Reklama

Metodický přístup k testování krbových kamen v ČR a v zahraničí – 2. část

13.1.2014

Ing. Petr Kubesa, Ing. Jiří Horák, Ph.D., Ing. František Hopan, Ph.D., Ing. Kamil Krpec, Ph.D., VŠB, TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum, Ing. Lubomír Martiník

Recenzovaný

Krbová kamna představují vítaný doplňkový a často i hlavní zdroj tepla pro rodinné domy nebo rekreační objekty během chladného období. Cílem tohoto článku je přiblížit čtenáři testování, přesněji řečeno proces certifikace výrobku v notifikované zkušební laboratoři.

Reklama

Zatímco první část článku byla zaměřena především na metodický přístup k testování krbových kamen v Evropě, ve druhé části se podíváme, jak tuto problematiku řeší ve Spojených státech nebo v Austrálii.

4. Testování kamen dle standardů EPA

4.1. Úvod

Obr. 5 Příklad provedení EPA štítku pro dočasné umístění na kamnech [14]

Obr. 6 EPA štítky pro dočasné (nahoře) a trvalé (dole) umístění na kamnech [14]

Ve Spojených státech amerických od roku 1988 platí, že když chce výrobce nabízet určitou modelovou řadu kamen na tamním trhu, musí tato řada splňovat tzv. US EPA standardy (US EPA – United States Enviromental Protection Agency). V procesu certifikace je spalovací zařízení testováno v nezávislé akreditované laboratoři dle referenční metody Method 28 [9] a metod pro stanovení prachových částic ve spalinách dle Method 5G [10] nebo Method 5H [11]. V současné době je ve Spojených státech a v Kanadě celkem sedm akreditovaných laboratoří, které mohou provádět testování dle EPA standardů (pět jich je v USA a dvě v Kanadě a jejich seznam lze najít zde [12]). Zákazník pozná kamna s EPA certifikací tak, že zpravidla na přední straně nově zakoupených kamen je umístěn štítek (s dočasným umístěním) s údaji, které jsou zobrazeny na obr. 5 – především je zde uvedeno množství prachu produkováno zařízením za jednu hodinu provozu, dále štítek může obsahovat informaci o účinnosti a další doplňující pokyny. Druhý štítek pak je umístěn trvale na zadní nebo boční straně kamen (obr. 6) s informacemi, že tato kamna byla testována v souladu s EPA standardy pro měření prachu. Dále je zde uveden rok výroby zařízení apod. Na webových stránkách EPA (www.epa.gov) lze najít aktuální seznam všech zařízení, které jsou certifikovány a splňují EPA standardy [13].

4.2. Zkoušky dle standardů EPA

Základním standardem EPA pro kamna je Method 28: Certification and auditing of wood heaters, který definuje základní postup při zkoušení kamen včetně určení kategorií spotřeby paliva, použitých přístrojů a charakterizuje palivo pro zkoušení. Norská metodika víceméně vychází z přístupu k testování dle EPA, proto lze mezi těmito metodikami nalézt podobnost.

Certifikace kamen se skládá ze série minimálně čtyřech testovacích period, které jsou definovány stejně jako v norské metodice čtyřmi kategoriemi spotřeby suchého dřeva (Tab. č. 3).

Obr. 7 Několik příkladů možného uspořádání sestavy dřeva pro zkoušku. [9]

Tab. č. 3 Kategorie spotřeby dřeva dle EPA. Spotřeba v kg suchého dřeva za hodinu. [9]
Kategorie 1	Kategorie 2	Kategorie 3	Kategorie 4
< 0,80	0,80 až 1,25	1,25 až 1,90	Maximální spotřeba

Pro zkoušení dle EPA musí být použity na vzduchu sušené hranoly z dříví (douglaska) o rozměru cca 2 × 4 palce (50 × 100 mm) nebo 4 × 4 palce (100 × 100 mm). Jaký průřezový rozměr se při zkouškách použije, závisí na využitelném objemu ohniště. Délka hranolů je potom taková, aby byla přibližně 5/6 délky využitelného objemu ohniště. Mezi hranoly se vkládají podložky z douglasky o rozměru 5 × 1,5 × 0,75 palce (130 × 40 × 20 mm). Vlhkost testovacího paliva se musí pohybovat v rozmezí 16 až 20 % a nepřipouští se použití uměle vysušeného dříví. Příklady sestavy dávky dřeva určené pro zkoušky jsou na obrázku obr. 7.

Během jednotlivých zkoušek se měří prachové částice ve spalinách a po vyhodnocení je prach vyjádřen jako vážená průměrná hodnota v g/h pro všechny kategorie spotřeby paliva. EPA připouští měření prachu dvěmi metodami:

Metoda odběru prachu z ředícího tunelu – Method 5G [10]. Metoda spočívá v odběru části spalin z ředícího tunelu (ředící tunel je podobný tunelu dle norské metodiky, obr. 2). Odebrané spaliny jsou následně filtrovány přes dva filtry ze skelných vláken umístěných za sebou. Filtry jsou udržovány na teplotě max. 32 °C. Množství zachyceného prachu je zjištěno na základě vážení po vysušení filtrů.
Metoda odběru prachu přímo z komína za spalovacím zařízením – Method 5H [11]. Z komína za spalovacím zařízením je odebrána část spalin. Odebrané spaliny jsou vedeny přes dva filtry ze skelných vláken, které jsou odděleny impingery (skleněné nádoby s kapalinou pro absorpci prachu). První filtr je zahříván na teplotu nepřevyšující 120 °C. Impingery a druhý filtr jsou ochlazovány na teplotu nepřevyšující 20 °C. Problematikou stanovení prachu z malých spalovacích zařízení, ve kterých se spalují tuhá paliva, se detailněji zabývá článek [4].

Dle zákonů Spojených států můžou být na americkém trhu prodávána pouze ta kamna, která splňují limitní hodnotu pro prach ve spalinách 7,5 g/h (limit pro kamna bez katalyzátoru) nebo 4,1 g/h (limit pro kamna s katalyzátorem). Pro stát Washington pak platí přísnější podmínky a to 4,5 g/h pro kamna bez katalyzátoru a 2,5 g/h pro kamna s katalyzátorem [14]. Důležitou změnou oproti evropskému přístupu (EN metodika) je absence limitů pro účinnost a emise oxidu uhelnatého, přestože se běžně tyto parametry při testování zařízení dle EPA měří. Definice limitních hodnot však chybí.

5. Australsko-novozélandská metodika testování kamen

5.1. Úvod

Od roku 1992 si australská vláda klade za cíl vylepšit provozní vlastnosti kamen, které povedou ke zlepšení kvality ovzduší během topného období. První standard pro kamna přišel již v roce 1992. Podle něj nově vyrobená kamna nesměla emitovat více jak 5,5 gramu prachu na kilogram spáleného paliva (g/kg). V roce 1999 přišla revize pro tento standard a vznikl společný standard pro Austrálii a Nový Zéland, standard AS/NZS 4013:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Method for determination of flue gas emission [15]. Byly zde zavedeny nové emisní limity pro vypouštění prachu z kamen a to 4 g/kg pro spalovací zařízení bez katalyzátoru a 2,25 g/kg pro kamna s katalyzátorem. Se standardem AS/NZS 4013:1999 souvisí standard AS/NZ 4012:1999 [16], ve kterém je popsán postup ke stanovení průměrné účinnosti a tepelného výkonu zařízení. Stejně jako při certifikaci dle EPA a norské metodiky není na kamna kladen požadavek na minimální účinnost a CO. V uvedených normách je určeno, jakým způsobem musí být kamna, splňující standardy AS/NZ, označeny. Na štítku kamen by se měla především objevit hodnota o maximálním tepelném výkonu pro jednotlivé doporučené druhy paliva, dále celková průměrná účinnost zařízení a výsledná naměřená a následně vypočtená hodnota pro měrné emise prachu v g/kg.

5.2. Zkoušky dle australsko/novozélandské metodiky

Obr. 8 Typické schéma zkušební sestavy [15]

Při pohledu na přístup k testování kamen v Austrálii a na Novém Zélandu, můžeme říct, že je jedinečný. Jedinečnost metodiky dle AS/NZ spočívá v tom, že kamna jsou umístěná v tzv. tepelné místnosti (anglicky calorimeter room). Tepelná místnost je uzavřený a izolovaný prostor o minimálním vnitřním objemu 15 m³. Do prostoru se ventilátorem vhání studený vzduch ze zkušebny. Z tepelné místnosti se zároveň ventilátorem odsává ohřátý vzduch. Pomocí regulace se v místnosti udržuje tlak odpovídající tlaku okolí. V potrubí odsávaného vzduchu je instalováno měření rychlosti, ze kterého lze vypočítat objemový průtok teplého vzduchu. Na základě tepelné bilance vstupujícího a vystupujícího vzduchu z místnosti lze pak zjistit množství tepla předaného kamny do místnosti. Zatímco v ostatních metodikách se stanovuje účinnost nepřímou metodou (na základě jednotlivých ztrát, 100 % – suma ztrát, kde největší ztrátou je ztráta komínová, více v článku [5]), tak pomocí tohoto přístupu lze stanovit účinnost přímou metodou, tj. účinnost se rovná předaný tepelný výkon do okolí k příkonu v palivu. U teplovodních kotlů je stanovení výkonu zařízení poměrně jednoduché – stanoví se předaný výkon do vody na základě měření teploty vstupující a vystupující vody a měření průtoku vody v kotlovém okruhu. Nicméně u lokálních spotřebičů je to složitější a tepelná místnost představuje elegantní řešení. Testování kamen musí samozřejmě předcházet kalibrace místnosti pomocí elektrických kamen, která určí tepelné ztráty stěnami. Typické schéma zkušební sestavy je na obr. 8.

Základem AS/NZ metodiky je stanovení měrné emise prachu při třech výkonnostních úrovních. Ty jsou:

vysoký výkon – zařízení je provozováno při nastavení regulace na maximum (přívod spalovacího vzduchu plně otevřen)
nízký výkon – zařízení je provozováno při nastavení regulace na minimum (přívod spalovacího vzduchu nastaven na minimum)
střední výkon – vycházející z nastavení středu mezi nízkým a vysokým výkonem

Odběr prachu je realizován v ředícím tunelu a pro každou výkonnostní úroveň je stanovena jeho měrná emise. Celková měrná emise prachu, která se srovnává s emisním limitem uvedeným výše, se vypočte jako průměr měrných emisí stanovených při vysokém, středním a nízkém výkonu.

Australsko-novozélandská metodika AS/NZS 2013 připouští následující druhy paliv dle AS/NZS 4014:

Část 1: Tvrdé dřevo [17]
Část 2: Měkké dřevo [18]
Část 3: Hnědouhelné brikety [19]
Část 4: Kusové černé uhlí [20]
Část 5: Polo-antracitové uhelné brikety [21]

Obr. 9 Tepelná místnost umístěná ve zkušebně VŠB-TUO VEC

Norma určuje, že v případě spalování dřeva, musí být polena zpracována přibližně do válcového tvaru a to tak, aby průměr byl větší jak 75 mm a horním omezením je, aby poleno prošlo kruhovou dírou o průměru 110 mm. Délka polena potom musí být 70 % až 80 % nejdelšího rozměru ohniště (ne diagonály). Počet polen je počítán na základě užitečného objemu ohniště. Vlhkost dřeva se musí pohybovat v rozmezí 12 až 16 % pro tvrdé dřevo nebo 16 až 20 % při spalování měkkého dřeva.

V Evropě není tepelná místnost pro testování malých spalovacích zařízení příliš rozšířená. První tepelná místnost pro testování kamen byla v Evropě postavena ve Švýcarsku (http://www.oekozentrum.ch/). Zde mají největší zkušenost s testováním kamen v tepelné místnosti, kterou švýcarští partneři používají ke stanovení účinnosti přímou metodou a především pak k vykreslování křivek předávaného tepelného výkonu do prostoru v čase. V letošním roce je také realizována stavba tepelné místnosti ve zkušebně VŠB-TUO Výzkumného energetického centra v Ostravě, která bude sloužit k experimentálním měřením. Realizovaná tepelná místnost je zobrazena na obr. č. 9.

6. Shrnutí

Výše byly popsány přístupy k testování kamen obecně v Evropě, Norsku, ve Spojených státech, v Austrálii a na Novém Zélandu. Každý přístup má svá specifika, které shrnuje následující tabulka:

Tab. č. 4 Shrnutí metodik
	Obecná evropská metodika	Norská metodika	Metodika EPA	Australsko/novozélandská metodika
Hlavní aplikované normy	EN 13 240:2001 + A2:2004	NS 3058:1994 NS 3059:1994	Method 28 Method 5G Method 5H + související postupy	AS/NZS 4012:1999 AS/NZS 4013:1999 AS/NZS 4013:1999 AS/NZS 4014.1:1999 AS/NZS 4014.2:1999 AS/NZS 4014.3:1999 AS/NZS 4014.4:1999 AS/NZS 4014.5:1999
Zkoušky	Zkouška při jmenovitém výkonu Zkouška při minimálním či sníženém výkonu Bezpečnostní zkoušky	Zkoušky při čtyřech kategoriích spotřeby dřeva (Tab. 1)	Zkoušky při čtyřech kategoriích spotřeby dřeva (Tab. 3)	Zkouška při vysokém, středním a minimálním výkonu
Požadavek na CO	Ano	Ne	Ne	Ne
Limit pro CO	< 1,0 % (při 13 % O₂)	–	–	–
Požadavek na prach	Ne	Ano	Ano	Ano
Limit pro prach	–	5 g/kg (kamna s katalyzátorem) 10 g/kg (kamna bez katalyzátoru)	4,1 g/h (kamna s katalyzátorem) 7,5 g/h (kamna bez katalyzátoru)	2,25 g/kg (kamna s katalyzátorem) 4 g/kg (kamna bez katalyzátoru)
Způsob odběru prachu	–	Z ředícího tunelu	Z ředícího tunelu (Method 5G) nebo přímo z komína za spalovacím zařízením (Method 5H)	Z ředícího tunelu
Požadavek na účinnost	Ano	Ne	Ne	Ne
Limit pro účinnost	> 50 %	–	–	–
Druh paliva	Dřevo, pevné minerální palivo	Dřevo	Dřevo	Dřevo, pevné minerální palivo
Typ dřeva	Buk, bříza, habr, jedle (zkouška přetížení)	Smrk	Douglaska	Tvrdé nebo měkké
Jsou definovány rozměry dřeva pro zkoušku?	Ano, pouze u zkoušky přetížení	Ano	Ano	Ano
Rozměr polen	Hranoly 40 × 60 mm nebo 50 × 50 mm	Hranoly 49 × 49 mm	Hranoly 2 × 4“ nebo 4 × 4“	Válcovitý tvar s min. průměrem 75 mm a max. 110 mm
Vlhkost dřeva	16 ± 4 %	16 až 20 %	16 až 20 %	12 až 16 % (tvrdé dřevo) 16 až 20 % (měkké dřevo)
Schéma měřicí sestavy (klikni na obrázek pro zvětšení)			Method 5G (Method 5H, viz [11])

7. Závěr

Úkolem výrobců kamen ve spolupráci s výzkumnými pracovišti je nabídnout zákazníkovi moderní a bezpečné zařízení s nízkou produkcí znečišťujících látek a vysokou energetickou účinností. Cílem článku bylo shrnout problematiku testování krbových kamen a nastínit specifika hlavních přístupů ke zkoušení, která lze nalézt v Evropě, ale také jinde ve světě. Každá výše uvedená metodika ke zkoušení přistupuje jinak a je téměř nemožné výsledky dosažené jednotlivými přístupy k testování kamen vzájemně porovnat. Snad největší rozdílnost v přístupu lze nalézt v obecné evropské metodice dle EN 13 240. Ta je naprosto odlišná od ostatních uvedených metodik. Evropská metodika zavedla limity na energetickou účinnost a emise oxidu uhelnatého stanovené při jmenovitém výkonu zařízení. Ostatní uvedené metodiky berou jako stěžejní měřený provozní parametr množství prachu, které vznikne při hodinovém provozu zařízení nebo při spálení jednoho kilogramu paliva. Limity pro účinnost a oxid uhelnatý nejsou definovány. Evropský přístup k testování, kdy se parametry kamen stanovují jen při jmenovitém výkonu, se jeví autorům článku jako nedostatečný, protože v reálném provozu se tento stav vyskytuje omezeně. Výsledné parametry kamen stanovené při třech anebo čtyřech režimech více reprezentují běžný provoz, a proto tyto hodnoty považujeme za reprezentativnější a také vhodnější pro použití při úvahách o vlivu kamen na znečištění ovzduší. Některé evropské státy jako např. Německo nebo Rakousko k obecné metodě EN 13 240 přidávají požadavek také na měření prachu dle metody DIN plus (více o měření prachu naleznete v předchozím článku [4]) a také přidávájí přísnější požadavky na účinnost (více v článku [3]). Dalším příkladem může být Dánsko. Kamna pro dánský trh musí splňovat limity pro prach dle norské normy NS 3058 / NS 3059 nebo dle DIN plus [22].

Technická komise 295 (TC295) při Evropském výboru pro normalizaci (Comité Européen de Normalisation – CEN) připravuje novou evropskou normu s označením EN 16 510 s cílem nahradit a pojmout normy týkající se spotřebičů na tuhá paliva a to EN 13 240:2001 (krbová kamna), EN 13 229 (krbové vložky), EN 12 815:2001 (varné spotřebiče na tuhá paliva) a EN 12 809:2001 (teplovodní kotle pro domácnost na pevná paliva do 50 kW) [23], [24]. Momentálně je připravovaná norma ve schvalovacím procesu, a proto není možné zde uvést více informací.

8. Poděkování

Tento článek vznikl za podpory MŠMT v rámci řešení projektu SGS SP2013/178 s názvem „Vývoj a analýzy energetických systémů“, projektu Pokročilé technologie pro výrobu tepla a elektřiny Centra kompetence TE1020036 a projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016, podpořeného Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Použitá literatura

[1] BUFKA, Aleš. Malá spalovací zařízení na pevná paliva pro domácnosti: 2. část [online]. 2013 [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/zdroje-tepla/9958-mala-spalovaci-zarizeni-na-pevna-paliva-pro-domacnosti-2-cast
[2] EN 13 240:2001 Roomheaters fired by solid fuel – Requirements and test methods.
[3] HORÁK, Jiří, Lubomír MARTINÍK, Kamil KRPEC, Jiří DVOŘÁK, František HOPAN, Petr KUBESA, Zuzana JANKOVSKÁ a Vendula DRASTICHOVÁ. Jaké parametry musí splnit kamna, krbové vložky a sporáky? Legislativa v ČR a Evropě [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/ochrana-ovzdusi/9983-jake-parametry-musi-splnit-kamna-krbove-vlozky-a-sporaky-legislativa-v-cr-a-evrope
[4] KUBESA, Petr, Jiří HORÁK, Kamil KRPEC, František HOPAN, Zuzana JANKOVSKÁ a Lubomír MARTINÍK. [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/ochrana-ovzdusi/9536-emise-prachu-z-malych-spalovacich-zarizeni-na-tuha-paliva-a-metody-jejich-stanoveni
[5] HORÁK, Jiří, Petr KUBESA, Jiří DVOŘÁK, Jiří DVOŘÁK, František HOPAN, Kamil KRPEC, Zuzana JANKOVSKÁ, Zdeněk Kysučan. Jak si doma změřit účinnost spalovacího zařízení a lze účinnost nějak zvětšit? [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/zdroje-tepla/9434-jak-si-doma-zmerit-ucinnost-spalovaciho-zarizeni-a-lze-ucinnost-nejak-zvetsit
[6] NS 3058. Enclosed wood heaters. Part 1: Test facility and heating pattern, Part 2:Determination of partuculate emission, Part 3: Determination of organic micro contaminations (PAH), Part 4: Determination of the kontent of carbon monoxide (CO) and cabon dioxide (CO₂) in flue gas.
[7] NS 3059 Enclosed wood heaters. Smoke emission requirements.
[8] KRPEC, Kamil, Jiří HORÁK, Lubomír MARTINÍK, Petr KUBESA, František HOPAN, Zdeněk KYSUČAN, Jiří KREMER a Zuzana JANKOVSKÁ. Potenciál využití katalyzátorů při spalování dřeva v domácnostech [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/ochrana-ovzdusi/10022-potencial-vyuziti-katalyzatoru-pri-spalovani-dreva-v-domacnostech
[9] Method 28) Certification and auditing of wood heaters
[10] Method 5G) Determination of particulate matter emissions from wood heaters (dilution tunnel sampling location)
[11] Method 5H) Determination of particulate matter emissions from wood heaters from a stack location
[12] Wood Stoves Accredited Laboratories [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://www.epa.gov/compliance/monitoring/programs/caa/whlabs.html
[13] List of EPA Certified Wood Stoves: August 2013. [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://www.epa.gov/Compliance/resources/publications/monitoring/caa/woodstoves/certifiedwood.pdf
[14] Burn Wise. Dostupné z: http://www.epa.gov/burnwise/
[15] AS/NZS 4013:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Method for determination of flue gas emission
[16] AS/NZ 4012:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Method for determination of power output and efficiency
[17] AS/NZS 4014.1:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Test fuels – Hardwood
[18] AS/NZS 4014.2:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Test fuels – Softwood
[19] AS/NZS 4014.3:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Test fuels – Lignite briquettes
[20] AS/NZS 4014.4:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Test fuels – Sub-bituminous coal
[21] AS/NZS 4014.5:1999 – Domestic solid fuel burning appliances – Test fuels – Semi-anthracite coal briquettes
[22] Information for manufacturers of solid fuel stoves – Type approval of solid fuel stoves according to DS/EN 13240 [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://www.dti.dk/information-for-manufacturers-of-solid-fuel-stoves/type-approval-of-solid-fuel-stoves-according-to-ds-en-13240/7348,2
[23] Residential solid fuel burning appliances – Standards under development [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: http://www.cen.eu/cen/Sectors/TechnicalCommitteesWorkshops/CENTechnicalCommittees/Pages/WP.aspx?param=6276&title=Residential%20solid%20fuel%20burning%20appliances
[24] Residential solid fuel burning appliances [online]. [cit. 2013-11-18]. Dostupné z: https://shop.austrian-standards.at/Preview.action;jsessionid=99E5F080AB0A5CB9FBC457AE5DD7EB24?preview=&dokkey=466138&selectedLocalse=en

English Synopsis

Methodological approach to the stove testing in the Czech Republic and other countries – Part 2

The object of article is to provide basic information about approaches to testing of stoves burning solid fuels in Europe and some other countries. Generally, stoves in Europe are tested according standard EN 13240. However, there’re other standards on national basis, for example Norwegian standards NS3058 and NS3059. If we look away from European border we can found standards which describe methods of stove testing – Australian/New Zealand standards and EPA standards in U.S.A. The article provides information about measuring sets, characterization of used fuels, testing categories for burning periods, measured parameters, emission limits and others things which are in these standards.