (van Loo &
Koppejan 2008).
Kiukaat ovat yleisiä Suomessa pääasiassa vahvan saunakulttuurin takia. Suomessa on asuntokohtaisia saunoja noin 1,7 miljoonaa ja kokonaisuudessaan yli kaksi miljoonaa (Tilastokeskus 2018). Kiukaiden lisäksi erityisesti kiuasuunit ovat suosittuja vapaa- ajan asunnon tai pientalojen lämmityksessä, sillä ne toimivat saunan kiukaana, lämmityslaitteena sekä lämpimän käyttöveden tuottajana. Tavallisesti kiuasuuni sijoitetaan saunan ja olohuoneen seinän sisään, josta se lämmittää saunahuoneen ilmaa, joka johdetaan painovoimaa hyödyntäen muihin huonetiloihin. (Alakangas ym. 2008)
Varaavat takat ovat yleensä massiivirakenteisia, joissa materiaalina käytetään tiiliä tai luonnonkiveä. Erityisesti vuolukivitakat ovat suosittuja kiven ominaisuuksien takia.
Takoissa puuta poltetaan suurella teholla, ja polton aikana lämpö sitoutuu rakenteisiin, josta se säteilee ympäröivään tilaan yhden tai kahden päivän ajan.
Kehitysmaissa suurin osa biomassan polttamisesta tapahtuu perinteisissä tulisijoissa, kuten avotulissa tai helloissa ja käyttökohteena on usein ruoanlaitto tai asuintilan lämmitys. Perinteisissä tulisijoissa hyötysuhteet ovat huomattavasti alhaisempia kuin nykyaikaisissa tulisijoissa. Biomassaa käyttävissä voimalaitoksissa, joissa tuotetaan samanaikaisesti sähköä sekä lämpöä, hyötysuhde saadaan vieläkin korkeammaksi, lähes 95 %:iin. Perinteisten tulisijojen päästöt ovat myös terveydelle haitallisempia kuin modernien takkojen, sillä esimerkiksi avotulella ruokaa valmistettaessa savu on suoraan kosketuksissa ruoan ja ruoanlaittajan kanssa. Sisätilojen savu onkin kehitysmaissa yksin vastuussa noin 4 % kokonaistautitaakasta. (van Loo & Koppejan 2008)
2.2 PUUNPOLTON PÄÄSTÖJEN VAIKUTUKSET
2.2.1 Kaasu- ja hiukkaspäästöt
Puun pienpoltto on pienhiukkasten (PM2,5), hiilimonoksidin (CO), metaanin (CH4), typenoksidien (NOx), haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) ja monien karsinogeenisten yhdisteiden, kuten polysyklisten aromaattisen hiilivetyjen (PAH) merkittävä lähde. Puun pienpoltossa syntyvät pienhiukkaset sisältävät monenlaisia yhdisteitä, kuten orgaanista (OC) ja epäorgaanista hiiltä (EC). Päästöjen määrä ja koostumus vaihtelevat riippuen muun muassa polttoaineesta (laatu, puulaji), polttotekniikasta ja käyttöön liittyvistä tekijöistä, sytytystapahtuman onnistumisesta sekä muista poltto-olosuhteista. (Kistler ym. 2012)
Puun epätäydellinen palaminen on tavallista kotitalouksien tulisijoissa, koska palamisolosuhteet ovat huonot: pyrolyysikaasut ja palamisilma eivät sekoitu täysin, palamisilmaa on liian vähän tai palamislämpötila on liian matala. Erityisesti panospoltossa, jota suurin osa puun pienpoltosta on, päästöt ovat korkeita.
Panospoltolla tarkoitetaan polttoaine-erän kerrallaan polttamista, jolloin
palamisvaiheiden hallitseminen on vaikeaa (Tissari ym. 2008; Hukkanen ym.
2012).
Puun palaminen on vaiheittainen tapahtuma, johon kuuluu kuivumis-, palamis- sekä hiillosvaihe. Ensin polttoaine lämpenee, siitä haihtuu kosteutta ja se kuivuu.
Tämän jälkeen puu kaasuuntuu lämpötilan vaikutuksesta ja syntyneet kaasut poltetaan palamisilman hapen avulla. Palamisen lopun hiillosvaiheessa jäljelle jäänyt hiili poltetaan (van Loo & Koppejan 2008). Vaikka palaminen on vaiheittainen tapahtuma, tapahtuvat usein palamisen kaikki vaiheet samanaikaisesti panospoltossa.
Palamisen päästöjä lisää syttymisvaiheessa erityisesti kylmä lähtötilanne, sillä palaminen tarvitsee tarpeeksi korkean lämpötilan tapahtuakseen. Myös polttoaineen liian korkea kosteus häiritsee palamista, koska haihtumiseen tarvittava energia otetaan palamisprosessista, joten lämpötila alenee.
Palamisvaiheessa päästöjä lisää liian voimakas tai liian heikko palaminen.
Hiillosvaiheessa taas hapen hidas diffuusio kiinteään hiileen ja lämpötilan aleneminen lisäävät CO ja CH4 päästöjä huomattavasti. (van Loo & Koppejan 2008) Esimerkiksi hiukkaspäästöt kasvavat huomattavasti panoksen lisäyksen alussa ja tasaantuvat hiillosvaiheessa. (STTV 2008; Tissari ym. 2008; Hukkanen ym. 2012)
Puun pienpolton hiukkaspäästöt muodostuvat eri tavoin palamisessa.
Nokihiukkaset muodostuvat pääosin liekin polttoainerikkaan alueen sisällä, ja koska tulipesissä sekoittuminen on usein riittämätöntä, on liekissä aina polttoainerikkaita alueita. Noen muodostumisessa ensimmäisenä tapahtuu PAH- yhdisteiden polymerisaatio, jossa PAH-pitoisuudet kasvavat ja muutaman nanometrin kokoinen nokihiukkanen muodostuu peräkkäisten kaasu- hiukkasmuuntuman kautta. Tämän jälkeen nokihiukkasen koko kasvaa, kun toinen hiukkanen törmää ja takertuu, eli koaguloituu, siihen (Tissari 2008; Desgroux ym.
2012).
Tuhkahiukkasten muodostuminen riippuu polttoaineen koostumuksesta. Puun pienpoltolle tyypillisesti hienot tuhkahiukkaset (<1 µm) muodostuvat kaliumista, natriumista, rikistä, kloorista ja sinkistä. Päämateriaalina toimivat kuitenkin kalium ja kloori. Hienojen tuhkahiukkasten kaliumsisältö lisääntyy yleisesti
hiukkaskoon kasvaessa ja se on suurimmillaan, kun hiukkaskoko on noin 1 µm (van Loo & Koppejan 2008). Hienot tuhkahiukkaset muodostuvat polttoaineen sisältävien aineiden haihtuessa ja tiivistyessä, kun taas karkeammat tuhkahiukkaset (1-10 µm) muodostuvat matalan haihtumisasteen omaavista yhdisteistä sekä osaksi myös palamattomista hiilloshiukkasista, jotka liittyvät toisiinsa eli agglomeroituvat (Boman ym. 2004; Tissari 2008).
Puunpienpoltossa syntyvistä hiukkasista suurin osa on aerodynaamiselta halkaisijaltaan alle 1 µm kokoisia, koska ne syntyvät kaasufaasin kautta. Puun palaessa tulipesässä syntyy myös pohjatuhkaa, josta osa voi lähteä virtausten mukana savukaasukanavaan ja ulkoilmaan. Tuhkahiukkasten suuren koon takia (>
PM10) niistä ei aiheudu suurta haittaa ihmisten terveydelle, mutta ne voivat liata laitteita tai ympäristöä (Alakangas ym. 2008; Hukkanen ym. 2012). Puun pienpoltosta aiheutuvat hiukkaspäästöt ovat pääosin lähipäästöjä, jotka jäävät asuinalueille ja heikentävät alueella elävien ihmisten hengitysilmanlaatua.
2.2.2 Terveysvaikutukset
Kaasumaisilla ilmansaasteilla, kuten CO, NOx, CH4 ja VOC, on laaja määrä erilaisia haitallisia vaikutuksia ihmisten terveyteen. Hiilimonoksidilla on 240- kertainen affiniteetti eli taipumus kiinnittyä hemoglobiiniin kuin hapella ja tästä pääasiassa johtuu hään aiheuttamat haitat ihmisissä. Häkä kykenee myös sitoutumaan sytokromeihin eli solun sisäisiin proteiineihin, jotka ohjaavat solumetaboliaa, ja näin ollen vaikuttaa happiradikaalien muodostumiseen. Häkä aiheuttaa pienillä pitoisuuksilla tai lyhyellä altistuksella oireita, kuten huimausta, pahoinvointia tai päänsärkyä. Suurilla pitoisuuksilla tai pitkällä altistuksella häkä voi aiheuttaa myrkytystilan elimistöön ja johtaa jopa kuolemaan. (Wu & Juurlink 2014)
Muut kaasuyhdisteet, kuten typenoksidit, voivat saada aikaiseksi yskää, astman oireiden lisääntymistä, keskenmenoja, pienentynyttä syntymäkokoa, vähentynyttä maksimaalista uloshengitystilavuutta ja heikentynyttä keuhkojen toimintakykyä aikuisuudessa sekä kroonista keuhkoputkentulehdusta. (Mukala 1999; Malmqvist ym. 2011; Schultz ym. 2015) Lisäksi metaani ja muut haihtuvat orgaaniset
yhdisteet aiheuttavat ihmisillä hengitysteiden ärsyyntymistä ja yskää sekä voivat pahentaa jo ennestään olevia hengityselinsairauksia (van Loo & Koppejan 2008).
Useat epidemiologiset, toksikologiset ja kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet hiukkaspäästöjen aiheuttavan terveyshaittoja, kuten sydän- ja verisuonisairauksia, astmaa sekä hengitystietulehduksia (Strak ym. 2012; Tsai ym. 2012; Wang ym.
2012). Nämä vasteet ovat huomattavasti voimakkaampia tietyillä herkillä ihmisryhmillä. Erityisesti sydän- ja verisuonisairauksiin liittyy useita tekijöitä, jotka herkistävät yksilöitä hiukkasmaisille päästöille. Näitä tekijöitä ovat muun muassa ylipainoisuus, geneettiset tekijät, sukupuoli, ikä ja yksilöllä olevat aikaisemmat sairaudet. (Sacks ym. 2011)
Pienhiukkasten tiedetään aiheuttavan ennenaikaista kuolemaa sekä tulehdusreaktiota elimistössä (Amann 2014). Koska suuri osa PAH-yhdisteistä on hiukkasfaasissa, voidaan hiukkaspäästöjä pitää myös karsinogeenisinä (van Loo &
Koppejan 2008). Bentso(a)pyreeni kuuluu polysyklisiin aromaattisiin hiilivetyihin eli PAH-yhdisteisiin ja se esiintyy pääosin hiukkasfaasissa sekä osaksi myös kaasuna. B(a)P:n 7,8-dihydrodioli-metaboliitin on osoitettu olevan haitallinen terveydelle, sillä se kykenee sitoutumaan DNA:han ja muodostamaan adduktin eli kompleksin sen kanssa, jonka takia mutaatio voi syntyä. (Luch 2005) Pienhiukkasaltistus voi lisäksi vähentää keuhkojen toimintakykyä pienentämällä hengityskapasiteettia. Muun muassa Strak ym. 2012 osoittivat tutkimuksessaan hiukkasten lukumääräpitoisuuden korreloivan vahvasti uloshengityskapasiteetin pienenemän kanssa.
2.2.3 Ympäristövaikutukset
Puunpolton päästöt vaikuttavat ilmastoon sekä sitä lämmittävästi, että viilentävästi. Puunpoltosta aiheutuvia ympäristövaikutuksia on vaikea arvioida kattavasti, mutta biomassan täydellisellä elinkaaritarkastelulla saadaan vaikutuksista mahdollisimman kattava arvio (van Loo & Koppejan 2008). Suurin puunpolton päästöjen aiheuttama negatiivinen ympäristövaikutus on ilmastonmuutoksen vahvistuminen (USEPA 2012). Puunpoltossa muodostuvat kasvihuonekaasut, kuten CO2, CH4, N2O ja hiilivedyt voimistavat
kasvihuoneilmiötä. Kasvihuonekaasut lämmittävät maapalloa pidättämällä infrapunasäteilyä maapallolla. Ilmastonmuutoksen lisäksi puunpoltossa muodostuvat typenoksidit vähentävät luonnon biodiversiteettiä lisäämällä rehevöitymistä erityisesti vesistöissä. Biomassan poltossa syntyvä rikkidioksidi taas lisää omalta osaltaan metsämaiden happamuutta ja vähentää lajimonipuolisuutta. Puunpienpoltto nopeuttaa puun ja siihen sitoutuneiden aineiden, kuten hiilidioksidin luonnollista kiertoa. (Amann 2014)
Vaikka biomassan polttoa pidetään hiilidioksidineutraalina kasvihuoneilmiön suhteen, saavutetaan tämä vain, jos kokonaispäästöt tulisijoilla ovat erittäin pienet ja huomioon ei oteta käytettyjä fossiilisia polttoaineita esimerkiksi puun kuljettamisessa ja hakkaamisessa (van Loo & Koppejan 2008). Hiilidioksidi on toiseksi tärkein kasvihuonekaasu vesihöyryn jälkeen, koska sen kyky absorboida säteilyä on lähellä maapallon pintalämpötilan lähettämää infrapunasäteilyn huippua. Vaikka hiilidioksidia on vain noin 0,04 % ilmakehästä, on se vastuussa lähes neljänneksestä kasvihuoneilmiön aiheuttamasta lämmittävästä vaikutuksesta (Zhong & Haigh 2013).
Metaania esiintyy normaalisti ilmakehässä huomattavan paljon pienempinä pitoisuuksina kuin hiilidioksidia, mutta sen voimakkuus kasvihuonekaasuna on 300-kertainen CO2:iin verrattuna. Metaanilla on myös epäsuoria vaikutuksia ympäristöön, sillä se voi reagoida muiden kaasujen kanssa ilmakehässä muodostaen esimerkiksi alailmakehän otsonia, vesihöyryä ja hiilidioksidia (Lelieveld & Crutzen 1992). N2O on tärkeä esiaste typpioksidi-radikaalien (NO-) syntymiselle, jotka tuhoavat otsonia reagoimalla sen kanssa muodostaen typpidioksidia. (Naqvi ym. 2010)
Ilmakehässä muodostuu hiukkasia erilaisten prosessien kautta. Puunpoltosta syntyvät sekundääriset orgaaniset aerosolit muodostuvat ilmakehässä haihtuvien orgaanisten yhdisteiden hapettuessa (Rollins ym. 2012). Puunpoltosta muodostuvat pienhiukkaset ja sekundääriset orgaaniset aerosolit (SOA) voivat myös heijastaa auringon säteilyä ja toimia pilvien tiivistymisytiminä, joihin vesihöyry voi kondensoitua ja muodostaa pilven. Nämä asiat voivat toimia maapallon hyväksi viilentämällä ilmastoa. Sulfaattien uskotaan vaikuttavan maapallon lämpenemiseen kahdella tavalla: suorasti, heijastamalla auringon
säteilyä takaisin avaruuteen ja epäsuorasti, muuttamalla pilvien tiivistymisytimien pitoisuuksia ja ominaisuuksia ilmakehässä (Jones ym. 1994). Sulfaatit kaiken kaikkiaan viilentävät ilmakehää toisin kuin vesihöyry tai hiilidioksidi (Zhu ym.
2017).
Musta hiili eli noki, on aerosolihiukkanen, joka absorboi auringon valoa voimakkaasti. Noen lämmittävä vaikutus on suuri erityisesti jäätikköalueilla, jonne noki voi kulkeutua pitkiä matkoja ja laskeutua jäätikön päälle (USEPA 2012).
Noen on todistettu olevan suuri yksittäinen tekijä jäätiköiden sulamiseen (Clarke
& Noone 1985; Winiger ym. 2017). Jäätiköiden päälle laskeutunut noki saa aikaan pinnan tummumisen, jolloin auringon säteily absorboituu siihen tehokkaammin ja saa aikaan jään sulamisen (Quaas 2011). Noki absorboi auringon valoa myös ilmakehässä, jolloin ilmasto lämpenee.
2.3 SAUNAT
Perinteiseen suomalaiseen saunaan kuuluu yleensä niin sanottu sauna- tai löylyhuone ja sen välittömässä läheisyydessä kylpy- ja pukuhuone. Sauna on yleensä rakennettu lähes täysin puusta, lukuun ottamatta usein teräksestä valmistettua kiuasta. Saunahuoneen koko vaihtelee paljon ja siksi kiukaita on teholuokiltaan erilaisia, jolloin voidaan taata saunatilan riittävä lämpeäminen.
Kiuasta valittaessa noudatetaan kiuasvalmistajien ohjeita, sillä nykyaikaisissa saunoissa käytettävistä materiaaleista useat vaikuttavat siihen, kuinka tehokas kiuas täytyy tilaan sijoittaa. Esimerkiksi jos löylyhuoneessa on vuoraamatonta lasi- tai tiiliseinää, täytyy saunahuoneen tilavuuteen lisätä 1,5 m3 kutakin ko.
seinän neliömetriä kohti (RIL 2015).
Saunahuoneen riittävä ilmanvaihto on tärkeä osatekijä saunomisen mielekkyydessä. Saunahuone kuuluu rakennusohjemääräyksen mukaan poistoilmaluokkaan kolme, eli sieltä poistetaan jäteilmaa kosteuden, kemikaalien ja hajujen takia, jotka oleellisesti huonontavat huoneilman laatua. Tämän takia huoneistossa sijaitsevien saunahuoneiden ilmanvaihto on määritetty olevan riittävä, kun se on 2 dm3/s/m2, mutta kuitenkin vähintään 6 dm3/s.
(Ympäristöministeriö 2003).
2.4 KIUKAAT
2.4.1 Kiukaan toimintaperiaate
Keski-Euroopassa kamiinatyyppisiä polttolaitteita käytetään pienellä palamisnopeudella pitkiä aikoja, kun taas Suomessa puuta poltetaan usein lyhyitä aikoja ja suurella teholla. Suomalaisissa polttolaitteissa puuta poltetaan lähes aina umpinaisessa tulipesässä ja palamisilman määriä hallitaan peltejä säätelemällä (Tissari ym. 2008), kun taas kehitysmaissa tulipesät ovat usein avoimia ja palamisilmaa on mahdotonta hallita. Erityisesti saunan kiukaiden käyttöperiaate on lämmittää saunatila nopeasti korkeaan lämpötilaan polttamalla useita pesällisiä puuta korkealla teholla.
Polttoaineen palaminen kiukaan tulipesässä voidaan jakaa karkeasti puun kuivumiseen ja lämpenemiseen, kaasuuntumiseen sekä jäännöshiilen palamiseen.
Usein nämä reaktiot tapahtuvat panospoltossa samanaikaisesti. Palamisen ylläpitämiseen tarvitaan kolmea asiaa: polttoainetta, riittävän korkeaa lämpötilaa sekä happea. Kiukaissa palamisen kontrolloinnin osalta tärkein näistä kolmesta on polttoaineen lisäksi palamisilman riittävä syöttö tulipesään sekä kaasuuntumisen hallinta kokonaisuudessaan. (Saastamoinen 2002) Perinteisissä takoissa sekä kiukaissa, joissa ei ole toisioilman syöttöä, tulipesän normaalia korkeampi lämpötila aiheuttaa polttoaineen nopeampaa kaasuuntumista ja lisää kaasu- ja hiukkaspäästöjä seuraavissa panoksissa (Tissari ym. 2008).
Palamisilma syötetään kiukaisiin tulipesän alta arinan läpi säätelemällä tuhkaluukun asentoa. Palamisilman määrällä on selkeä vaikutus polttoprosessin eri vaiheisiin; kuivumiseen, pyrolyysiin ja jäännöshiilen palamiseen. Lisäämällä palamisilman määrää saadaan edellä mainitut prosessit toimimaan tehokkaammin tiettyyn maksimaaliseen primääri-ilmamäärään asti. (Yang ym. 2004). Myös lämmöntuottoa voidaan säädellä syötetyn primääri-ilman määrällä (van Loo &
Koppejan 2008). Saunan kiukaissa ongelmana on lisäksi nopea polttoaineen kaasuuntuminen ja siitä johtuva liian vähäinen palamisilman määrä suhteessa pyrolyysikaasuihin (Tissari ym. 2008).
Tulipesässä syntynyt savukaasu ohjataan kiukaan palokanavien kautta piippuun.
Jatkuvalämmitteisissä kiukaissa savukaasu ei ole suorassa yhteydessä kiviin, vaan kuuma savukaasu johdetaan palokanavien kautta hormiin samalla kun se lämmittää kiukaan rakenteita sekä kiuaskiviä, jotka taas luovuttavat lämpöä säteilemällä ja pääosin konvektiolla kiukaan läpivirtaavan ilman mukana saunahuoneeseen (RIL 2015). Kiukaat eroavat varaavista takoista siinä, että jatkuvalämmitteiset kiukaat ovat usein kevytrakenteisia metallisia laitteita, joissa ei lämpöä varaavia pintoja tai rakenteita ole. Jatkuvalämmitteisillä kiukailla tarkoituksena on polttaa puuta suurella teholla, jotta kiuaskivet saadaan kuumaksi nopeasti (Alakangas ym. 2008). Kiukaiden tuottamasta lämpöenergiasta saadaan talteen keskimäärin vain 69 %, jonka takia myös savukaasujen lämpötilat ovat yleensä huomattavasti korkeampia, kuin takoissa (Tissari 2008). Kun saunatila on lämmennyt haluttuun lämpötilaan, käytetään kiuasta vain osateholla koko kylpemisen ajan, jotta saunahuoneen ja kivien lämpötilaa saadaan pidettyä yllä.
2.4.2 Kiuasmallit
Kiukaat voidaan jakaa luokkiin käytettävän polttoaineen ja lämmitystavan mukaan. Polttoaineena käytetään yleensä puuta, mutta myös neste- tai maakaasulla sekä polttoöljyllä lämmitettäviä kiukaita on olemassa. Kiukaat voidaan myös jakaa lämmitystavan mukaan, jolloin kategorioita on kaksi; kertalämmitteinen sekä jatkuvalämmitteinen kiuas. Tässä tutkimuksessa keskityttiin jatkuvalämmitteisiin puukiukaisiin. Jatkuvalämmitteiset kiukaat voidaan jakaa malliltaan neljään eri kategoriaan: perinteisiin kiukaisiin, verkkokiukaisiin (katiskakiukaisiin), tunnelikiukaisiin ja erikoiskiukaisiin.
Jatkuvalämmitteiset kiukaat ovat yleensä valmistettu teräksestä, mutta joskus vaipat voivat olla myös vuolukiveä. Materiaalivahvuudeltaan kiukaan palokanavan seinät ovat 3-10 mm paksuja, mutta esimerkiksi kiukaiden kivitilassa voidaan käyttää ohuempiakin materiaaleja. Kiukaiden tulipesien luukut ovat yksiosaisia ja niiden kätisyys on lähes aina vaihdettavissa. Kiukaiden luukut ovat suunniteltu usein niin, että niiden raoista pääsee tulipesään toisioilmaa parantamaan kaasujen palamista. Kiukaiden arina sekä luukun runko-osa on usein
valmistettu valuraudasta ja yleisimmät kiukaat painavatkin siksi noin 60-250 kg kivineen. (RIL 2015)
Peruskiukaat ovat sivuilta suljettuja, pienellä kivimäärällä (noin 30-50 kg) varustettuja tavallisia joka kodin kiukaita. Verkkokiuas taas on nimensä mukaisesti kiuas, jossa on suljettu tulipesä, mutta sivut ovat avointa verkkoa ja kivimäärä on suuri. Kivimäärä on verkkokiukaissa usein moninkertainen tavalliseen peruskiukaaseen verrattuna. Tunnelikiukaat ovat seinän läpi lämmitettäviä kiukaita, joista usein puhutaan myös takkakiukaina tai kiuasuuneina. Näiden lisäksi on olemassa myös erikoiskiukaita, joissa pyritään ottamaan huomioon esimerkiksi liikuntarajoitteiset. Yksi esimerkki erikoiskiukaasta on vinopintainen kiuas, jolla saadaan saunan korkeuden lämpötilaprofiili loivemmaksi, jotta myös saunan alaosissa olisi lämmin kylpeä.
2.5 KIUASSTANDARDIT
2.5.1 Tuotestandardi EN 15821
Euroopan unionissa puulämmiteisille kiukaille astui voimaan oma tuotestandardi (EN 15821) alkuvuodesta 2013. Standardi määrittää jatkuvalämmitteiselle kiukaalle ominaisuudet, jotka tuotteen on saavutettava CE-merkintää varten.
Standardissa määritetään lisäksi CE-merkintään vaadittavat testausolosuhteet.
(BSI 2016) Standardissa määritellään raja-arvot ja olosuhteet kiukaan hiilimonoksidipäästöille, hyötysuhteelle sekä vedolle piipussa (Taulukko 1).
Hyötysuhde (η) lasketaan vähintään kahden testin mittaustulosten keskiarvona yhtälöllä yksi.
η = 100 − (𝑞𝑎+ 𝑞𝑏+ 𝑞𝑟) (1) missä qa = lämpöhäviö, qb = kemiallinen häviö, qr = jäännöshäviö.
Taulukko 1. Puulämmitteisten kiukaiden tuotestandardin EN 15821 mukaiset vaatimukset.
Hiilimonoksidipäästöt (happiredusoitu 13 % O2) ≤ 1,0 %
Hyötysuhde ≥ 50 %
Veto piipussa 12 ± 1 Pa
CE-merkintä tulee ranskan kielen sanoista ”Conformité Européene” eli eurooppalainen yhdenmukaisuus. Merkintä tarkoittaa, että tuote on tyyppitestattu ja todettu turvalliseksi sekä terveydelle ja ympäristölle vaarattomaksi. CE- merkintä varmistaa myös sen, että kaikilla yrityksillä EU:n sisällä on samat säännöt. Se on osa EU:n harmonisointilainsäädäntöä, jonka tarkoituksena on taata tuotteiden vapaa liikkuvuus Euroopan talousalueella. (European Commission 2018)
CE-merkinnässä mainitaan tuotteen saavuttamat arvot suoritustasoilmoituksena.
Suoritustasoilmoitus sisältää suojaetäisyydet palava-aineiseen rakennusosaan, palamistuotteiden CO-päästön, savukaasun lämpötilan normaalikäytön testeissä laskettuna keskiarvona koko poltolle, lämmöntuoton saunahuoneeseen, hyötysuhteen sekä käytetyt puumäärät (Kuva 1).
Kuva 1. Esimerkki CE-merkinnästä. Merkinnässä on kiukaan suoritustasoilmoitus.
CE-testissä saunahuoneelle on määritetty tarkat vaatimukset ominaisuuksista ja olosuhteista (EN 15821). Huoneen tilavuutta täytyy voida muuttaa siirtämällä huoneen yhtä seinää. Saunahuoneen tuloilman täytyy standarditesteissä olla lämpötilaltaan 25 ± 5 ºC ja tulla kiukaan takaa. Ilmanvaihtokerroin täytyy asettaa testien ajaksi kuusinkertaiseksi mitattuna saunahuoneen ilmanvaihdon poistoputkesta. (BSI 2016)
Savukaasusta täytyy voida mitata sen lämpötilaa ja koostumusta (CO, CO2, O2).
Lämpötilaa mitataan savukaasusta suojaamattomalla termoparilla ja näytteenotossa täytyy käyttää materiaaleja, jotka kestävät korkeita lämpötiloja ja joiden kanssa savukaasun komponentit eivät reagoi. (BSI 2016)
Standardin mukaiseen testiin kuuluu kaksi jaksoa: sytytys- ja testijakso.
Sytytyksen aikana saunahuoneen lämpötilan pitää olla 25 ± 5 ºC ja sytytys tapahtuu käyttämällä 500 g tai maksimissaan 10 % panoksen massasta sytykkeinä.
Heti sytytyksen jälkeen tulipesään lisätään ensimmäinen panos ja koko testijakson aikana lämpötiloja ja savukaasun koostumusta täytyy mitata jatkuvasti tai säännöllisin väliajoin, kuitenkin vähintään minuutin välein. Lisäyspanokset tulee lisätä laitevalmistajan ohjeiden mukaisesti, mutta saunahuoneen täytyy saavuttaa 90 ºC lämpötila mitattuna saunahuoneen keskeltä 30 cm katosta olevalla termoelementillä viimeistään kolmen tunnin kuluttua sytytyksestä. Testijakso lopetetaan, kun lämpötila on saavutettu ja savukaasun hiilidioksidipitoisuus on laskenut 4 %:iin tai neljännekseen edeltävän panoksen maksimi hiilidioksidipitoisuudesta. (BSI 2016)
2.5.2 Kansallinen soveltamisstandardi
Suomessa on standardin EN 15821 lisäksi laadittu täydentäväksi kansallinen soveltamisstandardi SFS 7021:2014. Tässä soveltamisstandardissa esitetään suositukset ominaisuuksille, jotka on ilmoitettava CE-merkityille jatkuvalämmitteisille kiukaille. Tärkein ominaisuus, minkä soveltamisstandardi määrää on savukaasun korkein lämpötilaluokka. Tulisijasta lähtevien savukaasujen lämpötila ei saa ylittää 600 ˚C, näin asettaen kiukaiden savukaasukanavat maksimissaan T600-luokkaan. Tulisijan käyttöohjeessa täytyy soveltamisstandardin mukaan ilmoittaa myös polttoainevirta, sekä jos sytytyspelti pitää olla auki ainoastaan sytytysvaiheessa. Jos kyseessä on takkakiuas, tulee täyttöaukon ympärillä oleva seinä olla palamatonta A1-luokan materiaalia. (RIL 2015)
3. AINEISTO JA MENETELMÄT
3.1. MITTAUSJÄRJESTELMÄ
Tämän työn mittaukset suoritettiin Itä-Suomen yliopiston Ympäristö- ja biotieteiden laitoksen Pienhiukkas- ja aerosolitekniikan laboratorion pienpolttosimulaattorissa (SIMO) (Kuva 2). Pienpolttosimulaattorissa tehdään mittauksia, joiden tavoitteena on parantaa tulisijojen polttotekniikkaa, testata tulisijojen automatisointia ja älykästä teknologiaa sekä vähentää puunpienpoltosta aiheutuvia päästöjä.
Pienpolttosimulaattori simuloi normaalia omakotitaloa, jossa ilmanvaihto tapahtuu ilmanvaihtokoneen ja korvausilman avulla. Simulaattoriin kuuluu kaksi merikonttia, joista toisessa on mittalaitteet (kts. 3.1.2.) ja näytteenotto- sekä laimennusjärjestelmä, ja toisessa saunahuone. Kiuasmittaukset tehtiin saunakontissa (Kuva 3), johon on rakennettu normaalia saunatilaa simuloiva saunahuone. Huoneen yksi seinä on liikuteltavissa, jolloin on mahdollista testata useampaan eri huonekokoon sopivia kiukaita. Pienpolttosimulaattorin saunahuoneen olosuhteet ja mittalaitteet mukailevat soveltuvin osin nykyisen jatkuvalämmitteisten kiukaiden mittausstandardin EN 15821 asettamia olosuhteita.
Kuva 2. Pienpolttosimulaattori. Kuvassa edessä mittauskontti ja oikealla saunakontti.
Kuva 3. Saunakontti (kuva: Sampsa Väätäinen).
3.1.1. Mittaukset
3.1.1.1. Olosuhteet
Olosuhteet saunahuoneessa ovat mahdollisimman samanlaiset kuin normaalissa loppukäyttäjän saunassa. Saunahuoneen ilmanvaihto toimii saunakonttiin yhteydessä olevan mittauskontin kautta, jossa ilmanvaihtokone tuo tuloilman ja vie poistoilman. Tuloilmaputki sijaitsee kiukaan takana lattian tasolla, kun taas poistoilmaputki sijaitsee saunahuoneen katossa lauteiden yläpuolella.
Ilmanvaihtokerroin eli tunnin kuluessa huonetilaan virrannut ulkoilmavirta huonetilan ilmatilavuutta kohti saunahuoneessa määritetään saunahuoneen poistoputkesta kulkevasta ilmamäärästä.
Savukaasut johdetaan noin kuusi metriä pitkää ja 180 mm halkaisijaltaan olevaa vaakasuoraa piippua pitkin mittakontin kautta katolle. Veto piipussa saadaan aikaiseksi portaattomasti säädeltävällä savukaasuimurilla, mikä sijaitsee mittakontin katolla. Piippuveto mitataan saunahuoneen ja piipun välisenä paine- erona (Kuva 4).
Kuva 4. Pienpolttosimulaattorin ilmanvaihdon sekä savukaasun kaaviokuva.
Ilmanvaihtokanaviston mittakaava viitteellinen.
Lämpötiloja mitataan yhteensä 44 mittauspisteestä: savukaasusta, laimennusilmasta, huoneilmasta sekä pinnoilta. Lämpötila-antureina käytetään K- tyypin termoelementtejä. Lämpötila-arvoja käytetään laskennassa muun muassa, kun määritetään kiukaan tehoa sekä savukaasun yli-ilman mukana menevää lämpöhäviöitä.
Kuva 5. Näytteenottojärjestelmän kaaviokuva.
3.1.1.2. Kaasupäästöjen mittaaminen
Näyte ohjataan kaasuanalysaattoreille suoraan savukaasusta keraamisen suodatinyksikön läpi eristettyä ja lämmitettyä näytelinjaa pitkin.
Kaasuanalysaattori Siemens Fidamat 6:a käytetään hiilivetyjen kokonaismäärään (THC) kvantitatiiviseen määrittämiseen. Fidamat 6:n mittausperiaatteena on liekki-ionisaation tunnistaminen (FID, flame ionization detection) (Kuva 6).
Liekki-ionisaatiossa hiilivetyjä poltetaan vetyliekissä, muodostuu reaktiossa ioneja, jotka muutetaan sähkövirraksi sähkökentän avulla. Mitattu sähkövirta on verrannollinen hiilivetyatomien lukumäärään, jolloin saadaan hiilivetyjen kokonaismäärä analysoitua savukaasunäytteestä. Fidamat 6:n määritysraja täydellisissä olosuhteissa on noin 30 ppb ja mittausvirhe < 1 % mitatusta arvosta.
(Siemens 2006)
Selite: 1. Liekki; 2. Kvartsisuutin; 3. Palamisilma (paineilmaa); 4. Näyteilma; 5.
Palamiskaasu (Vety); 6. Mittaelektrodi; 7. Vahvistin
Kuva 6. Fidamat 6 mittalaitteen toimintaperiaate (Kuva: Siemens 2006).
Työssä käytettiin kahta Siemens Ultramat 23 -kaasuanalysaattoria häkäkaasun, hiilidioksidin, hapen ja typpioksidin määrittämiseen; toinen mittasi CO2, O2 ja NO -pitoisuuksia ja toinen CO-pitoisuutta. Siemens Ultramat 23 - kaasuanalysaattorit perustuvat molekyylispesifeihin infrapunasäteilyn absorptioihin. Infrapunalähde emittoi säteilyä, joka kulkiessaan näytekammion läpi heikkenee näytekaasun absorption takia. Tämä infrapunasäteilyn intensiteetin muutos on verrannollinen mitattavan kaasukomponentin (CO2, NO ja CO) pitoisuuteen. (Morris & Xin 2012)
Hapen konsentraatiota mitataan paramagneettisella happimittarilla, jonka toiminta perustuu kahden pysyvän magneetin muodostamaan epäsäännölliseen magneettikenttään. Kun kaasumolekyyli joutuu magneettikenttään se saa kaksi diamagneettista onttoa palloa, jotka pyrkivät hylkimään ulkoista magneettikenttää, liikkumaan ja tämän liikkeen suuruus mitataan optisesti. Edellä mainitun liikkeen suuruus on verrannollinen näytteessä olevan hapen konsentraatioon. Ultramat 23 -kaasuanalysaattorin mittausvirhe on < 1 % mitatusta asteikosta. (Siemens 2015)
Raa’asta savukaasusta mitattiin lisäksi myös 30 yleisimpien kaasujen pitoisuuksia Gasmet DX4000 FTIR -kaasuanalysaattorilla. Kaasujen konsentraatioita analysoidaan mittaamalla infrapunasäteilyn muutosta johtuen kullekin kaasulle spesifisistä absorptioista (Gasmet Technologies). Gasmet FTIR - kaasuanalysaattori mittaa kaasujen pitoisuuksia kosteassa savukaasussa, joka korjataan kuivaksi pitoisuudeksi tietokoneen ohjausjärjestelmän laskennassa.
3.1.1.3. Hiukkaspäästöjen mittaaminen
Hiukkasnäyte kerätään suoraan savukaasusta, jossa esierottimena toimii sykloni, joka poistaa karkeat hiukkaset (>10 µm) näytteestä saattamalla hiukkaset pyörivään liikkeeseen, jolloin suurimmat hiukkaset iskeytyvät syklonierottimen seinämiin. Hiukkasnäyte lämmitetään ulkoisella lämmittimellä noin 200 ºC:een ja laimennetaan huoneen lämpöisellä (22 ºC), hiukkasvapaalla sekä öljyttömällä
paineilmalla. Laimennus saadaan aikaiseksi kaksivaiheisella laimennusjärjestelmällä, jossa on peräkkäin huokoisenputkenlaimennin (PRD) sekä ejektorilaimennin (ED) (Tissari 2005) (Kuva 5). Lämmitetyn näytevirran sekä huokoisenputken- ja ejektorilaimentimen yhdistelmää käytetään, koska siinä ei tapahdu huomattavaa hiukkashäviötä hiukkasten deposition tai termoforeesin eli lämpötilaerosta johtuvan diffuusion takia (Lyyränen ym. 2004; Sippula ym. 2008;
Sippula ym. 2012). Laimennussuhde säädetään vakioksi ohjausjärjestelmän automaattisella säädöllä huokoisenputken- ja ejektorilaimentimelle syötettävien ilmamäärien avulla. Laimennuskerroin määritetään raa’an savukaasun ja laimennetun savukaasun hiilidioksidipitoisuuksien suhteella sekä taustapitoisuuden avulla yhtälöllä kaksi (Tissari 2008).
𝐷𝑅 = 𝐶𝑂2,𝑠𝑘−𝐶𝑂2,𝑡
𝐶𝑂2,𝑙−𝐶𝑂2,𝑡
(2)
missä CO2,sk = hiilidioksidipitoisuus raa’assa savukaasussa, CO2,t = hiilidioksidin taustapitoisuus ja CO2,l = hiilidioksidipitoisuus laimennetussa savukaasussa.
Laimennetusta savukaasusta mitattiin hiukkaslukumäärää (CPC, ELPI), hiukkasten lukumäärä ja kokojakaumaa (ELPI), hiukkasmassapitoisuutta (ELPI, PM1-suodatinkeräys), sekä mustahiilipitoisuutta (Etalometri) ja analysoitiin PM1- suodatinnäytteistä OC, EC ja PAH-yhdisteiden pitoisuuksia.
Kondensaatiohiukkaslaskuri eli CPC mittaa hiukkasten lukumääräpitoisuutta tiivistämällä butanolihöyryä hiukkasten pinnalle, jolloin hiukkasten koko kasvaa ja laite kykenee laskemaan optisesti hiukkaset (Cheng 2001). Mittauksissa käytetty malli 3776 UCPC (Ultrafine Condensation Particle Counter) kykenee mittaamaan pienempiä hiukkasia kuin normaali CPC. UCPC:llä voidaan mitata ultrapieniähiukkasia, jotka ovat halkaisijaltaan jopa vain 2,5 nm. CPC:llä voidaan käyttää kahta virtausnopeutta: 1,5 l/min ja 0,3 l/min. (TSI 2006) Mittauksissa käytettiin 1,5 l/min virtausta, koska se vähentää erityisesti pienten hiukkasten hiukkasdiffuusiosta johtuvia häviöitä (Hinds 1999).
ELPI (Electric Low Pressure Impactor) eli sähköinen alipaineimpaktori mahdollistaa reaaliaikaisen hiukkaskokojakauman ja konsentraation mittaamisen 7 nm-10 µm välillä (Baltensperger ym. 2001). ELPI:n toimintaperiaate voidaan jakaa kolmeen osaan: hiukkasia varaavaan yksikköön, kaskadi-impaktoriin ja
sähkövirran mittaukseen. Hiukkasia varaava yksikkö koostuu yksinapaisesta koronavaraajasta, joka antaa varauksen mitattaville hiukkasille. Varatut hiukkaset imetään vakuumipumpulla 12-tasoiselle kaskadi-impaktorisysteemille, jossa eri aerodynaamisen halkaisijan omaavat hiukkaset depositoituvat eri tasoille.
Hiukkasten tasolle luovuttamat varaukset mitataan, ja mitattu virta on verrannollinen hiukkaslukumääräkokopitoisuuksiin. Massajakauma lasketaan olettamalla hiukkasille tiheysarvo, yleensä 1 g/m3. (Dekati 2008). ELPI:n yhtenä ongelmana on hiukkasten pomppaaminen impaktiotasoilta sekä diffuusiosta johtuvat häviöt tai sähköiset häviöt, jotka voivat vaikuttaa massakoko- ja hiukkaslukumääräjakaumaan sekä –pitoisuuteen (Tissari ym. 2007).
Etalometri (malli Aethalometer AE33) mittaa aerosolihiukkasten mustahiili pitoisuutta jatkuvatoimisesti ohjaamalla aerosolivirran tiettyyn kohtaan filtteriteippiä. Etalometri analysoi aerosolinäytettä vertaamalla valon kulkeutumista kahden näytekohdan läpi, kohtaan, jossa ei ole näytettä (Drinovec ym. 2015). Analyysiä tehdään seitsemällä optisen alueen aallonpituudella lähes infrapunasta ultraviolettiin asti (370-950 nm). Vaikka etalometri mittaakin valoabsorptiota seitsemällä aallonpituudella, käytetään kanavan kuusi (880 nm) tulosta raportoitaessa mustan hiilen konsentraatioita näytteessä. Tulokset kahdesta mittauspisteestä yhdistetään, jolloin saadaan hiukkasten valoabsorption suuruus sekä mustan hiilen massakonsentraatio. (Hansen ym. 1982; MageeScientific 2016) CPC:lle ja etalometrille käytetään lisäksi ylimääräistä laimennusta (ED), jossa hiukkasnäytteen sekaan syötetään vielä lisää laimennusilmaa. Laimennuskerroin vaihtelee mittausten välillä hiukan (noin 7,0-9,0), mutta se on keskimäärin noin kahdeksan, jolloin kokonaislaimennuskertoimeksi CPC:lle ja etalometrille saadaan noin 600.
OC/EC suodattimia ennen näytelinjassa on esierotin, joka leikkaa kaikki yli yhden mikrometrin aerodynaamiselta halkaisijaltaan olevat hiukkaset pois. OC ja EC eli orgaanisenhiilen ja alkuainehiilen pitoisuuksia määritettiin keräämällä näytettä teflon- ja kvartsisuodattimille (Tissari 2008). Teflonsuodattimille kertyneestä massasta saatiin PM1-hiukkaspitoisuus näytevirrassa. Teflonsuodattimilta määritettiin myös 30 yleisimmän polysyklisen aromaattisen hiilivedyn määrä, mukaan lukien syöpää aiheuttavaksi määritelty bentso(a)pyreeni (Bari ym. 2011;
Kaivosoja ym. 2012). PAH-määrityksessä hiukkasnäyte uutetaan liuottimeen ennen kuin se syötetään kaasukromatografimassaspektrometriin, jolla määritetään näytteen PAH-koostumus (Lamberg ym. 2011).
3.1.1.4. Laskenta
Kaikki data mittalaitteista sekä lämpötila- ja virtausmittareista kerätään yhteen LabView-pohjaisen ohjausjärjestelmän avulla. Ohjelma laskee mitatuista päästöistä reaaliaikaisesti 13 % happiredusoidut pitoisuudet kuivassa savukaasussa. Happiredusointi tehdään yhtälöllä kolme (Tissari 2008)
𝑟 =
20,96−13,0020,96−𝑂2 (3)
missä O2 = kuivan savukaasun happipitoisuus (%) ja 20,96 = ilman happipitoisuus.
Hiukkaspäästöille lasketaan ohjausjärjestelmässä myös hiukkaskerroin D. Pohjana laskennalle toimii stoikiometrisen palamisen hiilidioksidipitoisuus (CO2,st). Kun sitä verrataan hiilidioksidipitoisuuteen laimennusilmassa (CO2,l), saadaan normalisointikerroin 0 %:iin happea. Tämän lisäksi, koska CO2 ja O2
konsentraatiot ovat linkittyneet toisiinsa palamisessa, voidaan normalisoitu O2
(O2,red) pitoisuus vähentää stoikiometrisesta hiilidioksidipitoisuudesta ja saada normalisoitu päästökerroin. Kun otetaan huomioon laimennusilman hiilidioksidipitoisuus (CO2,t), saadaan muodostettua yhtälö neljä, jolla hiukkaskerroin D lasketaan.
𝐷 =
𝐶𝑂2,𝑠𝑡−𝑂2,𝑟𝑒𝑑−𝐶𝑂2,𝑡𝐶𝑂2,𝑙−𝐶𝑂2,𝑡 (4)
Redusoidut pitoisuudet saadaan kertomalla hiukkaskerroin ja komponentin raakapitoisuus keskenään.
Sähköisen alipaineimpaktorin keräämä data muunnettiin ELPIVI-ohjelman avulla muotoon dN/dlogDp ja edelleen geometriseksi keskiarvohalkaisijaksi (GMD) yhtälöllä viisi (Hinds 1999).
𝐺𝑀𝐷 = 𝑒
(∑ ∆𝑁∗𝑙𝑛𝐷𝑖𝑖𝑁𝑘𝑜𝑘 ) (5)missä ∆N = kanavassa i tietyllä ajanhetkellä laskettu kokonaishiukkaslukumäärä, Di = kanavan i leveys ja Nkok = hiukkasten kokonaislukumäärä tietyllä ajanhetkellä.
3.2. POLTTOKOKEET
Tässä tutkimuksessa käytetty polttotapa (FINE) on jatkuvalämmitteisten saunan puukiukaiden standardin olosuhteita ja kiukaiden käyttöohjeita soveltava menetelmä.
Mittausmenetelmässä kiuasmittausolosuhteet sekä käyttötapa ovat vakioitu, jotta mittaustulokset olisivat riippumattomia mittaajasta ja vain kiukaan ominaisuudet merkitsisivät. Mittausmenetelmä mukailee standardin EN 15821 testausolosuhteita, mutta eroaa siitä osin, jotta kiukaiden välisiä eroja voitaisiin verrata luotettavasti sekä toistettavasti.
Mittauksissa käytetyssä FINE-mittausmenetelmässä saunatilan tilavuus on vakio 16 m3 pienille (8-16 m3) ja keskisuurille (16-20 m3) -kiukaille. Myös poltettavan puun määrä on vakioitu kolmeen panokseen ja yhteensä seitsemään kilogrammaan koivua, kosteudeltaan 10-20 %. Mittausmenetelmässä sytytyspanoksena on kolmen kilon panos, joka koostuu 3×500 + 3×250 + 4×100 + 150/4 + 200 (sytykkeet) gramman klapeista. Ensimmäisenä lisäyksenä poltetaan noin kolme kiloa puuta (6×500 g) ja toisena lisäyksenä yksi kilogramma (2×500 g) puuta. Sytytyspanoksen ladonta on vakioitu, jotta muuttujia olisi mahdollisimman vähän (Kuva 7). Mittausmenetelmässä puun lisäykset sekä testin lopettaminen tehdään, kun savukaasun CO2-pitoisuus laskee noin 3 % tai neljännekseen edeltävän polttopanoksen huippuhiilidioksidipitoisuudesta.
Kuva 7. Mittauksissa käytetyn sytytyspanoksen ladonta.
Mittauksissa käytettävä ilmanvaihtokerroin määritetään etukäteen, ennen kiukaan sytytystä, ja asetetaan kolminkertaiseksi. Kolminkertainen ilmanvaihtokerroin valittiin testausmenetelmään, koska hypoteesina oli, että pienemmällä ilmanvaihtokertoimella saunatila lämpenisi tehokkaammin, koska lämmin ilma ei karkaisi niin nopeasti huoneesta pois. Lisäksi kolminkertainen ilmanvaihto on lähempänä todellisia olosuhteita ja rakennusohjemääräyksen mukaista ilmanvaihtoa, kuin standarditesteissä käytetty kuusinkertainen ilmanvaihtokerroin (Ympäristöministeriö 2003; BSI 2016).
Toisaalta, koska osa kiukaiden aiheuttamasta saunahuoneen lämmityksestä tapahtuu kiukaan rakenteen läpi kulkevan ilman konvektion avulla, voi ilmanvaihtokertoimen pienentäminen myös hidastaa saunan lämpiämistä.
Mittauksissa kiukaan veto saadaan aikaiseksi huippuimurilla, jota ohjataan tietokoneen ohjausjärjestelmällä. Kiukaan veto säädetään mittausten alussa 6 Pa:iin ja kiukaan läpi kulkeva virtaus mitataan Airflow LCA-301 siipipyöräanemometrillä, jotta voidaan varmistaa vedosta aiheutuvan virtauksen olevan sama jokaisessa mittauksessa. Vetoa piipussa ei säädetä mittausten aikana vaan sen annetaan kehittyä luonnollisesti palamisen ja savukaasukanaviston lämpeämisen vaikutuksesta.
3.3. KIUKAAT
Mittauksissa käytettiin kahdeksaa erikokoista ja -mallista kiuasta (Taulukko 2).
Kiuasmallit kuvaavat yleisesti käytössä olevia kiukaita ja yleisiä valmistajia Suomessa.
Testauksessa käytetyt kiukaat hankittiin rautakaupasta ja jokaisen kiukaan mukana tuli käyttöohje sekä muut kuluttajapakettiin kuuluvat lisätarvikkeet. Kiukaita esilämmitettiin ulkoilmassa ohjeiden mukaisesti ennen mittauksia, sekä jokaisella kiukaalla suoritettiin vähintään kolme toistotestiä. Ylimääräisiä testejä suoritettiin, jos joku kolmesta testistä epäonnistui.
Taulukko 2. Mittauksissa käytetyt kiukaat, kiukaiden mallit, hyötysuhteet sekä kivimäärät.
Saunahuoneen maksimi tilavuus (m3)
Teho (kW)*
Kiukaan malli Hyötysuhde (%)*
Kivimäärä (kg)
Kiuas 1 16 20,0 Peruskiuas 69,0 50
Kiuas 2 16 17,9 Peruskiuas 66,1 36
Kiuas 3 16 16,0 Peruskiuas 75,6 28
Kiuas 4 16 17,7 Verkkokiuas 71,0 70
Kiuas 5 16 16,0 Verkkokiuas 69,0 60
Kiuas 6 20 24,1 Peruskiuas
vesisäiliöllä
68,0 40
Kiuas 7 20 24,1 Peruskiuas 68,0 40
Kiuas 8 20 25,8 Peruskiuas 75,4 70
*Suoritustasoilmoituksessa määritetty arvo.
3.4. MITTAUSMATRIISI
Tutkimuksessa suoritettiin mittaussarja kevään ja kesän 2018 aikana, jossa tavoitteena oli selvittää ilmanvaihtokertoimen, kivien määrän sekä käyttötavan vaikutusta päästöihin ja saunahuoneen lämpiämiseen. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin kiukaiden välisiä eroja päästöissä. Taulukossa 3 on esitetty tutkimuksessa suoritetut mittaukset ja saatuihin tuloksiin mahdollisesti vaikuttavat parametrit.
Taulukko 3. Tutkimuksessa suoritetut mittaukset, testattavat parametrit sekä panosten lukumäärät ja massat. CE käyttötapa viittaa standardikäyttötapaan ja FINE viittaa tutkimuksen omaan mittausmenetelmään.
Testi- numero
Kiuas numero
Testattava parametri
Käyttötapa Panosten lkm.
Sytytyspanos (kg)
Puumäärä (kg)
1 1 Vertailu CE 2 4 7
2 1 Vertailu/Päästöt FINE 3 3 7
3 2 Vertailu CE 2 3,5 7,5
4 2 Vertailu/Päästöt FINE 3 3 7
5 6 Päästöt FINE 3 3 7
6 1 IV6 FINE 3 3 7
7 1 IV0 FINE 3 3 7
8 1 Kivillä IV3 FINE 3 3 7
9 1 Ilman kiviä IV3 FINE 3 3 7
10 3 Päästöt FINE 3 3 7
11 3 Päästöt FINE &
käyttöohje
2 2,5 4
12 8 Päästöt FINE 3 3 7
13 8 Päästöt FINE 3 3 7
14 4 Päästöt FINE 3 3 7
15 5 Päästöt FINE 3 3 7
16 7 Päästöt FINE 3 3 7
Taulukossa kolme esitetyssä testeissä 1-4 verrattiin FINE-mittausmenetelmää ja CE- mittausmenetelmää, kuten on esitetty kappaleessa 3.4.2. Mittausolosuhteiden vaikutuksia testattiin testinumeroissa 6-9, kuten on esitetty kappaleessa 3.4.1. ja testeissä 10-16 sekä 2, 4 ja 5 testattiin FINE-mittausmenetelmän mukaisesti eri valmistajien kiuasmalleja, jotta saatiin tuotettua vertailukelpoista dataa kiukaiden päästöistä.
3.4.1. Mittausolosuhteiden vaikutuksen testaus
Mittauksilla tutkittiin saunan olosuhteiden ja käyttötapojen vaikutusta saunan lämpiämiseen sekä siitä aiheutuviin päästöihin. Tutkittaviksi parametreiksi valittiin ilmanvaihtokertoimen suuruuden vaikutus päästöihin ja saunatilan lämpiämiseen sekä kivimäärän vaikutus päästöihin sekä saunan lämpiämiseen (Taulukko 3).
Mittausolosuhteiden vaikutusten testauksessa testit toistettiin aina vähintään kolme kertaa, jotta saatiin selville myös, millaista hajontaa mittauksissa keskimäärin oli.
Ilmanvaihtokertoimen vaikutusta päästöihin, sekä saunan lämpiämiseen testattiin kiukaalla yksi (testit 6-9) suorittamalla poltot tutkimuksen FINE-mittausmenetelmän mukaisesti. Kiukaalla testattiin kolmea eri ilmanvaihtokerrointa; valitut ilmanvaihtokertoimet olivat 0 (saunan poistoilmanvaihto kiinni), 3-kertainen ilmanvaihto ja 6-kertainen ilmanvaihto. Ilmanvaihdon vaikutusta saunan lämpeämiseen seurattiin tarkkailemalla polton aikana saunatilan lämpötiloja.
Kivimäärän vaikutusta saunan lämpiämiseen sekä kiukaan päästöihin tutkittiin suorittamalla FINE-mittausmenetelmän mukaiset kokeet kiukaalla yksi (testit 9-10), ilman kiviä sekä referenssinä kivien kanssa.
3.4.2. Vertailu standardin EN 15821 mittausmenetelmään
Tutkimuksessa verrattiin SIMO-kontissa kehitettyä FINE-mittausmenetelmää ja olosuhteita, standardissa EN 15821 määriteltyyn mittausmenetelmään sekä olosuhteisiin. Vertailu suoritettiin tekemällä mittaukset, joissa SIMO-mittalaitteistoa ja kiuastestauspenkkiä käytettiin standardimittauskäyttötavalla kiukailla 1 ja 2 (testit 1- 4). Standardimittauskäyttötapaa käytetään CE-merkintää varten todellisissa standardimittausolosuhteissa, joten vertaamalla tutkimuksen laitteistolla saatuja tuloksia CE-merkinnän tuloksiin hyötysuhteen, lämmöntuottotehon, häkäpitoisuuden sekä savukaasun lämpötilan suhteen, saadaan tietoon kuinka paljon tutkimuksen laitteistolla saadut tulokset eroavat standardimittauslaitteistolla saaduista tuloksista.
Mittauksissa käytetty standardimittauskäyttötapa oli jatkuvalämmitteisten kiukaiden standardin EN 15821 sekä kiukaiden mukana tulleiden käyttöohjeiden mukainen.
Käyttötapa vaihteli eri kiukaiden välillä, sillä poltettavan puun määrässä oli eroja kiukaiden käyttöohjeiden välillä. Testeissä käytetty CE-testaustapa erosi standardin mukaisesta testaustavasta siten, ettei käytetty erillistä sytytyspanosta testin alussa vaan sytykkeet olivat ensimmäisen panoksen päällä. Kaikille CE-standardimittausten kiukaille yhteistä oli päältä sytyttäminen, tuhkaluukun asento 20 mm auki, polttopuun lisäys neljäsosassa edeltävän panoksen huippuhiilidioksidiarvosta, saunahuoneen
lämpötilan saavuttaminen 90 ºC sekä saunahuoneen kuusinkertainen ilmanvaihto.
Myös mittaus loppui, kun saunahuoneen lämpötila saavutti 90 ºC.
4. TULOKSET JA TULOSTEN TARKASTELU
4.1. ESIMERKKEJÄ REAALIAIKAISESTA MITTAUSDATASTA
SIMO-kontin laitteistolla tehdyistä kokeista saatua reaaliaikaista dataa on esitelty kuvissa 8-12. Kuvissa on tiedonkeruujärjestelmän keräämää reaaliaikaista dataa polton ajalta. Kyseessä on FINE-mittausmenetelmällä tehty päästömittauspoltto kiukaalla seitsemän (testi 18).
Kuvassa kahdeksan on esitetty hiilidioksidin kehityskäyrä koko polton aikana mitattuna Ultramat-kaasuanalysaattorilla. Hiilidioksidikäyrä on tavanomaisen muotoinen panospoltolle; hiilidioksidi nousee jyrkästi sytytyksessä ja jokaisen panoslisäyksen alkuvaiheessa (Kuva 8). Myös laimennusilman hiilidioksidipitoisuutta mitataan, koska sitä käytetään laskennassa.
Kuva 8. Kiukaan seitsemän yksittäisen polton hiilidioksidipitoisuus ajan funktiona.
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0
0 500 1000 1500 2000 2500
0 20 40 60 80
CO
2sa vuk aasu (%) CO
2(ppm)
Aika (min)
Laimennusilma (ppm) Laimennettu savukaasu (ppm) Savukaasu (%, Ultramat)
Savukaasun happipitoisuus laskee sytytyksen jälkeen jyrkästi, sillä suuri osa hapesta käytetään hiilen hapettamiseen hiilidioksidiksi. Samalla usein myös hiilimonoksidipitoisuus kasvaa, koska voimakkaan palamisen aikana happea on liian vähän ja hiili hapettuu vain osittain hiilimonoksidiksi (Kuva 9).
Hiilimonoksidipitoisuus kasvaa myös jokaisen panoksen loppupuolella, jolloin palamisolosuhteet ovat heikentyneet (van Loo & Koppejan 2008). Tässä tapauksessa joko hiillos ei pääse reagoimaan palamisilman hapen kanssa hitaan diffuusion takia tai lämpötila on liian alhainen hiilimonoksidin polttamiseen.
Kuva 9. Kiukaan seitsemän yksittäisen polton hiilimonoksidi- ja happipitoisuudet ajan funktiona.
Kuvassa 10 on esitetty hyötysuhteen reaaliaikainen kehityskäyrä koko polton ajalta.
Hyötysuhde laskee nopeasti savukaasun hiilidioksidipitoisuuden laskiessa (Kuva 8;
Kuva 10) ja koska hyötysuhde lasketaan koko polton keskiarvona, on polton laskennallinen hyötysuhde vain 67 %. Jos lisäykset tehtäisiin aikaisemmin kuin
0 5 10 15 20 25
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
0 20 40 60 80
O
2(%)
C O ( p p m )
Aika (min)
Hiilimonoksidi (ppm, Ultramat) Hiilimonoksidi (ppm, FTIR) Laskennallinen happi (%)
sovitussa 3 % tai neljäsosassa kuluvan panoksen hiilidioksidipitoisuuden huippuarvoa, saataisiin laskennallista hyötysuhdetta nostettua. SIMO-kontin mittalaitteistolla saadaan mitatuksi kiukaan reaaliaikainen hyötysuhde, kun taas standardimittausmenetelmässä hyötysuhde määritetään keskimääräisten arvojen perusteella.
Kuva 10. Kiukaan seitsemän yksittäisen polton reaaliaikainen hyötysuhde ajan funktiona. Punainen viiva on hyötysuhteen keskiarvo koko polton ajalta. Sininen viiva kuvaa testin lopettamisajanhetkeä.
Saunahuoneen sekä saunahuoneessa olevien rakenteiden lämpötilat nousevat nopeasti sytytyksen jälkeen ja niiden nousu hidastuu selvästi panoksen loppupuolella (Kuva 11).
Lauteet lämpenevät nopeammin kuin muut saunahuoneen turvaetäisyyksien pinnat, koska lauteiden anturi on hieman lähempänä kiuasta. Saunahuoneen lämpötiloja kiukaan ympärillä mitataan, koska kiuasvalmistajien ilmoittamien suojaetäisyyksien lämpötiloja täytyy nykyisen standardin EN 15821 mukaan mitata, jotta voidaan varmistua, että kiuas on turvallinen käyttää.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 20 40 60 80
Hy öty suh d e (%)
Aika (min)
Kuva 11. Kiukaan seitsemän yksittäisen polton lämpötilat ajan funktiona.
Hiukkaspitoisuuksien osalta reaaliaikaista mittausdataa saadaan muun muassa hiukkasten lukumäärä-, massa- ja mustahiilipitoisuuksista. Kiukaalle seitsemän tehdyssä päästömittauspoltossa hiukkaslukumääräkokojakauma kehittyi panospolttoisille laitteille tyypilliseen tapaan; hiukkaskoko kasvoi hetkellisesti jokaisen lisäyksen jälkeen, mutta palasi takaisin normaalille tasolle pian lisäyksen jälkeen (Kuva 12). Polton hiukkasten keskimääräinen keskihalkaisija oli noin 120 nm, mutta erityisesti alussa hiukkasten keskikoko oli pientä, noin 50 nm halkaisijaltaan.
0 20 40 60 80 100 120
0 20 40 60 80
Läm p ötila ( °C)
Aika (min)
Katto Lauteet
Seinä kiukaan takana Seinä kiukaasta vasemmalla Sauna
