www.biohousing.eu.com Tulisijat omakotitalojen lämmityksessä Polttoaineen laatuvaatimukset ja polttotekniikka Jyväskylän ammattikorkeakoulu 28.3.2008 & Ari Erkkilä, VTT 1
Polttopuun käyttö, laatu ja varastointi Kuvat: VTT, www.halkoliiteri.com 2
Puupolttoaineen käyttö pientaloissa 2006 Puupolttoaineita käytettiin pientalossa lähes 8 miljoonaa pinokuutiota. Suurin osa käytetään pilkkeenä tulisijoissa, joita on yli 2 miljoonaa. Teollisuusrakennukset 14 % Maatalousrakennukset 5 % Pientalot yht. 42 % Asuinkerrostalot 17 % Palvelurakennukset 22 % Kuva: Smart-Splitter Rakennusten energiankulutus yhteensä 33 644 GWh 1 GWh= 1 milj.kwh 3 Lähde: Energiatilastot 2007
Polttopuukauppa Suomessa Käyttäjä Omakotitalot Maatilat Määrä, milj.m 3 3,1 2,2 Ostopuulaji Halko % 34 Vapaa-ajan asuunnot Yhteensä 0,7 6,0 Pilke Ranka 25 20 Rakennustähde 9 Metsätähde 8 Pystypuusto 3 Yhteensä 1,1 miljoonaa m 3 4 Suomessa on noin 2 000 pilkekauppiasta, joista noin 200 saa pääosan toimeentulostaan pilkkeitä myymällä. Kaupallisen polttopuun myyntivolyymi asiakkaalle toimitettuna on noin 60 miljoonaa euroa vuodessa. Lähde:Työtehoseuran metsätiedote 15/2002 Yksikkö: kiinto-m 3 on noin 2 000 kwh
Polttopuun laatu Kaikki Suomessa kasvavat puulajit soveltuvat polttopuuksi ominaisuudet huomioon käyttötarpeen ja -mukavuuden mukaan Poltettavuuden kannalta laadun tärkein tekijä on alhainen puun kosteus --> syttyy hyvin, hyvä lämpöarvo (vesipitoisuus, paino-%, veden osuus kokonaismassasta) kaatotuore noin 50 p-% sopivin poltettavaksi 15-20 p-% sopiva pilkekoko Muut laatutekijät ei sieni- ja homekasvustoja 5
Polttopuun kuivaus Koivupilkkeiden kuivuminen ja kosteuden vuodenaikainen vaihtelu Pilkkeet katetussa verkkokehikossa (3,5 m3) ulkona varjoisessa paikassa 50 45 40 2003 2004 2005 Kosteus, p-% 35 30 25 20 15 Tavoite 10 5 0 maalis kesä syys joulu maalis kesä syys joulu maalis kesä syys 6
Polttopuun on oltava kuivaa Tulisijapolttoaineelle suositus 15 20 % Palaminen on tehokkaampaa Päästöt ovat pienemmät Uunista saadaan parempi lämmitysteho, koska kuivan puun lämpöarvo on suurempi 40 %:n kosteudessa olevaa puuta tarvitaan noin 30 % enemmän 1 kg PUUTA ENERGIAA 24 % vähemmän energiaa 3,75 kwh 2,86 kwh 25 % vettä 40 % vettä 25 % 40 % Jos poltat noin 10 kg koivua, joudut höyrystämään vettä 2,5 kg (25 %:n kosteudessa olevaa puuta) 4,0 kg (40 %:n kosteudessa olevaa puuta) Yhden vesikilon haihduttaminen vie energiaa 0,75 kwh 7 Lähde: Alakangas, Taloustulisijojen käyttö, Rakennustieto Oy, 1992
Erilaisia kuutiometrejä käytössä KIINTOkuutiometri Käytetään tilastoissa PINOkuutiometri IRTOkuutiometri Myyntiyksikkö Pilkkeiden mittayksiköiden väliset muuntokertoimet (Työtehoseura) Mittayksikkö Irto-m 3 Pino-m 3 Kiinto-m 3 Irtokuutiometri, pilke (330 mm) 1 0.6 0.4 Pinokuutiometri, pilke (330 mm) 1.68 1 0.67 Pinokuutiometri, halko (1000 mm) 1.55 1 0.62 Kiintokuutiometri 2.5 1.5 1 Pilkkeet myydään yleensä heitto- eli irtokuutioina. 8 10/2003
Pilkkeiden lämpöarvoja 20 p-%:n kosteudessa Puulaji Lämpöarvo Lämpömäärä Lämpömäärä (kwh/kg) (kwh/irto-m 3 ) (kwh/pino-m 3 ) Koivu 4,15 1 010 1 700 Mänty 4,15 810 1 360 Kuusi 4,10 790 1 320 Leppä 4,05 740 1 230 Haapa 4,00 790 1 330 9
Puulajien vertailu energian kannalta Koivu on tiheää puuta, joten sen lämpöarvo tilavuusyksikössä on korkein Koivupilke 1 700 kwh/ pino-m 3 (1010 kwh/irto-m 3 ) Mänty ja kuusi 1300 1350 kwh/pino-m 3 (790 810 kwh/irto-m 3 ) Leppä 1 230 kwh/pino-m 3 (740 kwh/irto-m 3 ) Puubriketti 3 120 kwh/irto-m 3 Puupelletti 3 000 kwh/irto-m 3 Hyödyksi saat varaavissa uuneissa noin 80 85 % eli 1 heitto-m 3 koivupilkettä tuottaa noin 800 850 kwh lämpöä. Koivussa noin 15 %:a enemmän energiaa samassa tilavuudessa. Tiheä puu (esim. koivu) kaasuuntuu hitaammin ja päästöt ovat pienemmät Lähde: Alakangas, Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia, VTT Tiedotteita 2045 (www.vtt.fi/inf/pdf/tiedotteet/2000/t2045.pdf) 10
Kuivien pilkkeiden varastointi Estettävä kastuminen pilkkeet helppo sytyttää, lämpöarvo säilyy estää home- ja sienikasvuston syntymisen Hyvä polttopuuvarasto hyvin tuulettuva, ilmankierto esteettä pinojen alla, ympärillä, välissä sateelta ja kosteudelta suojaava tilava, pientaloissa käytetään keskimäärin 6 pinokuutiota vuodessa suuret oviaukot, matalat kynnykset hyvät kulkuväylät Sisätiloissa saa säilyttää enintään 0,5 kuutiota Polttoainevarasto osastoitava, paloluokka EI30 tai EI60 Kattilahuoneessa enintään 0,5 kuutiota Autotallissa ei saa samaan aikaan säilyttää polttopuita ja moottoriajoneuvoa 11
Ulkovarasto Polttopuuvaraston etäisyys muihin rakennuksiin vaikuttaa paloteknisiin vaatimuksiin jos yli 8 m, ei paloteknisiä suojauksia vaadita jos alle 8 m, niin yleensä osastointi vaaditaan Sijainti tontin rajaan asettaa vaatimuksia paikkakunta/korttelikohtaisia eroja vaatimuksissa esim. jos alle 20 m 2 ja etäisyys yli 4 m, ei paloteknisiä vaatimuksia jos tontin rajalle yhteinen varasto naapurin kanssa, rajanpuoleiselle seinälle osastointivaatimus Polttopuun varastointi raportti (www.biohousing.eu.com) 12
Esimerkki ulkovarastosta Asuminen kalbvoista kuva 13
Ostopolttopuun hankinta Nettikauppapaikat apuna esim. www.halkoliiteri.com, www.polttopuuporssi.fi, www.mottinetti.fi Ammattimaiset polttopuuyrittäjät valmistavat myyntipilkkeen laatusuositusten mukaan Tiedustele kosteus, valmistusaika, kuivaus, varastointi Ota huomioon kaupan peruste, mistä yksiköstä on kyse - irto - pino - kiinto - massa - energiasisältö Erilaisia pakkauksia ja toimitustapoja useimmin peräkärryllä tai kuorma-autolla irtotavarana tai kuormalavoilla myös käyttövalmiina asiakkaan tiloihin esim. rullakolla Jakeluauton kulkureitti varastolle Älä jätä puita maahan kasaan kostumaan 14
Tulisijamalleja Pellettitakka Kamiina Varaava takka-leivinuuni Kuvat: Uunisepät, VTT ja Kastor Eri malleja löytyy Biohousing-projektin webbisivuilla olevasta Catalogue-osasta. 15
Varaavan tulisijan käyttö Suurin osa varaavia tulisijoja, jossa varaava massa lämmitetään polttamalla puita 2 3 tunnin ajan. Uuni luovuttaa lämmön hitaasti huonetilaan ja lämmittää noin 24 tunnin ajan. Lähde:Tulikivi Oyj 16
Uunien kehitys tehokkaampaa ja vähäpäästöistä palamista Palamisilma johdetaan tulipesän eri osiin, jolloin pesän koko tilavuus hyödynnetään Arinan läpi 20 % Paneelien läpi 40 % Tulipesän luukun kautta huuhteluilmana noin 40 % Palaminen tehostuu, josta seurauksena korkeampi hyötysuhde (noin 85 %) Päästöt pienemmät Häkä noin 700 ppm (0,07 %) Hiukkaset noin 9 mg/mj (hyvissä perinteisissä laitteissa yleensä alle 50 mg/mj) 17 Lähde:Tulikivi Oyj 1 mg/mj = 3,6 mg/kwh
Ympäristövaikutukset 18 Kuvat:Finndomo ja Tulikivi Oyj
452 kg CO 2 päästöjä kevyestä öljystä ja 0 puusta Puun poltto ei aiheuta hiilidioksidin nettopäästöjä ilmakehään 100 l KOIVUPINO - m 3 Kevyt öljy 70 l 170 litrassa kevyttä polttoöljyä on energiaa 1 700 kwh eli koivumotin verran. 170 l kevyttä öljyä tuottaa 452 kg hiilidioksidipäästöjä (CO 2 ). Puu ei aiheuta CO 2 -nettopäästöjä. Sähköntuotannon keskimääräinen hiilidioksidikerroin on 250 350 g hiilidioksidia yhtä tuotettua kwh:a kohti. Kovilla pakkasilla, kun joudutaan käynnistämään hiilivoimaa, on kerroin suurempi, jopa 600 gco 2 /kwh, silloin tulisijan käyttö on erityisen suotavaa. 19 10/2003
1. Puu kuivuu. Vesihöyry vapautuu. 2. Kaasumaiset palavat ainekset vapautuvat kuivasta puusta. 3. Kaasut syttyvät ja palavat. 4. Jäännöshiili palaa ja jäljelle jää tuhka O CO 2 2 O 2 CO, H O 2 2 Haihtuvien aineiden palaminen CO HÄKÄ HIILIVEDYT Aika Jäännöshiilen palaminen Häkä ja hiilivedet ovat epätäydellisestä palamisesta johtuvia. 3 CO ja C xh y, %, 2 1 0:00 2:59 6:00 9:00 11:59 14:59 18:00 20:59 23:59 26:59 0 20 Aika, minuuttia Lähde: Tekesin Tulisija-teknologiaohjelma
Päästöjen muodostuminen Ideaalisessa palamisessa syntyy pelkästään hiilidioksidia (CO 2 ) ja vettä (H 2 O). Päästöjä syntyy, kun polttoaineen hapettuminen ei ole täydellistä = epätäydellinen palaminen Epätäydellisen palamisen tuotteita ovat C x H y, (hiilivedyt), CO (häkä), haihtuvat orgaaniset yhdisteet (VOC:t), aromaattiset monirengashiilivedyt (PAH:t) ja hiukkaset NO x ja SO 2 -päästöt sekä osa tuhkahiukkasista vapautuu, vaikka palaminen olisi täydellistä. typen oksidi- ja rikkipäästöt ovat erittäin pieniä puun poltossa, koska puu sisältää vähän rikkiä ja typpeä Päästöjen muodostumiseen vaikuttavat Polttoaine Polttolaite/prosessi Käyttäjä Hiukkaserotuslaitteisto (ei yleensä pienlaitteissa) Lähde: Jorma Jokiniemi, VTT 21
Epätäydellinen palaminen Syynä epätäydelliseen palamiseen on palamisilman riittämättömyys ja epätäydellinen sekoittuminen palavien kaasujen kanssa, liian alhainen lämpötila, jotta palamisreaktiot ehtivät tapahtua sekä liian vähäinen viipymäaika tulipesän olosuhteissa. Epätäydellisen palamisen tuotteita ovat mm. hiilimonoksidi (CO) eli häkä, erilaiset hiilivedyt, hiilihiukkaset, noki ja pienhiukkaset. Palamisen täydellisyyttä arvioidaan yleensä savukaasujen häkäpitoisuuden (CO) ja hiilivetyjen perusteella. Mikäli CO-pitoisuus on riittävän alhainen, muita päästöjä ei savukaasuissa käytännössä juuri ole. Lähde: Heikki Oravainen, VTT 22
Orgaanisten päästöjen muodostuminen 80 % puusta kaasuuntuu, kun sitä lämmitetään ja kaasut poltetaan Orgaanisia päästöjä hiilivetyjen epätäydellisen palamisen seurauksena Jatkuvassa poltossa (stokerit, pellettipolttimet) päästöt alhaisia Epätäydellisessä palamisessa päästöt korkeita Syttymisvaihe tulisijoissa (alhainen lämpötila, huonot veto-olosuhteet) Rakoarinapoltto Kitupoltto Orgaanisia päästöjä voidaan vähentää tehokkaasti kaasuuntumisen kontrolloinnilla ja ilman ohjauksella! Lähde: Jorma Jokiniemi, VTT 23
Mitkä asiat vaikuttavat pienhiukkasten syntyyn puun pienpoltossa? Polttoaine ja sen tuhkan koostumus Puun tuhka sisältää paljon kaliumia, joka höyrystyy tulipesässä ja muodostaa myöhemmin kondensoituneita pienhiukkasia. Tämä ilmiö tapahtuu aina ja voi olla voimakkaampi hyvässä poltossa, koska lämpötila voi olla korkeampi. Jos polttoaineessa on paljon tuhkaa hiukkaspäästöt lisääntyvät Epätäydellisestä palamisesta Nokihiukkasia Tervayhdisteitä, jotka kondensoituvat (tiivistyvät) tulipesän jälkeen muodostaen pienhiukkasia Lähde: Heikki Oravainen, VTT 24
Mitä on pienhiukkaset? µ µ 9-10 m 6-9 m 5-6 µ m 3-5 µ m 2-3 µ m 1-2 µ m <1 µ m Partikkelikoko 1 µ on 0.001 mm Erilaiset hiukkaset Kokonaishiukkaset (TPS) Karkeat hiukkaset, halkaisija> 2,5 µm Pienhiukkaset (halkaisija, D < 2,5 µm) kertymähiukkaset (0,1< D> 1 µm) ultrapienet (0,01< D< 0,1µm) Hiukkasten määrä ilmoitetaan Massaa kohti (1 mg/mj =3,6 mg/kwh) Tilavuutta kohti (mg/nm 3 ) Hiukkasten lukumääränä (kpl/nm 3 ) Pienhiukkasten haitat lyhentynyt elinikä astmaoireiden paheneminen hengitys- ja sydänsairauksien oireiden lisääntyminen viihtyvyyshaitat (likaisuus, haju) 1 µm = 1 mikrometri 25
Pienhiukkasia (PM1) syntyy Puun poltto ei ole suinkaan ainut pienhiukkaslähde. Pienhiukkasia syntyy myös öljyn poltosta, liikenteestä, voimalaitoksista, teollisuudesta, kaukokulkeutuman jne. kautta. Isoissa voimalaitoksissa, joissa on savukaasujen puhdistus 0,03 11 mg/mj polttoaineesta ja polttotekniikasta riippuen. Puun pienpoltossa (< 50 kw:n laitteissa) Jatkuvassa poltossa 5 60 mg/mj Parhailla pellettilaitteilla alle 10 mg/mj Panospoltto (tulisijat) Hyvässä, tehokkaassa poltossa alle 50 mg/mj, uusissa tulisijoissa alle 9 mg/mj Laitekohtaiset arvot alle 100 mg/mj Hiilivetyjen osuus massassa kasvaa voimakkaasti, kun päästö yli 100 mg/mj Panospoltossa hetkellisesti 600 mg/mj Huonosta palamisesta seuraa yleensä suuremmat massapäästöt Lähde: Jorma Jokiniemi ja Kuopion yliopiston raportti: (www.uku.fi/laitokset/ifk/pipoloppuraportti2005.pdf) 1 mg/mj = 3,6 mg/kwh 26 8
Lämmitysohjeet varaaville tulisijoille 27
Polttopuun palakoko Sytytykseen käytetään pieniä sytykepuita, joissa on paljon palamispintaa (esim. kiehiset, pienet tikut ja tuohi) Voidaan käyttää myös sytytyspaloja tai -nestettä tai sanomalehtipaperitolloja. Kuvat: Tulikivi Oyj Hellapuut ovat pieniä (< 40 mm halkaisijaltaan), koska niillä säädetään hellan tehoa. Puun pituus määräytyy uunin mukaan ja paksuus ensimmäiselle pesälle 80 100 mm (n. 0,5 kg/pilke) ja toiselle 110 130 mm (n. 1 1,5 kg/pilke). Jaa tarvittava puumäärä useampaan panokseen (3 5 kg/panos). Lämmityskertaa varten tarvitaan 1 kg puuta /100 uunikiloa kohti 28
Puuta ladotaan uuniin liian paljon kerralla suht CO / ppm 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 panosvertailu HÄKÄ, iso 12 kg panos 200 150 100 0 50 100 150 aika min HÄKÄ, 3 pientä 4 kg panosta 350 keskipäästö 3*4 kg 300 700 ppm keskipäästö 1*12 kg 250 2000 ppm 50 0 HÄKÄ hormin keskilämpö 3*4 kg 225 C hormin keskilämpö 1* 12 kg 252 C Yksi iso panos tuottaa lähes kolminkertaiset häkäpäästöt! 29 1 ppm = 1/1 000 000 100 ppm=0,01%
Lämmityksen aloittaminen Tuhka ei saa yltää arinarautoihin. Poista tuhkat palamattomasta materiaalista tehtyyn jalalliseen ja kannelliseen astiaan. Älä laita tuhkaa kompostiin, tuhka estää pieneliöiden toiminnan! Tuhka säilyy kuumana pitkään, älä laita tuhka-astiaa puupinnalle. 30
Tarkista veto Jos tulisija on ollut käyttämättä pitemmän aikaa, tarkista veto. Vedon voi tarkistaa pitämällä tulitikkua suuluukun aukossa. Jos liekki ei taivu uuniin päin, polta savuhormissa rutistettua paperia tai puhalla lämmintä ilmaa hiustenkuivaajalla tai lämpöpuhaltimella. Varo, että et levitä nokea huonetiloihin, jos käytät puhallinta. Turvaa palamisilman saanti koneellisella ilmanvaihdolla varustetussa talossa (esim. sulje ilmanvaihto sytyttämisen ajaksi). 31
Sytyttäminen Sytytä pienellä määrällä. Käytä ensimmäisessä panoksessa pienikokoisia polttopuita. Lado polttopuut mieluummin vaakatasoon. Lado puut kuohkeasti ja sijoita sytykkeet päälle tai alle arinaratkaisusta riippuen. Noudata aina valmistajan antamia käyttöohjeita! 32
Erilaisia sytytystapoja Sytytys puiden päistä Sytytys useasta kohdasta Sytytys päältä (lado isommat puut alle) Kuvat: Tulikivi Oyj, Nunnanlahden Uuni Oy ja Kerman Savi Oy 33
Polttoaineen lisäys Lisää puut laitevalmistajan käyttöohjeen mukaisesti. Puita lisätään vasta kun entiset ovat palaneet lähes hiillokselle, ja liekit ovat laskeutuneet. Sijoita mielellään kuoripuoli alaspäin. Lado toinen panos tiiviimmin. Älä lado tulipesää täyteen. Vapaata tilaa pitää olla vähintään 1/3 tulipesän korkeudesta. Lisäykseen voit käyttää suurempia polttopuita. Liekkipalon aikana tarvitaan runsaasti palamisilmaa. 1 kg puuta tarvitsee 8 12 m 3 palamisilmaa. Vältä turhaa tulen kohentelua, jotta palaminen ei häiriinny. 34
Hiillos antaa runsaasti lämpöä Punaisena hehkuva hiillos luovuttaa paljon lämpöä, 25 40 % puun energiasisällöstä. Vähennä uunin luukusta virtaavan ilman määrää. Kokoa hiillos yhteen ja kohenna tummuneita kekäleitä. Pidä arinailma täysin auki, jotta hiillos palaa mahdollisimman nopeasti loppuun. 35
Peltien sulkeminen Kun hiillos on tummunut sulje pelti. Jos suljet pellin liian aikaisin, huoneeseen saattaa tulla häkää. Häkävaroitin on hyvä turva. Palaminen on onnistunut hyvin, kun tulipinnat ovat vaaleita eikä niissä näy tummaa nokea. 36
Muutamia tärkeitä uunilämmittäjän ohjeita Älä polta uunissa jätteitä. Varmista polttoaineen loppuun palaminen ennen kuin suljet savupellit. Älä jätä uunia valvomatta lämmityksen aikana! Muista uunin nuohous! Kiinteistön omistaja on vastuussa nuohouksesta. Jatkuvassa käytössä olevat uunit on nuohottava kerran vuodessa. Käytä ammattitaitoista nuohoojaa. Palovaroitin on pakollinen ja häkävaroitin suositeltava. 37 Kuva: Uunisepät
Lisätietoja Polttopuun tuottaminen ja varastointi Ari Erkkilä, VTT (ari.erkkilä@vtt.fi) Lämmitysohjeet, polttoaineet ja niiden standardisointi, VTT (eija.alakangas@vtt.fi) Pienpolton kehittäminen ja laitteiden standardisointi Heikki Oravainen, VTT (heikki.oravainen@vtt.fi) Pienhiukkaset Jorma Jokiniemi, VTT& Kuopion yliopisto (jorma.jokiniemi@vtt.fi tai jorma.jokiniemi@uku.fi) 38